Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại PB2+ trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ trấu luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA HÓA HỌC =========== §å ¸N tèt nghiÖp NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION KIM LOẠI PB 2+ TRONG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ VỎ TRẤU Giáo viên hướng dẫn : TS. NGUYỄN XUÂN DŨNG Sinh viên thực hiện : NGUYỄN VIẾT NAM Lớp : 47K - Công nghệ thực phẩm VINH - 2011 1 Lời cảm ơn Bằng tấm lòng trân trọng và biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Xuân Dũng đã giao đề tài và giúp đỡ em tận tình chu đáo, đầy tâm huyết trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa Hoá Học và phòng thí nghiệm thuộc khoa Hoá Học Trờng Đại học Vinh đã tận tình giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khoá luận này. Cuối cùng, em cũng xin gửi lòng biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, các anh chị và bạn bè đã quan tâm, giúp đỡ và động viên em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp của mình. Vinh, tháng 1 năm 2011 Sinh viên Nguyễn Viết Nam 2 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 Mục Tiêu 2 Nhiệm Vụ Nghiên Cứu 2 Phương pháp nghiên cứu 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 3 1.1.1. Các khái niệm 3 1.1.2.Động học hấp phụ. 6 1.3. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ vỏ trấu 9 1.3.1. Thành phần chính của vỏ trấu 10 1.3.2. Một số phụ phẩm nông nghiệp khác có thể làm VLHP 11 1.4. Một số phương pháp định lượng kim loại 12 1.4.1.Phương pháp thể tích 12 1.4.2. Phương pháp trắc quang 13 1.4.3. Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang 15 1.4.4.Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử 16 1.4.5. Ảnh hưởng của của sự ô nhiễm kim loại nặng tới sức khỏe con người 17 1.4.6. Tiêu chuẩn Việt Nam về nước thải chứa ion kim loại nặng 21 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 23 2.1.Thiết bị và hóa chất. 23 2.1.1. Thiết bị 23 2.1.2. Hóa chất 23 2.2. Chế tạo nguyên liệu hấp phụ từ vỏ trấu 24 2.2.1.Quy trình chế tạo VLHP từ nguyên liệu vỏ trấu 24 2.2.2. Đặc trưng bề mặt của VLHP 25 3 2.3.Khảo sát khả năng hấp phụ ion pb(II) trên VLHP 26 2.3.1. Xác định bước sóng tối ưu để đo mật độ quang cho dung dịch tiến hành phân tích 26 2.3.2. Dựng đường chuẩn xác định Pb (II) 27 2.3.3. So sánh vật liệu hấp phụ ban đầu và vật liệu hấp phụ đã được hoạt hoá 28 2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của VLHP 28 2.3.5.Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP 30 2.3.6. Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP 31 2.3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ đến dung lượng hấp phụ của vật liệu 33 2.3.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dung lượng hấp phụ của vật liệu 35 2.4. Xử lý thử một mẫu nước thải chứa Pb(II) của nhà máy ắc quy Đồng Nai bằng phương pháp hấp phụ trên VLHP chế tạo từ vỏ trấu 36 KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 4 MỞ ĐẦU Do sự phát triển không bền vững mà hiện nay vấn đề ô nhiễm nguồn nước đang trở thành vấn nạn của nhiều quốc gia. Ở nước ta, quá trình phát triển các khu công nghiệp, các khu chế xuất đã góp phần tăng trưởng kinh tế, thúc đẩy đầu tư và sản xuất công nghiệp, góp phần hình thành các khu đô thị mới, giảm khoảng cách về kinh tế giữa các vùng . Tuy nhiên, bên cạnh sự chuyển biến tích cực về kinh tế là những tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái do các khu công nghiệp gây ra. Thực tế, hiện nay rất nhiều nhà máy ở các khu công nghiệp vẫn hàng ngày thải trực tiếp nước thải có chứa các ion kim loại nặng với hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép ra môi trường. Hậu quả là môi trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm kim loại nặng nghiêm trọng. Có nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng để tách loại các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước. Một trong các phương pháp đang được nhiều người quan tâm hiện nay là tận dụng các phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp làm vật liệu hấp phụ các ion kim loại. Phương pháp này có ưu điểm là sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có và không đưa thêm vào môi trường các tác nhân độc hại khác. Một trong các nguồn phụ phẩm công nghiệp có khối lượng lớn ở nước ta là vỏ trấu. Vỏ Trấu với thành phần chính là các polymer như cenlulose, hemicenlulose,pectin,lignin và protein rất thích hợp cho việc nghiên cứu biến đổi tạo ra các vật liệu hấp phụ để tách loại các ion kim loại nặng. Mặt khác Việt Nam là một nước có nguồn phế thải nông nghiệp dồi dào song việc sử dụng chúng vào việc chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP) nhằm xử lý nước thải còn ít được quan tâm. Xuất phát từ những lí do trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại Pb 2+ trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ trấu”. 5 Mục Tiêu - Nghiên cứu khả năng hấp phụ Pb 2+ lên vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ trấu định hướng xử lý kim loại này trong nước thải. Nhiệm Vụ Nghiên Cứu - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu. - Đánh giá đặc điểm bề mặt của vỏ trấu trước và sau xử lý bằng ảnh SEM. - Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: pH, thời gian, nhiệt độ, nồng độ của ion kim loại đến sự hấp phụ ion Pb 2+ . - Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố : pH, thời gian, nồng độ của ion kim loại đến sự hấp phụ Pb 2+ trên vật liệu được chế tạo. Phương pháp nghiên cứu - Kết hợp kỹ thuật phòng thí nghiệm và các phương pháp hoá lý để chế tạo và khảo sát đặc điểm bề mặt vỏ lạc trước và sau khi hoạt hoá. - Nồng độ ion kim loại Pb 2+ được xác định bằng phương pháp trắc quang. 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về sự hấp phụ 1.1.2. Các khái niệm Sự hấp phụ Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí-rắn, lỏng-rắn, khí – lỏng, lỏng –lỏng). Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Vander Waals giữa các phần tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ, liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ. Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hóa học giữa bề mặt chất hấp phụ và phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này bền, khó bị phá vỡ. 7 Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trường hợp tồn tại cả quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả năng hấp phụ hóa hoc tăng lên. Giải hấp phụ Giải hấp phụ là quá trình chất bị hấp phụ ra khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ. Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp phụ. Giải hấp phụ là phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ để có thể tiếp tục sử dụng lại nên nó mang đặc trưng về hiệu quả kinh tế. Một số phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ. - Phương pháp nhiệt : được sử dụng cho các trường hợp chất hấp phụ bị bay hơi hoặc sản phẩm phân hủy nhiệt của chúng có khả năng bay hơi. - Phương pháp hóa lý : có thể thực hiện tại chỗ, ngay trong cột hấp phụ nên tiết kiệm được thời gian, công tháo dỡ, vận chuyển, không vỡ vụn chất hấp phụ và có thể thu hồi chất hấp phụ ở trạng thái nguyên vẹn. Phương pháp hóa lý có thể thực hiên theo cách: chiết với dung môi, sử dụng phản ứng oxi hóa khử, áp đặt các điều kiện làm dịch chuyển cân bằng không có lợi cho quá trình hấp phụ. - Phương pháp vi sinh : là phương pháp tái tạo khả năng hấp phụ của chất hấp phụ nhờ vi sinh vật Hấp phụ trong môi trường nước Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức tạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất là ba thành phần gây tương tác: nước, chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp 8 phụ. Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó. Tính chọn lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của các chất bị hấp phụ trong môi trường nước. Trong nước, các ion kim loại bị bao bọc bởi một lớp vỏ các phân tử nước tạo nên các ion bị hidrat hoá. Bán kính (độ lớn) của lớp vỏ hidrat ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do lớp vỏ hidrat là yếu tố cản trở tương tác tĩnh điện. Với các ion cùng điện tích thì ion có kích thước lớn sẽ hấp phụ tốt hơn do có độ phân cực lớn hơn và lớp vỏ hidrat nhỏ hơn. Với các ion có điện tích khác nhau, khả năng hấp phụ của các ion có điện tích cao tốt hơn nhiều so với ion có điện tích thấp. Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH. Sự thay đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp phụ (các chất có tính axit yếu, bazơ yếu hay trung tính phân li khác nhau ở các giá trị pH khác nhau) mà còn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề mặt chất hấp phụ. Cân bằng hấp phụ. Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha mang. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng. Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ: q = f (T, P hoặc C) Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của q vào P 9 hoặc C (q = f T (P hoặc C)) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể được xây dựng trên cở sở lý thuyết, kinh nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất và kinh nghiệm xử lí số liệu thực nghiệm Dung lượng hấp phụ cân bằng Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định nồng độ và nhiệt độ. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức : q cb = m V). Ccb Co( − (mg/g). Trong đó : q cb : dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g). V : thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l). m : khối lượng chất hấp phụ (g). C o : nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l). C cb : nồng độ dung dịch khi đạt đến cân bằng hấp phụ (mg/l) Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu. 10 . hấp phụ ion kim loại Pb 2+ trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ trấu . 5 Mục Tiêu - Nghiên cứu khả năng hấp phụ Pb 2+ lên vật liệu hấp phụ chế tạo. TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA HÓA HỌC =========== §å ¸N tèt nghiÖp NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION KIM LOẠI PB 2+ TRONG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ VỎ TRẤU