Khóa luận Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Cu2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ Bã Chè

t liệu hấp phụ cho hiệu suất cao. Vì bã chè có thành phần cấu trúc xốp và thành phần cellulose nên nó có khả năng tách kim loại nặng hòa tan và màu trong nước. Phương pháp hấp phụ này có nhiều ưu điểm là sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, phù hợp với đặc điểm kinh tế Việt Nam là một nước nông nghiệp; phương pháp tổng hợp đơn giản và không đưa thêm vào môi trường tác nhân độc hại. Với mong muốn xử lý ion kim loại Cu2+ trong nước thải có hiệu quả, tiết kiệm chi phí đồng thời thân thiện với môi trường, em chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Cu2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè”. 2 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Cu2+ và đánh giá khả năng hấp phụ Cu2 + của vật liệu hấp phụ. 3. Nội dung nghiên cứu Tổng hợp vật liệu hấp phụ từ bã chè. Đánh giá khả năng hấp phụ ion Cu2+của vật liệu hấp phụ điều chế từ bã chè. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM. Phương pháp phổ hồng ngoại IR. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Tổng hợp được vật liệu PANi, bã chè, PANi – Bã chè (PANi – BC) với nguồn nguyên liệu dồi dào để khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Cu 2+ trong nước. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Bã chè Trong búp chè chủ yếu có thành phần sinh hóa sau: Nước: trong búp chè nước là thành phần chủ yếu chiếm từ 75 – 82%. Ankaloit: trong chè có nhiều loại ankaloit nhưng chiếm hàm lượng nhiều nhất là cafein từ 3 – 5% thường nhiều hơn cafein ở trong lá cà phê từ 2-3 lần. Protein và amino acids: trong chè protein phân bố không đều ở các thành phần của búp chè và thay đổi tùy theo giống, thời vụ, điều kiện canh tác và các yếu tố khác. Protein kết hợp với một phần tannin làm cho vị chát và đắng giảm đi. Vì thế trong một chừng mực nào đó, protein có lợi cho phẩm chất chè xanh. Tannin: còn gọi chung là hợp chất fenol, trong đó 90% là các dạng catechin. Nó là một trong những thành phần chủ yếu quyết định đến phẩm chất chè. Tỷ lệ các chất trong thành phần hỗn hợp của tamin chè không giống nhau và tùy theo từng giống chè mà thay đổi. Glutamic acid và pectin: trong lá chè các gluxit không hòa tan chiếm tỉ lệ lớn và chứa rất ít gluxit hòa tan. Vì thế lá chè càng non chất lượng càng cao do cellulose và hemixenlulo giảm khi lá non. Diệp lục và các sắc tố khác gần nó: trong lá chè có chứa diệp lục tố, carotin và xantofin. Vitamin: giá trị dinh dưỡng cũng như giá trị dược liệu của chè rất cao do trong chè có rất nhiều loại vitamin như vitamin A: 56,6; B1: 0,7; B2: 12,2; C: 27,0 (mg/1000g chất khô) (theo tài liệu của Trung Quốc). Men: có nhiều loại men trong búp chè non nhưng chủ yếu gồm hai nhóm chính sau: 4  Nhóm thủy phân: men amilase, glucoxidase, prosthesis và một số men khác.  Nhóm oxi hóa khử: peroxidase, polyphenoloxidase. Chất tro: chè khô và chè tươi có hàm lượng tro là khác nhau. Trong chè, tro chia thành hai nhóm: không hòa tan trong nước và hòa tan trong nước.  