6. Kết cấu luận văn
2.2.5. Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của bùn đỏ và bùn đỏ biến tính
Tiến hành
Cân 0,100g bùn đỏ ban đầu và bùn đỏ đã biến tính bằng axit clohidric ở nồng độ 0,4M trong thời gian 50 phút. Tiến hành hấp phụ xanh methylen trong thời gian 50 phút nhưng ở các nồng độ khác nhau: 15ppm, 20ppm, 25ppm, 30ppm, 35ppm. Từ kết quả thu được, tiến hành hồi qui các số liệu thực nghiệm thu được để xác định các hằng số của phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir. So sánh khả năng hấp phụ giữa bùn đỏ ban đầu và bùn đỏ sau khi đã được biến tính.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đường chuẩn xanh methylen
Giá trị mật độ quang của các mẫu xanh methylen 1ppm, 2ppm, 3ppm, 4ppm, 5ppm được thể hiện ở bảng 3.1:
Bảng 3.1. Giá trị mật độ quang của xanh methylen
C (ppm) 0 1 2 3 4 5
A 0,0012 0,2268 0,4674 0,7017 0,9129 1,1145
Hình 3.1. Đồ thị xây dựng đường chuẩn xanh methylen
Phương trình đường chuẩn: y = 0,222x + 0,018 ; r2 = 0,998
Dựa vào phương trình đường chuẩn tìm được nồng độ dung dịch xanh methylen sau khi hấp phụ, từ đó tính hiệu suất quá trình hấp phụ.
3.2. Kết quả khảo sát tỉ lệ nước biển để trung hòa bùn đỏ
3.2.1. Khảo sát thể tích nước biển
Bùn đỏ từ nhà máy Alumin Tân Rai – Lâm Đồng ban đầu có pH bằng 12,97 tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thể tích nước biển đến pH thu được kết quả như bảng 3.2:
Bảng 3.2. Ảnh hưởng thể tích nước biển đến pH
V(l) pH đo ngay pH sau khi ngâm và khuấy
1 9,18 9,01
1,5 8,89 8,72
2 8,67 8,36
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thể tích nước biển đến pH
Nhận xét: Khi tăng thể tích nước biển thì pH càng giảm vì tăng hàm lượng
các ion Ca2+ và Mg2+ giúp làm giảm nhanh các gốc OH- có trong bùn đỏ, đồng thời thể tích nước biển tăng cũng làm tăng thêm hàm lượng nước rửa trôi hàm lượng xút có trong bùn đỏ. Ta tiến hành chọn thể tích 2 lít để khảo sát các yếu tố tiếp theo.
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng thời gian ngâm
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến pH được thể hiện ở bảng 3.3:
Bảng 3.3. Ảnh hưởng thời gian ngâm đến pH
t (phút) pH sau khi ngâm và khuấy
60 8,33
120 8,27
180 8,25
240 8,19
Nhận xét: Tăng thời gian ngâm bùn đỏ trong nước biển ta thấy rằng pH giảm là không đáng kể, việc pH giảm nhẹ có thể là do sai số của máy đo trong quá trình tiến hành thực nghiệm vì vậy qua thực ngiệm có thể thấy rằng ảnh hưởng của thời gian ngâm là không đáng kể. Chọn thời gian là 60 phút để khảo sát tiếp yếu tố tiếp theo.
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng thời gian khuấy
Kết quả khảo sát ảnh hưởng thời gian khuấy đến pH được thể hiện ở bảng 3.4:
Bảng 3.4. Ảnh hưởng thời gian khuấy đến pH
t (phút) pH sau khi khuấy
30 8,35
60 8,22
90 8,17
120 8,08
150 8,02
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian khuấy đến pH
Nhận xét: Khi tăng thời gian khuấy thì ta thấy rằng pH giảm là không đáng
kể, việc pH giảm nhẹ ở đây có thể là do sai số của máy đo trong quá trình tiến hành thực nghiệm vì vậy qua thực ngiệm có thể thấy rằng ảnh hưởng của thời gian khuấy là không đáng kể. Chọn thời gian khuấy là 30 phút để khảo sát yếu tố tiếp theo.
3.2.4. Khảo sát khối lượng bùn đỏ
Kết quả khảo sát tỉ lệ khối lượng bùn đỏ : thể tích nước biển được thể hiện ở bảng 3.5
Bảng 3.5. Ảnh hưởng khối lượng bùn đỏ đến pH
m(g) pH đo ngay pH khuấy 30 phút
25 8,65 8,33
50 8,89 8,42
75 9,13 8,53
100 9,50 8,90
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng bùn đỏ đến pH
Nhận xét: Về cơ bản quá trình trung hòa bùn đỏ hoàn thành khi pH của dung
dịch < 9, tuy nhiên pH quá cao sẽ ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ, hấp phụ giảm vậy ta chọn khối lượng bùn đỏ là 25g trong 2 lít nước biển nhằm đảm bảo pH cho quá trình hấp phụ.
Kết luận:
Qua quá trình khảo sát các yếu tố như thời gian ngâm, thời gian khuấy ta thấy rằng pH giảm là không đáng kể, việc pH giảm nhẹ có thể là do sai số của máy đo trong quá trình tiến hành thực nghiệm vì vậy chúng tôi cho rằng ảnh hưởng của những yếu tố này là không đáng kể.
3.3. Kết quả khảo sát quá trình hấp phụ xanh methylen bằng bùn đỏ
* Khảo sát ảnh hưởng nồng độ axit biến tính
Kết quả giá trị mật độ quang của dung dịch xanh methylen sau khi hấp phụ với các nồng độ axit HCl khác nhau được thể hiện trong bảng 3.6:
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ axit đến quá trình hấp phụ
C(M) A (mật độ quang) C0 (ppm) Ccb (ppm) q (mg/g) H % 0.1 1,7445 15 7,78 7,22 48,13 0.2 1,6712 15 7,45 7,55 50,33 0.3 1,4580 15 6,49 8,51 56,73 0.4 1,3528 15 6,01 8,99 59,93 0.5 1,4703 15 6,54 8,46 56,40 0.6 1,4011 15 6,23 8,77 58,47 0.7 1,7122 15 7,63 7,37 49,13 0.8 1,7184 15 7,66 7,34 48,93
Hình 3.6. Đồ thị biễu diễn ảnh hưởng nồng độ axit đến giá trị mật độ quang
Nhận xét: Từ kết quả được trình bày ở bảng 3.6 và hình 3.6, 3.7 cho thấy khi tăng nồng độ của axit biến tính thì hiệu suất của quá trình hấp phụ tăng (từ 0,1M đến 0,4M ). Tuy nhiên, càng tăng nồng độ của axit biến tính thì hiệu suất lại giảm (0,4M đến 0,5M), sau đó đạt cân bằng (từ 0,7M đến 0,8M).
Giải thích
- Khi tăng nồng độ của axit làm quá trình biến tính tăng, axit clohidric tấn công lên bề mặt bùn đỏ làm bán kính của hạt bùn càng bé, tăng diện tích tiếp xúc bề mặt quá trình hấp phụ tăng (khoảng từ 0,1M đến 0,4M). Tuy nhiên, có mối liên hệ giữa thời gian hấp phụ và diện tích bề mặt hấp phụ giữa vật hấp phụ và vật bị hấp phụ, bán kính càng nhỏ làm cho khả năng khuếch tán của xanh methylen lên bề mặt bùn đỏ càng khó và lâu đạt hiệu quả khi chỉ xét trong khoảng 30 phút. Vì vậy khi càng tăng nồng độ của axit thì khả năng hấp phụ lại giảm và đạt trạng thái cân bằng.
