5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị
2.2.1. Hóa chất
-Bã cafe.
-Bã chè.
- Anilin 99,99 %, d= 1,023g/ml.
-Dung dịch chất oxi hóa (NH4)2S2O8 0,5M (Moni pesunfat) dạng tinh thể trắng.
-Dung dịch H2SO4 98 %, d=1,174g/ml.
-CuSO4.5H2O 99,99 % tinh thể xanh lam.
- Pb(CH3COO)2.3H2O 99,99 % tinh thể trắng. - Etanol. 2.2.2. Dụng cụ -Bình định mức 1000 ml, 500 ml, 100 ml. -Bình tam giác 250 ml. -Cốc thủy tinh 250 ml. -Pipet có vạch chia 5, 10, 20 ml.
-Phễu thủy tinh, giấy lọc.
2.2.3. Thiết bị
-Tủ sấy.
-Cân phân tích. -Máy khuấy từ.
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Trong đề tài này, em sử dụng phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS để phân tích hàm lƣợng của các kim loại nặng.
Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử là phƣơng pháp d ng để xác định nồng độ của nguyên tố trong dung dịch dựa vào định luật Bughe – Lambe – Bia theo phƣơng trình:
A = k.C.l Trong đó:
A: cƣờng độ vạch phổ hấp thụ. k: hằng số thực nghiệm.
l: chiều dài môi trƣờng hấp thụ.
C: Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ.
Dựa vào giá trị mật độ quang, ngƣời ta xác định nồng độ nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong thể tích mẫu. Mật độ quang của lớp hấp thụ tỉ lệ thuận với nồng độ của nguyên tử chứa trong đó tại bƣớc sóng hấp thu ứng với nguyên tố đó. Tính tỉ lệ này đƣợc bảo toàn trong một nồng độ nhất định, tùy thuộc vào tính chất của nguyên tố cần xác định và tính chất của đèn.
Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử đƣợc sử dụng để xác định hàm lƣợng của các kim loại trƣớc và sau khi hấp thu.
2.4. Tổng hợp vật liệu
2.4.1. Xử lí bã cafe, bã chè trƣớc tổng hợp
- Xử lí bã cafe, bã chè trƣớc khi tổng hợp đƣợc tiến hành qua các bƣớc sau:
- Xử lí bã cafe trƣớc khi tổng hợp đƣợc tiến hành qua các bƣớc sau:
Bước 1: Ngâm bã cafe thu thập đƣợc trong nƣớc ở nhiệt độ 80oC trong thời gian 30 phút. Lặp lại nhiều lần cho đến khi nƣớc ngâm không còn màu của bã chè lúc đầu, lọc bỏ nƣớc.
Bước 2: Bã cafe sau khi ngâm, đem sấy ở 110oC trong thời gian 3 giờ để loại bỏ hơi nƣớc.
Bước 3: Bã cafe ở dạng thô đƣợc nghiền nhỏ.
Bước 4: Ngâm bã cafe thu đƣợc với etanol trong thời gian 2 giờ.
Bước 5: Bã cafe sau khi ngâm đƣợc hoạt hóa bằng axit H2SO4 0,05M và rửa lại với NaOH 0,1M đến khi pH của vật liệu bằng 7.
Bước 6: Sấy bã cafe thu đƣợc sau bƣớc 5 và sấy ở 100oC trong 6 giờ, ta thu đƣợc vật liệu biến tính.
- Xử lí bã chè trƣớc khi tổng hợp đƣợc tiến hành qua các bƣớc sau:
Bước 1: Ngâm bã chè thu thập đƣợc trong nƣớc ở nhiệt độ 80oC trong thời gian 30 phút. Lặp lại nhiều lần cho đến khi nƣớc ngâm không còn màu của bã chè lúc đầu, lọc bỏ nƣớc.
Bước 2: Bã chè sau khi ngâm, đem sấy ở 110oC trong thời gian 3 giờ để loại bỏ hơi nƣớc.
Bước 3: Bã chè ở dạng thô đƣợc nghiền nhỏ.
Bước 4: Ngâm bã chè thu đƣợc với etanol trong thời gian 2 giờ.
Bước 5: Bã chè sau khi ngâm đƣợc hoạt hóa bằng axit H2SO4 0,05M và rửa lại với NaOH 0,1M đến khi pH của vật liệu bằng 7.
Bước 6: Sấy bã chè thu đƣợc sau bƣớc 5 và sấy ở 100oC trong 6 giờ, ta thu đƣợc vật liệu biến tính.
2.4.2. Tổng hợp vật liệu
Bước 1: Trộn đều 30 gam bã cafe với với 50 gam bã chè đã biến tính trong chậu thủy tinh đã đƣợc rửa sạch.
Bước 2: Pha chế 1000 ml dung dịch M0 từ anilin (ANi) 0,01M, H2SO4
0,5M. Dung dịch (NH4)2S2O8 0,1M - Dung dịch M1.
Bước 3: Tổng hợp PANi: Lấy 100 ml dung dịch M0 đựng trong cốc thủy tinh đƣợc nhỏ từ từ 20 ml dung dịch M1 vào cho đến hết. Khuấy đều dung dịch với tốc độ khuấy 100 vòng/phút, thời gian khuấy 5 giờ. Dung dịch thu đƣợc đem lọc và sấy khô thu đƣợc vật liệu polyanilin (PANi).
Bước 4: Tổng hợp vật liệu từ bã chè, bã cafe: Lấy 200 ml dung dịch M0 cho vào chậu thủy tinh đựng sẵn hỗn hợp đã đƣợc tổng hợp từ bƣớc một. Tiến hành khuấy đều, rồi nhỏ từ từ 40 ml dung dịch M1 vào cho đến hết. Khuấy hỗn hợp với tốc độ khuấy 200 vòng/phút, thời gian khuấy 5 giờ. Hỗn hợp sau khuấy đƣợc đem lọc và sấy khô thu đƣợc vật liệu compozit BC - BCF - PANi.
Bước 5: Ngâm PANi và BC - BCF - PANi thu đƣợc trong hai cốc đựng etanol trong thời gian 5 giờ để loại bỏ monome (ANi) còn trong sản phẩm sau khi tổng hợp. Sau đó sấy khô, thu đƣợc các vật liệu cần tổng hợp sau đó đƣợc bảo quản cẩn thận trong túi nilon và đặt trong bình hút ẩm.
2.4.3. Khả n ng hấp thu của các vật liệu đối với các ion Cu2+, Pb2+
2.4.3.1. Polyanilin
Bước 1: ấy 120 ml dung dịch ion Cu2+ (20mg/L), Pb2+ (20mg/L) vào cốc thủy tinh 250 ml, sau đó cân 1g vật liệu hấp phụ polyanilin cho vào cốc.
Bước 2: Tiến hành khuấy ở 400 vòng/phút, sau khác khoảng thời gian 30 phút, 60 phút, 90 phút, 120 phút, 150 phút.
Bước 3: Sau đó lọc lấy dung dịch và đem đi xác định lại nồng độ bằng phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
2.4.3.2. Bã cafe
Bước 1: ấy 120 ml dung dịch ion Cu2+
(20mg/L), Pb2+ (20mg/L) vào cốc thủy tinh 250 ml, sau đó cân 1g vật liệu biến tính bã cafe cho vào cốc.
Bước 2: Tiến hành khuấy ở 400 vòng/phút, sau các khoảng thời gian 30 phút, 60 phút, 90 phút, 120 phút, 150 phút.
Bước 3: Sau đó lọc lấy dung dịch và đem đi xác định lại nồng độ bằng phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
2.4.3.3. Bã chè
Bước 1: ấy 120 ml dung dịch ion Cu2+
(20mg/L), Pb2+ (20mg/L) vào cốc thủy tinh 250 ml, sau đó cân 1g vật liệu biến tính bã chè cho vào cốc.
Bước 2: Tiến hành khuấy ở 400 vòng/phút, sau các khoảng thời gian 30 phút, 60 phút, 90 phút, 120 phút, 150 phút.
Bước 3: Sau đó lọc lấy dung dịch và đem đi xác định lại nồng độ bằng phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
2.4.3.4. Bã chè - Bã cafe - PANi
Bước 1: ấy 120 ml dung dịch ion Cu2+
(20mg/L), Pb2+ 20mg/ vào cốc thủy tinh 250 ml, sau đó cân 1g vật liệu bã chè - bã cafe - PANi cho vào cốc.
Bước 2: Tiến hành khuấy ở 400 vòng/phút, sau các khoảng thời gian 30 phút, 60 phút, 90 phút, 120 phút, 150 phút.
Bước 3: Sau đó lọc lấy dung dịch và đem đi xác định lại nồng độ bằng phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Khả n ng hấp thu của vật liệu
Để nghiên cứu khả năng hấp thu các ion Cu2+
(CuSO4) và Pb2+ (Pb(NO3)) bằng các vật liệu bã chè - bã cafe - PANi, bã cafe, bã chè và PANi em tiến hành cố định nồng độ dung dịch các ion hấp thu ban đầu (Co = 20mg/L), thể tích hấp thu (V = 250ml), khối lƣợng chất hấp thu (m = 1g), thời gian hấp thu tƣơng ứng là 30, 60, 90, 120 và 150 phút, tốc độ khuấy 400 vòng/phút. Hàm lƣợng các ion kim loại đƣợc xác định bằng phƣơng pháp phổ hấp thu nguyên tử AAS.
Các vật liệu nghiên cứu đƣợc ký hiệu: -BC - BCF - PANi: A0.
-BCF: A1. -BC: A2. -PANi: A3.
3.1.1. Khả n ng hấp thu ion Pb2+
Kết quả nghiên cứu khả năng hấp thu của các vật liệu với ion Pb2+ đƣợc giới thiệu trên hình 3.1 và 3.2.
Kết quả cho thấy, sau 150 phút nồng độ hấp thu ion Pb2+ giảm xuống. Đối với vật liệu BC - BCF - PANi ban đầu ion kim loại Pb2+
có nồng độ C0 = 20 mg/L sau khoảng thời gian là 150 phút giảm xuống còn 5,89 mg/ , Đối với vật liệu là PANi ban đầu ion kim loại Pb2+ có nồng độ C0 = 20 mg/L sau khoảng thời gian là 150 phút giảm xuống còn 6,31 mg/ . Đối với vật liệu là bã cafe ban đầu ion kim loại Pb2+
có nồng độ C0 = 20 mg/L sau khoảng thời gian là 150 phút giảm xuống còn 7,52 mg/ . Đối với vật liệu là bã chè ban
đầu ion ion Pb2+
có nồng độ C0 = 20 mg/L sau khoảng thời gian là 150 phút giảm xuống còn 8,88 mg/L.
Hình 3.1. Sự phụ thuộc của nồng ion Pb2+ theo thời gian đối với các vật liệu. Nồng độ ban đầu Co = 20 mg/L, pH = 7. 0 30 60 90 120 150 0 20 40 60 80 100 H, % t, phút PANi BC BCF BC-BCF-PANi
Hình 3.2. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp thu ion Pb2+ theo thời gian của các vật liệu. Nồng độ ban đầu Co = 20 mg/L, pH = 7.
0 30 60 90 120 150 0 5 10 15 20 25 C, mg/l t, phút BC BCF PANi BC-BCF-PANi
Trong quá trình hấp thu bằng vật liệu BC - BCF - PANi nồng độ ion Pb2+ giảm xuống đáng kể. Kết quả cho thấy, với vật liệu BC - BCF - PANi cho khả năng hấp thu lớn hơn so với PANi, BCF và BC.
Cụ thể, sau 150 phút hiệu suất hấp thu ion Pb2+ của: - Vật liệu BC - BCF - PANi cao nhất (70,55%). - Vật liệu BC thấp nhất (55,6%).
- Các vật liệu PANi và BCF tƣơng ứng là 68,45% và 62,4%.
Khi sử dụng vật liệu BC - BCF - PANi hiệu suất của quá trình hấp thu tăng lên đáng kể, tỷ lệ hiệu suất hấp thu của các vật liệu A0 : A1 : A2 : A3 tƣơng ứng là 1,27 : 1,12 : 1,00 : 1,23. Kết quả cho thấy, với vật liệu compozit tổng hợp cho khả năng hấp thu tốt nhất.
Đối với vật liệu BC - BCF - PANi và PANi cho thấy, hiệu suất hấp thu đạt tốt nhất trong khoảng thời gian từ 0 đến 60 phút, từ 60 phút đến 150 phút hiệu suất hấp thu tăng không đáng kể và gần nhƣ đạt đến cân bằng.
Đối với vật liệu BCF, BC sau khoảng thời gian từ 0 đến 90 phút hiệu suất hấp thu đạt tốt nhất, từ sau 90 phút hiệu suất hấp thu tăng không đáng kể.
3.1.2. Khả n ng hấp thu ion Cu2+
Kết quả nghiên cứu khả năng hấp thu của vật liệu với ion Cu2+ đƣợc giới thiệu ở hình 3.3 và 3.4.
Kết quả cho thấy, sau 150 phút nồng độ hấp thu ion Cu2+ giảm xuống. Đối với vật liệu BC - BCF - PANi ban đầu ion kim loại Cu2+
có nồng độ C0 = 20 mg/L sau khoảng thời gian là 150 phút giảm xuống còn 4,05 mg/ , Đối với vật liệu là PANi ban đầu ion kim loại Cu2+ có nồng độ C0 = 20 mg/L sau khoảng thời gian là 150 phút giảm xuống còn 6,12 mg/ . Đối với vật liệu là BCF ban đầu ion kim loại Cu2+
có nồng độ C0 = 20 mg/L sau khoảng thời gian là 150 phút giảm xuống còn 7,82 mg/ . Đối với vật liệu bã chè ban đầu ion kim loại Cu2+ có nồng độ C0 = 20 mg/L sau khoảng thời gian là 150 phút giảm
xuống còn 10,82 mg/L. Với vật liệu BC - BCF - PANi tổng hợp cho khả năng hấp thu lớn hơn so với PANi, BCF, BC.
0 30 60 90 120 150 0 5 10 15 20 25 C, mg/l t, phút BC BCF PANi BC-BCF-PANi
Hình 3.3. Sự phụ thuộc của nồng độ ion Cu2+ theo thời gian đối với các vật liệu. Nồng độ ban đầu Co = 20 mg/L, pH = 7
Kết quả cho thấy, sau 150 phút hiệu suất hấp thu ion Cu2+ của: -Vật liệu BC - BCF - PANi cao nhất (79,75%).
-Vật liệu BC thấp nhất (45,9%).
-Các vật liệu PANi và BCF tƣơng ứng là 69,4% và 60,9%.
Khi sử dụng vật liệu compozit hiệu suất của quá trình hấp phụ tăng lên đáng kể, tỷ lệ hiệu suất hấp phụ của các vật liệu A0 : A1 : A2 : A3 tƣơng ứng là 1,74 : 1,33 : 1,00 : 1,52. Kết quả cho thấy, với vật liệu BC - BCF - PANi tổng hợp cho khả năng hấp thu gần gấp đôi so với BC biến tính.
Đối với vật liệu A0, A1, A3 cho thấy, hiệu suất hấp thu đạt tốt nhất từ 0 đến 90 phút, trong thời gian từ 90 phút đến 150 phút hiệu suất hấp thu tăng không đáng kể và gần nhƣ đạt đến cân bằng. Đối với vật liệu A2 hiệu suất hấp thu đạt tốt nhất từ 0 đến 30 phút, trong thời gian từ 30 phút đến 150 phút hiệu suất hấp thu tăng không đáng kể.
0 30 60 90 120 150 0 20 40 60 80 100 H, % t, phút PANi BC BCF BC-BCF-PANi
Hình 3.4. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp thu ion Cu2+ theo thời gian của các vật liệu. Nồng độ ban đầu Co = 20 mg/l, pH = 7.
3.2. Đánh giá khả n ng xử lý ion kim loại 3.2.1. Vật liệu PANi
So sánh khả năng hấp thu của hai ion kim loại Cu2+, Pb2+ bằng vật liệu PANi đƣợc thể hiện trên hình 3.5 và bảng 3.1:
Kết quả trên cho thấy khi thời gian tăng lên từ 0 đến 60 phút thì nồng độ cả cả hai ion kim loại giảm xuống nhanh, tức là khả năng hấp thu của vật liệu PANi tƣơng đối tốt, từ 0 đến 60 phút PANi hấp thu ion Pb2+
tốt hơn ion Cu2+. nhƣng từ 60 phút trở đi khả năng hấp thu ion kim loại của vật liệu PANi giảm do nồng độ ion kim loại giảm và vật liệu bị bão hòa nên khả năng hấp thu không còn tốt nhƣ lúc đầu.
Hình 3.5. Sự phụ thuộc của nồng độ vật liệu polyanilin (PNAi) vào thời gian đối với các ion kim loại nặng ở pH=7.
Bảng 3.1. Hàm lượng các ion Cu2+, Pb2+ sau thời gian t (vật liệu PANi).
Thời gian Hàm lƣợng (mg/L) Cu2+ Pb2+ 0 20,00 20,00 30 16,32 16,08 60 12,19 12,02 90 9,21 9,91 120 7,99 7,86 150 6,12 6,31 3.2.2. Vật liệu bã chè
So sánh khả năng hấp thu của hai ion kim loại Cu2+, Pb2+ bằng vật liệu bã chè đƣợc thể hiện trên hình 3.6 và bảng 3.2: 0 30 60 90 120 150 0 5 10 15 20 25 C, mg/L t, phút Cu2+ Pb2+
Hình 3.6. Sự phụ thuộc của nồng độ vật liệu bã chè (BC) vào thời gian đối với các ion kim loại nặng ở pH=7.
Bảng 3.2. Hàm lượng các ion Cu2+
, Pb2+ sau thời gian t (vật liệu bã chè).
Thời gian Hàm lƣợng (mg/L) Cu2+ Pb2+ 0 20,00 20,00 30 17,02 16,06 60 15,16 13,21 90 13,26 11,04 120 11,99 9,12 150 10,82 8,88
Kết quả trên cho thấy, bã chè hấp thu ion Pb2+ tốt hơn ion Cu2+.Từ 0 đến 120 phút vật liệu bã chè hấp thu ion kim loại Pb2+ tốt nhất. Còn ion Cu2+c ng bị hấp thu mạnh nhƣng không mạnh bằng ion Pb2+. Từ 120 đến 150 phút nồng độ ion Pb2+
hầu nhƣ không biến đổi. Đó là do từ 0 đến 120 phút ion Pb2+ bị
0 30 60 90 120 150 0 5 10 15 20 25 C, mg/L t, phút Cu2+ Pb2+
hấp thụ mạnh nên nồng độ giảm, hơn nữa vật liệu bị bão hòa dẫn tới khả năng hấp thu không còn đƣợc nhƣ lúc đầu.
3.2.3. Vật liệu bã cafe
So sánh khả năng hấp thu của hai ion kim loại Cu2+, Pb2+ bằng vật liệu bã cafe đƣợc thể hiện trên hình 3.7 và bảng 3.3:
0 30 60 90 120 150 0 5 10 15 20 25 C, mg/l t, phút Cu2+ Pb2+
Hình 3.7. Sự phụ thuộc của nồng độ vật liệu bã cafe (BCF) vào thời gian đối với các ion kim loại nặng ở pH=7.
Bảng 3.3. Hàm lượng các ion Cu2+
, Pb2+ sau thời gian t (vật liệu bã cafe).
Thời gian Hàm lƣợng (mg/L) Cu2+ Pb2+ 0 20,00 20,00 30 16,02 16,99 60 13,16 13,63 90 10,26 10,86 120 8,99 8,72 150 7,82 7,52
Kết quả trên cho thấy, từ 0 đến 90 phút ion Cu2+ bị vật liệu bã chè hấp thu mạnh hơn so với ion Pb2+. Nhƣng từ 90 đến 150 phút ion Pb2+ bị hấp thu mạnh hơn ion Cu2+.
3.2.4. Vật liệu bã chè - bã cafe - PANi