3.3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của các cation kim loại kiềm
Mẫu nghiên cứu là dung dịch Cr(VI) nồng độ 2 ppm trong HNO3 2% nền NH4Ac 2 % với sự có mặt của các cation kim loại kiềm ở khoảng nồng độ:
- Na+ với nồng độ từ 0 – 50 ppm - K+ với nồng độ từ 0 – 50 ppm Kết quả được chỉ ra ở bảng 3.10:
Bảng 3.10. Khảo sát ảnh hưởng của các cation kim loại kiềm
Mẫu C0 C1 C2 C3 C4
K+ (ppm) 0 10 20 30 50
Na+(ppm) 0 10 20 30 50
AbsTB-Cr 0,0767 0,0752 0,0751 0,0752 0,0747
RSD (%) 1,14 1,58 3,05 0,47 1,36
Kết quả khảo sát cho thấy với khoảng nồng độ K+, Na+ như trên, khi có mặt trong mẫu phân tích không làm ảnh hưởng đến phép đo phổ của Cr.
31
3.3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của các cation kim loại kiềm thổ
Nhóm kim loại kiềm thổ được khảo sát trong dung dịch Cr(VI) nồng độ 2 ppm trong HNO3 2% nền NH4Ac 2% với sự có mặt của các cation kim loại kiềm thổ ở khoảng nồng độ:
- Ca2+ với nồng độ từ 0 – 100 ppm - Mg2+ với nồng độ từ 0 – 100 ppm
- Ba2+ với nồng độ từ 0 – 100 ppm Kết quả khảo sát được chỉ ra ở bảng 3.11
Bảng 3.11. Khảo sát ảnh hƣởng của các cation kim loại kiềm thổ
Mẫu C0 C5 C6 C7 C8 Ca2+ (ppm) 0 10 40 80 100 Mg2+ (ppm) 0 10 40 80 100 Ba2+ (ppm) 0 10 40 80 100 AbsTB- Cr 0,0768 0,0765 0,0775 0,0746 0,0768 RSD (%) 1,38 2,51 0,79 2,29 1,59
Như vậy, với khoảng nồng độ Ca2+, Mg2+, Ba2+ như trên, khi có mặt trong mẫu phân tích hầu như không làm ảnh hưởng đến phép đo phổ của Cr.
3.3.3.3. Khảo sát các cation kim loại hóa trị ba.
Pha dung dịch Cr(VI) nồng độ 2ppm trong nền HNO3 2% + NH4Ac 2% thêm vào đó các cation kim loại hóa trị ba. Kết quả khảo sát được trình bày trong bảng 3.12.
Bảng 3.12. Khảo sát ảnh hưởng của cation kim loại hóa trị ba Al, Fe.
Mẫu C0 C1 C2 C3 C4
Al3+ (ppm) 0 5 10 15 20
Fe3+ (ppm) 0 5 10 15 20
Abs 0,0757 0,0759 0,0755 0,0762 0,0757
RSD % 0,365 0,523 0,721 0,473 0,765
Ta thấy rằng cation kim loại hóa trị ba Al, Fe với khoảng nồng độ trên đều không ảnh hưởng tới phép đo F-AAS của Cr với các nồng độ khảo sát .
32
3.3.3.4. Khảo sát cation kim loại nặng.
Pha dung dịch Cr(VI) nồng độ 2ppm trong nền HNO3 2% + NH4Ac 2% thêm các nồng độ các kim loại nặng vào. Kết quả khảo sát được chỉ ra trong bảng 3.13.
Bảng 3.13. Khảo sát ảnh hƣởng của kim loại nặng.
Mẫu C0 C1 C2 C3 C4 Ni2+ (ppm) 0 2 4 6 8 Cu2+ (ppm) 0 2 4 6 8 Zn2+ (ppm) 0 2 4 6 8 Abs 0,0759 0,0761 0,0754 0,0757 0,0762 RSD(%) 0,543 0,417 0,453 0,615 0,417
Dựa vào kết quả trên cho ta thấy các cation kim loại nặng với khoảng nồng độ đã nghiên cứu đều ảnh hưởng không đáng kể đến phép đo F-AAS của Cr đã khảo sát.
Như vậy phép đo phổ hấp thụ nguyên tử F-AAS của Cr trong các điều kiện đo đã chọn là không bị ảnh hưởng bởi các cation kim loại có trong mẫu phân tích.
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của tổng cation .
Trong mẫu phân tích thường rất nhiều các cation, mà khảo sát theo từng nhóm chưa đủ kết luận, nên chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tổng thể các cation đến cường độ vạch phổ hấp thụ nguyên tử của nguyên tố Cr. Pha dung dịch Cr(VI) nồng độ 2ppm + HNO3 2% + NH4Ac 2% + tổng các cation. Kết quả khảo sát được trình bày trong bảng 3.14.
Bảng 3.14. Khảo sát ảnh hƣởng của tổng các cation
Mẫu C0 C1 C2 C3 C4 C5 Ca2+(ppm) 0 50 100 200 400 500 Mg2+(ppm) 0 50 100 200 400 500 Al3+(ppm) 0 5 10 15 20 20 Fe3+(ppm) 0 5 10 15 20 20 Ni2+(ppm) 0 2 4 6 8 8 Cu2+(ppm) 0 2 4 6 8 8
33
Mẫu C0 C1 C2 C3 C4 C5
Zn2+(ppm) 0 2 4 6 8 10
Abs 0,0759 0,0756 0,0761 0,0758 0,0756 0,0754
RSD(%) 0,6786 1,1045 0,9831 1,514 2,329 1,669 Qua các kết quả thực nghiệm ở trên chúng tôi xin đưa ra bảng giới hạn nồng độ của các cation và anion không ảnh hưởng đến phép đo F-AAS của Cr, với các nồng độ đã khảo sát ở trên, được chỉ ra ở bảng 3.15.
Bảng 3.15. Giới hạn nồng độ không bị ảnh hƣởng của các cation kim loại đã khảo sát. Nguyên tố Nồng độ cho phép (ppm) Ca2+ ≤ 500 Mg2+ ≤ 500 Al3+ ≤ 20 Fe3+ ≤ 20 Ni2+ ≤ 8 Cu2+ ≤ 8 Zn2+ ≤ 8 3.4. Đánh giá chung.
3.4.1. Tổng hợp các điều kiện phân tích của Cr
Từ các kết quả khảo sát ở phần trên, chúng tôi tổng hợp thu được các điều kiện phù hợp để phân tích Cr. Kết quả được chỉ ra trong bảng 3.16.
Bảng 3.16. Các điều kiện phù hợp để phân tích Cr
Các điều kiện Nguyên tố Cr
1. Thông số máy và điều kiện ghi phổ
Vạch đo (nm) 357,9
Khe đo (nm) 0,20
Cường độ dòng đèn HCL(mA)
34
Chiều cao Burner (mm) 8,00
2. Nồng độ axit của mẫu đo HNO3 (%) 2,00 3. Nồng độ của chất nền NH4Ac (%) 2,00
3.4.2. Khoảng tuyến tính của phép đo F-AAS của Cr
Trong phép đo F-AAS, việc định lượng một nguyên tố dựa vào phương trình cơ bản:
Aλ = k. Cb
Trong đó: Aλ: Cường độ vạch phổ hấp thụ nguyên tử k: Hằng số thực nghiệm
C: Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ b : Hằng số (0 < b ≤ 1)
Trong một khoảng nồng độ C nhất định nhỏ, khi đó b = 1 thì mối quan hệ giữa Aλ và C là tuyến tính ứng với phương trình:
Aλ = k. C
Khoảng nồng độ này được gọi là khoảng tuyến tính của nguyên tố phân tích. Đối với mỗi nguyên tố ở mỗi vạch phổ khác nhau có khoảng tuyến tính khác nhau, vạch phổ nào có độ hấp thụ càng nhạy thì khoảng tuyến càng hẹp. Vì vậy để xác định khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn cho Cr, chúng tôi pha một dãy các mẫu chuẩn của Cr có nồng độ từ 0,5 ÷ 12 ppm trong môi trường HNO3 2% + NH4Ac 2% rồi đo phổ theo các điều kiện đã chọn. Kết quả khảo sát khoảng tuyến tính được trình bày trong bảng 3.17 và hình 3.1.
Bảng 3.17. Kết quả khảo sát khoảng tuyến tính của Cr.
Stt Nồng độ Cr(ppm) Abs RSD 1 0,5 0,0387 4,080 2 1 0,0404 3,485 3 4 0,1607 1,106 4 6 0,2419 0,685 5 8 0,3228 0,613
35
6 10 0,4023 0,465
7 11 0,6652 0,602
8 12 0,6746 0,670
Hình 3.1. Đồ thị khảo sát khoảng tuyến tính của Cr.
Từ kết quả hình trên cho ta thấy khoảng nồng độ tuyến tính của Cr là 1÷10 ppm. Do đó, trong quá trình xử lý mẫu phải làm sao để nồng độ của Cr trong khoảng tuyến tính. Nếu nằm ngoài khoảng tuyến tính thì phải pha loãng hay làm giàu.
3.4.3. Đường chuẩn của Cr
Từ kết quả khảo sát khoảng tuyến tính ở trên ta thấy dãy đường chuẩn của Cr được dựng từ nồng độ 1 ÷ 10 ppm. Kết quả khảo sát đường chuẩn được chỉ ra ở bảng 3.18 và hình 3.2.
Bảng 3.18. Dãy đƣờng chuẩn của Cr.
Stt Nồng độ Cr (ppm) Abs RSD % 1 1 0,0404 3,485 2 4 0,1607 1,106 3 6 0,2419 0,685 0 2 4 6 8 10 12 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Abs C0 (ppm)
36
4 8 0,3228 0,613
5 10 0,4023 0,465
Hình 3.2. Đồ thị đường chuẩn của Cr.
3.5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ Crom của vật liệu
3.5.1. Xác định hình dạng và nhóm chức của vật liệu 3.5.1.1. Xác định hình dạng vật liệu 3.5.1.1. Xác định hình dạng vật liệu
Để thu được các dữ liệu về kích thước và sự sắp xếp hình học của bề mặt vật liệu hấp phụ, chúng tôi quan sát bề mặt vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét.
Mẫu vật liệu được đưa vào máy hiển vi điện tử quét JFM – 5410 LV của hãng YEOL – Nhật Bản thuộc công ty Hoya – khu công nghiệp Thăng Long-Đông Anh – Hà Nội. Kết quả thu được đưa ra ở hình 3.3 và 3.4.
0 2 4 6 8 10 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 Y = A + B * X
Parameter Value Error
--- A 7.2541E-5 4.85227E-4 B 0.04027 7.36547E-5 --- R SD N P --- 0.99999 5.14529E-4 5 <0.0001 Abs nong do Cr (ppm)
37
Hình 3.3. Bề mặt vỏ trấu trước khi biến tính.
Hình 3.4. Bề mặt vỏ trấu sau khi biến tính.
Ta thấy ở vỏ trấu sau khi biến tính có độ xốp, EDTA phủ lên bao bọc các mảnh vỏ trấu tốt hơn chúng gắn kết tạo ra nhiều mao quản ăn sâu vào bên trong. Do đó đã làm tăng diện tích bề mặt của vật liệu lên rất nhiều, tạo điều kiện cho việc hấp phụ của các ion kim loại tốt hơn.
Vỏ trấu là phụ phẩm nông nghiệp, cấu trúc vỏ trấu bao gồm : Lignin, cellulose, hemi – celluloce và một số protein, có khả năng hấp phụ tốt kim loại nặng.
Vỏ trấu chứa 43,3% celuloce, 32 – 33% đường, 22% lignin[30]. Nhìn chung vỏ trấu có độ dài 4-5mm.
38
Ngoài ra vỏ trấu còn chứa các hợp chất vô cơ: SiO2, Al2O3, FeO, CaO, MgO, K2O, N2O.
3.5.1.2. Xác định nhóm chức bằng phổ hồng ngoại.
Phổ hồng ngoại được gửi chụp tại viện Hóa Học- Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam trên máy IMOAC T410-Nicolet(FT-IR). Mẫu được nghiền nhỏ và trộn kỹ với KBr theo tỉ lệ khối lượng vật liệu/KBr từ 510%. Sau khi được trộn kỹ, mẫu được đặt vào cuvet và đo theo phương pháp phản xạ. Dải sóng được quét từ 4004000cm-1 với độ phân giải là 0,1cm-1.
39
Hình 3.5b. Phổ hồng ngoại của vật liệu biến tính.
Dựa vào phổ hồng ngoại ta nhận thấy xuất hiện rõ các pic 1661,38 cm-1; 1512,92 cm-1; 1463,43 cm-1; 1375,45 cm-1; 1048,28 cm-1; 976,80 cm-1 có thể giả thuyết rằng có sự tham gia của hai nhóm cacbonyl, một nhóm liên quan đến phản ứng este hóa, một nhóm là thuộc nhóm cacboxylat của phân tử EDTAD. Chứng tỏ phân tử EDTAD tham gia vào mạng lưới phân tử của cellulose của vỏ trấu.
3.5.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vỏ trấu biến tính trong điều kiện tĩnh.
Khả năng hấp phụ ion kim loại bởi vỏ trấu biến tính được đánh giá qua thông số q(mg ion kim loại/g vật liệu):
q = 𝐶0 − C . V
m
40 Trong đó:
C0; C: Nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất (mg/l) m: Khối lượng chất hấp phụ (g)
V: Thể tích dung dịch chứa ion bị hấp phụ (l) q: Là dung lượng hấp phụ(mg/g)
Giá trị của q càng lớn thì khả năng hấp phụ của ion kim loại trên vỏ trấu biến tính càng lớn.
VL1 : Vỏ trấu không biến tính VL2 : Vỏ trấu biến tính
3.5.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu.
pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng mạnh đến khả năng hấp phụ của vật liệu. Để khảo sát ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ của Cr(VI), Cr(III) lên vật liệu chúng tôi pha 100ml dung dịch Cr(VI) và Cr(III) với cùng nồng độ 20ppm. Sau đó chỉnh pH cần khảo sát bằng các dung dịch NaOH và HNO3. Dung dịch thu được cho vào bình tam giác có chứa 0,3 gam vật liệu.
Lắc các mẫu trong vòng 4h trên máy lắc với tốc độ 150 vòng/phút. Sau đó lọc lấy dung dịch và xác định nồng độ còn lại bằng phương pháp đo phổ F-AAS.
Kết quả khảo sát được chỉ ra ở bảng 3.19 và hình 3.6.
Bảng 3.19. Dung lƣợng hấp phụ của vật liệu phụ thuộc vào pH của dung dịch Cr(VI), Cr(III).
Dung lượng hấp phụ (q) của Cr(VI) lên
VL1 (mg/g)
Dung lượng hấp phụ(q) của Cr(VI) lên VL2
(mg/g)
Dung lượng hấp phụ(q) của Cr(III) lên VL2
(mg/g)
pH q pH q pH q
0,5 1,11 0,5 2,31 0,5 0,56
1,0 1,33 1,0 3,33 1,0 0,77
41 2,0 1,27 2,0 1,78 2,0 0,56 3,0 0,93 3,0 1,39 3,0 0,44 4,0 0,71 4,0 1,01 4,0 0,36 5,0 0,55 5,0 0,77 5,0 0,31 6,0 0,41 6,0 0,69 6,0 0,26 7,0 0,38 7,0 0,66 7,0 0,22 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 q ( m g / g ) pH Cr(VI)/VL2 Cr(VI)/VL1 Cr(III)/VL2
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ của vật liệu vào pH của dung dịch.
Ở pH thấp khả năng hấp phụ của vật liệu đối với Cr(VI) khá tốt, khi pH tăng lên khả năng hấp phụ giảm dần. Điều này có thể được giải thích theo cơ chế hấp phụ sau:
Cr(VI) tồn tại dạng ion khác nhau trong dung dịch, trong môi trường axit Cr(VI) tồn tại ở dạng ion: CrO42-, Cr2O72-, HCrO4-, Cr3O102-, Cr4O132-.
H2CrO4 H+ + HCrO4- K1 = 0,18 (pK1 = 6,15) HCrO4- H+ + CrO42- K2 = 3,2.10-7 (pK1 = 5,65) 2HCrO4- Cr2O72- + H2O K3 = 33,3 (pK3 = 14,56) Dựa vào hằng số phân ly các dạng tồn tại của Cr(VI) ta thấy:
42
Ở pH < 1 tồn tại chủ yếu dạng H2CrO4 nên khả năng hấp phụ kém, dung lượng hấp phụ thấp.
Sự hấp phụ ion kim loại phụ thuộc vào bản chất bề mặt chất hấp phụ và dạng tồn tại ion kim loại trong dung dịch nước. Thí nghiệm hấp phụ Cr(VI) tiến hành ở pH từ 1-7, nhận thấy khi tăng pH khả năng hấp phụ Cr(VI) giảm dần và cực đại hấp phụ Cr(VI) đạt được ở pH =1. Ở pH =1 bề mặt vật liệu bị proton hóa cao, mang điện tích dương OH2+, hấp phụ ion crom dạng HCrO4-, khi tiếp tục tăng pH khả năng proton hóa giảm, khả năng hấp phụ Cr(VI) giảm. Ngoài ra khi pH tăng dẫn đến tăng nồng độ OH-, có cạnh tranh ion OH- và ion HCrO4- tiếp tục tăng khả năng cạnh tranh hấp phụ tăng. Vậy chúng tôi chọn pH = 1 cho các thí nghiệm tiếp theo để nghiên cứu sự hấp phụ Cr(VI).
Cr(III) bị hấp phụ rất ít trong khoảng pH rộng. Do vậy chúng tôi lựa chọn pH = 1 chung cho các thí nghiệm nghiên cứu khả năng hấp phụ của Cr(VI), Cr(III) tiếp theo.
3.5.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian .
Hấp phụ là một quá trình phụ thuộc vào thời gian. Cho một lượng vật liệu hấp phụ vào trong dung dịch chứa ion kim loại crom, theo thời gian, dung lượng hấp phụ của Crom sẽ tăng lên từ từ cho đến khi không đổi. Đó chính là thời gian đạt cân bằng hấp phụ.
Chúng tôi lấy vào các bình nón mỗi bình 100,00 ml dung dịch Cr(VI) 20ppm và Cr(III) với nồng độ 20ppm, sau đó chỉnh pH =1 bằng dung dịch HNO3. Cho vào các bình này 0,3 gam vỏ trấu. Tất cả các bình này đem lắc với tốc độ 150 vòng/phút, lắc các mẫu trong vòng 60 phút đến 600 phút với tốc độ 150 vòng/phút. sau đó lọc lấy dung dịch và xác định nồng độ còn lại bằng phương pháp đo phổ F- AAS. Kết quả khảo sát được chỉ ra ở bảng 3.20 và hình 3.7.
43
Bảng 3.20. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình hấp phụ của vật liệu. Thời gian (phút) q (mg/g) Cr(VI)/ VL1 Cr(VI)/ VL2 Cr(III)/ VL2 60 0,12 0,13 0,02 120 0,25 0,45 0,06 180 0,54 0,77 0,11 240 0,81 1,33 0,18 360 1,54 3,03 0,47 390 1,83 3,44 0,79 420 2,12 3,78 1,14 450 2,51 4,08 1,57 480 2,87 4,08 1,96 510 3,17 4,08 2,17 540 3,41 4,08 2,17 570 3,41 4,08 2,17 600 3,41 4,08 2,17
Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian tới quá trình hấp phụ của vật liệu.