Luận văn Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ rơm và thử nghiệm xử lí môi trường

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TRẦN THỊ HUẾ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ RƠM VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÍ MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành: Hoá phân tích Mã số: 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Lê Hữu Thiềng Thái Nguyên, năm 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: đề tài “ Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ rơm và thử nghiệm xử lí môi trường ” là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm. Thái nguyên, tháng 08 năm 2011 Tác giả luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC ...................................................................................................................................... i DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................................... vi MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................ 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN ........................................................................................................... 3 1.1. Tổng quan về kim loại nặng ................................................................................................ 3 1.1.1. Giới thiệu về kim loại nặng ................................................................................................ 3 1.1.2. Tác dụng sinh hóa của kim ạlio nặ ng đố i vớ i con ngườ i và môi trườ ........................ng 3 1.1.3. Quy chuẩ n Việ t Nam về nướ c thả i công ngệhpi .............................................................. 5 1.1.4. Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễ m kim loạ i nngặ ........................................................ 5 1.2. Giớ i thiệ u về phƣơng phá p hấ p ph ................................ụ .................................................. 8 1.2.1. Các khái niệm ...................................................................................................................... 8 1.2.2. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp ph. ................................ụ ................................ 10 1.3. Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử ............................................................................. 17 1.3.1. Nguyên tắc .......................................................................................................................... 17 1.3.2. Phương pháp đường chuẩn ............................................................................................ 17 1.4. Giới thiệu về rơm ................................................................................................................. 18 1.4.1. Diễn biến sản xuất lúa ở Việt Nam ................................................................................. 18 1.4.2. Thành phần chính của rơm ............................................................................................. 19 1.4.3. Mộ t số hướ ng nghiên cứ u sử dụ ng phụ phẩ m nông nghiệ p là m V ......................LHP 20 Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................................... 22 2.1. Thiết bị và hóa chất. ............................................................................................................ 22 2.1.1. Thiết bị ................................................................................................................................ 22 2.1.2. Hoá chất ............................................................................................................................. 22 2.2. Chế tạo VLHP từ rơm ........................................................................................................ 22 2.2.1. Quy trình chế tạo VLHP từ rơm ...................................................................................... 22 2.2.2. Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của VLHP ................................................................ 23 2.3. Dựng đƣờng chuẩn xác định nồng độ ion kim loại theo phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử ...................................................................................................................................... 24 2.4. Phƣơng pháp hấp phụ tĩnh ................................................................................................ 26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên iv 2.4.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của NL và VLHP ốđ i với Cr(VI), Cu(II), Ni(II) ........... 27 2.4.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Cr(VI), Cu(II), Ni(II) của VLHP ...................................................................................................................................... 27 2.5. Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi các kim loại nặng bằng phƣơng pháp hấp phụ động trên cột ........................................................................................................................ 30 2.5.1. Chuẩn bị cột hấp phụ ........................................................................................................ 30 2.