Luận văn thạc sĩ nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ một số chất độc hại dưới dạng ion

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ HUYỀN NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ MỘT SỐ CHẤT ĐỘC HẠI DƢỚI DẠNG ION TRONG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI -NĂM 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ HUYỀN NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ MỘT SỐ CHẤT ĐỘC HẠI DƢỚI DẠNG ION TRONG NƢỚC Chun ngành: HĨA MƠI TRƢỜNG Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRẦN HỒNG CÔN HÀ NỘI -NĂM 2015 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Trần Hồng Côn giao đề tài nhiệt tình giúp đỡ, cho em kiến thức q báu trình nghiên cứu Cảm ơn thầy giáo làm việc phịng thí nghiệm Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện giúp đỡ em trình làm thực nghiệm Xin chân thành cảm ơn bạn học viên, sinh viên làm việc phịng thí nghiệm Hóa mơi trường giúp đỡ tơi q trình tìm tài liệu hồn thiện luận văn Để hồn thành luận văn này, ngồi nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu thân, giúp đỡ người xung quanh, đặc biệt người thầy, đồng nghiệp đóng góp phần khơng nhỏ nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn! Học viên cao học Nguyễn Thị Huyền MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Than hoạt tính cấu trúc bề mặt than hoạt tính .2 1.1.1.Cấu trúc tinh thể than hoạt tính 1.1.2 Cấu trúc xốp bề mặt than hoạt tính .6 1.1.3 Cấu trúc hóa học bề mặt .8 1.2 Nhóm Cacbon-oxy bề mặt than hoạt tính 1.2.1 Nghiên cứu nhiệt giải hấp 12 1.2.2 Trung hòa kiềm 14 1.3 Ảnh hƣởng nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ 14 1.3.1 Tính axit bề mặt than .15 1.3.2 Tính kị nước 16 1.3.3 Sự hấp phụ phân cực 16 1.3.4 Sự hấp phụ từ dung dịch 18 1.3.5 Sự hấp phụ ưu tiên 19 1.4 Tâm hoạt động bề mặt than 20 1.5 Biến tính bề mặt than hoạt tính 23 1.5.1 Biến tính tính than hoạt tính N2 .24 1.5.2 Biến tính bề mặt than halogen 25 1.5.3 Biến tính bề mặt than lưu huỳnh hóa 26 1.5.4 Biến tính than hoạt tính cách tẩm hóa chất .27 CHƢƠNG – THỰC NGHIỆM 29 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 29 2.2 Mục tiêu nghiên cứu .29 2.3 Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu .29 2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu .31 2.4.1 Chuẩn bị than hoạt tính .31 2.4.2 Ơxi hóa bề mặt than hoạt tính (Tạo vật liệu AC-1): 31 2.4.3 Tạo vật liệu AC-2 .33 2.4.4 Tạo vật liệu AC-3: 33 2.4.5 Phương pháp khảo sát đặc trưng than biến tính 34 2.4.6 Phương pháp xác định ion dung dịch 37 2.5 Phƣơng pháp tính tốn tải trọng hấp phụ vật liệu 44 2.6 Khảo sát khả hấp phụ asen vật liệu dƣới dạng ion asenat AsO43- 46 2.6.1 Khảo sát sơ khả hấp phụ As vật liệu .46 2.6.2.Khảo sát thời gian cân hấp phụ As vật liệu 46 2.6.3 Xác định dung lượng hấp phụ As cực đại vật liệu 46 2.7 Khảo sát khả hấp phụ Amoni vật liệu 47 2.7.1 Khảo sát sơ khả hấp phụ amoni vật liệu 47 2.7.2 Khảo sát thời gian cân hấp phụ amoni cực đại .48 2.7.3 Xác định dung lượng hấp phụ cực đại: 48 CHƢƠNG III - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .49 3.1 Ơxi hóa than hoạt tính dd KMnO4/H2SO4 49 3.2 Xác định số đặc trƣng than biến tính 49 3.2.1 Xác định nhóm chức có bề mặt loại than 49 3.2.2 Kết chụp SEM 52 3.2.3 Xác định sơ tổng số tâm axit bề mặt than oxi hóa .54 3.3 Kết khảo sát khả hấp phụ As vật liệu than hoạt tính biến tính 56 3.3.1 Khảo sát sơ khả hấp phụ As vật liệu AC 56 3.4.2 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ As vật liệu 58 3.4.3 Khảo sát dung lượng hấp phụ As cực đại 59 3.5 Khảo sát khả hấp phụ amoni vật liệu 63 3.5.1 Khảo sát sơ khả hấp phụ NH4+ vật liệu 63 3.5.2 Khảo sát thời gian cân hấp phụ .65 3.5.3 Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu với amoni .67 KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình1.1 So sánh mạng tinh thể chiều than chì (a) cấu trúc turbostratic (b) Hình 1.2 Bề mặt dạng than hoạt tính ơxi hóa .11 Hình 2.1 Dạng đồ thị đường thẳng BET 35 Hình 2.2 Đường chuẩn xác định nồng độ NH4+ .38 Hình 2.3 Đường chuẩn xác định nồng độ Mn2+ .40 Hình 2.4: Đường chuẩn asen nồng độ nhỏ 43 Hình 2.5: Đường chuẩn asen nồng độ lớn 44 Hình 2.6: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .45 Hình 2.7: Đồ thị để xác định số pt Langmuir 45 Hình 3.1 : Phổ hồng ngoại than hoạt tính Trà Bắc 50 Hình 3.2 : Phổ hồng ngoại than hoạt tính ơxi hóa (AC1) 50 Hình 3.3 : Phổ hồng ngoại than hoạt tính ơxi hóa AC-2(Mn 1%) 51 Hình 3.4 : Phổ hồng ngoại than hoạt tính ơxi hóa AC-2 (Mn 3%) 51 Hình 3.5 : Phổ hồng ngoại than hoạt tính ơxi hóa AC-3 ( 1% + 5%) .51 Hình 3.6 : Phổ hồng ngoại than hoạt tính ơxi hóa AC3 (3% +3%) 52 Hình 3.7: Ảnh SEM than hoạt tính ơxi hóa (AC1) .53 Hình 3.8: Ảnh SEM than hoạt tính ơxi hóa (AC2 –Mn(IV) 1%) 53 Hình 3.9: Ảnh SEM vật liệu (AC3 –Mn(IV)1% + Fe(III)5%) 54 Hình 3.10: Đồ thị chuẩn độ than ơxi hóa NaOH 56 Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn thời gian cân hấp phụ As vật liệu AC2 58 Hình 3.12: Đồ thị phương trình langmuir AC-1 với As .59 Hình 3.13: Đường hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu AC-1với As 60 Hình 3.14: Đồ thị phương trình langmuir AC-2 với As .61 Hình 3.15: Đường hấp phụ đẳng nhiệt As vật liệu AC2 61 Hình 3.16: Đồ thị phương trình langmuir AC-3 với As .62 Hình 3.17: Đường hấp phụ đẳng nhiệt As vật liệu AC-3 63 Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn thời gian cân hấp phụ amoni 66 Hình 3.19: Đường hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu AC1 67 Hình 3.20: Đồ thị phương trình langmuir AC-1 với amoni .68 Hình 3.21: Đường hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu AC2 69 Hình 3.22: Đồ thị phương trình langmuir AC-2 với amoni .69 Hình 3.23: Đường hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu AC3 70 Hình 3.24: Đồ thị phương trình langmuir AC-3 với amoni 71 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Danh mục dụng cụ thiết bị cần thiết cho nghiên cứu .29 Bảng 2.2 Danh mục Hóa chất cần thiết cho nghiên cứu 30 Bảng 2.3: Sự phụ thuộc chiều cao cột màu vào nồng độ asen 43 Bảng 3.1: Kết chuẩn độ than hoạt tính NaOH 0,01M .55 Bảng 3.2: Kết khảo sát sơ khả hấp phụ asen AC-2 57 Bảng 3.3: Kết khảo sát sơ khả hấp phụ asen AC-3 57 Bảng 3.4: Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ As 58 Bảng 3.5: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-1 59 Bảng 3.6: Kết hấp phụ As vật liệu AC-2 (Mn(IV) 3%) 60 Bảng 3.7.Kết khảo sát langmuir vật liệu AC3 hấp phụ As 62 Bảng 3.8 Đánh giá sơ khả hấp phụ Amoni vật liệu .63 Bảng 3.9 Đánh giá sơ khả hấp phụ amoni vật liệu AC-2 64 Bảng 3.10 Đánh giá sơ khả hấp phụ amoni vật liệu AC-3 65 Bảng 3.11: Thời gian cân hấp phụ amoni 66 Bảng 3.12: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-1 với amoni .67 Bảng 3.13: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-2 với amoni .68 Bảng 3.14: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-3 với amoni .70 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, tình hình nhiễm nguồn nước nói chung nguồn nước sinh hoạt nói riêng asen vấn đề toàn xã hội quan tâm nhu cầu chất lượng sống ngày cao Theo nghiên cứu gần đây, người dân số khu vực Hà Nội số tỉnh miền Bắc (thuộc đồng sông Hồng), miền Nam (thuộc đồng sông Cửu Long) phải sử dụng nước có hàm lượng asen cao gấp từ 10 đến hàng trăm lần tiêu chuẩn nước Hàm lượng amoni xác định vượt tiêu cho phép đến lần cao Điều ảnh hưởng nghiêm trọng trực tiếp tới sức khoẻ người, độc hại asen amoni mang lại Nó gây nhiều loại nguy hiểm ung thư da, phổi Đây vấn đề đáng báo động với Việc loại bỏ amoni ion kim loại nặng nước thải thị, nhà máy hay xí nghiệp việc loại bỏ asen nước, đặc biệt nguồn nước ngầm vô cần thiết cấp bách Than hoạt tính từ lâu sử dụng để làm nước Tuy nhiên, ứng dụng xử lý nước dừng lại việc loại bỏ hợp chất hữu số thành phần khơng phân cực có hàm lượng nhỏ nước Với mục đích khai thác tiềm ứng dụng than hoạt tính việc xử lý nước sinh hoạt, đặc biệt lĩnh vực loại bỏ cation anion nước; chọn thực đề tài “ Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ số chất độc hại dạng ion nước” CHƢƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Than hoạt tính cấu trúc bề mặt than hoạt tính Có nhiều định nghĩa than hoạt tính, nhiên nói chung rằng, than hoạt tính dạng cacbon xử lý để mang lại cấu trúc xốp, có diện tích bề mặt lớn Than hoạt tính dạng than gỗ hoạt hóa sử dụng từ nhiều kỷ trước Người Ai cập sử dụng than gỗ từ khoảng 1500 trước công nguyên làm chất hấp phụ cho mục đích chữa bệnh Người Hindu cổ Ấn độ làm nước uống họ cách lọc qua than gỗ Việc sản xuất than hoạt tính cơng nghiệp khoảng năm 1900 sử dụng làm vật liệu tinh chế đường Than hoạt tính sản xuất cách than hóa hỗn hợp nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật có mặt nước CO2 Than hoạt tính sử dụng suốt chiến tranh giới thứ mặt nạ phòng độc bảo vệ binh lính khỏi khí độc nguy hiểm[5] Than hoạt tính chất hấp phụ quí linh hoạt, sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn tạp chất hữu cơ, vô nước thải công nghiệp sinh hoạt, thu hồi dung môi, làm khơng khí, kiểm sốt nhiễm khơng khí từ khí thải cơng nghiệp khí thải động cơ, làm nhiều hóa chất, dược phẩm, sản phẩm thực phẩm nhiều ứng dụng pha khí Chúng sử dụng ngày nhiều lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng, bạc, kim loại khác, làm chất mang xúc tác Chúng biết đến nhiều ứng dụng y học, sử dụng để loại bỏ độc tố vi khuẩn số bệnh định Cacbon thành phần chủ yếu than hoạt tính với hàm lượng khoảng 85 –95% Bên cạnh than hoạt tính cịn chứa nguyên tố khác hidro, nitơ, lưuhuỳnh oxi Các nguyên tử khác loại tạo từ nguồn nguyên liệu ban đầu liên kết với cacbon suốt q trình hoạt hóa q trình khác Thành phần nguyên tố than hoạt tính thường 88% C, 0.5% H, 0.5% N, 1%S, –7% O Tuy nhiên hàm lượng oxy than hoạt tính thay đổi từ 1- 20% phụ thuộc vào nguồn nguyên Hình 3.14: Đồ thị phƣơng trình langmuir AC-2 với As Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại : Qmax = 1/0,0824 = 12,136 mg/g Kết cho thấy, khả hấp phụ Asen dạng AsO43- vật liệu AC-2 cao gấp 2,3 lần so với AC-1 cao nhiều so với AC-0 Điều cho thấy đưa thêm MnO2 lên bề mặt than hoạt tính sau biến tính làm tăng khả hấp phụ Asen than hoạt tính Điều cho phép dự đốn ngồi MnO2, chúng tơi đưa thêm ơxit hợp chất khác lên bề mặt than hoạt tính để làm thay đổi cấu trúc khả hấp phụ than hoạt tính, ứng dụng lĩnh vực xử lý chất độc hại có nước AsO43- Hình 3.15: Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt As vật liệu AC2 61 3.4.3.3 Khảo sát dung lƣợng hấp phụ As cực đại vật liệu AC- 3: Kết nghiên cứu mẫu AC-3 có tỉ lệ (Mn(IV) 1% + Fe(IV) 5%) với dd asenat có nồng độ từ 1ppm, 10ppm, 20ppm, 30ppm, 50ppm, 60ppm, 70ppm, 100ppm cho kết sau: Bảng 3.7.Kết khảo sát langmuir vật liệu AC3 hấp phụ As STT Co(ppm) Cl(ppm) Q(mg/g) Cl/Q(g/l) 1 0,052 0,0948 0,55 10 0,557 0,9443 0,59 20 1,2 1,88 0,64 30 2,1 2,79 0,75 50 3,75 4,625 0,81 60 5,1 5,49 0,93 70 9,06 6,094 1,12 100 10,3 8,97 1,15 Hình 3.16: Đồ thị phƣơng trình langmuir AC-3 với As Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại : Qmax = 1/0,0639 = 15,65 (mg/g) 62 Hình 3.17: Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt As vật liệu AC-3 Như vậy, qua khảo sát dung lượng hấp phụ Asen dạng AsO43- vật liệu AC-3 cho thấy khả hấp phụ As vật liệu AC-3 cao gấp lần so với AC-1 cao gấp 1,3 lần so với AC-2 Điều cho thấy đưa MnO2 +FeOOH lên bề mặt than tính sau biến tính làm tăng khả hấp phụ As dạng ion AsO43- Điều cho phép dự đoán mang đồng thời MnO2 FeOOH lên bề mặt than hoạt tính tạo mạng cấu trúc “khuyết tật” thay đổi Mn(IV) Fe(III) tạo thêm tâm hấp phụ Do khả hấp phụ AC-3 cao AC-2 AC-1 3.5 Khảo sát khả hấp phụ amoni vật liệu 3.5.1 Khảo sát sơ khả hấp phụ NH4+ vật liệu Kết khảo sát mẫu vật liệu than hoạt tính than hoạt tính biến tính AC-0, AC-1, AC-2 (Mn 1%), AC-3 (Mn:Fe = 3% : 3%) với 50ml dd NH4+ 3mg/lít sau: Bảng 3.8 Đánh giá sơ khả hấp phụ Amoni vật liệu Mẫu AC-0 AC-1 AC-2 (1%) AC-3 (3:3) CNH4+ dƣ (mg/l) 0,435 1,815 1,265 0,972 CNH4+ hấp phụ (mg/l) 2,565 1,185 1,735 2,028 63 Từ kết khảo sát sơ cho thấy khả hấp phụ amoni vật liệu than hoạt tính ban đầu chưa biến tính (AC-0) tốt than hoạt tính biến tính AC-1, AC-2, AC-3 Tuy nhiên điều chưa thể khẳng định trình biến tính than khơng có ý nghĩa Bởi vì, điều kiện khảo sát chưa phải điều kiện tối ưu Hơn nữa, dung dịch NH4+ tồn cân bằng: NH4+ + H2O NH3 + H3O+ Có thể NH3 bị hấp phụ than hoạt tính làm cho cân chuyển dịch sang trái Mặt khác, chất q trình biến tính than hoạt tính phương pháp đưa MnO2 MnO2+FeOOH lên bề mặt than hoạt tính q trình tạo hiệu ứng dương nên phần hạn chế khả hấp phụ cation amoni than hoạt tính biến tính So sánh sơ khả hấp phụ vật liệu AC-1, AC-2, AC-3 nhận thấy khả hấp phụ NH4+ AC-3 tốt Tuy nhiên thí nghiệm nghiên cứu tiếp theo, chúng tơi tiến hành khảo sát sơ khả hấp phụ mẫu AC-2 AC-3 để chọn vật liệu có khả hấp phụ amoni tốt Kết khảo sát sơ mẫu vật liệu AC-2 có tỉ lệ Mn(IV) từ 1%, 2%, 3%, 4%, 5% sau: Bảng 3.9 Đánh giá sơ khả hấp phụ amoni vật liệu AC-2 Mẫu AC2 AC2 AC2 AC2 AC2 (Mn(IV) (Mn2+ 2%) (Mn(IV) (Mn(IV) (Mn(IV) 3%) 4%) 5%) 1%) Abs 0,253 0,278 0,285 0,279 0,3 NH4+còn lại 1,265 1,42 1,465 1,428 1,559 1,735 1,58 1,535 1,572 1,441 (mg/l) NH4+ hấp phụ (mg/l) 64 Từ kết thu được, thấy vật liệu AC-2 có tỉ lệ Mn(IV) 1% có khả hấp phụ NH4+ tốt Vì vậy, trình xác định tải trọng hấp phụ amoni vật liệu AC-2, chúng tơi chọn vật liệu AC-2 có tỉ lệ Mn(IV) 1% làm đối tượng nghiên cứu Tương tự tiến hành khảo sát sơ mẫu vật liệu AC-3 có tỉ lệ Mn(IV):Fe(III) 1:5; 2:4; 3:3; 4:2; 5:1 Kết thu sau: Bảng 3.10 Đánh giá sơ khả hấp phụ amoni vật liệu AC-3 Mẫu AC3 AC3 AC3 AC3 AC3 (Mn(IV) 1% (Mn(IV) (Mn(IV) (Mn(IV) %+ (Mn(IV) + Fe(III) 2%+ Fe(III) 3%+ Fe(III) 2%) 5%+ 5%) 4%) Fe(III) 3%) Fe(III) 1%) Abs 0,21 0,229 0,206 0,217 0,242 NH4+ lại 0,997 1,115 0,972 1,04 1,197 2,003 1,885 2,028 1,96 1,803 (mg/l) NH4+ hấp phụ (mg/l) Từ kết cho thấy khả hấp phụ amoni tốt vật liệu AC-3 vật liệu AC-3 có tỉ lệ (Mn(IV) 1% + Fe(III) 5%) Vì vậy, trình xác định tải trọng hấp phụ amoni vật liệu AC-3 chọn vật liệu AC-3 có tỉ lệ (Mn(IV) 3% + Fe(III) 3%) làm đối tượng nghiên cứu 3.5.2 Khảo sát thời gian cân hấp phụ Do vật liệu có chất gần giống nên phần tiến hành khảo sát loại vật liệu đại diện, chọn vật liệu AC-3 có tỉ lệ (Mn(IV) 1% + Fe(III) 5%) để tiến hành khảo sát thời gian cân hấp phụ cực đại amoni vật liệu Kết khảo sát mẫu AC-3 (Mn(IV) 1% + Fe(III) 5%) sau: 65 Bảng 3.11: Thời gian cân hấp phụ amoni Nồng độ Thời NH4+ Nồng độ NH4+ gian(phút) Abs dư(mg/l) hphụ (mg/l) 0,851 5,00 30 0,828 4,86 0,145 60 0,413 2,27 2,73 90 0,383 2,08 2,92 120 0,369 1,99 3,01 150 0,381 2,07 2,93 180 0,400 2,19 2,81 210 0,401 2,19 2,81 240 0,405 2,19 2,81 300 0,413 2,27 2,73 Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn thời gian cân hấp phụ amoni Từ kết đồ thị cho thấy thời gian hấp phụ tốt vật liệu với amoni 120 phút (2h) Sau thời gian vật liệu giải hấp phụ Các thí nghiệm áp dụng thời gian hấp phụ 2h 66 3.5.3 Khảo sát dung lƣợng hấp phụ cực đại vật liệu với amoni 3.4.3.1 Khảo sát dung lƣợng hấp phụ cực đại amoni vật liệu AC-1 Kết nghiên cứu dung lượng hấp phụ amoni mẫu AC-1 với dd NH4+ có nồng độ từ 1mg/l, 5mg/l, 10mg/l, 15mg/l, 20ppm, 30mg/l, 40mg/l cho kết sau: Bảng 3.12: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-1 với amoni STT Co Cl Q Cl/Q 1 0,1 0,3 6,666667 10 0,4 15 9,8 20 14 0,6 30 30 23,8 0,62 38,3871 40 33,8 0,62 54,51613 15 0,52 18,84615 Hình 3.19: Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu AC1 67 Hình 3.20: Đồ thị phƣơng trình langmuir AC-1 với amoni Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại : Qmax = 1/1,5309 = 0,65 (mg/g) Kết khảo sát cho thấy dung lượng hấp phụ amoni than hoạt tính biến tính thấp Điều cho phép dự đốn q trình ơxi hóa bề mặt than hoạt tính chưa cải thiện khả hấp phụ amoni vật liệu, chúng tơi tiếp tục tiến hành khảo sát với vật liệu AC-2, AC-3 3.5.3.2 Khảo sát dung lƣợng hấp phụ cực đại amoni vật liệu AC2 Kết nghiên cứu mẫu AC-2 có tỉ lệ Mn 1% với dd amoni có nồng độ từ 1mg/l, 5mg/l, 10mg/l, 15mg/l, 20ppm, 30mg/l, 40mg/l cho kết sau: Bảng 3.13: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-2 với amoni STT Co Cl Q 1 0,4 0,46 0,869565 10 1,9 0,81 2,345679 15 3,1 1,19 2,605042 20 5,6 1,44 3,888889 30 13 1,7 7,647059 40 22,6 1,74 12,98851 68 0,1 Cl/Q Hình 3.21: Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu AC2 Hình 3.22: Đồ thị phƣơng trình langmuir AC-2 với amoni Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại : Qmax = 1/0,3691 = 2,7 (mg/g) Kết cho thấy dung lượng hấp phụ amoni cực đại vật liệu AC-2 có tỉ lệ Mn(IV) cao gấp 4,15 lần so với AC-1 Điều cho thấy trình đưa thêm MnO2 lên bề mặt than sau ơxi hóa làm tăng khả hấp phụ amoni vật liệu Dung dịch thu sau q trình hấp phụ suốt, khơng có vẩn đục 69 khơng đổi màu Điều cho thấy MnO2 khơng bị rửa trơi sau q trình hấp phụ, độ ổn định vật liệu trì suốt thời gian lắc liên tục 3.5.3.3 Khảo sát dung lƣợng hấp phụ cực đại amoni vật liệu AC-3 Kết nghiên cứu mẫu AC-3 có tỉ lệ Mn(IV) 1% + Fe(III) 5% với dd amoni có nồng độ từ 1mg/l, 5mg/l, 10mg/l, 15mg/l, 20ppm, 30mg/l, 40mg/l cho kết sau: Bảng 3.14: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-3 với amoni STT Co(mg/l) Cl(mg/l) Q(mg/g) Cl/Q 1 0,1 0,3 0,47 0,638298 10 1,1 0,89 1,235955 15 2,4 1,26 1,904762 20 1,6 2,5 30 7,8 2,22 3,513514 40 14,8 2,52 5,873016 Hình 3.23: Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu AC3 70 Hình 3.24: Đồ thị phƣơng trình langmuir AC-3 với amoni Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại : Qmax = 1/0,3303 = 3,03 (mg/g) Như vậy, qua khảo sát dung lượng hấp phụ amoni dạng NH4+ vật liệu AC-1, AC-2, AC-3 cho thấy khả hấp phụ amoni vật liệu AC-3 tốt (Qmax = 3,03 mg/g) Điều dự đốn bề mặt vật liệu AC-3 có tâm hấp phụ MnO2 FeOOH gắn lên bề mặt than hoạt tính làm tăng khả hấp phụ amoni vật liệu AC-3 Kết dung lượng hấp phụ cực đại AC-3 cao gấp 1,12 lần so với AC-2 cao gấp 4,66 lần so với AC-1 Kết cho thấy vật liệu AC-1, AC-2, AC-3 có khả hấp phụ anion AsO43- tốt so với cation NH4+ Điều bán kính cation lớn so với anion nên cation khó lọt vào lỗ trống có kích thước nhỏ bề mặt than hoạt tính bị oxi hóa chất trình hấp phụ amoni khác với q trình hấp phụ asenat Đó lợi quan trọng than hoạt tính biến tính mở hướng cho việc nghiên cứu dùng than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ hạt có kích thước nhỏ mà phương pháp khác chưa đạt 71 KẾT LUẬN Trong nghiên cứu chúng tơi tập trung vào việc biến tính bề mặt than hoạt tính chất oxi hóa mạnh đưa thêm Mn(IV) Fe(III) lên bề mặt than sau biến tính để hy vọng tạo vật liệu có tâm hấp phụ mạnh thu kết sau: Đã tiến hành ơxi hóa bề mặt khử than hoạt tính Trà Bắc dung dịch KMnO4 môi trường axit H2SO4 điều kiện khác nồng độ axit, nồng độ KMnO4, nhằm biến bề mặt khử than than hoạt tính thành bề mặt ơxi hóa, chuyển từ dạng bề mặt kị nước thành bề mặt ưa nước (vật liệu AC -1) Đã tiến hành chuẩn độ xác định sơ tổng số tâm axit bề măt than hoạt tính sau oxi hóa KMnO4 mơi trường axit 6.1020 (tâm/g) Đã tiến hành nghiên cứu, mang MnO2 lên bề mặt than sau biến tính Đã tạo vật liệu có hàm lượng Mn tương ứng 1%, 2%, 3%, 4%, 5% (vật liệu AC-2) Đã đưa thêm Fe(III) lên bề mặt than hoạt tính biến tính với tỷ lệ Mn sắt tương ứng 1% + 5%; 2% + 4%; 3% + 3%; + 4% + 2%; 5% + 1% thu vật liệu AC-3, Tiến hành nghiên cứu, đánh giá đặc tính vật liệu như: thành phần, hình thái bề mặt - SEM, dự đốn dạng liên kết - phổ hồng ngoại IR Kết SEM cho thấy vật liệu AC-1 hạt có kích thước lớn, phân bố không đồng đều, lỗ trống lớn, vật liệu AC-2 hạt có kích thước nhỏ phân bố đồng đều, bề mặt vật liệu AC3 phủ gần hoàn toàn lớp MnO2 FeOOH Đã tiến hành khảo sát, xác định tải trọng hấp phụ asen vật liệu AC1, AC-2, AC-3 là: 5,22mg/g; 12,136 mg/g; 15,65 mg/l điều kiện thường, thời gian cân hấp phụ cực đại 4h Xác định tải trọng hấp phụ amoni vật liệu tương ứng là: 0,65mg/g; 2,7 mg/g; 3,03mg/g điều kiện thường, thời gian cân hấp phụ cực đại 2h Kết cho thấy vật liệu than hoạt tính biến tính có khả hấp phụ chất độc hại dạng anion tốt so với hấp phụ cation 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Vũ Ngọc Ban(2007), “Giáo trình thực tập Hóa lí”, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Phạm Nguyên Chương (Chủ biên)( 2002), “Hóa Kỹ Thuật”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế(2004), “Hóa lí” Tập hai Nhà xuất giáo dục Nguyễn Đình Triệu(1999), “Các phương pháp vật lý ứng dụng hóa học”, Nhà xuất đại học quốc gia Hà Nội Tài liệu tiếng Anh Bansal R.C , Goyal M.(2005), “Activated Carbon Adsorption”, Taylor & Francis Group,USA Biniak S.(1997), “The characterization of activated carbons with oxygen and nitrogen surface groups”, Carbon, Vol 35(12), pp.1799-1810 Cerovic Lj.S et al(2007), “Point of zero charge of different carbides”, Colloids and surfaces A, 297, pp.1 – Chen J P et al(2003), ”Surface modification of a granular activated carbon by citric acid for enhancement of copper adsorption”, Carbon, 41, pp 1979–1986 Chingombe P., Saha B., Wakeman R.J (2005), “Surface modification and characterisation of a coal-based activated carbon”, Carbon, 43, pp 3132–3143 10 Figueiredo J.L., Pereira M.F.R., Freitas M.M.A., Orfao J.J.M.( 1999), “Modification of the surface chemistry of activated carbons”, Carbon, 37, pp.1379–1389 78 11 Li Y.H., Lee C.W., Gullett B.K.( 2003), “Importance of activated carbon’s oxygen surface functional groups on elemental mercury adsorption”, Fuel, 82, pp.451–457 73 11 Marsh Harry, Rodriguez-Reinoso Francisco(2006), “Activated Carbon”, Elsevier, Spain 12 Liu S.X., Chen X., Chen X.Y., Liu Z.F., Wang H.L.( 2007), “Activated carbon with excellent chromium(VI) adsorption performance prepared by acid– base surface modification”, Journal of Hazardous Materials, 141, pp 315–319 13 Marsh Harry, Rodriguez-Reinoso Francisco(2006), “Activated Carbon”, Elsevier, Spain 14 Matsumoto Masafumi et al(l994), “Surface modification of carbon whiskers by oxidation treatment”, Carbon, Vol 32 (I), pp 111-118 15 Mei S.X., et al(2008), “Effect of surface modification of activated carbon on its adsorption capacity for NH3”, J China Univ Mining & Technol, (18), pp 0261–0265 16 Milonjic S.K., et al(1975), “The Heat of immersion of natural magnetite in aqueous solutions”, Thermochimica Acta, 11, pp 261-266 17 Moreno C (2000), “Changes in surface chemistry of activated carbons by wet oxidation”, Carbon, 38, pp 1995–2001 18 Park Geun Il, Lee Jae Kwang, Ryu Seung Kon, Kim Joon Hyung(2002), “Effect of Two-step Surface Modification of Activated Carbon on the Adsorption Characteristics of Metal Ions in Wastewater”, Carbon Science, Vol 3(4), pp 219-225 19 Reynolds Tom D., Richards Paul A(1996) “Unitoperations and processes in environmental engineering”, PSW, USA 20 Shen Wenzhong, Liand Zhijie, Liu Yihong(2008), “Surface Chemical Functional Groups Modification of Porous Carbon”, Recent Patents on Chemical Engineering, 1, pp.27-40 79 21.Tao XU, Xiaoqin Liu(2008), “Peanut Shell Activated Carbon: Characterization, Surface Modification and Adsorption of Pb2+ from Aqueous Solution”, Chinese Journal of Chemical Engineering, 16(3), pp 401406 22 Vassileva P., Tzvetkova P., Nickolov R (2008), “Removal of ammonium ions 74 from aqueous solutions with coal-based activated carbons modi fied by oxidation”, Fuel, 88, pp 387–390 23 Vasu A.dwin(2008), “Surface Modification of Activated Carbon for Enhancement of Nickel(II) Adsorption”, Journal of Chemistry, 5(4), pp 814819 24 Yin Chun Yang, Aroua Mohd Kheireddine(2007), “Review of modifications of activated carbon for enhancing contaminant uptakes from solutions ”, Separation and Purification Technology, 52, pp 403–415 75 aqueous ... NGUYỄN THỊ HUYỀN NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ MỘT SỐ CHẤT ĐỘC HẠI DƢỚI DẠNG ION TRONG NƢỚC Chun ngành: HĨA MƠI TRƢỜNG Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI... dụng than hoạt tính việc xử lý nước sinh hoạt, đặc biệt lĩnh vực cịn loại bỏ cation anion nước; chọn thực đề tài “ Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ số chất độc hại dạng ion. .. tổng số tâm axit bề mặt than hoạt tính sau biến tính Để thay đổi chất bề mặt than hoạt tính chúng tơi tiến hành mang MnO lên bề mặt than sau biến tính làm tăng khả hấp phụ ion than hoạt tính,