C = 200 (mg/l); pH thay đổi: 2 - 6; t: là thời gian tối ưu.
* Từ kết quả khảo sát chọn pH tối ưu cho các nghiên cứu tiếp theo.
2.3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ion Mn+ đến quá trình hấp phụ
Xác định tải trọng hấp phụ cực đại
* Điều kiện tiến hành: Tiến hành ở điều kiện như trên với:
C thay đổi: 50, 100, 150, 200, 250, 300 (mg/l); pH: là pH tối ưu; t: là thời gian tối ưu.
* Từ các kết quả thu được, tiến hành hồi qui các số liệu thực nghiệm bằng các phần mềm chuyên dụng để xác định các hằng số của phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. Qua đó xác định tải trọng hấp phụ cực đại của ion kim loại.
2.3.2. Hấp phụ cột
* Chuẩn bị cột axit humic: Dùng một cột thuỷ tinh 25 x 1 cm đã rửa sạch,
sấy khô, phía dưới có khoá đóng mở. Dùng kẹp lắp lên giá cho cột thẳng đứng, khoá ở phía dưới đóng lại. Lót một lớp bông thấm nước ở dưới đáy rồi đổ vào cột 5 gam axit humic tinh chế đã qua rây 1mm, rồi cho 20 ml nước cất (dung môi rửa cột). Gõ nhẹ cho lớp hấp phụ lắng đều, đồng thời để cho các bọt khí thoát ra. Mở khoá loại bỏ dung môi rửa cột, đến khi dung môi cách bề mặt của lớp
hấp phụ 0,5 cm thì đóng khoá lại. Hình 2.2.Hấp phụ cột bằng A.H
* Điều kiện tiến hành: Dội 100ml dung dịch Mn+ có nồng độ C (mg/l), pH,
qua cột axit humic, nhiệt độ 300C. Điều chỉnh cho dung dịch chảy ra với tốc độ là x
ml/phút. Thu dung dịch chảy ra thành từng phân đoạn, mỗi phân đoạn là 25ml (thu được 8 phân đoạn).
* Ứng với từng yếu tố khảo sát (tốc độ chảy, pH, nồng độ đầu ion Mn+), chọn
2.3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ chảy (của dung dịch dội qua cột) đến khả năng hấp phụ
* Điều kiện tiến hành: Tiến hành ở điều kiện như trên với:
C = 200 (mg/l); pH = 4; x thay đổi: 1; 2; 3; 4; 5 (ml/phút)
* Từ kết quả khảo sát, chọn tốc độ chảy tối ưu cho các nghiên cứu tiếp theo.
2.3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ
* Điều kiện tiến hành: Tiến hành ở điều kiện như trên với:
C = 200 (mg/l); pH thay đổi: 2 - 6; x: là tốc độ chảy tối ưu (ml/phút)
* Từ kết quả khảo sát, chọn pH tối ưu cho các nghiên cứu tiếp theo.
2.3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ion Mn+ đến quá trình hấp phụ
* Điều kiện tiến hành: Tiến hành ở điều kiện như trên với C: thay đổi từ 100,
150, 200, 250, 300 (mg/l); pH: là pH tối ưu; x: là tốc độ chảy tối ưu (ml/phút)
* Từ kết quả khảo sát, nhận xét ảnh hưởng của nồng độ đầu ion Mn+ đến quá
trình hấp phụ.
2.4. CHỤP PHỔ IR CỦA AXIT HUMIC SAU KHI HẤP PHỤ
Tiến hành chụp phổ IR của mẫu axit humic sau khi hấp phụ ion Cd2+, Al3+, Fe3+. So sánh phổ IR của axit humic trước và sau khi hấp phụ ion Mn+.
2. 5. GIẢI HẤP PHỤ VÀ TÁI HẤP PHỤ 2.5.1. Giải hấp phụ 2.5.1. Giải hấp phụ
* Chuẩn bị: Cân 1 gam axit humic đã hấp phụ các ion kim loại Mn+ ở điều
kiện tối ưu tìm được ở trên (kí hiệu: A.H/I – Mn+) cho mỗi lần thí nghiệm.
* Điều kiện tiến hành: Cho 1 gam axit humic của mỗi ion kim loại vào 3
bình tam giác có chứa sẵn 200ml dung dịch axit HCl 0,1N (pH = 1) hoặc dung dịch đệm (pH = 3, pH = 5). Hỗn hợp được khuấy đều bằng máy khuấy từ, ở nhiệt độ phòng trong 4 giờ rồi lọc. Nồng độ ion kim loại trong nước lọc được xác định bằng phương pháp: chuẩn độ Complexon.
Khả năng giải hấp phụ ion kim loại khỏi chất hấp phụ được theo phần trăm tỷ số của khối lượng ion kim loại trong nước lọc và khối lượng ion kim loại đã hấp phụ lên axit humic.
Từ kết quả khảo sát, nhận xét ảnh hưởng của pH đến khả năng giải hấp phụ và chọn khoảng pH tối ưu. Axit humic sau khi giải hấp phụ kí hiệu là A.H/II – Mn+.
2.5.2. Tái hấp phụ
Phương pháp nghiên cứu tái hấp phụ là thực hiện chu trình hấp phụ - giải hấp phụ ion kim loại lên chất hấp phụ nhằm mục đích khảo sát khả năng sử dụng chất hấp phụ nhiều lần.
Điều kiện tiến hành: Lặp lại quá trình giải hấp phụ ion kim loại khỏi chất hấp
phụ cho đến khi bằng phương pháp định tính không xác định được sự có mặt của ion kim loại trong nước lọc. Sấy khô axit humic đã giải hấp phụ ở 600C đến khối lượng không đổi.
Tiến hành tái hấp phụ ion kim loại lên axit humic như quá trình hấp phụ (mục 2.3.1) với thời gian t (phút), pH, nồng độ đầu C (mg/l) là các điều kiện tối ưu.
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 ĐẶC TÍNH HÓA LÝ
3.1.1. Đặc tính của mẫu than bùn nguyên liê ̣u
Nguyên liệu than bùn dùng để tách axit humic được lấy từ khu vực khai thác than bù n (than bùn được lấy từ dưới lòng hồ bằng máy hút lên khu chứa) tại hồ Bàu Sấu vùng Hòa Khánh - Liên Chiểu - Đà Nẵng.
Hình 3.1.Than bù n nơi khai thác vùng Liên Chiểu – Đà Nẵng
Từ than bùn nguyên liệu, thêm nước ngâm cho tan rã hoàn toàn, lo ̣c bỏ phần xác thực vâ ̣t chưa phân hủy. Để lắng, lọc gạn tách bỏ phần cát phía dưới, lấy phần dung dịch huyền phù phía trên, lọc qua vải rồi để khô tự nhiên. Mẫu than bùn sau sơ chế có các đă ̣c tính hóa lý sau:
Hàm lượng tro: 25,42%.
Độ ẩm : 5,193% (ứng với hệ số khô kiệt là 0,948).
Sản phẩm thu được là axit humic có màu đen óng ánh, mùi thơm nhẹ.
- Hàm lượng tro: 3,45%.
- Độ ẩm: 5,932 (ứng với hệ số khô kiệt là 0.941).
Hình 3.2. Sơ đồ tách, tinh chế axit humic từ than bùn
Axit humic tinh chế
Xác định một số đặc tính hóa lý
Lượng nước hút ẩm Hàm lượng tro IR, SEM , DTA, BET
H2SO4 Than bùn sau sơ chế
Than bùn ướt Nước lo ̣c (bỏ)
Khuấy đều, để lắng, lọc ga ̣n, rửa đến hết SO42-.
Xử lý ngâm với NaOH 0,2N, để lắng, lọc gạn, li tâm thu lấy phần dung dịch
H2SO4 0,2N Dung dịch humat natri
NaOH 0,2N Axit humic ướt
Thêm H2SO4 đếnpH = 1, để lắng trong 24h, lọc gạn, thêm nướ c, để lắng, lọc gạn, lọc trên giấy lọc lấy A.H kết tủa. Lặp la ̣i quá trình hòa tan rồi kết tủa 2 lần
pH = 1, để lắng trong thời gian 24h. lọc gạn, thêm nước, để lắng, lọc gạn, lọc trên giấy lọc lấy A.H kết tủa.
