Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Pb2+ của vật- 123docz.net

M Ở ĐẦU

3.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Pb2+ của vật liệu nano cacbon

Khi nghiên cứu hấp phụ, các yếu tố thủy nhiệt như nhiệt độ và thời gian được chọn điều kiện tối ưu theo các khảo sát trên (200oC và 24h); các điều kiện hấp phụ cần khảo sát là: nhiệt độ hấp phụ, thời gian hấp phụ, ảnh hưởng của nồng độ Pb2+đến quá trình hấp phụ và các điều kiện đẳng nhiệt, tỉ lệ rắn/lỏng,…

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ hấp phụ

Bảng 3.3. Kết quả của khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ hấp phụ

Nhiệt

độ 30oC 45oC 60oC

Co Ce qe H% Ce qe H% Ce qe H%

21,82 0,64 2,65 97,06 1,69 2,52 92,26 2,31 2,44 89,41

Hình 3.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ hấp phụđến hiệu suất hấp phụ

Nhiệt độ hấp phụ được khảo sát ở 30oC, 45oC và 60oC. Từ kết quả ở Bảng 3.3 và Hình 3.3 cho thấy, khi tăng nhiệt độ hấp phụ thì cả hiệu suất hấp phụ và tải trọng hấp phụ đều giảm. Điều này cho thấy, quá trình hấp phụ chì lên bề mặt cacbon từ vỏ cua là một quá trình tỏa nhiệt. Do đó, đối với quá trình hấp phụ này, nếu tăng nhiệt độ phản ứng lên, cân bằng hấp phụ sẽ xảy ra theo chiều nghịch, tức là chiều làm giảm khả năng hấp phụ của vật liệu, dẫn đến làm giảm hiệu suất và tải trọng hấp phụ của quá trình hấp phụ. Điều này cũng chứng minh, quá trình hấp phụ này là quá trình hấp phụ vật lý.

Đối với quá trình hấp phụ này, nhiệt độ hấp phụđược chọn là 30oC.

3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng thời gian hấp phụđến khả năng hấp phụ

Thí nghiệm được thực hiện với thời gian hấp phụ ở 90, 120, 150, 180, 210 và 240 phút trên máy lắc ngang. Các điều kiện thực nghiệm khác như Kết quả nồng độ sau hấp phụ của vật liệu nano cacbon được thể hiện ở Bảng 3.4.

Bảng 3. 4. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụđến khả năng hấp phụ Thời gian hấp phụ (phút) 90 120 150 180 210 240 C (mg/l) 1,85 1,24 1,07 1,01 1,00 0,96 H (%) 90,75 93,80 94,65 94,95 95,00 95,20 qe (mg/g) 2,27 2,35 2,37 2,37 2,38 2,38

Bảng 3.4 và hình 3.4 là kết quả hấp phụ ion Pb2+ trên vật liệu nano cacbon theo thời gian từ 90 tới 240 phút với khoảng cách là 30 phút tại nồng độ Pb2+ là 20mg/l. Nhiệt độ khảo sát là 30oC. Từ các kết quả, ta nhận thấy quá trình hấp phụ đạt cân bằng tại t = 150 phút, sau 150 phút thì độ hấp phụ gần như không thay đổi nữa.

3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Pb2+đến khả năng hấp phụ

Thí nghiệm được thực hiện ở đối tượng thủy nhiệt 24h có khối lượng 0.2 (g) trong dung dịch Pb2+ với thời gian hấp phụ là 150 phút trên máy lắc ngang. Kết quả khảo sát được trình bày ở Bảng 3.5.

