Luận văn Nghiên cứu khả năng hấp phụ đồng, niken, sắt của vật liệu oxit mangan kính thước nanomet trong môi trường nước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ THÚY NGA NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ĐỒNG, NIKEN, SẮT CỦA VẬT LIỆU OXIT MANGAN KÍCH THƯỚC NANOMET TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC CHUYÊN NGÀNH: HÓA PHÂN TÍCH MÃ SỐ: 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hướng dẫn khoa học: TS. Đỗ Trà Hương Thái Nguyên - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ THÚY NGA NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ĐỒNG, NIKEN, SẮT CỦA VẬT LIỆU OXIT MANGAN KÍCH THƯỚC NANOMET TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Thái Nguyên - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên 1 MỞ ĐẦU Nước ta đang trên đà phát triển các khu công nghiệp, khu chế xuất, quá trình phát triển này đã giúp nền kinh kế tăng trưởng đáng kể, thúc đẩy sản xuất công nghiệp, kêu gọi được sự đầu tư của nước ngoài, góp phần hình thành các khu đô thị sầm uất nhưng cũng chính quá trình phát triển này lại có tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Vấn đề ô nhiễm môi trường hiện đang là vấn đề không chỉ riêng của một quốc gia nào mà nó là vấn đề chung của toàn nhân loại. Môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Môi trường nước ở Việt Nam đang xuống cấp cục bộ. Tình trạng báo động ở nước ta hiện nay là nước thải ở hầu hết các cơ sở sản xuất chỉ được xử lý sơ bộ, thậm trí chưa được xử lý đã thải ra môi trường. Trong nước thải đó chứa rất nhiều các chất độc hại như: chất hữu cơ và các ion kim loại nặng như: Cu, Ni, Pb, Cd, Fe, Zn Hậu quả là môi trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều nơi đang bị ô nhiễm kim loại nặng nghiêm trọng. Vì vậy ngoài việc nâng cao ý thức người dân, xiết chặt việc quản lý môi trường thì việc tìm ra các biện pháp xử lý nhằm loại bỏ các thành phần độc hại ra khỏi môi trường có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Có rất nhiều cách khác nhau để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi nước như trao đổi ion, thẩm thẩu ngược, lọc nano, kết tủa hoặc hấp phụ... Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác vì vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, không đắt tiền, thân thiện với môi trường, đặc biệt không làm nguồn nước ô nhiễm thêm. Vì những lý do trên mà chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ đồng, niken, sắt của vật liệu oxit mangan kính thước nanomet trong môi trường nước”. Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên 2 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về các ion kim loại nặng Cu2+, Ni2+, Fe3+ 1.1.1. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng Hiện nay nước ta đang phát triển kinh tế theo hướng công nghiệp hoá- hiện đại hoá. Các khu công nghiệp, khu chế xuất ngày càng phát triển và mở rộng hơn. Những vấn đề của hệ sinh thái đang gia tăng với sự tiến bộ của công nghiệp. Ô nhiễm kim loại nặng là một trong những vấn đề cấp thiết. Kim loại nặng độc hại phát tán vào trong môi trường ngày càng tăng. Nguồn nước thải của các cơ sở sản xuất, nước thải sinh hoạt của người dân chưa được xử lý hoặc xử lý không triệt để vẫn đang hàng ngày thải ra môi trường nước. Các khu công nghiệp luyện gang thép, kim loại màu, kim loại mạ, khai thác mỏ hoạt động cũng ít nhiều gây ảnh hưởng đến môi trường. Bên cạnh đó hàng trăm làng nghề thủ công như: đúc đồng, nhôm, chì cũng chưa có các biện pháp xử lý nước thải có hiệu quả trước khi thải ra ngoài môi trường nước. Theo số liệu phân tích cho thấy, hàm lượng các ion kim loại nặng trong môi trường nước gần các khu công nghiệp đều xấp xỉ hoặc vượt quá giới hạn cho phép. Không giống như các chất ô nhiễm hữu cơ, các ion kim loại nặng không phân huỷ thành sản phẩm cuối cùng vô hại...[1], [3]. 1.1.2. Tác động sinh hóa của ion Cu2+, Ni2+, Fe3+ đối với con người Hầu hết các kim loại nặng ở nồng độ vi lượng là các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của sinh vật. Tuy nhiên, khi hàm lượng của chúng vượt quá giới hạn cho phép chúng lại thường có độc tính cao, chúng lại gây ra những tác động hết sức nguy hại đến sức khoẻ con người và sinh vật. Nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước là nước thải chứa các ion kim loại nặng của các khu công nghiệp, khu chế xuất Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên 3 thải ra ngoài môi trường. Một số hợp chất kim loại nặng khi thải ra môi trường bị tích tụ và đọng lại trong đất, song có một số hợp chất có thể hòa tan dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau. 