1. Trang Chủ
  2. Khoa học tự nhiên
  3. Khóa luận tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni(II) của than cacbon hóa từ vỏ cà phê

Khóa luận tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni(II) của than cacbon hóa từ vỏ cà phê

Những nội dung nghiên cứu của khóa luận gồm có: Điều chế than cacbon hóa từ vỏ cà phê ở các nhiệt độ và thời gian khác nhau; tính toán hiệu suất tạo than từ vỏ cà phê trong lò nung chứa khí Argon; đánh giá khả năng hấp phụ Ni(II) của các VLHP được điều chế từ vỏ cà phê; khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Ni(II) của mẫu VLHP đã chọn; xác định dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đã chọn. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ====== LÊ THỊ HỒNG NHUNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG H

Thể loại Tài liệu miễn phí Khoa học tự nhiên

Số trang 44

Ngày tạo 4/2/2023 8:31:59 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.19 M

Tên tệp

Tải Khóa luận tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu khả năng ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ====== LÊ THỊ HỒNG NHUNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Ni(II) CỦA THAN CACBON HÓA TỪ VỎ CÀ PHÊ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS. ĐỖ THỦY TIÊN HÀ NỘI - 2018
  2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ====== LÊ THỊ HỒNG NHUNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Ni(II) CỦA THAN CACBON HÓA TỪ VỎ CÀ PHÊ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS. ĐỖ THỦY TIÊN HÀ NỘI - 2018
  3. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn tới Ths. Đỗ Thủy Tiên – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành bản khóa luận tốt nghiệp này. Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Hóa học đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập dưới mái trường ĐH Sư phạm Hà Nội 2. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn tạo mọi điều kiện, động viên, giúp đỡ em trong quá trình học tập. Do điều kiện thời gian và trình độ còn hạn chế, nên bản khóa luận này không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của thầy, cô giáo cũng như toàn thể các bạn để khóa luận của em có thể hoàn thiện hơn. Hà Nội, tháng 5 năm 2018 Sinh viên thực hiện Lê Thị Hồng Nhung SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA
  4. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bài khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân em, đƣợc thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu khảo sát thực nghiệm dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của ThS. Đỗ Thủy Tiên. Các số liệu và những kết quả đo đƣợc trong khóa luận là trung thực, do cá nhân em tiến hành thí nghiệm. Hà Nội, tháng 5 năm 2018 Sinh viên thực hiện Lê Thị Hồng Nhung SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA
  5. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Tên đầy đủ VLHP Vật liệu hấp phụ. IR Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (Infrared (IR) spectroscopy). TOC Tổng lƣợng cacbon hữu cơ. SEM Phƣơng pháp điện tử quét SEM. TN Thí nghiệm SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA
  6. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 3 1.1. Giới thiệu về nguyên tố Niken ................................................................... 3 1.1.1.Tính chất vật lí, hóa học của Niken ......................................................... 3 1.1.2. Công dụng của Niken. ............................................................................. 3 1.1.3. Ảnh hƣởng của Niken. ............................................................................ 4 1.2. Giới thiệu về phƣơng pháp hấp phụ. .......................................................... 4 1.2.1. Các khái niệm. ......................................................................................... 4 1.2.2. Cân bằng hấp phụ. ................................................................................... 7 1.2.3. Các phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ. ................................................. 9 1.3. Một số hƣớng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP .. 11 1.3.1. Giới thiệu về vỏ cà phê ......................................................................... 12 1.3.2. Thành phần chính của vỏ cà phê .......................................................... 13 1.4. Giới thiệu về công nghệ cacbon hóa, than cacbon hóa. ........................... 14 1.4.1. Công nghệ cacbon hóa. ......................................................................... 14 1.4.2. Than cacbon hóa. .................................................................................. 14 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 16 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu............................................................................... 16 2.2. Hóa chất và dụng cụ. ................................................................................ 16 2.2.1. Hóa chất................................................................................................ 16 2.2.2. Thiết bị ................................................................................................. 16 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu......................................................................... 17 2.3.1. Phƣơng pháp thu thập tài liệu. .............................................................. 17 2.3.2. Phƣơng pháp phân tích.......................................................................... 17 2.3.3. Phƣơng pháp thực nghiệm. ................................................................... 17 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA
  7. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2.3.3.1. Xây dựng đƣờng chuẩn Ni(II)............................................................ 17 2.3.3.2. Thực nghiệm chế tạo than cacbon hóa từ vỏ cà phê. ......................... 17 2.3.3.3. Quy trình thực nghiệm. ...................................................................... 18 2.3.3.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ Ni(II) của VLHP. ............................................................................................................. 18 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 21 3.1. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn Ni(II). .................................................... 21 3.2. Tính toán khả năng tạo than từ vỏ cà phê trong lò nung chứa khí Argon. .............................................................................................................. 21 3.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung than, thời gian nung đến khả năng hấp phụ NI(II) của các vật liệu . ............................................................................ 23 3.4. Kết quả đánh giá cấu trúc bề mặt của VLHP ........................................... 24 3.4.1. Phổ IR của vật liệu. ............................................................................... 24 Hình 3.4. Kết quả phân tích trên phổ hồng ngoại IR của vật liệu................... 24 3.4.2. Kết quả chụp SEM. ............................................................................... 25 3.5. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ Ni(II) của VLHP . ...................................................................................................... 25 3.5.1. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni(II) của VLHP. ............................................................................................................. 25 3.5.2. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của thời gian hấp phụ đến khả năng hấp phụ Ni(II) của VLHP. ..................................................................................... 27 3.5.3. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của liều lƣợng VLHP đến hiệu suất hấp phụ Ni(II) của VLHP. ..................................................................................... 28 3.5.4. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ Ni(II) ban đầu đến khả năng hấp phụ của VLHP ................................................................................. 30 3.6. Xây dựng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ ....................................................... 31 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 34 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA
  8. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Một số hằng số vật lí của Niken ....................................................... 3 Bảng 1.2: Một số đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ .................................................... 9 Bảng 1.3. Sự khác nhau về thành phần trong vỏ cà phê trồng tại tỉnh Đắk Lắk và tỉnh Điện Biên ..................................................................................... 13 Bảng 1.4: Kích thƣớc và diện tích bề mặt riêng của than cacbon hóa trên các vật liệu khác nhau .................................................................................... 15 Bảng 3.1. Kết quả đo độ hấp phụ quang của dung dịch Ni(II) với các nồng độ khác nhau.................................................................................................... 21 Bảng 3.2: Hiệu suất tạo than cacbon hóa từ vỏ cà phê ở các nhiệt độ khác nhau. ................................................................................................................ 22 Bảng 3.3: Hiệu suất hấp phụ kim loại Ni(II) của các VLHP .......................... 23 Bảng 3.4: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni(II) của VLHP. ....................................................................................................... 26 Bảng 3.5: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của thời gian hấp phụ đến khả năng hấp phụ của VLHP. ......................................................................................... 27 Bảng 3.6: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của liều lƣợng VLHP đến hiệu suất hấp phụ Ni(II) của VLHP. ............................................................................... 29 Bảng 3.7: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ Ni(II) ban đầu đến khả năng hấp phụ của VLHP. ................................................................................ 30 Bảng 3.8: Các thông số khảo sát sự hấp phụ Ni(II) của VLHP ...................... 31 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA
  9. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ............................................. 11 Hình1.2: Sự phụ thuộc của vào Ccb .................................................... 11 Hình 3.1: Đƣờng chuẩn Ni(II)........................................................................ 21 Hình 3.2: Hiệu suất tạo than cacbon hóa từ vỏ cà phê ở các nhiệt độ khác nhau. ................................................................................................................ 22 Hình 3.3: Hiệu quả hấp phụ Ni(II) của than cacbon hóa từ vỏ cà phê ở các nhiệt độ và thời gian nung khác nhau. ............................................................ 23 Hình 3.4: Kết quả phân tích trên phổ hồng ngoại IR của vật liệu .................. 24 Hình 3.5: Hình thái học bề mặt của VLHP ..................................................... 25 Hình 3.6: Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất hấp phụ Ni(II) của VLHP. ........ 26 Hình 3.7: Ảnh hƣởng của thời gian hấp phụ đến khả năng hấp phụ của VLHP. ............................................................................................................. 28 Hình 3.8: Ảnh hƣởng của liều lƣợng VLHP đến hiệu suất hấp phụ Ni(II) của VLHP. ....................................................................................................... 29 Hình 3.9: Ảnh hƣởng của nồng độ Ni(II) ban đầu đến khả năng hấp phụ Ni(II) của VLHP.............................................................................................. 31 Hình 3.10: Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Ni(II) .. 32 Hình 3.11: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của VLHP đối với Ni(II) ............ 32 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA
  10. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 MỞ ĐẦU  Lý do chọn đề tài Đất nƣớc ta đang ngày càng phát triển theo hƣớng Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp là sự gia tăng về số lƣợng chất thải gây ô nhiễm môi trƣờng. Lƣợng chất thải này bao gồm nhiều thành phần nhƣ vô cơ, hữu cơ và đặc biệt là kim loại nặng. Một phần kim loại nặng này nằm trong nƣớc thải, chúng rất khó bị loại bỏ bằng các biện pháp xử lý nƣớc thải thông thƣờng và nếu chúng xâm nhập vào các nguồn nƣớc sinh hoạt ở mức cao hơn cho phép sẽ là nguồn gốc của nhiều bệnh hiểm nghèo, đe dọa sức khỏe và tính mạng con ngƣời. Phần còn lại tích lũy trong đất, gián tiếp đi vào chuỗi thức ăn và gây ảnh hƣởng tới sức khỏe con ngƣời và sinh vật sống [5].Vì vậy, vấn đề ô nhiễm môi trƣờng đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng thải ra từ các ngành công nghiệp đang là vấn đề đang đƣợc quan tâm. Hiện nay, Niken đƣợc sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hóa chất, luyện kim, xi mạ, điện tử, ... nên nó thƣờng có mặt trong nƣớc thải công nghiệp, hoặc bùn thải. Niken xâm nhập vào cơ thể chủ yếu qua đƣờng hô hấp, nó gây ra các triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đầu. Nếu tiếp xúc nhiều với Niken sẽ ảnh hƣởng đến phổi, hệ thần kinh trung ƣơng, gan, thận. Da tiếp xúc với Niken sẽ gây hiện tƣợng viêm da, xuất hiện dị ứng, ... Vì vậy, việc loại trừ các thành phần chứa kim loại nặng Ni(II) độc hại ra khỏi nguồn nƣớc, đặc biệt là nƣớc thải công nghiệp là một trong những mục tiêu bảo vệ môi trƣờng quan trọng cần phải giải quyết hiện nay. Đã xuất hiện nhiều phƣơng pháp đƣợc sử dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra khỏi môi trƣờng nƣớc nhƣ: phƣơng pháp hóa lý, phƣơng pháp sinh học, phƣơng pháp hóa học,… Trong đó, phƣơng pháp hấp phụ đƣợc áp dụng rộng rãi và cho kết quả rất tốt [5]. Với mục tiêu là tìm kiếm nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên, dễ kiếm, rẻ tiền, có thể tái tạo lại đƣợc để hấp phụ, loại bỏ kim loại nặng trong nƣớc (ví dụ nhƣ lõi ngô, bã trà, bã mía, bùn chƣng cất, vỏ trấu, mùn cƣa, xỉ lò cao,… ) là vấn đề mà em lựa chọn. Và vỏ cà phê đang là nguyên liệu đƣợc rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Chính vì vậy SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG 1 LỚP: K40B-SP HÓA
  11. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni(II) của than cacbon hóa từ vỏ cà phê"  Mục đích: - Điều chế đƣợc các VLHP từ vỏ cà phê để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ Ni(II) trong nƣớc. - Tìm đƣợc các điều kiện tối ƣu (pH, thời gian hấp phụ, liều lƣợng VLHP, nồng độ Ni(II) ban đầu) trong quá trình hấp phụ Ni(II).  Nội dung nghiên cứu: - Điều chế than cacbon hóa từ vỏ cà phê ở các nhiệt độ và thời gian khác nhau. - Tính toán hiệu suất tạo than từ vỏ cà phê trong lò nung chứa khí Argon. - Đánh giá khả năng hấp phụ Ni(II) của các VLHP đƣợc điều chế từ vỏ cà phê. - Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ Ni(II) của mẫu VLHP đã chọn. - Xác định dung lƣợng hấp phụ cực đại của VLHP đã chọn.  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Điều chế đƣợc VLHP có nguồn gốc tự nhiên từ vỏ cà phê để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ các ion kim loại nặng, những ion kim loại gây ô nhiễm môi trƣờng. SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG 2 LỚP: K40B-SP HÓA
  12. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về nguyên tố Niken 1.1.1.Tính chất vật lí, hóa học của Niken Niken (Z = 28) thuộc nhóm VIIIB trong Bảng tuần hoàn, cấu Hình electron là: [Ar] 3d84s2. Bảng 1.1: Một số hằng số vật lí của Niken Cấu hình electron [Ar]3d84s2 Năng lƣợng ion hóa, kJ/mol I1 737,1 I2 1753,0 I3 3395 Nhiệt độ nóng chảy, ◦C 1728 Nhiệt độ sôi, ◦C 3186 Nhiệt thăng hoa, KJ/mol 377,5 Vào năm 1804, nhà Hóa học ngƣời Đức Richter đã rất khó khăn khi cho Niken sunfat kết tinh lại 32 lần và rồi kết quả là ông đã thu đƣợc Niken tinh khiết. Đến hơn nửa thế kỷ sau, vào khoảng năm 1865, ngƣời ta đã tìm ra đƣợc những mỏ Niken rất lớn trên đảo Tân Calêđoni. Trong tự nhiên, Niken xuất hiện ở dạng hợp chất với lƣu huỳnh trong khoáng chất millerit, với asen trong khoáng chất niccolit, và với asen cùng lƣu huỳnh trong quặng Niken. Niken là kim loại có màu trắng bạc, bề mặt bóng láng. Niken nằm trong nhóm sắt từ. Đặc tính cơ học: cứng, dễ dát mỏng và dễ uốn, dễ kéo sợi. 1.1.2. Công dụng của Niken. Ở điều kiện bình thƣờng, nó trơ với oxi trong không khí nên thƣờng đƣợc dùng trong các thiết bị hóa học (điện cực), và trong một số hợp kim nhƣ bạc Đức (German silver), thép không rỉ, pin sạc,…. SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG 3 LỚP: K40B-SP HÓA
  13. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 Niken là một nguyên tố cần thiết cho vi sinh vật và thực vật để thực hiện các phản ứng quan trọng của sự sống. Niken đƣợc sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hóa chất, luyện kim, xi mạ, điện tử, ... 1.1.3. Ảnh hưởng của Niken. Trong vỏ Trái đất, hàm lƣợng Niken chiếm khoảng 0.015%. Trong đất, lƣợng Niken có thể đạt 5-50mg/kg. Trong nƣớc tự nhiên, hàm lƣợng Niken thƣờng nhỏ hơn 0.02mg/l nhƣng trong nƣớc sinh hoạt (nƣớc máy) do quá trình hòa tan từ các thiết bị, hàm lƣợng Niken có thể lên đến 1mg/l. Thức ăn hàng ngày của chúng ta cũng có chứa Niken, lƣợng xâm nhập vào cơ thể khoảng 0.1-0.3 mg/ngày. Khoảng 60-70% lƣợng Niken đƣợc dùng trong các ngành công nghiệp hóa chất, luyện kim, xi mạ, điện tử, ... Niken là kim loại có tính linh động cao trong môi trƣờng nƣớc, có khả năng tạo phức khá bền với các chất hữu cơ tự nhiên và tổng hợp. Vì vậy, phần lớn nó thƣờng có mặt trong nƣớc thải công nghiệp, hoặc bùn thải. Nó gây ra nhiều ảnh hƣởng đến môi trƣờng và con ngƣời: + Là độc chất đối với động vật và thực vật sống dƣới nƣớc. + Làm biến đổi các tính chất lý hóa của nƣớc, tạo ra sự tích tụ sinh học đáng lo ngại theo chiều dài chuỗi thức ăn. + Ảnh hƣởng đến đƣờng ống dẫn nƣớc, mạch nƣớc ngầm, gây ăn mòn hệ thống cống rãnh. + Niken xâm nhập vào cơ thể con ngƣời chủ yếu qua đƣờng hô hấp, nó gây ra các triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đầu. Nếu tiếp xúc nhiều với Niken sẽ ảnh hƣởng đến phổi, hệ thần kinh trung ƣơng, gan, thận. Da tiếp xúc với Niken sẽ gây hiện tƣợng viêm da, xuất hiện dị ứng, ... 1.2. Giới thiệu về phƣơng pháp hấp phụ. 1.2.1. Các khái niệm.  Hấp phụ: Là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn - khí, rắn - lỏng, khí - lỏng, lỏng - lỏng). Trong đó: SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG 4 LỚP: K40B-SP HÓA
  14. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 + Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử nằm tiếp xúc với nó của pha khác. + Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. + Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ. Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt. Ngƣợc với sự hấp phụ là quá trình đi ra khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tƣơng tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ ngƣời ta phân biệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [3]. - Hấp phụ vật lý: + Định nghĩa: Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander Walls giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba loại lực: cảm ứng, định hƣớng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Vì vậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao. + Hấp phụ vật lý không có tính chọn lọc. Quá trình hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ. Nhiệt lƣợng tỏa ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2÷6 kcal/mol. Sự hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học của bề mặt, không có sự biến đổi cấu trúc của các phân tử chất hấp phụ và bị hấp phụ [3]. - Hấp phụ hóa học: + Định nghĩa: Hấp phụ hóa học là phƣơng pháp hấp phụ đƣợc gây ra bởi các liên kết hóa học (liên kết cộng hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí). Trong hấp phụ hóa học có sự trao đổi electron giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Cấu trúc electron phân tử các chất tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình thành liên kết hóa học. Nhiệt lƣợng tỏa ra khi hấp phụ hóa học thƣờng lớn hơn 22 kcal/mol. Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là tƣơng đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trƣờng hợp tồn tại cả quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG 5 LỚP: K40B-SP HÓA
  15. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 năng hấp phụ hóa học tăng lên [7].  Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tƣơng tác là: nƣớc - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của nƣớc nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nƣớc tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nƣớc - chất hấp phụ, cặp nào có tƣơng 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 nƣớc, tính ƣa nƣớc hoặc kị nƣớc của chất hấp phụ, mức độ kị nƣớc của chất bị hấp phụ trong nƣớc. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trƣớc tiên phụ thuộc vào tính tƣơng đồng về độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực đƣợc hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực và ngƣợc lại. Đối với các chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion nhƣ SO42-, PO43- ,CrO42- … thì quá trình hấp phụ xảy ra do tƣơng tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực cao trong nƣớc bị bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nƣớc, do đó bán kính (độ lớn) của các ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hƣởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do tƣơng tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn sẽ đƣợc hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hyđrat nhỏ hơn. Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc còn bị ảnh hƣởng nhiều bởi pH của dung dịch. Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ. Các chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu, bazơ yếu hoặc lƣỡng tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dƣơng hoặc trung hoà tùy thuộc giá trị pH. Tại giá trị pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng không, trên giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện âm và dƣới giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện dƣơng. Đối với các chất trao đổi ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm chức và các cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môi trƣờng, đồng thời trong hệ cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất. SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG 6 LỚP: K40B-SP HÓA
  16. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thƣớc mao quản…cũng ảnh hƣởng tới sự hấp phụ. Đối với các hợp chất hữu cơ, trong môi trƣờng nƣớc chúng có độ tan khác nhau do đó khả năng hấp phụ chúng trên VLHP là khác nhau. Phần lớn các chất hữu cơ tồn tại trong nƣớc dạng phân tử trung hòa, ít bị phân cực nên quá trình hấp phụ trên VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơ chế hấp phụ vật lý. Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụ thuộc vào: pH của môi trƣờng, lƣợng chất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ….  Đặc tính của ion kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc: Để tồn tại đƣợc ở trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trƣờng nƣớc bị hydrat hóa tạo ra lớp vỏ là các phân tử nƣớc, các phức chất hidroxo, các cặp ion hay phức chất khác. Tùy thuộc vào bản chất hóa học của các ion, pH của môi trƣờng, các thành phần khác cùng có mặt mà Hình thành các dạng tồn tại khác nhau  Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ. Quá trình hấp phụ về cơ bản ảnh hƣởng bởi các yếu tố sau : - Khối lƣợng phân tử ; - Cấu trúc phân tử ; - Loại và số lƣợng các nhóm chức ; - Hàm lƣợng tro và các hợp chất dễ bay hơi; - Diện tích bề mặt riêng ; - Số lƣợng vi lỗ có trong vật liệu ; - pH của môi trƣờng hấp phụ và pH của vật liệu; - Liều lƣợng vật liệu hấp phụ; - Thời gian hấp phụ; - Nồng độ chất hấp phụ. 1.2.2. Cân bằng hấp phụ. Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG 7 LỚP: K40B-SP HÓA
