Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phân tích quang học để đánh giá khả hấp phụ số ion kim loại nặng vỏ trấu biến tính Trương Đắc Chí Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn Thạc sĩ ngành: Hố phân tích; Mã số: 60 44 29 Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Xuân Trung Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Nghiên cứu áp dụng để tách loại kim loại nặng khỏi môi trường nước Một phương pháp nhiều người quan tâm tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, cơng nghiệp vỏ trấu, bã mía, vỏ lạc…làm vật liệu hấp phụ ion kim loại Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ Cu2+; Zn2+; Cd2+; Pb2+ điều kiện tĩnh Đã khảo sát ảnh hưởng nồng độ đầu tìm dung lượng hấp phụ Cu2+ 54,35(mg/g), Zn2+ 35,59(mg/g), Cd2+ 35,21(mg/g), Pb2+ 52,35(mg/g) Đã khảo sát khả hấp phụ Cr vật liệu điều kiện động: Dung lượng hấp phụ cực đại Cu2+ 49,78(mg/g), Zn2+ 30,17(mg/g), Cd2+ 30,00(mg/g), Pb2+ 50,03(mg/g) Tốc độ hấp phụ 1,0ml/ phút, tốc độ rửa giải 1,0ml/ phút Thể tích dung dịch rửa giải 30ml HNO3 với nồng độ 0,2M Áp dụng thử nghiệm xử lý vài mẫu nước thải Keywords: Hóa phân tích; Phân tích quang học; Kim loại nặng; Khả hấp phụ; Vỏ trấu biến tính Content TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ Phần 1: Lí chọn đề tài Do phát triển mạnh ngành công nghiêp nên vấn đề ô nhiễm môi trường ngày tăng Nhất môi trường nước khu công nghiệp, khu chế suất tình trạng nhiễm kim loại ngày trở nên phổ biến gây ảnh hưởng xấu đến trông trọt, chăn ni sức khỏe người Vì vấn đề làm để sử lí mơi trường bị ô nhiễm kim loại nặng vấn đề cần thiết với nước Đã có nhiều phương pháp khác nghiên cứu áp dụng để tách loại kim loại nặng khỏi môi trường nước Một phương pháp nhiều người quan tâm tận dụng phụ phẩm nơng nghiệp, cơng nghiệp vỏ trấu, bã mía, vỏ lạc…làm vật liệu hấp phụ ion kim loại Phương pháp có ưu điểm sử dụng nguồn ngun liệu rẻ tiền, sẵn có khơng đưa thêm vào môi trường tác nhân độc hại khác Tuy nhiên, hiệu việc sử dụng vật liệu để hấp phụ chưa đạt hiệu mong muốn Trong phụ phẩm phụ phẩm nơng nghiệp có khối lượng lớn nước ta vỏ trấu Hàng năm có khoảng 100 triệu trấu thải phế thải nơng nghiệp, theo phân tích vỏ trấu có chứa 20% khối lượng silic, khơng q ngạc nhiên có nhiều cơng trình tập trung vào việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ sử dụng nguyên liệu từ vỏ trấu để tách, loại kim loại nặng khỏi nguồn nước thải Xuất phát từ lí trên, chọn đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phân tích quang học để đánh giá khả hấp phụ số ion kim loại nặng vỏ trấu biến tính” Phần Nội dung đề tài Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược số kim loại nặng 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Tính chất độc hại kim loại nặng: Cadimi, đồng, kẽm chì 1.2 Giới thiệu phương pháp tách kim loại nặng 1.2.1 Phương pháp kết tủa Phương pháp dựa nguyên tắc độ tan kim loại dung dịch phụ thuộc vào pH Ở giá trị pH định dung dịch nồng độ ion kim loại vượt nồng độ bão hòa xảy tượng kết tủa Trong cơng nghiệp nay, để xử lý kim loại nặng phương pháp chủ yếu phương pháp kết tủa đặc biệt nhà máy mạ điện, thuộc da … chất thường dùng làm chất kết tủa NaOH, CaO Trong vơi thường dùng nhiều nguyên liệu rẻ tiền dễ thu hồi cách lọc sa lắng.