6. Cấu trúc luận vă n
3.2.4. Phân tích định tính chitosan dựa trên phổ hồng ngoại
Sau khi thu được chitosan dạng bột, tiến hành đo phổ IR tại khoa Hóa, trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, được trình bày ở hình 3.6.
Hình 3.6. Phổ IR của chitosan điều chế từ vỏ tôm
Từ phổ hồng ngoại thu nhận được từ sản phẩm chitosan mà chúng tôi nghiên cứu, có thể thấy được các vị trí tương ứng với một số nhóm chức đặc trưng của chitosan. Các nhóm chức tương ứng với các số sóng trên phổ được thể hiện ở bảng 3.15. Bảng 3.15. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại STT Số sóng (cm-1) Nhóm chức 1 3428,78 -OH 2 1629,58 -NH2 3 1379,70 -CH3 trung tâm 4 1017,71 -C-O-C- mạch chính 5 891,51 -C-O-C- liên kết glucozit Qua phổ hồng ngoại có thể xác định một số nhóm chức đặc trưng của mẫu chitosan chúng tôi nghiên cứu tương ứng với các nhóm chức trên chitosan.
3.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VLHP CHITOSAN/THAN HOẠT TÍNH
Quá trình điều chế VLHP chitosan/than hoạt tính được thực hiện theo quy trình như hình 2.4. Tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế VLHP như sau:
3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CH3COOH đến quá trình điều chế vật liệu hấp phụ chitosan/than hoạt tính điều chế vật liệu hấp phụ chitosan/than hoạt tính
Điều kiện tiến hành: cân 3 gam chitosan cho vào dung dịch axit axetic theo tỉ lệ nguyên liệu/dung dịch CH3COOH 1/100 (w/v), khối lượng than hoạt tính 5g, nồng độ CH3COOH thay đổi từ 1% - 5% và thời gian ngâm là 25 phút.Kết quả thu được trình bày ở bảng 3.16
Bảng 3.16. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CH3COOH đến quá trình điều chế vật liệu hấp phụ chitosan/than hoạt tính.
Nồng độ dd CH3COOH (%) 1 2 3 4 5 Hiệu suất( %) 31,54 40,21 40,29 40,32 40,35
Hình 3.7.Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CH3COOH đến quá trình
điều chế vật liệu hấp phụ chitosan/than hoạt tính.
Dựa vào bảng 3.16 và hình 3.7, chúng tôi nhận thấy được khi nồng độ
than hoạt tính càng cao, qúa trình đạt cân bằng khi nồng độ dung dịch CH3COOH là 2% . Vậy ta chọn dung dịch CH3COOH 2% đểđiều chế VLHP.
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng chitosan/thể tích dung dịch CH3COOH
Điều kiện tiến hành: cân 3 gam chitosan cho vào dung dịch CH3COOH 2% với tỉ lệ khối lượng chitosan/thể tích dung dịch CH3COOH thay đổi từ
1/100 đến 5/100 ( w/v), khối lượng than hoạt tính 5g và thời gian ngâm là 25 phút.
Kết quả thu được trình bày ở bảng 3.17 và hình 3.8.
Bảng 3.17. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng chitosan/ thể tích dd
CH3COOHđến quá trình điều chế vật liệu hấp phụ chitosan/ than hoạt tính.
Tỉ lệ chitosan/dd CH3COOH ( w/v ) 1/100 2/100 3/100 4/100 5/100 Hiệu suất (%) 37,35 40,41 56,72 57,01 57,12
Hình 3.8.Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng chitosan/ thể tích dd
CH3COOHđến quá trình điều chế vật liệu hấp phụ chitosan/ than hoạt tính.
Dựa vào bảng 3.17 và hình 3.8, chúng tôi thấy hiệu suất sản phẩm càng cao khi tỉ lệ khối lượng chitosan/ than hoạt tính càng tăng. Quá trình đạt cân bằng khi tỉ lệ (w/v) là 3/100. Vậy ta chọn tỉ lệ khối lượng chitosan/than hoạt
tính là 3/100 để tạo VLHP chitosan/than hoạt tính cho quá trình nghiên cứu tiếp theo.
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm
Điều kiện tiến hành: cân 3 gam chitosan cho vào dung dịch CH3COOH 2% với tỉ lệ khối lượng chitosan/thể tích dung dịch CH3COOH 3/100( w/v), khối lượng than hoạt tính 5g và thời gian ngâm thay đổi từ 15 – 35 phút. Kết quả trình bày thu được ở bảng 3.18 và hình 3.9.
Bảng 3.18. Ảnh hưởng của thời gian ngâm đến quá trình điều chế vật liệu hấp phụ chitosan/ than hoạt tính.
Thời gian ( phút ) 15 20 25 30 35 Hiệu suất( %) 40,27 46,73 58,62 59,04 59,07
Hình 3.9.Ảnh hưởng của thời gian ngâm đến quá trình điều chế VLHP chitosan/ than hoạt tính
Dựa vào bảng 3.18 và hình 3.9, có thể thấy khi thời gian ngâm càng lớn thì hiệu suất của vật liệu hấp phụ chitosan/ than hoạt tính đạt giá trị càng cao. Tại thời điểm 25 phút, quá trình đạt đến cân bằng. Vậy ta chọn thời gian ngâm để tạo ra VLHP là 25 phút cho quá trình nghiên cứu tiếp theo.
3.3.4. Hiệu suất của quá trình chế tạo VLHP chitosan/than hoạt tính
Hiệu suất của quá trình điều chế VLHP chitosan/ than hoạt tínhđược xác
định theo công thức:
H ( % ) = × 100 % (3.3) Trong đó : m1 : Số gam chitosan ban đầu (g).
m2 : Số gam chitosan bám trên than hoạt tính (g). H : Hiệu suất của quá trình (%).
Tiến hành điều chế VLHP chitosan/than hoạt tính như sơ đồ hình 2.4 ở điều kiện tôí ưu đã khảo sát ở trên, kết quảđược ghi ở bảng 3.19 và hình 3.10
Bảng 3.19. Kết quả xác định hiệu suất của quá trình điều chế VLHP chitosan/than hoạt tính STT Khối lượng chitosan ban đầu (g) Khối lượng chitosan bám trên than hoạt tính (g) Hiệu suất (%) 1 3 1,817 60,57 2 3 1,753 58,43 3 3 1,789 59,63 TB --- --- 59,54 Hình 3.10. VLHP chitosan/than hoạt tính
3.3.5. Phổ hồng ngoại của VLHP chitosan/than hoạt tính
Hình 3.11. Phổ hồng ngoại của VLHP chitosan/than hoạt tính
Nhận xét: Từ phổ hồng ngoại của VLHP chitosan/than hoạt tính, chúng tối thấy các nhóm chức tương tự phổ hồng ngoại của chitosan. Điều đó chứng tỏ chitosan được phủ toàn bộ trên bề mặt than hoạt tính.
3.3.6. Ảnh kính hiển vi quét SEM của chitosan, than hoạt tính và VLHP chitosan/than hoạt tính VLHP chitosan/than hoạt tính
Hình 3.13. Ảnh kính hiển vi quét SEM của than hoạt tính
Hình 3.14. Ảnh kính hiển vi quét SEM của VLHP chitosan/than hoạt tính Nhận xét: Từ ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM ở hình 3.12, 3.13 và 3.14 ta nhận thấy: VLHP chitosan/than hoạt tính có bề mặt đều, mịn hơn so với chitosan và than hoạt tính.
3.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ BỂ ION KIM LOẠI Ni2+, Cu2+CỦA VLHP CHITOSAN/THAN HOẠT TÍNH LOẠI Ni2+, Cu2+CỦA VLHP CHITOSAN/THAN HOẠT TÍNH
3.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ
Điều kiện tiến hành:
- Nồng độ ion Ni2+, Cu2+ trong dung dịch: Ci = 20 (mg/l).
- Thời gian hấp phụ là 12 giờ.
- Tỉ lệ rắn/lỏng: 5/100 (w/v) (tương đương với giá trị 5 gam VLHP trong 100 ml dung dịch Ni2+, Cu2+).
