Luận văn Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amoni và kim loại nặng trong nước

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amoni và kim loại nặng trong nước

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN NGỌC THIỆN NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ XỬ LÝ AMONI VÀ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2016
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN NGỌC THIỆN NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ XỬ LÝ AMONI VÀ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC Chuyên ngành: Hóa Môi Trƣờng Mã số:60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. TRẦN HỒNG CÔN Hà Nội -2016
3. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 6 MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 8 1.1. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt .................................................................... 8 1.1.1. Than hoạt tính ............................................................................................ 8 1.1.2. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính ..................................................... 9 1.2. Nhóm cacbon-oxi trên bề mặt than hoạt tính ................................................. 10 1.3. Ảnh hƣởng của nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ .................... 13 1.4. Biến tính bề mặt than hoạt tính ...................................................................... 15 1.5. Tình trạng ô nhiễm amoni,asen và xanh metylen ở nƣớc ta .......................... 15 1.5.1. Tình trạng ô nhiễm amoni ở nƣớc ta ....................................................... 15 1.5.2. Tình trạng ô nhiễm asen ở nƣớc ta .......................................................... 16 1.5.3. Tình trạng ô nhiễm xanh metylen.......................................................................16 CHƢƠNG 2 : THỰC NGHIỆM ......................................................................... 19 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn .............................................. 19 2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................ 19 2.1.2. Nội dung nghiên cứu................................................................................ 19 2.2. Dụng cụ và hóa chất ....................................................................................... 19 2.2.1. Dụng cụ .................................................................................................... 19 2.2.2. Hóa chất ....................................................................................................... 19 2.2.2.1. Chuẩn bị hóa chất để tạo vật liệu mới .................................................. 19 2.2.2.2. Chuẩn bị hóa chất để phân tích amoni .................................................. 20 2.2.2.3. Chuẩn bị hóa chất để phân tích asen ..................................................... 20 2.2.2.4. Chuẩn bị hóa chất để phân tích xanh metylen ...................................... 21 2.3. Các phƣơng pháp phân tích ion trong dung dịch ........................................... 21 2.3.1. Phân tích amoni bằng phƣơng pháp Nessler ........................................... 21 2.3.2. Phân tích asen bằng phƣơng pháp so màu thủy ngân brômua ................. 24 2.3.3. Phân tích xanh metylen ............................................................................ 26 2.4. Phƣơng pháp tính tải trọng hấp phụ ............................................................... 27 2.4.1. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ............................................ 28 2.4.2.Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich ........................................... 29 2.5. Biến tính than hoạt tính .................................................................................. 30 2.5.1. Chuẩn bị vật liệu hấp phụ từ than hoạt tính nguyên khai ........................ 30 1
4. 2.5.2. Biến tính than hoạt tính ........................................................................... 31 2.5.2.1. Than xử lý thông thƣờng (dạng than thƣờng : AC-1) .......................... 31 2.5.2.2. Than xử lý bằng NaOH (dạng muối Na : AC-2) .................................. 31 2.5.2.3. Than xử lý bằng HCl (dạng axit : AC-3) .............................................. 31 2.5.2.4. Than biến tính bằng HNO3 sau đó trung hòa bằng NaOH (dạng muối Na : AC-4) ............................................................................................................... 31 2.5.2.5. Than biến tính bằng HNO3 (dạng axit : AC-5) ..................................... 31 2.6. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni, asen và xanh metylen của các vật liệu ... 31 2.6.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của các vật liệu với amoni ........................... 31 2.6.1.1. Khảo sát thời gian hấp phụ cân bằng amoni ......................................... 31 2.6.2. Khảo sát khả năng hấp phụ của các vật liệu với asen .............................. 32 2.6.2.1. Khảo sát thời gian hấp phụ cân bằng asen ........................................ 32 2.6.3.Khảo sát khả năng hấp phụ của than biến tính với xanh metylen ............ 32 2.6.3.1.Khảo sát thời gian hấp phụ cân bằng xanh metylen .......................... 32 CHƢƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 33 3.1. Cấu trúc bề mặt của than oxi hóa ................................................................... 33 3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ của các vật liệu với amoni ................................. 34 3.2.1. Xác định thời gian cân bằng hấp phụ của các vật liệu với amoni ........... 34 3.2.2. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu đối với amoni ......... 35 3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ asen của các vật liệu ........................................... 39 3.3.1. Xác định thời gian cân bằng hấp phụ của vật liệu với asen..................... 39 3.3.2. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu đối với asen ............ 41 3.4. So sánh khả năng hấp phụ xanh metylen với amoni và asen........................ 45 3.4.1. Xác định thời gian cân bằng hấp phụ của vật liệu với xanh metylen ...... 45 3.4.2. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu đối với xanh metylen ........................................................................................................................... 46 KẾT LUẬN ............................................................................................ 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 52 2
5. MỤC LỤC BẢNG Bảng 2.1. Chuẩn bị dãy dung dịch chuẩn để phân tích amoni .................................. 23 Bảng 2.2. Mối quan hệ giữa nồng độ amoni và độ hấp phụ quang (Abs) ................ 23 Bảng 2.3. Chuẩn bị dãy dung dịch xây dựng đƣờng chuẩn asen .............................. 25 Bảng 2.4. Mối quan hệ giữa nồng độ asen và chiều cao (h) theo phƣơng pháp thủy ngân brômua Bảng 2.5. Chuẩn bị dãy dung dịch để xây dựng đƣờng chuẩn xanh metylen ........... 26 Bảng 2.6. Mối quan hệ giữa nồng độ xanh metylen và độ hấp phụ quang (Abs) ..... 27 Bảng 3.1. Kết quả khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ amoni của các vật liệu ...... 34 Bảng 3.2. Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ amoni của các vật liệu ...................... 36 Bảng 3.3. Kết quả khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ asen của các vật liệu ......... 40 Bảng 3.4. Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ asen của các vật liệu ......................... 41 Bảng 3.5. Kết quả khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ xanh metylen của các vật liệu ............................................................................................................................. 45 Bảng 3.6. Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ xanh metylen của các vật liệu ........... 47 3
6. MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1. Ứng dụng của than hoạt tính trong đời sống ............................................... 8 Hình 1.2. Hình ảnh SEM chụp cấu trúc than cacbon hóa từ tre ................................ 10 Hình 1.3. Hình ảnh mô phỏng các nhóm chức trên than hoạt tính ........................... 13 Hình 1.4. Ảnh hƣởng của asen tới sức khỏe con ngƣời ............................................ 17 Hình 2.1. Đồ thị đƣờng chuẩn phân tích amoni ........................................................ 24 Hình 2.2. Đồ thị đƣờng chuẩn phân tích asen ........................................................... 26 Hình 2.3. Đồ thị đƣờng chuẩn phân tích xanh metylen ............................................ 27 Hình 2.4. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ....................................................... 28 Hình 2.5. Đồ thị dạng tuyến tính của phƣơng trình Langmuir ................................. 29 Hình 2.6. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich ...................................................... 30 Hình 2.7. Đồ thị dạng tuyến tính của phƣơng trình Freundlich ................................ 30 Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của than oxi hóa .............................................................. 33 Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn thời gian cân bằng hấp phụ amoni của các vật liệu........ 35 Hình 3.3. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-1 .......................... 36 Hình 3.4. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-2 ......................... 37 Hình 3.5. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-3 .......................... 37 Hình 3.6. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-4 .......................... 38 Hình 3.7. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-5 .......................... 39 Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn thời gian cân bằng hấp phụ asen của các vật liệu .......... 40 Hình 3.9. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-1 .......................... 42 Hình 3.10. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-2 ........................ 42 Hình 3.11. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-3 ........................ 43 Hình 3.12. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-4 ........................ 43 Hình 3.13. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-5 ........................ 44 Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn thời gian cân bằng hấp phụ xanh metylen của các vật liệu ................................................................................................................................... 46 Hình 3.15. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-1 ........................ 47 Hình 3.16. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-2 ....................... 48 4
7. Hình 3.17. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-3 ........................ 48 Hình 3.18. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-4 ........................ 49 Hình 3.19. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu AC-5 ........................ 49 5
8. LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo PGS.TS. Trần Hồng Côn đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ, hƣớng dẫn, chỉ bảo cho em trong suất quá trình nghiên cứu. Cảm ơn các phòng thí nghiệm trong Khoa Hóa Học – Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm. Chân thành cảm ơn các bạn học viên, sinh viên làm việc trong phòng thí nghiệm Hóa Môi Trƣờng. Các bạn đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và hoàn thiện luận văn. Để hoàn thành bản luận văn này, ngoài sự nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu của bản thân, sự giúp đỡ của gia đình,bạn bè và những ngƣời xung quanh. Đặc biệt là những thầy cô, đồng nghiệp đã đóng góp một phần không nhỏ trong nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên cao học Nguyễn Ngọc Thiện 6
9. MỞ ĐẦU Hiện nay, tình hình ô nhiễm nguồn nƣớc nói chung và nguồn nƣớc sinh hoạt nói riêng bởi asen và amoni là vấn đề mà toàn xã hội quan tâm khi nhu cầu về chất lƣợng cuộc sống ngày càng cao. Theo các nghiên cứu gần đây hàm lƣợng asen cũng nhƣ amoni xác định đƣợc trong các nguồn nƣớc vƣợt chỉ tiêu cho phép đến 6 lần hoặc cao hơn. Điều này ảnh hƣởng nghiêm trọng đến trực tiếp sức khoẻ của con ngƣời. Chúng gây ra rất nhiều loại bệnh nguy hiểm nhƣ ung thƣ da, ung thƣ bàng quang, ung thƣ gan và các bệnh về hô hấp... Đây là vấn đề đáng báo động đang đƣợc quan tâm đặc biệt. Vì vậy việc loại bỏ amoni và asen ra khỏi các nguồn nƣớc ăn uống và sinh hoạt xuống dƣới ngƣỡng cho phép đã đƣợc nghiên cứu và đạt đƣợc nhiều thành công đáng kể. Nhiều loại vật liệu cũng đã đƣợc phát hiện để ứng dụng trong lĩnh vực này. Trong đó than hoạt tính cũng đƣợc đề cập nhƣ một loại vật liệu tiềm năng để ứng dụng và xử lý các loại chất độc hại này. Than hoạt tính từ lâu đã đƣợc sử dụng để làm sạch nƣớc. Tuy nhiên ứng dụng của nó trong xử lý nƣớc mới chỉ dừng lại ở việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ và một số các thành phần không phân cực có hàm lƣợng nhỏ trong nƣớc. Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng của than hoạt tính trong việc xử lý nƣớc sinh hoạt. Đặc biệt một lĩnh vực còn rất mới đó là dùng than hoạt tính loại bỏ các cation và anion trong nƣớc. Đồng thời trên cơ sở đó có thể so sánh đƣợc khả năng hấp phụ với các chất hữu cơ ít phân cực đại diện là xanh metylen. Vì vậy chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài “ Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amoni và kim loại nặng trong nƣớc”. 7
10. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt 1.1.1. Than hoạt tính Than hoạt tính là chất hấp phụ quí và linh hoạt. Chúng đƣợc sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích nhƣ loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn. Chúng dùng để loại bỏ các tạp chất vô cơ, hữu cơ trong nƣớc thải công nghiệp, sinh hoạt hoặc trong việc thu hồi dung môi, làm sạch không khí... ngoài ra chúng đƣợc sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng, bạc và các kim loại khác. Đôi khi sử dụng chúng nhƣ những chất mang xúc tác. Chúng cũng đƣợc biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học : sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số bệnh nhất định. Nhƣ vậy than hoạt tính có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Nó đƣợc sử dụng rộng rãi trong sản xuất cũng nhƣ trong các lĩnh vực đời sống thƣờng ngày để nhằm nâng cao sức khỏe cho con ngƣời cũng nhƣ nhằm phát triển nền kinh tế quốc dân. Hình 1.1. Ứng dụng của than hoạt tính trong đời sống Cacbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với hàm lƣợng khoảng 85 – 95%. Bên cạnh đó than hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác nhƣ hiđro, nitơ, lƣu huỳnh và oxi. Các nguyên tử khác loại này đƣợc tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trình khác. Thành phần các nguyên tố trong than hoạt tính thƣờng là: 88% C; 0,5% H, 0,5% N, 1% S, 6 8