Than hoạt tính có cấu trúc gồm nhiều lớp của những hệ vịng thơm ngưng tụ đính với nhau trong những lớp không phân cực. Những lớp này có những kích thước giới hạn, do đó tạo thành các góc. Bên cạnh đó, những lớp này có những chỗ khuyết, biến dị vào gián đoạn. Những nguyên tử carbon ở những vị trí này có những cặp electron khơng ghép đơi và những hóa trị thừa ra, có thế năng cao hơn. Do đó, những nguyên tử cacbon này có hoạt tính cao, tạo thành những tâm hoạt
động. Rất nhiều nghiên cứu tập trung vào tìm hiểu số lượng và bản chất của các tâm hoạt động này vì những tâm hoạt động này quyết định độ hoạt động của bề mặt, những phản ứng bề mặt và khả năng xúc tác của than hoạt tính. Bởi vì xu hướng cacbon hấp phụ hóa học oxi lớn hơn các chất khác nên nhiều nghiên cứu đã kết luận tâm hoạt động này là từ sự hấp phụ hóa học oxi.
Giả thiết đầu tiên là than hoạt tính gắn với nhiều loại khác nhau những tâm hoạt động, từ nghiên cứu của Rideal và Wright sự oxi hóa bề mặt than với khí oxi, họ thấy 3 loại tâm hoạt động khác nhau đã tương tác khác nhau ở những áp suất khác nhau và cho thấy tốc độ hấp phụ hóa học khác nhau oxi ở 200°C16. Allardice khi nghiên cứu động học của hấp phụ hóa học oxi trên than chì ở nhiệt độ giữa khoảng 25°C và 300°C dưới áp suất 100 đến 700 torr, thấy một quá trình hấp phụ có 2 bước mà ơng cho rằng đó có sự hiện diện của 2 loại tâm hoạt động khác nhau14. Dietz và Mc Farlane trong khi nghiên cứu sự hấp phụ hóa học oxi trên than hoạt tính có bề mặt lớn ở nhiệt độ giữa 100°C và 300°C và áp suất oxi là bậc của 100 millitor, quan sát thấy một quá trình hấp phụ ban đầu nhanh và sau đó là một q trình hấp phụ chậm hơn nhiều18. Những nhà nghiên cứu này cho rằng hydro trong than chì được liên kết với những dạng tâm khác nhau bằng năng lượng hoạt hóa. Lussow và các đồng nghiệp nghiên cứu động học quá trình hấp phụ của oxi trên một mặt graphon hoạt hóa tới những mức độ đốt cháy trong khoảng 0-35% ở trong khoảng nhiệt độ 450°C đến 675°C20. Lượng oxi hấp phụ hóa học tăng khá mạnh ở nhiệt độ trên 400°C, lớn hơn gần 2 hoặc 3 lần. Người ta cũng thấy rằng khi áp suất oxi tăng từ 0,5 đến 700 torr, lượng oxi hấp phụ hóa học gần như là tăng gấp đôi. Những kết quả này chỉ ra sự tồn tại của nhiều hơn 1 loại vùng năng lượng hoạt hóa. Ở những nghiên cứu sau này, Walker và các cộng sự khi nghiên cứu tốc độ hấp phụ hóa học của oxi trên graphon hoạt hóa, với 14,4% bị đốt cháy ở nhiệt độ trong khoảng 300°C tới 625°C với áp suất oxi là 0,5 torr, quan sát thấy 2 tốc độ hấp phụ khác nhau, một trên và một dưới 250°C13. Hơn nữa cịn có sự tăng nhanh lượng oxi bão hịa ở nhiệt độ trên 2500C hay trong khoảng thời gian dài hơn. Điều này chỉ ra sự có mặt của 2 loại tâm hoạt động khác nhau ởnăng lượng hoạt hóa của chúng. Năng lượng hoạt hóa của q trình hấp phụ ở những tâm tương đối hoạt đơng hơn được tìm ra là khoảng 30 kJ/Mol. [7,15]
Phương trình Langmuir hoặc Frendlich là mơ hình tính tốn thường được sử dụng cho các phương pháp hấp thụ, trao đổi ion. Khi thiết lập phương trình hấp phụ Langmuir, người ta xuất phát từ các giả thiết sau:
Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân
Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các trung tâm là như nhau và khơng phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh
Thuyết hấp phụ Langmuir được mơ tả bởi phương trình:
Trong đó:
: dung lượng và dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) C : nồng độ dung dịch tại thời điểm cân bằng
b: hệ số của phương trình Langmuir (được xác định từ thực nghiệm)
Hình1.3: Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Để xác định các hằng số trong phương trình Langmuir, ta có thể viết phương trình này ở dạng:
Đường biểu diễn C/ ᴦm phụ thuộc vào C là đường thẳng có độ dốc 1/ᴦm và cắt trục tung tại 1/bᴦm.
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là than hoạt tính từ gáo dừa do Công ty Cổ phần Trà Bắc sản xuất.
2.2. Mục tiêu nghiên cứu
Trước hết, chúng tôi tiến hành biến tính than hoạt tính bằng tác nhân oxi hóa KMnO4/H2SO4 nhằm biến đổi bề mặt than hoạt tính từ bản chất bề mặt không phân cực thành bề mặt phân cực, từ bề mặt khử thành bề mặt đã được oxi hóa và có khả năng hấp phụ ion (vật liệu AC-1).
Để thay đổi bản chất bề mặt than hoạt tính chúng tơi tiến hành mang MnO2 lên bề mặt than sau khi đã biến tính làm tăng khả năng hấp phụ ion của than hoạt tính, tạo ra các vật liệu có hàm lượng Mn khác nhau (vật liệu AC-2). Tương tự, chúng tôi đưa thêm MnO2 và TiO2 lên bề mặt than hoạt tính đã biến tính với các tỉ lệ Mn và Ti khác nhau (vật liệu AC-3). Sau đó chúng tơi đem vật liệu thu được đi chụp SEM để đánh giá các đặc tính của vật liệu: Thành phần, hình thái bề mặt, dự đốn liên kết. Sau cùng chúng tôi tiến hành khảo sát khả năng hấp phụ của các vật liệu với các ion trong nước. Trong nghiên cứu này chúng tôi tập trung vào xử lý asen dưới dạng ion asenat và ion amoni trong nước, sử dụng phương pháp hấp phụ, trao đổi ion bằng than hoạt tính biến tính.
2.3. Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu
Bảng 2.1: Danh mục dụng cụ thiết bị cần thiết cho nghiên cứu
STT Tên thiết bị , dụng cụ Mục đích
1 Tủ hút Oxi hóa than và làm các TN độc hại 2 Tủ sấy hút chân không Sấy vật liệu
3 Máy lắc Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu bằng phương pháp hấp phụ tĩnh
4 Máy đo quang Xác định nồng độ Mn2+ và NH4+ 5 Máy đo BET Xác định diện tích bề mặt than 6 Máy chụp SEM Xác định hình thái bề mặt than 7 Các dụng cụ thủy tinh phổ
biến trong PTN
Bảng 2.2: Danh mục các Hóa chất cần thiết cho nghiên cứu
STT Tên hóa chất Mục đích
1 KMnO4 Oxi hóa than
2 NaOH Pha thuốc thử Nesler và trung hòa bề mặt vật liệu. Chuẩn độ axit bazơ
3 H2SO4 Xác định nồng độ Mangan và axit hóa 4 BaCl2 Thuốc thử để nhận biết ion SO42-
5 NH4Cl Khảo sát khả năng xử lý amoni của than biến tính 6 H2O2 Ơxi hóa vật liệu
7 KI Pha thuốc thử Nesler và làm thuốc thử trong phản ứng tao AsH3
8 HgCl2 Pha thuốc thử Nesler 9 KNaC6H4O4 Pha thuốc thử Xenhet
10 HCl Tạo môi trường và điều chế SnCl2 11 TiCl4 Đưa Ti4+ vào vật liệu
12 Pb(CH3COO)2 Giấy tẩm Pb(CH3COO)2 13 HgBr2 Giấy tẩm muối HgBr2
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.4.1. Chuẩn bị than hoạt tính
Than hoạt tính mua từ Cơng ty cổ Phần Trà Bắc có kích thước 0,5-1mm, sau đó được rửa sạch và sấy khơ. Để nguội cho vào bình kín để sử dụng làm thí nghiệm nghiên cứu (vật liệu AC-0).