- Trong bùn đỏ có chứa Si-O- (SiO2) với nguyên tử oxy tiếp xúc trên bề mặt bùn đỏ và có thể hấp phụ proton (H+). Khi biến tính bằng axit clohidric thì H+ sẽ tấn công lên bề mặt bùn đỏ ở các tâm SiO2 tạo ra các tâm hoạt động -OH (SiOH), các tâm hoạt động này có khả năng tạo liên kết hiđro với phân tử xanh methylen (có chứa N), bởi vậy khi tăng nồng độ axit (tăng nồng độ H+) thì khả năng hấp phụ xanh methylen càng tăng (khoảng từ 0,1M đến 0,4M). Tuy nhiên lượng H+ tăng lên nhất định các tâm hấp phụ -OH thì tiếp tục tấn công vào -OH để tạo thành Si-OH2
+
có tác dụng đẩy đối với xanh methylen, làm khả năng hấp phụ xanh methylen của bùn đỏ giảm (khoảng từ 0,4M đến 0,5M) và sau đó đạt trạng thái cân bằng (từ 0,7M trở về sau).
Tóm lại, quá trình biến tính có thể được biểu diễn dưới sơ đồ sau:
–Si–OH2+ –Si–OH –Si–O–
Do đó chọn nồng độ axit HCl biến tính là 0,4M ứng với hiệu suất là 59,93% để khảo sát các thí nghiệm tiếp theo.
–H+
+H+
–H+ +H+
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng thời gian biến tính đến quá trình hấp phụ
Giá trị mật độ quang của dung dịch xanh methylen sau khi hấp phụ với thời gian biến tính bùn đỏ bằng axit HCl 0,4M khác nhau được thể hiện dưới bảng 3.7:
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của thời gian biến tính đến quá trình hấp phụ
Thời gian biến tính (phút) A (giá trị mật độ quang) C0 (ppm) Ccb (ppm) q (mg/g) H % 10 1,3933 15 6,19 8,81 58,73 20 1,3931 15 6,19 8,81 58,73 30 1,2068 15 5,36 9,64 64,27 40 1,2044 15 5,34 9,66 64,40 50 1,1690 15 5,18 9,82 65,47 60 1,2136 15 5,39 9,61 64,07 70 1,2251 15 5,44 9,56 63,73
Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng thời gian biến tính đến giá trị mật độ
quang
Nhận xét: Từ kết quả được trình bày ở bảng 3.7 và hình 3.8, hình 3.9 cho thấy khi tăng thời gian biến tính bùn đỏ thì hiệu suất của quá trình hấp phụ tăng (10 phút đến 50 phút). Tuy nhiên, càng tăng thời gian biến tính thì hiệu suất lại giảm (50 phút đến 60 phút), sau đó hiệu suất đạt cân bằng (60 phút đến 70 phút).
Giải thích
- Khi tăng thời gian biến tính bùn đỏ của axit clohidric thì làm cho quá trình biến tính tăng lên, axit clohidric tấn công lên trên bề mặt bùn đỏ làm cho bán kính của hạt bùn càng bé làm tăng diện tích tiếp xúc bề mặt quá trình hấp phụ tăng (10 phút đến 50 phút). Tuy nhiên tương tự như đối với nồng độ, có mối liên hệ giữa thời gian hấp phụ và diện tích bề mặt hấp phụ giữa vật hấp phụ (ở đây là bùn đỏ) và vật bị hấp phụ (xanh methylen), khi bán kính càng nhỏ làm cho khả năng khuếch tán của xanh methylen lên bề mặt bùn đỏ càng khó và lâu đạt hiệu quả vì vậy khi càng tăng thời gian biến tính bùn đỏ thì khả năng hấp phụ lại giảm và đạt trạng thái cân bằng (50 phút trở về sau).
- Mặt khác, tăng thời gian biến tính làm khả năng tấn công của H+ lên bề mặt bùn đỏ ở các tâm SiO2 tạo ra các tâm hoạt động -OH (SiOH) tăng, các tâm hoạt động này có khả năng tạo liên kết hiđro với phân tử xanh methylen (có chứa N), bởi vậy khi tăng thời gian biến tính thì khả năng hấp phụ xanh methylen càng tăng (10 phút đến 50 phút). Tuy nhiên lượng H+ tăng lên lượng nhất định các tâm hấp phụ - OH thì tiếp tục tấn công vào -OH để tạo thành Si-OH2
+
có tác dụng đẩy đối với xanh methylen, làm khả năng hấp phụ xanh methylen của bùn đỏ giảm và sau đó đạt trạng thái cân bằng (60 phút trở về sau).
Do đó chọn thời gian biến tính bùn đỏ là 50 phút ứng với hiệu suất là 65,47% để khảo sát các thí nghiệm tiếp theo.
3.4. Một số đặc trưng cấu trúc của bùn đỏ ban đầu và bùn đỏ biến tính
* Ảnh SEM
Để khảo sát đặc điểm bề mặt của bùn đỏ và bùn đỏ biến tính, chúng tôi tiến hành chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) bề mặt của bùn đỏ ban đầu và bùn đỏ biến tính ở điều kiện tối ưu. Kết quả được chỉ ra trong các hình 3.10 và 3.11
Hình 3.10. Ảnh SEM của bùn đỏ chưa biến tính
Hình 3.11. Ảnh SEM của bùn đỏ biến tính
Nhận xét: Qua ảnh SEM của bùn đỏ chưa biến tính và bùn đỏ biến tính có
thể thấy bề mặt của bùn đỏ biến tính xốp hơn so với bùn đỏ chưa biến tính, có cấu trúc mao quản tương đối đồng đều do đó nó có độ bền cơ học caotăng khoảng 300 % diện tích bề mặt. Như vậy có thể đánh giá được khả năng hấp phụ của bùn đỏ biến tính là tốt hơn so với bùn đỏ chưa biến tính.
3.5. Khảo sát ảnh hưởng khối lượng bùn đỏ biến tính tới quá trình hấp phụ
Bùn đỏ được biến tính bằng axit HCl 0,4M trong thời gian 50 phút được dùng để tiếp tục khảo sát các yếu tố tiếp theo. Kết quả khảo sát ảnh hưởng khối lượng bùn đỏ tới quá trình hấp phụ được thể hiện dưới bảng 3.8:
Bảng 3.8. Ảnh hưởng khối lượng bùn đỏ tới quá trình hấp phụ Khối lượng bùn đỏ biến tính (m) A (giá trị mật độ quang ) C0 (ppm) Ccb(ppm) q(mg/g) H(%) 0,05 1,1690 15 5,18 4,91 65,47 0,075 0,9257 15 4,09 5,46 72,73 0,1 0,0933 15 0,34 7,33 97,73 0,125 0,0694 15 0,23 7,39 98,45
Hình 3.12. Đồ thị biễu diễn sự ảnh hưởng khối lượng bùn đỏ đến giá trị mật độ
quang
Hình 3.13. Đồ thị biễu diễn sự ảnh hưởng khối lượng bùn đỏ đến hiệu suất hấp phụ
Nhận xét: Kết quả thực nghiệm từ bảng 3.8 và đồ thị hình 3.12, 3.13 cho
thấy khi khối lượng bùn đỏ tăng từ 0,05g - 0,125g thì hiệu suất hấp phụ tăng. Sự tăng lên của hiệu suất hấp phụ cùng với sự tăng lên về khối lượng có thể giải thích
do sự tăng lên cả diện tích bề mặt và vị trí hấp phụ của bùn đỏ. Khoảng 0,075g đến 0,1g có sự tăng mạnh về hiệu suất hấp phụ, vì vậy chọn khối lượng bùn đỏ biến tính là 0,1g với hiệu suất là 97,73% để khảo sát các yếu tố tiếp theo.