Hình 3.10. Đồ thị hấp phụ Pb2+ trên vật liệu nano cacbon theo thời gian

Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ Pb2+ đến khả năng hấp phụ

Nồng độ Pb(II) trước khi hấp

phụ (mg/l) 19.66 47.73 73.11 91.57 121.9 144.4

Nồngđộ Pb(II) sau khi hấp

phụ (mg/l) 0.28 1.407 2.975 8.469 59.35 78.73

Phần trăm hấp

phụ (%) 98.57 97.05 95.931 90.75 51.313 45.47

Tải trong hấp

phụ (mg/g) 2.45 5.96 9.02 11.33 14.96 17.74

Hình 3.11. Đồ thị hấp phụ Pb2+ trên vật liệu nano cacbon

Kết quả ở Bảng 3.5 và Hình 3.5 cho thấy khi nồng độ Pb2+ban đầu tăng lên, tải trọng hấp phụ Pb2+ của vật liệu cũng tăng, trong khi hiệu suất hấp phụ giảm. Khi nồng độđầu Pb2+tăng từ 19.66 mg/l lên 144.4 mg/l, tải trọng hấp phụtăng từ 2.45 mg/g lên 17.74 mg/g, hiệu suất hấp phụ giảm từ 98.57% xuống 45.47%. Tải trọng hấp phụ tăng lên khi nồng độ ban đầu tăng cao là do nồng độ Pb2+ trong dung dịch ban đầu cao hơn sẽ làm tăng tương tác giữa cấu tử và vật liệu hấp phụ, do đólàm tăng tải trọng hấp phụ. Ngược lại hiệu suất hấp phụ giảm khi tăng nồng độ Pb2+, điều này được giải thích dựa trên các khu vực có thể hấp phụ của vật liệu, số khu vực đóđều có khảnăng hấp phụ nhất định dẫn đến giảm hiệu suất hấp phụ. Đồng thời, nếu tiếp tục tăng nồng độban đầu của Pb2+ thì tải trọng hấp phụ cũng sẽ tăng chậm do khả năng hấp phụ trên bề mặt vật liệu đạt đến bão hòa.

3.3.4. Phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ

Dựa vào số liệu thực nghiệm độ hấp phụ qe (mg/g) của ion kim loại trên vật liệu, ta xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ tại nhiệt độ T = 30oC, theo hai mô hình Langmuir và Freundlich với các dữ kiện được trình bày ở Bảng 3.6.

Bảng 3.6. Bảng số liệu xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ

C0 (mg/l) Ce (mg/l) qe (mg/g) Ce/qe lnCe lnqe 19.66 0.28 2.45 0.11 -1.273 0.899 47.73 1.40 5.96 0.23 0.341 1.786 73.11 2.97 6.46 0.32 1.090 2.200 91.57 8.46 8.86 0.73 2.136 2.427 121.9 59.3 6.25 3.89 4.083 2.705 144.5 78.7 6.57 4.36 4.366 2.876

Hình 3.12. Đường hấp phụđẳng nhiệt Langmuir và Freundlich của kim loại Pb

Bảng 3. 7. Các thông số của phương trình đẳng nhiệt

Langmuir

Phương trình R2 R qmax KL

Ce/qe = 0.0571Ce + 0.1484 0.9887 0.9943 17.2117 0.3915

Freundlich

Phương trình R2 R n KF

Lnqe = 0.4063lnCe + 1.2184 0.6717 0.8195 2.4612 3.3817

Từ bảng 3.6 ta thấy ởphương trình Langmuir tải trọng hấp phụ tối đa qmax là 17.2117(mg/g) và hệ số cân bằng hấp phụ Langmuir KL là 0.3915. Hệ số hồi quy R2 = 0,9887 (R = 0,99943) gần tiến tới 1 chứng tỏ quá trình hấp phụ kim loại Pb trên mẫu vật liệu nano cacbon ở nhiệt độ xác định (t0 = 30oC) tuân theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir trong khoảng nồng độ khảo sát từ 0 đến 150 mg/l. Đối với mô hình Freundlich giá trị hồi quy R là 0,8195, do giá trị R thấp nên không thích hợp để mô tả cho quá trình hấp phụ này.

Mô hình Langmuir thường được áp dụng cho quá trình hấp phụ đơn lớn, tất cả các tâm hấp phụđều ở trạng thái cân bằng và bề mặt là đồng nhất, mỗi phân tử chỉ hấp phụ trên một tâm xác định và các phân tử bị hấp phụđộc lập không tương tác với nhau. Điều này cũng cho thấy sự hấp phụ Pb(II) trên cacbon là hấp phụ vật lý xảy ra đơn lớp.

3.3.5. Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng đến khả năng hấp phụ

Tỉ lệ rắn/ lỏng (khối lượng chất rắn hấp phụ/thể tích dung dịch hấp phụ - mg/ml) được khảo sát bằng cách tăng dần khối lượng cacbon từ50mg đến 500mg hấp phụ trong 25ml dung dịch Pb(II) 21,82mg/l. Các yếu tố như nhiệt đô, thời gian hấp phụ được giữ nguyên. Kết quả khảo sát được thể hiện ở Bảng 3.8 và Hình 3.7.