[7;12] Hiện nay, để xử lý nước thải phương pháp kết tủa cách có hiệu kinh tế người ta thường dùng CaO (hay vôi sữa) 1.2.2 Phương pháp keo tụ Phương pháp keo tụ dựa trung hịa điện tích hạt keo Các hạt keo kết tủa, kéo theo hạt bơng lơ lửng kim loại nặng nước kết tủa theo Bằng phương pháp việc tách bỏ kim loại nặng người ta loại bỏ hạt keo loại bỏ phương pháp thông thường Người ta nghiên cứu, sử dụng phèn nhôm, muối sắt, chất đông tụ PAC [15] nhằm loại bỏ số ion kim loại nặng Pb2+, Cd2+ , Zn2+ , Ni2+ , Co2+, Cu2+…khi chúng có nồng độ cao pH thích hợp vừa đơn giản kinh tế Quá trình dựa theo số phương trình sau đây: Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = Al(OH) + CaSO4 + 6CO2 Al2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 = 2Al(OH)3 + CaSO4 Al2(SO4)3 + 3Na2CO3 + 2H2O = 2Al(OH)3 + 3Na2SO4 + CO2 Các ion kim loại đông tụ tốt pH = đến 1.2.3 Phương pháp trao đổi ion Khi cho dung dịch chứa ion kim loại nặng tiếp xúc với chất hấp phụ trao đổi ion xảy trình trao đổi ion Một số nhựa dùng cho phương pháp trao đổi ion IRN77 SKN1… chế trao đổi xảy sau:[12] nRSO3 -H+ + Mn+ = (RSO3-)nMn+ + nH+ Dung lượng hấp thu loại ionit khác phụ thuộc pH dung dịch Đối với cationit axit mạnh anionit bazơ mạnh khoảng pH làm việc rộng, dung lượng hấp thu chúng thay đổi theo pH ionit axit mạnh, bazơ mạnh sử dụng rộng rãi khoảng pH làm việc rộng khả trao đổi ion nhanh Khi nhựa trao đổi ion bão hòa, người ta thường rửa giải để tái sinh cột Phương pháp ứng dụng để tách loại ion kim loại nặng độc hại có nguồn nước Hiện phương pháp trao đổi ion ứng dụng rộng rãi việc làm mềm nước.[19] 1.2.4 Phương pháp hấp phụ * Cơ sở ứng dụng Chất hấp phụ (adsorbent) chất có bề mặt tiếp xúc lớn, có khả hút chất khí hay chất tan pha lỏng lên bề mặt Khả hấp phụ chất tùy thuộc vào chất, điện tích, bề mặt riêng chất hấp phụ, nhiệt độ, pH chất chất tan Quá trình tích lũy vật chất lên bề mặt chất hấp phụ gọi trình chất bị hấp phụ, ngược với q trình hấp phụ q trình giải hấp (đó q trình giải phóng chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ)[42] 1.3 Một số vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên 1.3.1 Giới thiệu chung Cho đến có nhiều nhà khoa học cơng bố cơng trình nghiên cứu vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên hay vật liệu có nguồn gốc từ sản phẩm thải ngành kinh tế Những vật liệu sản phẩm thải ngành nông nghiệp như: lõi ngô, vỏ trấu, vỏ xơ dừa, lõi oliu, khuynh điệp, đậu, cô ca, hồ đào, vỏ cọ…; sản phẩm thải ngành công nghiệp như: than tro bay; hay khoáng liệu tự nhiên như: đất sét, zeolite [39;47] ác quặng phốt phát, phốt phát tổng hợp [24; 36], hay sản phẩm phụ trình chế biến hải sản như: vỏ tơm, vỏ cua… * Than hoạt tính * Than tro bay *.Chitin Chitosan * Bã mía * Lõi ngơ * Mùn cưa * Khống tự nhiên Zeolite 1.3.2 Giới thiệu vật liệu vỏ trấu Trấu lớp vỏ hạt lúa tách trình xay xát [24] Ở Việt Nam, vỏ trấu có nhiều Đồng Sơng Cửu Long Đồng Sông Hồng, vùng trồng lúa lớn nước Chúng thường không sử dụng hết nên phải đem đốt đổ xuống sông suối để tiêu hủy Theo khảo sát, lượng vỏ trấu thải Đồng Sông Cửu Long khoảng triệu tấn/năm, khoảng 10% số sử dụng Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu dễ bay cháy trình đốt khoảng 25% lại chuyển thành tro Chất hữu chứa chủ yếu cellulose, lignin Hemi cellulose (chiếm 90%), ngồi cịn có thêm thành phần khác hợp chất nitơ vô (chiếm 10%) Thành phần oxit chủ yếu tro vỏ trấu sau [26] * Một số ứng dụng vỏ trấu Trấu tận dụng làm nhiên liệu đốt nhà máy phát điện, phát nhiệt nhỏ, hay đốt để sấy khơ thóc Ấn Độ, Thái Lan, Inđônêsia Việt Nam Việc tận dụng tro đốt từ vỏ trấu xem xét từ đầu năm 1970 [35] * Một số nghiên cứu sử dụng nguyên liệu vỏ trấu làm chất hấp phụ Vỏ trấu hoạt hóa axit citric nhóm nghiên cứu trường Đại học Bách khoa- ĐHQG TP Hồ Chí Minh Viện Cơng nghệ Hóa học TP HCM nghiên cứu [4] chứng minh vật liệu có khả hấp phụ ion kim loại Ni2+, Cd2+ tốt lên tới 40 – 45% Chẳng hạn, biến tính vỏ trấu tác nhân hóa học, tác giả Nguyễn Xuân Trung, Nguyễn Văn Nội cộng [17] thu vật liệu có khả hấp phụ tốt ion kim loại Cu2+; Pb2+ Ni2+ Như vậy, ta thấy từ nguyên liệu với phương pháp biến tính khác ta thu vật liệu có tính hấp phụ tốt Trên sở chúng tơi tiến hành nghiên cứu biến tính vỏ trấu để làm vật liệu hấp phụ số ion kim loại nặng Chương 2: THỰC NGHIỆM Thiết bị, Dụng cụ Hóa chất Các hóa chất dùng để điều chế vật liệu dùng nghiên cứu hóa chất chuẩn Merck Chuẩn bị vật liệu hấp phụ Vật liệu hấp phụ điều chế theo bước sau: 2.3.1 Chuẩn bị vỏ trấu 2.3.2 Làm vỏ trấu 2.3.3 Điều chế EDTA 2.3.4 Điều chế EDTAD 2.3.5 Biến tính vỏ trấu EDTAD Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Xác định đặc trưng vật liệu vỏ trấu biến tính Chúng tơi tiến hành xác định cấu trúc diện tích bề mặt VLHP cách đo phổ hồng ngoại đo SEM - Kết đo Phổ hồng ngoại Tại Viện Hóa học số 18 – Hoàng Quốc Việt máy IMOAC T410 –Nicolet (FT-IR) để xác định cấu trúc vỏ trấu trước biến tính sau biến tính H1: Phổ vỏ trấu trước biến tính H2: Phổ vỏ trấu sau biến tính Dựa vào đỉnh xuất phổ, đưa cấu trúc vật liệu sau: Từ phổ chúng tơi dự đốn chế hấp phu chế tương tác tĩnh điện nhóm –OH lại bề mặt vật liệu chế tạo phức EDTA 3.2 Khảo sát điều kiện đo phổ máy AAS-680 - Chúng tiến hành khảo sát điều kiện đo với dung dịch Zn2+ (1,00ppm); dung dịch Cu2+ (1,50ppm) ;dung dịch Cd2+ (5,00ppm) dung dịch Pb2+ (10,00ppm) HNO3 % Các kết đo lặp lại lần lấy kết trung bình Kết lựa chọn điều kiên đo sau: Bảng1: Tổng kết điều kiên đo phổ Điều kiện đo Zn Cu Cd Pb Bước sóng λ (nm) 213,9 324,75 228,8 217,0 Cường độ I (mA) 11 13 Khe đo (nm) 0,5 1,0 0,2 0,5 Burner (mm) 1,6 1,6 1,2 1,8 Nền axit HNO3 2% HNO3 2% HNO3 2% HNO3 2% Chất cải biến NH4Ac 1% NH4Ac 1% NH4Ac 1% NH4Ac 1% Tốc độ khí (l/phút) 3.3 Khảo sát khoảng tuyến tính dựng đường chuẩn xác định kim loại: kẽm; đồng; cadimi chì 0.10 0.20 0.18 Y=A+B*X 0.16 0.06 0.04 0.02 R SD N P -0.99994 3.55266E-4