Luận văn Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amoni và kim loại nặng trong nước

1 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 4 LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 5 Chương 1 - TỔNG QUAN ......................................................................................... 6 1.1. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt ....................................................................... 6 1.1.1 Than hoạt tính .............................................................................................. 6 1.1.2 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính ........................................................ 9 1.1.3 Cấu trúc hóa học của bề mặt ...................................................................... 12 1.2 Nhóm Cacbon-oxy trên bề mặt than hoạt tính ................................................... 13 1.2.1 Nghiên cứu nhiệt giải hấp ........................................................................... 16 1.2.2 Trung hòa kiềm ........................................................................................... 18 1.3 Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ ......................... 19 1.3.1 Tính axit bề mặt của cacbon. ...................................................................... 20 1.3.2 Tính kị nước ............................................................................................... 20 1.3.3 Sự hấp phụ hơi phân cực ............................................................................ 21 1.3.4 Sự hấp phụ từ các dung dịch ....................................................................... 23 1.3.5 Sự hấp phụ ưu tiên. ..................................................................................... 24 1.4. Tâm hoạt động trên bề mặt than ....................................................................... 25 1.5 Biến tính bề mặt than hoạt tính .......................................................................... 29 1.5.1 Biến tính tính than hoạt tính bằng N2 .......................................................... 30 1.5.2 Biến tính bề mặt than bằng halogen ............................................................ 31 1.5.3 Biến tính bề mặt than bằng sự lưu huỳnh hóa. ............................................ 31 1.5.4 Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm ....................................................... 33 2 Chương 2 - THỰC NGHIỆM .................................................................................. 35 2.1 Đối tượng nghiên cứu........................................................................................ 35 2.2 Mục tiêu nghiên cứu.......................................................................................... 35 2.3 Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu. ....................................... 35 2.4 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 36 2.4.1 Phương pháp biến tính than hoạt tính ......................................................... 36 2.4.2. Phương pháp khảo sát các đặc trưng của than biến tính ............................ 37 2.4.3. Phương pháp xác định các ion trong dung dịch ......................................... 40 2.5 Phương pháp tính toán tải trọng hấp phụ của vật liệu ........................................ 43 Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 45 3.1 Oxi hóa than hoạt tính ở nhiệt độ thường .......................................................... 45 3.1.1 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của than hoạt tính ................................. 45 3.1.2 Khảo sát khả năng hấp phụ của than hoạt tính được oxi hóa trong các khoảng thời gian khác nhau ................................................................................ 45 3.1.3 Trung hòa than oxi hóa bằng NaOH .......................................................... 47 3.1.4 Khảo sát khả năng hấp phụ của than hoạt tính biến tính với các nồng độ axit khác nhau ............................................................................................................ 49 3.2 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của than được biến tính ở nhiệt độ 700C. ..... 53 3.3 Khảo sát khả năng hấp phụ của than oxi hóa bằng HNO3 ở nhiệt độ 1000C ....... 55 3.4 Khảo sát khả năng hấp phụ một số kim loại nặng của than biến tính ................. 58 3.4.1.Khả năng hấp phụ Mangan......................................................................... 58 3.4.2. Khả năng hấp phụ cadimi (Cd2+) ............................................................... 60 3.5 Xác định một số đặc trưng của than biến tính .................................................... 61 3.5.1 Xác định diện tích bề mặt riêng của than .................................................... 61 3 3.5.2 Xác định các nhóm chức có thể có trên bề mặt các loại than ...................... 