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. Các kim loại nặng thường xâm nhập vào cơ thể theo chu trình thức ăn. Ngoài ra còn thông qua con đường hô hấp, tiếp xúc gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và sinh vật. 1.1.2.1. Đồng Đồng được phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt nên nó là một trong những kim loại chủ yếu của kĩ thuật điện. Đồng được sử dụng nhiều để sản xuất mô tơ điện, động cơ điện, máy thu thanh, vô tuyến truyền hình, các thiết bị điện tử, các đồ dùng gia dụng. Trong các ngành thuộc da, thuốc nhuộm, y học... Ngoài ra đồng còn là nguyên tố vi lượng quan trọng, cần thiết đối với thực vật và động vật. Với thực vật, nếu thiếu đồng, hàm lượng diệp lục tố ít đi, lá bị vàng úa, cây ngừng ra hoa quả và có thể chết. Ở người và động vật khi thiếu đồng, hoạt tính của hệ men giảm đi, quá trình trao đổi protein bị chậm lại, do đó các mô xương chậm phát triển, thiếu máu, suy nhược Nhu cầu hàng ngày của người lớn khoảng 0,033 – 0,050mg/kg thể trọng. Tuy nhiên nếu hàm lượng đồng trong cơ thể lớn thì cơ thể sẽ bị nhiễm độc và có thể gây một số bệnh về thần kinh, gan, thận; lượng lớn đồng hấp thụ qua đường tiêu hóa có thể gây tử vong... [10],[16]. 1.1.2.2. Niken Niken là nguyên tố vi lượng đối với gia súc, vi sinh vật, thực vật. Niken có trong huyết tương người. Niken được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hóa chất, luyện kim, điện tử Vì vậy, nó thường có mặt trong nước thải. Niken vào cơ thể người chủ yếu qua đường hô hấp, nó gây ra các triệu trứng khó chịu, buồn Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên 4 nôn, đau đầu; nếu tiếp xúc nhiều sẽ ảnh hưởng đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan thận; còn nếu da tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây hiện tượng viêm da, xuất hiện dị ứng Niken có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp luyện kim, mạ điện, sản xuất thủy tinh, gốm sứ... [10],[16] 1.1.2.3. Sắt Sắt là một trong những thành phần chính của thạch quyển (khoảng 5%). Sắt thường được phát hiện trong nước thải sinh hoạt, đặc biệt ở các thành phố có các thành phố sản xuất thép. Sắt dễ dàng tạo phức sunfat trong các lớp trầm tích và trên mặt nước. Sự có mặt của sắt trong nước uống làm thay đổi mùi vị. Các mùi vị của sắt có trong nước uống có thể rẽ dàng phát hiện ngay cả ở nồng độ thấp khoảng 1,8 mg/l. Có rất nhiều vấn đề mà do kết quả do độc tính của sắt. Chúng bao gồm chán ăn, chứng tiểu ít, tiêu chảy, hạ thân nhiệt thậm chí tử vong. Thêm đó bệnh nhân có thể bị tắc nghẽn mạch máu của đường tiêu hóa, gan, thận, não, tim, trên thận và tuyến ức. Với ngộ độc sắt cấp tính, phần lớn xẩy ra với đường tiêu hóa và gan. Kết quả là lưu trữ sắt bệnh, bị sơ gan. Bảng 1.1. Nồng độ giới hạn của một số kim loại trong nước thải công nghiệp và nước cấp sinh hoạt [13] STT Tên chỉ tiêu Giá trị giới hạn (mg/l) Nước thải công nghiệp Nước cấp sinh hoạt 1 Hàm lượng đồng 2,0 1,0 2 Hàm lượng niken 0,2 0,1 3 Hàm lượng sắt 1,0 0,5 1.1.3. Các nguồn gây ô nhiễm môi trường nước Thực tế có rất nhiều nguồn gây ô nhiễm môi trường nước. Nước bị ô nhiễm kim loại nặng chủ yếu là do việc khai thác mỏ. Do nhu cầu sử dụng của Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên 5 con người ngày càng tăng làm cho việc khai thác kim loại cũng tăng lên. Tuy nhiên, việc xử lý nguồn nước thải từ việc khai thác mỏ chưa được quan tâm đúng mức càng làm cho kim loại nặng phát tán vào môi trường. Ngoài ra, việc gây ô nhiễm môi trường bởi các ion kim loại nặng còn ở việc sản xuất quặng và sử dụng thành phẩm. Quá trình sản xuất này cũng làm tăng cường sự có mặt của chúng trong môi trường. Bên cạnh đó việc tái sử dụng lại các phế thải chứa ion kim loại nặng chưa được chú ý và quan tâm đúng mức. 1.2. Giới thiệu một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng Hiện nay môi trường nước gần các khu công nghiệp, các thành phố lớn có nguy cơ bị ô nhiễm kim loại nặng là rất lớn đe dọa đến sức khỏe của con người và môi trường sống. Để đáp ứng nhu cầu về nước sinh hoạt và việc xử lý môi trường đòi hỏi phải có những biện pháp xử lý phù hợp đạt hiệu quả cao. 1.2.1. Phương pháp kết tủa Phương pháp này thường dùng để thu hồi kim loại từ dung dịch dưới dạng hiđroxit kim loại rất ít tan. n+ - M + n OH M(OH)n Ngoài ra còn có thể sử dụng các chất tạo kết tủa như xút, vôi, cacbonat, sunfua... Tuy nhiên phương pháp này chỉ là quá trình xử lý sơ bộ, đòi hỏi những quá trình xử lý tiếp theo. 1.2.2. Phương pháp trao đổi ion Trao đổi ion là một trong những phương pháp thường được dùng để tách kim loại nặng từ nước thải. Nhựa trao đổi ion có thể tổng hợp từ hợp chất - vô cơ hay hợp chất hữu cơ có gắn các nhóm như : (-SO3H), ( -COO ), amin. Các cation và anion được hấp phụ trên bề mặt nhựa trao đổi ion: n+ + nRH + M RnM + nH Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên 6 RCl + A- RA + Cl- Khi nhựa trao đổi ion đã bão hòa, người ta khôi phục lại cationit và anionit bằng dung dịch axit loãng hoặc dung dịch bazơ loãng. Về mặt kĩ thuật thì hầu hết kim loại nặng đều có thể tách ra bằng phương pháp trao đổi ion, nhưng phương pháp này thường tốn kém. 1.2.3. Phương pháp hấp phụ So với các phương pháp xử lí nước thải khác, phương pháp hấp phụ có các đặc tính ưu việt hơn hẳn. Vật liệu hấp phụ được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên và các phế thải nông nghiệp sẵn có, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp, chi phí thấp, đặc biệt, các vật liệu hấp phụ này có độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành thấp, hiệu quả cao. Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ. [6], [10] 1.2.4. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 1.2.4.1. Sự hấp phụ, cân bằng hấp phụ Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn - lỏng, khí - lỏng, lỏng - rắn, lỏng - lỏng...). Trong đó: Chất hấp phụ: là chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ các phần tử ở lớp bề mặt của chất đó, có khả năng hút các phần tử pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất bị hấp phụ: là chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ, chất này bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Giải hấp phụ: là quá trình đi ra khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ. Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Tuỳ theo bản chất của lực tương tác mà người ta chia làm hai loại hấp phụ: hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học. Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên 7 Hấp phụ vật lí: gây ra bởi lực tương tác Vanderwaals giữa phần tử chất bị hấp phụ và chất hấp phụ. Lực liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Quá trình hấp phụ vật lí là một quá trình thuận nghịch. Hấp phụ hóa học: gây ra bởi các lực liên kết hóa học giữa phần tử chất bị hấp p hụ với phần tử chất hấp phụ. Lực liên kết này bền, khó bị phá vỡ. [1],[2], [6],[10]. Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối. Trong một số hệ hấp phụ, sự hấp phụ xảy ra đồng thời cả hai quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Cân bằng hấp phụ: Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ trên bề mặt hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược trở lại pha thể tích. Khi lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha thể tích càng nhanh. Đến một thời điểm nào đó tốc độ của quá trình hấp phụ bằng tốc độ của quá trình giải hấp phụ thì quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng. Đối với một hệ xác định, dung lượng hấp phụ là một hàm của nhiệt độ và áp suất hoặc nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích. q = q(T, p) hoặc q = q(T, C) Ở một nhiệt độ xác định, dung lượng hấp phụ phụ thuộc vào áp suất (nồng độ): q = q(p) hoặc q = q(C) Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng dưới các điều kiện nồng độ và nhiệt độ cho trước. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức: Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên 8 (C C )v q 0 cb m Trong đó: - q: dung lượng hấp phụ (mg/g) - V: thể tích dung dịch (l ) - m: khối lượng chất hấp phụ (g ) - Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l) - Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l) Trong quá trình hấp phụ, các phần tử bị hấp phụ không bị hấp phụ đồng thời, bởi vì các phần tử chất bị hấp phụ phải khuếch tán từ dung dịch đến bề mặt ngoài chất hấp phụ và sau đó khuếch tán vào sâu bên trong hạt của chất hấp phụ. Đối với hệ lỏng - rắn, quá trình hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn chính sau: Giai đoạn khuếch tán trong dung dịch: Các phần tử chất bị hấp phụ chuyển từ pha thể tích đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ. Giai đoạn khuếch tán màng: phần tử chất hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các hệ mao quản. Giai đoạn khuếch tán trong mao quản: các phần tử chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ. Giai đoạn hấp phụ thực sự: các phần tử chất bị hấp phụ được gắn chặt vào bề mặt chất hấp phụ. Quá trình hấp phụ có thể được coi là một phản ứng nối tiếp, trong đó mỗi phản ứng nhỏ là một giai đoạn của quá trình. Khi đó, giai đoạn có tốc độ chậm nhất đóng vai trò quyết định đến tốc độ của cả quá trình. Trong các quá trình động học hấp phụ, người ta thừa nhận: giai đoạn khuếch tán trong và ngoài có tốc độ chậm nhất. Do đó các giai đoạn này đóng vai trò quyết định đến toàn bộ quá trình động học hấp phụ. Dung lượng hấp phụ phụ thuộc vào Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên