Luận văn Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion Ni²⁺, Cu²⁺ của một số lá cây và thử nghiệm xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TRỊNH THU QUYÊN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CÁC ION Ni2+, Cu2+ CỦA MỘT SỐ LÁ CÂY VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SỸ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN – 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TRỊNH THU QUYÊN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CÁC ION Ni2+, Cu2+ CỦA MỘT SỐ LÁ CÂY VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỌC PHÂN TÍCH MÃ SỐ: 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SỸ HÓA HỌC HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ HỮU THIỀNG THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn và giúp đỡ chân tình của PGS. TS. Lê Hữu Thiềng. Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến Thấy đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thày, cô Khoa Hoá học - Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, Khoa sau Đại học trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã ưu ái tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã thường xuyên quan tâm, động viên, giúp đỡ tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thiện luận văn này. Tác giả luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ....................................... 11 Hình 1.2. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb ....................................... 11 Hình 2.1. Đường chuẩn xác định nồng độ Ni ........................................... 25 Hình 2.2. Đường chuẩn xác định nồng độ Cu .......................................... 25 Hình 2.3. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá chè vào thời gian ............ 27 Hình 2.4. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá mía vào thời gian........... 28 Hình 2.5. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá ngô vào thời gian ............ 29 Hình 2.6. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá chè vào pH ............. 31 Hình 2.7. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá mía vào pH ............ 32 Hình 2.8. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá ngô vào pH ............ 33 Hình 2.9. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào khối lượng lá chè .......... 35 Hình 2.10. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào khối lượng lá mía .......... 36 Hình 2.11. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào khối lượng lá ngô .......... 37 2+ Hình 2.12. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Ni của lá chè ... 40 2+ Hình 2.13. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Ni của lá chè ............ 40 2+ Hình 2.14. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cu của lá chè .. 41 2+ Hình 2.15. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Cu của lá chè ............ 41 2+ Hình 2.16. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Ni của lá mía ... 42 2+ Hình 2.17. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Ni của lá mía ............ 42 2+ Hình 2.18. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cu của lá mía ......... 42 2+ Hình 2.19. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Cu của lá mía ........... 42 2+ Hình 2.20. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Ni của lá ngô ........ 43 2+ Hình 2.21. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Ni của lá ngô ............ 43 2+ Hình 2.22. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cu của lá ngô ..... 44 2+ Hình 2.23. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Cu của lá ngô ........... 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Tiêu chuẩn Bộ Y tế về giới hạn hàm lượng kim loại nặng trong nước ăn uống................................................................ 04 Bảng 1.2. Một số phương trình hấp phụ đẳng nhiệt thông dụng. ............ 09 Bảng 2.1. Điều kiện đo phổ F – AAS của Ni, Cu................................... 24 Bảng 2.2. Độ hấp thụ quang (Abs) của các dung dịch. ........................... 24 Bảng 2.3. Các thông số hấp phụ Ni2+, Cu2+ của lá chè, lá mía, lá ngô .... 26 Bảng 2.4. Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ của lá chè ......... 27 Bảng 2.5. Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ của lá mía ........ 28 Bảng 2.6. Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ của lá ngô ........ 29 Bảng 2.7. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối của lá chè, lá mía, lá ngô. ...... 30 Bảng 2.8. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ của lá chè ....................................................... 31 Bảng 2.9. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ của lá mía ...................................................... 32 Bảng 2.10. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ của lá ngô ...................................................... 33 Bảng 2.11. pH tối ưu cho quá trình hấp phụ Ni2+, Cu2+ của các lá chè, lá mía, lá ngô ....................................................... 34 Bảng 2.12. Ảnh hưởng của khối lượng lá chè đến khả năng hấp phụ Ni2+ và Cu2+ ......................................................... 35 Bảng 2.13. Ảnh hưởng của khối lượng lá mía đến khả năng hấp phụ Ni2+ và Cu2+ .......................................................... 36 Bảng 2.14. Ảnh hưởng của khối lượng lá ngô đến khả năng hấp phụ Ni2+ và Cu2+ .................................................................................. 37 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bảng 2.15. Ảnh hưởng của kích thước lá chè đến khả năng hấp phụ Ni2+ và Cu2+ ....................................................................... 38 Bảng 2.16. Ảnh hưởng của kích thước lá mía đến khả năng hấp phụ Ni2+ và Cu2+ .......................................................... 38 Bảng2.17. Ảnh hưởng của kích thước lá ngô đến khả năng hấp phụ Ni2+ và Cu2+ .......................................................... 39 Bảng 2.18. Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của lá chè ..... 40 Bảng 2.19. Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của lá mía ..... 41 Bảng 2.20. Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của lá ngô ..... 43 Bảng 2.21. Dung lượng và hiệu suất hấp phụ của các loại lá cây khi hấp phụ hỗn hợp Ni2+ và Cu2+ ............................................... 44 Bảng 2.22. Dung lượng và hiệu suất hấp phụ của lá chè, lá mía, lá ngô khi hấp phụ hỗn hợp Ni2+ và Cu2+ .45 Bảng 2.23. Kết quả xử lý mẫu nước thải chứa Ni2+ bằng các lá cây ......... 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp nặng như khai mỏ, luyện kim, hóa dầu, ô tô, mạ kim loại, pin...trong những năm gần đây không những thúc đẩy sự tăng trưởng mạnh mẽ nền kinh tế thế giới, phát triển cơ sở hạ tầng mà còn tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái, đe dọa nghiêm trọng đến sức khoẻ con người. Nhịp độ phát triển ngành công nghiệp đang vượt qua sự phát triển của cơ sở hạ tầng dẫn đến trang thiết bị, cơ sở vật chất để xử lý chất thải còn thiếu, chưa đáp ứng nhu cầu thực tế. Chính vì vậy, nồng độ kim loại nặng như: Pb, Mn, Ni, Cu, As, Zn...trong chất thải chưa hoặc đã qua xử lý thải vào môi trường ngày càng cao. Đây là một trong những nguyên nhân làm môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt là môi trường nước. Ở Việt Nam đa số các ngành công nghiệp đều đang ở giai đoạn đầu của sự phát triển và hiện không có đủ các phương tiện cần thiết để giảm và loại trừ các kim loại nặng trong chất thải, do đó số lượng và hàm lượng các kim loại nặng thải vào môi trường ngày càng cao đã ảnh hưởng rất lớn đến nguồn nước sinh hoạt của người dân; đặc biệt là các khu dân cư gần các nhà máy, khu công nghiệp, khu chế xuất Tiêu biểu như vụ công ty Vedan thải trực tiếp chất thải chưa qua xử lý ra môi trường đã bị phát hiện trong thời gian gần đây. Ở nhiều nơi, nguồn nước sinh hoạt đang bị ô nhiễm nghiêm trọng ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe và cuộc sống của người dân. Việc loại bỏ các kim loại nặng, độc ra khỏi các nguồn nước, đặc biệt là nguồn nước sinh hoạt đang là mục tiêu môi trường quan trọng bậc nhất phải giải quyết hiện nay. Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm loại bỏ kim loại nặng trong nước thải trước khi thải ra môi trường. Bên cạnh các phương pháp truyền thống sử dụng tách kim loại nặng trong dung dịch nước với những ưu thế không thể phủ nhận bao gồm: phương pháp kết tủa, trao đổi ion, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 thẩm thấu ngược, chiết dung môi... người ta đã bắt đầu nghiên cứu các biện pháp sinh học để tách các kim loại nặng trong nước. Các phương pháp truyền thống được dùng để xử lý nguồn nước ô nhiễm có nồng độ kim loại cao như nước thải công nghiệp có nhược điểm là chi phí đầu tư rất lớn. Vì vậy người ta đã nghiên cứu, sử dụng các biện pháp sinh học để tách loại các kim loại nặng trong dung dịch nước. Đây là công nghệ mới dùng các vật liêu hấp phụ là các nguyên liệu tự nhiên như: đá tự nhiên, lá cây, rễ cây... tự nhiên hoặc đã hoạt hóa rất phổ biến, dễ kiếm để hấp phụ các ion kim loại nặng. Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu sử dụng các vật liệu sinh học tự nhiên như lá chè, bã chè, lá mía, bã mía, lá ngô, lõi ngô, vỏ khoai tây, vỏ mít, xơ dừa, bèo tây...để hấp phụ các kim loại nặng như Pb, Ni, Cu, Co, Mn, Fe...trong dung dịch nước và hiệu quả ngay ở nồng độ thấp. Nhiều trong số các công trình đó được ứng dụng vào thực tiễn xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng ở các nhà máy và khu dân cư. Các vật liệu sinh học tự nhiên dùng để hấp phụ các kim loại nặng có thể là các chất thải, các phụ phẩm ngành nông nghiệp, công nghiệp rất sãn có, dễ tìm kiếm, rẻ tiền, thân thiện với môi trường, hấp phụ được các kim loại nặng trong nước ngay ở nồng độ rất thấp, phù hợp với việc làm sạch nguồn nước sinh hoạt. Đây là ưu điểm nổi bật mà các phương pháp truyền thống không có được. Việt Nam là nước nông nghiệp, phần lớn người dân sinh sống bằng nghề trồng lúa và hoa màu nên các phụ phẩm công - nông nghiệp như lá chè, lá mía, lá ngô... rất sẵn có. Xuất phát từ yêu cầu thực tế, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion Ni2+, Cu2+ của một số lá cây và thử nghiệm xử lý môi trường”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 Với mục đích đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu các nội dung sau: 1. Chuẩn bị vật liệu hấp phụ từ lá chè, lá mía, lá ngô. 2. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: thời gian; pH; khối lượng, kích thước lá cây; nồng độ các ion Ni2+, Cu2+ đến khả năng hấp phụ của lá chè, lá mía, lá ngô. 3. Khảo sát khả năng hấp phụ của lá chè, lá mía, lá ngô đối với hỗn hợp các ion Ni2+, Cu2+. 4. Xử lý thử một mẫu nước thải chứa Ni2+ bằng lá chè, lá mía, lá ngô. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Sơ lƣợc về chất bị hấp phụ 1.1.1. Sơ lược về kim loại nặng Kim loại nặng là khái niệm để chỉ các kim loại có nguyên tử lượng cao và thường có độc tính đối với sự sống. Một số kim loại nặng có thể cần thiết cho sinh vật, chúng được xem là nguyên tố vi lượng; một số không cần thiết cho sự sống, khi đi vào cơ thể sinh vật có thể không gây độc hại gì. Kim loại nặng gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Kim loại nặng thường liên quan đến vấn đề ô nhiễm môi trường. Nguồn gốc phát thải của kim loại nặng có thể là tự nhiên (như asen-As), hoặc từ hoạt động của con người, chủ yếu là từ công nghiệp (các chất thải công nghiệp) và từ nông nghiệp...Có một số hợp chất kim loại nặng bị thụ động và đọng lại trong đất, song có một số hợp chất có thể hoà tan dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau, nhất là do độ chua của đất, của nước mưa. Điều này tạo điều kiện để các kim loại nặng có thể phát tán rộng vào nguồn nước ngầm, nước mặt và gây ô nhiễm nguồn nước. Các kim loại nặng có mặt trong nước qua nhiều giai đoạn khác nhau trước sau cũng đi vào chuỗi thức ăn của con người. Chẳng hạn các vi sinh vật có thể chuyển thuỷ ngân (Hg) thành hợp chất metyl thủy ngân (CH3)2Hg, sau đó qua động vật phù du, tôm, cá...mà thuỷ ngân đi vào thức ăn của con người. Sự kiện ngộ độc thủy ngân hàng loạt ở Vịnh Manimata (Nhật Bản) năm 1953 là một minh chứng rất rõ về quá trình nhiễm thủy ngân từ công nghiệp vào thức ăn của con người. Khi đã nhiễm vào cơ thể, kim loại nặng có thể tích tụ lại trong các mô. Đồng thời với quá trình đó cơ thể lại đào thải dần kim loại nặng. Nhưng các nghiên cứu cho thấy tốc độ tích tụ kim loại nặng thường nhanh hơn tốc độ đào Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên