›

Khóa luận Nghiên cứu khả năng hấp phụ Fe³+(aq) bởi bã cà phê biến tính

pdf 54 trang thiennha21 13/04/2022 4070
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Nghiên cứu khả năng hấp phụ Fe³+(aq) bởi bã cà phê biến tính", 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_feaq_boi_ba_ca_phe_bie.pdf

Nội dung text: Khóa luận Nghiên cứu khả năng hấp phụ Fe³+(aq) bởi bã cà phê biến tính

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VUNG TÀU BARIA VUNGTAU UNIVERSITY CAP S a in t Iacqịựes ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe3+(aq) BỞI BÃ CÀ PHÊ BIẾN TÍNH Trình độ đào tạo:Đại học Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học Chuyên ngành: Hóa dầu Giảng viên hướng dẫn: TS. Đỗ Ngọc Minh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Cao Minh MSSV: 13030220 Lớp: DH13HD Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2017
  2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU Phụ lục 2 VIÊN KỸ THUAT - KINH TẾ BIỂN PHIÉU GIAO ĐẺTÀI ĐỒ ÁN/ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP (Đính kèm Quy định về việc tổ chức, quản lý các hình thức tốt nghiệp ĐH, CĐ ban hành kèm theo Quyết định số 585/QĐ-ĐHBRVT ngày 16/7/2013 của Hiệu trưởng Trường Đại họcb R-V t) Họ và tên sinh viên: NGUYỄN CAO MINH Ngày sinh: 28/07/1995 MSSV : 13030220 Lớp: DH13HD Địa chỉ: KP. 8 - P. Phước Lộc - Thị xã Lagi - Bình Thuận E-mail : nguyencaominhks@gmail.com Trình độ đào tạo: Đại học Hệ đào tạo: Chính quy Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học Chuyên ngành: Hóa dầu 1. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe3+(aq) BỞI BÃ CÀ PHÊ BIẾN TÍNH 2. Giảng viên hướng dẫn: TS. Đỗ Ngọc Minh 3. Ngày giao đề tài: 10/02/2017 4. Ngày hoàn thành đồ án/ khoá luận tốt nghiệp: 10/06/2017 Bà Rịa - Vũng Tàu, ngày 10 tháng 02 năm 2017 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) TS. Đỗ Ngọc Minh Nguyễn Cao Minh GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN TRƯỞNG NGÀNH (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG VIỆN (Ký và ghi rõ họ tên)
  3. Tôi xin cam đoan nghiên cứu này hoàn toàn do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đỗ Ngọc Minh. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Vũng Tàu, ngày 03 tháng 07 năm 2017 Sinh viên thực hiện Nguyễn Cao Minh
  4. Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đỗ Ngọc Minh. Thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Bên cạnh đó, tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô thuộc Viện Kỹ thuật - Kinh tế biển, Trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu và các bạn DH13HD đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Tất nhiên, việc thiếu sót trong đồ án tốt nghiệp là điều không thể tránh khỏi, vì vậy, kính mong quý thầy cô góp ý để bài báo cáo hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn. Vũng Tàu,ngày 03tháng 07 năm2017 Sinh viên thực hiện Nguyễn Cao Minh
  5. LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4 1.1. Tổng quan về tình hình ô nhiễm nguồn nước 4 1.2. Các phương pháp xử lý nước 7 1.2.1. Phương pháp kết tủa hóa học [3] 7 1.2.2. Phương pháp hấp phụ [3 ] 8 1.2.3. Phương pháp trao đổi ion [3] 9 1.2.4. Phương pháp điện hóa [3 ] 10 1.2.5. Phương pháp sinh học [3] 11 1.2.6. Giới thiệu vật liệu hấp phụ 11 1.2.7. Nhóm khoáng tự nhiên 12 1.2.8. Nhóm nguyên liệu tự nhiên và phế thải nông nghiệp 12 1.2.9. Một số loại vật liệu hấpphụkhác 13 1.3. Giới thiệu về bã cà phê[5] 16 1.4. Tổngquan tình hình nghiên cứu tính chất hấp phụ của bã cà phê 17 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 21 2.1. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã cà phê [8 ] 21 2.1.1. Nguyên liệu và hóa chất 21 2.1.2. Dụng cụ và thiết b ị 21 2.1.3. Cách tiến hành 21 2.2. Phương pháp định lượng Fe3+ 24 2.2.1. Nguyên tắc định lượng Fe3+ [9] 24 2.2.2. Hóa chất 24 2.2.3. Dụng c ụ 24 2.2.4. Cách tiến hành 24 2.3. Xác định các đặc tính của vật liệu hấp phụ 26 2.3.1. SEM 26
  6. 2.3.2. Xác định các đặc trưng vật liệu hấp phụ 28 2.4. Nghiên cứu quá trình hấp phụ Fe3+ trên bề mặt vật liệu hấp thụ 28 2.4.1. So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu bã cà phê biến tính và than hoạt tính trên thị trường 28 2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng pH đến khả năng hấp phụ Fe3+của vật liệu 29 2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến khả năng hấp phụ Fe3+ 29 2.4.4. Xác định đại lượng hấp phụ của vật liệu hấp phụ 30 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1. Đặc tính của vật liệu hấp thụ 33 3.1.1. Phân tích SEM 33 3.1.2. Phân tích các đại lượng đặc trưng cho vật liệu hấp phụ 34 3.1.3. So sánh khả năng hấp phụ của vật liệu và than hoạt tính thương mại 34 3.3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Fe3+ của vật liệu 35 3.4. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Fe3+ của vật liệu 36 3.5. Xác định đại lượng hấp phụ của bã cà phê biến tính 37 3.6. So sánh kết quả nghiên cứu 40 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 PHỤ LỤC 44
  7. Bảng 1.1: Thành phần của cà p hê 17 Bảng 2.1. Thể tích các dung dịch thành phần cần lấy để pha chế các dung dịch phức sắt với các nồng độ khác nhau 25 Bảng 2.2. Kết quả thực nghiệm đo mật độ quang của các dung dịch phức sắt khác nhau 25 Bảng 3.1. Kết quả đo các thông số đặc trưng cho vật liệu hấp phụ theo mô hình B E T 34 Bảng 3.2. So sánh khả năng hấp phụ Fe3+(aq) trên bề mặt bã cà phê biến tính và than hoạt tính thương mại 34 Bảng 3.3. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Fe3+ của vật liệu 35 Bảng 3.4. Kết quả thực nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng nồng độ sắt lên khả năng hấp phụ của CF1/4 38 Bảng 3.5. So sánh kết quả nghiên cứu 41
  8. Hình 2. l.Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ 22 Hình 2.2. Bã cà phê đã sấy 23 Hình 2.3. Vật liệu biến tính thu được 23 Hình 2.4.ĐỒ thị đường chuẩn Fe3+ 26 Hình 2.5.Các bức xạ phát ra khi chiếu chùm electron vào mẫu vật thể trong SEM 27 Hình 2.6. Máy phân tích hiển vi electron quét ZEISS EVO LS15 27 Hình 2.7.Area and Porosity AnalyzerMicromeritics -ASAP 2020 28 Hình 3.1. SEM của bã cà phê thô (a), CF1/3 (b), CF1/4 (c) và CF1/5 (d) 33 Hình 3.2.Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ củaCF1/4 vào pH dung dịch muối sắt 36 Hình 3.3. Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào thời gian ngâm CF1/4 trong dung dịch muối sắt 37 Hình 3.4. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Fe3+ trên bề mặt CF1/4 39 Hình 3.5. Đồ thị mô tả phương trình Langmuir tuyến tính 39 Hình 3.6.ĐỒ thị mô tả phương trình Freundlich tuyến tính 40
  9. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và phong phú của con người, các ngành công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ phát triển không ngừng dẫn tới sự ô nhiễm môi trường ở mức báo động, đặc biệt là môi trường nước bởi các kim loại nặng (Hg, Pb, Cd, Fe, As ), thuốc nhuộm hữu cơ, thuốc bảo vệ thực vật và thuốc trừ sâ u . Điều này gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người không chỉ ở thế hệ hiện tại mà còn ở các thế hệ tương lai. Một trong những phương pháp hiệu quả xử lý nguồn nước bị ô nhiễm là phương pháp hấp phụ. Chất hấp phụ được sử dụng rộng rãi là than hoạt tính, silica gel, zeolite Tuy nhiên các chất hấp phụ này đắt và khó tái sinh. Trong khi đó, theo thống kê mỗi năm trên thế giới sản xuất khoảng 6.6 triệu tấn cà phê được sản xuất. Hệ quả là một khối lượng lớn bã cà phê được thải bỏ. Một phần bã cà phê được làm thức ăn cho gia súc, phần còn lại được đốt như chất thải sinh ra khí nhà kính CO2. Vì vậy, cần phát triển các công nghệ tái sử dụng bã cà phê cho các mục đích hữu ích và chuyển hóa chúng thành nguồn vật liệu mới. Trong khoảng một thập niên gần đây, các nhà khoa học đã tiến hành nhiều nghiên cứu trên bã cà phê và chứng minh được rằng bã cà phê có tính chất hấp phụ đáng kể, không chỉ đối với các kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại tan trong nước mà còn đối với khí cacbonic. Nhưng, chỉ có một số ít nghiên cứu tính chất hấp phụ của bã cà phê biến tính. Việc tận dụng nguồn phế thải bã cà phê để điều chế chất hấp phụ sinh học không chỉ giải quyết bài toán môi trường, mà còn là bài toán kinh tế. Vì vậy, trong đề tài nghiên cứu này bã cà phê được xử lý bằng các phương pháp lý hóa khác nhau với mục đích tổng hợp chất hấp phụ sinh học với độ hấp phụ cao ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.