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng ............................................................................. 31 2.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit giải hấp ......................................................... 31 2.6. Khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu hấp phụ ............................................................ 31 2.7. Xử lý mẫu nƣớc thải chứa Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ........................................................... 32 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................................. 33 3.1. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của NL, VLHP đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) 33 3.2. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ các ion Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP bằng phƣơng pháp hấp phụ tĩnh ................................................ 33 3.2.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng VLHP .................................................... 33 3.2.2. Ảnh hưởng của pH ........................................................................................................... 35 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc ................................................................................... 37 3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ ................................................................................................... 38 3.2.5.Khảo sát ảnh hưởng của một số ion đến khả năng hấp phụ Cu(II), Ni(II) và Cr(VI) của VLHP ..................................................................................................................................... 39 3.2.6. Xác ịđ nh dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ..... 40 3.3. Phƣơng trình động học ....................................................................................................... 45 3.4. Kết quả khảo sát khả năng tách loại và thu hồi các kim loại nặng bằng phƣơng pháp hấp phụ động trên cột. ..................................................................................................... 49 3.4.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng ................................................................ 49 3.4.2. Kết quả giải hấp thu hồi kim loại .................................................................................... 52 3.5. Tái sử dụng vật liệu .............................................................................................................. 54 3.6. Kết quả xử lí mẫu nƣớc thải chứa Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ............................................. 57 KẾT LUẬN .................................................................................................................................. 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Giá trị giới hạn nồng độ của một số ion kim loại ......................................... 5 Bảng 1.2: Các yếu tố ảnh hưởng tới chiều dài vùng chuyển khối .............................. 16 Bảng 1.3: Sản xuất, xuất khẩu lúa gạo Việt Nam ....................................................... 19 Bảng 1.4: Thành phần hóa học của rơm ..................................................................... 19 Bảng 1.5: Thành phần tro của rơm ............................................................................. 19 Bảng 1.6: Thành phần nguyên tố trong rơm .. ..20 Bảng 2.1: Điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa của các nguyên tố Cr, Cu, và Ni ................................................................................................................................ 25 Bảng 2.2: Sự phụ thuộc củamật độ quang vào nồng độ Cr(VI) .................................. 25 Bảng 2.3: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Cu(II) ................................. 26 Bảng 2.4: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Ni(II) .................................. 26 Bảng 3.1: Khả năng hấp phụ của NL, VLHP đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ............... 33 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP ............................................................. 34 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ......................... 35 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ... 37 Bảng 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ..................... 38 Bảng 3.6: Ảnh hưởng của Na+ , Ca2+ tới sự hấp phụ Cu(II) và Ni(II) ....................... 39 2- - Bảng 3.7: Ảnh hưởng của SO4 , NO3 tới sự hấp phụ Cr(VI) ................................. 40 Bảng 3.8: Các thông số hấp phụ Cu(II), Ni(II) và Cr(VI) của VLHP ........................ 42 Bảng 3.9: Các hằng số hấp phụ Langmuir của VLHP ................................................ 44 Bảng 3.10: Các thông số hấp phụ của Cu(II) .............................................................. 45 Bảng 3.11: Các thông số hấp phụ của Ni(II) .............................................................. 45 Bảng 3.12: Các thông số hấp phụ của Cr(VI) ............................................................. 47 Bảng 3.13: Một số tham số theo động học hấp phụ bậc 1 Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ....... 