›

Khóa luận Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía

pdf 50 trang thiennha21 15/04/2022 5380
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfkhoa_luan_nghien_cuu_kha_nang_hap_phu_amoni_trong_nuoc_cua_v.pdf

Nội dung text: Khóa luận Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía

  1. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC LÊ THỊ VÂN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI TRONG NƢỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng HÀ NỘI, 2018
  2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC LÊ THỊ VÂN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI TRONG NƢỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA 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. LỜI CẢM ƠN Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa hoá học đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập dƣới mái trƣờng ĐH sƣ phạm Hà Nội 2, đặc biệt là sự giúp đỡ của Ths. Đỗ Thuỷ Tiên. Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn Ths. Đỗ Thủy Tiên ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, dìu dắt, và chỉ bảo những kiến thức chuyên môn thiết thực và những chỉ dẫn khoa học quý báu, giúp đỡ em hoàn thành bài khóa luận tốt nghiệp này. 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 thân khóa luận này không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự góp ý của thầy, cô giáo cũng nhƣ 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 Vân
  4. 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 Thuỷ 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 Vân
  5. DANH MỤC VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Tên đầy đủ VLHP Vật liệu hấp phụ SEM Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) UV - Vis Máy đo quang phổ (Ultraviolet Visble)
  6. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm 3 1.1.1. Giới thiệu vài nét về nước ngầm ở Việt Nam 3 1.1.2. Ô nhiễm amoni trong nước ngầm. 3 1.1.3. Tác hại các nguồn nước nhiễm amoni 4 1.2. Các phƣơng pháp xử lý ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm 6 1.2.1. Một số phương pháp xử lý amoni 6 1.2.2. Phương pháp hấp phụ 10 1.2.3. Các đại lượng đánh giá hệ hấp phụ 14 1.3. Một số hƣớng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP 16 1.4. Giới thiệu về nguyên liệu bã mía. 17 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 20 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu 20 2.2. Dụng cụ và hóa chất 20 2.2.1. Dụng cụ 20 2.2.2. Hóa chất 20 2.3. Phƣơng pháp nghiêm cứu 21 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu 21 2.3.2. Phương pháp phân tích 21 2.3.3. Phương pháp thực nghiệm 21 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn xác định amoni 26
  7. 3.2. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu hấp phụ từ bã mía 27 3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ amoni của vật liệu hấp phụ từ bã mía 28 3.3.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni 28 3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất xử lý amoni 29 3.3.3. Ảnh hưởng của liều lượng của VLHP đến hiệu suất xử lý amoni 31 3.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ amoni đến hiệu suất xử lý amoni 32 3.4. Xây dựng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ 33 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39
  8. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần hoá học của bã mía 18 Bảng 2.1. Các thiết bị chính đƣợc sử dụng trong khoá luận 20 Bảng 3.1. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn amoni theo phƣơng pháp nessler 26 Bảng 3.2. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ amoni của các loại vật liệu 27 Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni 28 Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của thời gian khuấy đến hiệu suất xử lý amoni 30 Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của liều lƣợng VLHP đến hiệu suất xử lý amoni 31 Bảng 3.6. Ảnh hƣởng của nồng độ amoni đến hiệu suất xử lý amoni 32 Bảng 3.7. Các thông số khảo sát sự hấp phụ amoni của VLHP 34 Bảng 3.8. So sánh khả năng hấp phụ amoni của VLHP từ bã mía với các VLHP khác 35
  9. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 16 Hình 1.2. Sự phụ thuộc của vào Ccb 16 Hình 3.1. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ amoni 26 Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ của các VLHP từ bã mía 27 Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni 29 Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ amoni 30 Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của liều lƣợng VLHP đến hiệu suất xử lý amoni 31 Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của nồng độ amoni đến hiệu suất xử lý amoni 33 Hình 3.7. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 34 Hình 3.8. Đồ thị biểu biễn sự phụ thuộc của Ccb/q và Ccb 34 Hình 3.9. Ảnh SEM của nguyên liệu 36 Hình 3.10. Ảnh SEM của VLHP 36
  10. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 MỞ ĐẦU  Lý do chọn đề tài Chất lƣợng nƣớc có vai trò hết sức quan trọng trong sự nghiệp bảo vệ và chăm sóc sức khoẻ cộng đồng. Các nguồn nƣớc đƣợc sử dụng chủ yếu là nƣớc mặt và nƣớc ngầm đã qua xử lý hoặc sử dụng trực tiếp. Phần lớn chúng đều bị ô nhiễm bởi các tạp chất với thành phần và mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện địa lý, đặc thù sản xuất, sinh hoạt của từng vùng và phụ thuộc vào địa hình mà nó chảy qua hay vị trí tích tụ. Ngày nay, với sự phát triển của nền công nghiệp, quá trình đô thị hoá và bùng nổ dân số đã làm cho nguồn nƣớc tự nhiên ngày ngày càng cạn kiệt và ngày càng ô nhiễm. Hoạt động nông nghiệp gắn liền với các loại phân bón trên diện rộng, các loại nƣớc thải nông nghiệp, sinh hoạt giàu hợp chất nitơ thải vào môi trƣờng làm cho nƣớc ngầm ngày càng bị ô nhiễm các hợp chất nitơ mà chủ yếu là amoni. Amoni không gây độc trực tiếp cho con ngƣời nhƣng sản phẩm chuyển hoá từ amoni là nitrit và nitrat là yếu tố gây độc. Các hợp chất nitrit và nitrat hình thành do quá trình oxi hoá của vi sinh vật trong quá trình xử lý, tàng trữ và chuyển tải nƣớc đến ngƣời tiêu dùng. Vì vậy việc xử lý amoni trong nƣớc là đối tƣợng rất đáng quan tâm. Hiện nay, phƣơng pháp hấp phụ để xử lý amoni bằng việc tận dụng nguồn nguyên liệu là các phế thải trong quá trình sản xuất nông nghiệp đang cho thấy là giải pháp đem lại nhiều ƣu điểm nhất nhƣ không đƣa vào nguồn nƣớc các hóa chất độc hại, xử lý hiệu quả amoni và nguyên liệu em dùng để sản xuất vật liệu hấp phụ ở đây là bã mía có giá thành rẻ, dễ kiếm. Với các lý do trên em đã chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía”. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 1
  11. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2  Mục đích nghiên cứu Khoá luận đƣợc thực hiện nhằm chế tạo ra các vật liệu hấp phụ từ bã mía bằng các phƣơng pháp khác nhau. Sau đó sử dụng vật liệu hấp phụ đã chế tạo để xử lý amoni trong nƣớc.  Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo các vật liệu hấp phụ từ bã mía. - Đánh giá khả năng hấp phụ amoni của các VLHP chế tạo từ bã mía. - Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng (pH, thời gian, liều lƣợng, nồng độ) tới khả năng hấp phụ amoni của vật liệu hấp phụ đã chọn. - Đánh giá cấu trúc bề mặt của VLHP.  Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu. - Phƣơng pháp phân tích: + Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM). + Phƣơng pháp quang phổ UV-Vis. - Phƣơng pháp thực nghiệm.  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Điều chế đƣợc VLHP từ bã mía để ứng dụng làm vật hấp phụ các ion kim loại, các chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trƣờng. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 2
  12. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm 1.1.1. Giới thiệu vài nét về nước ngầm ở Việt Nam Ở Việt Nam, nƣớc ngầm là một hợp phần quan trọng của tài nguyên nƣớc, là ngồn cung cấp nƣớc rất quan trọng cho sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp. Nƣớc ngầm tồn tại trong các lỗ hổng và các khe nứt của đất đá, đƣợc tạo thành trong giai đoạn trầm tích hoặc do sự thẩm thấu của nguồn nƣớc mặt, nƣớc mƣa Nƣớc ngầm có thể tồn tại cách mặt đất vài mét, vài chục mét, hay hàng trăm mét. Hiện nay nguồn nƣớc ngầm chiếm 35-50% tổng lƣợng nƣớc cấp cho sinh hoạt ở các đô thị trên toàn quốc [1],[5]. Các nguồn nƣớc ngầm hầu nhƣ không chứa rong tảo, một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm nƣớc. Thành phần đáng quan tâm trong nƣớc ngầm là các tạp chất hòa tan do ảnh hƣởng của điều kiện địa tầng, thời tiết, các quá trình phong hóa, sinh hóa trong khu vực. Ở những vùng có điều kiện phong hóa tốt, có nhiều chất bẩn và lƣợng mƣa lớn thì chất lƣợng nƣớc ngầm dễ bị ô nhiễm bởi các chất khoáng hòa tan, các chất hữu cơ và mùn lâu ngày theo nƣớc mƣa ngấm vào đất. Ngoài ra, nƣớc ngầm cũng có thể bị ảnh hƣởng do tác động của con ngƣời. Các chất thải của con ngƣời và động vật, chất thải sinh hoạt, chất thải hóa học, công nghiệp và việc sử dụng phân bón hóa học theo thời gian sẽ ngấm vào nguồn nƣớc, tích tụ dần và làm ô nhiễm nguồn nƣớc ngầm. 1.1.2. Ô nhiễm amoni trong nước ngầm.  Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Việt Nam Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm amoni và các chất hữu cơ trong nƣớc ngầm nhƣng một trong những nguyên nhân chính là do việc sử dụng quá mức lƣợng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hoá chất bảo vệ thực vật Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 3
  13. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 đã gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến nguồn nƣớc, hoặc do quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ và các chất trên càng làm đẩy nhanh quá trình nhiễm amoni trong nƣớc ngầm. Ngoài ra mức độ ô nhiễm còn phụ thuộc vào loại hình canh tác của từng khu vực nhƣ: [2]. Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng. Do sự tồn tại của nguồn ô nhiễm nằm ở phía trên mặt đất. Do độ dốc thuỷ lực lớn. * Vài nét về ô nhiễm nước ngầm tại Hà Nội: Hà Nội do nền kinh tế phát triển lại là trung tâm của đất nƣớc nên dân số tập trung rất đông, vì vậy khiến cho lƣợng nƣớc dùng cho sinh hoạt và sản xuất tăng nhanh đó là lý do khiến nguồn nƣớc ngầm nơi đây ngày càng cạn kiệt, bên cạnh đó nguồn nƣớc thải công nghiệp, sinh hoạt thải ra môi trƣờng đất, nƣớc làm nguồn nƣớc ngầm ngày càng ô nhiễm. Theo nghiên cứu của nhiều nhà khoa học cho biết, nguồn nƣớc ngầm tự nhiên ở Hà Nội hiện có hàm lƣợng asen, amoni trong nƣớc khá cao. Điểm đáng báo động hiện nay là việc nƣớc nhiễm amoni, với hàm lƣợng cho phép là dƣới 1.5 mg/l nhƣng nhiều khu vực ở Hà Nội có mức nhiễm amoni nặng, cao hơn 20-30 lần mức cho phép, nhƣ ở khu vực Hạ Đình, Pháp Vân, Linh Đàm, khu vực Cầu Giấy, và đang lan rộng trên toàn thành phố. Đáng nguy hại hơn là mức độ ô nhiễm đang tăng dần theo thời gian [5]. 1.1.3. Tác hại các nguồn nước nhiễm amoni * Tác hại đối với môi trường: Nƣớc thải chứa nhiều amoni nếu không đƣợc xử lý trƣớc khi thải vào môi trƣờng sẽ gây ra những ảnh hƣởng sau: - Gây hiện tƣợng phú dƣỡng trong hệ sinh thái. - Làm cạn kiệt lƣợng oxi hoà tan trong nƣớc. - Gây độc với hệ sinh vật nƣớc. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 4
  14. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Hiện tƣợng phú dƣỡng trong nƣớc là do dƣ thừa chất dinh dƣỡng dẫn đến sự phát triển bùng nổ của các loại tảo và vi sinh vật. Khi đó, mật độ thuỷ sinh trong hồ rất dày đặc, làm cho nƣớc có độ màu, độ đục cao. Ngoài ra khi một lƣợng lớn tảo chết đi sẽ cần lƣợng oxi lớn tƣớng ứng để phân huỷ dẫn đến hàm lƣợng oxi hoà tan trong nƣớc bị cạn kiệt, làm chết đi các sinh vật sống trong nƣớc. Amoni là nguồn dinh dƣỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật phát triển trong đƣờng ống gây ăn mòn, rò rỉ và mất mỹ quan [1]. * Tác hại đối với sức khoẻ con người. Amoni không gây ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khoẻ con ngƣời, nhƣng trong quá trình khai thác, lƣu trữ và xử lý amoni đƣợc chuyển hoá thành - - nitrit (NO2 ) và nitrat (NO3 ) là những chất có tính độc hại, vì nó có thể chuyển hoá thành nitrosamin có khả năng gây ung thƣ cho con ngƣời. Chính vì vậy quy định nồng độ nitrit cho phép trong nƣớc sinh hoạt là khá thấp. Nhƣ vậy ở trong nƣớc ngầm, amoni không thể chuyển hoá đƣợc do thiếu oxy, khi khai thác lên vi sinh vật trong nƣớc nhờ oxy trong không khí chuyển - - amoni thành nitrit (NO2 ) và nitrat (NO3 ) tích tụ trong thức ăn. Khi ăn uống nƣớc có chứa nitrit thì cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ chiếm oxy của hồng cầu làm hemoglobin mất khả năng lấy oxy, dẫn đến tình trạng thiếu máu, xanh da. Vì vậy, nitrit đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ mới sinh dƣới sáu tháng tuổi, nó có thể làm chậm sự phát triển, gây bệnh ở đƣờng hô hấp. Đối với ngƣời lớn, nitrit kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm thành một họ chất nitrosamin. Nitrosamin có thể gây tổn thƣơng di truyền tế bào, nguyên nhân gây ung thƣ. Những thí nghiệm cho nitrit vào trong thức ăn, thức uống của chuột, thỏ . với hàm lƣợng vƣợt ngƣỡng cho phép thì thấy sau một thời gian có những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của chúng. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 5
  15. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Các hợp chất nitơ trong nƣớc có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho ngƣời sử dụng nƣớc. Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên những nitrosamin là nguyên nhân gây ung thƣ ở ngƣời cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nƣớc dùng để pha sữa. Sau khi lọt vào cơ thể, nitrat đƣợc chuyển hóa nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩn đƣờng ruột. Ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con ngƣời. Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể ngƣời chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thƣ. Bên cạnh đó hàm lƣợng amoni trong nƣớc uống cao có thể gây một số hậu quả nhƣ sau: - Nó có thể kết họp với Clo tạo ra Cloramin là một chất làm cho hiệu quả khử trùng giảm đi rất nhiều so với Clo gốc. - Nó là nguồn Nitơ thứ cấp sinh ra nitrit trong nƣớc, một chất có tiềm năng gây ung thƣ [1],[7]. 1.2. Các phƣơng pháp xử lý ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm 1.2.1. Một số phương pháp xử lý amoni  Phương pháp kiềm hóa và làm thoáng [8],[3]. Amoni ở trong nƣớc tồn tại dƣới dạng cân bằng: + + NH4 NH3 (khí hoà tan) + H pKa = 9,25 Nhƣ vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lƣợng rất nhỏ khí NH3 so với ion amoni. + Nếu ta nâng pH tới 9,25 tỷ lệ [NH3]/[ NH4 ] = 1 và càng tăng pH cân bằng càng chuyển về phía tạo thành NH3. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi khí thì NH3 sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải: + NH4 + OH - NH3 + H2O Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lƣợng khí cần để đuổi NH4 ở mức 1600m3 không khí/m3 nƣớc và quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của môi Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 6
  16. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 trƣờng. Phƣơng pháp này áp dụng đƣợc cho nƣớc thải, khó có thể đƣa đƣợc nồng độ amoni xuống dƣới 1,5mg/l nên rất hiếm khi đƣợc áp dụng để xử lý nƣớc cấp.  Phương pháp Ozon hoá với xúc tác Bromua(Br-) [3]. Để khắc phục nhƣợc điểm của phƣơng pháp Clo hoá điểm đột biến ngƣời ta có thể thay thế một số tác nhân oxi hoá khác là ozon với sự có mặt - của Br về cơ bản xử lý amoni bằng O3 với sự có mặt của Brom cũng diễn ra theo cơ chế giống nhƣ phƣơng pháp xử lý dùng Clo. Dƣới tác dụng của O3, Br- bị oxi hoá thành BrO theo phản ứng sau đây: + Br-+ O3 + H → HBrO + O2 Phản ứng oxy hoá amoni đƣợc thực hiện bởi ion BrO- giống nhƣ của ion CIO-: NH3 + HBrO → NH2Br + H2O NH2Br + HBrO → NHBr2 + H2O - + NH2Br + NHBr2 →N2 + 3Br + 3H  Phương pháp trao đổi ion [3]. Phƣơng pháp trao đổi ion đƣợc sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý nƣớc thải cũng nhƣ nƣớc cấp. Trong xử lý nƣớc cấp, phƣơng pháp trao đổi ion thƣờng đƣợc sử dụng để khử các muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại, các ion kim loại nặng và các ion kim loại khác có trong nƣớc. Trong xử lý nƣớc thải, phƣơng pháp trao đổi ion đƣợc sử dụng để loại ra khỏi nƣớc các kim loại (kẽm, đồng, crom, nikel, chì, thủy ngân, cadimi, mangan ) các hợp chất của asen, photpho, xianua, và các chất phóng xạ. Phƣơng pháp này cho phép thu hồi các chất có giá trị với độ làm sạch nƣớc cao. Nhƣợc điểm chính của phƣơng pháp này là chi phí đầu tƣ và chi phí vận hành khá cao nên ít đƣợc sử dụng cho các công trình lớn và thƣờng sử dụng Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 7
  17. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 cho các trƣờng hợp đòi hỏi chất lƣợng xử lý cao. Ƣu điểm của phƣơng pháp là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đối tƣợng. Thực chất của phƣơng pháp này là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tƣơng tác hóa học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn. Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hóa học đổi chỗ (phản ứng thế) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đổi). Sự ƣu tiên hấp thụ của nhựa trao đổi dành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chỗ các ion có trên khung mang của nhựa trao đổi. Quá trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau.  Phương pháp sinh học [3]. Ở phƣơng pháp sinh học bao gồm hai quá trình nối tiếp nhau là nitrat hoá và khử nitrat hoá nhƣ sau: a) Quá trình nitrat hoá: Quá trình chuyển hoá về mặt hoá học đƣợc viết nhƣ sau: + + NH4 + 3/2O2 → NO2 - + 2H + H2O - - NO2 + 1/2O2 → NO3 Phƣơng trình tổng: + - + NH4 + 2O2 → NO3 + 2H + H2O Đầu tiên, amoni đƣợc oxy hóa thành các nitrit nhờ các vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus. Sau đó các ion nitrit bị oxy hóa thành nitrat nhờ các vi khuẩn Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus. Các vi khuẩn nitrat hóa Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại vi khuẩn tự dƣỡng hóa năng. Năng lƣợng sinh ra từ phản ứng nitrat hóa đƣợc vi khuẩn sử dụng trong quá trình tổng hợp tế bào. Nguồn cacbon để sinh tổng - họp ra các tế bào vi khuẩn mới là cacbon vô cơ (HCO3 là chính). Ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh O2. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 8
  18. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Quá trình trên thƣờng đƣợc thực hiện trong bể phản ứng sinh học với lớp bùn dính bám trên các vật liệu mang - giá thể vi sinh. Vận tốc quá trình oxy hóa nitơ amoni phụ thuộc vào tuổi thọ bùn (màng vi sinh vật), nhiệt độ, pH của môi trƣờng, nồng độ vi sinh vật, hàm lƣợng nitơ amoni, oxy hòa tan, vật liệu lọc Các vi khuẩn nitrat hóa có khả năng kết hợp thấp, do vậy việc lựa chọn vật liệu lọc nơi các màng vi sinh vật dính bám cũng có ảnh hƣởng quan trọng đến hiệu suất làm sạch và sự tƣơng quan sản phẩm của phản ứng sinh hóa. Sử dụng vật liệu mang phù họp làm giá thể cố định vi sinh cho phép giữ đƣợc sinh khối trên giá thể, tăng tuổi thọ bùn, nâng cao và ổn định hiệu suất xử lý trong cùng một khối tích công trình cũng nhƣ tránh đƣợc những sốc do thay đổi điều kiện môi trƣờng. b) Quá trình khử nitrat hoá: Để loại bỏ nitrat trong nƣớc, sau công đoạn nitrat hóa amoni là khầu khử nitrat sinh hóa nhờ các vi sinh vật dị dƣỡng trong điều kiện thiếu khí (anoxic). Nitrit và nitrat sẽ chuyển thành dạng khí N2. Quá trình khử nitrat hoá là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp nhau: NO3 → NO2 → NO → N2O → N2 Vi khuẩn khử tham gia vào quá trình khử nitrat bao gồm Bacilus, Pseudomnas, Methanomonas, Paracocas, Spiritum, Thiobacilus, Để thực hiện phƣơng pháp này, ngƣời ta cho nƣớc qua bể lọc kỵ khí với vật liệu lọc, nơi dính bám và sinh trƣởng của vi sinh vật khử nitrat. Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử. Chúng có thể là chất hữu cơ, H2S, Nếu trong nƣớc không có oxy nhƣng có mặt các hợp chất hữu cơ mà vi sinh hấp thụ đƣợc, trong môi trƣờng anoxic, khi đó vi khuẩn dị dƣỡng sẽ sử - dụng NO3 nhƣ nguồn oxy để oxy hóa chất hữu cơ (chất nhƣờng điện tử), còn - NO3 (chất nhận điện tử) bị khử thành khí N2. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 9
  19. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Vi khuẩn thu năng lƣợng để tăng trƣởng từ quá trình chuyển hoá NO3 - thành khí N2 và cần có nguồn cacbon để tổng hợp tế bào. Do đó khi khử NO3 sau quá trình nitrat hóa mà thiếu các hợp chất hữu cơ chứa cacbon thì phải đƣa thêm các chất này vào nƣớc. Hiện nay, ngƣời ta thƣờng sử dụng khí tự nhiên (chứa metan), rƣợu, đƣờng, cồn, dấm, axetat natri, Axetat natri là một trong những hoá chất thích hợp nhất. Mặc dù có nhiều phƣơng pháp xử lý amoni, nhƣng phƣơng pháp hấp phụ amoni là phƣơng pháp hiệu quả và đơn giản về kĩ thuật nhất hiện nay. 1.2.2. Phương pháp hấp phụ  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: - Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. - 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. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 10
  20. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 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 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 năng hấp phụ hóa học tăng lên. Rất khó phân biệt rõ ràng hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý. Tốc độ của quá trình hấp phụ vật lý thƣờng cao còn hấp phụ hóa học thì ngƣợc lại và đƣợc xác định theo công thức: –E/RT Khpc= k0.z.e Trong đó: Khpc: hằng số tốc độ của hấp phụ hóa học K0 : hệ số hấp phụ E: năng lƣợng hoạt hóa z: số va chạm của phần tử chất bị hấp phụ trên một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 11
  21. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2  Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc [7]. 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 2- cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion nhƣ SO4 , 3- 2- PO4 ,CrO4 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 Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 12
  22. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 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. 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 hưởng 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. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 13
  23. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 1.2.3. Các đại lượng đánh giá hệ hấp phụ ❖ Dung lượng hấp phụ Dung lƣợng hấp phụ 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. Nếu gọi Co và Ccb là nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu và ở trạng thái cân bằng, V là thể tích dung dịch, m là khối lƣợng chất bị hấp phụ, trong thí nghiệm ở trạng thái tĩnh có thể xác định: ( ) q = q: mg/g hoặc mol/g; Co,Ccb: mg/l hoặc mol/l  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. ( ) 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). - Mối quan hệ q = f(C) đƣợc gọi là phƣơng trình đẳng nhiệt, nó có thể đƣợc xây dựng trên cơ sở lý thuyết hoặc thực nghiệm. Các phƣơng trình đẳng nhiệt thƣờng dùng là Langmuir và Freudlich. ❖ Phương trình đẳng nhiệt Langmuir. Q = qmax Trong đó: q - dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng qmax - dung lƣợng hấp phụ cực đại Ccb - nồng độ tại thời điểm cân bằng KL - hằng số đặc trƣng tƣơng tác của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 14
  24. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 ❖ Phương trình đẳng nhiệt Freudlich. 1/n q=kF.ccb Phƣơng trình đƣợc chuyển về dạng phƣơng trình đƣờng thẳng logq = logkF + logCcb Trong đó: q - dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g) k,n - hằng số liên quan đến nhiệt độ, đặc trƣng cho hệ hấp phụ Trong đề tài này, em nghiên cứu cân bằng hấp phụ của các VLHP với + ion NH4 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 Langmuir đƣợc biểu diễn nhƣ sau: = θ = (1.3) Trong đó: q, qm: dung lƣợng hấp phụ cân bằng, dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g) : độ che phủ KL: 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: KL.Ccb << 1 thì q = . KL. Ccb mô tả vùng hấp phụ tuyến tính. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 15
  25. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Trong vùng nồng độ cao: KL.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 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 11 .Ccb (1.4) q KL. q m q m Ccb Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của 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 Hình 1.2. Sự phụ thuộc của phụ Langmuir vào Ccb Tg α= => qm = KL = 1.3. Một số hƣớng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP Ngày nay, trên thế giới và ở 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 phụ phẩm nông nghiệp để loại bỏ kim loại nặng trong nƣớc thải. Nhiều công Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 16
  26. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 trình trong số đó đã đƣợc ứng dụng có hiệu quả vào thực tiễn và mở ra một hƣớng đi mới cho công nghệ xử lý môi trƣờng. Lõi ngô: một nhóm nghiên cứu ở trƣờng Đại học North Carolina, Hoa kỳ tiến hành nghiên cứu và đề xuất quy trình xử lý lõi ngô bằng dung dịch NaOH và H3PO4 để chế tạo VLHP kim loại nặng. Hiệu quả xử lý của VLHP tƣơng đối cao. Dung lƣợng hấp phụ cực đại của hai ion kim loại nặng Cu2+ và Cd2+ lần lƣợt là 0,39 mmol/g và 0,62 mmol/g [11]. Vỏ đậu tương: Có khả năng hấp phụ tốt đối với nhiều ion kim loại nặng nhƣ Cd2+, Zn2+, và một số hợp chất hữu cơ, đặc biệt là ion Cu2+. Vỏ đậu tƣơng sau khi xử lý với NaOH và axit citric thì dung lƣợng hấp phụ cực đại lên tới 108mg/g . Xơ dừa : đƣợc chuyển thành than hoạt tính là chất hấp phụ có hiệu quả đối với Cr6+, V5+, Ni2+, Hg2+,Co3+, Cr3+, Ni2+ từ dung dịch có trong nƣớc thải công nghiệp [9]. Vỏ lạc: đã đƣợc nghiên cứu có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng: Cr(VI), Cu(II), Mn(II), Ni(II), Pb(II), đặc biệt với ion Pb(II). Vỏ lạc thông qua quá trình xử lí hóa học bằng natrihidroxit và axit xitric có dung lƣợng hấp phụ cực đại của vật liệu hấp phụ đối các ion kim loại Pb(II) là 32,36mg/g [9]. 1.4. Giới thiệu về nguyên liệu bã mía. Bá mía đƣợc đánh giá nhƣ phƣơng tiện lọc chất bẩn từ dung dịch nƣớc và đƣợc ví nhƣ than hoạt tính trong việc loại bỏ các kim loại nặng: Cr6+, Ni2+, bên cạnh khả năng tách loại kim loại nặng, bã mía còn thể hiện khả năng hấp phụ tốt đối với dầu. Theo thống kê trên thế gới, khoảng 200 quốc gia và vùng lãnh thổ trồng mía và sản lƣợng đạt 1324,6 triệu tấn. Còn ở Việt Nam niên vụ 2009-2010, diện tích mía nguyên liệu vào khoảng 290 000 ha trong đó diện tích tập trung của các nhà máy đƣờng là 221 816 ha với sản lƣợng đạt 16 triệu tấn. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 17
  27. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Theo tính toán của các nhà khoa học, việc chế biến 10 triệu tấn mía để làm đƣờng sinh ra một lƣợng phế thải khổng lồ: 2,5 triệu tấn bã mía. Trƣớc đây 80% lƣợng bã mía này dƣợc sử dụng để đốt lò hơi trong các nhà máy sản suất đƣờng, sinh ra 50 000 tấn tro. Tuy là phế thải nhƣng trong tro và bã mùn lại có nhiều chất hữu cơ. Các chất này là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trƣờng và ô nhiễm nguồn nƣớc. Bã mía có thể làm bột giấy, ép thành ván dùng trong kiến trúc, cao hơn là làm furfural là nguyên liệu cho ngành sợi tổng hợp. Trong tƣơng lại diện tích rừng ngày càng giảm, nguồn nguyên liệu làm bột giấy từ cây rừng giảm đi thì bã mía là nguyên liệu quan trọng để thay thế [12]. Bã mía chiếm khoảng 25-30% trọng lƣợng mía đem ép. Trong bã mía trung bình chứa 49% là nƣớc, 48% là xơ ( trong đó 45-55% xenlulozo), 2,5% chất hoà tan (đƣờng). Tuỳ theo loại mía và đặc điểm nơi trồng mía mà các thành phần hoá học có trong bã mía có thể biến đổi. Hàm lƣợng phần trăm các thành phần hoá học chính của bã mía đƣợc chỉ ra trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Thành phần hoá học của bã mía [12]. Thành phần % khối lƣợng Xenlulozo 40-50 Hemixenlulozo 20-25 Ligin 18-23 Chất hoá học khác (tro, sáp, protein, ) 3-5 Xenlulozo: Xenlulozo là polisaccarit do các mắt xích α-glucozo (C6H7O2(OH)3)n nối với nhau bằng liên kết 1,4 glicozit. Phân tử khối của xenlulozo rất lớn, khoảng từ 10 000- 150 000u. Hemixenlulozo: Về cơ bản, hemixenlulozo là polisaccarit giống nhƣ xenlulozo, nhƣng có số lƣợng mắt xích nhỏ hơn. Hemixenlulozo thƣờng bao gồm nhiều loại mắt xích và có chứa các nhóm thế axetyl và metyl. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 18
  28. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Lignin: Lignin là loại polyme dƣợc tạo bởi các mắt xích phenylpropan. Lignin giữ vai trò là chất kết nối giữa xenlulozo và hemixenlulozo. Với thành phần chính là xenlulozo và hemixenlulozo, bã mía có thể biến tính trở thành vật liệu phấp phụ tốt. Bã mía đƣợc nghiên cứu cho thấy có khả năng tách các kim loại nặng hoà tan trong nƣớc nhờ vào cấu trúc nhiều lỗ xốp và thành phần gồm các polyme nhƣ xenlulozo, hemixenlulozo, pectin, lignin và protein. Các polyme này có thể hấp phụ nhiều chất tan đặc biệt là các ion kim loại hoá trị hai. Các hợp chất polyphenol nhƣ tanin, lignin trong gỗ đƣợc cho là những thành phần hoạt dộng có thể hấp phụ các kim loại nặng. Các nhóm hydroxyl trên xenlulozo đóng vai trò quan trọng trong khả năng trao đổi ion của vật liệu. Bản thân các nhóm này có khả năng trao đổi yếu vì liên kết O-H ở đây phân cực yếu. Nhiều biện pháp biến tính đã đƣợc công bố nhƣ oxy hoá nhóm hydroxyl thành các nhóm chức axit hoặc sunfo hoá bằng axit sunfuric. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 19
  29. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu + Vật liệu: bã mía + Amoni trong nƣớc nhân tạo. 2.2. Dụng cụ và hóa chất 2.2.1. Dụng cụ Bảng 2.1. Các thiết bị chính được sử dụng trong khoá luận STT Tên thiết bị Xuất xứ 1 Máy quang phổ UV-VIS PI – Trung quốc 2 Máy khuấy từ HY – Trung Quốc 3 Tủ sấy Memmert – Trung Quốc 5 Cân phân tích Ohaus – USA 6 Lò nung Trung Quốc 7 Máy đo pH cầm tay Horiba-Trung Quốc 2.2.2. Hóa chất - Dung dịch NaOH 3M: hòa tan 12g NaOH trong 100ml nƣớc. - Dung dịch ZnSO4 5%: hòa tan 5g ZnSO4 trong 100ml nƣớc. - Dung dịch muối Kali Natri tartrat (KNaC4H4O6) 50%: Hòa tan 50g muối trong 100ml nƣớc cất. - Dung dịch amoni chuẩn (A) 100mg/l: Hòa tan 0.2973g NH4Cl đã sấy khô ở 100ºC trong 1giờ trong bình định mức 100ml với 20ml nƣớc cất cho tan hết, sau đó cho đủ nƣớc cất đến 100ml. - Pha loãng dung dịch chuẩn 10 lần đƣợc dung dịch (B) có nồng độ amoni là 10mg/l.Pha loãng dung dịch chuẩn 100 lần ta đƣợc dung dịch (C) có nồng độ amoni là 1mg/l. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 20
  30. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Dung dịch muối clorua thủy ngân HgCl2 bão hoà: Hoà tan 22g HgCl2 trong 350ml nƣớc cất. - Muối Kali Iodua KI. - Dung dịch NaOH 5 M : hòa tan 10g NaOH trong 50ml nƣớc. - Axit sunfuric đặc H2SO4. - Dung dịch muối Natri hidrocacbonat NaHCO3 1%. - Thuốc thử Nessler (K2HgI4): Hoà tan 5g KI trong 5ml nƣớc cất, thêm từ từ dung dịch HgCl2 bão hoà đến khi có kết tủa xuất hiện ( khoảng 35ml). Thêm từ từ dung dịch NaOH 5M vừa đủ để hoà tan kết tủa. Thêm nƣớc cất định mức đến 100ml. Bảo quản nơi tránh ánh sáng trực tiếp, sử dụng phần nƣớc trong. 2.3. Phƣơng pháp nghiêm cứu 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu Phƣơng pháp tổng hợp, phân tích các tài liệu, công trình nghiên cứu có liên quan. Trên cơ sở đó rút ra một số vấn đề có tính lý luận và thực tiễn liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài. 2.3.2. Phương pháp phân tích + Phương pháp SEM: xác định cấu trúc bề mặt của vật liệu. + Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử UV-VIS: Xác định hàm lƣợng kim loại nặng trong mẫu nƣớc nghiên cứu trƣớc và sau khi hấp phụ. 2.3.3. Phương pháp thực nghiệm 2.3.3.1. Xây dựng đường chuẩn amoni  Nguyên tắc xác định amoni trong nước bằng phương pháp lên màu trực tiếp với thuốc thử Nessler [ 14],[15] Amoni trong môi trƣờng kiềm phản ứng với thuốc thử Nessler (K2HgI4), tạo thành phức có màu vàng hay vàng nâu sẫm phụ thuộc vào hàm lƣợng amoni có trong nƣớc, để lâu hoặc nồng độ amoni lớn sẽ tạo kết tủa bông. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 21
  31. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Ta có phƣơng trình: + + NH4 + 2K2HgI4 + 4KOH → NH2Hg2OI + K + 7KI + 3H2O NH3 + 2K2HgI4 + 3KOH → NH2Hg2OI + 7KI + 2H2O Nhƣng trong nƣớc thiên nhiên thƣờng chứa các ion Ca2+, Mg2+, trong môi trƣờng bazo mạnh các ion này sẽ tạo thành các hidroxide ở dạng keo, làm cho dung dịch bị vẩn đục cản trở quá trình so màu. Để khắc phục hiện tƣợng trên, phải dùng muối kali natri tactrat (KNaC4H4O6), hay EDTA vào mẫu nƣớc phân tích, để muối này kết hợp với ion Ca2+, Mg2+ hình thành các hợp chất hoà tan, không màu trong dung dịch. 2+ + + M + KNaC4H4O6 → K + Na + MC4H4O6 Màu tạo ra giữa thuốc thử Nessler và amoni có cực đại hấp phụ quang trong khoảng bƣớc sóng từ 420 đến 500nm tuỳ thuộc vào nồng độ amoni trong mẫu.  Các bước tiến hành xây dựng đường chuẩn amoni. - Nếu mẫu nƣớc (dung dịch C) có độ đục cao thêm 1ml ZnSO4 5% , 0.5 ml NaOH 3M vào 100ml mẫu lắc đều để yên 5-10 phút lọc lấy phần nƣớc trong để phân tích. - Lấy 50ml nƣớc đã bỏ đục, thêm vào 1ml KNaC4H4O6, sau đó thêm 1ml thuốc thử nessler, lắc đều để yên 5-10 phút. - Pha loãng dung dịch (C) amoni 1mg/l thành các dung dịch có nồng độ 0.05; 0.1; 0.2; 0.4; 0.6; 0.8 mg/l, đƣợc chứa trong dãy ống nghiệm đánh số từ 1-7. - Lắc đều để yên 5 phút,đo mật độ quang tại bƣớc sóng 450nm. 2.3.3.2. Chế tạo các vật liệu hấp phụ từ bã mía - VLHP1: Bã mía đƣợc rửa sạch phơi khô, nghiền thành bột, đun trong nƣớc cất nóng trong 30 phút để loại bỏ hết đƣờng tự nhiên, sấy khô ở 105oC trong 2 giờ, ký hiệu mẫu là VL1. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 22
  32. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 - VLHP2: VL1 đƣợc nung trong lò nung ở các nhiệt độ 2000, 3000 C trong khoảng thời gian 20 phút, ta đƣợc 2 vật liệu hấp phụ than hoạt tính, ký hiệu mẫu là VL2-200, VL2-300. - VLHP3: Ngâm VL1 trong HNO3 tỉ lệ 1:5 (g:ml) ở các nồng độ 4M; 6M; 8M ở nhiệt độ 80oC trong 8h. Rửa sạch vật liệu bằng nƣớc cất đến pH không đổi, sau đó trung hòa trong dung dịch NaOH 0.3M ở nhiệt độ phòng trong 24h, ta đƣợc 3 vật liệu hấp phụ, ký hiệu mẫu là VL3-4M; VL3-6M; VL3-8M. - VLHP4: Trộn VL1 với H2SO4 đặc theo tỉ lệ 1:1và 1:2 (g:ml). Sấy hỗn hợp ở nhiệt độ 150o trong 24h. Rửa sạch vật liệu đến pH không đổi sau đó ngâm o trong dd NaHCO3 1% trong 24h để loại bỏ axit dƣ. Lọc lấy bã , sấy ở 150 C trong 24h, ta đƣợc 2 vật liệu hấp phụ, ký hiệu mẫu là VL4-1:1; VL4-1:2. 2.3.3.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu hấp phụ Để so sánh khả năng hấp phụ của các VLHP ta tiến hành nhƣ sau: Chuẩn bị 8 bình tam giác dung tích 250ml mỗi bình chứa 50ml dung dịch amoni nồng độ 20mg/l. Cho vào mỗi bình 0,1g VLHP, sau đó khuấy hỗn hợp trên máy khuấy từ trong khoảng thời gian 30 phút, tốc độ khuấy 120v/phút ở nhiệt độ phòng. Lọc bỏ bã rắn trong dung dịch, tiến hành đo nồng độ amoni còn lại trên máy quang phổ UV-VIS ở bƣớc sóng 450nm. - Xác định VLHP tốt nhất để sử dụng cho các thí nhiệm tiếp theo. 2.3.3.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni của vật liệu hấp phụ từ bã mía TN1: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni Mô tả thí nghiệm - Lấy vào 8 bình tam giác dung tích 100ml, mỗi bình chứa 50ml dung dịch amoni với nồng độ là C0 = 20mg/l. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 23
  33. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Cho vào mỗi bình 0,1g VLHP và điều chỉnh dung dịch ở các mức pH khác nhau 2,3,4,5,6,7,8,9. Sau đó đem khuấy trên máy khuấy từ trong khoảng thời gian 30 phút, ở nhiệt độ phòng, tốc độ khuấy l20v/phút. - Lọc bỏ bã rắn trong dung dịch, tiến hành xác định hàm lƣợng amoni còn lại ở bƣớc sóng 450nm. - Xác định pH tối ƣu. TN2: Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất xử lý amoni Mô tả thí nghiệm: - Lấy vào 6 bình tam giác dung tích 100ml, mỗi bình chứa 50ml dung dịch amoni với nồng độ là C0 = 20mg/l. - Cho vào mỗi bình 0,1g VLHP và điều chỉnh dung dịch về pH tối ƣu. Sau đó đem khuấy trên máy khuấy từ trong các thời gian 10,20, 30, 40, 50, 60 phút, ở nhiệt độ phòng, tốc độ khuấy l20v/phút. - Lọc bỏ bã rắn, xác định nồng độ amoni còn lại trong nƣớc ở bƣớc sóng 450nm. - Xác định thời gian tối ƣu. TN3: Ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến hiệu suất xử lý amoni Mô tả thí nghiệm: - Lấy vào 6 bình tam giác dung tích 100ml, mỗi bình chứa 50ml dung dịch amoni với nồng độ là C0 = 20mg/l. - Cho vào mỗi bình lần lƣợt 0,05g; 0,lg; 0,2g; 0,3g; 0,4g; 0,5g VLHP và điều chỉnh dd về pH tối ƣu, sao đó khuấy trên máy khuấy từ trong thời gian H phút (thời gian tối ƣu) với tốc độ l20v/phút ở nhiệt độ phòng. - Lọc bỏ bã rắn rồi tiến hành xác định nồng độ amoni còn lại trong nƣớc ở bƣớc sóng 450nm. - Xác định liều lƣợng VLHP tối ƣu. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 24
  34. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 TN4: Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu đến hiệu suất xử lý amoni của VLHP Mô tả thí nghiệm: - Cho vào 7 bình tam giác mỗi bình 50ml dung dịch amoni có nồng độ lần lƣợt là 5,10, 20, 30, 40, 50, 60 mg/1. - Thêm vào mỗi bình m (g) VLHP và điều chỉnh dd về pH tối ƣu, sao đó khuấy trên máy khuấy từ trong thời gian H phút (thời gian tối ƣu) với tốc độ l20v/phút ở nhiệt độ phòng. - Lọc bỏ bã rắn, xác định nồng độ amoni còn lại ở bƣớc sóng 450nm. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 25
  35. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn xác định amoni Bảng 3.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn amoni theo phương pháp nessler STT 1 2 3 4 5 6 7 8 Nồng độ amoni 0 0.05 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 C0(mg/l) Abs 0.001 0.026 0.051 0.094 0.184 0.267 0.367 0.435 0.5 0.45 y = 0.4387x + 0.0054 R² = 0.9988 0.4 0.35 0.3 0.25 Abs 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Co(mg/l) Hình 3.1. Đường chuẩn xác định nồng độ amoni Vậy phƣơng trình đƣờng chuẩn amoni dùng để xác định nồng độ amoni có dạng là: y=0.4387x + 0.0054. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 26
  36. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 3.2. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu hấp phụ từ bã mía Bảng 3.2. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ amoni của các loại vật liệu STT Ký hệu mẫu Nồng độ ban Nồng độ còn Hiệu suất hấp đầu C0 (mg/l) lại Cl (mg/l) phụ H (%) 1 VL1 20 5.376 73.11 2 VL2-200 20 3.586 82.06 3 VL2-300 20 3.917 80.41 4 VL3-4M 20 3.094 84.52 5 VL3-6M 20 3.416 82.91 6 VL3-8M 20 3.820 80.89 7 VL4-1:1 20 2.588 87.05 8 VL4-1:2 20 1.131 94.34 100 94.34 90 80 70 60 50 40 30 Hiệu suất hấp phụ (%) phụ hấpsuất Hiệu 20 10 0 VL1 VL2-200 VL2-300 VL3-4M VL3-6M VL3-8M VL4-1:1 VL4-1:2 Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ của các VLHP từ bã mía Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 27
  37. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nhận xét: Dựa vào hình 3.2 dễ dàng nhận thấy các vật liệu chế tạo từ bã mía có khả năng hấp phụ amoni khá cao, hiệu suất hấp phụ amoni trên 80%. Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy vật liệu đƣợc hoạt hoá bằng H2SO4 đặc với tỉ lệ 1:2 (g:ml) cho khả năng hấp phụ amoni lớn nhất (hiệu suất hấp phụ là 94.34 %). Vì vậy VLHP này đƣợc chọn sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo. 3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ amoni của vật liệu hấp phụ từ bã mía 3.3.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni Hiệu suất hấp phụ của VLHP nghiên cứu trong môi trƣờng pH khác nhau, với liều lƣợng VLHP là 0.1g, Co = 20mg/l, khuấy trong 30 phút ở nhiệt độ phòng, tốc độ khuấy 120vòng/phút. Lọc bỏ bã rắn, tiến hành xác định nồng độ amoni còn lại. Kết quả đƣợc thể hiện ở bảng 3.3. Bảng 3.3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni Nồng độ amoni ban Nồng độ amoni Hiệu suất hấp STT pH đầu C0 (mg/l) còn lại Cl (mg/l) phụ H (%) 1 2 20 4.234 78.82 2 3 20 2.725 86.37 3 4 20 1.487 92.56 4 5 20 1.233 93.83 5 6 20 0.754 96.23 6 7 20 0.243 98.78 7 8 20 0.246 98.77 8 9 20 0.379 98.10 Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 28
  38. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 120 100 80 60 40 Hiệu suất hấp phụ %phụ hấpsuất Hiệu 20 0 0 2 4 6 8 10 pH Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni Nhận xét: Từ hình 3.3 ta thấy hiệu suất hấp phụ amoni của VLHP tăng nhanh trong khoảng pH từ 2-7 (tăng từ 78.82- 98.78%) và dần ổn định trong khoảng pH từ 7-8, khi pH tiếp tục tăng thì hiệu suất hấp phụ lại có chiều hƣớng giảm nhẹ. Điều đó có thể giải thích nhƣ sau: Trong môi trƣờng axit + (pH 5, khả năng cạnh tranh của các ion H+ dần biến mất, làm tăng + cƣờng khả năng liên kết của các ion NH4 với bề mặt vật liệu hấp phụ. Sự + giảm hiệu suất hấp phụ khi pH>8 do NH4 bị chuyển sang dạng NH3 bay đi ảnh hƣởng đến kết quả hấp phụ. [15]. Do đó pH=7 đƣợc chọn sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo. 3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất xử lý amoni Hiệu suất hấp phụ của VLHP nghiên cứu theo thời gian khuấy khác nhau với liều lƣợng VLHP là 0.1g, nồng độ amoni Co= 20mg/l, trong môi trƣờng pH=7 với tốc độ khuấy là 120 vòng/phút. Lọc bỏ bã rắn,tiến hành xác định nồng độ amoni trong nƣớc sau hấp phụ. Kết quả đƣợc thể hiện ở bảng 3.4 Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 29
  39. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất xử lý amoni STT Thời gian Nồng độ amoni ban Nồng độ amoni Hiệu suất hấp (phút) đầu C0 (mg/l) còn lại Cl (mg/l) phụ H (%) 1 10 20 2.030 89.84 2 20 20 1.693 91.53 3 30 20 1.373 93.13 4 40 20 1.264 93.67 5 50 20 1.241 93.79 6 60 20 1.282 93.58 94 93.5 93 92.5 92 91.5 91 90.5 Hiệu suất hấp phụ % phụ hấpsuất Hiệu 90 89.5 0 10 20 30 40 50 60 70 thời gian khuấy (phút) Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ amoni Nhận xét: Qua hình 3.4 cho thấy trong thời gian khuấy (thời gian vật liệu hấp phụ tiếp xúc với các phân tử amoni) từ 10-30 hiệu suất hấp phụ amoni của VLHP tăng khá nhanh từ 89.84- 93.13%, và dần ổn định trong khoảng thời gian từ 30-60 phút. Điều đó có thể giải thích nhƣ sau: Thời gian tiếp xúc giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ trong khoảng thời gian 10-30 phút chƣa + đủ để các trung tâm hoạt động bề mặt chất hấp phụ đƣợc “lấp đầy” bởi NH4 dẫn đến hiệu suất hấp phụ tăng. Đến khi thời gian kéo dài thì lƣợng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều, tốc độ di chuyển ngƣợc Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 30
  40. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 lại vào trong nƣớc càng lớn nên hiệu quả hấp phụ gần nhƣ không tăng và dần đạt đến trạng thái cân bằng. Vậy chọn thời gian khuấy là 30 phút để làm thí nghiệm tiếp theo. 3.3.3. Ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến hiệu suất xử lý amoni Hiệu suất hấp phụ của VLHP nghiên cứu theo liều lƣợng VLHP khác nhau, với nồng độ amoni Co=20mg/l, thời gian khuấy là 30 phút, trong môi trƣờng pH=7, với tốc độ khuấy là 120vòng /phút. Lọc bỏ bã rắn rồi tiến hành xác định hàm lƣợng amoni còn lại trong dung dịch. Kết quả đƣợc thể hiện ở bảng 3.5: Bảng 3.5. Ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến hiệu suất xử lý amoni STT Khối lƣợng Nồng độ amoni Nồng độ amoni Hiệu suất H than m (g) ban đầu C0 (mg/l) còn lại Cl (mg/l) (%) 1 0.05 20 0.234 98.83 2 0.1 20 0.204 98.98 3 0.2 20 0.145 99.27 4 0.3 20 0.058 99.71 5 0.4 20 0.035 99.82 6 0.5 20 0.033 99.83 100 99.8 99.6 99.4 99.2 99 Hiệu suất hấp phụ % phụ hấpsuất Hiệu 98.8 98.6 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 liều lượng VLHP (g) Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến hiệu suất xử lý amoni Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 31
  41. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nhận xét: Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất hấp phụ amoni tăng dần trong khoảng liều lƣợng VLHP là 0.1-0.3g (từ 98.83- 99.71%), và dần ổn định trong khoảng liều lƣợng VLHP là 0.3-0.5 g. Điều này có thể giải thích nhƣ sau: Vì càng nhiều VLHP thì bề mặt tiếp xúc của vật liệu sẽ càng lớn và lƣợng amoni bị hấp phụ trên bề mặt càng nhiều. Khi tăng lƣợng VLHP đến một hàm lƣợng nhất định, nồng độ kim loại đủ cao để hấp phụ vào bề mặt VLHP tối đa và đạt trạng thái bão hòa. Do đó em chọn giá trị liều lƣợng VLHP là 0,3g sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo. 3.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ amoni đến hiệu suất xử lý amoni Hiệu suất hấp phụ của VLHP nghiên cứu theo nồng độ amoni ban đầu khác nhau với liều lƣợng VLHP là 0.3g, thời gian khuấy là 30 phút, trong môi trƣờng pH=7, tốc độ khuấy là 120 vòng/ phút. Lọc bỏ bã rắn, xác định nồng độ amoni còn lại trong mỗi bình. Kết quả thể hiện trong bảng 3.6. Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ amoni đến hiệu suất xử lý amoni STT Nồng độ dung dịch Nồng độ amoni còn Hiệu suất H (%) ban đầu Co (mg/l) lại Cl (mg/l) 1 5 0.018 99.56 2 10 0.084 99.12 3 20 0.357 98.20 4 30 0.868 97.11 5 40 4.367 89.13 6 50 8.188 83.71 7 60 13.408 77.77 Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 32
  42. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 120 100 80 60 40 Hiệu suất hấp phụ % phụ hấpsuất Hiệu 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Nồng độ amoni (mg/l) Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ amoni đến hiệu suất xử lý amoni Nhận xét: Dựa vào hình 3.6 có thể nhận thấy nồng độ càng cao thì khả năng hấp phụ amoni càng giảm. Ở nồng độ từ 5-10mg/l hiệu suất xử lý cao trên 99% và giảm dần khi tăng nồng độ từ 20-60mg/l (98.2- 77.77%). Điều này đƣợc giải thích là khi nồng độ amoni ban đầu còn thấp, các trung tâm hoạt động bề mặt của VLHP vẫn chƣa đƣợc lấp đầy bởi các ion amoni. Tuy nhiên đến một thời điểm nào đó, khi các trung tâm trên đã đƣợc che phủ bởi amoni thì hiệu suất hấp phụ của vật liệu với amoni giảm nhanh. Bề mặt VLHP trở nên bão hòa dần bởi amoni. Qua khảo sát, VLHP hấp phụ tốt nhất ở nồng độ amoni 5mg/l. 3.4. Xây dựng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ là mô hình toán học mô tả sự phân bố của hàm lƣợng amoni trong nƣớc, dựa trên các giả định liên quan đến đồng nhất/ không đồng nhất của VLHP. Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng phƣơng trình đƣờng thẳng: Ccb 11 .Ccb q KL. q m q m Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 33
  43. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Bảng 3.7 Các thông số khảo sát sự hấp phụ amoni của VLHP STT Co (mg/l) Ccb (mg/l) q (mg/l) Ccb/q (g/l) 1 5 0.018 0.830 0.021 2 10 0.084 1.652 0.051 3 20 0.357 3.273 0.109 4 30 0.868 4.855 0.178 5 40 4.367 5.938 0.735 6 50 8.188 6.968 1.175 7 60 13.408 7.765 1.726 10 y = 1.0952ln(x) + 4.6696 2 R² = 0.9852 y = 0.1281x + 0.0719 8 R² = 0.992 1.5 6 1 4 q(mg/g) Ccb/q(g/l) 2 0.5 0 0 0 5 10 15 0 5 10 15 Ccb(mg/l) Ccb(mg/l) Hình 3.7 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Hình 3.8 Đồ thị biểu biễn sự phụ Langmuir thuộc của Ccb/q và Ccb Các thông số kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình hấp phụ amoni của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía tuân theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. Dựa vào Hình 3.8, ta tính đƣợc giá trị dung lƣợng hấp phụ amoni cực đại và hằng số Langmuir: qm = = = 7.806 KL = = =1.781 Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 34
  44. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Kết quả cho thấy dung lƣợng hấp phụ amoni cực đại của vật liệu hấp phụ đã chọn là 7.806 mg/g và hằng số Langmuir là 1.781. Từ kết quả này chúng ta có thể đánh giá khả năng hấp phụ amoni của VLHP là khá tốt, vật liệu chế tạo từ bã mía hoạt hoá bằng H2SO4 đặc này có thể là một loại vật liệu tốt để xử lý môi trƣờng. Bảng 3.8. So sánh khả năng hấp phụ amoni của VLHP từ bã mía với các VLHP khác STT Tên Vật liệu Dung lƣợng hấp Tài liệu tham phụ q(mg/g) khảo 1 Than cacbon hoá từ vỏ cà phê 1.42 [13] 2 Lõi ngô hoạt hoa bằng hơi nƣớc 2.41 [11] 3 Than thân cây sắn 6.973 [9] Than hoạt tính từ gáo dừa đƣợc 14.43 [7] 4 o biến tính ở 70 C bằng HNO3 đặc Bã mía hoạt tính bằng H2SO4 đặc 7.806 Trong nghiên 5 tỷ lệ 1:2 (g:ml). cứu này Từ bảng 3.8 cho thấy VLHP chế tạo từ bã mía có dung lƣợng hấp phụ amoni khá cao (dung lƣợng hấp phụ cực đại là 7,806 mg/g). So sánh với các VLHP tƣơng tự thì mẫu VLHP của chúng tôi có dung lƣợng hấp phụ amoni cao hơn so với với các VLHP nhƣ than thân cây sắn [9], than cacbon hóa từ vỏ cà phê [13], lõi ngô [11], thời gian hấp phụ ngắn hơn so với các vật liệu khác, việc xử lý và chế tạo VLHP cũng đơn giản, không cần mất nhiều thời gian. Kết quả mở ra triển vọng ứng dụng VLHP từ bã mía trong lĩnh vực xử lý nƣớc ô nhiễm kim loại nặng. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 35
  45. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 3.5. Kết quả đánh giá cấu trúc bề mặt của VLHP  Kết quả chụp SEM Hình 3.9. Ảnh SEM của nguyên liệu Hình 3.10 Ảnh SEM của VLHP Kết quả đánh giá hình thái học bề mặt của bã mía chƣa hoạt hoá (VL1) và sau khi hoạt hoá (VL4-1:2) thông qua dữ liệu ảnh SEM thể hiện trong Hình 3.9 và Hình 3.10 cho thấy hình thái học bề mặt của các VL4-1:2 thay đổi đáng kể khi đƣợc hoạt hoá bằng H2SO4 đặc. Ở độ phóng đại 50.000 lần có thể thấy, trên mẫu VL1 khá trơ và phản quang. Trên mẫu VL4-1:2 có rãnh sâu trên bề mặt tạo độ mịn và độ xốp cao, diện tích bề mặt lớn. Quá trình hoạt hóa Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 36
  46. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 vật liệu bằng H2SO4 tạo nên những lỗ nhỏ li ti làm cho VLHP có khả năng hấp phụ và giữ các tạp chất tốt hơn rất nhiều so với chƣa hoạt hoá, do vậy bã mía hoạt hoá bằng H2SO4 có thể hấp phụ các ion kim loại dễ dàng hơn. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 37
  47. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  Kết luận Qua quá trình nghiên cứu và thực nghiệm rút ra đƣợc những kết quả sau: Khóa luận đã tiến hành 2 quá trình: chế tạo các vật liệu hấp phụ từ bã mía và nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu trên. Sau đó nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ amoni của VLHP đã chọn. 1. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã mía: Đã chế tạo đƣợc 8 loại VLHP từ bã mía là VL1, VL2-200, VL2-300, VL3-4M, VL3-6M, VL3-8M, VL4-1:1, VL4-1:2 và đã xác định đƣợc loại vật liệu VL4-1:2 có khả năng hấp phụ amoni tốt nhất, là vật liệu bã mía đƣợc hoạt hoá bằng H2SO4 đặc với tỉ lệ 1:2 (g:ml) 2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ amoni của VLHP từ bã mía đã chọn và tìm ra đƣợc các điều kiện tối ƣu quá trình hấp phụ amoni nhƣ sau: Thời gian khuấy là 30 phút, pH =7, khối lƣợng VLHP là 0,3g , nồng độ amoni ban đầu là 5mg/l. 3. Quá trình hấp phụ amoni của VLHP từ bã mía tuân theo đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ langmuir với hằng số langmuir là 1.781. Dung lƣợng hấp phụ cực đại của VLHP đã chọn là 7.806mg/g.  Kiến nghị - Qua nghiên cứu này thấy rằng có thể sử dụng vật liệu bã mía hoạt tính bằng H2SO4 đặc để xử lý amoni trong nguồn nƣớc bị ô nhiễm. - Cần tiếp tục nghiên cứu khả năng hấp phụ của VLHP với các ion kim loại khác để xử lý ô nhiễm môi trƣờng, mang lại hiệu quả thực tiễn cao. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 38
  48. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt 1. Nguyễn Việt Anh (2005), Nghiên cứu xử lý amoni (NH4+) trong nước ngầm bằng phương pháp sinh học, Nxb Giáo Dục, Hà Nội. 2. Bộ Tài nguyên và môi trƣờng (2015), Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia Hà Nội 3. Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong kĩ thuật xử lí nƣớc và nƣớc thải, Nxb Thống Kê, Hà Nội. 4. Nguyễn Tinh Dung (2010) ,Hoá học phân tích phần II - Các phản ứng ion trong dung dịch nước, Nxb Giáo Dục Việt Nam. 5. Nguyễn Ngọc Dung,Quản lý tổng hợp nguồn tài nguyên nƣớc ngầm tại Hà Nội, Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10, Viện KTTV & MT 6. Lê Đức (2004), Một số phương pháp phân tích môi trường, Trƣờng ĐH Quốc Gia Hà Nội. 7. Trịnh Xuân Đại (2008), Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amoni và kim loại nặng trong nước, Luận văn khoa học, ĐH Khoa học –Tự nhiên, ĐH quốc Gia Hà Nội. 8. Đặng Xuân Hiển và Cao Xuân Mai (2010), Nghiên cứu xử lý amoni (NH4+) trong nước ngầm bằng phương pháp trao đổi ion, Viện Khoa học và Công nghệ môi trƣờng, Trƣờng ĐH Bách Khoa Hà Nội. 9. Phạm Thị Ngọc Lan (2016) Nghiên cứu biến tính than hoạt tính chế tạo từ các phế phẩm nông nghiệp làm vật liệu hấp phụ xử lý amoni trong nước, Báo cáo khoa học, Khoa Môi trƣờng – Trƣờng ĐH Thuỷ Lợi. 10. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2002), Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, Nxb Khoa học và Kĩ thuật, Hà Nội 11.Vũ Thị Mai (2017), Nghiên cứu chế tạo than cacbon hoá từ lõi ngô nhằm sử dụng trong xử lý tăng cường nước sinh hoạt và ăn uống, Luận án tiến sỹ kĩ thuật, Viện Hàn Lâm Khoa Học Và Công Nghệ Việt Nam. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 39
  49. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 12. Phùng Thị Kim Thanh, Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng (Cr3+, Ni2+, Cu2+, Zn2+) bằng bã mía sau khi đã biến tính và thử nghiệm xử lý môi trường, Luận văn thạc sỹ, Trƣờng ĐH Khoa Học Tự Nhiên. 13. Lê Văn Thanh (2014), Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương pháp hấp phụ sử dụng than cacbon hóa sản xuất từ vỏ cà phê, Khoá luận tốt nghiệp đại học, Trƣờng Đại học Phƣơng Đông. Tài liệu tiếng anh 14. Golcaves M.; Sanchez-Garcia L.; Jardim O.E.; Silvestre-Albero J.; Rodriguez R. (2011), Amonium removal using activated carons: Effects of the surface chemistry in dry and moist conditions, Envion. Sci. Technol. 15. Gaikwad R W (2004), Removal of Cd(II) from aqueous solution by activated charcoal derived from coconut shell, Electron J Environ Agric Food Chem, 3, pp. 702 - 709. 16. Halim A.A, Latif M.T., Ithnin A. (2013), Amonium removal from Aqueous Solution using Organic acid modified activated carbon: Effects of the surface chemistry in dry and moist conditions, World Applied Sciences Journal. 17. Kernit Wilson, Hong Yang, Chung W.Seo, Wayne E.Marshall (2006), Select metal adsorption by activated carbon made from peanut shells, Bioresoyrce Technology, Vol. 97, pp. 2266 - 2270. 18. Langwaldt J.(2008), Amonium removal from Water by Eight Natural Zeolites: A comparative Study, Separation Science and Technology. 19. Mashal A and Dahrieh J.A, Ahmed A.A., Oyedele L, Haimour N, Ali A.A, Rooney D (2014), Fixed-bed study of Amonium removal from Aqueous Solution using natural zeolite, World Journal of Sciences, Technology and sustainable Development. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 40
  50. Khoá luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 20. Thomas Anish Johnson, Niveta Jain, H C Joshi and Shiv Prasad (2008), Agricultural and agro-processing wastes as low cost adsorbents for metal removal from wastewater: A review, Journal of Scientific and Industrial Research, Vol. 67, pp. 647 - 658. Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học 41