3.6. Khảo sát ảnh hưởng thời gian hấp phụ tới quá trình hấp phụ
Kết quả ảnh hưởng của thời gian hấp phụ xanh methylen được thể hiện dưới bảng 3.9:
Bảng 3.9. Ảnh hưởng thời gian tới quá trình hấp phụ
t ( phút ) A C0 (ppm) Ccb(ppm) q(mg/g) H(%) 10 0,1081 15 0,407 7,29 97,29 20 0,1028 15 0,39 7,31 97,40 30 0,0933 15 0,34 7,33 97,73 40 0,0611 15 0,19 7,41 98,73 50 0,0284 15 0,05 7,48 99,67 60 0,0216 15 0,02 7,49 99,87
Hình 3.14. Đồ thị biễu diễn ảnh hưởng thời gian hấp phụ đến giá trị mật độ quang
Nhận xét: Dựa vào kết quả bảng 3.9 và đồ thị hình 3.14, 3.15 cho thấy khi càng tăng thời gian hấp phụ thì hiệu suất hấp phụ càng tăng, và hiệu suất hấp phụ đạt 99,67% ở thời gian 50 phút.
Giải thích
Khi tăng thời gian hấp phụ làm cho khả năng khuếch tán xanh methylen lên toàn bộ diện tích bề mặt bùn đỏ tăng làm cho khả năng hấp phụ tăng.
3.7. Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của bùn đỏ và bùn đỏ biến tính
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xanh methylen đối với bùn đỏ ban đầu được thể hiện ở bảng 3.10:
Bảng 3.10. Ảnh hưởng nồng độ xanh methylen đến hiệu suất và dung lượng hấp
phụ của bùn đỏ ban đầu
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xanh methylen đối với bùn đỏ biến tính được thể hiện ở bảng 3.11:
Bảng 3.11. Ảnh hưởng nồng độ xanh methylen đến hiệu suất và dung lượng hấp
phụ của bùn đỏ biến tính C0 (ppm) A Ccb (ppm) H (%) q ( mg/g ) Ccb/q ( g/l) 15 0,0284 0,05 99,67 7,48 0,007 20 0,1021 0,38 98,10 9,81 0,039 25 0,3588 1,54 93,84 11,73 0,131 30 0,9823 4,34 85,53 12,83 0,338 35 1,8771 8,37 76,08 13,32 0,628 C0 (ppm) A Ccb (ppm) H (%) q ( mg/g) Ccb/q(g/l) 15 0,2591 1,09 92,73 6,96 0,157 20 0,5520 2,41 87,95 8,79 0,274 25 0,9817 4,34 82,64 10,33 0,420 30 1,8242 8,14 72,87 10,93 0,745 35 2,6429 11,82 66,23 11,59 1,019
Hình 3.16. Đồ thị biễu diễn ảnh hưởng của nồng độ xanh methylen đến hiệu suất hấp phụ của bùn đỏ chưa biến tính và bùn đỏ biến tính
Nhận xét: Từ các kết quả thực nghiệm thu được từ bảng 3.10 và 3.11 cho
thấy đối với cả 2 loại bùn đỏ chưa biến tính và bùn đỏ biến tính khi nồng độ xanh methylen tăng dần thì hiệu suất hấp phụ giảm dần. Đối với bùn đỏ chưa biến tính, hiệu suất giảm từ 92,73% - 66,23%, còn đối với bùn đỏ biến tính thì hiệu suất giảm từ 99,67% - 76,08%. Như vậy khả năng hấp phụ xanh methylen của bùn đỏ biến tính là tốt hơn bùn đỏ chưa biến tính. Tuy nhiên chúng tôi nghiên cứu khảo sát thấy mô hình Freundlich là không phù hợp vì vậy chúng tôi tiến hành khảo sát cân bằng hấp phụ xanh methylen của 2 loại bùn đỏ theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir.
Bùn đỏ chưa biến tính:
Hình 3.17. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với xanh methylen của bùn đỏ
Hình 3.18. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với xanh methylen của bùn đỏ chưa biến tính theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir
Bùn đỏ biến tính ở điều kiện tối ưu
Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với xanh methylen của bùn đỏ
biến tính
Hình 3.20. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với xanh methylen của
Nhận xét: Từ kết quả khảo cho thấy sự hấp phụ của bùn đỏ chưa biến tính và biến tính được mô tả khá tốt theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. Từ đồ thị