Bảng 3.8. Kết quả khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng

m (mg) V (ml) (mg/ml) m/V (mg/l) C0 (mg/l) Ce (mg/g) qe H% 50 25 2 21,82 4,25 2,20 80,51 100 4 1,59 2,53 92,72 200 8 1,13 2,59 98,65 300 12 1,1 2,59 98,84 500 20 1,53 2,54 98,45

Từ các kết quả khảo sát ở trên cho thấy, khi tỉ lệ rắn/lỏng tăng lên thì hiệu suất tăng từ khoảng 80% đến 98% và tải trọng hấp phụ cũng tăng từ 2,20 mg/g đến 2,59 mg/g. Khi tỉ lệ này bằng 8 thì hiệu suất và cả tải trọng tăng không đáng kể. Như vậy, tỉ lệ phù hợp cho quá trình hấp phụ này được chọn là 8, tương ứng với 200 mg (0,2g) vật liệu hấp phụ trong 25m dung dịch Pb(II).

Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn sựảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng

KẾT LUẬN

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đã thu được có thể đưa ra một số kết luận như sau:

- Đã điều chế ra vật liệu nano cacbon với nguồn cacbon từ chitosan đươc tổng hợp từ vỏ cua với các điều kiện thủy nhiệt là 200oC và 24h.

- Đã xác định được điểm bề mặt, cấu trúc của vật liệu qua ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM), giãn đồ XRD và phổ hồng ngoại (FT-IR). Vật liệu nano cacbon tạo ra có diện tích bề mặt riêng lớn (diện tích bề mặt BET là 854,251 m2/g, thể tích lỗ theo BJH là 1,686 cm3/g, kích thước lỗ xốp 5,4 nm) có khả năng hấp phụ cao.

- Khảo sát được một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Pb(II) của vật liệu cacbon:

+ Thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 150 phút.

+ Trong khoảng khối lượng vật liệu hấp phụ đã khảo sát thì khối lượng vật liệu tối ưu cho sự hấp phụ (Pb(II) là 0,2g.

+ Khi tăng nhiệt độ từ 30oC đến 60oC thì hiệu suất hấp phụ giảm, cho thấy đây là một quá trình hấp phụ vật lý và quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt.

+ Xác định được tải trọng hấp phụ cực đại đối với Pb(II) lên vật liệu nano cacbon là 17,2117 mg/g.

+ Các kết quả tính theo mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich cho thấy, quá trình hấp phụ tuân theo mô hình Langmuir; sự hấp phụ Pb(II) lên vật liệu cacbon là sự hấp phụ vật lý đơn lớp.

TRÍCH DẪN

[1]. Bùi Phước Phúc, Hà Thúc Huy, Nguyễn Ngọc Duy, Đặng Văn Phú, Nguyễn Quốc Hiến. Nghiên cứu giảm cấp chitosan bằng hydroperoxit kết hợp với bức xạ

gamma Co-60. Tạp chí Hóa Học Và Ứng Dụng – (2006), số 4, 29-32.

[2]. Đoàn Thế Bảo_DH13HD (2017). ĐATN Nghiên cứu chế tạo hạt gel chitin kích thước nhỏ từ vỏ cua. ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu.

[3]. Đỗ Tiến Đạt_DH13HD (2017). ĐATN Nghiên cứu điều chế tinh thể lỏng chitin từ vỏ cua bằng cách khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến hai quá trình deacetyl và thủy phân như nhiệt độ và thời gian. ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu.

[4]. Lê Thanh Phước và Bùi Vũ Thanh Phương. Nghiên cứu chế tạo hạt gel chitosan liên kết ngang kích thước nhỏ. Trường ĐH Cần Thơ, 23b(2012) Trang: 60-68.

[5]. Lê Thị Ngọc Tú, Trần Bá Toàn, Vũ Thị Hạnh Thu, Thiết kế hệ thống thuỷ

nhiệt và chế tạo cấu trúc ống nano TiO2 - Tạp Chí Khoa Học Đại học sư phạm TPHCM , 2015.

[6]. NCS. Vương Thị Kim Oanh - Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ trên nền hạt nano Fe3O4 chất lượng cao định hướng cho một số ứng dụng y học - Học Viện Khoa Học Và Công Nghệ, 2016.

[7]. Nguyễn Chí Thuần (2011). KLTN Chiết xuất chitosan từ vỏ tôm. ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu.

[8]. Nguyễn ThịHương - Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn – Trường đại học khoa học tự nhiên Hà Nội, 2015.

[9]. Nguyễn ThịHương Thảo. ĐATN Điều chế khảo sát khảnăng hấp phụ dư kim

loại nặng Kẽm, Cadimi, Niken trong nước của vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ

bùn dỡ nhà máy hóa chất Tân Bình tại phòng thí nghiệm.

[10]. Nguyễn Thị Thùy Dương (2014). Nghiên cứu Tổng hợp vàứng dụng vật liệu từ tính từ chitosan và oxit sắt từ Fe3O4 trong xử lý asen và phẩm nhuộm. Trường ĐH Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội).

[11]. Nguyễn Bảo Ngọc (2017). Nghiên cứu Tổng hợp vật liệu nanocomposite từ

tính chitosan/Fe3O4, ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. ĐH Khoa học tựnhiên (ĐH Quốc gia Hồ Chí Minh).

[12]. Nguyễn Tuấn Anh (2017). ĐATN Điều chế vật liệu nano cacbon từ vỏ ghẹ trên cơ sở khung silica. ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu.

[13]. Ts.Nguyễn Thị Minh Nguyệt, Ts. Đặng Thu Thủy - Thu nhận chitin, chitosan từ vỏtôm đểứng dụng làm màng bao sinh học trong bảo quản thực phẩm

[14 Trần Thị Luyến, Đỗ Minh Phụng, Nguyễn Anh Tuấn (2004). Giáo trình sản xuất các chế phẩm kỹ thuật và y dược từ phế liệu thủy sản. Nhà xuất bản nông nghiệp, Hà Nội.

[15]. ThS. Vũ Thị Hồng Phượng. Bài giảng Đại cương về quang phổ. Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu.

TÀI LIỆU TIẾNG NƯỚC NGOÀI

[16]. Bo Duan, Xiang Gao, Xu Yao, Yan Fang, Luong Hoang, Jun Zhou Lina (2015). Unique carbon nanotube fi microspheres brous N-doped with porous chitin derivative grade for high-performance supercapacitors.

[17]. Chao Kiu, Chao Liu, Meihua Yu, Yang Li, Li Jiansheng, Jing Wang, Chengzhong Yu, Lianjun Wang (2015). Synthesis of mesoporous carbon- nanoparticles with large and tunable.

[18]. Chau T. L. Trang, Le Q. T. Dung, Le T. Hoa (2017). Chitin Liquid Crystal- Templated Oxide. Department of Chemistry, College of Sciences, Hue University, 77 Nguyen Hue, Hue City Vietnam.

[19]. Nhan T. T. Dang, Trang T. L. Chau, Hau V. Duong, Hoa T. Le, Thi T. V. Tran, Quoc-Thang Le, Thanh-Dinh Nguyen and Nguyen Viet Long. Water- Soluble Chitosan-derived Sustainable Materials: Towards Filaments, Aerogels, Microsperes, and Plastics (2017).

[20]. Thanh - Dinh Nguyễn, Kevin E.Shopspwitz, and Mark J.MacLachlan -

Mesoporous Silica and Organosilica Films Templated by Nanocrystalline chitin, 2013.

[21]. Xiaoping Shen, Julia L. Shamshina, Paula Berton, Gabriela Gurau, Robin D. Rogers. Hydrogels Basel on Cellulose and Chitin: Fabrcation, Propreties and Applications (2015).

[22]. Yan Wu, Wuli Yang, Changchun Wang, Jianhua Hu, Shoukuan Fu (2005).

Chitosan nanoparticles as a novel delivery system for ammonium glycyrrhizinate. Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers of Educational Ministry, Department of Macromolecular Science, Fudan University, Shanghai 200433, People’s Republic of China.

[23]. Yang Zhanga, Lu Hana, Lin-Lin Hua, Yan-Qin Changa, Rong-Huan Hea*, Ming-Li Chena, Yang Shub, Jian-Hua Wanga*. Mesoporous Carbon Nanoparticles with Polyacrylic Acid Capping as Drug Carrier for Bi-trigger

Drug Continuous Release (2016).

[24]. Weiqian Tian, Qiuming Gao, Liming Zhang, Chunxiao Yang, Zeyu Li, Yanli Tan, Weiwei Qian and Hang Zhang. Renawable graphene-like nitrogen-doped carbon nanosheets as supercapacitor electrodes with integrated high enegy- power propreties (2016).

[25]. T.-D. N. a. M. J. MacLachlan, "Biomimetic Chiral Nematic Mesoporous Materials from Crab Cuticles," Advance Optical Materials, p. 7, 2014.

[26]. L.-p. G. Jean Chrysostome Ndamanisha, "Ordered mesoporous carbon for electrochemical sensing: A review," Analytica Chimica Acta, pp. 19-28, 2012. [27]. Z. L. a. S. D. Chengdu Liang, "Mesoporous Carbon Materials: Synthesis and Modification," Angew. Chem. Int. Ed., vol. 47, pp. 3696-3717, 2008.

[28]. A. R. S. R. Iran Sheikhshoaiea, "Removal of Pb (II) from aqueous solution by gel combustion derived nano Co3O4- ZnO," Asian Journal of Nanoscience and Materials, vol. 1(4), pp. 271 - 281, 2018.

[29]. F. K. Khansaa Al-Essa1, "Heavy Metals Adsorption from Aqueous Solutions onto Unmodified and Modified Jordanian Kaolinite Clay: Batch and Column Techniques," American Journal of Applied Chemistry, vol. 6(1), pp. 25 - 34, 2018. [30]. Y. L. Y. L. L. P. P. W. Z. S. Lei Tian, "Pb(II) and Cu(II) Adsorption and Desorption Kinetics on Ferrihydrite with Different Morphologies," Soil Science Society of America Journal, vol. 82, pp. 96 - 105, 2018.

[31]. L. C. B. C. N. a. U. G. Mambo Moyo, "Adsorption Batch Studies on the Removal of Pb(II) Using Maize Tassel Based Activated Carbon," Journal of Chemistry, vol. 2013, p. 8, 2013.

[32]. M. M. L. M. a. A. H. S Saputro1, "Determination of Pb2+ metal ion level in liquid waste from adsorption process by combination adsorbent of rice husk and water hyacinth charcoal using solid-phase spectrophotometry (sps)," Materials Science and Engineering, p. 7, 2018.

[33]. N. T. a. V. U. S. Tangjuank, "Adsorption of Lead(II) and Cadmium(II) ions from aqueous solution by adsorption on activated carbon prepared from cashew nut shells," International Jounal of Chemistry and Molecular Enineering, vol. 3, pp. 221 - 227, 2009.

[34]. L. W. X. M. L. Y. a. C. W. Shiqing Gu, "Selective Adsorption of Pb(II) from

Aqueous Solution by Triethylenetetramine-Grafted

Polyacrylamide/Vermiculite," Materials, vol. 11, p. 20, 2018.

[35]. J. R. H. S. C. O. R. F. C. R. E. S. H. W. Kroto, "This Week's Citation Classic," Nature , vol. 318, p. 162, 1985.

[36]. A. K. G. S. V. M. D. J. Y. Z. S. V. D. I. K. S. Novoselov, "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films," Science , vol. 306, pp. 666 - 669, 2004. [37]. S.-H. &. L. G.-H. (. H. a. S. S. M. I. S. C. 7. d.-0.-4.-6.-4.-5. Feng,

"Hydrothermal and Solvothermal Syntheses," Feng, S.-H., & Li, G.-H. (2017). Hydrothermal and Solvothermal Syntheses. Modern Inorganic Synthetic Chemistry, 73–104. doi:10.1016/b978-0-444-63591-4.00004-5, pp. 73 - 104, 2017.

[38]. T. A. K. Byrappa, "Hydrothermal technology for nanotechnology," Science Direct, vol. 53, pp. 117 - 166, 2007.

[39]. L. X. C. L. C. Z. a. N. W. Yan Zhu, "Nucleation and growth of hydroxyapatite nanocrystals hydrothermal method," AIP Advances , vol. 8, p. 13, 2018.

[40]. S.-J. H. Peyala Dharmaiah, "Hydrothermal method for the synthesis of Sb2Te3, andBi0.5Sb1.5Te3nanoplates and their thermoelectric properties," Int J Appl Ceram Technol., vol. 15, pp. 132 - 139, 2018.

[41]. Y. L. J. Y. C. Y. a. X. Z. Guowei Chen, "Hydrolysis-resistant yttrium alkoxide rhombic dodecahedra prepared by a facile hydrothermal method," CrystEngComm, vol. 20(9), pp. 1189 - 1192, 2018.

[42]. P. M.-T. N. G.-O. J. P.-M. A. Corral-Aguado, "Synthesis of Mg doped ZnO with hexagonal shape by hydrothermal method," Proceedings of Microscopy & Microanalysis , vol. 22, pp. 1882 - 1883, 2016.

[43]. M. A. Z. A. A. D. Mazyar Ahmadi Golsefidi, "Hydrothermal method for

Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Pb2+ của vật liệu nano cacbon

Khái niệm hấp phụ

Lý thuyết về hấp phụ