Trên thế giới đã có nhiều kết quả nghiên cứu được công bố chỉ ra rằng các VLHP có nguồn gốc tự nhiên từ nông nghiệp như: vỏ dừa, vỏ trấu, vỏ lạc, vỏ khoai tây, bã mía, bã chè, lá chè, lõi ngô, lá ngô,…có cấu trúc nhiều lỗ xốp, thành phần của chúng có chứa các polyme dễ biến tính có khả năng hấp phụ, trao đổi ion cao và có thể tái tạo được [17], [19], [24], [28], [29]. Bên cạnh đó, các nguồn phụ phẩm nông nghiệp thường dồi dào, dễ kiếm. Do đó, việc nghiên cứu và sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp để làm VLHP nhằm tách các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước đang là hướng phát triển mới của ngành công nghệ vật liệu bởi nó có ưu điểm là giá thành rẻ, thân thiện với môi trường. Dưới đây giới thiệu một số kết quả nghiên cứu việc sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP:
Vỏ lạc:
Vỏ lạc sau khi chế tạo thành than hoạt tính được đánh giá là VLHP tốt với cả kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ [35]. Theo một loạt các báo cáo của Periasamy K. và Namasivayam C. (Ấn Độ) thì: Vỏ lạc có dung lương hấp phụ cực đại đối với Ni2+
là 53,65 mg/g tại pH = 4 ÷ 5 của hỗn hợp các ion. Trong nghiên cứu cột, vỏ lạc loại bỏ được lượng Cu2+
Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
31
từ các dung dịch đa ion. Theo nghiên cứu của XU Tao và LIU Xiaoqin thì vỏ lạc được hoạt hoá bởi axit photphoric theo tỉ lệ 1:1 về khối lượng (vỏ lạc : axit H3PO4) tạo than loại bỏ đến 24,02 mg/g đối với Pb2+
[34].
Vỏ đậu tương
Vỏ đậu tương có khả năng hấp phụ tốt đối với nhiều ion kim loại. Trong sự so sánh với một số vật liệu tự nhiên khác, vỏ đậu tương thể hiện khả năng hấp phụ cao hơn, đặc biệt đối với các kim loại nặng. Vỏ đậu tương sau khi được xử lý với NaOH và axit xitric thì dung lượng hấp phụ cực đại đối với Cu2+ đạt 108 mg/g [21].
Bã mía
Bã mía được hoạt hoá bằng các tác nhân như: anhyđrit succinic, axit xitric, fomanđehit có thể xử lí tốt nguồn nước ô nhiễm các kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại [35].
Xơ dừa
Than xơ dừa là chất hấp phụ có hiệu quả đối với V5+, Ni2+, Hg2+. Xơ dừa cũng được sử dụng để hấp phụ Co3+
, Cr3+, Ni2+ từ dung dịch [35].
Vỏ cọ
Vỏ cọ vốn có hàm lượng cacbon cao dùng để sản xuất than hoạt tính chất lượng cao. Than vỏ cọ (kích thước hạt 100 - 150µm) được phủ khoảng 21% chitosan lên bề mặt có dung lượng hấp phụ cực đại đối với crom đến 154 mg/g ở 25oC. Than vỏ cọ có khả năng hấp phụ chì đến 95,2 mg/g tại pH = 5 [23], [35].
Lõi ngô
Nhóm nghiên cứu ở trường đại học North Carolina (Hoa Kì) đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất quy trình xử lý lõi ngô bằng dung dịch NaOH và
H3PO4 để chế tạo vật liệu hấp phụ kim loại nặng . Hiệu quả x ử lý của VLHP tương đối cao . Dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với hai kim loại nặng Cu2+
Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
32
Thomas Anish Johnson, Niveta Jain, Joshi H. C. và Shiv Prasad đã nghiên cứu và đưa ra kết luận: Nhiều VLHP chế tạo từ chất thải nông nghiệp như than vỏ cọ được phủ chitosan, than vỏ cọ, than được chế tạo từ phần lõi thân dừa, than vỏ lạc có khả năng hấp phụ tốt hơn than thương mại [35].
Ở Việt Nam, nhiều tác giả đã nghiên cứu sử dụng VLHP chế tạo từ các nguyên liệu tự nhiên, các phụ phẩm nông nghiệp để tách loại và thu hồi các kim loại nặng. Các tác giả [14], đã biến đổi vỏ trấu bằng các tác nhân hoá học, thu được VLHP có khả năng hấp phụ Cu2+
, Pb2+, Ni2+ tương đối tốt,…VLHP chế tạo từ lõi ngô, rau câu đã được các tác giả [9], [10] nghiên cứu sử dụng để tách loại và thu hồi các kim loại cadimi, crom, đồng, kẽm, niken. Kết quả thu được cho thấy hiệu suất tách loại và thu hồi các kim loại này khá tốt,…
Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
33
Chƣơng 2
THỰC NGHIỆM
2.1 Thiết bị và hóa chất
2.1.1 Thiết bị (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Máy quang phổ hồng ngoại Mgegna – IR 760 Spectometer (Mỹ), máy đo pH Precisa 900 (Thụy Sỹ), máy đo độ dẫn điện Orion (Mỹ), tủ sấy Jeiotech (Hàn Quốc), máy đo phổ hấp thụ nguyên tử Thermo (Anh), bình định mức , pipet, cốc thủy tinh...
2.1.2 Hoá chất
Nước cất hai lần, natri hidroxit NaOH, axit xitric C6H8O7.H2O, axit nitric HNO3, axit clohidric HCl, kali đicromat K2Cr2O7, đồng sunphat CuSO4.5H2O, niken sunphat NiSO4.6H2O... Tất cả hóa chất đều có độ tinh khiết PA và việc chuẩn bị các dung dịch có nồng độ xác định theo [7].
2.2 Chế tạo VLHP từ cuống lá chuối
2.2.1 Quy trình chế tạo VLHP từ cuống lá chuối
Cuống lá chuối được rửa sạch bằng nước máy, phơi khô, sau đó rửa lại bằng nước cất và sấy khô ở 60oC. Cuống lá chuối khô được nghiền nhỏ bằng máy nghiền và rây thu được nguyên liệu (NL). Lấy 40g NL cho vào cốc chứa 1 lít dung dịch axit xitric 0,1M, ngâm trong 48 giờ rồi lọc lấy bã rắn đem sấy ở 60o
C trong 5 giờ, tiếp theo sấy ở 105oC trong 8 giờ sau đó lọc rửa bã rắn bằng nước cất cho hết axit dư. Cuối cùng, bã rắn này được sấy khô ở 60o
C thu được VLHP [26], [28], [33], [36], [37].
Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
34
Phản ứng este hóa xenlulozơ trong NL bằng axit xitric diễn ra như sau: Ngâm NL trong axit xitric với thời gian 48 giờ, sau đó lọc, sấy ở 60oC, các phân tử axit xitric sẽ thấm sâu vào các mao quản của NL. Tiếp theo nâng nhiệt độ lên 105o
C trong 8 giờ, axit xitric sẽ chuyển thành dạng anhydric, sau đó sẽ xảy ra phản ứng este hóa giữa anhydric axit và các nhóm hydroxyl ở xenlulozơ của NL. Tại các vị trí phản ứng như vậy xuất hiện hai nhóm chức axit có khả năng trao đổi ion. Nếu tăng nhiệt độ hoặc kéo dài thời gian phản ứng, quá trình este có thể tiếp tục xảy ra với các nhóm axit còn lại làm giảm số lượng nhóm chức axit trên VLHP [24]. Theo [24], quá trình trên được biểu diễn bởi hình 2.1 dưới đây:
Hình 2.1: Phản ứng este hóa xenlulozơ bằng axit xitric
2.2.2 Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của NL và VLHP
NL được este hóa bằng axit xitric. Kết quả của quá trình xử lý này được thể hiện trên phổ hồng ngoại (IR) có sự dịch chuyển của nhóm cacbonyl từ vùng số sóng 1626,59 cm-1
đến vùng số sóng 1638,70 cm-1 và sự dịch chuyển của nhóm hidroxyl từ vùng số sóng 3386,16 cm-1
đến vùng số sóng 3433,22 cm-1 (hình 2.2 và hình 2.3).
Quan sát ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) của NL và VLHP cho thấy VLHP có độ xốp lớn hơn rõ rệt so với NL (hình 2.4 và hình 2.5).
Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
35
Hình 2.2: Phổ IR của NL
Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
36
Hình 2.4: Ảnh chụp SEM của NL Hình 2.5: Ảnh chụp SEM của VLHP
2.3 Phƣơng pháp thực nghiệm
2.3.1 Phương pháp hấp phụ tĩnh
Trong mỗi thí nghiệm hấp phụ:
- Thể tích của mỗi dung dịch là 25 ml với nồng độ và pH xác định (dùng dung dịch HNO3 và dung dịch NaOH loãng để điều chỉnh độ pH).
- Khối lượng VLHP là 0,20 g.
- Hỗn hợp hấp phụ được lắc bằng máy lắc với tốc độ 150 vòng/phút. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.3.2 Phương pháp hấp phụ động
Trong mỗi thí nghiệm hấp phụ:
- Thể tích của VLHP trong cột hấp phụ là 10ml.
- Dung dịch sau khi chảy qua cột được lấy liên tục theo từng Bed-Volume (BV).
Định nghĩa Bed-Volume (hay đơn vị thể tích cơ sở ): là thể tích của dung dịch chảy qua cột đúng bằng thể tích chất hấp phụ nhồi trong cột đó.
Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
37
2.4 Các thí nghiệm nghiên cứu
2.4.1 Dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion kim loại theo phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
Để xác định hàm lượng kim loại trước và sau khi hấp phụ, chúng tôi sử dụng kỹ thuật quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F - AAS). Điều kiện đo phổ F- AAS (không khí – axetilen) của các nguyên tố Cu, Ni, Cr được thể chỉ ra ở bảng 2.1.
Bảng 2.1: Điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa của các nguyên tố Cu, Ni, Cr
Thông số Cu Ni Cr Bước sóng (nm) 324,8 232,0 357,9 Khe đo (nm) 0,5 0,5 0,5 Cường độ đèn HCL(% Imax) 75 75 80 Chiều cao đèn (mm) 7 7 8,0 Tốc độ dòng khí (ml/phút) 1,1 1,1 1,4
Khoảng tuyến tính (mg/l) 0,05 ÷ 2,5 0,1 ÷ 8,0 0,2 ÷ 10,0 Pha riêng rẽ dung dịch Cu(II), Ni(II), Cr(VI) với các nồng độ khác nhau từ dung dịch chuẩn nồng độ 1000 mg/l, thêm vào đó một thể tích xác định dung dịch HNO3 10% để nồng độ HNO3 là 1%. Pha dung dịch HNO3 1% làm mẫu trắng. Tiến hành đo mật độ quang (A) của từng dung dịch. Dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ ion kim loại. Kết quả thu được thể hiện ở các bảng 2.2; 2.3; 2.4 và các hình 2.6; 2.7; 2.8.
Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
38
Bảng 2.2: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Cu(II)
Tên mẫu C (mg/l) A Mẫu trắng 0,00 0,0002 Mẫu 1 0,05 0,0031 Mẫu 2 0,50 0,0272 Mẫu 3 1,00 0,0540 Mẫu 4 1,50 0,0822 Mẫu 5 2,00 0,1092 Mẫu 6 2,50 0,1348 DC Cu y = 0.0541x + 0.0003 R2 = 0.9999 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0 1 C(m g/l) 2 3 A Hình 2.6: Đồ thị đƣờng chuẩn xác định nồng độ Cu(II) Bảng 2.3: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Ni(II) Tên mẫu C (mg/l) A Mẫu trắng 0,00 0,0000 Mẫu 1 1,00 0,0088 Mẫu 2 2,00 0,0175 Mẫu 3 5,00 0,0440 Mẫu 4 6,00 0,0499 Mẫu 5 8,00 0,0680 Hình 2.7: Đồ thị đƣờng chuẩn xác định nồng độ Ni(II) Bảng 2.4: Sự phụ thuộc của
mật độ quang vào nồng độ Cr(VI) Tên mẫu C (mg/l) A Mẫu trắng 0,00 0,0000 Mẫu 1 0,10 0,0030 Mẫu 2 1,00 0,0132 Mẫu 3 2,00 0,0240 Mẫu 4 5,00 0,0610 Mẫu 6 6,00 0,0724 Mẫu 7 8,00 0,0960 Cr y = 0.0119x + 0.0009 R2 = 0.9997 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0 2 4 6 8 10 C(m g/l) A Hình 2.8: Đồ thị đƣờng chuẩn xác định nồng độ Cr(VI)
Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
39
2.4.2 Khảo sát khả năng hấp phụ của NL và VLHP đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) Ni(II), Cr(VI)
Lấy 25ml dung dịch Cu(II), Ni(II), Cr(VI) riêng rẽ có nồng độ xác định cho vào các bình tam giác dung tích 100ml chứa 0,20 gam NL, VLHP lắc trong 60 phút. Lọc bỏ bã rắn, lấy nước lọc, pha loãng sao cho nồng độ ion kim loại cần đo nằm trong khoảng tuyến tính của nó, xác định nồng độ ion kim loại còn lại bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử, từ đó tính hiệu suất H(%) và dung lượng hấp phụ q(mg/g).
2.4.3 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP bằng phương pháp hấp phụ tĩnh Ni(II), Cr(VI) của VLHP bằng phương pháp hấp phụ tĩnh
2.4.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng VLHP
Lấy 25ml dung dịch Cu(II), Ni(II), Cr(VI) riêng rẽ có nồng độ xác định, cho vào các bình tam giác dung tích 100ml chứa lượng VLHP thay đổi từ 0,05g tới 1,00g, lắc trong 60 phút. Lọc bỏ bã rắn, lấy nước lọc, pha loãng, đo nồng độ ion kim loại còn lại bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử, từ đó tính hiệu suất và dung lượng hấp phụ.
2.4.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc
Tiến hành thí nghiệm với dung dịch Cu(II), Ni(II), Cr(VI) riêng rẽ có nồng độ xác định, lắc với các thời gian khác nhau từ 5 ÷ 120 phút. Lọc bỏ bã rắn, lấy nước lọc, pha loãng, đo nồng độ ion kim loại còn lại bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử, từ đó tính hiệu suất và dung lượng hấp phụ.
2.4.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của pH
Tiến hành thí nghiệm với dung dịch Cu(II), Ni(II), Cr(VI) riêng rẽ có nồng độ xác định, điều kiện về thời gian đạt cân bằng hấp phụ như đã khảo sát, pH của các dung dịch thay đổi từ 1,0 ÷ 8,0. Lọc bỏ bã rắn, lấy nước lọc, pha loãng, đo nồng độ ion kim loại còn lại bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử, từ đó tính hiệu suất và dung lượng hấp phụ.
Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
40
2.4.3.4 Khảo sát cơ chế hấp phụ
Tiến hành thí nghiệm với dung dịch Cu(II), Ni(II), Cr(VI) riêng rẽ có nồng độ xác định, điều kiện thời gian đạt cân bằng hấp phụ và pH tối ưu như đã khảo sát. Đo pH và độ dẫn điện của mỗi dung dịch trước và sau khi cho hấp phụ.
