Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion kim loại Cu(II), Zn(II), Pb(II) của axit humic

- 1 - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ THỊ CẨM GIANG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CÁC ION KIM LOẠI Cu (II), Zn (II), Pb (II) CỦA AXIT HUMIC Chuyên ngành : Hóa hữu cơ Mã số : 60 44 27 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Đà Nẵng - 2011 - 2 - Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Trần Mạnh Lực Phản biện 1: PGS. TS. Lê Tự Hải Phản biện 2: PGS.TS. Lê Thị Liên Thanh Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ khoa học họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 25 tháng 6 năm 2011. * Có thể tìm hiểu luận văn tại - Trung tâm thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Th ư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng. - 3 - MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tà i Việc nghiên cứu chiết tách A.H lấy từ nguồn than bùn ñịa phương và ứng dụng chúng làm chất hấp phụ các ion kim loại nặng ñể xử lý kim loại nặng trong các nguồn nước thải là một ñề tài không chỉ có ý nghĩa lý thuyết ñơn thuần mà còn có giá trị thực tiễn lớn lao. 2. Mục ñích nghiên cứu Để góp phần vào công cuộc bảo vệ môi trường, tôi chọn ñề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion kim loại Cu(II), Zn(II), Pb(II) của axit Humic” làm khóa luận thạc sĩ. Trong ñề tài này, tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau: - Đánh giá khả năng hấp phụ của axit humic. - Xác ñịnh các ñiều kiện tối ưu của quá trình hấp phụ các ion kim loại nặng: Cu 2+ , Zn 2+ , Pb 2+ lên axit humic tách từ than bùn. - Khảo sát khả năng tái hấp phụ của vật liệu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4. Phương pháp nghiên c ứu 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề t à i Sự thành công của ñề tài sẽ góp phần vào lĩnh vực nghiên cứu các hợp chất cao phân tử về mặt lý thuyết và tạo ra một loại vật liệu có khả năng hấp phụ các ion kim loại, ứng dụng trong tách làm giàu và xử lí ô nhiễm môi trường. 6. Cấu trúc của luận văn: Ngoài phần mở ñầu và kết luận, nội dung của luận văn ñược chia thành 3 chương: Chương 1: Tổng quan tài liệu Ch ương 2: Nguyên liệu - phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và bàn luận - 4 - Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ THAN BÙN VÀ AXIT HUMIC 1.1.1. Nguồn than bùn ở Việt Nam 1.1.1.1. Đặc ñiểm chung 1.1.1.2. Tính chất vật lý 1.1.1.3. Tính chất hoá học 1.1.2. Quá trình trao ñổi, tích tụ các kim loại trong than bùn 1.1.3. Thành phần và cấu tạo của axit humic 1.1.3.1. Sự hình thành axit humic 1.1.3.2. Thành phần nguyên tố trong axit humic 1.1.3.3. Cấu tạo của axit humic 1.1.3.4. Khả năng hấp phụ của axit humic 1.1.3.5. Phổ hồng ngoại của axit humic 1.2. HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG BẰNG AXIT HUMIC 1.2.1. Một số khái niệm 1.2.2. Phân loại quá trình hấp phụ 1.2.3. Cơ chế hấp phụ 1.2.4. Phương trình mô tả quá trình hấp phụ 1.2.4.1. Phương trình hấp phụ Frendlich 1.2.4.2. Phương trình hấp phụ Langmuir 1.2.4.3. Thuyết hấp phụ ña phân tử của BET 1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ 1.2.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ 1.2.5.2. Ảnh hưởng của tính tương ñồng 1.2.5.3. Ảnh hưởng của pH 1.3. KIM LOẠI NẶNG VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 1.3.1. V ấn ñề ô nhiễm môi trường 1.3.2. Các ion kim loại nặng - 5 - Chương 2. NGUYÊN LIỆU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 2.1.1. Dụng cụ 2.1.2. Hóa chất 2.2. TINH CHẾ AXIT HUMIC TỪ THAN BÙN VÀ XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẶC TÍNH HÓA LÝ 2.2.1. Tinh chế axit humic từ than bùn 2.2.2. Xác ñịnh một số ñặc tính hóa lý của than bùn axit humic 2.2.2.1. Xác ñịnh hàm lượng tro 2.2.2.2. Xác ñịnh hàm lượng chất hữu cơ của than bùn 2.2.2.3. Xác ñịnh lượng nước hút ẩm không khí 2.3. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Cu 2+ , Zn 2+ , Pb 2+ CỦA AXIT HUMIC 2.3.1. Hấp phụ bể 2.3.1.1. Khảo sát thời gian ñạt cân bằng hấp phụ 2.3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH ñến quá trình hấp phụ 2.3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ ñầu ion M 2+ ñến quá trình hấp phụ 2.3.2. Hấp phụ cột 2.3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của tốc ñộ chảy (của dung dịch dội qua cột) ñến khả năng hấp phụ 2.3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH ñến khả năng hấp phụ 2.3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ ñầu ion M 2+ ñến quá trình hấp phụ 2.4. CHỤP PHỔ HỒNG NGOẠI IR CỦA AXIT HUMIC SAU KHI H ẤP PHỤ 2.5. GIẢI HẤP PHỤ VÀ TÁI HẤP PHỤ - 6 - Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1. TINH CHẾ AXIT HUMIC TỪ THAN BÙN VÀ XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẶC TÍNH HÓA LÝ 3.1.1. Địa ñiểm lấy mẫu và ñặc tính nguyên liệu 3.1.2. Sơ ñồ tinh chế axit humic từ than bùn 3.1.3. K ết quả thí nghiệm xác ñịnh một số ñặc tính hóa lý của than bùn khô và axit humic Hình 3.3. Sơ ñồ tinh chế axit humic từ than bùn Axit humic tinh chế (A.H/I) Xác ñịnh một số ñặc tính hóa lý Lượng nước hút ẩm Hàm lượng tro IR, SEM, TG/DTA Nước Than bùn nguyên liệu (dạng sệt) Than bùn khô Cát (loại bỏ) Khuấy ñều, ñể lắng, lọc qua rây. Để khô ngoài không khí Xử lý ngâm với NaOH 0,2N, ñể lắng, lọc gạn thu lấy dung dịch H 2 SO 4 ñặc Dung dịch humat natri pH = 1, ñể lắng trong 48h, lọc gạn nhiều lần ñến pH = 7, lọc trên giấy lọc NaOH Axit humic thô pH = 1, ñể lắng trong 48h, lọc gạn nhiều lần ñến pH = 7, lọc trên giấy lọc, sấy khô ở 65 o C. Lặp lại quá trình 2 lần - 7 - 3.1.3.1. Kết quả thí nghiệm xác ñịnh hàm lượng tro * Cách tiến hành: Nung mẫu ở nhiệt ñộ 700°C trong lò nung, thời gian 4 giờ. Kết quả thí nghiệm ñược trình bày ở bảng 3.1 Bảng 3.1. Kết quả xác ñịnh hàm lượng tro axit humic tinh chế Axit Humic Mẫu m 1 (gam) m 2 (gam) m 3 (gam) Hàm lượng tro (%) 1 31,524 32,616 31,565 3,75 2 30,039 31,113 30,081 3,91 A.H thô 3 32,207 33,245 32,247 3,85 1 31,383 32,303 31,405 2,39 2 30,225 31,364 30,252 2,37 A.H/I 3 30,150 31,206 30,175 2,37 Nhận xét: Ta thấy: Hàm lượng tro giảm dần theo thứ tự A.H thô > A.H/I. Chứng tỏ: axit humic sau khi ñược tinh chế thì hàm lượng tro có giảm. Tuy nhiên, giảm không ñáng kể nên chỉ dừng lại ở axit humic tinh chế 2 lần. Axit humic ñã tinh chế có hàm lượng tro trung bình chỉ còn 2,38%. Như vậy, quá trình tinh chế axit humic có kết quả tốt. 3.1.3.2. Kết quả xác ñịnh hàm lượng hữu cơ Hàm lượng hữu cơ của axit humic tinh chế (A.H/I) ñược xác ñịnh theo phương pháp Turin (qua 3 lần thí nghiệm và lấy giá trị trung bình) = 24,3%. 3.1.3.3. Kết quả thí nghiệm xác ñịnh lượng nước hút ẩm Cách tiến hành: Sấy mẫu ở nhiệt ñộ khoảng 100-105°C trong tủ sấy, thời gian 4 giờ. Kết quả ñược trình bày ở bảng 3.2. Nh ận xét: Khả năng hấp thụ nước của axit humic ñã qua tinh chế lớn hơn axit humic thô và càng tinh chế thì khả năng hấp thụ nước càng cao. Hệ số khô kiệt của A.H/I: k = 0.9415. - 8 - Bảng 3.2. Kết quả xác ñịnh lượng nước hút ẩm Axit humic Mẫu m 1 (g) m 2 (g) m 3 (g) Hàm lượng nước ẩm N (%) Hệ số khô kiệt (k) 1 31,536 32,542 32,490 5,41 0,9459 2 30,144 31,139 31,088 5,36 0,9464 A.H thô 3 32,227 33,243 33,192 5,32 0,9468 1 31,383 32,381 32,326 5,80 0,9420 2 30,155 31,158 31,103 5,83 0,9417 A.H/I 3 30,212 31,223 31,167 5,91 0,9409 3.1.4. Phổ hồng ngoại, ảnh SEM và phổ phân tích nhiệt vi sai của axit humic Kết quả phân tích hồng ngoại cho phép ta ñánh giá sự có mặt của các nhóm chức và khẳng ñịnh phần nào cấu trúc phân tử của chúng. Đối chiếu với phổ hồng ngoại của một số mẫu [8], nhận thấy có một số dải hấp thụ chính ñại diện cho các nhóm chức hoặc các mối liên kết; mức ñộ hấp thụ tăng hay giảm và sự xê dịch của chúng là tùy thuộc vào loại axit humic của từng nguồn than bùn khác nhau. Bảng 3.3. Những dải hấp thụ hồng ngoại chính ở mẫu axit humic tinh chế và axit humic [8] Dải tần số (cm -1 ) Axit humic [8] Axit humic thô Axit humic tinh chế Nhóm chức/liên kết tương ứng 3395.00 3431 3411 2920.80 2925 2920 OH có liên kết hyñro 1624.00 1630 1622 C – H béo hóa trị 1458.10 1390 1386 N – H, C=N, C–C thơm 1031.50 1118 1029 C=C thơm - 9 - Nhận xét: Từ bảng ta thấy, axit humic tinh chế lấy từ nguồn than bùn ở hồ Bàu Sấu, Liên Chiểu, Đà Nẵng có dải phổ tương ñương với axit humic mẫu. Như vậy quá trình tinh chế axit humic cho kết quả tốt. Hình 3.5. Phổ hồng ngoại của axit humic thô Hình 3.6. Ph ổ hồng ngoại của axit humic tinh chế Ten may: GX-PerkinElmer-USA Resolution: 4cm-1 BO MON HOA VAT LIEU-KHOA HOA-TRUONG DHKHTN Nguoi do: Phan Thi Tuyet Mai DT:01684097382 GIANG A-H-2Date: 4/28/2011 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400.0 0.550 0.56 0.57 0.58 0.59 0.60 0.61 0.62 0.63 0.64 0.65 0.66 0.67 0.68 0.69 0.70 0.71 0.72 0.73 0.74 0.750 cm-1 A 3411 2920 2849 1622 1386 1244 1029 526 Ten may: GX-PerkinElmer-USA Resolution: 4cm-1 BO MON HOA VAT LIEU-KHOA HOA-TRUONG DHKHTN Nguoi do: Phan Thi Tuyet Mai DT:01684097382 GIANG A-H-1 Date: 4/28/2011 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400.0 0.210 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.30 0.31 0.32 0.33 0.34 0.350 cm-1 A 3431 2925 2854 1630 1390 1261 1118 699 588 499 - 10 - Hình 3.7. Ảnh SEM của axit humic ở các kích thước khác nhau Hình 3.8. Phân tích nhiệt vi sai của axit Humic Trên giản ñồ phân tích nhiệt, thấy có hiệu ứng thu nhiệt ở 135,5 0 C (ứng với ñộ giảm khối lượng là 11,98%), ñó có thể là do quá trình m ất nước hấp phụ trong phân tử axit Humic. Và hiệu ứng tỏa nhiệt ở 587 0 C (ñộ giảm khối lượng là 32,53%) ứng với sự cháy.