Nghiên cứu chế tạo than sinh học từ bã đậu nành để xử lý Cu2+ , Pb2+ trong nước

Ô nhiễm môi trường hiện nay đang là một vấn đề nóng bỏng mang tính toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và đời sống của con người. Môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Nước thải ở một số cơ sở sản xuất chỉ được xử lý sơ bộ, trong nước thải đó chứa rất nhiều các chất độc hại bao gồm các chất hữu cơ và các ion kim loại nặng như Cu, Ni, Pb, Cd, Fe, Zn…

Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 25, Số 2/2020 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN SINH HỌC TỪ BÃ ĐẬU NÀNH ĐỂ XỬ LÝ Cu2+ , Pb2+ TRONG NƯỚC Đến tòa soạn 20-12-2019 Nguyễn Thị Minh Sáng, Phạm Phương Thảo, Lê Thu Thủy Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội SUMMARY Research on the use of agricultural residues to make biochar applied to heavy metal treatment in Vietnam has received great interest during the last few years, due to its economy and efficiency There have been many studies using straw, tea residue, coffee, etc to make adsorbents This study presents the results of the synthesis of soya bean adsorbent materials which were applied to treat Cu2+ and Pb2+ ions in water Structure and properties of biochar and denatured biochar were analyzed and determined by SEM, IR infrared imaging methods The results show that the denaturation process has changed the structure of the material in the direction of increasing the total surface area of the material which lead to increased adsorption capacity Key words: Adsorption, treatment of Cu, Pb, soybean residues, biochar gây ảnh hưởng đến chức trí óc, thận, gây vơ sinh, sẩy thai tăng huyết áp Hiện có nhiều phương pháp áp dụng nhằm tách ion Cu2+ Pb2+ khỏi môi trường nước như: phương pháp hóa lý, phương pháp sinh học, phương pháp hóa học Trong phương pháp hấp phụ- sử dụng than sinh học chế tạo từ nguồn tự nhiên bã mía, lõi ngơ, vỏ đậu, vỏ lạc, rơm rạ để tách loại thu hồi kim loại nặng nước số tác giả giới nước nghiên cứu Phương pháp xử lý sử dụng than sinh học có nhiều ưu việt so với phương pháp xử lý khác giá thành xử lý không cao, tách loại đồng thời nhiều kim loại dung dịch, có khả tái sử dụng than sinh học thu hồi kim loại, trình xử lý đơn giản thân thiện với mơi trường Bã đậu nành nguồn ngun liệu có chứa nhiều chất xơ (hay xenlulozơ) thích hợp cho chế tạo than sinh học nghiên cứu khả xử lý chất ô nhiễm nước Hơn nữa, ĐẶT VẤN ĐỀ Ơ nhiễm mơi trường vấn đề nóng bỏng mang tính tồn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe đời sống người Mơi trường nói chung mơi trường nước nói riêng bị nhiễm nghiêm trọng Nước thải số sở sản xuất xử lý sơ bộ, nước thải chứa nhiều chất độc hại bao gồm chất hữu ion kim loại nặng Cu, Ni, Pb, Cd, Fe, Zn… Hậu môi trường nước kể nước mặt nước ngầm nhiều nơi bị ô nhiễm kim loại nặng trầm trọng Đồng nguyên tố vi lượng quan trọng vai trị việc tổng hợp enzyme, phát triển mơ xương Tuy nhiên, đồng hóa trị hai (Cu2+) độc hại gây ung thư Tiêu thụ nhiều Cu2+ dẫn đến lắng đọng gan gây nôn mửa, đau đầu, buồn nôn, vấn đề hô hấp, đau bụng, suy gan thận cuối xuất huyết tiêu hóa Chì đặc biệt độc hại não, thận, hệ sinh sản hệ tim mạch Khi bị nhiễm độc chì 159 nước ta nguồn nguyên liệu sẵn có rẻ tiền, thành công việc chế tạo than sinh học từ bã đậu nành để xử lý ion Pb2+ nước tiết kiệm nhiều chi phí mà lại có hiệu cao THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị sử dụng a) Hóa chất - Bã đậu nành thu thập từ hộ chế biến đậu nành khu vực quanh Hà Nội - Dung dịch chì nitrat Pb(NO3)2 nồng độ 1g/l: Hãng Merck, xuất xứ Đức - Dung dịch đồng nitrat Cu(NO3)2 nồng độ 1g/l: Hãng Merck, xuất xứ Đức - Axit nitric HNO3 đặc 63%, d= 1,51 g/cm3 : Hãng DaeJung, xuất xứ Hàn Quốc - Axit HCl đặc 36%, d= 1,18 g/cm3 : Xuất xứ Trung Quốc - NaOH dạng hạt: Xuất xứ Trung Quốc - Axit H3PO4 đặc 85%, d= 1,685 g/cm3: Xuất xứ Trung Quốc - Nước cất b) Thiết bị - Máy quang phổ hấp thụ ngun tử AAS – Tại phịng thí nghiệm khoa Môi trường –Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội để xác định hàm lượng Pb mẫu - Thiết bị chụp ảnh SEM: Jeol 5410 LV Viện kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam - Máy chụp phổ FT- IR: U-4100 Spectrophotometer Viện kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam - Các dụng cụ thiết bị phịng thí nghiệm Mơi trường – Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội như: Lị nung, cân phân tích, máy khuấy lắc, dụng cụ thủy tinh… 2.2 Tổng hợp vật liệu a) Chế tạo than sinh học từ bã đậu nành Bã đậu nành sau thu thập, rửa để khơ, sau đem sấy 100oC 24 giờ, khối lượng khơng đổi Tiếp đó, cân xác 100 gam bã sấy đem nung 450oC lị nung thổi khí Ar để thu vật liệu than sinh học Sản phẩm tạo thành nghiền nhỏ phân loại qua rây với kích thước 0,5 mm trước tiến hành thí nghiệm b) Chế tạo than sinh học biến tính từ bã đậu nành Vật liệu than sinh học biến tính chế tạo qua hai q trình: Q trình 1: Bã đậu nành sau thu thập nhiều lần nước cất Tiếp theo ngâm dung dịch NaOH 0,1M thời gian 60 phút để loại bỏ chất tan tạp chất lại mẫu Kết thúc giai đoạn ngâm mẫu dung dịch NaOH, tiến hành rửa lại mẫu nước cất dung dịch rửa có pH = Sau để khơ tự nhiên đem sấy khô 100oC 24 đến khối lượng khơng đổi Q trình 2: Mẫu sau xử lý qua trình tiếp tục ngâm dung dịch axit H3PO4 nồng độ khác từ 0,02÷0,5 M, thời gian 60 phút, tiếp đến đun sôi 30 phút, để nguội tiến hành lọc rửa nhiều lần nước cất pH =7 Để mẫu khơ tự nhiên, sau tiến hành nung mẫu 400oC lò nung thổi khí Ar để thu vật liệu than sinh học biến tính 2.3 Khảo sát khả xử lý Cu Pb vật liệu a) Khảo sát thời gian tiếp xúc Đối với vật liệu hấp phụ thời gian tiếp xúc thông số quan trọng ảnh hưởng tới dung lượng hấp phụ, việc xác định thời gian tiếp xúc để thực hấp phụ tốt cần thiết Khảo sát thời gian tiếp xúc thực với điều kiện: 0,5g vật liệu, 100ml dung dịch chì