2.4.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của một số ion đến sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI)
* Cu(II): Tiến hành thí nghiệm với dung dịch Cu(II) có chứa lượng Na+
và Ca2+ xác định (thí nghiệm riêng rẽ với mỗi ion). Điều kiện thời gian đạt cân bằng hấp phụ và pH tối ưu như đã khảo sát. Xác định nồng độ Cu(II) còn lại, từ đó tính hiệu suất và dung lượng hấp phụ.
* Ni(II): Tiến hành thí nghiệm tương tự dung dịch Cu(II).
* Cr(VI): Tiến hành thí nghiệm với dung dịch Cr(VI) có chứa lượng NO3
-
và SO42- xác định (thí nghiệm riêng rẽ với mỗi ion). Điều kiện thời gian đạt cân bằng hấp phụ và pH tối ưu như đã khảo sát. Xác định nồng độ Cr(VI) còn lại, từ đó tính hiệu suất và dung lượng hấp phụ.
2.4.3.6 Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
Tiến hành thí nghiệm với dung dịch Cu(II), Ni(II), Cr(VI) riêng rẽ có nồng đầu thay đổi, điều kiện thời gian đạt cân bằng hấp phụ và pH tối ưu như đã khảo sát ở trên. Xác định nồng độ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) còn lại, từ đó tính dung lượng hấp phụ q và biểu diễn sự phụ thuộc của q, CCb/q vào CCb, tính qmax.
2.4.3.7 Động học hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP
Giả sử quá trình hấp phụ của VLHP xảy ra theo phương trình động học biểu kiến của Lagergren. Tiến hành thí nghiệm với các nồng độ đầu khác nhau và thời gian khác nhau. Biểu diễn sự phụ thuộc của log(qe-qt) và t/q vào t, tính qe,exp , qe,cal.
Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức (1.1) Hiệu suất hấp phụ được tính theo công thức (1.2)
Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
41
2.4.4 Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Cu(II), Ni(II),Cr(VI) bằng phương pháp hấp phụ động trên cột
2.4.4.1 Chuẩn bị cột hấp phụ
Cột hấp phụ là cột thủy tinh có chiều cao 25cm và đường kính trong 1cm.
Cân 1,428g VLHP ngâm vào trong cốc chứa nước cất để loại bỏ hết bọt khí sau đó tiến hành dồn cột. Cột được dồn sao cho trong cột hoàn toàn không có bọt khí. Điều chỉnh tốc độ dòng chảy của các dung dịch nhờ một van ở đầu ra của cột. Cho chảy qua cột dung dịch chứa ion cần nghiên cứu có nồng độ ban đầu Co. Dung dịch sau khi chảy qua cột được lấy liên tục theo từng BV để tiến hành xác định nồng độ ion kim loại sau khi ra khỏi cột hấp phụ.
2.4.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng
Chuẩn bị cột hấp phụ như mục 2.4.4.1. Dung dịch mang đi hấp phụ được điều chỉnh đến pH tối ưu như đã khảo sát ở mục 2.4.3.3. Điều chỉnh tốc độ dòng với các giá trị: 2,0 ml/phút; 2,5 ml/phút; 3,0 ml/phút. Dung dịch sau khi chảy qua cột được lấy liên tục theo từng BV để tiến hành xác định nồng độ ion kim loại sau khi ra khỏi cột hấp phụ. (Thí nghiệm riêng rẽ đối với mỗi tốc độ).
2.4.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit giải hấp
Tiến hành giải hấp các cột đã hấp phụ có nồng độ ban đầu của ion kim loại đem hấp phụ lần lượt là: Cu(II) 151,867 mg/l; Ni(II) 151,250 mg/l; Cr(VI)