Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng cu2+ và zn2+ trong nước bằng vật liệu sio2 tách từ vỏ trấu

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN VĂN ĐỨC NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ ION KIM LOẠI NẶNG Cu2+ VÀ Zn2+ TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU SiO2 TÁCH TỪ VỎ TRẤU Chuyên ngành: Hóa Hữu Mã số: 60 44 27 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ TỰ HẢI Đà Nẵng - Năm 2012 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Tài nguyên nước giữ vai trị quan trọng q trình hình thành phát triển sinh Sẽ khơng thể có sống khơng có nước Nước đóng vai trị quan trọng sản xuất nông nghiệp, công nghiệp đời sống Ngày nay, với gia tăng hoạt động công nghiệp việc sản sinh chất thải nguy hại, tác động tiêu cực trực tiếp đến môi trường, đặc biệt ảnh hưởng nghiêm trọng môi trường nước Các hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp thuộc da, công nghiệp điện tử, mạ điện, lọc hóa dầu hay cơng nghệ dệt nhuộm tạo nguồn ô nhiễm môi trường nước chứa kim loại nặng Cu, Zn, Pb, Ni, As hợp chất hữu độc hại Những chất có liên quan trực tiếp đến biến đổi gan, ung thư ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường dù hàm lượng nhỏ Do đó, nghiên cứu tách ion kim loại nặng và hơ ̣p chấ t hữu đô ̣c ̣i từ nguồn nước bị ô nhiễm vấn đề quan trọng nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và thu hút sự quan tâm của nhiề u nhà khoa ho ̣c Đã có nhiều phương pháp sử dụng phương pháp sinh học, kết tủa hóa học, lọc màng, hấp phụ, oxi hóa nâng cao,… Mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm khác Trong phương pháp hấp phụ tỏ có nhiều ưu điểm sử dụng rộng rãi cả bởi các ưu điể m xử lý nhanh, dễ chế tạo thiế t bi ̣và đă ̣c biê ̣t là có thể tái sử du ̣ng vâ ̣t liêụ hấ p phu ̣ Trong phương pháp hấp phụ thì các vâ ̣t liêụ khoáng sét hay vâ ̣t liêụ biế n tính từ các phế phẩ m nông nghiêp̣ (Biomass) tro trấ u, sơ dừa, vỏ lạc, bã mía, vỏ sắ n,… xem các loại vật liệu hấp phụ có nhiều triển vọng Nước ta nước nông nghiệp với ngành nghề truyền thống chuyên canh lúa nước Sản lượng lúa của nước ta đứng thứ năm thế giới và xuất gạo đứng thứ hai giới (đứng sau Thái Lan) Trong thành phầ n của ̣t lúa, vỏ trấ u chiế m khoảng 20% khố i lươ ̣ng Vì vâ ̣y, năm ngành nông nghiê ̣p nước ta thải hàng triêụ tấ n vỏ trấ u Lượng vỏ trấu thải vào môi trường này chưa đươ ̣c sử du ̣ng mô ̣t cách có hiêụ quả nên gây ô nhiễm môi trường rấ t nă ̣ng Nhiề u dòng sông và kênh ở đồ ng bằ ng Nam Bô ̣ bi ̣ tắ c bởi lươ ̣ng trấ u thải từ các nhà máy xay xát lúa ga ̣o Vì vâ ̣y, mô ̣t số nhà khoa ho ̣c tâ ̣p trung nghiên cứu chế biế n vỏ trấ u thành các sản phẩ m có ích ép vỏ trấ u thành các củi đố t Tuy nhiên, giá thành chế biế n còn cao nên củi đố t từ các trấ u vẫn chưa đươ ̣c phát triể n ở quy mô lớn Ngoài ra, theo mô ̣t số tài liêụ và khảo sát sơ bô ̣ chúng nhâ ̣n thấ y trấ u có chứa lươ ̣ng lớn SiO2 với cấ u trúc xố p nên có thể đươ ̣c sử du ̣ng làm vâ ̣t liê ̣u hấ p phu ̣ các ion kim loa ̣i nă ̣ng và các chấ t hữu nước Như vâ ̣y, viê ̣c nghiên cứu tách SiO2 từ vỏ trấ u để ứng du ̣ng làm vâ ̣t liêụ hấ p phu ̣ ion kim loa ̣i nă ̣ng và mô ̣t số hơ ̣p chấ t hữu nước sẽ có ý nghiã thực tiễn viêc̣ sử du ̣ng mô ̣t cách có hiê ̣u quả nguồ n vỏ trấ u khổ ng lồ , giảm thiể u khả gây ô nhiễm môi trường, đồ ng thời ta ̣o mô ̣t loa ̣i vâ ̣t liêụ hấ p phu ̣ rẻ tiề n từ nguồ n nguyên liêụ phế thải của lúa Vì vậy, chúng tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng Cu2+ Zn2+ nước vật liệu SiO2 tách từ vỏ trấu” để nhằm tìm hiểu loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có nguồn gốc tự nhiên ứng dụng xử lý môi trường Mục tiêu đề tài Nghiên cứu khả hấp phụ số ion kim loại nặng nước vật liệu SiO2 tách từ vỏ trấu Đối tượng phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu : Vỏ trấu lấy từ Núi Thành - Quảng Nam + Phạm vi nghiên cứu: khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ ion kim loại vỏ trấu sau biến tính, từ rút nhận xét, khả hấp phụ ion kim loại vỏ trấu Phương pháp nghiên cứu 4.1 Nghiên cứu lí thuyết Tổng quan tài liệu về: - Thành phần tính chất SiO2 - Thành phần vỏ trấu, tro trấu - Các phương pháp hấp phụ giải hấp - Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) - Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) - Phương pháp đo đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET) - Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) - Phổ hồng ngoại (IR) 4.2 Phương pháp thực nghiệm Xác định thành phần đặc tính hóa lý vỏ trấu - Xác định thành phần - Xác định độ ẩm  Xác định thành phần đặc tính hóa lý tro trấu - Xác định thành phần - Xác định độ ẩm  Khảo sát số tính chất vật lý vỏ trấu - SEM - Đo diện tích bề mặt (BET)  Khảo sát ảnh hưởng nồng độ NaOH đến trình tách SiO từ vỏ trấu  Khảo sát các yế u tố ảnh hưởng đế n quá trình hấ p phu ̣ bể số ion kim loại nặng (Cu2+, Zn2+) của vỏ trấu biế n tính - Thời gian khuấ y - Đường đẳng nhiệt hấp phụ - pH - Tỉ lệ rắn / lỏng  Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ cột số ion kim loại nặng (Cu2+, Zn2+) của vỏ trấu biế n tính - Tốc độ dòng - Nồng độ chất bị hấp phụ Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài So sánh khả hấp phụ vỏ trấu chưa biến tính biến tính nhằm tạo vật liệu hấp phụ cao, hiệu giá thành lại rẻ ion kim loại nặng nước Bố cục luận văn Luận văn gồm 80 trang, chương, 13 bảng, 36 hình, 28 tài liệu tham khảo Mở đầu Chương 1: Tổng quan lý thuyết Chương 2: Nội dung phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết thảo luận luận Kết luận kiến nghị Chương TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược Silic đioxit 1.1.1 Đặc điểm cấu tạo Silic đioxit không tồn dạng phân tử riêng lẻ mà tồn dạng tinh thể, nghĩa dạng phân tử khổng lồ Ở điều kiện thường có dạng tinh thể thạch anh, triđimit cristtobalit Mỗi dạng đa hình lại có hai dạng: dạng a bền nhiệt độ thấp, dạng b bền nhiệt độ cao [17] Tất dạng tinh thể bao gồm nhóm tứ diện SiO4 nối với qua nguyên tử O chung Trong tứ diện SiO4, nguyên tử Si nằm trung tâm tứ diện liên kết hóa trị với bốn nguyên tử O nằm đỉnh tứ diện Như nguyên tử O liên kết với hai nguyên tử Si hai tứ diện khác tính trung bình mặt ngun tử Si có hai nguyên tử O công thức kinh nghiệm silic đioxit SiO2 [1] Ba dạng đa hình silic đioxit có cách xếp khác nhóm tứ diện SiO4 tinh thể: Trong thạch anh, nhóm tứ diện xếp cho nguyên tử