2.4.2. Oxy hóa bề mặt than hoạt tính (Tạo vật liệu AC-1)
Ơxi hóa hồn tồn bề mặt than hoạt tính bằng dd KMnO4/H2SO4 cho đến khi
q trình ơxi hóa xảy ra hoàn toàn và lượng KMnO4 dư (dung dịch thu được có màu tím). Cân 20g AC-0 cho vào bình nón cỡ 250 ml. Thêm từng lượng KMnO
4/H
2SO
4 vào bình và lắc đều trên máy lắc cho đến khi lượng KMnO
4 dư (dung dịch thu được có màu tím) để ơxi hóa hồn tồn bề mặt than hoạt tính. Than sau khi oxi hóa rửa lại bằng dung dịch HCl (1:2) để rửa MnO2 kết tủa, sau đó, tiếp tục rửa axit dư bằng nước cất cho đến khi pH cỡ 5-6. Sấy khô trong tủ hút chân không, thu được vật liệu AC-1.
Khi tiến hành tạo vật liệu AC-2 chúng tơi cho rằng tồn bộ lượng KMnO4 tham gia q trình oxi hóa bề mặt than hoạt tính. Muốn đưa MnO2 lên trên bề mặt than hoạt tính để làm tăng khả năng hấp phụ ion trong nước của than hoạt tính, chúng tơi sử dụng Mn2+
có sẵn trong dd sau khi ơxi hóa. Chúng tơi tiến hành cân và pha hỗn hợp gồm KMnO4 và MnSO4 theo lượng tính tốn trướcđể đảm bảo sao cho nồng độ Mn2+ còn lại trong dung dịch nằm trong khoảng từ 1% đến 5% tính trên khối lượng than hoạt tính.
Quá trình chuẩn bị 5 mẫu như sau: Cân chính xác 20g AC-1/mẫu cho vào cốc cỡ 200ml. Để đảm bảo phần trăm của từng mẫu lần lượt là 1%, 2%, 3%, 4%, 5% tôi đưa lên mẫu hỗn hợp với thành phần như sau:
+ Mẫu AC-2: Mn1%: 0,345g KMnO4 + 0,5g MnSO4 + Mẫu AC-2: Mn2%:0,69g KMnO4 + 1g MnSO4 + Mẫu AC-2: Mn3%:1,04g KMnO4 + 1,5g MnSO4 + Mẫu AC-2: Mn4%:1,4g KMnO4 + 2g MnSO4 + Mẫu AC-2: Mn5%:1,73g KMnO4 + 2,5g MnSO4
Hỗn hợp thu được đem oxi hóa kết tủa bằng dung dịch H2O2/ NaOH đến khi
pH=8- 10 (chú ý không để dung dịch quá kiềm vì nếu pH = 11 thì MnO2 có thể tan). Đem hỗn hợp ủ 4h, sau đó đem rửa bằng nước cất cho đến khi hết SO42- (thử bằng dung dịch BaCl2), sau đó đem sấy khơ ở nhiệt độ 1100C thu được vật liệu AC-2- MnO2 tương ứng với lượng AC-2- Mn1%, AC-2- Mn2%, AC-2- Mn3%, AC-2- Mn4%, AC-2- Mn5% (% Mn/1 g C) gọi chung là vật liệu AC-2.