- pH thay đổi từ 1 ÷ 7.
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụđược trình bày ở bảng 3.20 và hình 3.15, hình 3.16. Bảng 3.20. Kết quảảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Dung dịch Ni2+ Dung dịch Cu2+ STT pH Ci (mg/l) Cf (mg/l) H (%) q (mg/g) Cf (mg/l) H (%) q (mg/g) 1 1 10,672 46,64 0,187 8,364 58,18 0,233 2 2 10,121 49,40 0,198 7,302 63,49 0,254 3 3 8,259 58,71 0,235 7,584 62,08 0,248 4 4 9,084 57,58 0,228 7,926 60,37 0,241 5 5 8,712 56,44 0,226 8,425 57,88 0,232 6 6 8,842 55,79 0,223 9,324 53,38 0,214 7 7 20 8,890 55,55 0,222 10,039 49,81 0,199 Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ
Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến tải trọng hấp phụ
Nhận xét: Nhìn vào đồ thị hình 3.16 và 3.17 ta thấy quá trình hấp phụ đạt cân bằng tại pH = 3 (đối với ion Ni2+), pH=2 (đối với ion Cu2+) nên chọn pH = 3 (đối với ion Ni2+), pH=2 (đối với ion Cu2+) cho các quá trình nghiên cứu tiếp theo.
Giải thích: Đối với ion đa hóa trị như niken, đồng, nhóm –NH2 trên mạch chitosan đóng vai trò là chất cho electron, các electron tự do ở nguyên tử nitơ của nhóm amine có thể tạo các liên kết phối trí với các ion niken, làm giảm hàm lượng niken trong dung dịch.
Trong môi trường axit mạnh (pH thấp) nhóm -NH2 của chitosan sẽ kết hợp với H+ và mang điện tích dương. Nên các phần tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụđều tích điện dương bởi vậy lực tương tác là lực đẩy tĩnh điện, bên cạnh đó nồng độ H+ cao sẽ xảy ra sự cạnh tranh với cation kim loại trong quá trình hấp phụ nên làm giảm hiệu suất hấp phụ. Bên cạnh đó chitosan là một polysacarit do đó trong môi trường axit có một phân bị thủy phân nên ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của ion kim loại.
Ở môi trường pH khoảng 7 lúc này chỉ còn có nhóm -OH(-CH2OH) là có thể tham gia trao đổi ion H+ với ion niken, còn nhóm -NH2 ở dạng không mang điện tích, trung tính nên không có khả năng tham gia phản ứng. Tuy nhiên khi pH tăng cao thì xảy ra sự kết tủa của ion Ni2+,Cu2+ làm giảm khả
năng hấp phụ. Đến pH = 3 (đối với ion Ni2+), pH=2 (đối với ion Cu2+) thì đạt cân bằng hấp phụ nên hiệu suất hấp phụ và tải trọng hấp phụ thay đổi không
đáng kể.
3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ rắn/ lỏng đến quá trình hấp phụ
Điều kiện tiến hành:
- Nhiệt độ phòng.
- Nồng độ ion Ni2+, Cu2+ trong dung dịch: Ci = 20 (mg/l).
- Thời gian hấp phụ là 12 giờ.
- Tỉ lệ rắn/lỏng thay đổi từ 5/100 ÷ 13/100 (w/v) dung dịch hấp phụ.