64 3.5.3 Xác định tổng số tâm axit trên bề mặt than ................................................. 65 3.5.4 Khảo sát pHpzc của các loại than. .............................................................. 68 3.5.5 Bước đầu nghiên cứu cơ chế hấp phụ amoni của than biến tính .................. 69 3.6 Khảo sát khả năng xử lý amoni bằng mô hình động .......................................... 72 3.6.1 Khảo sát khả năng trao đổi của than biến tính với amoni ........................... 72 3.6.2 Khảo sát khả năng tái sinh của vật liệu....................................................... 73 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 77 4 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Trần Hồng Côn đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ, cho em những kiến thức quí báu trong quá trình nghiên cứu. Cảm ơn các phòng thí nghiệm trong Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm. Chân thành cảm ơn các bạn học viên, sinh viên làm việc trong phòng thí nghiệm hóa môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và hoàn thiện luận văn. Để hoàn thành bản luận văn này, ngoài sự nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu của bản thân, sự giúp đỡ của những người xung quanh, đặc biệt là những người thầy, đồng nghiệp đã đóng góp một phần không nhỏ trong nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên cao học Trịnh Xuân Đại 5 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, tình hình ô nhiễm nguồn nước nói chung và nguồn nước sinh hoạt nói riêng bởi các cation kim loại nặng là vấn đề toàn xã hội quan tâm khi nhu cầu về chất lượng cuộc sống ngày càng cao. Theo các phương tiện thông tin đại chúng gần đây đưa tin, người dân Hà nội đang sử dụng các nguồn nước ô nhiễm, đặc biệt là ô nhiễm amoni, ngay cả nguồn nước của các nhà máy nước, hàm lượng amoni xác định được cũng vượt chỉ tiêu cho phép đến 6 lần hoặc cao hơn. Than hoạt tính từ lâu đã được sử dụng để làm sạch nước. Tuy nhiên, ứng dụng của nó trong xử lý nước mới chỉ dừng lại ở việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ và một số các thành phần không phân cực có hàm lượng nhỏ trong nước. Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng của than hoạt tính trong việc xử lý nước sinh hoạt, đặc biệt một lĩnh vực còn rất mới đó là loại bỏ các cation và anion trong nước; chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài “ Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amoni và kim loại nặng trong nước”. 6 Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt của than hoạt tính 1.1.1 Than hoạt tính Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể nói chung rằng, than hoạt tính là một dạng của cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc rất xốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn. Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã hoạt hóa được sử dụng từ nhiều thế kỷ trước. Người Ai cập sử dụng than gỗ từ khoảng 1500 trước công nguyên làm chất hấp phụ cho mục đích chữa bệnh. Người Hindu cổ ở Ấn độ làm sạch nước uống của họ bằng cách lọc qua than gỗ. Việc sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng năm 1900 và được sử dụng làm vật liệu tinh chế đường. Than hoạt tính này được sản xuất bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật trong sự có mặt của hơi nước hoặc CO2. Than hoạt tính được sử dụng suốt chiến tranh thế giới thứ nhất trong các mặt nạ phòng độc bảo vệ binh lính khỏi các khí độc nguy hiểm[5]. Than hoạt tính là chất hấp phụ quí và linh hoạt, được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích như loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt, thu hồi dung môi, làm sạch không khí, trong kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ, trong làm sạch nhiều hóa chất, dược phẩm, sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí. Chúng được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng, bạc, và các kim loại khác, làm chất mang xúc tác. Chúng cũng được biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học, được sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số bệnh nhất định. Cacbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với hàm lượng khoảng 85 – 95%. Bên cạnh đó than hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh và oxi. Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu 7 hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trình khác. Thành phần các nguyên tố trong than hoạt tính thường là 88% C, 0.5% H, 0.5% N, 1%S, 6 – 7% O. Tuy nhiên hàm lượng oxy trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1 - 20% phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế. Than hoạt tính thường có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến 1500m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0.2 đến 0.6cm3/g. Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2nm. Than hoạt tính chủ yếu được điều chế bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô chứa cacbon ở nhiệt độ nhỏ hơn 10000C. Quá trình điều chế gồm 2 bước: Than hóa ở nhiệt độ dưới 8000C trong môi trường trơ và sự hoạt hóa sản phẩm của quá trình than hóa ở nhiệt độ khoảng 9500 – 10000C. Quá trình than hóa là dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu, đưa nó về dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp ban đầu cho than, chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình hoạt hóa than. Quá trình than hóa có thể xảy ra trong pha rắn, lỏng và khí [13]. Quá trình than hóa pha rắn: Nguyên liệu ban đầu hầu như luôn luôn là hệ phân tử lớn do sự tổng hợp hoặc quá trình tự nhiên. Phân hủy nguyên liệu đầu bằng cách tăng nhiệt độ xử lý, quá trình xảy ra cùng với sự giải phóng khí và chất lỏng có khối lượng phân tử thấp. Do đó, than thu được là dạng khác của nguyên liệu ban đầu có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn hình dạng ban đầu nhưng nó có tỷ trọng thấp hơn. Khi tăng nhiệt độ xử lý sẽ tạo ra cấu trúc trung gian bền hơn. Trong quá trình than hóa, khi hệ đại phân tử ban đầu phân hủy, các nguyên tử cacbon còn lại trong mạng đại phân tử di chuyển khoảng ngắn (có thể < 1nm) trong mạng tới vị trí bền hơn, thậm chí tạo ra mạng các nguyên tử cacbon(có hydro liên kết với nó). Thành phần của nguyên liệu ban đầu khác nhau sẽ phân hủy theo những cách riêng, tạo ra các dạng than khác nhau. Khoảng cách (kích thước nguyên tử) được mở ra bởi sự thoát ra của các nguyên tử 8 khác, sự di trú của nguyên tử cacbon và các liên kết của chúng tạo ra mạng xốp có thành phần là các nguyên tử cacbon. Mỗi loại than có đặc trưng xốp khác nhau. Than hóa trong pha lỏng: Các nguyên liệu như vòng thơm, hắc ín cho phép tạo thành cacbon có thể graphit hóa về cơ bản là than không xốp. Do đó để tạo ra một loại than xốp từ những nguyên liệu này cần 1 phản ứng tác động lên các lớp graphen. Quá trình than hóa trong pha lỏng có cơ chế hoàn toàn khác với trong pha rắn. Bằng sự than hóa pha lỏng, dạng có thể graphit hóa được tạo thành. Cacbon hóa trong pha khí cần phải được kiểm soát cẩn thận nguồn nguyên liệu đầu vào. Nguyên liệu có thể là metan, propan hoặc benzen nhưng quan trọng nhất là quá trình cacbon hóa (bẻ gãy hoặc nhiệt phân) nguyên liệu khí ở áp suất tương đối thấp thường được pha loãng với khí heli. Mảnh vỡ từ quá trình nhiệt phân nguyên liệu ban đầu tương tác với chất nền thích hợp và bằng một cơ chế bao gồm sự chuyển động các nguyên tử cacbon, cấu trúc phiến 6 cạnh của graphit được hình thành [13]. Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon dưới tác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa, tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt [24]. Có thể hoạt hóa bằng phương pháp hóa học hoặc bằng hơi nước. Hoạt hóa hóa học chủ yếu được sử dụng cho hoạt hóa than gỗ. Phương pháp này khác với hoạt hóa bằng hơi; trong đó quá trình than hóa và quá trình hoạt hóa xảy ra đồng thời. Nguyên liệu thô thường sử dụng là gỗ được trộn với chất hoạt hóa và chất hút nước thường được sử dụng là axit photphoric hoặc ZnCl2. Sự hoạt hóa thường xảy ra ở nhiệt độ 5000C, nhưng đôi khi cũng có khi lên tới 8000C. Axit photphoric làm cho gỗ phình ra và mở cấu trúc cenlulose của gỗ. Trong suốt quá trình hoạt hóa axit photphoric hoạt động như 1 chất ổn định và đảm bảo rằng than không bị xẹp trở lại. Kết quả là than rất xốp và chứa đầy axit photphoric. Sau đó than được rửa và tiếp tục bước sản xuất tiếp theo. 9 Hoạt hóa bằng hơi nước được sử dụng cho tất cả các than có nguồn gốc từ than bùn, than đá, gáo dừa, gỗ… Trước hết nguyên liệu thô được chuyển hóa thành cacbon bằng nhiệt. Khi than đá được sử dụng làm nguyện liệu trong hoạt hóa, hơi nước ở 1300C được thổi vào ở nhiệt độ khoảng 10000C. Một số túi khí trở thành dòng khí và thoát ra khỏi lỗ xốp. Hình thức này phụ thuộc lớn vào nguyên liệu được sử dụng. Một nguyên liệu cứng như là gáo dừa tạo ra nhiều lỗ nhỏ trong khi nguyện liệu mềm như than bùn luôn tạo ra nhiều lỗ trung. Nếu tiếp tục thổi hơi nước trong 1 thời gian dài, nhiều hơn rất nhiều các túi khí tạo thành dòng khí và để lại các lỗ trống. Đầu tiên chúng ta thu được lỗ nhỏ. Khi tiếp tục quá trình, xung quanh túi khí cũng chuyển thành khí và lỗ xốp phát triển thành lỗ trung và nếu tiếp tục thì sẽ tạo thành lỗ lớn. Do đó, ta không nên kéo dài quá trình hoạt hóa. Tất cả các nguyên liệu chứa cacbon đều có thể chuyển thành than hoạt tính, tất nhiên sản phẩm thu được sẽ có sự khác nhau phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu được sử dụng, bản chất của tác nhân hoạt hóa và điều kiện hoạt hóa. Trong quá trình hoạt hóa hầu hết các nguyên tố khác trong nguyên liệu tạo thành sản phẩm khí và bay hơi bởi nhiệt phân hủy nguyên liệu ban đầu. Các nguyên tử cacbon sẽ nhóm lại với nhau thành các lớp thơm liên kết với nhau một cách ngẫu nhiên. Sự sắp xếp của các lớp thơm này không tuân theo qui luật do đó để lại các chỗ trống giữa các lớp. Các chỗ trống này tăng lên thành lỗ xốp làm than hoạt tính thành chất hấp phụ tuyệt vời. 1.1.2 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính[5] Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết ngang bền giữa chúng, làm cho than hoạt tính có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển. Chúng có tỷ trọng tương đối thấp (nhỏ hơn 2g/cm3) và mức độ graphit hóa thấp. Cấu trúc bề mặt này được tạo ra trong quá trình than hóa và phát triển hơn trong quá trình hoạt hóa, khi làm sạch nhựa đường và các chất chứa cacbon khác trong khoảng trống 10 giữa các tinh thể. Quá trình hoạt hóa làm tăng thể tích và làm rộng đường kính lỗ. Cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu trúc lỗ của chúng được quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu ban đầu và phương pháp than hóa. Sự hoạt hóa cũng loại bỏ cacbon không phải trong cấu trúc, làm lộ ra các tinh thể dưới sự hoạt động của các tác nhân hoạt hóa và cho phép phát triển cấu trúc vi lỗ xốp. Trong pha sau cùng của phản ứng, sự mở rộng của các lỗ tồn tại và sự tạo thành các lỗ lớn bằng sự đốt cháy các vách ngăn giữa các lỗ cạnh nhau được diễn ra. Điều này làm cho các lỗ trống có chức năng vận chuyển và các lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thể tích vi lỗ. Theo Dubinin và Zaveria, than hoạt tính vi lỗ xốp được tạo ra khi mức độ đốt cháy (burn-off) nhỏ hơn 50% và than hoạt tính lỗ macro khi mức độ đốt cháy là lớn hơn 75% . Khi mức độ đốt cháy trong khoảng 50 – 75% sản phẩm có hỗn hợp cấu trúc lỗ xốp chứa tất cả các loại lỗ. Nói chung than hoạt tính có bề mặt riêng phát triển và thường được đặc trưng bằng cấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán, tạo nên từ các lỗ với kích thước và hình dạng khác nhau. Người ta khó có thể đưa ra thông tin chính xác về hình dạng của lỗ xốp. Có vài phương pháp được sử dụng để xác định hình dạng của lỗ, các phương pháp này đã xác định than thường có dạng mao dẫn mở cả hai đầu hoặc có một đầu kín, thông thường có dạng rãnh, dạng chữ V và nhiều dạng khác. Than hoạt tính có lỗ xốp từ 1 nm đến vài nghìn nm. Dubinin đề xuất một cách phân loại lỗ xốp đã được IUPAC chấp nhận. Sự phân loại này dựa trên chiều rộng của chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnh hoặc bán kính của lỗ dạng ống. Các lỗ được chia thành 3 nhóm, lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn. Lỗ nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 2nm. Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích lỗ, và không xảy ra sự ngưng tụ mao quản. Năng lượng hấp phụ trong các lỗ này lớn hơn rất nhiều so với lỗ trung hay bề mặt không xốp vì sự nhân đôi của lực hấp phụ từ các vách đối diện nhau của vi lỗ. Nói chung chúng có thể tích lỗ từ 0.15 – 0.7cm3/g. Diện tích bề mặt 11 riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của than hoạt tính. Dubinin còn đề xuất thêm rằng cấu trúc vi lỗ có thể chia nhỏ thành 2 cấu trúc vi lỗ bao gồm các vi lỗ đặc trưng với bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 0.6 – 0.7nm và siêu vi lỗ với bán kính hiệu dụng từ 0.7 đến 1.6nm. Cấu trúc vi lỗ của than hoạt tính được xác định rõ hơn bằng hấp phụ khí và hơi và công nghệ tia X. Lỗ trung (Mesopore) hay còn gọi là lỗ vận chuyển có bán kính hiệu dụng từ 2 đến 50 nm, thể tích của chúng thường từ 0.1 đến 0.2cm3/g. Diện tích bề mặt của lỗ này chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than. Tuy nhiên, bằng phương pháp đặc biệt người ta có thể tạo ra than hoạt tính có lỗ trung lớn hơn, thể tích của lỗ trung đạt được từ 0.2 – 0.65cm3/g và diện tích bề mặt của chúng đạt 200m2 /g. Các lỗ này đặc trưng bằng sự ngưng tụ mao quản của chất hấp phụ với sự tạo thành mặt khum của chất lỏng bị hấp phụ. Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ của than hoạt tính bởi vì chúng có diện tích bề mặt rất nhỏ và không vượt quá 0.5m2/g. Chúng có bán kính hiệu dụng lớn hơn 50nm và thường trong khoảng 500- 2000nm với thể tích lỗ từ 0.2 – 0.4cm3 /g. Chúng hoạt động như một kênh cho chất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung. Các lỗ lớn không được lấp đầy bằng sự ngưng tụ mao quản. Do đó, cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính có 3 loại bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn. Mỗi nhóm này thể hiện một vai trò nhất định trong quá trình hấp phụ. Lỗ nhỏ chiếm 1 diện tích bề mặt và thể tích lớn do đó đóng góp lớn vào khả năng hấp phụ của than hoạt tính, miễn là kích thước phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn để đi vào lỗ nhỏ. Lỗ nhỏ được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối thấp trước khi bắt đầu ngưng tụ mao quản. Mặt khác, lỗ trung được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối cao với sự xảy ra ngưng tụ mao quản. Lỗ lớn có thể cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyển nhanh tới lỗ nhỏ hơn 12 1.1.3 Cấu trúc hóa học của bề mặt[5] Cấu trúc tinh thể của than có tác động đáng kể đ