ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM VĂN TUẤN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) C ỦA ĐÁ ONG TỰ NHIÊN VÀ QUẶNG APATIT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM VĂN TUẤN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) C ỦA ĐÁ ONG TỰ NHIÊN VÀ QUẶNG APATIT Chuyên ngành: Hoá phân tích Mã số: 60440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS. Trần Tứ Hiếu Hà Nội - 2014 i LỜI CẢM ƠN Với tấm lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn GS. TS Trần Tứ Hiếu - người thầy đã giao đề tài và hướng dẫn em hoàn thiện luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm và giúp đỡ quý báu của PGS. TS Tạ Thị Thảo và PGS.TS. Nguyễn Xuân Trung. Em xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Hóa Phân tích - Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên Phạm Văn Tuấn ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 2 1.1.Tổng quan về chất hấp phụ 2 1.2.Tổng quan về đá ong, quặng apatit 6 1.3.Tổng quan về sắt, crom, mangan, niken và nguồn gốc phát tán của chúng vào môi trường nước 8 1.4. Một số phương pháp tách và làm giầu lượng vết kim loại nặng …………….11 1.4.1. Phương pháp cộng kết ………………………………………………… 11 1.4.2. Phương pháp chiết lỏng - lỏng ………………………………………… 11 1.4.3. Phương pháp chiết pha rắn …………………………………………………12 1.5. Giới thiệu phương pháp nghiên cứu tính chất hấp phụ của chất hấp phụ 13 1.5.1. Các khái niệm 13 1.5.2. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ 15 1.5.3. Quá trình hấp phụ động trên cột 16 1.5.4. Hấp phụ trong môi trường nước 18 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 22 2.1. Đối tượng và mục tiêu 22 2.2. Nội dung nghiên cứu …………………………………………………………22 2.3. Phương pháp nghiên cứu ……………………………………………… ……22 2.4. Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm và hoá chất 23 2.4.1. Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm 23 2.4.2. Hoá chất 24 2.5.1. Chuẩn bị vật liệu 25 2.5.2. Xác định các tính chất vật lý của vật liệu ……………………………… 25 2.5.3. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) theo phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 26 2.5.3.1. Khảo sát khoảng tuyến tính của Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) 26 2.5.3.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) 27 iii 2.5.3.3. Đánh giá độ chính xác của phép phân tích 29 2.5.4. Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) của các vật liệu theo phương pháp tĩnh 30 2.5.5. Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) của đá ong tự nhiên và quặng apatit theo phương pháp động ………………………… 33 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1. Xác định các tính chất vật lý của đá ong tự nhiên và quặng apatit 34 3.1.1. Xác định hình dạng của các vật liệu (SEM) 34 3.1.2. Xác định diện tích bề mặt riêng (BET) của các vật liệu 34 3.1.3. Phổ hồng ngoại của đá ong tự nhiên và quặng apatit 34 3.1.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của đá ong tự nhiên và quặng apatit 36 3.2. Xác định điểm đẳng điện của các vật liệu hấp phụ 37 3.3. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) theo phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 38 3.3.1. Khảo sát khoảng tuyến tính của Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) 38 3.3.2.2. Đánh giá phương trình hồi quy của đường chuẩn 42 3.3.3. Đánh giá độ chính xác của phép phân tích 45 3.4. Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) của các vật liệu theo phương pháp tĩnh 47 3.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của các vật liệu……….50 3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến cân bằng hấp phụ 50 3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt vật liệu đến khả năng hấp phụ 52 3.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ 53 3.4.5. Ảnh hưởng của nồng độ đầu 56 3.4.6. Đánh giá khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) của các vật liệu 66 3.5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) của đá ong tự nhiên và quặng apatit theo phương pháp động …………………………… 67 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Một số thông số vật lý của đá ong tự nhiên và quặng apatit 34 Bảng 3.2. Điểm đẳng điện của các vật liệu 37 Bảng 3.3. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ của dung dịch Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) 39 Bảng 3.4. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) 41 Bảng 3.5. Kết quả khảo sát đánh giá độ chính xác của phương trình hồi quy của đường chuẩn Fe(III) 43 Bảng 3.6. Giới hạn phát hiện và định lượng của phương pháp phân tích 45 Bảng 3.7. Kết quả khảo sát độ đúng của phép đo 46 Bảng 3.8. Kết quả đánh giá độ chính xác của phép đo quang phổ hấp thụ phân tử . 46 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) của các vật liệu 47 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) 50 Bảng 3.11. Ảnh hưởng của kích thước hạt vật liệu đến khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) 52 Bảng 3.12. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) 53 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) của các vật liệu ………………… 60 Bảng 3.14. Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir của các ion 60 Bảng 3.15. Các thông số hấp phụ theo mô hình Freundlich của đá ong tự nhiên và quặng apatit 66 Bảng 3.16. Hàm lượng Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) hấp phụ của đá ong tự nhiên theo phương pháp động 64 Bảng 3.17. Hàm lượng Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) hấp phụ của quặng apatit theo phương pháp động 65 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Mô hình cột hấp phụ 17 Hình 1.2. Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ trên cột hấp phụ theo thời gian 18 Hình 3.1. Ảnh SEM của đá ong tự nhiên và quặng apatit 34 Hình 3.2. Phổ hồng ngoại của đá ong tự nhiên 35 Hình 3.3. Phổ hồng ngoại của quặng apatit 35 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của đá ong tự nhiên 36 Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của quặng apatit 37 Hình 3.7. Đồ thị phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nông độ Fe(III) 40 Hình 3.8. Đồ thị phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nông độ Cr(VI) 40 Hình 3.9. Đồ thị phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nông độ Mn(II) 40 Hình 3.10. Đồ thị phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nông độ Ni(II) 40 Hình 3.11. Đường chuẩn xác định nồng độ Fe(III) 44 Hình 3.12. Đường chuẩn xác định nồng độ Cr(VI) 44 Hình 3.13. Đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II) 42 Hình 3.14. Đường chuẩn xác định nồng độ Ni(II) 42 Hình 3.15. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) của đá ong tự nhiên 48 Hình 3.16. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) của quặng apatit 49 Hình 3.17. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụFe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) của đá ong tự nhiên 51 Hình 3.18. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) của quặng apatit 52 Hình 3.19. Ảnh hưởng của khối lượng đá ong đến khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) 55 Hình 3.20. Ảnh hưởng của khối lượng quặng apatit đến khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) 55 vi Hình 3.21. Ảnh hưởng của nồng độ đầu của các ion đến dung lượng hấp phụ của đá ong tự nhiên 59 Hình 3.22. Ảnh hưởng của nồng độ đầu của các ion đến dung lượng hấp phụ của quặng apatit 60 Hình 3.23. Sự phụ thuộc C cb/q vào C cb của Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) đối với đá ong tự nhiên 60 Hình 3.24. Sự phụ thuộc C cb/q vào C cb của Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) đối với quặng apatit 60 Hình 3.25. Sự phụ thuộc Ln(q) vào Ln(C cb ) của Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) đối với đá ong tự nhiên 65 Hình 3.26. Sự phụ thuộc Ln(q) vào Ln(C cb ) của Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) đối với quặng apatit 65 Hình 3.27. Khả năng hấp phụ động Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) của đá ong tự nhiên 65 Hình 3.28. Khả năng hấp phụ động Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) của quặng apatit 66 vii CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT BET : Brunaur – Emmetle – Teller IR : Intrared Spectroscopy SEM : Scanning Electron Microscopy UV – Vis : Ultraviolet Visble XRD : X-ray Diffration mg/L : part per million LOD : Limit of Detection LOQ : Limit of Quantity RSD : Relative Standard Deviation Abs : Absorptivity 1 MỞ ĐẦU Hiện nay, quá trình công nghiệp hoá, đô thị hoá và sự gia tăng dân số ở các thành thị đã làm cho tình trạng ô nhiễm môi trường, nhất là môi trường nước ngày càng trở nên nghiêm trọng. Các ion kim loại nặng là những nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể sống. Tuy nhiên, khi vượt quá giới hạn cho phép, chúng thể hiện độc tính cao và gây ảnh hưởng lớn đối với sức khoẻ của con người. Do đó, việc xác định hàm lượng các ion kim loại nặng trong các nguồn nước, từ đó hướng tới mục đích xử lý chúng đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Các ion kim loại nặng có trong các nguồn nước có thể được xử lý bằng một số phương pháp như phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion, phương pháp keo tụ Trong các phương pháp đó, phương pháp hấp phụ tỏ ra có nhiều ưu việt bởi tính kinh tế, tính hiệu quả, thao tác đơn giản và dễ thực hiện. Trong phương pháp hấp phụ, các nhà khoa học thường hướng tới việc sử dụng các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên, vì các vật liệu này có giá thành rẻ và khá thân thiện với môi trường. Đá ong là nguồn khoáng liệu rất phổ biến ở Việt Nam, đặc biệt là ở vùng đồng bằng Bắc Bộ và có đặc tính hấp phụ. Cho đến nay, đã có một số công trình nghiên cứu khả năng hấp ion kim loại nặng của đá ong tự nhiên và đá ong biến tính. Quặng apatit cũng có một trữ lượng lớn ở Lào Cai và cũng có đặc tính hấp phụ. Hiện nay, số công trình nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng của loại quặng này còn rất ít. Xuất phát từ những lý do đó, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) của đá ong tự nhiên và quặng apatit ”. [...]... Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) có trong mẫu phân tích trước và sau khi hấp phụ trên vật liệu đá ong tự nhiên và quặng apatit 21 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng và mục tiêu 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là đá ong tự nhiên và quặng apatít 2.1.2 Mục tiêu nghiên cứu Khảo sát đánh giá khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) của hai vật liệu đá ong tự nhiên và. .. giả Đồng Thị Hương Liên đã nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của quặng mangan Cao Bằng Khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) của loại quặng này đã được tác giả nghiên cứu Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, sự hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) trên quặng mangan Cao Bằng tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir Dung lượng hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) xác định được theo mô hình... nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa... liệu, nồng độ đầu) - Nghiên cứu khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) của đá ong tự nhiên và quặng apatit theo phương pháp động 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Định lượng Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) bằng phương pháp UV-Vis Các điều kiện tối ưu xác định, định lượng các ion Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) bằng phương pháp UV-Vis đã được rất nhiều các tác giả nghiên cứu Do đó, chúng... được sự quan tâm của các nhà khoa học Do đó, nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên nói chung, đá ong và quặng apatit nói riêng trong việc nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng, hướng tới mục đích loại bỏ chúng trong một số nguồn nước mang ý nghĩa lớn về khoa học và kinh tế 1.2 Tổng quan về đá ong, quặng apatit  Đá ong Đá ong là một khoáng chất phổ biến và có trữ lượng... quả nghiên cứu cho thấy diện tích bề mặt riêng của vật liệu hấp phụ là 122 m2/g, dung lượng hấp phụ Ni(II) cực đại là 31,45mg/g [27] Tác giả Shitong Yang và cộng sự đã nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni(II) trên vật liệu cacbon ống nano đa vách Sự ảnh hưởng của thời gian, pH, ion lạ và PAA (polyacrylic acid) đến khả năng hấp phụ Ni(II) của vật liệu đã được nghiên cứu Khi pH tăng từ 2-9 thì hiệu suất hấp phụ. .. hấp phụ và chất bị hấp phụ, người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Vander Waals giữa phần tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ, liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ Hấp phụ vật lý kèm theo hiệu ứng nhiệt nhỏ (từ 4 đến 25 KJ/mol) 13 Hấp phụ hoá học gây ra bởi lực liên kết hoá học giữa bề mặt chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, liên kết này bền, khó bị phá vỡ Hấp. .. pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử và mô hình hấp phụ Langmuir để nghiên cứu sự hấp phụ ion kim loại trên vật liệu Kết quả thực nghiệm cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu khảo sát tương đối lớn, khoảng 43mg/g đối với Pb và 36mg/g đối với Cd [10] Tác giả Đỗ Trà Hương đã nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II) và đánh giá khả năng xúc tác oxi hóa xanh metylen, phân hủy metylen xanh của vật liệu oxit... Giải hấp phụ Giải hấp phụ là quá trình chất bị hấp phụ ra khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp phụ Đối với hấp phụ vật lý để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thông qua các yếu tố sau: - Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ - Sử dụng tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã hấp phụ. .. đường chuẩn cho phép xác định Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) - Đánh giá phương pháp phân tích thông qua việc xác định giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ), độ chính xác của phương pháp (bao gồm độ chụm và độ đúng của phép đo) - Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II) và Ni(II) của đá ong tự nhiên và quặng apatit (pH, thời gian, khối lượng vật liệu, . TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM VĂN TUẤN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) C ỦA ĐÁ ONG TỰ NHIÊN VÀ QUẶNG APATIT LUẬN VĂN. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM VĂN TUẤN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) C ỦA ĐÁ ONG TỰ NHIÊN VÀ QUẶNG APATIT Chuyên ngành:. nồng độ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) 27 iii 2.5.3.3. Đánh giá độ chính xác của phép phân tích 29 2.5.4. Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI), Mn(II), Ni(II) của các