  17. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngƣợc pha mang (hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ). Theo thời gian lƣợng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngƣợc trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ (quá trình thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng [7]. + Dung lƣợng hấp phụ cân bằng: Dung lƣợng hấp phụ cân bằng là khối lƣợng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lƣợng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ [7]. Dung lƣợng hấp phụ đƣợc tính theo công thức: ( ) q= (1.1) Trong đó: - q: dung lƣợng hấp phụ (mg/g) - V: thể tích dung dịch (l) - m: khối lƣợng chất hấp phụ (g ) - Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l) - Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l) Trong quá trình hấp phụ, các phần tử bị hấp phụ không bị hấp phụ đồng thời, bởi vì các phần tử chất bị hấp phụ phải khuếch tán từ dung dịch đến bề mặt ngoài chất hấp phụ và sau đó khuếch tán vào sâu bên trong hạt của chất hấp phụ [5]. + Dung lƣợng hấp phụ bão hòa: là dung lƣợng ở trạng thái cân bằng + 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. SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG 8 LỚP: K40B-SP HÓA
  18. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 ( ) H= . 100% (1.2) Trong đó: H: Hiệu suất hấp phụ (%) Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l) Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l). 1.2.3. Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ. Một số đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt đƣợc nêu trong Bảng sau: Bảng 1.2: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ Tên đƣờng đẳng Bản chất sự hấp STT Phƣơng trình nhiệt hấp phụ phụ v KL.p 1 Langmuir  Vật lý và Hóa học v0 1  K L . p 2 Henry Vật lý và Hóa học v  k. p 3 Freundlich Vật lý và Hóa học v  k. p 1/ n (n  1) Shlygin-Frumkin- v 1 4  ln C 0 . p Hóa học Temkin vm a Brunauer- p 1 C  1 p   . 5 Emmett-Teller v.( p0  p) vm C vm C p0 Vật lý, nhiều lớp (BET) Trong các phƣơng trình trên, v là thể tích chất bị hấp phụ, v 0 là thể tích hấp phụ cực đại, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, p0 là áp suất hơi bão SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG 9 LỚP: K40B-SP HÓA
  19. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết trong cùng nhiệt độ. Các ký hiệu KL, k,a, n là các hằng số. Trong đề tài này, em nghiên cứu cân bằng hấp phụ của các VLHP với ion kim loại nặng Ni2+ trong môi trƣờng nƣớc theo mô hình đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir. Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đƣợc xây dựng dựa trên các giả thuyết: - Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định. - Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân. - Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lƣợng hấp phụ trên các tiểu phân là nhƣ nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh. Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir nêu ở Bảng 1.2 đƣợc xây dựng cho hệ hấp phụ rắn - khí. Tuy nhiên, phƣơng trình trên cũng có thể áp dụng cho hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc. Khi đó phƣơng trình Langmuir đƣợc biểu diễn nhƣ sau: (1.3) =θ= Trong đó: q, qm : dung lƣợng hấp phụ cân bằng, dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g) : độ che phủ b : hằng số Langmuir Ccb : nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng hấp phụ (mg/l) Phƣơng trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trƣng của hệ: - Trong vùng nồng độ nhỏ: b.Ccb > 1 thì q = mô tả vùng hấp phụ bão hòa. Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đƣờng đẳng SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG 10 LỚP: K40B-SP HÓA
  20. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 nhiệt biểu diễn là một đoạn cong. Để xác định các hằng số trong phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, đƣa phƣơng trình (1.3) về dạng phƣơng trình đƣờng thẳng: Ccb 1 1 (1.4)   .Ccb q b.qm qm C Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của cb vào Ccb sẽ xác định đƣợc các hằng q số KL, qm trong phƣơng trình. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng nhƣ Hình 1.1 và Hình 1.2. Hình 1.1: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Hình1.2: Sự phụ thuộc của vào Langmuir Ccb 1 ON  qm .K L 1.3. Một số hƣớng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP Ngày nay, trên Thế giới và Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu, nhiều đề tài khoa học nhằm tìm các giải pháp sử dụng vật liệu hấp phụ từ các phế phẩm nông nghiệp có nguồn gốc tự nhiên để loại bỏ kim loại nặng trong nƣớc thải công nghiệp. Nhiều công trình trong số đó đã đƣợc ứng dụng vào thực tiễn cuộc sống và cho hiệu quả tốt, mở ra một hƣớng đi mới cho công nghệ xử lý ô nhiễm môi trƣờng. Bã mía: đƣợc đánh giá nhƣ phƣơng tiện lọc chất bẩn từ dung dịch nƣớc SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG 11 LỚP: K40B-SP HÓA
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược