Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion pb2+, cu2+ trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã đậu nành

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO ðẠI HỌC ðÀ NẴNG TRẦN THỊ NGỌC NGÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb 2+ , Cu 2+ TRÊN VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ Bà ðẬU NÀNH Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã số : 60 44 27 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ðà Nẵng, năm 2013 Công trình ñược hoàn thành tại ðẠI HỌC ðÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ TỰ HẢI Phản biện 1: PGS.TS. Lê Thị Liên Thanh Phản biện 2: TS. Bùi Xuân Vững Luận văn sẽ ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ khoa học họp tại ðại học ðà Nẵng vào ngày 31 tháng 05 năm 2013. * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin- Học liệu, ðại học ðà Nẵng. - Thư viện trường ðại học Sư phạm, ðại học ðà Nẵng. MỞ ðẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các khu công nghiệp là sự tăng nhanh hàm lượng kim loại nặng trong các nguồn nước thải ñã làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người và hệ sinh thái. Vấn ñề loại bỏ các kim loại nặng từ nước thải và nước thải công nghiệp ñã trở thành vấn ñề rất quan trọng ñể duy trì chất lượng nước. Có nhiều phương pháp ñược áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra khỏi môi trường nước như: phương pháp hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp trao ñổi ion,…), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học…Trong ñó phương pháp hấp phụ - sử dụng VLHP chế tạo từ các nguồn tự nhiên như vỏ trấu, bã mía, lõi ngô, vỏ ñậu, bã ñậu, ñể tách loại và thu hồi các kim loại nặng từ dung dịch nước ñã ñược một số tác giả trên thế giới và trong nước nghiên cứu. Phương pháp sử dụng VLHP sinh học có nhiều ưu việt so với các phương pháp khác là có thể tách loại ñược ñồng thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng VLHP và thu hồi kim loại. Mặt khác, phương pháp này sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, ñặc biệt nước ta là một nước nông nghiệp có nguồn phế thải nông nghiệp dồi dào rất thuận lợi cho việc phát triển phương pháp này. Nhiều cơ sở sản xuất ở Việt Nam hiện nay cho ra hàng tấn bã ñậu nành mỗi ngày nhưng chỉ dùng làm thức ăn gia súc. Mặc dù giá trị của nó rất cao, ngoài các giá trị về dinh dưỡng, kinh tế nó còn là một trong những nguyên liệu có tiềm năng ñể chế tạo vật liệu hấp phụ ứng dụng ñể hấp phụ một số kim loại nặng trong môi trường nước thải. Trên thế giới cũng có nhiều công trình nghiên cứu về vấn ñề này tuy nhiên ở Việt Nam thì chỉ mới có một số nghiên cứu tạo vật liệu hấp phụ từ một số phụ phẩm nông nghiệp khác chứ chưa thấy ở bã ñậu nành. Vì vậy, chúng tôi chọn ñề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Pb2+ và Cu2+ trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã ñậu nành”. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu biến tính bã ñậu nành ñể tạo ra vật liệu hấp phụ một số ion kim loại nặng. 3. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. ðối tượng nghiên cứu: - Bã ñậu nành. - Dung dịch chứa Cu 2+ và Pb 2+ . 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu biến tính bã ñậu nành. - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến sự biến tính bã ñậu nành (nồng ñộ acid, tỷ lệ rắn lỏng). - Thử nghiệm khả năng hấp phụ kim loại nặng Pb2+ và Cu2+ bằng phương pháp hấp phụ bể và hấp phụ cột. - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến sự hấp phụ các ion kim loại. 4. Phương pháp nghiên cứu 4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Thu thập, tổng hợp, phân tích các tài liệu, tư liệu, sách báo trong và ngoài nước có liên quan ñến ñề tài. - Xử lý các thông tin về lý thuyết ñể ñưa ra các vấn ñề cần thực hiện trong quá trình thực nghiệm. 4.2. Phương pháp thực nghiệm - Thu gom và xử lý mẫu bã ñậu nành - Xác ñịnh ñộ ẩm toàn phần - Biến tính bã ñậu nành bằng acid citric. - Xác ñịnh nồng ñộ ion kim loại bằng phương pháp hấp phụ nguyên tử. - Phương pháp phổ hồng ngoại (IR): xác ñịnh sự có mặt một số nhóm chức ñặc trưng của sản phẩm. - Phương pháp chụp SEM: xác ñịnh ñộ xốp của VLHP. - Phương pháp ño BET: xác ñịnh diện tích bề mặt của VLHP. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Cung cấp tư liệu về bã ñậu nành. - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ nguyên liệu rẻ tiền. - Khảo sát ñiều kiện tối ưu ñể hấp phụ kim loại nặng. - Ứng dụng sản phẩm vật liệu hấp phụ trong việc xử lý nước thải công nghiệp. 6. Bố cục ñề tài Luận văn gồm 86 trang, trong ñó có 14 bảng và 38 hình. Phần mở ñầu 04 trang, kết luận và kiến nghị 02 trang, tài liệu tam khảo 04 trang. Nội dung của luận văn chia làm 03 chương. Chương 1: Tổng quan (43 trang). Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu (08 trang). Chương 3: Kết quả và thảo luận (25 trang). CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU VỀ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG 1.1.1. Khái quát chung 1.1.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm kim loại nặng trong nước 1.1.3. Giới thiệu về kim loại ñồng và chì 1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC 1.2.1. Phương pháp sinh học 1.2.2. Phương pháp sử dụng vi tảo 1.2.3. Phương pháp hoá học 1.2.4. Phương pháp hóa lý 1.3. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ 1.3.1. Các khái niệm 1.3.2 Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ 1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ 1.4. MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP LÀM VLHP 1.5. TỔNG QUAN VỀ ðẬU NÀNH 1.5.1. Thực vật học về cây ñậu nành 1.5.2. Hạt ñậu nành 1.5.3. Bã ñậu nành 1.5.4. Tình hình sản xuất và xuất khẩu ñậu nành trên thế giới và trong nước 1.6. ACID CITRIC VÀ CELLULOSE Hình 1.3. Cây ñậu nành Hình 1.4. Hạt ñậu nành 1.6.1. Acid citric Hình 1.6. Công thức cấu tạo của acid citric 1.6.2. Cellulose Hình 1.7. Cấu trúc phân tử Cellulose 1.6.3. Phản ứng este hóa giữa acid citric với cellulose Phản ứng este hóa giữa cellulose và acid citric: CHƯƠNG 2 NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 2.1. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ 2.1.1. Nguyên liệu 2.1.2. Hóa chất, dụng cụ 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.2.1. Xác ñịnh ñộ ẩm của mẫu 2.2.2. Quá trình tạo vật liệu hấp phụ Sơ ñồ tiến hành chế tạo VLHP từ bã ñậu nành: 2.2.3. Các yếu tố cần khảo sát ñến quá trình biến tính - Ảnh hưởng của nồng ñộ acid citric - Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn : lỏng 2.2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ bể Cu 2+ và Pb 2+ Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ bể: + Thời gian khuấy - Khuấy NaOH 0,1M, rửa nước cất - Sấy 60 0 C Bã ñậu nành Bã mịn Bã sạch - Phơi khô - Giã - Rây - Khuấy với acid citric 0,6M trong 30p Dung dịch Chất rắn Lọc - Sấy qua ñêm ở 60 0 C - Tăng lên 120 0 C trong 90p Vật liệu ñã qua hoạt hóa Vật liệu hấp phụ - Ngâm nước cất - Rửa sạch ñến trung tính - Sấy khô ở 60 0 C + pH + Tỷ lệ rắn : lỏng + Nồng ñộ ion Tính hiệu suất hấp phụ H(%) theo công thức sau: (2.2) Tính tải trọng hấp phụ theo công thức sau: (2.3) Phương trình ñẳng nhiệt có dạng : (2.4) ðể xác ñịnh các hằng số trong phương trình hấp phụ ñẳng nhiệt Langmuir, chuyển (2.4) thành phương trình ñường thẳng: (2.5) 2.2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ cột Cu 2+ và Pb 2+ + Tốc ñộ dòng + Nồng ñộ ion dung dịch Hình 2.3. Mô hình cột hấp phụ %100× − = i fi C CC H m VCC q fi )( − = f f bC bC qq + = 1 max maxmax 11 bq C qq C f f += CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. XÁC ðỊNH ðỘ ẨM CỦA Bà ðẬU NÀNH Kết quả cho thấy bã ñậu nành sau khi phơi khô có ñộ ẩm là 10,09%. 3.2. KHẢO SÁT CÁC YỂU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH BIẾN TÍNH Bà ðẬU NÀNH 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng ñộ acid Hình 3.1. Ảnh hưởng của nồng ñộ acid citric ñến quá trình biến tính Ở hình 3.1. cho thấy trong quá trình biến tính bã ñậu nành, chọn acid citric có nồng ñộ 0,6M làm nồng ñộ tối ưu ñể khảo sát các yếu tố tiếp theo. * Giải thích: khi nồng ñộ acid tăng làm tăng số phân tử acid, số phân tử acid thấm vào các mao quản của VLHP nhiều hơn dẫn ñến hiệu suất phản ứng este hoá giữa cellulose và acid citric cao hơn. Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng nồng ñộ acid ñạt ñến giá trị bão hòa thì làm hiệu suất hấp phụ không thay ñổi. 3.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn : lỏng Kết quả hình 3.2. cho thấy trong quá trình biến tính bã ñậu nành, chọn tỉ lệ rắn lỏng là 3g: 50ml làm tỉ lệ tối ưu. Hình 3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn : lỏng ñến quá trình biến tính Hình 3.3. VLHP chế tạo từ bã ñậu nành 3.3. CÁC ðẶC TÍNH HÓA LÝ CỦA Bà ðẬU NÀNH CHƯA BIẾN TÍNH VÀ BIẾN TÍNH 3.3.1. Phổ hồng ngoại Kết quả ñược trình bày ở hình 3.4, 3.5. Cu 2+ 2+ Hình 3.4. Phổ IR của bã ñậu nành chưa biến tính 609.7 702.0 892.9 1037.8 1161.4 1240.1 1318.7 1377.1 1416.4 1545.7 1651.8 1744.7 2854.5 2925.1 3375.4 Nguyen lieu 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 %Transmittance 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenumbers (cm-1) Number of sample scans: 32 Number of background scans: 32 Resolution: 4.000 Sample gain: 8.0 Mirror velocity: 0.6329 Aperture: 100.00 So sánh 2 phổ hồng ngoại ở hình 3.4 và 3.5 cho thấy: - Có sự xuất hiện của pic có số sóng ñặc trưng cho nhóm OH và nhóm cacbonyl. Tuy nhiên ñộ rộng và cường ñộ pic ở hình 3.5 lớn hơn hình 3.4 phản ánh kết quả của phản ứng este hóa ở bã ñậu nành biến tính: số lượng nhóm OH tăng lên sau phản ứng. 3.3.2. Ảnh kính hiển vi ñiện tử quét (SEM) của bã ñậu nành biến tính và chưa biến tính Ảnh kính hiển vi ñiện tử quét (SEM) của bã ñậu nành biến tính và sau khi biến tính ñược thể hiện trong hình 3.6 và 3.7: Hình 3.6. Ảnh SEM của bã ñậu nành chưa biến tính Từ ảnh kính hiển vi ñiện tử quét SEM ở hình 3.6 và 3.7 ta nhận thấy: bã ñậu nành biến tính có diện tích bề mặt và cấu trúc khác hơn nhiều so với bã ñậu nành chưa biến tính. ðiều này giúp giải thích sự biến ñổi cấu trúc hóa học của các hợp chất bên trong bã ñậu nành sau biến tính. Hình 3.5. Phổ IR của bã ñậu nành biến tính 606.8 1062.0 1166.3 1376.6 1545.4 1745.4 2854.3 2925.3 3398.2 3755.6 3842.6 VLHP 60 65 70 75 80 85 90 95 %Transmittance 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenumbers (cm-1) Number of sample scans: 32 Number of background scans: 32 Resolution: 4.000 Sample gain: 4.0 Mirror velocity: 0.6329 Aperture: 100.00 Hình 3.7. Ảnh SEM của bã ñậu nành biến tính 3.3.3. Diện tích bề mặt riêng của bã ñậu nành biến tính và chưa biến tính 3.4. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ BỂ CỦA VLHP CHẾ TẠO TỪ Bà ðẬU NÀNH ðỐI VỚI ION Cu 2+ VÀ Pb 2+ 3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian khuấy ñến quá trình hấp phụ bể Cu 2+ và Pb 2+ Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian khuấy ñến tải trọng hấp phụ bể Cu 2+ và Pb 2+ Hình 3.9. Ảnh hưởng của thời gian khuấy ñến hiệu suất hấp phụ bể * Nhận xét: Nhìn vào ñồ thị hình 3.8, 3.9 ta thấy thời gian khuấy là 60 phút ñối với quá trinh hấp phụ ion Cu 2+ và Pb 2+ ñạt hiệu suất cao nhất nên ñược chọn làm thời gian tối ưu cho các thí nghiệm tiếp theo. * Giải thích: Khi thời gian khuấy tăng lên thì các ion Cu 2+ và Pb 2+ ñi vào các mao quản của VLHP nhiều hơn, do ñó hiệu suất hấp phụ và tải trọng hấp phụ tăng lên. Khi ñã ñạt cân bằng hấp phụ, các ion Cu 2+ và Pb 2+ ñã ñi vào tối ña nên dù thời gian khuấy có tăng lên nhưng hiệu suất hấp phụ và tải trọng hấp phụ tăng lên không ñáng kể. 3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH ñến quá trình hấp phụ bể Cu 2+ và Pb 2+ Hình 3.11. Ảnh hưởng của pH ñến hiệu suất hấp phụ bể Cu 2+ và Pb 2+ * Nhận xét: Nhìn vào ñồ thị hình 3.10, 3.11 ta thấy quá trình hấp phụ ñạt cân bằng tại pH=5 nên chọn pH bằng 5 cho các quá trình hấp phụ tiếp theo. * Giải thích: Trong môi trường axit mạnh (pH thấp) các phần tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ ñều tích ñiện dương bởi vậy lực tương tác là lực ñẩy tĩnh ñiện, bên cạnh ñó nồng ñộ H + cao sẽ xảy ra sự cạnh tranh với cation kim loại trong quá trình hấp phụ nên làm giảm hiệu suất hấp phụ. Tuy nhiên khi pH tăng cao thì xẩy ra sự kết tủa và tạo muối của ion Cu 2+ và Pb 2+ làm giảm khả năng hấp phụ. ðến pH bằng 5,0 thì ñạt cân bằng hấp phụ nên hiệu suất hấp phụ và tải trọng hấp phụ thay ñổi không ñáng kể. 3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ rắn : lỏng ñến quá trình hấp phụ bể Cu 2+ và Pb 2+ * Nhận xét: Nhìn vào ñồ thị hình 3.12, 3.13 ta nhận thấy quá trình hấp phụ ñạt cân bằng tại tỉ lệ rắn lỏng 2,0 gam VLHP/100ml dung dịch Cu 2+ nồng ñộ 20mg/l và 0,8 gam VLHP/100ml dung dịch Pb 2+ nồng ñộ 20mg/l nên chọn 2,0 gam VLHP/100ml cho dung dịch Cu 2+ 0,8 gam VLHP/100ml cho dung dịch Pb 2+ làm giá trị tối ưu. Hình 3.10. Ảnh hưởng của pH dung dịch ñến tải trọng hấp phụ bể Cu 2+ và Pb 2+ Hình 3.12. Ảnh hưởng của khối lượng VLHP ñến tải trọng hấp phụ bể Cu 2+ và Pb 2+ Hình 3.13. Ảnh hưởng của khối lượng VLHP ñến hiệu suất hấp phụ bể Cu 2+ và Pb 2+ * Giải thích: Hiệu suất hấp phụ tăng dần do có nhiều phân tử VLHP trong cùng một thể tích như nhau nên bề mặt tiếp xúc giữa VLHP với ion Cu2+, Pb2+ tăng lên, khả năng ion kim loại ñi vào các mao quản của VLHP tăng lên. ðến khi cân bằng hấp phụ ñược thiết lập, tổng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa chúng hầu như không ñổi nên hiệu suất hấp phụ thay ñổi không ñáng kể nữa. 3.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu 2+ và Pb 2+ ñến quá trình hấp phụ bể Hình 3.14. Ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu 2+ và Pb 2+ ñến tải trọng hấp phụ bể Cu 2+ và Pb 2+ Hình 3.15. Ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu 2+ và Pb 2+ ñến hiệu suất hấp phụ bể Cu 2+ và Pb 2+ * Nhận xét: Nhìn vào ñồ thị hình 3.14, 3.15 ta thấy khi nồng ñộ Cu 2+ và Pb 2+ tăng lên thì tải trọng hấp phụ tăng lên một cách gần như tuyến tính còn hiệu suất hấp phụ thì giảm. Cu 2+ Pb 2+ H(%) Pb H(%) Cu * Giải thích: Cùng một lượng VLHP với nồng ñộ loãng, các ion kim loại chuyển ñộng tự do, có khả năng hấp phụ tốt. Ở nồng ñộ cao, có sự va chạm, cản trở chuyển ñộng lẫn nhau, hạn chế khả năng hấp phụ. Tuy nhiên, khi nồng ñộ Cu 2+ và Pb 2+ quá thấp thì hiệu suất hấp phụ ñạt xấp xỉ 100% nên lượng kim loại còn lại rất thấp, nằm dưới giới hạn phát hiện của máy. 3.5. PHƯƠNG TRÌNH ðẲNG NHIỆT HẤP PHỤ Hình 3.16. Dạng tuyến tính của phương trình Langmuir ñối với ion Cu 2+ và Pb 2+ trong hấp phụ bể * Nhận xét: Dựa vào phương trình ñẳng nhiệt: y = 0,682x + 0,063 ta tính ñược tải trọng hấp phụ cực ñại Cu 2+ của VLHP trong hấp phụ bể là q max = 1,467 (mg/g) và ái lực hấp phụ b = 10,825 và phương trình ñẳng nhiệt: y = 0,260x + 0,012 ta tính ñược tải trọng hấp phụ cực ñại Pb 2+ của VLHP trong hấp phụ bể là q max = 3,846 (mg/g) và ái lực hấp phụ b = 21,667. 3.6. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỘT CỦA VLHP CHẾ TẠO TỪ Bà ðẬU NÀNH ðỐI VỚI ION Cu 2+ VÀ Pb 2+ 3.6.1. Khảo sát ảnh hưởng của tốc ñộ dòng ñến quá trình hấp phụ cột Hình 3.17. Ảnh hưởng của tốc ñộ dòng ñến hiệu suất hấp phụ cột Cu 2+ và Pb 2+ Hình 3.18. Ảnh hưởng của tốc ñộ dòng ñến tải trọng hấp phụ cột Cu 2+ và Pb 2+ * Nhận xét: Nhìn vào hình 3.17, 3.18 ta thấy ở tốc ñộ dòng 0,67ml/ph thì quá trình hấp phụ ñạt cân bằng. Như vậy chọn tốc ñộ dòng chảy là 0,67ml/ph cho các quá trình hấp phụ cột tiếp theo. * Giải thích: khi tốc ñộ dòng tăng lên thì thời gian tiếp xúc giữa vật liệu hấp phụ và chất bị hấp phụ giảm ñi, lượng chất bị hấp Pb 2+ 2+ Pb 2+ 2+ phụ bị giữ lại trên bề mặt vật liệu hấp phụ giảm, do ñó hiệu suất và tải trọng hấp phụ giảm. 3.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu 2+ và Pb 2+ ñến quá trình hấp phụ cột Hình 3.19. Ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu 2+ và Pb 2+ ñến hiệu suất hấp phụ cột Hình 3.20. Ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu 2+ và Pb 2+ ñến tải trọng hấp phụ cột * Nhận xét: Nhìn vào bảng 3.9, ñồ thị hình 3.19, 3.20 ta thấy khi nồng ñộ Cu 2+ và Pb 2+ tăng lên thì tải trọng hấp phụ tăng lên một cách gần như tuyến tính và hiệu suất hấp phụ giảm nhẹ.