nồng độ 50 ppm 100ml dung dịch đồng nồng độ 50 ppm , pH = 5, nhiệt độ phòng, thời gian khảo sát từ 10 phút đến 120 phút b) Ảnh hưởng pH tới hiệu suất xử lý Cu2+, Pb2+ Điều kiện thực nghiệm: 0,5g vật liệu, 100ml dung dịch chì nồng độ 50 ppm 100ml dung dịch đồng nồng độ 50 ppm, thời gian tiếp xúc 60 phút, nhiệt độ phòng Khoảng pH khảo sát từ 1-7 160 c) Ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+, Pb2+ tới trình hấp phụ Điều kiện thực nghiệm: 0,5g vật liệu, 100ml dung dịch Pb2+ 100ml dung dịch Cu2+ , thời gian tiếp xúc 60 phút, nhiệt độ phòng, pH =5, nồng độ Cu2+ , Pb2+ thay đổi là: 1ppm, 10 ppm, 20 ppm, 40 ppm, 70 ppm 100 ppm 2.4 Phương pháp phân tích xác định Cu2+, Pb2+ Hàm lượng ion Cu2+, Pb2+ xác định phương pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử (AAS) theo tiêu chuẩn SMWW – 3111B:2012 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Chế tạo vật liệu Khảo sát ảnh hưởng nồng độ axit H3PO4 khác thực mô tả mục 2.1 kết biểu diễn hình 3.2 Đặc trưng cấu trúc, tính chất vật liệu a) Kết phân tích phổ hồng ngoại IR Mẫu gửi đến Viện kỹ thuật nhiệt đới, sau quét phổ IR ta có hình ảnh kết sau: Hình Phổ IR vật liệu than sinh học chế tạo từ bã đậu nành Hình 1: Đồ thị thể phụ thuộc nồng độ axit H3PO4 hiệu suất hấp phụ Qua đồ thị hình cho thấy sau biến tính axit H3PO4, vật liệu có khả hấp phụ tốt so với vật liệu than sinh học thông thường Vật liệu sau biến tính axit photphoric, khả hấp phụ ion Cu2+, Pb2+ tăng, chứng tỏ gốc –H2PO3 sau biến tính làm tăng tổng số gốc anion vật liệu Điều dự báo khả hấp phụ kim loại nặng vật liệu sau biến tính Đối với Pb với hiệu suất đạt từ 68,056% 87,488% với Cu hiệu suất từ 80,9666% 94,47% Tuy nhiên biến tính axit H3PO4 nồng độ 0,1M hiệu suất hấp phụ đạt lớn nhất, vật liệu lựa chọn để tiến hành khảo sát Hình Phổ IR vật liệu than sinh học biến tính axit nồng độ 0,1M So sánh phổ hồng ngoại hình hình 3: Có xuất pic có số sóng đặc trưng cho nhóm –OH nhóm C=O Tuy nghiên độ rộng cường độ pic hình lớn hình phản ánh kết phản ứng este hóa cellulose axit làm tăng số lượng nhóm – OH Ngồi vật liệu cacbon hóa biến tính cịn nhận thấy thêm loại nhóm chức –COOH chứng tỏ gốc –COOH tạo sau ta biến tính với dung dịch axit H3PO4 0.1M sau trình nung Quá trình biến tính axit giúp cấu trúc vật liệu xốp hơn, diện tích bề mặt tăng lên làm tăng khả hấp phụ ion Các nhóm –OH 161 xenlulozo có khả trao đổi ion, thân nhóm có khả trao đổi yếu liên kết –OH phân cự chưa đủ mạnh Phương pháp biến tính axit nhàm tăng số lượng nhóm – COOH làm tăng khả trao đổi ion Điều lý giải hiệu suất xử lý ion Cu2+ , Pb2+ vật liệu than sinh học biến tính lại cao b) Kết chụp SEM Kết chụp ảnh SEM vật liệu than sinh học than sinh học biến tính chế tạo từ bã đậu nành, thể hình hình cấu trúc xốp so với vật liệu than sinh học chế tạo từ bã đậu nành chưa biến tính Nguyên nhân biến đổi cấu trúc hóa học vật liệu thực biến tính nung nhiệt độ cao 3.3 Thử