Bã chè Với lượng tiêu thụ chè trên toàn quốc mỗi năm khoảng 130.000 tấn thì lượng bã chè thải ra trên toàn quốc là rất lớn. Một số lượng lớn bã chè để sản xuất đồ uống thường bị bỏ đi vào môi trường không qua xử lý, đó không chỉ là một sự lãng phí về tài nguyên mà còn gây ra vấn đề vệ sinh môi trường trong quá trình phân hủy. Theo tác giả Hồ Sĩ Tráng (2006) [16], trong bã chè có các thành phần chính sau: Cellulose là polysaccharide cao phân tử do các mắt xích β-glucose [C6H7O2(OH)3]n nối với nhau bằng liên kết 1,4- glucozit. Phân tử khối của cellulose rất lớn khoảng từ 250000 ÷ 1000000 đ.v.C. Trong mỗi phân tử cellulose có khoảng 1000 ÷ 1500 mắt xích glucose. Trong các xellulose có sẵn các nhóm chức hydroxyl (-OH), hemixelluloses và cấu trúc ligin được coi như những nhóm chức tiềm năng cho việc sử dụng bã chè làm vật liệu hấp phụ. Hemixenlulose là polysaccharide phức hợp còn gọi là copolyme vì trong mạch đại phân tử tồn tại nhiều loại mắt xích saccarit khác nhau. Khi bị thủy phân đến cùng, hemixenlulose tạo ra các monosaccharide như hexazo, pentose cũng như dẫn xuất của metoxyuronic. Ngoài ra còn thu được axit axetic. Ligin là loại polyme được tạo bởi các mắt xích phenylpropan C6C3. Ligin giữ vai trò kết nối giữa cellulose và hemixene. Ligin phần lớn có cấu tạo không gian do đó không hòa tan trước khi bị phân hủy. 5 Bã chè có khả năng tách kim loại nặng hòa tan và màu trong nước nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần xenlulozo, hemixenlulozo và ligin. Sự kết hợp giữa cellulose và hemixenlulose được gọi là holoxenlulozo có chứa nhiều nhóm –OH, thuận lợi cho khả năng hấp phụ thông qua liên kết hidro [16]. Vì vậy tận dụng nguồn phế thải là bã chè để sản xuất composite trên cơ sở PANi tạo thành vật liệu hấp phụ kim loại nặng sẽ có ý nghĩa khoa học rất lớn, vừa tận dụng được phế thải vừa giải quyết được vấn đề bảo vệ môi trường. 1.2 . Polyanilin ( PANi) 1.2.1. Cấu trúc của PANi Trong điều kiện có mặt tác nhân oxi hóa làm xúc tác, PANi là sản phẩm của phản ứng cộng hợp nhiều phân tử anilin (ANi). Hình 1.1. Cấu trúc của PANi [10] PANi có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa – khử khác nhau. Tại mỗi trạng thái oxy – hóa khử có một cấu trúc mạch polyme khác nhau và có màu sắc cũng khác nhau. 1.2.2. Phương pháp tổng hợp PANi được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa hoặc phương pháp hóa học. Mỗi phương pháp lại có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Tuy nhiên phương pháp điện hóa có nhiều ưu điểm vượt trội hơn nhưng để sản xuất với lượng lớn dạng PANi bột thì phương pháp hóa học được sử dụng nhiều hơn [13].  Tổng hợp bằng phương pháp hóa học 6 Trong phương pháp hóa học, hóa chất thường được sử dụng là amoni pesunfat (NH4)2S2O8. Amoni pesunfat đóng vai trò làm chất oxy hóa trong quá trình tổng hợp PANi và nhờ nó mà tổng hợp PANi bằng phương pháp hóa học có thể tạo ra polyme có khối lượng phân tử lớn và độ dẫn điện tối ưu hơn so với các chất oxi hóa khác. Tuy nhiên tổng hợp bằng phương pháp hóa học PANi tạo ra không có độ đồng nhất cao, cần phải trộn với phụ gia bám dính do nó không bám dính trực tiếp lên bề mặt kim loại.  Tổng hợp bằng phương pháp điện hóa Bằng phương pháp điện hóa, người ta có thể tạo ra PANi có tính chất khác nhau để phù hợp với nhu cầu ứng dụng của người dùng. Đặc biệt phương pháp này có thể tạo ra màng mỏng PANi có khả năng bám dính tốt trên bề mặt của các điện cực và ta có thể thay đổi chiều dày của màng tùy thuộc vào chế độ tổng hợp. Như vậy có thể tạo trực tiếp PANi lên mẫu kim loại cần bảo vệ, đây chính là ưu điểm của phương pháp điện hóa. Ngoài ưu điểm này, phương pháp điện hóa còn tạo được sản phẩm có độ tinh khiết cao và quá trình điện hóa đều xảy ra trên bề mặt điện cực. Tuy nhiên, ở phương pháp này