- pH = 3 (đối với ion Ni2+), pH=2 (đối với ion Cu2+)
- Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ rắn/ lỏng đến quá trình hấp phụ được trình bày ở bảng 3.21 và hình 3.17, hình 3.18. Bảng 3.21. Kết quảảnh hưởng tỉ lệ rắn/ lỏng đến quá trình hấp phụ Dung dịch Ni2+ Dung dịch Cu2+ STT m VLHP (g) Ci (mg/l) Cf (mg/l) H (%) q (mg/g) Cf (mg/l) H (%) q (mg/g) 1 5 8,259 58,71 0,235 7,302 63,49 0,254 2 7 8,024 59,88 0,171 7,124 64,38 0,184 3 9 7,045 64,78 0,144 6,913 65,44 0,145 4 11 6,932 65,34 0,119 5,135 74,33 0,135 5 13 6,804 65,98 0,102 5,131 74,34 0,114 6 15 20 6,698 66,51 0,089 5,104 74,48 0,099
Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng tỉ lệ rắn/ lỏng đến hiệu suất hấp phụ
Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng tỉ lệ rắn/ lỏng đến tải trọng hấp phụ
Nhận xét: Nhìn vào đồ thị hình 3.17 và 3.18, chúng tôi thấy quá trình hấp phụ đạt cân bằng tại tỉ lệ rắn/ lỏng là 9/100 (w/v) (đối với ion Ni2+), 11/100 (w/v) (đối với ion Cu2+) nên chọn tỉ lệ rắn/ lỏng như trên cho các quá trình nghiên cứu tiếp theo.
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 Ni2+ Cu2+ tăng lên, khả năng ion kim loại đi vào các mao quản của VLHP tăng lên. Đến khi cân bằng hấp phụ được thiết lập, tổng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa
chúng hầu như không đổi nên hiệu suất hấp phụ thay đổi không đáng kể nữa. Còn tải trọng hấp phụ giảm dần do khối lượng VLHP tăng lên mà lượng chất bị hấp phụ không tăng nhiều khi tăng VLHP.
3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đạt cân bằng hấp phụ
Điều kiện tiến hành:
- Nhiệt độ phòng.
- Nồng độ ion Ni2+, Cu2+ trong dung dịch: Ci = 20 (mg/l).
- Thời gian hấp phụ thay đổi từ 3 ÷ 20 giờ.
- Tỉ lệ rắn/lỏng là 9/100 (w/v) (đối với ion Ni2+), 11/100 (w/v) (đối với ion Cu2+).
- pH = 3 (đối với ion Ni2+), pH=2 (đối với ion Cu2+)
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đạt cân bằng hấp phụ được trình bày ở bảng 3.22 và hình 3.19, hình 3.20.
Bảng 3.22. Kết quảảnh hưởng của thời gian đạt cân bằng hấp phụ
Dung dịch Ni2+ Dung dịch Cu2+ STT Thời gian (giờ) Ci (mg/l) Cf (mg/l) H (%) q (mg/g) Cf (mg/l) H (%) q (mg/g) 1 3 14,881 25,60 0,057 12,458 37,71 0,069 2 6 12,322 38,39 0,085 11,349 43,26 0,079 3 9 7,106 64,47 0,143 8,231 58,85 0,107 4 12 7,101 64,50 0,143 5,135 74,33 0,135 5 15 7,032 64,84 0,144 5,121 74,40 0,135 6 18 6,989 65,06 0,145 5,005 74,98 0,136 7 20 20 6,911 65,45 0,145 4,973 75,14 0,137
Hình 3.19. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ
Hình 3.20. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến tải trọng hấp phụ
Nhận xét: Nhìn vào đồ thị hình 3.19 và 3.20 ta thấy khả năng hấp phụ
tăng dần theo thời gian khuấy, đặc biệt khả năng hấp phụ này tăng nhanh trong khoảng 9 giờ đầu (đối với ion Ni2+), 12 giờ (đối với ion Cu2+), sau đó mặc dù thời gian hấp phụ tăng nhưng khả năng hấp phụ tăng không đáng kể. Vậy thời gian khuấy là 9 giờ đối với quá trình hấp phụ ion Ni2+, 12 giờ đối với quá trình hấp phụ ion Cu2+ đạt cân bằng hấp phụ nên chọn thời gian khuấy như trên cho các quá trình nhiên cứu tiếp theo.
Giải thích: Khi thời gian hấp phụ khuấy tăng lên thi ion Ni2+, Cu2+ đi vào các mao quản của VLHP nhiều hơn, do đó hiệu suất hấp phụ và tải trọng
hấp phụ tăng lên. Khi đã đạt cân bằng hấp phụ thì các tâm hấp phụ trên chất hấp phụ đã bị chiếm chỗ tới mức tối đa nên dù thời gian khuấy có tăng lên nhưng hiệu suất hấp phụ và tải trọng hấp phụ tăng lên không đáng kể.
3.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+ , Cu2+ ban đầu đến khả năng hấp phụ khả năng hấp phụ
Điều kiện tiến hành:
- Nhiệt độ phòng.
- Nồng độ ion Ni2+, Cu2+ trong dung dịch thay đổi từ 10 ÷ 120 (mg/l).
- Thời gian hấp phụ: 9 giờ (đối với ion Ni2+), 12 giờ (đối với ion Cu2+).
- Tỉ lệ rắn/lỏng là 9/100 (w/v) (đối với ion Ni2+), 11/100 (w/v) (đối với ion Cu2+).
- pH = 3 (đối với ion Ni2+), pH=2 (đối với ion Cu2+).
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+, Cu2+ ban đầu đến khả năng hấp phụđược trình bày ở bảng 3.23 và hình 3.21, hình 3.23.
Bảng 3.23. Kết quảảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+, Cu2+ ban đầu đến khả năng hấp phụ Dung dịch Ni2+ Dung dịch Cu2+ S T T Ci Cf (mg/l) H (%) q Cf /q Cf (mg/l) H (%) q Cf /q 1 10 3,452 65,48 0,073 47,447 2,453 75,47 0,069 35,753 2 20 7,106 64,47 0,143 49,600 5,135 74,33 0,127 40,302 3 30 12,597 58,01 0,193 65,146 10,024 66,59 0,171 58,544 4 50 23,452 53,10 0,295 79,504 19,536 60,93 0,261 74,816 5 80 41,345 48,32 0,430 96,263 36,741 54,07 0,371 99,088 6 100 57,003 43,00 0,478 119,317 46,743 53,26 0,456 102,397 7 120 76,467 36,28 0,484 158,088 65,462 45,45 0,467 140,035
Hình 3.21. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+, Cu2+ ban đầu
đến hiệu suất hấp phụ
Hình 3.22. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+, Cu2+ ban
đầu đến tải trọng hấp phụ
Nhận xét: Nhìn vào đồ thị hình 3.21, 3.22, chúng tôi thấy tải trọng hấp phụ tăng lên gần như tuyến tính khi tăng nồng độ ion kim loại còn hiệu suất hấp phụ giảm khi tăng nồng độ ion kim loại. Cùng với một lượng VLHP, ở
cùng một điều kiện thí nghiệm như nhau, nồng độ chất bị hấp phụ càng lớn thì khả năng hấp phụ của chitosan/than hoạt tính càng tăng. Tuy nhiên, từ giá trị
không đáng kể vì tâm hấp phụ trên chất hấp phụ đã bị chiếm chỗ đến mức tối
đa nghĩa là đạt được trạng thái cân bằng giữa nồng độ chất hấp phụ trong dung dịch và trong chất hấp phụ. Ta nói quá trình hấp phụđạt cân bằng.
Giải thích: Cùng một lượng VLHP với nồng độ loãng, các ion kim loại chuyển động tự do, có khả năng hấp phụ tốt. Ở nồng độ cao, có sự va chạm, cản trở chuyển động lẫn nhau giữa các chất bị hấp phụ trong quá trình hấp phụ nên làm giảm hiệu suất hấp phụ. Tuy nhiên, khi nồng độ Ni2+, Cu2+ quá thấp thì hiệu suất hấp phụ rất lớn nên lượng ion kim loại còn lại rất thấp, nằm dưới giới hạn phát hiện của máy.
ØXác định tải trọng hấp phụ cực đại
Từ các số liệu thu được khi khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại ban đầu đến khả năng hấp phụ ion Ni2+, Cu2+ lên chitosan/than hoạt tính ta tính toán các giá trị q, Cf, Cf/q để xây dựng phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
cho phép đánh giá, mô tả bản chất quá trình hấp phụ, tìm ra được điều kiện tối
ưu cho việc sử dụng chất hấp phụ. Ở đây, phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir được sử dụng để đánh giá khả năng hấp phụ của chitosan/than hoạt