Hình 3.3. Mẫu axit humic tá ch, tinh chế từ than bùn
3.1.3. Kết quả chụp phổ IR của mẫu axit humic trước khi hấp phụ Bảng 3.1. Những giải hấp thụ hồng ngoại chính ở mẫu axit humic
Dải tần số (cm-1) Nhóm chức/ liên kết tương ứng Axit humic tinh chế Axit humic chuẩn [9]
3377,41 3390,0 OH có liên kết hiđro 2920,14 2920,0 C – H béo hóa trị 1842,79 1865,18 C=O 1615,81 1624,0 N – H, C =N, C – C thơm 1417,65 1458,1 C = C thơm 1223,51 1216 C-O hóa trị 1031,43 1031,5 OCH3 529,98 518 C – H biến dạng
Kết quả phân tích hồng ngoại cho phép chúng ta đánh giá sự có mặt của các nhóm chức cũng như khẳng định phần nào cấu trúc của chúng. Đối chiếu với mẫu hồng ngoại của một số mẫu đã nêu, chúng tôi nhận thấy có một số dải hấp thụ chính đại diện cho các nhóm chức hoặc các mối liên kết, mức độ hấp thụ tăng hay giảm và xê dịch của chúng là tùy thuộc vào loại axit humic của từng nguồn than bùn khác nhau. Kết quả được trình bày ở bảng 3.1 và hình 3.4.
Hình 3.4. Phổ hồng ngoại của axit humic
Hình 3.5.Ảnh SEM của axit humic 500nm (8.4mm×100k)
Hình 3.6.Ảnh SEM của axit humic 2.00um (8.4mm×25k)
Trên ảnh SEM của axit humic ta nhận thấy axit humic sau tinh chế tương đối đồng nhất, có cấu tạo rất tơi xốp, bề mặt lồi lõm với nhiều nếp gấp.
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 DTA /(uV/mg) 50 60 70 80 90 100 TG /% -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 DTG /(%/min) Mass C hange: -15.36 % Mass C hange: -11.68 % Mass C hange: -16.47 % Mass C hange: -13.22 % P eak: 116.34 P eak: 560.153 [1] [1] [1] exo Instrument: F ile: P roject: Identity: Date/Time: Laboratory: Operator: NE TZS C H S TA 409 P C /P G Axit humic.dsv Axit humic 6/14/2012 11:16:40 AM P C M N.H.Hanh S ample: R eference: Material: C orrection F ile: Temp.C al./S ens. F iles: R ange: S ample C ar./TC : 111 2012, 36.300 mg Al2O3,0.000 mg S ilicat 1000degC in N2 1degc-min.bsv Tcalzero.tcx / S enszero.exx 30/10.00(K /min)/1000 DTA(/TG ) HIG H R G 5 / S Mode/Type of Meas.: S egments: C rucible: Atmosphere: TG C orr./M.R ange: DS C C orr./M.R ange: R emark:
DTA-TG / S ample + C orrection 1/1
DTA/TG crucible Al2O 3 O2/0 / N2/30 020/30000 mg 020/5000 µV Admin 15-06-2012 10:14
Hình 3.7.Phân tích nhiệt vi phân của axit humic
Trên giản đồ phân tích nhiệt, thấy có hiệu ứng thu nhiệt ở 116,340C (ứng với độ giảm khối lượng là 15,36%), đó có thể là do quá trình mất nước hấp phụ trong phân tử axit humic. Tiếp theo là hiệu ứng tỏa nhiệt ở 560,1530C ứng với sự phân hủy.
3.1.6. Xác định diện tích bề mặt
Kết quả xác định diện tích bề mặt của axit humic theo phương pháp BET được mô tả ở hình 3.8
Hình 3.8. Đồ thị đường hấp phụ N2 theo BET của axit humic
Diện tích bề mặt của axit humic xác định được là 4.7109 ± 0.0740 m²/g.
3.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Fe3+, Al3+, Cd2+
Hình 3.9. Sơ đồ nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại của axit Humic
3.2.1. Hấp phụ bể
3.2.1.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
Điều kiện tiến hành: Nhiệt độ 30°C, 0.3 gam axit humic, 50ml dung dịch
Fe3+, Al3+, Cd2+ 200 (mg/l), pH = 5, thời gian thay đổi từ 10 - 120 phút. Kết quả được trình bày ở bảng 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 và hình 3.10.
Bảng 3.2. Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ion Cd2+
Thời gian Ci (mg/l) Cf (mg/g) q (mg/g) 10 161.18 159.14 0.34 20 133.06 4.69 30 123.94 6.21 45 106.74 9,07 55 96.82 10.73 90 95.02 11.03 120 95.30 10.98
Kết quả ở bảng 3.2 cho thấy tải trọng hấp phụ ion Cd2+ lên axit humic tăng dần theo thời gian, nhất là khoảng thời gian đầu (từ 10 – 30 phút) và đạt cân bằng ở
Axit humic (A.H/I)
Hấp phụ ion Fe3+, Al3+, Cd2+ trong môi trường nước
A.H/II
Hấp phụ bể Hấp phụ cột
Thời gian pH Nồng độ đầu Tốc độ chảy pH Nồng độ đầu
90 phút. Từ 90 phút trở đi, tải trọng hấp phụ có giảm nhưng không đáng kể. Do đó, chúng tôi chọn thời gian để hấp phụ Cd2+ là 90 phút.
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ion Al3+
Thời gian Ci (mg/l) Cf (mg/g) q (mg/g) 10 157.97 140.55 2.90 20 105.65 8.72 30 97.85 10.02 45 87.11 11.81 55 87.95 11.67 90 88.85 11.52 120 89.09 11.48
Kết quả ở bảng 3.3 cho thấy tải trọng hấp phụ ion Al3+ lên axit humic tăng dần theo thời gian, nhất là khoảng thời gian đầu (từ 10 – 45 phút) và đạt cân bằng ở 45 phút. Từ 45 phút trở đi, tải trọng hấp phụ có giảm nhưng không đáng kể. Do đó, chúng tôi chọn thời gian để hấp phụ Al3+ là 45 phút.
Bảng 3.4. Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ion Fe3+
Thời gian Ci (mg/l) Cf (mg/g) q (mg/g) 10 158.11 127.39 5.12 20 97.09 10.17 30 78.55 13.26 45 71.95 14.36 55 69.79 14.72 90 74.05 14.01 120 77.65 13.41
Kết quả ở bảng 3.4 cho thấy tải trọng hấp phụ ion Fe3+ lên axit humic tăng dần theo thời gian, nhất là khoảng thời gian đầu (từ 10 – 55phút) và đạt cân bằng ở 55 phút. Từ 55 phút trở đi, tải trọng hấp phụ có giảm nhưng không đáng kể. Do đó, chúng tôi chọn thời gian để hấp phụ Fe3+ là 55 phút.
Từ kết quả tối ưu của ba bảng trên, ta đưa ra bảng tổng kết về thời gian tối ưu cho các kim loại Fe3+, Al3+, Cd2+ thể hiện ở bảng 3.5.
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ion Mn+
Thời gian ion 10 20 30 45 55 90 120 Cd2+ 0.34 4.69 6.21 9.07 10.73 11.03 10.98 Al3+ 2.90 8.72 10.02 11.81 11.90 11.67 11.65 Fe3+ 5.12 10.17 13.26 14.36 14.72 14.01 13.41 0 2 4 6 8 10 12 14 16 10 20 30 45 55 90 120 Thời gian (phút) T ải t rọ ng h ấp p hụ ( m g/ g) Cd2+ Al3+ Fe3+
Hình 3.10. Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến tải trọng hấp phụ
* Nhận xét: Khi thời gian tăng thì tải trọng hấp phụ. Thời gian đầu tải trọng
hấp phụ khá thấp và tăng chậm. Nguyên nhân ở đây là do cấu trúc của axit humic, thời gian đầu quá trình khuyếch tán dung dịch vào trong hạt chưa đáng kể, sự hấp phụ mới chỉ xảy ra trên bề mặt chất hấp phụ nên khả năng hấp phụ còn thấp.