có một điểm bất lợi về mặt tốc độ polyme hóa, thời gian tạo màng ứng với thời gian tồn tại điện thế mà tại đó xảy ra phản ứng oxy hóa điện hóa monome ngắn. Do đó dẫn tới hiệu suất không cao. 1.2.3. Ứng dụng của PANi PANi có tính điện sắc bởi tại mỗi trạng thái oxy hóa – khử khác nhau thì PANi lại có màu sắc khác nhau. Nhờ vào tính chất này của PANi mà người ta ứng dụng nó để tạo ra linh kiện hiển thị điện sắc gồm hai điện cực [19]: chế tạo tivi có màn hình tinh thể lỏng. 7 Do khả năng bám dính cao, có điện thế dương nên màng PANi có khả năng chống ăn mòn cao. Vì thế PANi được ứng dụng trong việc bảo vệ kim loại [2,6,15]. Hơn thế nữa, PANi còn được ứng dụng để lai ghép với PPNN như bã chè, bã cafe, vỏ trấu, để hấp phụ các kim loại nặng trong nước. Đây là phương pháp có tính ưu việt vượt trội và thân thiện với môi trường [21]. 1.3. Quá trình hấp phụ 1.3.1. Các khái niệm [3-4,11-12,14] Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách pha : khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng. Chất hấp phụ là các chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ. Các nhà khoa học phân biệt hấp phụ dựa vào bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Hấp phụ được chia thành hai loại: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. 1.3.2. Dung lượng hấp phụ cân bằng Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ. 0( ).VcbC Cq m   (1.1) Trong đó: q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g) Co: nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/l) Ccb : nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l) m: khối lượng chất bị hấp phụ (g) 8 V: thể tích chất bị hấp phụ (L) 1.3.3. Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dich ban đầu, được tính bởi: 0 0 .100(%)cb C C H C   (1.2) 1.3.4. Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ di chuyển ngược trở lại pha mang lớn do nó tích tụ được nhiều trên bề mặt chất rắn. Đến một thời điểm nào đó thì tốc độ giải hấp bằng tốc độ hấp phụ thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng. Khi một hệ hấp phụ đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ: q = f(T, P hoặc C) (1.3) Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn q = fT (P hoặc C) được gọi là đường hấp phụ đẳng nhiệt. Đường hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định [3,11-12,14]. Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng hay khí thì đường hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir, Tùy thuộc vào bản chất của hệ và điều kiện tiến hành quá trình hấp phụ mà người ta có thể sử dụng các dạng phương trình đẳng nhiệt khác nhau để mô tả cân bằng hấp phụ như: Frumkin, Temkpin,  Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 9 Phương trình Langmuir được thiết lập với các giả thiết sau [3,11- 12,14]:  Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.  Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.  Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các trung tâm là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh. Phương trình Langmuir được xây dựng cho hệ hấp phụ khí rắn, nhưng có thể áp dụng cho hấp phụ trong môi trường nước. Trong pha lỏng, phương trình có dạng: max . . 1 . L L K C q q K C   (1.4) Trong đó: KL: hằng số (cân bằng) hấp phụ Langmuir. q: dung lượng hấp phụ (lượng chất bị hấp phụ/ 1 đơn vị chất hấp phụ). qmax: dung lượng hấp phụ tối đa của chất hấp phụ (lượng chất bị hấp phụ/ 1 đơn vị chất hấp phụ). C: nồng độ dung dịch hấp phụ. Phương trình (1.4) có thể viết dưới dạng: max max. .1 L C C q q q C C K      (1.5) Để xác định các hệ số trong phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir người ta chuyển phương trình (1.5) về dạng (1.6) : max max 1 .L C C q K q q   (1.6) 10 Từ các số liệu thực nghiệm, ta vẽ được đồ thị sự phụ thuộc của C/q theo C. Đường biểu diễn có độ dốc là : max 1 tan q   (1.7) Từ đó xác định được qmax và KL : max 1 . LK C q C q   (1.8) . ta có thể xác định tham số cân bằng RL : 0 1 1 . L L R C K   (1.9) Trong đó: RL : tham số cân bằng. C0: nồng độ ban đầu (mg/L). KL: hằng số Langmuir (L/mg). M C (mg/L) C/q (g/L) (mg/l) α 0 Hình 1.2. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C [1] 11 Phương trình Langmuir xác định được dung lượng hấp phụ cực đại và mối tương quan giữa quá trình hấp phụ và giải hấp thông qua hằng số Langmuir KL. Vì thế đây là cơ sở để lựa chọn chất hấp phụ thích hợp cho hệ hấp phụ. 1.3.5. Động học hấp phụ Đối với hệ hấp phụ lỏng – rắn, động học hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn kế tiếp [3]: Giai đoạn thứ nhất, chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn khuếch tán trong dung dịch. Tiếp theo, phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề ngoài của chất hấp phụ chứa hệ mao quản. Đây là giai đoạn khuếch tán màng. Sau đó, chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ. Đây là giai đoạn khuếch tán trong mao quản. Các phân tử chất bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ. Đây chính là giai đoạn hấp phụ thực sự. Trong tất cả các giai đoạn trên, giai đoạn có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình động học hấp phụ. Quá trình khuếch tán đóng vai trò quyết định với hệ hấp phụ trong môi trường nước. Tốc độ của một quá trình hấp phụ được xác định bởi sự thay đổi nồng độ của chất bị hấp phụ theo thời gian.  Mô hình động học hấp phụ bậc 1 [22-23] Theo mô hình này, tốc độ của quá trình hấp phụ thuộc bậc nhất vào dung lượng hấp phụ 1( ) t e t dq k q q dt   (1.10) Trong đó: qe : dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g). qt : dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g). k1 : hằng số tốc độ phản ứng theo mô hình động học bậc 1 12 Tại thời điểm t = 0 áp dụng điều kiện biên: q0 = 0, t = t, qt = qt, phương trình (1.10) trở thành: 1lg( ) lg . / 2,303e t eq q q k t   (1.11) Phương trình (1.11) có dạng tuyến tính bậc nhất. Từ phương trình xác định được qe và hằng số: 1 1. tan k / 2,303k    (1.12) 1.4. Tình hình ô nhiễm môi trường nước Trên thế giới: Ô nhiễm môi trường nước do kim loại nặng gây ra đang là vấn đề cấp thiết, là mối nguy hại lớn cho con người và hệ sinh thái. Lịch sử đã ghi nhận lại những tác hại về ô nhiễm kim loại nặng mà con người phải gánh chịu. Cho đến ngày 30/4/1997, số người trong hai tỉnh Kumamoto và Kagoshima mắc bệnh Minamata lên tới 17 ngàn người. Nguyên nhân là do nguồn nước của họ và thủy sản bị nhiễm thủy ngân hữu cơ (metyl thủy ngân) M t lg(qe – qt) (mg/l) α 0 Hình 1.3. Đồ thị sự phụ thuộc của lg(qe – qt) vào t 13 do nhà máy hóa chất Chisso thải ra. Theo tờ China Youth Daily (Trung Quốc) đưa tin, đã có ít nhất 26 người thiệt mạng và hàng trăm người nhiễm bệnh do nhiễm Cadmium.Tại Anh, hàm lượng Cd2+ tại các cửa sông bị ô nhiễm rất cao là 10µg/g. Ở Việt Nam: Song song với quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa là các khu công ngiệp, khu chế xuất, khu