  10. Tình hình nghiên cứu Hiện nay trên thế giới việc sử dụng bã cà phê vào nghiên cứu xử lý kim loại trong nước thải đã đạt được nhiều kết quả đáng ghi nhận, một số công trình đã được công bố trong nước và trên thế giới. Trong một nỗ lực để tái sử dụng chất thải thực phẩm cho các mục đích hữu ích, nhóm nhà khoa học thuộc trường Đại học Kinki đã nghiên cứu khả năng sử dụng bã cà phê để loại bỏ các ion chì trong nước uống [Toshimitsu Tokimoto, Naohito Kawasaki, Takeo Nakamura, Jyunichi Akutagawa, Seiki Tanada (2004). Removal of lead ions in drinking water by coffee grounds as vegetable biomass, Journal of Colloid and Interface Science, 281(1), 56­ 61]. Các đặc tính hấp phụ ion chì bởi cà phê đã được nghiên cứu bằng cách xác định hàm lượng chất béo và protein, các đường hấp phụ đẳng nhiệt và tốc độ hấp thụ các ion chì. Lượng ion chì bị hấp phụ bởi bã cà phê không phụ thuộc vào loại hạt cà phê hoặc nhiệt độ mà tại đó các thí nghiệm hấp phụ được thực hiện. Tốc độ hấp phụ ion chì bằng bã cà phê tỷ lệ thuận với lượng bã cà phê thêm vào dung dịch. Khi bã cà phê đã được tẩy dầu mỡ hoặc đun sôi, lượng các ion chì giảm. Khi protein chứa trong bã cà phê được biến tính, sự hấp phụ ion chì giảm đáng kể.Đại lượng hấp phụ ion chì bởi bã cà phê giảm, khi tăng nồng độ của axit pecloric. Thực nghiệm cho thấy rằng protein có trong hạt cà phê phụ thuộc vào sự hấp thụ của ion chì. Kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu đã đưa ra một câu trả lời khẳng định cho khả năng sử dụng bã cà phê, một chất thải thực phẩm dồi dào, để loại bỏ các ion chì trong nước uống. Ở một nghiên cứu khác của [Jurgita Seniunait, Rasa Vaiskunait, Violeta Bolutien (2014). Coffee grounds as an adsorbent for copper and lead removal formaqueous solutions, The 9th International Conference “Environmental Engineering”, Vilnius Gediminas Technical University Press Technika, 1-6].
  11. Được tiến hành bởi nhóm tác giả người Lithuania đã trình bày khả năng sử dụng bã cà phê như vật liệu hấp phụ trong việc loại bỏ các kim loại đồng và chì trong dung dịch nước. Trong nghiên cứu này, bã cà phê được rửa sạch bằng nước cất, sấy ở 100°C và sàng lọc thu được hai phần bã cà phê: loại có kích cỡ hạt nhỏ hơn 200 |um và loại lớn hơn 200 |um. Cả hai phần bã cà phê được đưa vào polyethylene kín để bảo quản để nó không phản ứng với môi trường. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng bã cà phê hấp phụ kim loại nặng trong dung dịch nước khá tốt và phụ thuộc vào kích thước hạt. Bã cà phê với cỡ hạt lớn hơn 200 |um loại bỏ chì và đồng gần như nhau. Khi kích thước hạt nhỏ hơn 200 |um thì hiệu quả hấp phụ tăng lên 6-11% cho đồng và 8-9% cho chì. Mục đích nghiên cứu • Điều chế vật liệu hấp phụ sinh học từ bã cà phê ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. • Xác định điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ Fe3+trong dung dịch nước trên bề mặt vật liệu. Nhiệm vụ nghiên cứu • Xử lý bã cà phê bằng KOH ở nhiệt độ cao. • Xác định các đặc tính của vật liệu hấp thụ thu được. • Khảo sát tính chất hấp phụ kim loại Fe3+ bởi vật liệu thu được và xác định điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ. • Xác định các thông số của quá trình hấp phụ. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu khoa học, phương pháp thực nghiệm. Các kết quả đạt được của đề Vật tài: liệu hấp phụ sinh học từ bã cà phê có hoạt tính hấp phụ cao được chế tạo. Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp: Đồ án tốt nghiệp bao gồm 3 chương (Tổng quan tài liệu, Thực nghiệm, Kết quả và Thảo luận), 46 trang, 13 hình, 8 bảng.
  12. CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về tình hình ô nhiễm nguồn nước Theo báo cáo giám sát của Uỷ ban Khoa học, Công nghệ và Môi trường của Quốc hội, tỉ lệ các khu công nghiệp có hệ thống xử lý nước thải tập trung ở một số địa phương rất thấp, có nơi chỉ đạt 15 - 20%, như tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, Vĩnh Phúc. Một số khu công nghiệp có xây dựng hệ thống xử lí nước thải tập trung nhưng hầu như không vận hành vì để giảm chi phí. Đến nay, mới có 60 khu công nghiệp đã hoạt động có trạm xử lí nước thải tập trung (chiếm 42% số khu công nghiệp đã vận hành) và 20 khu công nghiệp đang xây dựng trạm xử lí nước thải. Bình quân mỗi ngày, các khu, cụm, điểm công nghiệp thải ra khoảng 30 000 tấn chất thải rắn, lỏng, khí và chất thải độc hại khác. Dọc lưu vực sông Đồng Nai, có 56 khu công nghiệp, khu chế xuất đang hoạt động nhưng chỉ có 21 khu có hệ thống xử lý nước thải tập trung, số còn lại đều xả trực tiếp vào nguồn nước, gây tác động xấu đến chất lượng nước của các nguồn tiếp nhận Có nơi, hoạt động của các nhà máy trong khu công nghiệp đã phá vỡ hệ thống thuỷ lợi, tạo ra những cánh đồng hạn hán, ngập úng và ô nhiễm nguồn nước tưới, gây trở ngại rất lớn cho sản xuất nông nghiệp của bà con nông dân. Mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước là vấn đề rất đáng lo ngại. Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề dối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ. Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn. Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước
  13. dokhông có công trình và thiết bị xử lý chất thải. Ô nhiễm nước do sản xuất công nghiệp là rất nặng. Hàm lượng nước thải của các ngành này có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần, H2S vượt 4.2 lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nước mặt trong vùng dân cư. Mức độ ô ô nhiễm nước ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, cụm công nghiệp tập trung là rất lớn. Tại cụm công nghiệp Tham Lương, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nước bị nhiễm bẩn bởi nước thải công nghiệp với tổng lượng nước thải ước tính 500.000 m3/ngày từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt. Ở thành phố Thái Nguyên, nước thải công nghiệp thải ra từ các cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, luyện kim màu, khai thác than; về mùa cạn tổng lượng nước thải khu vực thành phố Thái Nguyên chiếm khoảng 15% lưu lượng sông Cầu; nước thải từ sản xuất giấy có pH từ 8.4-9 và hàm lượng NH4 là 4mg/1, hàm lượng chất hữu cơ cao, nước thải có màu nâu, mùi khó chịu Khảo sát một số làng nghề sắt thép, đúc đồng, nhôm, chì, giấy, dệt nhuộm ở Bắc Ninh cho thấy có lượng nước thải hàng ngàn m3/ ngày không qua xử lý, gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường trong khu vực. Tình trạng ô nhiễm nước ở các đô thị thấy rõ nhất là ở thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh.Ở các thành phố này, nước thải sinh hoạt không có hệ thống xử lý tập trung mà trực tiếp xả ra nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mương). Mặt khác, còn rất nhiều cơ sở sản xuất không xử lý nước thải, phần lớn các bệnh viện và cơ sở y tế lớn chưa có hệ thống xử lý nước thải; một lượng rác thải rắn lớn trong thành phố không thu gom hết được. là những nguồn quan trọng gây ra ô nhiễm nước. Hiện nay, mức độ ô nhiễm trong các kênh, sông, hồ ở các thành phố lớn là rất nặng.
  14. Tình trạng ô nhiễm nước ở nông thôn và khu vực sản xuất nông nghiệp, hiện nay Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi, làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước về mặt hữu cơ và vi sinh vật ngày càng cao. Theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, số vi khuẩn Feca coliform trung bình biến đổi từ 1500-3500MNP/100ml ở các vùng ven sông Tiền và sông Hậu, tăng lên tới 3800-12500MNP/100ml ở các kênh tưới tiêu. Trong sản xuất nông nghiệp, do lạm dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật, các nguồn nước ở sông, hồ, kênh, mương bị ô nhiễm, ảnh hưởng lớn đến môi trường nước và sức khoẻ nhâmn dân. Nước thải bao gồm thành phần vật lý, hóa học, sinh vật và vi sinh vật. - Thành phần vật lý gồm các chất bẩn không tan trong nước: • Các tạp chất không tan ở dạng lơ lửng, kích thước lớn, với kích thước hạt lớn hơn 10-4m. Chúng có thể ở dạng huyền phù, nhũ tương hoặc kích thước lớn như giẻ, vải, giấy, que củi • Các tạp chất bẩn dạng keo với kích thước hạt trong khoảng 10-4 đến10-6mm. • Các chất bẩn dạng tan có kích thước nhỏ hơn 10-6mm. Chúng có thể ởdạng phân tử hoặc phân ly thành ion. - Thành phần hóa học là các hợp chất hóa học dạng vô cơ từ nước cấp như sắt, magiê, canxi, silic và rất nhiều chất hữu cơ trong sinh hoạt. Nước thải vừa xả ra thường có tính kiềm, nhưng dần trở nên có tính axit vì thối rữa. Các chất hữu cơ trong nước thải có thể xuất xứ từ thực vật, động vật. Chất hữu có có thể chia thành các chất chứa nitơ (urê, prôtêin, amin, axit amin ) hoặc không chứa nitơ (mỡ, xà phòng, hyđrocacbon, xenlulô). Trong nước thải, các chất bẩn dạng vô cơ chiếm khoảng 42% có phân bố chủ yếu ở dạng
  15. tan, các chất bẩn dạng hữu cơ chiếm 58%, có phân bố nhiều ở dạng keo và không tan. - Thành phần sinh vật và vi sinh vật đó là nấm men, nấm mốc, tảo, vi khuẩn, trong đó có loài vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ, thương hàn Những loài vi sinh vật này chủ yếu đặc trưng cho nước thải sinh hoạt và một số nước thải sản xuất (lò mổ, nhà máy da, len ). 1.2. Các phương pháp xử lý nước Hiện nay, đa phần các cơ sở, nhà máy thường ưu tiên sử dụng các phương pháp hóa học, hóa lý và sinh họctrong xử lý nước. 1.2.1. Phương pháp kết tủa hóa học [3] Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa vào nước thải với các kim loại cần tách ở độ pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được tách ra khỏi nước bằng phương pháp lắng. Phương pháp thường được dùng là kết tủa kim loại dưới dạng hydroxit bằng cách trung hòa các chất thải axit. Ưu điểm: • Đơn giản, dễ sử dụng. • Rẻ tiền, nguyên vật liệu dễ kiếm. • Xử lý được cùng lúc nhiều kim loại, hiệu quả xử lý cao. • Xử lý được nước thải đối với các nhà máy có quy mô lớn. Nhược điểm: • Với nồng độ kim loại cao thì phương pháp này xử lý không triệt để. • Tạo ra bùn thải kim loại. • Tốn kinh phí như vận chuyển, chôn lấp khi đưa bùn thải đi xử lý. • Khi sử dụng tác nhân tạo kết tủa là OH- thì khó điều chỉnh pH đối với nước thải chứa kim loại lưỡng tính, ví dụ Zn.
  16. Nếu trong nước thải có nhiều kim loại nặng thì càng thuận tiện cho quá trình kết tủa vì ở giá trị pH nhất định độ hòa tan của kim loại trong dung dịch có mặt các kim loại sẽ giảm. 1.2.2. Phương pháp hấp phụ [3] Hấp phụ là quá trình hút khí bay hơi hoặc chất hòa tan trong chất thải lỏng lên bề mặt xốp. Vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại nặng, đó là than hoạt tính, than bùn, vật liệu vô cơ như oxit sắt, oxit mangan, tro xỉ, các vật liệu polymer hóa học hay polymer sinh học. Trong hấp phụ thường diễn ra 2 kiểu hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Hấp phụ vật lý là sự hấp phụ thuận nghịch nhờ lực hút tĩnh điện giữa các ion kim loại và các tâm hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ. Các mối liên kết này yếu, do vậy thuận lợi cho quá trình nhả hấp phụ và thu hồi kim loại quý. Hấp phụ hóa học là hấp phụ xảy ra nhờ các phản ứng tạo liên kết hóa học giữa ion kim loại nặng và các nhóm chức của tâm hấp phụ, thường là các ion kim loại nặng phản ứng tạo phức đối với các nhóm chức trong chất hấp phụ. Mối liên kết này thường rất bền và khó bị phá vỡ. Sau khi thực hiện hấp phụ để xử lý chất độc trong nước nói chung và kim loại nặng nói riêng thì người ta thường tiến hành nhả hấp phụ để hoàn nguyên, tái sinh. Ưu điểm: • Xử lý hiệu quả kim loại nặng ở nồng độ thấp. • Đơn giản, dễ sử dụng. • Có thể tận dụng một số vật liệu là chất thải của các ngành khác như Fe2O3. • Có thể nhả hấp phụ để tái sinh vật liệu hấp phụ. Nhược điểm: • Chi phí xử lý cao.
  17. 1.2.3. Phương pháp trao đổi ion [3] Phương pháp trao đổi ion là phương pháp ứng dụng nguyên tắc trao đổi ion thuận nghịch của chất rắn và chất lỏng mà không làm thay đổi cấu trúc của chất rắn. Quá trình này ứng dụng để loại bỏ các cation và anion trong nước thải. Các cation sẽ trao đổi với ion hydrogen hay sodium, các anion sẽ trao đổi với ion hydroxyl của nhựa trao đổi ion. Có hai phương pháp sử dụng trao đổi ion: • Trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động, vận hành và tái sinh liên tục. • Trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên,vận hành và tái sinh gián đoạn. Hầu hết các loại nhựa trao đổi ion là các hợp chất tổng hợp. Nó là các chất hữu cơ hoặc vô cơ cao phân tử đính kết với các nhóm chức. Các nhựa trao đổi ion dùng trong xử lý nước thải là các hợp chất hữu cơ cao phân tử có cấu trúc không gian 3 chiều và có lổ rỗng. Các nhóm chức được đính vào cấu trúc cao phân tử bằng cách cho hợp chất này phản ứng với các hóa chất chứa nhóm chức thích hợp. Khả năng trao đổi ion được tính bằng số nhóm chức trên một đơn vị trọng lượng nhựa trao đổi ion. Hoạt động và hiệu quả kinh tế của phương pháp này phụ thuộc vào khả năng trao đổi ion và lượng chất tái sinh cần sử dụng. Cấu tạo của hạt nhựa có thể phân ra hai phần. Một phần gọi là gốc của chất trao đổi ion, một phần khác gọi là nhóm ion có thể trao đổi (nhóm hoạt tính). Chúng hoá hợp trên cốt cao phân tử. Các vật liệu nhựa này có thể thay thế được mà không làm thay đổi tính chất vật lý của các chất trong dung dịch và cũng không làm biến mất hoặc hòa tan. Khi nhựa trao đổiion đã hết khả năng trao đổi ion, nó sẽ được tái sinh lại bằng các chất tái sinh thích hợp.Sau quá trình tái sinh các chất tái sinh sẽ được rửa đi bằng nước.
  18. Ưu điểm: • Khả năng trao đổi ion lớn, hiệu quả xử lý kim loại cao. • Đơn giản, dễ sử dụng. • Không gian xử lý nhỏ. • Có khả năng thu hồi kim loại có giá trị, không tạo ra chất thải thứ cấp. Nhược điểm: • Chi phí xử lý cao do đó không phù hợp với các nhà máy có quy mô lớn. 1.2.4. Phương pháp điện hóa [3] Phương pháp điện hóa xử lý kim loại là phương pháp dựa vào quá trình kết tủa kim loại nặng tại cathode trong hệ điện hóa với sự trợ giúp dòng điện một chiều. Khi đặt một điện thế đủ lớn vào hệ điện hóa, ở điện cực sẽ xảy ra phản ứng: Ở anot xảy ra quá trình oxi hóa anion hoặc OH- hoặc chất làm anot: M - ne = Mn+ Ớ catot xảy ra quá trình khử các ion kim loại nặng, và có thể ion H+: Mn+ + ne = M 2H+ + 2e = H2 Ưu điểm: • Đơn giản, dễ sử dụng. • Không sử dụng hóa chất. Nhược điểm: • Tiêu hao năng lượng lớn,chi phí xử lý cao. • Chỉ thích hợp với nước thải có nồng độ kim loại cao. • Mặc dù hiệu suất xử lý đạt tới 90% hoặc hơn, nhưng nồng độ kim loại trong nước thải vẫn còn cao.
  19. 1.2.5. Phương pháp sinh học [3] Phương pháp sinh học là phương pháp sử dụng những vi sinh vật đặc trưng chỉ xuất hiện trong môi trường bị ô nhiễm kim loại nặng và có khả năng tích lũy kim loại nặng trong cơ thể. Các vi sinh vật thường sử dụng như tảo, nấm, vi khuẩn Ngoài ra, còn có một số loài thực vật sống trong môi trường ô ô nhiễm kim loại nặng có khả năng hấp thụ và tách các kim loại nặng độc hại như cỏ Vertiver, cải xoong, cây dương xỉ, cây thơm ổi Thực vật phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trường. Cơ chế hấp thụ kim loại nặng ở vi khuẩn như sau: • Giai đoạn 1: Tích tụ các kim loại nặng và sinh khối, làm giảm nồng độ các kim loại này ở trong nước. • Giai đoạn 2: Sau quá trình phát triển ở mức tối đa sinh khối, vi sinh vật thường lắng xuống đáy bùn hoặc kết thành mảng nổi trên bề mặt và cần phải lọc hoặc thu sinh khối ra khỏi môi trường nước. Ưu điểm: • Thu nhận kim loại nặng ở mức độ cao. • Diện tích bề mặt riêng của sinh khối lớn. • Giá thành thấp. Nhược điểm: • Diện tích mặt bằng rất lớn. • Sinh khối phát sinh ra sẽ chứa toàn kim loại nặng khó xử lý. 1.2.6. Giới thiệu vật liệu hấp phụ Phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp vì nó cho phép tách loại đồng thời nhiều chất bẩn từ một nguồn nước ô nhiễm và tách loại tốt ngay khi chúng ở nồng độ thấp. Bên cạnh đó, sử dụng phương pháp hấp phụ còn tỏ ra có nhiều ưu thế hơn các phương pháp khác và giá thành xử lý thấp. Vật liệu hấp phụ có thể
  20. được chế tạo từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, theo những phương pháp khác nhau, đặc biệt nó có thể chế tạo bằng cách biến tính các chất thải ô ô nhiễm môi trường như tro bay, than bùn hay các phế thải nông nghiệp như vỏ trấu, vỏ đậu, bã mía, bã cà phê, mùn cưa, lõingô 1.2.7. Nhóm khoáng tự nhiên Diatomit là một loại khoáng vật tự nhiên có thành phần chủ yếu là SiO2 ngoài ra còncó Al2O3cùng một số oxit khác với hàm lượng nhỏ hơn. Diatomit là một loại khoáng có cấu trúc xốp, thường ở trạng thái phân tán cao. Do có độ xốp lớn lên diatomit có thể được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như vật liệu cách điện, cách âm, bê tông nhẹ, dung dị ch khoan. Khi diatomit chứa không ít hơn 90% SiO2 không quá 2% Fe2O3, 3% các hợp chất hữu cơ và có độ ẩm khoảng trên 2% thì nó được sử dụng làm chất trợ lắng, trợ lọc và làm trong nước giảm độ cứng của nước sinh hoạt dùng để loại bỏ chất phóng xạ trong nướcthải. Bentonit là khoáng sét phi kim thuộc loại alumono silicat, thành phần hóa học có thể viết là Si8(Alx My)O20trong đó M là Ca, Mg, Na. Có hai loại bentonit là bentonit kiềm (Na, K) và bentonit kiềm thổ (Mg,Ca). Nhìn chung, bentonit xử lý hiệu quả đối với nước thải chứa chất không tan như các chất hữu cơ, dầu, vi sinh vật. Để xử lý các muối tan chứa các ion kim loại người ta sử dụng bentonit đã hoạt hóa biến tính. 1.2.8. Nhóm nguyên liệu tự nhiên và phế thải nông nghiệp Vỏ lạc được sử dụng để chế tạo than hoạt tính với khả năng tách loại ion Cd(II) rất cao. Chỉ cần hàm lượng than hoạt tính là 0,7 g/l có thể hấp phụ dung dịch hấp phụ chứa Cd(II) nồng độ 20 mg/l. Nếu so sánh với các loại than hoạt tính (dạng viên) có trên thị trường thì khả năng hấp phụ của nó cao gấp 31lần. Một nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học Khoa Công nghệ Môi
  21. trường, trường đại học Mersin, Thổ Nhĩ Kỳ cho thấy vỏ lạc có thể sử dụng để cải tạo ruộng, lọc các nguồn nước bị ô nhiễm kim loại độc do các nhà máy thải ra, đặc biệt là ở các vùng đất, nguồn nước bị nhiễm ion kim loại và vỏ lạc có thể loại bỏ 95% ion đồng khỏi nước thải công nghiệp. Vỏ đậu tương có khả năng hấp phụ tốt đối với nhiều ion kim loại nặng như Cu(II), Zn(II) và các hợp chất hữu cơ. So sánh với một số vật liệu tự nhiên khác, vỏ đậu tương thể hiện khả năng hấp phụ cao hơn, đặc biệt đối với các ion kim loại nặng. Vỏ đậu tương sau khi được xử lý với axit ctric thì dung lượng hấp phụ cực đại đối với đồng đạt đến 1.7 mmol/g (ứng với 108mg/g). Bã míađược đánh giá như phương tiện lọc chất bẩn từ dung dịch nước và được ví như than hoạt tính trong việc loại bỏ các ion kim loại nặng như Cr(III), Ni(II), Cu(II) Bên cạnh khả năng tách loại kim loại nặng, bã mía còn thể hiện khả năng hấp phụ tốt đối vớidầu. Lõi ngô. Nhóm nghiên cứu ở trường đại học North Carolina (Hoa Kì) đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất quy trình xử lý lõi ngô bằng dung dịch NaOH và H3PO4 để chế tạo vật liệu hấp phụ kim loại nặng. Hiệu quả xử lý của vật liệu hấp phụ tương đối cao. Dung lượng hấp phụ cực đại của hai kim loại nặng Cu và Cd lần lượt là 0,39mol/g và 0,62mol/g vậtliệu. Xơ dừa và vỏ trấu là hai phụ phẩm phổ biến của đồng bằng sông Cửu Long. Chúng có khả năng tách một số ion kim loại nặng trong nước như Ni(II), Cd(II) đặc biệt khi chúng được hoạt hóa bằng dung dịch axitcitric bão hòa, có khả năng hấp phụ/trao đổi ion cao ngang bằng nhựa trao đổi ion thông dụng hoặc zeolite Hiệu suất xử lý khá cao khoảng 40-45% đối với vỏ trấu và 50-60% với xơ dừa. Khả năng hấp phụ /trao đổi ion trên của vỏ trấu hoạt hóa thấp hơn so với xơ dừa hoạthóa. 1.2.9. Một số loại vật liệu hấpphụkhác a. Than hoạttính
  22. Than hoạt tính được sản xuất theo 2 phương pháp: - Phương pháp hoạt hoá hóa học: bằng cách trộn hay tẩm nguyên liệu với các hoá chất và đốt yếm khí từ 500-900oC. Các hoá chất vô cơ khi đốt sẽ phân huỷ ra các khí có tính oxy hoá hoặc phân huỷ các phân tử hữu cơ qua phản ứng dehydrathoá. - Phương pháp hoạt hoá vật lý thường tiến hành theo 2 giai đoạn: than hoá và hoạthoá.Giai đoạn than hoá là giai đoạn đốt yếm khí tại 400-500oC nhằmloại bỏ thành phần bay hơi trong nguyên liệu, đưa nguyên liệu trở về dạng cacbon. Bước hoạt hoá là phát triển độ xốp của nguyên liệu thông qua phản ứng oxy hoá ở nhiệt độ cao 800-1000oC. Trong quá trình oxy hoá, một số nguyên tử cacbon bị đốt cháy thành khí (CO, CO2), khí này bay đi để lại chỗ trống, đó chính là cơ chế tạo độ xốp. Quá trình hoạt hoá này vì thế gọilàquá trình khí hoá. Tác nhân oxy hoá có thể là oxy không khí, hơi nước, khí cacbonic, khí thải. Chế độ hoạt hoá quyết định chất lượng của than hoạt tính. Than hoạt tính có thể dùng để tẩy màu, làm trong, khử mùi, tinh chế thực phẩm, đồ uống, dầu mỡ. Ngoài ra, một số loại than hoạt tính có đặc thù riêng: dùng trong y học, than hấp phụ kim loại, than dùng trong mặt nạ, than oxy hoá dùng để xử lý phóng xạ. Phần lớn các loại than này đều được biến tính bề mặt để tăng cường thêm các nhóm chức qua phản ứng oxy hoá hoặc tẩm một số xúc tác. b. Silicalgel Silicalgel là một loại chất hấp phụ có thành phần hoá học chủ yếu là silic oxit (SiO2) có cấu trúc rất xốp.Độ xốp của silicalgel có thể đạt 50-60%, diện tích bề mặt có thể đạt tới 800 m2/g. Nguyên liệu để tổng hợp silicalgel là axit silicic, axit đơn H2SiO4 là axit rất yếu. Khi vượt quá độ hoà tan nó không kết tủa mà tạo thành polymer
  23. thông qua phản ứng trùng ngưng, giai đoạn đầu của phản ứng trùng ngưng là: 2H2SĨO4 ^ H2SĨ2O7 + H2O Phản ứng trùng ngưng tiếp diễn hình thành các phân tử polymer lớn cho tới khi nồng độ axit đơn dư trong dung dịch nằm trong khoảng 100-150 mg/l tuỳ thuộc vàopH. Silicalgel thường được chế tạo bằng cách kết tủa SiO2 từ dung dịch thuỷ tinh lỏng với axit (chủ yếu là axit sunfuric), trong một số trường hợp có thể thuỷ phân SiCl4 hoặc các hợp chất silic khác dễ thuỷphân. Trong quá trình thủy phân với axit sunfuric sẽ hình thành axit silicic yếu và ngay lập tức xảy ra phản ứng trùng ngưng tạo thành dạng gel đặc và trong, chứakhoảng 90% nước hay 300 phân tử nước trên 1 phân tử SiO2. Tính chất của silicalgel phụ thuộc vào các yếu tố thực hiện khi chế tạo như: nồng độ, pH, nhiệt độ. Hạt keo càng nhỏ thì diện tích bề mặt càng lớn. Thông thường khi thủy phân ở vùng pH thấp, hạt keo nhỏ thì thời gian đông tụ kéo dài.Ở vùng nồng độ loãng và nhiệt độ cao cũng tạo ra những hạt keo nhỏ. Tỉ lệ thành phần tham gia phản ứng, tốc độ khuấy trộn, chất đưa thêm vào, thứ tự đưa chất vào đều ảnh hưởng đến chất lượng sảnphẩm. Silicalgel được sử dụng chủ yếu làm chất hút ẩm, một phần làm mang xúc tác. Trong phân tích nó chủ yếu được dùng làm chất hấp phụ hay chất mang sắc kí. Gần đây có một số nghiên cứu sử dụng silicalgel để xử lý nước thải chứa kim loại nặng và chất phóng xạ. c. Nhômoxit Nhôm oxit là vật liệu màu trắng ngà, không tan trong nước nhưng tan trong axit đặc, khi nung ở nhiệt độ cao nó sẽ chuyển sang dạng thù hình khác và không tan trong axit. Nhôm oxit tồn tại dưới nhiều dạng thù hình. Khi loại bỏ nước của nhôm hydroxit thu được AhO3 dạng ortho hay meta, khi nung nhôm oxihidrat sẽ hình thành Y-Al2O3 tinh thể.
  24. Nhôm oxit được hình thành khi đốt nhôm kim loại hoặc nung nhômhidroxit hay các muối nhôm có gốc là các axit yếu dễ bay hơi. Quặng boxit là quặng chứa nhôm, nguyên liệu chủ yếu để sản xuất nhôm trong công nghiệp. Boxit là dạng nguyên khai có khả năng hấp phụ thấp, thông qua hoạt hóa nhiệt làm tăng khả năng hấp phụ. Có mối quan hệ giữa nhiệt độ hoạt hóa, thời gian hoạt hóa, hàm lượng tạp chất dư dễ bay hơi với diện tích bề mặt, độ xốp và khả năng hấp phụ của sản phẩm. Nhiệt độ hoạt hóa từ 370- 400oC thường cho sản phẩm có dung lượng hấp phụ cao, giảm được khả năng bay hơi từ 30% xuống còn 6-8%.Sản phẩm có thể tái sinh ở nhiệt độ 150-250oC. Trong một số trường hợp người ta còn phải loại bỏ một số tạp chất trong quặng bằng cách xử lý với axit clohyđric hay axit ílohyđricloãng. d. Than bùn Than bùn là sản phẩm phân hủy thực vật, có màu đen hoặc nâu sáng. Ngoài thành phần hữu cơ còn có thành phần vô cơ (tro) là các oxit kim loại. Thành phần chính của than bùn là axit humic, axit fulvic, các axit này có cấu trúc hóa học không cố định. Nó là tập hợp các axit có phân tử lượng lớn chứa nhiều nhóm chức, chứa đa phần các nhân thơm. Nó không bị vi sinh vật phân hủy và là một trong những phân đoạn hữu cơ bền nhất trong tự nhiên. Than bùn là loại vật liệu hỗn hợp của nhiều loại hợp chất hữu cơ chứa nhiều nhóm chức phân cực nên có khả năng hấp phụ các chất hữu cơ phân cực và các kim loại chuyểntiếp. 1.3. Giới thiệu về bã cà phê[5] Diện tích trồng cà phê nước ta ngày càng được mở rộng trong vài năm trở lại đây. Theo Bộ Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, diện tích trồng cà phê tăng 8% trong năm 2012 đạt mức 616000 ha so với 571 000
  25. năm 2011 và sản lượng đạt 1.49 triệu tấn. Diện tích trồng cà phê nước ta năm 2014 ước tính vào khoảng 653 000 ha, tăng 2% so với năm 2013 (633000 ha). Tuy nhiên, thực tế diện tích gieo trồng có thể vượt quá 660000 ha. Sản xuất cà phê nước ta tăng đều đặn trong vòng 3 năm gầnđây. Chính vì thế cà phê là một tiềm năng rất lớn, chúng ta có thể tận dụng, tái chế bã cà phê để đem lại những lợi ích về kinh tế, xã hội, và còn có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ môitrường. Bã cà phê là một vật liệu lignocellulose, có khả năng tách kim loại nặng hòa tan và màu trong nước nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần cellulose. Các nhóm hydroxyl trên cellulose đóng vai trò quan trọng trong khả năng trao đổi ion, nhóm hydroxyl này có khả năng trao đổi yếu vì liên kết OH phân cực không mạnh. Nhiều biện pháp biến tính đã được công bố như oxy hóa các nhóm hydroxyl thành các nhóm chức acid hoặc sulfo hóa bằng acid sulfuric. Thành phần hóa học của bã cà phê được trình bày ở bảng 1.1. Bảng 1.1: Thành phần của cà phê Thành phần % khối lượng Nước 10-12% ở dạng liên kết Chất khoáng (K, Mg, P, N, Cl) 3-5% Glucid ^2 tổng số chất khô Protein 9-11% Lipid 10-13% Caffein 1-3% Các thành phần khác 1.4. Tổngquan tình hình nghiên cứu tính chất hấp phụ của bã cà phê
  26. Trong khoảng một thập niên gần đây, các nhà khoa học đã tiến hành nhiều nghiên cứu trên bã cà phê và chứng minh được rằng bã cà phê có tính chất hấp phụ đáng kể, không chỉ đối với các kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại tan trong nước mà còn đối với khí cacbonic. Ở bài báo [1], tác giả đã nghiên cứu khả năng tạo than bã cà phê ở các nhiệt độkhác nhau 400, 450, 500, 600oC trong4, 5, 6, 7, 8h; và khảo sát khả năng hấp phụ màu và chất hữu cơ của than bã cà phê trong dung dịch nước thải dệt nhuộm tự pha theo phương pháp gián đoạn và liên tục. Dựa trên kết quả so sánh màu và COD trong các thí nghiệm sơ bộ, tác giả đã đưa ra kết luận là sản phẩm than bã cà phê nhiệt phân ở 500oC trong thời gian 7h cho hiệu quả hấp phụ cao nhất. Các thí nghiệm tiếp theo tiến hành trên than bã cà phê này. Phân tích kết quả thực nghiệm, tác giả khẳng định rằng bã cà phê sau khi qua quá trình nhiệt phân có khả năng hấp phụ màu và COD trong nước thải. Hiệu quả hấp phụ màu và COD trong nước thải dệt nhuộm tự pha (nồng độ 50mg/L) lần lượt là 96.5% và 42.2%. Điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ của than với phẩm Direct red 23 nồng độ 50 mg/l: pH=8, thời gian 60 phút, lượng chất hấp phụ 2g/50ml ở hệ tĩnh, và tốc độ dòng 0.5l/h ở hệ động. Ở một nghiên cứukhác[3] kết quả nghiên cứu về khả năng hấp phụ methylene xanh của bã cà phê có từ tính được trình bày. Vật liệu hấp phụ này nhận được từ việc cho bã cà phê sau khi chiết bằng nước nóng tiếp xúc với dung dịch nano oxit sắt từ Fe3O4. Thành phần vật liệu đã được kiểm trabằng các phân tích SEM và nhiễu xạ tia X. Các yếu tô ảnh hưởng đến sự hấp phụ củamethylene xanh lên vật liệu này như thời gian cân bằng hấp phụ, nhiệt độ, pH và nồng độ banđầu của methylene blue đã được khảo sát. Các số liệu cân bằng hấp phụ được đánh giá bằng phương trình Langmuir. Kết quả cho thấy ở pH = 8 và tại nhiệt độ phòng, thời gian cân bằnghấp phụ khoảng 60 phút và dung lượng cực đại hấp phụ là 30.67 mg.g-1. Vật liệu sau khi hấp phụ được
  27. thu hồi dễ dàng từ dung dịch nước bởi một nam châm vĩnh cửu. Các kết quả thu được đã chứng minh cho khả năng sử dụng bã cà phê được từ tính hóa để loại bỏ các thuốc nhuộm trong nước thải. Trong một nỗ lực để tái sử dụng chất thải thực phẩm cho các mục đích hữu ích, nhóm nhà khoa học thuộc trường Đại học Kinki đã nghiên cứu khả năng sử dụng bã cà phê để loại bỏ các ion chì trong nước uống [10]. Các đặc tính hấp phụ ion chì bởi cà phê đã được nghiên cứu bằng cách xác định hàm lượng chất béo và protein, các đường hấp phụ đẳng nhiệt và tốc độ hấp thụ các ion chì. Lượng ion chì bị hấp phụ bởi bã cà phê không phụ thuộc vào loại hạt cà phê hoặc nhiệt độ mà tại đó các thí nghiệm hấp phụ được thực hiện. Tốc độ hấp phụ ion chì bằng bã cà phê tỷ lệ thuận với lượng bã cà phê thêm vào dung dịch. Khi bã cà phê đã được tẩy dầu mỡ hoặc đun sôi, lượng các ion chì giảm. Khi protein chứa trong bã cà phê được biến tính, sự hấp phụ ion chì giảm đáng kể.Đại lượng hấp phụ ion chì bởi bã cà phê giảm, khi tăng nồng độ của axit pecloric. Thực nghiệm cho thấy rằng protein có trong hạt cà phê phụ thuộc vào sự hấp thụ của ion chì. Kết quả nghiên cứu củanhóm nghiên cứu đã đưa ra một câu trả lời khẳng định cho khả năng sử dụng bã cà phê, một chất thải thực phẩm dồi dào, để loại bỏ các ion chì trong nước uống. Một nghiên cứu khác [9] đã trình bày khả năng sử dụng bã cà phê như vật liệu hấp phụ trong việc loại bỏ các kim loại đồng và chì trong dung dịch nước. Trong nghiên cứu này, bã cà phê được rửa sạch bằng nước cất, sấy ở 100°C và sàng lọc thu được hai phần bã cà phê: loại có kích cỡ hạt nhỏ hơn 200 gm và loại lớn hơn 200 gm. Cả hai phần bã cà phê được đưa vào polyethylene kín để bảo quản để nó không phản ứng với môi trường. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng bã cà phê hấp phụ kim loại nặng trong dung dịch nước khá tốt và phụ thuộc vào kích thước hạt. Bã cà phê với cỡ hạt lớn hơn 200 gm
  28. loại bỏ chì và đồng gần như nhau. Khi kích thước hạt nhỏ hơn 200 |um thì hiệu quả hấp phụ tăng lên 6-11% cho đồng và 8-9% cho chì. Trong nghiên cứu [7],bã cà phê được sử dụng làm nguyên liệu ban đầu để sản xuất cacbon hoạt tính chi phí thấp. Các điều kiện hoạt hóa được lựa chọn và tối ưu hóa để tạo ra các microporous cacbon có đại lượng hấp thụ và chọn lọc CO2 cao, do đó chúng được sử dụng tiềm năng như chất hấp thụ trong các ứng dụng thu khí CO2 sau khi đốt. Hai phương pháp hoạt hóa được so sánh: hoạt hóa vật lý với CO2 và hoạt hóa hóa học với KOH. Phương pháp đầu tiên được coi là ít ô nhiễm,tuy nhiên, khả năng hấp thụ CO2thấp hơnso vớivật liệu hấp phụ được hoạt hóa bằng KOH.
  29. CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 2.1.Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã cà phê [8] 2.1.1. Nguyên liệu và hóa chất a. Nguyên liệu - Bã cà phê thu gom từ các quán trong khu vực thành phố Vũng Tàu. b. Hoá chất - KOH. - Nước cất. 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị - Cân phântích. - Bếpđiện. - Lò nung. - Máy sấy. - Erlen 250, 1000 ml. - Pipet 5ml. - Beaker 50, 500 ml. - Bình định mức 100, 250 ml. 2.1.3. Cách tiến hành Vật liệu hấp phụ từ bã cà phê được chế tạo theo quy trình ở hình 2.1.
  30. Hình 2.1. Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ. Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã cà phê gồm 3 giai đoạn chính. - Xử lý sơ bộ bã cà phê thô: Bã cà phê thu về, rửa bằng nước cất vài lần, sau đó đem sấy ở 105oC trong 2 giờ để loại bỏ hơi nước. Dùng rây tách lấy các phần tử có kích thước d < 1mm (hình 2.2). - Hoạt hóa bã cà phê: Trộn bã cà phê thu được sau xử lý sơ bộ với KOH theotỉ lệ khối lượng cần nghiên cứu và nung ở 400oC trong 1h, sau đó nâng 500oC trong 30 phút. - Xử lý vật liệu sau hoạt hóa: Thu vật liệu sau nung được rửa với nước cất đến pH bằng 7. Sau đó, được sấy ở 105oC trong 1 giờ, ta thu được vật liệu biến tính (hình 2.3). Sản phẩm thu được sau quá trình nung với KOH ở 400oC trong 1h và 500oC trong 30 phút là than hoạt tính [8]
  31. Hình 2.2. Bã cà phê đã sấy. r Hình 2.3. Vật liệu biến tính thu được.
  32. 2.2. Phương pháp định lượng Fe3+ 2.2.1. Nguyên tắc định lượng Fe3+ [9] Axit salixilic cũng như dẫn suất của nó là axit sunfosalixilic phản ứng rất nhạy với các ion Fe2+, Fe3+ trong dung dịch, tạo thành các chất nội phức có mầu và tan trong nước. Với các nghiên cứu phổ hấp thụ của phức sắt với axit sunfosalixilic cho thấy ở pH = 8-11.5 phức có mầu vàng (viết tắt là FeSal33-) là nhạy và bền nhất (hằng số không bền của phức này là 2.8x10-34). Hệ số hấp thụ phân tử của phức mầu vàng smax = 5.8x 103, cực đại hấp thụ ở 416 nm. 2.2.2. Hóa chất Để định lượng Fe3+, các hóa chất sau được sử dụng: - Dung dịch 5-Sulfosalicylic acid 10%. - Dung dịch NH310%. - Dung dịch Fe3+ 250 mg/l. 2.2.3. Dụng cụ - Erlen 250 ml. - Pipet 1.2.5ml. - Beaker 25, 50ml. - Bình định mức 25 ml. - Máy quang phổ Genesys 10. 2.2.4. Cách tiến hành a. Xây dựng đồ thị chuẩn Chuẩn bị 7 bình định mức 25 ml và pha một dãy các dung dịch có thành phần như ở bảng 2.1.
  33. phức sắt với các nồng độ khác nhau DD so Hóa chất Bình 1 Bình 2 Bình 3 Bình 4 Bình 5 sánh 0.05 0.1 0.5 1 2 0 250mg/l, ml Sulfosalicylic 2.5 acid 10% Dd NH3 10% 2.0 Nước cất Định mức vừa đủ tới vạch Lấy các dung dịch trong các bình định mức vào cuvet có bề dày 1.0cm,sau đó tiến hành đo mật độ quang ở bước sóng X = 416 nm với dung dịch trống. Kết quả đo A được trình bày ở bảng 2.2. r r Bảng 2.2.Kêt quả thực nghiệm đo mật độ quang của các dung dịch phức săt. STT C(Fe3+), mg/l A 1 0.5 0.039 2 1 0.126 3 5 0.524 4 10 1.013 5 20 1.977 Dựa vào dữ liệu mật độ quang, ta xây dựng đồ thị chuẩn dùng để xác định nồng độ sắt (hình 2.4).
  34. C(Fe3+), mg/l Hình 2.4.Đồ thị đường chuẩn Feĩ+. b. Xác định nồng độ sắt Sự phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ Fe3+ được mô tả bởi phương trình A = 0.0996C với hệ số xác định R2 = 0.9993. Nồng độ Fe3+ trong bình định mức 25ml được xác định theo công thức đơn giản sau: A 55.845 x 25 14017.32A X c = X = , m q /l 0.0996 V V Trong đó: A - mật độ quang của dung dịch phức Fe3+. V - thể tích mẫu nước đem phân tích, l. 2.3. Xác định các đặc tính của vật liệu hấp phụ 2.3.1. SEM Để khảo sát tính chất bề mặt của vật liệu bã cà phê biến tính trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng công nghệ kính hiển vi electron quét. Kính hiển vi electron quét (Scanning Electron Microscope - SEM) là một loại kính hiển vi electron có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật rắn bằng cách sử dụng một chùm electron hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc
  35. tạo ảnh của mâu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm electron với bề mặt mâu vật (hình 2.5). Backscattered electrons Characteristic X-rays (BSE image) Cathodic light Secondary electrons (CL im age) (SE im age) Sample current Signals produced from sample Hình 2.5.Các bức xạ phát ra khi chiếu chum electron vào mâu vật trong SEM. Ở hình 2.6 trình bày hình dạng bề ngoài máy phân tích hiển vi electron quét ZEISS EVO LS15 được sử dụng để chụp bề mặt các mẫu bã cà phê biến tính trong nghiên cứu này tại Cục Kiểm định Hải quan - Chi cục Kiểm định Hải quan 4. Hình 2.6. Máy phân tích hiển vi electron quét ZEISS EVO LS15.
  36. 2.3.2. Xác định các đặc trưng vật liệu hấp phụ Diện tích bề mặt riêng, độ xốp, thể tích lỗ, sự phân bố lỗ theo kích thước là các đại lượng quan trọng đối với các vật liệu hấp phụ. Để xác định các đại lượng này người ta sử dụng các đường hấp phụ - nhả hấp phụ đẳng nhiệt nitrogen tại 77K và phương trình hấp phụ BET. Trong nghiên cứu này, thí nghiệm xác định các đại lượng đặc trưng cho vật liệu hấp phụ được tiến hành trên máy Suface Area and Porosity AnalyzerMicromeritics -ASAP 2020 tại trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng (hình 2.7). Hình 2.7. Area and Porosity AnalyzerMicromeritics - ASAP 2020. 2.4. Nghiên cứu quá trình hấp phụ Fe3+ trên bề mặt vật liệu hấp thụ 2.4.1. So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu bã cà phê biến tính và than hoạt tính trên thị trường Để so sánh khả năng hấp phụ của các mẫu bã cà phê biến tính và than hoạt tính trên thị trường, chúng tôi tiến hành các bước thực nghiệm như sau: - Bước 1: Bằng cách phối trộn bã cà phê được xử lý sơ bộ với KOH theo tỷ lệ khối lượng 1:3, 1:4 và 1:5, và tiến hành quá trình biến tính bã cà phê như trình bày ở mục 2.1 chúng tôi thu được 3 mẫu vật liệu hấp phụ khác nhau và được ký hiệu lần lượt là CF1/3, CF1/4, CF1/5, ở đây CF - bã cà phê
  37. biến tính; các phân số 1/3, 1/4 và 1/5 - tỷ lệ khối lượng bã cà phê so với KOH. - Bước 2: Cho lần lượt 10ml dung dịch Fe3+ nồng độ 1000mg/l vào 4 beaker 100ml chứa sẵn 1g vật liệu hấp phụ CF1/3, CF1/4, CF1/5 và than hoạt tính trên thị trường. - Bước 3: Lắc các beaker 5 phút, và để yên 25 phút. - Bước 4: Lọc lấy nước lọc. Lấy 2ml nước lọc thu được cho vào bình định mức 25ml, và tiến hành xác định nồng độ sắt theo phương pháp quang phổ hấp phụ được trình bày ở mục 2.2. - Bước 5: Từ kết quả A thu được, ta tiến hành so sánh khả năng hấp phụ của các vật liệu khác nhau. 2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng pH đến khả năng hấp phụ Fe3+của vật liệu Để khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu tiến hành thí nghiệm như sau: - Bước 1: Chuẩn bị 5 beaker 25ml, dùng pipet hút 10ml dung dịch Fe3+chuẩn (1000mg/l) cho vào mỗi beaker. Tiến hành điều chỉnh pH từ 2^4 bằng dung dịch KOH 0.1M. - Bước 2: Cân chính xác 1g vật liệu vào mỗi beaker khi đã điều chỉnh pH yêu cầu. - Bước 3: Sau đó lắc các beaker trong 5 phút và để yên trong 25 phút. - Bước 4: Lọc lấy nước lọc. Lấy 2ml nước lọc thu được cho vào bình định mức 25ml, và tiến hành xác định nồng độ sắt theo phương pháp quang phổ hấp phụ được trình bày ở mục 2.2. 2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến khả năng hấp phụ Fe3+ Tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian lưu của vật liệu trong dung dịch muối sắt tại giá trị pH tối ưu.
  38. - Bước 1: Chuẩn bị 5 beaker 25ml, dùng pipet hút 10ml dung dịch Fe3+chuẩn (1000mg/l) cho vào mỗi beaker. Tiến hành điều chỉnh pH tối ưu. - Bước 2: Cân chính xác 1g vật liệu vào mỗi beaker - Bước 3: Sau đó lắc các beaker trong 5 phút và để yên5, 15, 25, 35, 45, 55 phút. - Bước 4: Lọc lấy nước lọc. Lấy 2ml nước lọc thu được cho vào bình định mức 25ml, và tiến hành xác định nồng độ sắt theo phương pháp quang phổ hấp phụ được trình bày ở mục 2.2. 2.4.4. Xác định đại lượng hấp phụ của vật liệu hấp phụ Để xác định đại lượng hấp phụ của bã cà phê biến tính, chúng ta tiến hành như sau: - Bước 1: Chuẩn bị 7 beaker 25ml, dùng pipet hút 10ml dung dịch Fe3+chuẩn có nồng độ (mg/l) 1000, 1250, 1500, 1750, 2000, 2250, 2500 lần lượt cho vào mỗi beaker. Tiến hành điều chỉnh pH tối ưu. - Bước 2: Cân chính xác 1g vật liệu vào mỗi beaker - Bước 3: Sau đó lắc các beaker trong 5 phút và để yên25 phút. - Bước 4: Lọc lấy nước lọc. Lấy 2ml nước lọc thu được cho vào bình định mức 25ml, và tiến hành xác định nồng độ sắt theo phương pháp quang phổ hấp phụ được trình bày ở mục 2.2. - Bước 5: Xác định đại lượng hấp phụ dựa vào phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich. Phương trình Langmuir: a b. c 6 — O-maxa, 1 + b. c Phương trình Langmuir tuyến tính: c 1 1 — — c + ữ Qm■max m r a,■max b
  39. Trong đó: • C - nồng độ dung dịch sắt khi hấp phụ đạt trạng thái cân bằng, mg/l. • a - lượng sắt bị hấp phụ bởi 1g bã cà phê biến tính, mg/g. • amax - đại lượng hấp phụ cực đại, mg/g. • b - hằng số. Phương trình Freundlich: 1 a = kCn Phương trình Freundlich tuyến tính: 1 Ina = Ink + — InC n trong đó: • C - nồng độ dung dịch sắt khi hấp phụ đạt trạng thái cân bằng, mg/l. • k, n - hằng số. Lượng sắt bị hấp phụ bởi 1g bã cà phê biến tính được xác định bởi công thức: a = 0.010(Co - C) trong đó: • Co - nồng độ ban đầu của dung dịch muối sắt, mg/l. • C - nồng độ dung dịch sắt khi hấp phụ đạt trạng thái cân bằng, mg/l. • 0.010 - thể tích dung dịch muối sắt được lấy cho thực nghiệm, l. • a - lượng sắt bị hấp phụ bởi 1g bã cà phê biến tính, mg/g.
  40. Từ các phương trình tuyến tính Langmuir và Freundlich, ta xác định được đại lượng hấp phụ cực đại và các hằng số của phương trình hấp phụ đẳng nhiệt. Các số liệu thu được trong đồ án này được xử lý bằng phần mền Minitab và Excel.
  41. CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc tính của vật liệu hấp thụ 3.1.1. Phân tích SEM Hình 3.1 trình bày ảnh SEM của bã cà phê thô và các bã cà phê biến tính. Từ các ảnh SEM thu được, chúng ta thấy rằng khi được hoạt hóa bằng KOH ở nhiệt độ 500oC, bã cà phê thô hoàn toàn thay đổi về hình dạng bề mặt, diện tích bề mặt và các lỗ xốp tăng lên rõ ràng. Khi tăng lượng KOH để hoạt hóa bã cà phê từ 3 đến 4 và 5 ta thấy cấu trúc rỗng xốp ở trường hợp CF1/4 là lớn nhất, tiếp đến là CF1/3 và cuối cùng là CF1/5. Từ đây, ta có thể mong đợi rằng, CF1/4 sẽ có độ hấp phụ cao nhất. a) b) c) d) Hình 3.1. SEM của bã cà phê thô (a), CF1/3 (b), CF1/4 (c) và CF1/5 (d).
  42. 3.1.2. Phân tích các đại lượng đặc trưng cho vật liệu hấp phụ Kết quả xác định các thông số đặc trưng cho vật liệu chế tạo trong nghiên cứu (CF1/3, CF1/4 và CF1/5) được trình bày ở bảng 3.1. Bảng 3.1. Kết quả đo các thong số đặc trưng cho vật liệu hấp phụ theo mô hình BET Mẫu S, m2/g V, cm3/g d, Ả CF1/3 2.5730 0.0090 139.18 CF1/4 2.7979 0.0101 144.25 CF1/5 0.4107 0.0034 330.95 Phân tích kết quả thu được ở bảng 3.1 ta thấy rằng khi thay đổi tỷ lệ phối trộn bã cà phê và KOH 1:3, 1:4 và 1:5 thì có sự biến đổi tỷ lệ thuận ở thông số kích thước lỗ xốp. So sánh thông số bề mặt riêng và thể tích các lỗ xốp của các vật liệu, chúng ta có thể hy vọng rằng CF1/4 sẽ có độ hấp phụ cao nhất. Giả thiết này hoàn toàn phù hợp với kết quả SEM. 3.1.3. So sánh khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ và than hoạt tính thương mại Kết quả thực nghiệm so sánh khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ và than hoạt tính thương mại được trình bày ở bảng 3.2. Bảng 3.2. So sánh khả năng hấp phụ Feĩ+(aq) trên bề mặt bã cà phê biến tính và than hoạt tính thương mại Bã cà phê biến Co, mg/l C, mg/l Hiệu suất, % tính CF1/3 60.12 ± 9.72 93.99 ± 0.97 CF1/4 28.03 ± 1.44 97.20 ± 0.14 1000 CF1/5 45.39 ± 2.21 95.46 ± 0.22 Than hoạt tính > 376.51 62.35 <
  43. Trong đó • Co - nồng độ dung dịch Fe3+ trước khi xử lý bằng vật liệu hấp phụ. • C - nồng độ dung dịch Fe3+ sau khi xử lý bằng vật liệu hấp phụ. Phân tích kết quả thực nghiệm bảng 3.2 cho thấy bã cà phê được hoạt hóa bởi KOH có độ hấp phụ cao hơn rất nhiều so với than hoạt tính thương mại. Đồng thời, việc xử lý bã cà phê bằng KOH với tỷ lệ 1:4 mang lại hiệu quả hấp phụ cao nhất, nghĩa là khả năng làm sạch nước khỏi ion Fe3+ là lớn nhất (97.20+0.14%). Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả phân tích hình ảnh SEM và các đại lượng đặc trưng cho vật liệu hấp phụ. Như vậy, để chế tạo vật liệu có độ hấp phụ lớn thì cần phối trộn bã cà phê và KOH theo tỷ lệ 1:4 và nhiệt phân ở nhiệt độ 500oC trong thời gian 30 phút. Ở các khảo sát tiếp theo bã cà phê biến tính CF1/4 được sử dụng. 3.3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Fe3+ của vật liệu Kết quả thực nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Fe3+ của vật liệu hấp phụ được trình bày ở bảng 3.3 và hình 3.2. Bảng 3.3. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Fe3+ của vật liệu pH C, mg/l Hiệu suất, % 1.5 28.03 ± 1.44 97.20 ± 0.14 2.0 0.42±0.18 99.95±0.02 2.5 0.33±0.18 99.96±0.02 3.0 0.25±0.18 99.84±0.02 3.5 5.86±3.60 99.18±0.50 4.0 6.69±3.60 99.05±0.51 \ -31 \ r C - nồng độ dung dịch Fe sau khi xử lý bằng vật liệu hấp phụ.
  44. Hình 3.2.Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ củaCF1/4 vào pH dung dịch muối sắt. Phân tích kết quả ở bảng 3.3 và hình 3.2 ta thấy khi tăng pH từ 1.5 lên 2.0 thì có sự tăng đáng kể của hiệu suất hấp phụ (-2.75%). Việc tiếp tục tăng pH của dung dịch muối sắt bằng dung dịch KOH lên 2.5 và 3.0 làm thay đổi rất nhỏ hiệu suất hấp phụ. Tuy nhiên, tăng pH lên 3.5 và 4.0 lại làm giảm hiệu suất hấp phụ. Như vậy, pH tối ưu cho quá trình hấp phụ Fe3+ từ dung dịch nước trên bề mặt CF1/4 là 2-2.5. Giá trị pH = 2.5 được chọn cho các thí nghiệm tiếp theo. 3.4. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Fe3+ của vật liệu Kết quả thực nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Fe3+ bởiCF1/4 được trình bày ở hình 3.3.
  45. 0 10 20 30 40 50 60 70 Thời gian, phút Hình 3.3. Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào thời gian ngâm CF1/4 trong dung dịch muối sắt. Kết quả thực nghiệm (hình 3.3) cho thấy khithời gian hấp phụ tăng từ 10 đến 30 phút,hiệu suất của quá trình hấp phụ tăng là từ 99.70% đến 99.97%. Tại thời gian 40, 50 và 60 phút hiệu suất của quá trình gần như không thay đổi (-99.98). Như vậy, thời gian tối ưu cho quá trình hấp phụ là 30 phút. Thời gian này được chọn để tiến hành các thí nghiệm tiếp theo. 3.5. Xác định đại lượng hấp phụ của bã cà phê biến tính Kết quả thực nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ sắt đến quá trình hấp phụ bởiCF1/4 được trình bày ở bảng 3.4.
  46. Bảng 3.4. Kết quả thực nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng nồng độ sắt lên khả năng hấp phụ của CF1/4 Co, mg/l C, mg/l a, mg/g C/a lnC lna 1000 0.25 10.00 0.0251 -1.38 2.30 1250 2.72 12.47 0.2180 1.00 2.52 1500 25.60 14.74 1.7363 3.24 2.69 1750 34.81 17.15 2.0293 3.55 2.84 2000 54.47 19.46 2.7997 4.00 2.97 2250 114.37 21.36 5.3554 4.74 3.06 2500 204.78 22.95 8.9221 5.32 3.13 Co - nồng độ dung dịch Fe3+ trước khi xử lý bằng vật liệu hấp phụ. C - nồng độ dung dịch Fe3+khi hấp phụ đạt trạng thái cân bằng. Phân tích kết quả ở bảng 3.4 ta thấy rằng khi tăng nồng độ ban đầu của dung dịch muối sắt thì đại lượng hấp phụ cũng tăng theo. Dựa vào số liệu C và a ta xây dựng đường hấp phụ đẳng nhiệt (hình 3.4). Đường hấp phụ đẳng nhiệt trong trường hợp này khá tương đồng với đường đẳng nhiệt Langmuir, có nghĩa là các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử trên bề mặt vật liệu.
  47. a, mg/g 23 ♦ 21 19 17 15 13 11 9 7 0 50 100 150 200 250 C(Fe3+),mg/l r 9 A Hình 3.4. Đường hâp phụ đăng nhiệt Fe trên bề mặt CF1/4. Dựa vào số liệu thu được (bảng 3.4), các đồ thị mô tả phương trình tuyến tính Langmuir và Freundlich được thiết lập (hình 3.5 và 3.6). A r Hình 3.5. Đo thị mô tả phương trình Langmuir tuyên tính.
  48. A r Hình 3.6.Đô thị mô tả phương trình Freundlich tuyến tính. Trên cơ sở so sánh hệ số xác định cho phương trình tuyến tính Langmuir và Freundlich (tương ứng 0.994 và 0.9467) ta thấy rằng thuyết hấp phụ Langmuir mô tả chính xác hơn bản chất hấp phụ Fe1 *3+ trên bề mặt CF1/4, điều này hoàn toàn phù hợp với lập luận ở trên (hình 3.4). Phân tích phương trình tuyến tính Langmuir: c — 0.0427C + 0.3458 a 1 — 0.0427 ^&max — 23.42 O-max Đại lượng hấp phụ cực đại xác định theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của CF1/4 bằng 23.42 mg/g. 3.6. So sánh kết quả nghiên cứu Ở bảng 3.5 trình bày kết quả nghiên cứu của tôi và kết quả nghiên cứu tiến hành tại trường Đại học Hải Phòng, tại đây bã cà phê sau khi xử lý bằng ethanol và hoạt hóa bằng dung dịch axit H2SO4 0.1N.
  49. r Bảng 3.5. So sánh kết quả nghiên cứu Thời gian hấp Nghiên cứu pH a, mg/g phụ, phút Trong đồ án 2.5 30 23.42 [6] 3 90 7.30 Phân tích bảng 3.5 cho ta thấy rằng vật liệu thu được ở nghiên cứu của tôi có đại lượng hấp phụ lớn hơn 16.12 mg/g, thời gian để đạt trạng thái cân bằng hấp phụ giảm đi 60 phút và quá trình hấp phụ tiến hành ở pH thấp hơn. Như vậy, việc hoạt hóa bã cà phê bằng KOH đem lại hiệu quả hấp phụ cao hơn.
  50. Qua quá trình thực hiện đồ án "Nghiên cứu khả năng hấp phụ Fe3+(aq) bởi bã cà phê biến tính" chúng tôi đã thu được một số kết luận như sau: 1. Đã chế tạo được vật liệu hấp phụ từ nguồn nguyên liệu phụ phẩm bã cà phê thông qua quá trình hoạt hóa bởi KOH ở nhiệt độ 400oC (1h) và 500oC (30 phút). 2. Trong số các vật liệu chế tạo thì CF1/4 có khả năng hấp phụ cao nhất, phù hợp với kết quả SEM và BET. 3. Hiệu suất hấp phụ Fe3+ trên bề mặt CF1/4 đạt giá trị lớn nhất tại pH = 2.5 và thời gian đạt trạng thái cân bằng hấp phụ là 30 phút. 4. Quá trình hấp phụ Fe3+ trên bề mặt CF1/4 tuân theo mô hình Langmuir, và đại lượng hấp phụ cực đại của CF1/4 là 23.42 g/mg. Như vậy, từ nguồn phế thải bã cà phê thông qua quá trình hoạt hóa bằng KOH chúng ta thu được vật liệu hấp phụ khá tốt cho việc loại bỏ kim loại nặng khỏi môi trường nước.
  51. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu trong nước: 1. Trịnh Thị Thu Hương (2014). Nghiên cứu sử dụng bã cà phê xử lý màu và chất hữu cơ trong nước thải dệt nhuộm. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. 2. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2002). Giáo trình công nghệ xử lí nước thải. Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật, Hà Nội. 3. Bùi Xuân Vững, Ngô Văn Thông (2015). Nghiên cứu hấp phụ thuốc nhuộm Methylen xanh bằng vật liệu bã cà phê từ tính. 4. Tài liệu thực hành hóa phân tích, Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu. 5. http: //www.vietrade.gov.vn/ca-phe/3548-sn-lng-ca-phe-mua-v-mua- v-201314.html 6. Mai Thị Thu Thảo (2015). Nghiên cứu xử lý Fe3+ trong nứớc bằng vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã café, Đồ án tốt nghiệp, Trường Đại học Hải Phòng, Hải Phòng. Tài liệu nước ngoài: 7. Jurgita Seniũnait. (2014). Coffee grounds as an adsorbent for copper and lead removal formaqueous solutions. Vilnius, Lithuania. 8. M.G. Plaza, A.S. Gonzalez. (2012). Valorisation o f spent coffee grounds as CO2 adsorbents for postcombustion capture applications. Instituto Nacional del Carbón. 9. nemKOBaB.H., TpoMOBaM.H. (1976). Memoàbi aôcopôụuoHHOũ cneumpocKonuu 6 aHanummecKOũ XUMUU. Bbicm. fflKona, MocKBa. 10. Toshimitsu Tokimoto, Naohito Kawasaki, Takeo Nakamura, Jyunichi Akutagawa, Seiki Tanada (2004). Removal of lead ions in drinking water by coffee grounds as vegetable biomass, Journal of Colloid and Interface Science, 281(1), 56-61
  52. Summary Report Surface Area Single point surface area at p/pc = 0.286546128: 2.5433 mVg EET Surface Area: 2.5730 m3/g t-Plot Micropore Area: 1.3442 mVg t-Flot External Surface Area: 1.2239 mVg BJH Adsorption cumulative surface area of pores between 17.000 A and 3000.000 Awidth: 1.134 mVg EJH Desorption cumulative surface area of pores between 17.000 A and 3000.000 Awidth: 1.2376 mVg Pore Volume Single point adsorption total pore volume of pores less than 2164.972 A width atp/p" = 0.991077142: 0.003953 cm3/g t-Flot micropore volume: 0.000690 cm3/g EUH Adsorption cumulative volume of pores between 17.000 A and 3000.000 Awidth: 0.003193 cm^g EJH Desorption cumulative volume of pores between 17.000 A and 3000.000 Awidth: 0.005417 cmVg Pore Site Adsorption average pore width [4V/Aby BET): 139.1785 A BJH Adsorption average pore width [4V/A): 289.026 A BJH Desorption average pore width [4V/A): 175.033 A
  53. Summary Report Surface Area Single point surface area atp/p" = 0.286724913: 2.6308 mVg EET Surface Area: 2.7979 m3/g t-Plot Micropore Area: 0.3600 mVg t-Plot External Surface Area: 2.4379 mVg BJH Adsorption cumulative surface area of pores between 17.000A and 3000.000A width: 2.341 m3yg EJH Desorption cumulative surface area of pores between 17.000A and 3000.000A width: 1.2328 m=/g Pore Volume Single point adsorption total pore volume of pores less than 1969.243A width at pip" = 0.990173105: 0.010090 cnVYg t-Flot micropore volume: 0.000159 cm3/g BJH Adsorption cumulative volume of pores between 17.000 A and 3000.000A width:0.009930 crrf/g BJH Desorption cumulative volume of pores between 17.000A and 3000.000A width: 0.006557 cmVg Pore Siie Adsorption average pore width [4V/Aby BET): 144.2461A BJH Adsorption average pore width [4V/A}: 169.647A BJH Desorption average pore width [4V/A): 212.735A
  54. Summary Report Surface Area Single point surface area at pfp° = 0.306177927: 0.4023 mVg BET SurfaceArea: 0.4107 mVg t-Plot Mi crop ore Are a: 1.8649 mVg t-Flot External SurfaceArea: -1.4542 mf7g Pore Volume Single point adsorption total pore volume of pores I ess than 2395.745A width at p./pc = 0.991946468: 0.003398 crriVg t-Plot micropore volume: 0.000985 cnffig Pore Size Adsorption average pore width (4WAby BET): 330.9545A Nanoparticle Site Average Particle Size 146038.750A