+ Khoảng thời gian tiếp theo, tải trọng hấp phụ tăng nhanh và tăng gần như tuyến tính. Thời gian sau đó thì sự hấp phụ gần như bão hòa, tải trọng hấp phụ tăng lên không đáng kể. Lúc này, sự hấp phụ xảy ra cả bên trong chất hấp phụ nên khả năng hấp phụ tăng cao dần cho đến khi đạt cân bằng.
* Giải thích: Thời gian đầu sự hấp phụ chỉ xảy ra trên bề mặt chất hấp phụ
nên khả năng hấp phụ còn thấp. Khoảng thời gian sau đó thì xảy ra sự hấp phụ bên trong chất hấp phụ nên khả năng hấp phụ tăng dần cho đến khi đạt cân bằng.
+ Đối với Al3+ thời gian hấp phụ càng lâu thì tải trọng hấp phụ có chiều hướng giảm. Điều này có thể giải thích là do sau khi đạt cân bằng thì có hiện tượng giải hấp. Tuy nhiên hiện tượng này là không đáng kể.
+ Ion Al3+ có hóa trị lớn hơn nên nó bị hấp phụ mạnh hơn ion Cd2+. Ion Fe3+ và Al3+ có cùng hóa trị nhưng ion Fe có bán kính nguyên tử lớn hơn nên bị hấp phụ mạnh hơn.
Như vậy: Thời gian đạt cân bằng hấp phụ của Cd2+ là 90 phút, của Al3+ là 45
phút và Fe3+ là 55 phút. Có thể chọn thời gian thích hợp cho những nghiên cứu tiếp theo.
3.2.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ
Điều kiện tiến hành: Nhiệt độ 300C, 0.3 gam axit humic, 50ml dung dịch
Fe3+, Al3+, Cd2+ 200 (mg/l), pH thay đổi từ 2 - 6, thời gian là 90 phút đối với Cd2+, 45 phút đối với Al3+ và 55 phút đối với Fe3+, khuấy đều bằng máy khuấy từ. Kết quả được trình bày ở bảng 3.6, 3.7, 3.8, 3.9 và hình 3.11.
Bảng 3.6. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ion Cd2+
pH Ci (mg/l) Cf (mg/g) q (mg/g) 2 158.12 147.64 1.75 3 159.16 124.12 5.84 4 159.82 102.54 9.56 5 161.18 95.00 11.03 6 158.37 97.11 10.21
Kết quả ở bảng 3.6 cho thấy tải trọng hấp phụ ion Cd2+lên axit humic tăng dần theo chiều tăng của pH và đạt cực đại ở Cd2+ pH = 5, sau đó tải trọng hấp phụ giảm dần. Do đó, chúng tôi chọn pH để hấp phụ Cd2+ là 5.
Bảng 3.7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ion Al3+
pH Ci (mg/l) Cf (mg/l) q (mg/g)
2 155.19 139.23 2.66
4 156.41 84.77 11.94
5 157.97 88.31 11.61
6 153.66 86.78 11.15
Kết quả ở bảng 3.7 cho thấy tải trọng hấp phụ ion Al3+ lên axit humic tăng dần theo chiều tăng của pH và đạt cực đại ở pH = 4, sau đó tải trọng hấp phụ giảm dần. Do đó, chúng tôi chọn pH để hấp phụ Al3+ là 4.
Bảng 3.8. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ion Fe3+
pH Ci (mg/l) Cf (mg/l) q (mg/g) 2 158.72 103.16 9.21 3 156.66 65.94 15.12 4 157.84 68.62 14.87 5 158.82 71.58 14.54 6 158.96 75.08 13.98
Kết quả ở bảng 3.8 cho thấy tải trọng hấp phụ ion Fe3+ lên axit humic tăng dần theo chiều tăng của pH và đạt cực đại ở pH = 3, sau đó tải trọng hấp phụ giảm