đô thị mọc lên san sát làm cho môi trường nước bị ô nhiễm nghiêm trọng. Đặc biệt vấn đề ô nhiễm kim loại nặng đang là một trong những vấn đề nan giải. Nồng độ các kim loại nặng độc hại trong nước ô nhiễm của các kênh rạch vượt quá giá trị cho phép so với nước sông rạch không ô nhiễm tăng từ 16 đến 700 lần đối với khu vực miền Nam. Hàm lượng kim loại nặng trong nước thải ở các khu công nghiệp luyện kim, mạ điện, sơn, rất cao. Nghiên cứu ở khu vực công ty Pin Văn Điển cho thấy hàm lượng thủy ngân vượt quá mức cho phép 9,04 lần.  Xử lý môi trường bằng bã chè Có nhiều phương pháp loại bỏ các kim loại nặng ra khỏi nước như phương pháp vật lý, sinh học, hóa học, trong đó hấp phụ là phương pháp được nhiều nhà khoa học lựa chọn vì có nhiều ưu điểm vượt trội. Họ đã sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp như vỏ lạc, vỏ trấu, bã chè, để tạo ra vật liệu compozit có khả năng hấp phụ kim loại nặng tốt. Tác giả Huimei Cai và cộng sự (2014) [18] đã khảo sát được sự kết hợp giữa bã trà và nhôm hoặc bã trà với nhôm và sắt để khử Fluoride trong nước uống đạt tiêu chuẩn cho phép của Tổ chức y tế thế giới (WHO). Ngoài ra với mục đích tách loại các ion Cu2+ và Cd2+ trong dung dịch nước, các tác giả Dwivedi và Rajput [20] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion này bằng vật liệu bã trà. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu về khả năng hấp phụ của bã chè vẫn là vấn đề khá mới mẻ, chỉ có nghiên cứu của một số nhóm tác giả. Trong đó, tác 14 giả Đỗ Trà Hương và Trần Thúy Nga (2014) [8] đã nghiên cứu hấp phụ màu xanh metylen bằng vật liệu bã trà cho kết quả khả quan. Nghiên cứu của Đỗ Trà Hương và Dương Thị Tú Anh (2014) [7] đã chế tạo thành công vật liệu hấp phụ bã chè, oxit nano Fe3O4, oxit từ tính nano Fe3O4 phân tán trên bã chè. 15 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu  Vật liệu hấp phụ  Ion kim loại nặng: Cu2+  Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ: nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ, thời gian hấp phụ, môi trường pH. 2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị 2.2.1. Hóa chất  Aniline 99,99%, d = 1,023 g/mL, Merk – Đức.  Amoni pesunfat dạng tinh thể rắn, Merk – Đức .  Dung dịch HCl 36,5%, Trung Quốc.  Dung dịch H2SO4 98%, Trung Quốc.  CuSO4.5H2O 99,99% tinh thể, Trung Quốc.  Bã chè.  Axeton, Trung Quốc.  Metanol, Trung Quốc.  NaOH dạng tinh thể rắn, Trung Quốc 2.2.2. Dụng cụ  Cốc thủy tinh 250 mL.  Bình tam giác 250 mL.  Bình định mức 1000 mL,500 mL,100 mL.  Phễu thủy tinh, giấy lọc.  Pipet có vạch chia.  Rây. 16 2.2.3. Thiết bị  Máy khuấy từ IKA (Đức).  Tủ sấy Shellab (Mỹ).  Cân phân tích PA214 (Mỹ).  Thiết bị đo hấp phụ nguyên tử AAS Thermo Anh (Viện Kĩ thuật Nhiệt đới).  Thiết bị đo kính hiển vi điện tử quét SEM (Viện Kĩ thuật Nhiệt đới).  Thiết bị đo phổ hồng ngoại IR (Viện Kĩ thuật Nhiệt đới). 2.3. Phương pháp nghiên cứu vật liệu 2.3.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM [24] sẽ phóng đại đến hàng chục vạn lần ảnh chụp bề mặt các đối tượng nghiên cứu cực nhỏ giúp chúng ta quan sát và đánh giá cấu trúc của nó. Nguyên tắc hoạt động của phương pháp SEM: bề mặt mẫu sẽ được quét đi quét lại bởi một chùm điện tử hẹp, sự tương tác giữa điện tử với mẫu đo sẽ phát ra các bức xạ thứ cấp. Những bức xạ này sẽ được thu nhận và chuyển đổi thành hình ảnh. Trong nghiên cứu vật liệu composite PANi – BC, phương pháp SEM xác định được hình thái và kích thước của vật liệu nghiên cứu. 2.3.2. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS [9] là phương pháp dùng để xác định nồng độ của nguyên tố trong dung dịch vào định luật Bughe – Lambe – Bia theo phương trình: Aχ = k. C. L Trong đó: Aχ : Cường độ vạch phổ hấp thụ. C : Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ. L : Chiều dài môi trường hấp phụ. k : Hằng số thực nghiệm. 17 Người ta có thể xác định nồng độ nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong thể tích mẫu dựa vào giá trị mật độ quang. Mật độ quang của lớp hấp thụ tỉ lệ thuận với nồng độ của nguyên tử chứa trong đó tại bước sóng hấp thụ ứng với nguyên tố đó. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử được sử dụng để xác định hàm lượng của các kim loại trước và sau khi hấp thụ. 2.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại IR Phương pháp phổ hồng ngoại giúp chúng ta phân tích được cấu trúc phân tử. Để xác định sự tồn tại của các nhóm liên kết trong phân tử, các nhà khoa học dựa theo tần số cường độ. Phân tích phổ hồng ngoại IR [17] giúp chúng ta xác định được cường độ, vị trí và hình dạng của vân phổ. Phổ hồng ngoại được thể hiện dưới dạng đường cong sự phụ thuộc của phần tră truyền qua vào số sóng Phương pháp phổ hồng ngoại IR được ứng dụng để xác định cấu trúc của vật liệu đã được tổng hợp thông qua sự tồn tại cảu nhóm chức. 2.4. Thực nghiệm 2.4.1. Tổng hợp vật liệu 2.4.1.1. Xử lý bã chè trước khi tổng hợp Trước khi tổng hợp, bã chè được xử lý qua các bước sau: Bước 1: Bã chè thu thập được ngâm trong nước ở nhiệt độ 800C trong thời gian 30 phút. Tiến hành nhiều lần cho đến khi nước ngâm không còn màu của bã chè lúc đầu, lọc bỏ nước. Bước 2: Sau khi ngâm, bã chè được được đem sấy ở nhiệt độ 1100C trong thời gian 2 giờ để loại bỏ nước. Bước 3: Dùng rây rây đi rây lại nhiều lần thu được bã chè nhỏ hơn. Bã chè có kích thước to được đem nghiền lại và tiếp tục đem rây đến khi thu được bã chè kích thước nhỏ. 18 Bước 4: Bã chè thu được đem ngâm với Ethanol trong khoảng thời gian 2 giờ. Sau đó đem lọc và cho vào tủ sấy ở nhiệt độ 1000C trong thời gian 6 giờ. Lấy bã chè ra và tiếp tục ngâm với dung dịch HCl loãng trong thời gian 2 giờ và rửa lại với NaOH 0,1M đến khi pH của vật liệu bằng 7. Bước 5: Đem bã chè thu được sấy ở 1000C trong 6 giờ, ta thu được vật liệu biến tính. 2.4.1.2. Tổng hợp vật liệu Đầu tiên, pha các dung dịch:  Pha dung dịch (NH4)2S2O8 0,5 M – dung dịch D1  Pha dung dịch ANi 0,25M, H2SO4 0,1 M – dung dịch D2 Sau đó, tổng hợp vật liệu:  PANi Bước 1: Lấy 500 mL dung dich D2 cho vào cốc có dung tích 1000 mL và đặt trên máy khuấy từ để khuấy trộn. Nhỏ từ từ cho đến hết 200 mL dung dịch D1 vào cốc trong điều kiện đang khuấy trộn. Sau 15 phút, dung dịch trong cốc ban đầu xuất hiện màu xanh rồi chuyển dần sang màu đen do polyaniline hình thành. Tiếp tục khuấy trộn trong thời gian 6 giờ. Bước 2: Sản phẩm thu được đem lọc và rửa bằng dung dịch axeton: metanol tỉ lệ 1:1 để loại bỏ ANi còn dư trong sản phẩm. Tiếp theo đem sấy khô ở nhiệt độ 600C từ 2- 4 giờ. Sau đó lấy sản phẩm đem đựng và bảo quản.  PANi – Bã chè Bước 1: Lấy 500 mL dung dịch D2 cho vào cốc thủy tinh dung tích 1000 mL. Bước 2: Cân 50 gam bã chè cho vào cốc đựng dung dịch trên. Sau đó nhỏ từ từ cho đến hết 200 mL dung dịch D1 vào cốc trong điều kiện đang khuấy trộn trong 15 phút. Tiếp tục khuấy trộn trong thời gian 6 giờ. 19 Bước 3: Sản phẩm thu được đem lọc và rửa bằng dung dịch axeton: metanol tỉ lệ 1:1 để loại bỏ ANi còn dư trong sản phẩm. Tiếp theo đem sấy khô ở nhiệt độ 600C từ 2- 4 giờ. Sau đó lấy sản phẩm đem đựng và bảo quản. 2.4.2. Khả năng hấp phụ của các vật liệu đối với ion Cu 2+ 2.4.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian Để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian, lấy 10 mL dung dịch Cu2+ nồng độ là C0 = 20 mg/L,khối lượng của vật liệu là m = 0,5g cho vào cốc thủy tinh 100 mL. Môi trường pH = 7. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ, thời gian khuấy t= 30, 60, 90, 120, 150, 180, 300 phút. Lọc dung dịch đi đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS. 2.4.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ Để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ, lấy 10 mL dung dịch Cu2+ với hàm lượng ban đầu C0 = 10, 20, 30, 40, 50 mg/L, khối lượng của vật liệu là m = 0,5g cho vào cốc thủy tinh 100 mL. Môi trường pH = 7. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ, thời gian hấp khuấy t = 120 phút. Lọc dung dịch đi đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS. 2.4.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH Để nghiên cứu ảnh hưởng của pH, lấy 10 mL dung dịch Cu2+ với hàm lượng ban đầu C0 = 20 mg/L, khối lượng của vật liệu là m = 0,5g cho vào cốc thủy tinh 100 mL. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ, thời gian hấp khuấy t = 120 phút. Thay đổi môi trường pH = 3,5,7. Lọc dung dịch đi đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS. Các thí nghiệm được tiến hành trên máy khuấy từ với tốc độ khuấy 100 vòng/phút. Sau đó lọc dung dịch đi đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS. 20 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tổng hợp vật liệu 3.1.1. Phổ hồng ngoại IR Kết quả phân tích IR của các mẫu BC, PANi, PANi – BC được giới thiệu trên hình 3.1 và bảng 3.1. 800 1600 2400 3200 4000 50 100 150 200 250 PANi BC % T ra n sm lt ta n ce Wavenumbers (cm -1 ) PANi - BC Hình 3.1. Phổ IR của các vật liệu PANi, BC, PANi - BC Bảng 3.1. Số sóng của các vật liệu PANi, BC, PANi – BC Liên kết Mẫu Số sóng (cm-1) C-H C-O C-N vòng thơm -N=quinoid=N- C=C C-H vòng thơm N-H PANi -BC 804,1 1048,68 1167,21 1260,35 1361 2915,1 3455,1 BC 1014,82 1150,28 1218,02 1369,5 2923,6 3446,6 PANi 778,2 1184,15 1293,27 1386,4 2915,1 3463,5 21 Từ bảng 3.1 ta thấy xuất hiện các nhóm chức đặc trưng: C-H, C-N vòng thơm, -N=quinoid=N-, C=C, C-H vòng thơm, N-H trong PANi là những nhóm chức đặc trưng trong phân tử PANi. Kết quả này cho thấy sự hình thành PANi trong vật liệu PANi – BC. 3.1.2. Kết quả phân tích SEM Kết quả phân tích SEM cho các vật liệu PANi, BC, PANi – BC được thể hiện trong hình 3.2. Hình 3.2. Phổ SEM của các vật liệu PANi – BC, BC, PANi Kết quả phân tích cho thấy các vật liệu BC, PANi, PANi - BC có kích thước nhỏ, cỡ µm, có cấu trúc dạng lớp. Qua hình ta thấy vật liệu BC có cấu trúc lớp tương đối sát với nhau. Vật liệu PANi có cấu trúc dạng xốp. Tuy PANi - BC BC PANi 22 nhiên , trong vật liệu PANi – BC do có sự có mặt của PANi nên nó có cấu trúc xốp hơn PANi. 3.2. Khả năng hấp phụ ion Cu 2+ 3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian Sự phụ thuộc của nồng độ chất bị hấp phụ và hiệu suất của quá trình hấp phụ vào thời gian của các vật liệu: BC, PANi, PANi – BC được thể hiện trên hình 3.3. 0 60 120 180 240 300 6 9 12 15 18 C t (m g /L ) t (phút) BC PANi PANi- BC 0 60 120 180 240 300 10