2.4.4. Tạo vật liệu AC-3
Tương tự như với AC-2, khi tiến hành tạo vật liệu AC-3 chúng tơi cho rằng tồn bộ lượng KMnO4 phản ứng đã biến hoàn toàn thành Mn2+. Để đưa thêm MnO2 và TiO2 lên bề mặt than hoạt tính đã biến tính, chúng tơi sử dụng ln Mn2+ có trong dung dịch, đồng thời đưa them TiO2vào hỗn hợp sau khi ơxi hóa. Tiến hành như sau: Cân chính xác 10g vật liệu AC-2 với các phần trăm tương ứng là 1%, 2%, 3%, 4%, 5% vào cốc 200ml. Sau đó lần lượt cho vào từng cốc 10 ml TiCl410%. Hỗn hợp thu được kết tủa lại bằng hỗn hợp dung dịch NH4OH + H2O2như đối với AC-2,ta
thu được vật liệu than hoạt tính gắn thêm MnO2 và TiO2. Lọc bỏ nước rồi sấy khô, tiếp tục rửa sạch ion clorua Cl- bằng phương pháp rửa sâu, sau đó sấy khơ ta thu được vật liệu AC-3.
2.5.1. Phƣơng pháp xác định nồng độ As: Phân tích asen bằng phƣơng pháp so màu trên giấy tẩm thủy ngân
2.5.1.1. Pha dung dịch
Pha dung dịch Asen chuẩn
Hòa tan 1,32 g As2O3 (PA) trong 10 ml H2O đã hòa tan 4g NaOH, dùng dung dịch HCl 6M chuyển về môi trường axit yếu (pH 5-6), sau đó cho vào bình định mức 1000ml thêm nước cất đến vạch được dung dịch As 1g/lít (1000ppm).
Lấy 5ml dung dịch As 1000 ppm cho vào bình định mức 1000ml rồi định mức đến vạch ta thu được dung dịch Asen 5ppm (5000 ppb). Dung dịch pha xong được đựng trong chai polyetylen.
Pha dung dịch KI 10%
Cân 10g KI, hòa tan trong cốc với 30ml nước cất, rồi cho vào bình định mức 100ml đã tráng rửa bằng nước cất. Tráng cốc 3 lần rồi thêm nước cất đến vạch định mức, lắc đều. Dung dịch KI pha xong đựng trong chai màu tránh ánh sáng, có nútkín.
Pha dung dịch SnCl2
Cho 20g thiếc hạt (Sn) vào 100 ml dung dịch HCl 1:1, để trong lọ thủy tinh đậy kín, sau 48h được dung dịch SnCl2. Khi làm thí nghiệm, nếu thiếc tan hết thì thêm vài hạt để luôn giữ dung dịch SnCl2.
Giấy tẩm Pb(CH3COO)2.
Cân 10 g Pb(CH3COO)2 hoà tan trong 100ml nước cất. Dung dịch pha xong được tẩm đều lên giấy lọc, để khô tự nhiên. Giấy được cắt với kích thước 60×80 mm và bảo quản trong lọ thuỷ tinh màu, kín.
Giấy tẩm thủy ngân
Hịa tan 4g HgBr2 (PA) trong 100 ml cồn 95%. Dung dịch pha xong được tẩm đều trên giấy lọc thô không chứa asen. Để khô tự nhiên. Giấy tẩm HgBr2 được cắt với kích thước 3x150 mm và bảo quản trong lọ thủy tinh màu, kín.
Pha dung dịch HCl 1:2
Dung dịch axit HCl 1:2 được pha ra từ dung dịch HCl đặc với tỉ lệ thể tích HCl đặc và nước cất là 1:2. Dung dịch pha xong đựng trong bình thủy tinh có nút kín.
2.5.1.2. Nguyên tắc xác định của phương pháp
Sau khi mẫu được axit hóa, khí AsH3 được sinh ra do phản ứng của asenit với hiđrơ mới sinh (Zn + HCl trong bình phản ứng) sẽ bốc lên, đi qua miệng bình
được quấn bằng giấy tẩm chì axetat, rồi phản ứng với HgBr2 ở trên giấy tẩm, làm giấy tẩm HgBr2 chuyển từ màu trắng sang màu vàng nâu. Chiều cao của vạch màu này tỉ lệ thuận với nồng độ asen trong bình.
Phương trình phản ứng:
AsO43- + 2I--+ 4H+ = AsO22- + I2 + 2H2O AsO22- + Zn + 14H+ = 2AsH3 + Zn2+ + H2O AsH3+ 3HgBr2 = As(HgBr2)3 +3HCl
2.5.1.3. Quy trình phân tích
Lấy một lượng chính xác mẫu cần phân tích (V=50ml) vào bình định mức 100ml. Sau đó thêm lần lượt 25ml HCl 1:2 và 5 giọt KI để khử toàn bộ As (V) về As (III). Để yên khoảng 10 ÷ 15 phút. Lượng I2 giải phóng làm cho dung dịch có màu vàng. Cho 4-5 giọt SnCl2 bão hịa vào trong bình, lắc đều để khử I2 về dạng I- . Giấy tẩm HgBr2 đã cắt nhỏ kích thước 3x150 mm được cho vào ống thủy tinh nhỏ có nút cao su. Tiếp theo giấy tẩm Pb(CH3COO)2 được cuộn trịn cho vào phần trên của bình. Cho 3 gam kẽm hạt vào, đồng thời khép miệng giấy lại. Nút chặt miệng bình bằng nút cao su có ống thủy tinh có chứa giấy tẩm HgBr2 vào miệng bình. Khí AsH3 được sinh ra do phản ứng của asenit với hidro mới sinh ra sẽ bốc lên, làm giấy tẩm HgBr2 chuyển từ màu trắng sang màu vàng nâu. Để bình phản ứng trong bóng tối trong 60 phút. Sau đó lấy giấy tẩm HgBr2 ra đo chiều cao khoảng màu. Lượng asen có trong mẫu sẽ tỷ lệ với chiều cao h.
2.5.1.4. Dựng đường chuẩn
Dựng đƣờng chuẩn: pha dãy dung dịch nồng độ từ 100 - 900 ppb.
Pha dãy dung dịch nồng độ 100, 200, 300, 500, 700, 900 ppb từ dung dịch 1ppm.
Từ dung dịch gốc 1000ppm pha thành 100ml dung dịch 10ppm, cần hút 1ml dung dịch gốc 1000ppm được 100ml dung dịch 10ppm.
Cần hút 1, 2, 3, 4, 5 ml dung dịch 10ppm cho vào bình định mức 100ml được dung dịch nồng độ 100, 200, 300, 400, 500, 700, 900 ppb.
Làm tương tự như trên được kết quả sau:
Bảng 2.3: Kết quả thí nghiệm
Nồng độ (ppb) 100 200 300 500 700 900 Chiều cao h(mm) 6,5 10 14,6 22,8 32,6 40
Hình 2.1: Đƣờng chuẩn asen 2.5.2. Xác định nồng độ amoni
Nồng độ amoni trong nước được xác định bằng phương pháp đo màu với thuốc thử nessler.
Nguyên tắc chung: Trong môi trường kiềm NH4+ tác dụng với thuốc thử nessler tạo thành phức có màu từ vàng đến nâu, phụ thuộc vào nồng độ amoni trong dung dịch.
Yếu tố cản trở: Sắt gây cản trở xác định, được loại bỏ bằng muối xenhet comlexon (III). Các hợp chất hữu cơ, các alcol, aldehyt, các amin béo và thơm, các cloramin phản ứng được với thuốc thử Nessler, khi có mặt chúng trong nước phải chưng cất để tách amoniac trước khi xác định. Trong trường hợp nước đục phải xử lý bằng dung dịch kẽm sunfat 25%.
Cách xác định: Lấy 5ml mẫu, thêm tương ứng 0,2ml xennhet và 0,5ml nessler. Để yên 10 phút sau đó tiến hành đo độ hấp thụ quang ở bước sóng 420nm.
Xây dựng đường chuẩn: Pha dung dịch amoni có nồng độ 5mg/l từ dung dịch amoni nồng độ 1g/l. Lấy vào các ống nghiệm các lượng nước cất và dung dịch