48 Bảng 3.14: Một số tham số theo động học hấp phụ bậc 2 Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ....... 48 Bảng 3.15: Nồng độ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) sau khi ra khỏi cột hấp phụ ứng với các tốc độ dòng khác nhau ................................................................................................ 49 Bảng 3.16: Kết quả giải hấp các ion Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ........................................ 52 Bảng 3.17: Khả năng hấp phụ ion Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP mới và VLHP tái sinh ........................................................................................................................ 55 Bảng 3.18: Hiệu suất hấp phụ ion Cu(II), Ni(II) và Cr(VI) ứng với VLHP mới, VLHP tái sinh lần 1 và VLHP tái sinh lần 2 .......................................................................... 55 Bảng 3.19: Kết quả tách loại Cu(II), Ni(II), Cr(VI) khỏi nước thải ........................... 57 Bảng 3.20: Nồng độ nước thải chứa Cu(II), Ni (II), Cr(VI) sau khi ra khỏi cột hấp phụ ...... 58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Mô hình cột hấp phụ ................................................................................... 14 Hình 1.2: Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ tại x = H trên cột hấp phụ theo thời gian ................................................................................................. 16 Hình 2.1: Phổ IR của NL ............................................................................................ 23 Hình 2.2: Phổ IR của VLHP ....................................................................................... 23 Hình 2.3: Ảnh chụp SEM của NL ............................................................................... 24 Hình 2.4: Ảnh chụp SEM của VLHP ......................................................................... 24 Hình 2.5: Đường chuẩn xác định nồng độ Cr(VI) ...................................................... 25 Hình 2.6: Đường chuẩn xác định nồng độ Cu(II) ....................................................... 26 Hình 2.7: Đường chuẩn xác định nồng độ Ni(II) ........................................................ 26 Hình 3.1: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào khối lượng VLHP .................. 34 Hình 3.2: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH .......................................... 35 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian ................................ 37 Hình 3.4: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào nhiệt độ .................................. 38 Hình 3.5: Ảnh hưởng của Na+ , Ca2+ tới sự hấp phụ Cu(II) ....................................... 39 Hình 3.6: Ảnh hưởng của Na+ , Ca2+ tới sự hấp phụ Ni(II) ........................................ 41 2- - Hình 3.7: Ảnh hưởng của SO4 , NO3 tới sự hấp phụ Cr(VI) ................................... 41 Hình 3. 8: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP ........................................... 43 Hình 3.9: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Cu(II) ................................................ 43 Hình 3.10: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Ni(II) .............. 43 Hình 3.11: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Ni (II) ............................................. 43 Hình 3.12: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Cr(VI) ............. 44 Hình 3.13: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Cr(VI) ............................................. 44 Hình 3.14: Đồ thị phương trình động học bậc 1 ( a) và bậc 2 (b) của Cu(II) ............. 45 Hình 3.15: Đồ thị phương trình động học bậc 1 ( a) và bậc 2 (b) của Ni(II) .............. 46 Hình 3.16: Đồ thị phương trình động học bậc 1 ( a) và bậc 2 (b) của Cr(VI) ............ 47 Hình 3.17: Nồng độ thoát của Cu(II) ứng với các tốc độ dòng khác nhau ........................ 50 Hình 3.18: Nồng độ thoát của Ni (II) ứng với các tốc độ dòng khác nhau .......................... 50 Hình 3.19: Nồng độ thoát của Cr(VI) ứng với các tốc độ dòng khác nhau ........................ 50 Hình 3.20: Kết quả giải hấp Cu(II) ............................................................................. 53 Hình 3.21: Kết quả giải hấp Ni(II) .............................................................................. 53 Hình 3.22: Kết quả giải hấp Cr(VI) ............................................................................ 53 Hình 3.23: Đường cong thoát của Cu(II) ứng với VLHP mới và VLHP tái sinh ....... 56 Hình 3.24: Đường cong thoát của Ni(II) ứng với VLHP mới và VLHP tái sinh ....... 56 Hình 3.25: Đường cong thoát của Cr(VI) ứng với VLHP mới và VLHP tái sinh ...... 57 Hình 3.26: Đường cong thoát của mẫu nước thải chứa Cu(II), Ni (II), Cr(VI) ............. 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 MỞ ĐẦU Nước là một hợp chất liên quan trực tiếp và rộng rãi đến sự sống trên trái đất. Một vài thập niên gần đây, do sự phát triển của khoa học kỹ thuật, kinh tế và sức sản xuất nhằm đáp ứng sự bùng nổ dân số, lượng nước được dùng cho sản xuất, sinh hoạt tăng lên rất nhiều và kéo theo là sự gia tăng về lượng nước thải chứa các tạp chất có hại được đưa trở lại các nguồn nước. Một trong các tác nhân gây ô nhiễm môi trường nước là các kim loại nặng. Một số phương pháp đã được đề xuất cho loại bỏ các kim loại nặng như phương pháp hoá học, phương pháp sinh học, phương pháp hoá lý, Tuy nhiên, các phương pháp này xét về mặt kinh tế thì thường tốn kém, công nghệ xử lí phức tạp. Thời gian gần đây việc sử dụng vật liệu hấp phụ (VLHP) có nguồn gốc thực vật để tách loại kim loại từ nước thải được nhiều nhà khoa học quan tâm. Ưu điểm của phương pháp này là: chi phí thấp, quá trình xử lí đơn giản và thân thiện với môi trường. Hiện nay, Việt Nam là nước xuất khẩu gạo đứng thứ hai trên thế giới. Từ năm 2002 đến nay trung bình nước ta sản xuất được 34 triệu tấn thóc/năm. Năm 2008 sản lượng lúa đã đạt 38,6 triệu tấn, chiếm 5,6% sản lượng lúa gạo toàn cầu. Do đó, hàng năm nước ta sẽ thải ra khoảng 55 triệu tấn rơm rạ. Số rơm rạ này một phần làm phân bón sinh học, phần còn lại chủ yếu được đốt bỏ ngay trên cánh đồng gây lãng phí và ảnh hưởng đến môi trường. Nếu tận dụng được nguồn rơm rạ này để chế tạo VLHP nhằm xử lí nước thải sẽ có ý nghĩa hết sức to lớn về nhiều mặt. Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trong môi trường nước bằng vật liệu hấp phụ chế tạo từ rơm và thử nghiệm xử lí môi trường ”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 Trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau: - Chế tạo nguyên liệu (NL) và VLHP từ rơm. - Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của NL và VLHP bằng phổ IR và ảnh chụp SEM. - Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của VLHP chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh. - Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Cu(II), Ni(II), Cr(VI) bằng VLHP chế tạo được theo phương pháp hấp phụ động trên cột. - Khảo sát khả năng tái sử dụng VLHP. - Sử dụng VLHP chế tạo được thử xử lý mẫu nước thải chứa Cu(II), Ni(II), Cr(VI). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về kim loại nặng 1.1.1. Giới thiệu về kim loại nặng 3 Kim loại nặng là những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5g/cm . Kim loại nặng được được chia làm 3 loại: các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn, ), những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru, ), các kim loại phóng xạ (U, Th, Ra, Am, ). Kim loại nặng không bị phân hủy sinh học, không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng nguy hiểm đối với sinh vật sống khi ở dạng cation do khả năng gắn kết với các chuỗi cacbon ngắn dẫn đến sự tích tụ trong cơ thể sinh vật sau nhiều năm. Ở hàm lượng nhỏ một số kim loại nặng là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể người và sinh vật phát triển bình thường, nhưng khi có hàm lượng lớn chúng lại có độc tính cao và là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường. Các kim loại nặng đi vào cơ thể qua con đường hô hấp, tiêu hóa và qua da. Khi đó , chúng sẽ tác động đến các quá trình sinh hóa và trong nhiều trườ ng hợ p dẫ n đế n nhữ ng hậ u quả nghiêm trọ ng. Về mặ t sinh hó a, các kim loại nặng có ái lự c lớ n vớ i cá c nhó m –SH, -SCH3 của các nhóm enzym trong cơ thể . Vì thế, các enzym bị mất hoạt tính, cản trở quá trình tổng hợ p protein của cơ thể. [5, 9] 1.1.2. Tác dụng sinh hóa của kim ạloi nặ ng đố i vớ i con ngườ i vam̀ ôi trườ ng 1.1.2.1.Tác dụng sinh hoá củ a crom Nướ c thả i từ công nghiệ p mạ điệ n , công nghiệ p khai thá c mỏ , nung đố t cá c nhiên liệ u hoá thạ ch,...là nguồn gốc gây ô nhiễ m crom. Crom có thể Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 có mặt trong nước mặt và nước ngầm . Crom trong nướ c thả i thườ ng gặ p ở dạng Cr(III) và Cr(VI). Cr(III) ít độc hơn nhiều so với Cr(VI). Với hàm lượng nhỏ Cr(III) rất cần cho cơ thể, trong khi Cr(VI) lại rất độc và nguy hiểm. Crom xâm nhậ p và o cơ thể theo ba con đườ ng : hô hấ p , tiêu hoá và da. Qua nghiên cứ u thấ y rằ ng , crom có vai trò quan tr ọng trong việc chuyể n hoá glucozơ . Tuy nhiên với hà m lượ ng cao crom có thể làm kết tủa protein, các axit nucleic và ứ c chế hệ thố ng enzym cơ bả n . Crom chủ yế u gây cá c bệ nh ngoà i da như loé t da , viêm da tiế p xú c, loét thủng màng ngăn mũi, viêm gan, viêm thậ n, ung thư phổ i,... [4] 1.1.2.2. Tác dụng sinh hoá củ a đồng Trong công nghiệp, đồng là kim loại màu quan trọng nhất, được dùng chủ yếu trong công nghiệp điện, ngành thuộc da, công nghiệp nhuộm, y học, Đối với cơ thể người, đồng là một nguyên tố vi lượng cần thiết tham gia vào quá trình tạo hồng cầu và là thành phần của nhiều enzym trong cơ thể. Nếu thiếu đồng sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển của cơ thể. Tuy nhiên sự tích tụ đồng với hàm lượng cao có thể gây độc cho cơ thể. Khi cơ thể bị nhiễm độc đồng có thể gây một số bệnh về thần kinh, gan, thận, lượng lớn hấp thụ qua đường tiêu hoá có thể gây tử vong. [8, 2] 1.1.2.3. Tác dụng sinh hoá củ a niken Niken được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp luyện kim, mạ điện, sản xuất thuỷ tinh, gốm, sứ Niken xâm nhập vào cơ thể người chủ yế u qua đườ ng hô hấ p . Khi bị nhiễ m độ c niken , các enzym mấ t hoạ t tí nh , cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể , gây cá c triệ u chứ ng khó chịu, buồ n nôn, đau đầ u; nế u tiế p xú c nhiề u sẽ ả nh hưở ng đế n phổ i , hệ thầ n kinh trung ương , gan, thậ n Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên