Luận văn Thạc sĩ Khoa học Vật chất: Nghiên cứu hấp phụ Cr(VI), Ni(II) bằng vật liệu bã chè mang oxit nano Fe3O4 và thăm dò xử lý môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:95

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm chế tạo VLHP bã chè phủ oxit nano Fe3O4. Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của VLHP bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD), phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET). Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học Vật chất: Nghiên cứu hấp phụ Cr(VI), Ni(II) bằng vật liệu bã chè mang oxit nano Fe3O4 và thăm dò xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM LÊ MINH THU NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ Cr(VI), Ni(II) BẰNG VẬT LIỆU BÃ CHÈ MANG OXIT NANO Fe 3O 4 VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thái Nguyên - 2014
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM LÊ MINH THU NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ Cr(VI), Ni(II) BẰNG VẬT LIỆU BÃ CHÈ MANG OXIT NANO Fe 3O 4 VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành: HOÁ PHÂN TÍCH Mã số: 60.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Đỗ Trà Hƣơng Thái Nguyên - 2014
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu hấp phụ Cr(VI), Ni(II) bằng vật liệu bã chè mang oxit nano Fe3O4 và thăm dò xử lý môi trường” là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm. Thái nguyên, tháng 4 năm 2014 Tác giả luận văn Lê Minh Thu Xác nhận Xác nhận của trưởng khoa chuyên môn của giáo viên hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan PGS.TS. Đỗ Trà Hƣơng i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đỗ Trà Hƣơng, cô giáo trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này. Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô Khoa sau Đại học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu, để hoàn thành luận văn khoa học. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ phòng thí nghiệm Khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn. Em xin cảm ơn Sở Giáo dục và Đào tạo Thái Nguyên, Ban Giám hiệu, tập thể giáo viên Trường Trung học Phổ thông Yên Ninh, tỉnh Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu luận văn này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 4 năm 2014 Tác giả LÊ MINH THU ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan ......................................................................................................... i Lời cảm ơn ............................................................................................................ ii Mục lục ................................................................................................................ iii Danh mục các ký hiệu viết tắt ............................................................................. iv Danh mục các bảng ............................................................................................... v Danh mục các hình .............................................................................................. vi MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN ............................................................................................... 3 1.1. Giới thiệu về các ion kim loại nặng Ni(II), Cr(VI) ................................................ 3 1.1.1. Giới thiệu về kim loại nặng ................................................................................. 3 ............. 3 ................................................. 4 1. 1.4. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng ...................................................................... 4 1.1.5. Các nguồn gây ô nhiễm môi trường nước ........................................................... 5 1.2. Giới thiệu một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng ....... 6 1.2.1. Phương pháp trao đổi ion ................................................................................... 6 1.2.2. Phương pháp kết tủa ........................................................................................... 6 1.2.3. Phương pháp hấp phụ .......................................................................................... 6 1.3. Cơ sở quá trình hấp phụ ........................................................................................ 6 1.3.1. Những nguyên lý chung ...................................................................................... 6 1.3.2. Kỹ thuật hấp phụ................................................................................................. 8 ...................................................... 10 1.3.4. Hấp phụ trong môi trường nước ....................................................................... 14 1.4. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng kim loại nặng................................ 15 1.4.1. Phương pháp trắc quang .................................................................................... 15 1.4.2. Phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang ......................................... 17 1.4.3. Định lượng Ni(II), Cr(VI) bằng phương pháp trắc quang ................................. 18 iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1.5. Vật liệu hấp phụ oxit nano Fe3O4......................................................................... 18 1.5.1 Lịch sử phát triển của oxít sắt từ và nano oxít sắt từ .......................................... 18 1.5.2. Cấu trúc tinh thể ................................................................................................ 19 1.6. Giới thiệu về cây chè............................................................................................ 20 1.7. Tình hình nghiên cứu về vật liệu hấp phụ bã chè ................................................ 23 1.7.1. Bã chè chưa biến tính ........................................................................................ 23 1.7.2. Bã chè biến tính ................................................................................................. 24 1.8. Một số phương pháp nghiên cứu sản phẩm ......................................................... 25 1.8.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) ........................................................... 25 1.8.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............................................... 26 1.8.3. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) .................................................. 27 1.8.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT - IR) ............................................................ 28 1.8.5. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .......................................................... 29 Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM ....................................................................................... 30 .............................................................................................. 30 2.1.1. Thiết bị ............................................................................................................... 30 .............................................................................................. 30 3O4 (VLHP) ....................... 30 2.3. Khảo sát tính chất bề mặt của các vật liệu chế tạo được ..................................... 31 2.4. Xác định điểm đẳng điện của oxit nano Fe3O4, bã chè, bã chè phủ oxit nano Fe3O4............................................................................................................................ 32 2.5. Xây dựng đường chuẩn xác định Ni(II), Cr(VI) theo phương pháp trắc quang .. 32 2.5.1. Xây dựng đường chuẩn xác định Ni(II) ............................................................ 32 2.5.2. Xây dựng đường chuẩn xác định Cr(VI) ........................................................... 32 2.6. So sánh khả năng hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của bã chè phủ oxit nano Fe3O4, bã chè, oxit nano Fe3O4 .................................................................................................... 33 2.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ TW: Fe3O4 .......................................................................... 33 2.8. Khảo sát các số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Ni(II), Cr(VI), của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh ................................................................. 33 2.8.1. Ảnh hưởng của pH............................................................................................. 33 iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.8.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc ..................................................................... 34 2.8.3. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu ................................................................... 34 2.8.4. Ảnh hưởng của nồng độ đầu.............................................................................. 34 2.8.5. Ảnh hưởng của ion lạ ........................................................................................ 34 2.8.6. Ảnh hưởng của nồng độ hỗn hợp ...................................................................... 35 2.9. Động học hấp phụ Ni(II), Cr(VI) của VLHP ....................................................... 35 2.10. Xử lý thử mẫu nước thải chứa Ni(II), Cr(VI) ................................................... 35 Chƣơng 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................... 37 3.1. Kết quả khảo sát đặc điểm bề mặt của các vật liệu hấp phụ ................................ 37 3.1.1. Kết quả khảo sát đặc điểm bề mặt của các vật liệu hấp phụ ............................. 37 3.1.2. Phổ hồng ngoại (IR) của bã chè, Fe3O4, VLHP ................................................ 40 3.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn của Ni(II) và Cr(VI) .......................................... 44 3.2.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn của Ni(II) ........................................................ 44 3.2.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn của Cr(VI) ...................................................... 45 3.3. Điểm đẳng điện của VLHP .................................................................................. 46 3.4. So sánh khả năng hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của TW: Fe3O4, bã chè, oxit nano Fe3O4 ........ 48 3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng TW: Fe3O4........................................................ 49 3.6. Khảo sát các số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Ni(II), Cr(VI), của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh ................................................................. 51 3.6.1. Ảnh hưởng của pH............................................................................................. 51 3.6.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc ..................................................................... 53 3.6.3. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu ................................................................... 56 3.6.4. Ảnh hưởng của ion lạ ....................................................................................... 59 3.6.5. Ảnh hưởng của nồng độ hỗn hợp ion Cr(VI) và Ni(II) ..................................... 61 3.6.6 Ảnh hưởng của nồng độ đầu............................................................................... 65 3.6.7. Khảo sát dung lượng hấp phụ ion Ni(II), Cr(VI) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ........................................................................................................ 65 3.6.8. Khảo sát quá trình hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich ............................................................................................................. 68 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.6.9. Khảo sát quá trình hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Temkin .................................................................................................................. 69 3.7. Động học hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của VLHP ...................................................... 71 3.8. Kết quả xử lý mẫu nước thải chứa Cr(VI), Ni(II) ................................................ 76 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 79 PHỤ LỤC........................................................................................................................ 1 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Từ nguyên gốc 1 BET Brunauer-Emmet-Teller (Diện tích bề mặt riêng) 2 BTNMT Bộ tài nguyên môi trường 3 IR Infrared (IR) spectroscopy (Phổ hồng ngoại) 3 QCVN Quy chuẩn Việt Nam 4 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 5 TEM Transmission Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền qua) 6 SEM Seaning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét) 7 VLHP Vật liệu hấp phụ 8 XRD X Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
DANH MỤC BẢNG Trang nghiệp ............................................................................................................................4 Bảng 3.1: Số liệu xây dựng đường chuẩn Ni(II) ........................................................45 Bảng 3.2: Số liệu xây dựng đường chuẩn Cr(VI) ......................................................45 Bảng 3.3: Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP .............................................47 Bảng 3.4: Hiệu suất hấp phụ Ni(II) của TW: Fe3O4, oxit nano Fe3O4, TW ................48 Bảng 3.5: Hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của TW: Fe3O4, oxit nano Fe3O4, TW ..............48 Bảng 3.6: Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng TW: Fe3O4 ..............................................49 Bảng 3.7: Ảnh hưởng của pH đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ của VLHP ...........53 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ của VLHP đối với Cr(VI) ..............................................................................................................54 Bảng 3.9: Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ của VLHP đối với Ni(II) ...............................................................................................................55 Bảng 3.10: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II) ...............................................................................................................58 Bảng 3.11. Ảnh hưởng của ion Ca(II), Mg(II), Na+, K+ tới hiệu suất hấp phụ Ni(II) của VLHP ....................................................................................................................59 Bảng 3.12 Ảnh hưởng của ion Cl , NO3- , HCO3 tới hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của VLHP ..........................................................................................................................60 Bảng 3.13 Ảnh hưởng của hỗn hợp ion Ni(II), Cr(VI) tới hiệu suất hấp phụ Cr(VI), và Ni(II) .......................................................................................................................62 Bảng 3.14: Ảnh hưởng của hỗn hợp ion Ni(II), Cr(VI) tới hiệu suất .........................63 Bảng 3.15: Ảnh hưởng của nồng độ đầu của ion Cr(VI), Ni(II) đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ của VLHP .......................................................................................65 Bảng 3.16: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir..................................67 Bảng 3.17: Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của lgq vào lgCcb trong quá trình hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II) của VLHP ......................................................................................68 Bảng 3.18: Các hằng số của phương trình Freundlich đối với Cr(VI), Ni(II) ............69 viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Bảng 3.19: Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của q vào ln Ccb trong quá trình hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II) của VLHP ......................................................................................70 Bảng 3.20: Các hằng số của phương trình Temkin đối với Cr(VI), Ni(II) .................71 Bảng 3.21: Số liệu khảo sát động học hấp phụ của Cr(VI) .........................................72 Bảng 3.22: Số liệu khảo sát động học hấp phụ của Ni(II) ..........................................73 Bảng 3.23: Một số tham số theo động học hấp phụ bậc 1 đối với Cr(VI), Ni(II). ......75 Bảng 3.24: Một số tham số theo động học hấp phụ bậc 2 đối với Cr(VI), Ni(II) .......75 Bảng 3.25: Kết quả tách loại Cr(VI), Ni(II) ra khỏi nước thải ...................................76 ix Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu trúc spinel của Fe3O4 ...........................................................................19 Hình 1.2: Cấu hình spin của Fe3O4 .............................................................................19 Hình 1.3: Cấu trúc của cellulozơ ................................................................................22 Hình 1.4: Một cấu trúc giả thuyết của lignin ...............................................................22 Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử truyền qua ........................................27 Hình 3.1: Giản đồ XRD của oxit nano .......................................................................37 Hình 3.2: Ảnh TEM của vật liệu oxit ..........................................................................38 Hình 3.3: Ảnh SEM của bã chè ...................................................................................38 Hình 3.4: Ảnh SEM của oxit nano ..............................................................................39 Hình 3.5: Ảnh SEM của bã chè phủ oxit nano ............................................................39 Hình 3.6: Ảnh SEM của VLHP bã chè phủ oxit nano ................................................39 Hình 3.7: Ảnh SEM của VLHP bã chè phủ oxit nano ................................................39 Hình 3.8: Phổ hồng ngoại của bã chè (TW) ................................................................41 Hình 3.9: Phổ hồng ngoại của oxit nano .....................................................................42 Hình 3.10: Phổ hồng ngoại của vật liệu bã chè phủ oxit nano ....................................43 Hình 3.11: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ ion Ni(II) ......................................45 Hình 3.12: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Cr(VI) ........................................45 Hình 3.13: Đồ thị xác định điểm đẳng điện của TW: Fe3O4, oxit nano....................46 Hình 3.14: Đồ thị so sánh hiệu suất hấp Ni(II) của TW:.............................................48 Hình 3.15: Đồ thị so sánh hiệu suất hấp Cr(VI) của TW: ...........................................49 Hình 3.16: Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ TW: ................................................................50 Hình 3.17: Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ TW: ................................................................50 Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của VLHP ..........................................................................................................51 Hình 3.19: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng .......................55 Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ Ni(II) của VLHP ....................................................................................................................56 Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến hiêu suất hấp phụ Cr(VI) của VLHP ........................................................................................................57 x Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.22: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến hiệu suất hấp phụ Ni(II) của VLHP ..........................................................................................................57 Hình 3.23. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của ion đến hiệu suất hấp phụ Ni(II) của VLHP ...........................................................................................................................59 Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của ion đến hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của VLHP ...........................................................................................................................61 Hình 3.26. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của hỗn hợp ion Cr(VI) và Ni(II) đến sự hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) ....................................................................................................64 Hình 3.27: Đường đẳng nhiệt Langmuir của VLHP đối với Cr(VI) ...........................66 Hình 3.28: Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb của Cr(VI) .....................................................66 Hình 3.29: Đường đẳng nhiệt Langmuir của VLHP đối với Ni(II) ............................66 Hình 3.30: Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb của Ni(II) .......................................................67 Hình 3.31: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lgq vào lqCcb của quá trình hấp phụ ion Cr(VI) ..........................................................................................................................68 Hình 3.32: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lgq vào lqCcb của quá trình hấp phụ ion Ni(II) ............................................................................................................................69 Hình 3.33: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của q vào lnCcb của quá trình hấp phụ ion Cr(VI) ..........................................................................................................................70 Hình 3.34: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của q vào lnCcb của quá trình hấp phụ ion Ni(II) ............................................................................................................................71 Hình 3.35: Đồ thị phương trình động học bậc 1 (a) và bậc 2 (b) đối với Cr(VI) ........74 Hình 3.36: Đồ thị phương trình động học bậc 1 (a) và bậc 2 (b) đối với Ni(II) .........74 xi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, vấn đề bảo vệ môi trường đã trở thành một vấn đề trọng tâm, thu hút sự chú ý của nhiều quốc gia và tổ chức trên thế giới. Nước là một thành phần quan trọng của môi trường. Nước tham gia vào các quá trình tự nhiên, điều hòa khí hậu, là thành phần của mọi cơ thể sống đảm bảo sự tồn tại của con người. Bên cạnh đó nước còn đáp ứng các nhu cầu đa dạng của con người trong sinh hoạt, trong công nghiệp và trong sản xuất công nông nghiệp. Nguồn nước sạch không bị ô nhiễm là điều mong mỏi của toàn thể nhân loại trên thế giới. Trung bình mỗi ngày trên trái đất có khoảng 2 triệu tấn chất thải sinh hoạt đổ ra sông hồ và biển cả, 70% lượng chất thải công nghiệp không qua xử lý bị trực tiếp đổ vào các nguồn nước tại các quốc gia đang phát triển. Thực tế trên khiến nguồn nước dùng trong sinh hoạt của con người bị ô nhiễm nghiêm trọng. Một nửa số bệnh nhân nằm viện ở các nước đang phát triển là do không được tiếp cận những điều kiện vệ sinh phù hợp (vì thiếu nước) và các bệnh liên quan đến nước. Thiếu vệ sinh và thiếu nước sạch là nguyên nhân gây tử vong cho hơn 1,6 triệu trẻ em mỗi năm. Tổ chức Lương Nông LHQ (FAO) cảnh báo trong 15 năm tới sẽ có gần 2 tỷ người phải sống tại các khu vực khan hiếm nguồn nước và 2/3 cư dân trên hành tinh có thể bị thiếu nước. Giống như một số nước trên thế giới, Việt Nam cũng đang đứng trước thách thức hết sức lớn về nạn ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là tại các khu công nghiệp và đô thị. Theo nhịp độ phát triển của nền công nghiệp, nông nghiệp và sự nâng cao mức sống của con người thì nhu cầu về nước sử dụng ngày một tăng. Vấn đề về nước ngày càng trở nên nghiêm trọng, đặc biệt là nước mặt ngày càng thoái hóa và mức độ ô nhiễm nước ngày càng tăng. Ở Việt Nam, do nền công nghiệp mới phát triển, số đô thị và các khu công nghiệp còn ít và các điểm tập trung dân cư chưa nhiều nên lượng nước dùng cho công nghiệp và sinh hoạt còn quá ít so với trữ lượng trong tự nhiên. Tuy vậy, sự nhiễm bẩn nguồn nước đã bắt đầu xuất hiện do việc sử dụng thuốc trừ sâu trong nông nghiệp; lượng nước thải ra môi trường của các nhà máy luyện kim, nhiệt điện, hóa chất, thực phẩm; cùng với lượng nước thải do sinh hoạt... đã trở thành một vấn đề cấp bách cần phải được quan tâm. 1
Trong các loại nước thải công nghiệp thì nước thải chứa kim loại nặng được chú ý hơn cả, vì chúng là tác nhân gây hại cho nguồn nước, ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người và hủy hoại môi sinh một cách mạnh mẽ. Do đó, việc nghiên cứu tách loại các kim loại nặng trong nước có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Một số phương pháp khác nhau để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi môi trường nước như phương pháp trao đổi ion, thẩm thẩu ngược, lọc nano, kết tủa hoặc hấp phụ,... Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm như vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, chi phí thấp, thân thiện với môi trường, tách loại được đồng thời nhiều ion kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng được vật liệu hấp phụ và thu hồi kim loại, quy tình sử lý đơn giản đặc biệt không làm nguồn nước ô nhiễm thêm. Chính vì vậy đây là vấn đề đang và được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu [6, 10, 17-25]. Trong lĩnh vực xử lý môi trường, việc sử dụng các vật liệu nano làm chất hấp phụ được phát triển từ cuối thế kỉ XX. Các VLHP nguồn gốc tự nhiên đã được nghiên cứu và ứng dụng như: Vỏ trấu, bã mía, xơ dừa, vỏ lạc, than bùn, xỉ than, vỏ sò...Bã chè là chất thải của loại thức uống phổ biến của nhiều quốc gia trên thế giới như: Trung Quốc, Ấn Độ, Srilanca, Indonexia, Ai Cập, Achenti na, Braxin, Cộng Hoà Liên Bang Nga... Ở Việt Nam, chè được trồng trong khoảng 30 tỉnh, trung du 14 tỉnh trong đó vùng trung du và miền núi phía Bắc chiếm khoảng trên 60%, Tây Nguyên khoảng 14%, còn lại là các vùng khác. Bã chè thải ra được nghiên cứu là có tiềm năng chế tạo VLHP để xử lý môi trường. Xuất phát từ lý do trên trong luận văn này chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu hấp phụ Cr(VI), Ni(II) bằng vật liệu bã chè mang oxit nano Fe3O4 và thăm dò xử lý môi trường”. Với mục đích đó trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu những nội dung sau: - Chế tạo VLHP bã chè phủ oxit nano Fe3O4 - Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của VLHP bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD), phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET). - Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của VLHP chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh. - Sử dụng VLHP chế tạo được thử xử lý mẫu nước thải chứa Cr(VI), Ni(II). 2
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về các ion kim loại nặng Ni(II), Cr(VI) 1.1.1. Giới thiệu về kim loại nặng Kim loại nặng là những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5g/cm3. Kim loại nặng được chia làm 3 loại: Các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, Co, Sn,…). Những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…). Các kim loại phóng xạ (U, Th, Ra,…). Một số kim loại nặng có thể cần thiết cho sinh vật, chúng được xem là các nguyên tố vi lượng. Một số không cần thiết cho sự sống, khi đi vào cơ thể sinh vật có thể không gây độc hại gì. Kim loại nặng gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép [12]. 1.1.2 1.1.2 Niken được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp luyện kim, mạ điện, sản xuất thuỷ tinh, gốm, sứ… Niken xâm nhập vào cơ thể ngườ ủ , gâ niên… Ngoài ra, niken có thể gây các bệnh về . [1, 4, 16] 1.1.2 (VI). Cr(III) ít độc hơn nhiều so với Cr(VI). Với hàm lượng nhỏ Cr(III) rất cần cho cơ thể, trong khi Cr(VI) lại rất độc và nguy hiểm. ọng trong việ . 3
Tuy nhiên vớ ể , ,... [1, 4, 16] 1.1.3 ạ ải công nghiệp như sau: [14] trong nƣớc thải công nghiệp Giá trị giới hạn STT Nguyên tố Đơn vị A B 1 Crom (VI) mg/L 0,05 0,10 2 Niken (II) mg/L 0,20 0,50 Trong đó: - Cột A quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. - Cột B quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. 1. 1.4. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng Hiện nay ở Việt Nam, 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 đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ. Ô nhiễm kim loại nặng là một trong những vấn đề cấp thiết. Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề càng ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn. Hằng năm các cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình và thiết bị xử lí chất thải. Ô nhiễm do sản xuất công nghiệp rất nặng. Ví dụ: Công nghiệp dệt may, công nghiệp 4
giấy và bột giấy nước thải thường có độ pH trung bình từ 9-10, chỉ số nhu cầu oxi hóa (BOD), nhu cầu oxi hóa học (COD) có thể lên đến 700 mg/L và 2500 mg/L, hàm lượng chất rắn lơ lửng cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nước trong vùng dân cư. Tại khu công nghiệp Tham Lương thành phố Hồ Chí Minh nguồn nước bị 3 nhiễm bẩn bởi nước thải công nghiệp ước tính 5000000 m /ngày từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt,… Ở Hà Nội, tổng lượng nước thải của thành phố lên tới 300000-400000 m3/ngày. Trong đó tổng lượng nước thải sinh hoạt của dân cư nội thành gần 500000 m3, các cơ sở sản xuất công nghiệp, dịch vụ là khoảng 300000 m3 và một lượng lớn nước thải y tế. Hiện nay chỉ có 5/ 31 bệnh viện có hệ thống xử lý nước thải, khoảng 36/ 400 cơ sở sản xuất có xử lý nước thải trước khi xả ra môi trường . Ở Thái Nguyên, tổng lượng nước thải trong khu vực thành phố chiếm khoảng 15% tổng lưu lượng nước sông Cầu. Nước thải công nghiệp từ các nhà máy luyện gang thép, luyện kim màu , khai thác than,… gây ô nhiễm nghiêm trọng , nước thải có màu nâu, có mùi rất khó chịu,… Bên cạnh đó trong sản xuất nuôi trồng việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu,… đã khiến nguồn nước ở sông, hồ, mương,… bị ô nhiễm gây ảnh hưởng nghiêm trong đến sức khỏe và môi trường sinh thái . Ngoài ra vấn đề ô nhiễm kim loại nặng là một vấn đề nổi cộm vì nó tác động mạnh tới con người và môi trường. Các kim loại nặng đi vào cơ thể qua con đường hô hấp, tiêu hóa và qua da. –SH, -SCH3 . [4, 13, 16]. 1.1.5. Các nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc Thực tế có rất nhiều nguồn gây ô nhiễm môi trường nước. Nước bị ô nhiễm kim loại nặng chủ yếu là do việc khai thác mỏ. Do nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng làm cho việc khai thác kim loại cũng tăng lên. Tuy nhiên, việc xử lý 5
nguồn nước thải từ việc khai thác mỏ chưa được quan tâm đúng mức càng làm cho kim loại nặng phát tán vào môi trường. [4, 16] Ngoài ra, việc gây ô nhiễm môi trường bởi các ion kim loại nặng còn ở việc sản xuất quặng và sử dụng thành phẩm. Quá trình sản xuất này cũng làm tăng cường sự có mặt của chúng trong môi trường. Bên cạnh đó việc tái sử dụng lại các phế thải chứa ion kim loại nặng chưa được chú ý và quan tâm đúng mức. 1.2. Giới thiệu một số phƣơng pháp xử lý nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng 1.2.1. Phƣơng pháp trao đổi ion Trao đổi ion là một trong những phương pháp thường được dùng để tách kim loại nặng từ nước thải. Nhựa trao đổi ion có thể tổng hợp từ hợp chất vô cơ hay hợp chất hữu cơ có gắn các nhóm như : (-SO3H), ( -COO-), amin. Các cation và anion được hấp phụ trên bề mặt nhựa trao đổi ion. Khi nhựa trao đổi ion đã bão hòa, người ta khôi phục lại cationit và anionit bằng dung dịch axit loãng hoặc dung dịch bazơ loãng. Về mặt kĩ thuật thì hầu hết kim loại nặng đều có thể tách ra bằng phương pháp trao đổi ion, nhưng phương pháp này thường tốn kém. [2,3] 1.2.2. Phƣơng pháp kết tủa Phương pháp này thường dùng để thu hồi kim loại từ dung dịch dưới dạng hiđroxit kim loại rất ít tan. Ngoài ra còn có thể sử dụng các chất tạo kết tủa như xút, vôi, cacbonat, sunfua... Tuy nhiên phương pháp này chỉ là quá trình xử lý sơ bộ, đòi hỏi những quá trình xử lý tiếp theo. 1.2.3. Phƣơng pháp hấp phụ So với các phương pháp xử lí nước thải khác, phương pháp hấp phụ có các đặc tính ưu việt hơn hẳn. Vật liệu hấp phụ được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên và các phế thải nông nghiệp sẵn có, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp, chi phí thấp, đặc biệt, các vật liệu hấp phụ này có độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành thấp, hiệu quả cao [6, 10, 17-25]. Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ. 1.3. Cơ sở quá trình hấp phụ 1.3.1. Những nguyên lý chung 6
Hiện nay phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải công nghiệp. Phương pháp này cho phép xử lý nước thải chứa một hoặc nhiều loại chất bẩn khác nhau, kể cả khi nồng độ chất bẩn trong nước rất thấp, trong khi đó dùng các phương pháp khác để xử lý thì không được hoặc cho hiệu suất rất thấp. Thông thường, phương pháp hấp phụ dùng để xử lý triệt để nước thải sau khi đã xử lý bằng phương pháp khác. Hấp phụ là hiện tượng tăng nồng độ chất tan trên bề mặt phân chia giữa hai pha. Hấp phụ có thể diễn ra ở bề mặt biên giới giữa pha lỏng và khí, giữa pha lỏng và rắn. Có hai loại hấp phụ: - Hấp phụ vật lý: là quá trình hút (hay tập trung) của một hoặc hỗn hợp các chất bẩn hòa tan thể khí hoặc thể lỏng trên bề mặt chất rắn. Các nguyên tử bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion...) ở bề mặt phân chia pha. Trong hấp phụ vật lý không hình thành các liên kết hóa học mà chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt bằng lực liên kết phân tử yếu (lực Vander Walls) và liên kết Hydro. Quá trình hấp phụ vật lý luôn thuận nghịch, tức là luôn ở trạng thái cân bằng động giữa hấp phụ và nhả hấp, nhiệt hấp phụ không lớn. Hấp phụ lý học có thể tạo thành nhiều lớp (đa lớp) [2, 9]. - Hấp phụ hóa học: hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ liên kết với các phân tử bị hấp phụ và hình thành các hợp chất hóa học trên bề mặt phân chia pha. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông thường: liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí. Sự hấp phụ hóa học thường bất thuận nghịch, tùy theo đặc tính mối nối liên kết hóa học mà tính chất thuận nghịch ở quá trình hấp phụ khác nhau. Thông thường, hấp phụ hóa học tạo ra các mối nối khá bền vững. Nhiệt hấp phụ hóa học lớn. Hấp phụ hóa học xảy ra rất ít, không hơn một lớp trên bề mặt chất hấp phụ (đơn lớp). Trong xử lý nước thải, quá trình hấp phụ thường là sự kết hợp của cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Hấp phụ các chất tan hòa tan là kết quả của sự di chuyển phân tử của những chất đó từ nước vào bề mặt chất rắn (gọi là chất hấp phụ) dưới tác dụng của trường lực bề mặt. Trường lực bề mặt gồm hai dạng: - Hydrat hóa các phân tử chất tan, tức là tác dụng tương hỗ giữa những phân tử chất tan hòa tan với những phân tử nước trong dung dịch. 7