LỜI CẢM ƠN! Với lòng biết ơn sâu sắc. em xin chân thành cảm ơn thầy giáo T.S Nguyễn Xuân Dũng đã giao đề tài và tận tình giúp đỡ em trong quá trình thí nghiệm và hoàn thành khóa luận này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo hướng dẫn phòng thí nghiệm thuộc khoa Hóa – Trường Đại Học Vinh đã tạo mọi điều kiện cho em trong quá trình hoàn thành khóa luận. Cuối cùng em chân thành cảm ơn bạn bè thân thiết đã luôn ủng hộ và sẵn sàng giúp đỡ em mọi lúc. Vinh, tháng 05 năm 2010. Sinh viên Nguyễn Thị Phương Dung 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2 PHẦN1:PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 2 I. Khái niệm hấp phụ 2 II. Cơ sở của phương pháp hấp phụ trong xử lý nước thải 2 III. Các loại vật liệu hấp phụ 2 1. Khoáng sét bentonit 2 2. Điatonit 3 3. Đioxitmangan (MnO 2 ) 3 4. Khoáng vật chứa sắt 3 5. Than hoạt tính 3 6. Các vật liệu khác 4 IV. Một số lý thuyết về hấp phụ trong pha lỏng – rắn 4 1. Lực hấp phụ 4 2. Các kiểu tiến hành hấp phụ 5 V. Sự hấp phụ trên ranh giới phân chia rắn – lỏng 7 1. Sự hấp phụ phân tử từ dung dịch 7 2. Sự hấp phụ các chất điện ly 7 3. Sự hấp phụ trao đổi 8 VI. Phương trình lí thuyết hoặc thực nghiệm để mô tả sự hấp phụ đẳng nhiệt 9 VII. Hệ thống thiết bị hấp phụ 11 PHẦN 2: THAN HOẠT TÍNH 13 I. Giới thiệu về than hoạt tính 13 II. Cấu tạo của than hoạt tính 16 1. Cấu tạo 16 2. Cấu trúc mạng lưới tinh thể 18 2 3.Cấu trúc xốp 19 4. Cấu trúc bề mặt 21 5. Tính chất chung của than hoạt tính 22 PHẦN 3: ĐẠI CƯƠNG VỀ SẮT VÀ MANGAN 23 I. Đại cương về sắt (Fe) 23 1. Đặc điểm nguyên tố 23 2. Tính chất vật lý 23 3. Trạng thái tự nhiên 23 4. Ứng dụng 23 II. Đại cương về mangan (Mn): 24 1. Đặc điểm nguyên tố 24 2. Tính chất vật lý 24 3. Trạng thái tự nhiên 25 4. Ứng dụng 25 III. Độc tính của sắt và mangan 25 1. Độc tính của sắt 26 2. Độc tính của mangan 27 IV. Ý nghĩa môi trường của sắt và mangan 27 V. Các phương pháp xử lý tách loại sắt và mangan từ môi trường nước 28 1. Phương pháp hóa lý 28 2. Phương pháp sinh học 32 3. Xử lý kim loại nặng bằng phương pháp hoá học 32 VI. Các phương pháp xác định Fe, Mn 35 1. Xác định hàm lượng sắt trong nước 35 2. Xác định hàm lượng mangan trong nước 36 VII. Các phương pháp định lượng trong phân tích trắc quang 38 1. Phương pháp trắc quang vi sai 38 3 2. Phương pháp đường chuẩn 40 VIII. Phương pháp xử lý thống kê số liệu thực nghiệm 40 1. Xử lý các kết quả phân tích 40 2. Xử lý thống kê các đường chuẩn 41 3. So sánh kết quả thực nghiệm với mẫu chuẩn 42 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 44 PHẦN 1: CHUẨN BỊ HÓA CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 44 I. Hoá chất 44 II. Dụng cụ và thiết bị 44 1. Dụng cụ: 44 2. Thiết bị 44 III. Chuẩn bị dung dịch thuốc thử và dung dịch chất đầu 45 PHẦN 2: THỰC NGHIỆM VỀ SẮT 47 I. Quy trình xác định lượng vết sắt trong nước 47 1. Nguyên tắc của phương pháp xác định sắt 47 2. Chọn giá trị pH tối ưu 47 3. Xây dựng đường chuẩn 48 II. Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng tới sự hấp phụ sắt lên than hoạt tính 49 1. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ 49 2. Khảo sát ảnh hưởng của lượng than hoạt tính đến khả năng hấp phụ sắt 51 3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ sắt lên than hoạt tính 53 4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Fe 3+ ban đầu đến sự hấp phụ 55 5. Khảo sát khả năng hấp phụ sắt bởi than hoạt tính bằng 56 4 phương pháp động PHẦN 3: THỰC NGHIỆM VỀ MANGAN I.Quy trình xác định lượng vết mangan trong nước 1. Nguyên tắc xác định 2. Xây dựng đường chuẩn 57 57 57 57 II.Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng tới sự hấp phụ mangan lên than hoạt tính 1. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ 58 58 2.Khảo sát ảnh hưởng của lượng than hoạt tính đến khả năng hấp phụ Mn 60 3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ sắt trên than hoạt tính 62 4. Khảo sát sự phụ thuộc % mangan bị hấp phụ trên than hoạt tính vào nồng độ Mn 2+ ban đầu 64 5. Khảo sát khả năng hấp phụ sắt bởi than hoạt tính bằng phương pháp động 66 PHẦN 4: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ SẮT, MANGAN BẰNG THAN HOẠT TÍNH TRONG MẪU TỰ TẠO GỒM HỖN HỢP Fe 3+ (20,08 mg/l) VÀ Mn 2+ 0,58 mg/l: 68 I.Pha dung dịch mẫu chuẩn hỗn hợp Fe 3+ 20,08 mg/l và Mn 2+ 0,58 mg/l 68 II. Cách tiến hành 68 III. Kết luận 69 KẾT LUẬN 70 Phụ lục 1 71 Phụ lục 2 74 5 Tài liệu tham khảo 77 MỞ ĐẦU Các kim loại nặng khá phổ biến trên bề mặt trái đất với hàm lượng khác nhau. Các nguyên tố này cũng có mặt trong các tế bào sinh vật, thường là vi lượng. Ở một số điều kiện và với nồng độ trên mức vi lượng, chúng có tác động đến môi trường sống. Sự tác động này còn nghiêm trọng hơn khi môi trường đó gắn chặt với hoạt động của con người. Trong các môi trường sống thì môi trường đất và nước, đặc biệt là môi trường nước dễ ảnh hưởng tới sức khỏe con người hơn cả. Công cuộc công nghiệp hoá được gắn với tình trạng ô nhiễm gia tăng. Ô nhiễm do kim loại nặng thải ra từ các ngành công nghiệp là một mối đe doạ nghiêm trọng đối với sức khoẻ con người và sự an toàn của hệ sinh thái. Việt Nam là nước có nền kinh tế nông nghiệp nhưng hoạt động công nghiệp đem lại 20% GDP. Nhịp độ phát triển công nghiệp nhanh, đạt trên 10%. Sự phát triển trong hoạt động công nghiệp đang vượt sự phát triển của cơ sở hạ tầng. Hiện nay, các ngành công nghiệp đều đổ trực tiếp chất thải chưa được xử lý vào môi trường. Kim loại nặng và độc tố là các thành phần đặc trưng của các chất thải công nghiệp. Việc loại trừ các thành phần chứa kim loại nặng độc ra khỏi các nguồn nước, đặc biệt là nước thải công nghiệp là mục tiêu môi trường quan trọng bậc nhất phải giải quyết hiện nay. Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm loại bỏ kim loại nặng trong nước thải trước khi thải ra môi trường. 6 Trong khóa luận này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu khả năng tách loại hai kim loại sắt và mangan trong nước theo phương pháp hấp phụ lên than hoạt tính. Nghiên cứu này nhằm thăm dò, khảo sát khả năng sử dụng than – một phụ liệu khá dồi dào và có giá thành rẻ để xử lý các ion sắt, mangan trong nước thải. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU PHẦN1:PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI I. Khái niệm hấp phụ: Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (Khí – rắn, lỏng – rắn, lỏng – lỏng ). Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ, còn chất được tích lũy trên bề mặt được gọi là chất bị hấp phụ. So sánh với sự hấp thụ: Trong một số trường hợp, khi chất bị hấp phụ xuyên qua lớp bề măt và đi vào thể tích của chất hấp phụ, thì hiện tượng này được gọi là sự hấp thụ. Như vậy, khác với sự hấp thụ xảy ra trong lòng chất hấp phụ, thì sự hấp phụ chỉ xảy ra trên bề mặt. II. Cơ sở của phương pháp hấp phụ trong xử lý nước thải: Khi bề mặt chất hấp phụ tiếp xúc với dung dịch thì nó có xu hướng giữ lại các chất tan có trong dung dịch. Người ta ứng dụng tính chất này để xử lý nước thải. Hấp phụ có thể diễn ra ở bề mặt biên giới giữa các pha: khí – rắn, lỏng – rắn, lỏng – lỏng. Trong xử lý nước thải là quá trình hấp phụ chất bẩn hòa tan ở bề mặt biên giới giữa hai pha: lỏng – và rắn. Phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải công nghiệp vì phương pháp này rất vạn năng, nó cho phép xử lý nước thải chứa một hoặc nhiều 7 loại chất bẩn khác nhau, kể cả khi nồng độ chất bẩn trong nước thải rất thấp. Như vậy phương pháp hấp phụ còn có thể dùng để xử lý triệt để nước thải sau khi đã xử lý bằng các phương pháp khác. III. Các loại vật liệu hấp phụ: 1. Khoáng sét bentonit: Là loại khoáng sét phi kim loại, thuộc hệ Alumino Silicat. Thành phần hóa học là Si 8 (Al 3,33 M 0,67 )O 20 , trong đó M là kim loại kiềm hay kiềm thổ. Dựa vào M người ta chia bentonit làm 2 loại: - Bentonit kiềm với M= K, Na, … - Bentonit kiềm thổ với M= Ca, Mg, … Khoáng sét Bentonit được sử dụng có hiệu quả trong việc xử lý nước thải có chứa nhiều chất không tan, trôi nổi, chủ yếu tạo nên bởi các hợp chất hữu cơ vi sinh vật. Đối với các chất tan chứa ion kim loại thì phải dùng loại khoáng Bentonit đã được hoạt hóa biến tính. Với nồng độ ban đầu như nhau của các kim loại nặng, khả năng hấp phụ của Bentonit giảm dần theo trật tự: Cu > Pd > Zn > Ni > Cd > … 2. Điatonit: Là khoáng vật tự nhiên có thành phần chủ yếu là oxit silic, có nguồn gốc chủ yếu từ các chất hữu cơ. Điatonit đã nung với thành phần chứa không dưới 90% SiO 2 , không quá 2% Fe 2 O 3 , 3% Al 2 O 3 , độ ẩm khoảng 2% và bị mất khi nung, được dùng làm chất trợ lắng, trợ lọc để làm trong nước và làm giảm độ cứng của nước sinh hoạt. 3. Đioxitmangan (MnO 2 ): Được sử dụng nhiều trong lĩnh vực làm nước sinh hoạt. 4. Khoáng vật chứa sắt: Là loại khoáng vật có chứa hyđroxit sắt hoặc oxit sắt phủ lên cát tạo thành hỗn hợp khoáng. Người ta đã tạo ra hợp chất hấp phụ mới gọi là cát oxit sắt bằng cách cho dung dịch muối sắt, bazơ vào trong cát và nung ở nhiệt độ cao, tùy thuộc vào nhiệt độ nung, pH mà khoáng vật có thể hấp phụ catinon hay anion. 8 5. Than hoạt tính: Từ lâu người ta đã biết dùng than hoạt tính để làm sạch nước sinh hoạt, dùng để hấp phụ các chất hữu cơ, vô cơ có trong nước thải. Gần đây người ta đã nghiên cứu và ứng dụng khả năng hấp phụ của than hoạt tính với các kim loại nặng có trong nước thải. Thông thường người ta đã sử dụng than hoạt tính để tinh chế nước sau khi đã tách các kim loại nặng ở dạng kết tủa hydroxit. Quá trình hấp phụ các kim loại nặng của than hoạt tính tuân theo phương trình Frendlic. 6. Các vật liệu khác: Trong nhiều năm gần đây việc nghiên cứu và ứng dụng các phế phẩm từ nông nghiệp, lâm nghiệp đã đươc tiến hành và thu được kết quả rất đáng kể. Ví dụ: vỏ đậu nành, vỏ hạt bông, cám trấu, bã mía, … Tuy nhiên việc loại bỏ các kim loại nặng ra khỏi nước thải bằng các vật liệu này không tốt bằng việc sử dụng các thiết bị hiện đại như: màng lọc, … nhưng nó lại có ưu điểm là giá thành rẻ, khả năng sử dụng cao, nguồn nguyên liệu có sẵn. IV. Một số lý thuyết về hấp phụ trong pha lỏng – rắn: Hấp phụ các chất bẩn hòa tan là kết quả của sự di chuyển phân tử của các chất đó từ nước vào bề mặt chất rắn (gọi là chất hấp phụ) dưới tác dụng của trường lực bề mặt. Trường lực bề mặt gồm có hai dạng : - Hyđrat hoá các phân tử chất tan, tức là tác dụng tương hỗ giữa các phân tử chất rắn hoà tan với những phân tử nước. - Tác dụng tương hỗ giữa các phân tử chất bẩn bị hấp phụ với các phân tử trên bề mặt chất rắn. Quá trình hấp phụ là quá trình thuận nghịch. Nghĩa là sau khi chất bẩn đã bị hấp phụ hết rồi, có thể di chuyển ngược trở lại từ bề mặt chất hấp phụ vào dung dịch. Hiện tượng này gọi là khử hấp phụ với những điều kiện như nhau, tốc độ của quá trình thuận nghịch tương ứng tỉ lệ với nồng độ chất bẩn trong dung dịch và trên bề mặt chất hấp phụ: - Khi nồng độ chất bẩn trong dung dịch ở giá trị cao nhất thì tốc độ hấp phụ cũng là lớn nhất. - Khi nồng độ chất bẩn trên bề mặt hấp phụ tăng thì số phân tử (đã bị hấp 9 phụ) sẽ di chuyển trở lại dung dịch càng nhiều hơn. 1. Lực hấp phụ: Người ta cho rằng, các phân tử bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ là do hai nguyên nhân : hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Tùy thuộc vào bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta xếp vào lực vật lý hay lực hóa học. a, Sự hấp phụ vật lý: Sự hấp phụ được gọi là hấp phụ lý học nếu nếu lực hấp phụ là lực giữa các phân tử (lực Vander Waals). Hấp phụ vật lý là quá trình hai chiều ( thuận nghịch) chiều ngược của sự hấp phụ là sự khử hấp phụ. Trong sự hấp phụ vật lý lực khuyếch tán luôn luôn có mặt và cùng với lực tĩnh điện (cảm ứng và định hướng), lực liên kết hiđro, liên kết ∏, … trong từng trường hợp riêng biệt hợp lại thành lực hấp phụ. Nếu phân tử không có momen lưỡng cực mạnh, hoặc nếu không có các tương tác đặc thù khác thì lực khuyếch tán chiếm ưu thế. Lực khuyếch tán giảm nhanh theo khoảng cách, cho nên lớp hấp phụ thứ nhất được giữ chặt trên bề mặt, lớp thứ hai được giữ yếu hơn. Do đó nhiệt hấp phụ chỉ hơi lớn hơn nhiệt thăng hoa hoặc bay hơi (tỏa ra 2-6 Kcal/mol) các chất hấp phụ sẽ dễ bị khử hấp phụ. b, Sự hấp phụ hóa học: Sự hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hóa học. Các phân tử hoặc chất bị hấp phụ liên kết với chất hấp phụ bởi các lực bền vững tạo thành những hợp chất hóa học bề mặt mới. Vì thế lớp hấp phụ hóa học không thể vượt quá một lớp đơn phân tử. Sự hấp phụ hóa học có tính chất chọn lọc và là không thuận nghịch. Nhiệt lượng tỏa ra lớn hơn hấp phụ lý học rất nhiều : 22Kcal/mol. Một điểm khác nhau nữa giữa sự hấp phụ lý học và hấp phụ hóa học là khi tăng nhiệt độ thì sự hấp phụ lý học giảm còn sự hấp phụ hóa học lại tăng. Lực Vander Waals và lực hóa học đều có cùng một nguồn gốc điện, chúng chỉ khác nhau ở phạm vi tác dụng: lực Vander Waals tác dụng ở khoảng cách lớn hơn so với lực hóa học. Do đó nếu xảy ra sự hấp phụ hóa học thì giai đoạn đầu tiên phải là sự hấp phụ lý học. 10