nghiệm, đánh giá khả hấp phụ xử lý Cu2+, Pb2+ vật liệu a) Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc Hình Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc Kết thu cho thấy hiệu hấp phụ ion Cu2+, Pb2+ tăng nhanh khoảng thời gian từ 10 đến 30 phút Khi tiếp tục kéo dài thời gian tiếp xúc tới 120 phút, dung lượng hấp phụ tiếp tục tăng nhiên độ tăng ko đáng kể Tại khoảng thời gian 30 đến 50 phút q trình hấp phụ đạt tới trạng thái bão hịa b) Ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ Cu2+, Pb2+ Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ vật liệu với nồng độ ion Cu2+, Pb2+ ban đầu 50 ppm khoảng pH từ – biểu diễn hình Hình Ảnh SEM than sinh học Hình Ảnh SEM than sinh học biến tính Từ ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM hình hình ta nhận thấy: hình thái cấu trúc bề mặt vật liệu thu xốp, vật liệu than sinh học biến tính có diện tích bề mặt Hình Ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ đồng, chì 162 Dựa vào hình 8,9 ta thấy nồng độ Pb2+ Cu2+ tăng lên tải trọng hấp phụ tăng lên cách gần tuyến tính cịn hiệu suất hấp phụ giảm Điều giải thích: với lượng vật liệu hấp phụ với nồng độ lỗng, ion kim loại chuyển động tự do, có khả hấp phụ tốt Ở nồng độ cao, có va chạm, cản trở chuyển động lẫn nhau, hạn chế khả hấp phụ Trong môi trường axit mạnh (pH thấp), phần tử chất hấp phụ chất bị hấp phụ tích điện dương lực tương tác lực đẩy tĩnh điện, bên cạnh nồng độ H+ cao xảy cạnh tranh với cation kim loại trình hấp phụ nên làm giảm hiệu suất hấp phụ Tuy nhiên pH tăng xảy kết tủa ion kim loại làm giảm khả hấp phụ Từ đồ thị ta thấy vật liệu hấp phụ chì tốt pH = c) Khảo sát ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+, Pb2+ tới trình hấp phụ Kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+, Pb2+ tới trình hấp phụ vật liệu than sinh học biến tính chế tạo từ thể đồ thị hình 8, Dung dịch Cu2+, Pb2+ nồng độ thay đổi từ – 100 ppm, thí nghiệm tiến hành theo mẻ pH = Hình 10 PT Langmuir Cu Hình Ảnh hưởng nồng độ ion Pb2+ Cu2+ đến tải trọng hấp phụ vật liệu Hình 11 PT Langmuir Pb Dựa vào phương trình đẳng nhiệt: y = 0,0611x + 0,4311 với R2 = 0,9514 ta tính dung lượng hấp phụ Cu2+ cực đại đại Qmax = 1/0,0611 = 16,37 mgCu/g (Xem tiếp Tr 170) Hình Ảnh hưởng nồng độ ion Pb2+ Cu2+ đến hiệu suất hấp phụ vật liệu 163 ... như: Lị nung, cân phân tích, máy khuấy lắc, dụng cụ thủy tinh… 2.2 Tổng hợp vật liệu a) Chế tạo than sinh học từ bã đậu nành Bã đậu nành sau thu thập, rửa để kh? ?, sau đem sấy 100oC 24 gi? ?, khối lượng... liệu than sinh học biến tính lại cao b) Kết chụp SEM Kết chụp ảnh SEM vật liệu than sinh học than sinh học biến tính chế tạo từ bã đậu nành, thể hình hình cấu trúc xốp so với vật liệu than sinh học. .. Chế tạo than sinh học biến tính từ bã đậu nành Vật liệu than sinh học biến tính chế tạo qua hai q trình: Quá trình 1: Bã đậu nành sau thu thập nhiều lần nước cất Tiếp theo ngâm dung dịch NaOH 0,1 M