Si nằm đường xoắn ốc Tùy theo chiều đường xoắn ốc mà ta có thạch anh quay trái quay phải Trong triđimit, nguyên tử Si chiếm vị trí nguyên tử S Zn mạng lưới vuazit Trong cristobalit, nguyên tử Si chiếm vị trí nguyên tử S Zn mạng lưới sphelarit Ngoài ba dạng trên, tự nhiên cịn có số dạng khác silic đioxit có cấu trúc vi tinh thể Mã não chất rắn, suốt, gồm có vùng có màu sắc khác cứng Opan loại đá quý khơng có cấu trúc tinh Nó gồm hạt cầu SiO2 liên kết với tạo thành lỗ chứa khơng khí, nước hay nước Opan có màu sắc khác vàng, nâu, đỏ, lục đen có chứa tạp chất Ngồi ra, gần nhà khoa học cịn chế tạo hai dạng tinh thể silic đioxit nặng thạch anh Coesit (được tạo nên áp suất 35000 atm nhiệt độ 2500C) Stishovit (được tạo nên áp suất 120.000 atm nhiệt độ 13000C) Silic đioxit nóng chảy dạng để nguội chậm đến nhiệt độ hóa mềm thu vật liệu vơ định hình giống thủy tinh Khác với dạng tinh thể, dạng vơ định hình khơng có nhiệt độ nóng chảy xác định Nhiệt độ nóng chảy dạng vơ định hình thấp nhiều so với dạng tinh thể Bằng phương pháp Rơnghen người ta xác định trạng thái vơ định hình ngun tử xếp cách hỗn loạn so với trạng thái tinh thể [14] 1.1.2 Tính chất Silic đioxit trơ mặt hóa học, khơng tác dụng với oxi, clo, brom axit (HCl, H2SO4) đun nóng Ở điều kiện thường, tác dụng với F2, HF : SiO2 + 2F2  SiF4 + O2 SiO2 + 4HF  SiF4 + 2H2O Ngồi ra, cịn tan kiềm cacbonat kim loại kiềm điều kiện thích hợp : SiO2 + 2NaOH  Na2SiO3 + H2O SiO2 + Na2CO3  Na2SiO3 + CO2 1.1.3 Điều chế Trong phịng thí nghiệm, SiO2 vơ định hình dạng bột trắng điều chế cách nung nóng kết tủa H2SiO3 Ta điều chế SiO2 cách cho Na2SiO3 tác dụng với axit HCl, sau lọc rửa sản phẩm thu đem nung[28] Na2SiO3 + HCl H2SiO3 → 2NaCl → H2O + H2SiO3 + SiO2 Đồng thời điều chế Silic đioxit từ Na 2SiF6 phương pháp giai đoạn sau [7] + Giai đoạn 1: Loại kết tủa NaF Đun nóng dung dịch NaOH lên đến nhiệt độ xác định (80 0C) cho từ từ muối Na2SiF6 vào Khi nồng độ NaF > 4% bắt đầu xuất kết tủa, trì pH từ 12 đến 14 Trong môi trường kiềm phản ứng không tạo thành kết tủa SiO2 mà tạo muối silicat Na2SiF6 + 14NaOH → 18NaF + Na2O 3SiO2 + H2O Mặc dù nồng độ muối silicat cao từ 80 đến 85%, NaF kết tủa Thời gian phản ứng giai đoạn từ 45 đến 60 phút, sau lọc bỏ kết tủa đem rửa kiềm thu NaF sạch, phần nước lọc đem phản ứng tiếp bước + Giai đoạn 2: Kết tủa SiO2 Cho từ từ muối Na2SiF6 dạng rắn (hoặc dung dịch) vào phần nước lọc thu mơi trường trung tính pH = thơi Nhiệt độ phản ứng cịng trì 800C Na2SiF6 + (Na2O 3SiO2) → NaF + 7SiO2 Lọc lấy kết tủa, phần nước lọc dùng tiếp lần Kết tủa SiO có lẫn nhiều NaF phải rửa lại nhiều lần Kết tủa sau rửa đem sấy khô nhiệt độ 1350C nghiền nhỏ Phương trình phản ứng tổng cộng hai giai đoạn là: 7Na2SiF6 + 28NaOH → 42NaF + 7SiO2 + 7H2O 1.1.4 Ứng dụng Silic đioxit cát đất sét thành phần quan trọng chế tạo bê tông, gạch, sản xuất xi măng Portland, sản xuất thủy tinh Từ thủy tinh sản xuất thành nhiều chủng loại đồ vật với thuộc tính lý học khác cửa kính, chai, lọ… Trong đời sống, Silic đioxit chế tạo để làm chất hút ẩm hay thiết bị lọc nước, chất bán dẫn Silica gel thực chất silic đioxit, dạng hạt cứng xốp (có vơ số khoang rỗng li ti hạt), cơng thức hóa học đơn giản SiO2.nH2O (n