Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ lạc và thăm dò xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM --------------------- NGUYỄN THÙY DƯƠNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ ION KIM LOẠI NẶNG TRÊN VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ VỎ LẠC VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Thái Nguyên, năm 2008 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM --------------------- NGUYỄN THÙY DƯƠNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ ION KIM LOẠI NẶNG TRÊN VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ VỎ LẠC VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LÊ HỮU THIỀNG Thái Nguyên, năm 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC Mục lục Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị Mở đầu .................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN ...................................................................... 3 1.1 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ .................................. 3 1.1.1. Các khái niệm ............................................................. 3 1.1.2. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ ................... 5 1.1.2.1. Mô hình động học hấp phụ ................................ 5 1.1.2.2. Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt ........................ 6 1.2. Giới thiệu về VLHP vỏ lạc ................................................ 9 1.2.1. Năng suất và sản lượng lạc .......................................... 9 1.2.2. Thành phần chính của vỏ lạc........................................ 10 1.2.3. Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP ............................................................................................... 11 1.3. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ............................... 12 1.3.1. Sự xuất hiện phổ hấp thụ nguyên tử ............................. 12 1.3.2. Cường độ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử .................. 13 1.4. Sơ lược về một số kim loại nặng........................................ 14 1.4.1. Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng .......... 14 1.4.2. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con người và môi trường .............................................................................................. 15 1.4.3. , crom, đồng, mangan, niken và chì ...................................................................... 15 1.4.3.1. Tính chất độc hại của cadimi ............................. 15 1.4.3.2. Tính chất độc hại của crom ................................ 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.4.3.3. Tính chất độc hại của đồng ................................ 16 1.4.3.4. Tính chất độc hại của mangan ............................ 17 1.4.3.5. Tính chất độc hại của niken ............................... 17 1.4.3.6. Tính chất độc hại của chì ................................... 18 1.4.4. Tiêu chuẩn Việt Nam về nước thải chứa ion kim loại nặng ........................................................................................................ 18 Chương 2: THỰC NGHIỆM ................................................................. 20 2.1. Thiết bị và hóa chất........................................................... 20 2.1.1. Thiết bị ....................................................................... 20 2.1.2. Hóa chất ..................................................................... 20 2.2. Chế tạo VLHP từ nguyên liệu vỏ lạc ................................. 21 2.2.1. Quy trình chế tạo VLHP từ nguyên liệu vỏ lạc.............. 21 2.2.2. Kết quả khảo sát một số đặc điểm bề mặt của VLHP .... 21 2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ các ion kim loại trên VLHP . 23 2.3.1. Dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion kim loại Cd, Cr, Cu, Mn, Ni và Pb theo phương pháp hấp thụ nguyên tử ............................. 23 2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của VLHP đối với Cd(II), Cr(VI), Cu(II), Mn(II), Ni(II) và Pb(II).................... 26 2.3.3. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của VLHP đối với Cd(II), Cr(VI), Cu(II), Mn(II), Ni(II) và Pb(II) .......................................... 31 2.3.4. Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với Cd(II), Cr(VI), Cu(II), Mn(II), Ni(II) và Pb(II) .......................................... 34 2.4. Xử lý thử một mẫu nước thải chứa ion Ni(II) của nhà máy quốc phòng bằng phương pháp hấp phụ trên VLHP chế tạo từ vỏ lạc.. 40 KẾT LUẬN ............................................................................................ 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................... 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Diễn biến sản xuất lạc ở Việt Nam ........................................... ..10 Bảng 1.2: Thành phần vỏ lạc ................................................................... ..10 Bảng 1.3: Giá trị giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp .................................................................................................... ..19 Bảng 2.1: Điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử có ngọn lửa của một số kim loại......................................................................................................... ..23 Bảng 2.2: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Cd(II) ................. ..24 Bảng 2.3: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Cr(VI) ................. ..24 Bảng 2.4: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Cu(II) .................. ..25 Bảng 2.5: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Mn(II) ................. ..25 Bảng 2.6: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Ni(II) .................. ..25 Bảng 2.7: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Pb(II) .................. ..26 Bảng 2.8: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Cd(II) ................................ ..27 Bảng 2.9: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Cr(VI) ............................... ..27 Bảng 2.10: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Cu(II) .............................. ..28 Bảng 2.11: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Mn(II).............................. ..29 Bảng 2.12: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Ni(II) ............................... ..29 Bảng 2.13: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Pb(II) ............................... ..30 Bảng 2.14: Ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ Cd(II), Cr(VI), Cu(II), Mn(II), Ni(II) và Pb(II) của VLHP .......................................................... ..33 Bảng 2.15: Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại đến sự hấp phụ Cd(II) và Cr(VI) của VLHP ................................................................................... ..35 Bảng 2.16: Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại đến sự hấp phụ Cu(II) và Mn(II) của VLHP ................................................................................... ..36 Bảng 2.17: Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại đến sự hấp phụ Ni(II) và Pb(II) của VLHP .................................................................................... ..38 Bảng 2.18: Kết quả tách loại Ni(II) khỏi nước thải của nhà máy quốc phòng............................................................................................. ..41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1: Phổ IR của nguyên liệu ............................................................ ..22 Hình 2.2: Phổ IR của VLHP .................................................................... ..22 Hình 2.3: Ảnh chụp SEM của nguyên liệu ............................................... ..23 Hình 2.4: Ảnh chụp SEM của VLHP ....................................................... ..23 Hình 2.5: Đường chuẩn xác định nồng độ Cd(II) ...................................... ..24 Hình 2.6: Đường chuẩn xác định nồng độ Cr(VI) ..................................... ..24 Hình 2.7: Đường chuẩn xác định nồng độ Cu(II) ...................................... ..25 Hình 2.8: Đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II) ..................................... ..25 Hình 2.9: Đường chuẩn xác định nồng độ Ni(II) ...................................... ..25 Hình 2.10: Đường chuẩn xác định nồng độ Pb(II) .................................... ..26 Hình 2.11: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Cd(II) ............................... ..27 Hình 2.12: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Cr(VI) .............................. ..27 Hình 2.13: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Cu(II) ............................... ..28 Hình 2.14: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Mn(II) .............................. ..29 Hình 2.15: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Ni(II) ............................... ..29 Hình 2.16: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Pb(II) ............................... ..30 Hình 2.17: Ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ Cd(II), Cr(VI), Cu(II), Mn(II), Ni(II) và Pb(II) của VLHP .......................................................... ..32 Hình 2.18: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Cd(II)... ............................................................................................ ..35 Hình 2.19: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của VLHP đối với Cd(II) ......................................................................................... ..35 Hình 2.20: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Cr(VI) .............................................................................................. ..36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.21: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của VLHP đối với Cr(VI)......................................................................................... ..36 Hình 2.22: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Cu(II) ............................................................................................... ..37 Hình 2.23: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của VLHP đối với Cu(II) ......................................................................................... ..37 Hình 2.24: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Mn(II) .............................................................................................. ..37 Hình 2.25: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của VLHP đối với Mn(II)......................................................................................... ..37 Hình 2.26: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Ni(II)................................................................................................ ..38 Hình 2.27: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của VLHP đối với Ni(II) .......................................................................................... ..38 Hình 2.28: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Pb(II) ............................................................................................... ..39 Hình 2.29: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của VLHP đối với Pb(II) .......................................................................................... ..39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 Mở đầu Hiện nay, thế giới đang rung hồi chuông báo động về thực trạng ô nhiễm môi trường toàn cầu. Nằm trong bối cảnh chung của thế giới, môi trường Việt Nam cũng đang xuống cấp cục bộ. Nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm môi trường là do nguồn nước thải, khí thải,.. của các khu công nghiệp, khu chế xuất,…Các nguồn nước thải này đều chứa nhiều ion kim loại nặng như: Cu(II), Mn(II), Pb(II),… nhưng trước khi đưa ra ngoài môi trường hầu hết chưa được xử lý hoặc xử lý sơ bộ, do vậy đã gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là môi trường nước. Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách loại các ion kim loại nặng khỏi môi trường nước, như: phương pháp hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion,…), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học,…Trong đó, phương pháp hấp phụ được áp dụng rộng rãi và cho kết quả rất khả thi [12]. Một trong những vật liệu sử dụng để hấp phụ kim loại đang được nhiều người quan tâm là các phụ phẩm nông nghiệp, như: vỏ trấu, bã mía, lõi ngô,….[15] [17] [19]. Hướng nghiên cứu này có nhiều ưu điểm là sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, không làm nguồn nước bị ô nhiễm thêm. Mặt khác việc chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP) nhằm n . Do đó, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ lạc và thăm dò xử lý môi trường”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 Mục tiêu - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ đó (pH, thời gian, nồng độ ion kim loại). - Thử nghiệm khả năng hấp phụ của vỏ lạc với một kim loại. Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ lạc. - Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của vỏ lạc (bằng phổ IR và ảnh chụp SEM). - Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: pH, thời gian, nồng độ của ion kim loại đến sự hấp phụ trên. - Xử lý nguồn nước thải của khu công nghiệp, khu chế xuất. Phương pháp nghiên cứu - Kết hợp kỹ thuật phòng thí nghiệm và các phương pháp hoá lý để chế tạo và khảo sát đặc điểm bề mặt vỏ lạc trước và sau khi hoạt hoá. - Định lượng các ion kim loại bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 Chương 1: TỔNG QUAN . - - - - ). . . . . , l . , l . ên [6] [11]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 . G với . . - : đ . - : c . - P : l [2]. . pha mang ( [6][11]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 . [11]. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức: m VCC q cbo ).( (1.1) : q: d (mg/g). V: t (l). (g). Co: n (mg/l). Ccb: n (mg/l) Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu. 100. )( o cbo C CC H (1.2) 1.1.2. . 1.1.2.1. ụ - : - . - . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 - thự . [1]. : dt dx v (1.3) gian: )()( max0 qqkCC dt dx V cb (1.4) : x: nồng độ chất bị hấp phụ (mg/l) t: thời gian (giây) : h Co: n (mg/l). Ccb (mg/l) k: h . q: dun (mg/g). qmax: d (mg/g). 1.1.2.2 . Có Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 . V thì : p Langmuir,…[6] [11]. Mô hình Henry Phương trình y: l : a = K. P (1.5) : K: h a: l (mol/g) P (mmHg) [11]. Mô hình Freundlich [10]. số : n cbCkq 1 . (1.6) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 Hoặc dạng phương trình đường thẳng: cbC n kq lg 1 lglg (1.7) : k: h n: h 1 [11]. Mô hình : Langmuir có dạng: cb cb Cb Cb qq .1 . max (1.8) : q: d (mg/g) qmax: dung lư (mg/g) b: uir .Ccb << = qmax.b.Ccb . .Ccb >> = qmax . Phương trình Langmuir có thể biểu diễn dưới dạng phương trình đường thẳng: bq C qq C cb cb . 11 maxmax (1.9) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 1.2. Giới thiệu về VLHP vỏ lạc 1.2.1. Năng suất và sản lượng lạc Lạc là cây công nghiệp ngắn ngày, được phát hiện và gieo trồng từ khoảng 500 năm nay, giá trị kinh tế của lạc được chú ý khoảng 250 năm trở lại đây. Cây lạc có giá trị kinh tế cao và có nhiều công dụng, đặc biệt được dùng làm thực phẩm, trong công nghiệp thực phẩm, trong kỹ nghệ, trong trồng trọt,… Phụ phẩm của cây lạc gồm: khô dầu, vỏ hạt và thân lá. Thân và lá cây lạc có thể dùng làm thức ăn cho gia súc và các loại phân bón có giá trị tương đương phân chuồng Cho đến thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX, trên thế giới, lạc là cây họ đậu có diện tích lớn nhất, hiện nay đứng hàng thứ hai trong số các cây lấy dầu thực vật (về diện tích và sản lượng) với diện tích gieo trồng vào khoảng 20 21 triệu ha/năm, sản lượng vào khoảng 25.5 26 triệu tấn. Ở Việt Nam, lạc được trồng rộng rãi khắp cả nước. Trừ các loại đất quá dốc, đất chua, đất chua mặn, đất sét,…các loại đất khác đều trồng được lạc [9] [25]. Các số liệu về diện tích, năng suất và sản lượng lạc được cập nhật trong những năm gần nhất từ 2001 đến nay được thể hiện ở bảng 1.1 [16]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 Bảng 1.1: Diễn biến sản suất lạc ở Việt Nam Năm Diện tích (ha) Năng suất (tạ/ha) Sản lượng (tấn) 2001 244 600 14.84 363 100 2002 246 700 16.23 400 400 2003 246 800 16.46 406 200 2004 258 700 17.44 451 100 2005 260 000 17.42 453 000 2006 246 700 18.70 462 500 2007 254 600 19.80 505 000 1.2.2. Vỏ hạt chiếm khoảng 25 35% khối lượng hạt. Với sản lượng lạc hàng năm khoảng 500 000 tấn thì khối lượng vỏ lạc có thể lên tới 150 000 tấn/năm. Vỏ lạc có giá trị dinh dưỡng, thường được dùng để nghiền thành cám làm thức ăn cho gia súc hoặc phân bón cho cây [25]. Sau đây là kết quả phân tích thành phần vỏ lạc [9]. Bảng 1.2: Thành phần vỏ lạc Thành phần Nước Protein Lipit Gluxit Đạm Lân Kali Phần trăm (%) 10 4.2 2.6 18.5 1.8 0.2 0.5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 là gluxit, : xenlulozơ, hemixenlu . . Xenlulozơ: l h -glucozơ [C6H7O2(OH)3]n - 10.000 đến 150.000 đvC. Hemixenlulozơ: v . Lignin: l [13]. 1.2.3. VLHP : - Cd(II) 0,7 g/l (II) 31 [17]. - Một nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học khoa công nghệ môi trường, trường đại học Mersin, Thổ Nhĩ Kỳ cho thấy, vỏ củ lạc, một trong những phế phẩm lớn nhất, rẻ mạt của ngành công nghiệp thực phẩm, có thể sử dụng để cải tạo ruộng, lọc các nguồn nước bị nhiễm kim loại độc do các nhà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 máy thải ra, đặc biệt là ở các vùng đất, nguồn nước bị nhiễm ion kim loại và vỏ của củ lạc có thể loại bỏ 95% ion đồng khỏi nước thải công nghiệp trong khi mùn cưa của cây thông chỉ loại bỏ được 44%. Có thể đạt được hiệu quả cao nhất nếu nước có tính axit yếu trong khi nhiệt độ lại ít có tác động đến hiệu suất tách loại ion kim loại [26]. : c ion , như: Cu(II), Zn(II) , v 108 mg/g) [20]. : đ : Cr(III), Ni(II), Cu(II) [17]. : n 3PO4 0.39 mmol/g [15]. 1.3. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử 1.3.1. Sự xuất hiện phổ hấp thụ nguyên tử Ở điều kiện thường, nguyên tử không hấp thụ và không phát ra năng lượng dưới dạng các bức xạ. Lúc này nguyên tử ở trạng thái cơ bản, là trạng thái bền vững và nghèo năng lượng nhất của nguyên tử. Khi nguyên tử ở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 trạng thái hơi tự do, nếu ta chiếu một chùm sáng có bước sóng xác định vào đám hơi nguyên tử thì các nguyên tử tự do đó sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định ứng đúng với những tia bức xạ mà nó phát ra trong quá trình phát xạ của nó. Lúc này nguyên tử đã nhận năng lượng của các tia bức xạ chiếu vào và chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. Quá trình đó được gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của nguyên tố đó [8][14]. 1.3.2. Cường độ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử [8] Trong vùng nồng độ C nhỏ của chất phân tích, mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ hấp thụ và nồng độ N của nguyên tố đó trong đám hơi cũng tuân theo định luật Lambe Bear: )..( . LNK o eII (1.10) Trong đó: Io: cường độ chùm sáng chiếu vào đám hơi nguyên tử I: cường độ chùm sáng ra khỏi đám hơi nguyên tử K : hệ số hấp thụ nguyên tử của vạch phổ tần số L: bề dày lớp hấp phụ Gọi A là mật độ quang hay độ tắt nguyên tử của chùm tia sáng cường độ Io sau khi qua môi trường hấp thụ. A được tính bởi công thức: LNK I I A o ..303.2lg (1.11) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 Trong một phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, giá trị L không đổi nên A phụ thuộc vào nồng độ C A = a . C b (1.12) Trong đó: