Khóa luận Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Mn2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ Bã Chè

ng vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép ra môi trƣờng, cùng với lƣợng nƣớc thải từ các làng nghề tái chế kim loại, hoạt động giao thông vận tải và nƣớc thải sinh hoạt... Đây chính là nguyên nhân gây cho môi trƣờng nƣớc mặt, nƣớc ngầm ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm kim loại nặng một cách nghiêm trọng. Việc nghiên cứu các biện pháp bảo vệ và xử lý môi trƣờng nƣớc bị ô nhiễm đang là mối quan tâm hàng đầu trên toàn thế giới. Đã có nhiều phƣơng pháp đƣợc áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra khỏi môi trƣờng nƣớc nhƣ: phƣơng pháp hóa lý (phƣơng pháp hấp phụ, phƣơng pháp trao đổi ion,), phƣơng pháp sinh học, phƣơng pháp hóa họcTrong đó, một trong những phƣơng pháp đang đƣợc nhiều ngƣời quan tâm hiện nay là tận dụng các phụ phẩm nông nghiệp nhƣ bã cà phê, vỏ lạc, vỏ trấulàm vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng. Trong một số nghiên cứu gần đây, để tăng hiệu suất hấp phụ ion kim loại nặng, ngƣời ta tiến hành phối trộn polyanilin với phụ phẩm nông nghiệp. Một trong những nguồn phụ phẩm nông nghiệp có khối lƣợng lớn ở nƣớc ta là bã chè. Bã chè có khả năng tách kim loại và màu trong nƣớc nhờ tính xốp và thành phần xellulozo, đồng thời có khả năng tái sử dụng vật liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng. Xuất phát từ lý do trên, em chọn đề tài “Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Mn2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè.” 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu động học hấp phụ Mn2+ trên vật liệu tổng hợp từ bã chè và đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu. 2 3. Nội dung nghiên cứu  Tổng hợp vật liệu.  Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu Mn2+, thời gian, pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu.  Khảo sát cân bằng hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu  Phƣơng pháp kính hiểm vi điện tử quét SEM để xác định hình dạng, cấu trúc bề mặt vật liệu.  Phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR.  Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS để xác định hàm lƣợng nguyên tố trong dung dịch trƣớc và sau khi hấp phụ.  Xử lí số liệu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Với nguồn nhiên liệu rồi rào, tận dụng chúng nhằm hạn chế lƣợng chất thải ra môi trƣờng, việc nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Mn2+ trong nƣớc thải bằng vật liệu đƣợc tổng hợp từ bã chè là hết sức hữu ích. Vật liệu tổng hợp đƣợc có tính khả thi, nâng cao hiệu quả kinh tế, đƣợc áp dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực. 3 CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN 1.1. Polyanilin (PANi) 1.1.1. Cấu trúc phân tử PANi PANi là một polime tạo thành từ phản ứng cộng hợp của nhiều phân tử anilin trong điều kiện có mặt tác nhân oxi hóa làm xúc tác. Dạng tổng quát của PANi nhƣ sau: Hình 1.1. Cấu trúc phân tử PANi [4,9,17]. Với các giá trị a và b có thể thay đổi a,b = 0,1,2,3,4 Màu sắc, cấu trúc mạch polime cũng thay đổi tùy thuộc vào sự có mặt của các tác nhân oxy hóa khác nhau. 1.1.2. Phƣơng pháp tổng hợp PANi PANi là một trong những polime dẫn có khả năng tổng hợp đơn giản. Vì vậy PANi ngày càng đƣợc quan tâm hiện nay. PANi đƣợc tổng hợp bằng 2 phƣơng pháp là: phƣơng pháp điện hóa và phƣơng pháp hóa học [13]. - Phương pháp điện hóa: PANi đƣợc tổng hợp theo con đƣờng điện hóa bằng một số phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ: xung dòng, xung thế, dòng tĩnh, thế tĩnh, quét tuần hoàn. Các quá trình hóa học đều xảy ra trên bề mặt điện cực nên đảm bảo độ tinh khiết của PANi tƣơng đối cao. - Phương pháp hóa học: Để chế tạo vật liệu PANi dạng bột với một khối lƣợng lớn ngƣời ta dùng phƣơng pháp hóa học. Chất oxi hóa thƣờng đƣợc sử dụng trong phƣơng pháp này là ammonium persulfat, nó giúp tạo ra polimer có khối lƣợng phân tử lớn và độ dẫn điện tối ƣu hơn [12]. PANi có rất nhiều ứng dụng nhƣ: tích trữ và chuyển hóa năng lƣợng, làm vật liệu nguồn điện , chống ăn mòn kim loại [6].Trong xử lý môi trƣờng ô 4 nhiễm kim loại nặng, PANi đƣợc sử dụng nhƣ một vật liệu hấp phụ để xử lý nguồn nƣớc thải công nghiệp cũng nhƣ nƣớc thải sinh hoạt. Để tăng hiệu suất hấp phụ, có thể tiến hành phối trộn PANi với các phụ phẩm nông nghiệp nhƣ: mùn cƣa, vỏ đỗ, vỏ lạc tạo thành vật liệu compozit [5]. Hƣớng nghiên cứu này đang đƣợc nhiều tác giả trong và ngoài nƣớc quan tâm. Tác giả Bùi Minh Quý đã tổng hợp thành công vật liệu compozit từ PANi và PPNN: mùn cƣa, vỏ đỗ, vỏ lạc, vỏ trấu. pH của dung dịch có ảnh hƣởng đến cơ chế hấp phụ của cation của PANi [14,15]:  Nếu pH gần trung tính thì các cation có ái lực mạnh hơn proton H+ nên sẽ tạo phức càng cua với imin (-N=).  Nếu pH thấp (môi trƣờng axit) hoặc cao (môi trƣờng kiềm) thì cation bị đẩy ra do ái lực của nó yếu hơn so với proton (H+) hay hidroxy (OH-). 1.2. Bã chè 1.2.1. Tổng quan về chè Chè là một loại lá khô, đã qua chế biến và đƣợc tiêu thụ một lƣợng lớn trên thế giới với nhiều giá trị sử dụng hữu ích của nó.Vì vậy, các sản phẩm của chè ngày càng có giá trị hàng hóa và giá trị xuất khẩu cao, thị trƣờng tiêu dùng ổn định. Hình 1.2. Hình ảnh chè Tân Cương - Thái Nguyên Việt Nam là cái nôi của ngành chè thế giới với lƣợng sản xuất chè đứng thứ 7 và xuất khẩu chè đứng thứ 5 toàn cầu, có 124 ha diện tích trồng chè và hơn 500 cơ sở chế biến, công suất đạt trên 500.000 tấn chè khô/năm. Trong năm 2011 cả nƣớc có diện tích trồng chè 133.000 ha, sản lƣợng thô đạt 5 888.600 tấn, xuất khẩu là 132.600 tấn [19]. Thị trƣờng chủ yếu của Việt Nam là các nƣớc: Pakistan, Đài Loan, Nga 1.2.2. Các thành phần sinh hóa của chè Thành phần sinh hóa của bã chè biến đổi phức tạp. Tuy nhiên chúng gồm một số thành phần chính sau [21]: Nước: là thành phần chủ yếu trong búp chè, chiếm 75-82%, nƣớc có quan hệ sinh hóa đến quá trình biến đổi sinh hóa trong búp chè và hoạt động của các men. Tanin: là một trong những thành phần chủ yếu quyết định đến phẩm chất của chè. Tatin chiếm khoảng 34% chất khô trong chè, đƣợc gọi chung là hợp chất fenol. Ankaloit: cafein là ankaloit nhiều nhất trong chè, hàm lƣợng từ 3-5 %, nhiều hơn trong bã cà phê 2-3 lần. Protein và axit amin:chiếm khoảng 15 %, thành phần có thể thay đổi theo điều kiện canh tác, giống, mùa. Protein kết hợp với tatin làm giảm vị chát của chè. Gluxit và pectin: các gluxit không hòa tan chiếm tỉ lệ lớn. Xenlulozơ và hemixenlulozơ tăng lên theo tuổi của lá. Chất tro:hàm lƣợng tro trong chè tƣơi từ 4-5%, và trong chè khô từ 5- 6%, giữ vai trò quan trọng trong hoạt động của cơ thể sống, ảnh hƣởng trực tiếp đến sự trao đổi chất của tế bào. Lignin: chiếm khoản 6,5%. Ngoài ra còn một số thành phần khác. Thành phần chính của lá chè là các gluxit gồm xenlulozơ, hemixenlulozơ và một số chất khác. Trong đó, xenlulozơ và hemixenlulozơ kết hợp với nhau gọi là holoxenluzơ. Do có nhiều nhóm – OH nên có liên kết hidro trong phân tử. Điều này thuận lợi cho khả năng hấp phụ, chè đƣợc dùng làm chất mang trong tổng hợp vật liệu compozit của PANi. 6 Xenlulozơ là một loại polysaccarit có khối lƣợng phân tử rất lớn (1.000.000 - 2.400.000) đƣợc tạo thành từ các mắt xích - glucozơ nối với nhau bởi các liên kết – 1,4- glicozit. Do mỗi mắt xích của xenlulozo có chứa 3 nhóm – OH nên công thức của xenlulozơ đƣợc viết là [C6H7O2(OH)3]n. Số lƣợng liên kết hidro nội phân tử và liên phân tử làm cho nó có độ cứng và vững chắc. Lignin là một hợp chất cao phân tử, cấu trúc vô định hình, tạo bởi các mắt xích phenyl propan liên kết với nhau. Ligin tập trung ở mô hóa gỗ, là chất kết dính tế bào, độ bền cơ học lớn, không tan trong nƣớclàm cho chúng có tính hấp phụ và trao đổi ion cao. Qua một số nghiên cứu cho thấy lignin có thể tách kim loại nặng hòa tan trong nƣớc nhờ cấu trúc lỗ xốp và các thành phần nhƣ xenlulozo, hemixenlulozo, protein[8 ,4,16]. Trƣớc tình hình tiêu thụ chè trên thế giới và ở Việt Nam, cùng với sự phát triển của ngành du lịch, nhu cầu sử dụng chè ngày càng nhiều tạo ra lƣợng lớn bã chè bị thải bỏ. Vì vậy, việc nghiên cứu tận dụng chúng để tạo ra vật liệu composite hấp phụ kim loại nặng trên cơ sở PANi có ý nghĩa khoa học to lớn,vừa hạn chế đƣợc lƣợng phế thải ra môi trƣờng, vừa tạo ra đƣợc vật liệu xử lý nƣớc rẻ tiền, dễ tổng hợp. 1.3. Tình hình ô nhiễm kim loại nặng Ở hàm lƣợng nhỏ, một số kim loại nặng là những nguyên tố vi lƣợng cần thiết cho cơ thể con ngƣời và sinh vật, có vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất. Nhƣng với hàm lƣợng lớn vƣợt quá mức cho phép thì chúng lại thƣờng có độc tính cao và ảnh hƣởng tới sức khỏe con ngƣời. Trong những năm gần đây, cùng với sự gia tăng dân số trên toàn thế giới kéo theo sự phát triển công nghiệp nhƣ vũ bão thì ô nhiễm môi trƣờng nƣớc gia tăng nhanh chóng. Đặc biệt sự có mặt của kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc vƣợt quá tiêu chuẩn gây ảnh hƣởng không nhỏ đến con ngƣời và sinh vật. Ở Việt Nam, vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc do tích lũy kim loại nặng cũng diễn ra hết sức nghiêm trọng.Theo báo cáo của môi trƣờng quốc gia, tại nhiều nơi, đặc biệt là các thành phố lớn xảy ra hiện tƣợng ô nhiễm nguồn nƣớc ngầm nghiêm trọng với hàm lƣợng các kim loại nặng nhƣ Pb, As, Mn 7 vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép. Theo một số nghiên cứu, một số làng nghề tái chế kim loại thải ra một lƣợng lớn chất thải chƣa qua xử lý ra môi trƣờng. Đây là những nguyên nhân gây ô nhiễm trực tiếp môi trƣờng đất và nguồn nƣớc mặt. Trƣớc tình trạng đó, các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc đã nghiên cứu nhiều biện pháp nhằm hạn chế tối đa hàm lƣợng kim loại nặng đi vào nguồn nƣớc. Phƣơng pháp đang đƣợc cả thế giới quan tâm hiện nay là phƣơng pháp hấp phụ. Việc lựa chọn vật liệu hấp phụ tối ƣu là hết sức quan trọng vì nó quyết định đến hiệu suất xử lý đồng thời phải đảm bảo về mặt giá thành sản phẩm áp dụng, mức độ phổ biến trên thị trƣờng. 1.4. Giới thiệu về phƣơng pháp hấp phụ  Hiện tƣợng hấp phụ Theo tác giả Nguyễn Đình Huề : Hấp phụ là sự tập tụ chất trên bề mặt phân chia 2 pha thể tích (khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Chất mà trên bề mặt nó xảy ra sự hấp phụ đƣợc gọi là chất hấp phụ; còn chất đƣợc tập tụ trên bề mặt phân chia gọi là chất bị hấp phụ [2]. Bề mặt tính với 1g chất hấp phụ gọi là bề mặt riêng của nó. Sức căng bề mặt của vật liệu hấp phụ chủ yếu là các dạng liên kết nhƣ: Liên kết Van de Van yếu, liên kết hidro, liên kết tĩnh điện, Độ xốp của chất hấp phụ có ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ. Ngƣợc với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ. Đó là quá trình đi ra của chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ. Khi có lực tƣơng tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ thì hiện tƣợng hấp phụ xảy ra. Tùy theo bản chất lực tƣơng tác mà ngƣời ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Trong một số trƣờng hợp xảy ra cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. 8 1.5. Động học quá trình hấp phụ 1.5.1. Dung lƣợng và hiệu suất hấp phụ  Dung lƣợng hấp phụ Dung lƣợng hấp phụ (q) là lƣợng chất bị hấp phụ (độ hấp phụ) bởi 1 gam chất hấp phụ rắn trong điều kiện xác định về nhiệt độ và nồng độ, đƣợc tính theo công thức: 0( ).C C Vq m   (1.1) Trong đó: q: dung lƣợng hấp phụ cân bằng (mg/g) Co: hàm lƣợng dung dịch ban đầu (mg/L) C: hàm lƣợng dung dịch khi đạt trạng thái cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/L) V: thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (L) m: khối lƣợng chất hấp phụ (g)  Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ (H) là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ (C) và nồng độ dung dịch ban đầu Co. 0 0 .100% C C H C   (1.2) 1.5.2. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Khi hệ hấp phụ đạt đến trạng thái cân bằng, lƣợng chất 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), đƣờng biểu diễn q= fT (P hoặc C) đƣợc gọi là đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lƣợng 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 [1]. 9 Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt đƣợc mô tả qua các phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Herry, Freundlich, LangmuirBài khóa luận này em nghiên cứu cân bằng hấp phụ của VLHP đối với Mn2+ trong môi trƣờng nƣớc theo mô hình đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.  Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Thuyết hấp phụ Langmuir đƣợc xây dựng trên cơ sở 3 luận điểm chính sau [2]:  Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định, sự hấp phụ có chọn lọc.  Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nhiệt hấp phụ tại các vị trí là nhƣ nhau.  Không có sự tƣơng tác giữa các phần tử chất hấp phụ. Phƣơng trình Langmuir đƣợc xây dựng cho hệ hấp phụ khí rắn, nhƣng cũng có thể áp dụng cho hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc để phân tích các số liệu thực nghiệm. Trong pha lỏng phƣơng 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 lƣợng hấp phụ (lƣợng chất bị hấp phụ/ 1 đơn vị chất hấp phụ) qmax: dung dịch hấp phụ tối đa của chất hấp phụ (lƣợng chất bị hấp phụ/ 1đơn vị chất hấp phụ) C: nồng độ dung dịch hấp phụ Phƣơng trình có thể viết dƣới dạng: max max .1 L C C q q q C K C      (1.5) 10 Để xác định các hệ số trong phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, ngƣời ta chuyển phƣơng trình (1.5) về dạng tuyến tính: max max 1 1 . .L q C C K q q   (1.6) Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của C/q và C ta sẽ xác định đƣợc hằng số trong phƣơng trình của Langmuir. Từ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của C/q vào C ta tính đƣợc KL và qmax: max 1 . L OM q K  ; max 1 tag q   (1.7) Từ KL ta tính đƣợc tham số cân bằng RL: 0 1 1 .C L L R K   (1.8) Trong đó: RL: Tham số cân bằng Ct (mg/L) q (mg/g) qmax 0 Hình 1.3. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir M C (mg/L) 0 C/q (g/L) Hình 1.4. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C 𝛼 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 ------------------- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ Mn2+ TRÊN VẬT LIỆU HẤP THU TỔNG HỢP TỪ BÃ CHÈ Sinh viên thực hiện : Mai Khánh Hòa Ngành học : Sƣ phạm Hóa học Cán bộ hƣớng dẫn ThS. TRẦN QUANG THIỆN HÀ NỘI 2018 11 Bảng 1.1. Mối tương quan của RL và dạng mô hình [14]: Giá trị RL Dạng mô hình RL >1 Không phù hợp RL = 1 Tuyến tính 0< RL<1 Phù hợp RL = 0 Không thuận nghịch Phƣơng trình Langmuir xác định đƣợc dung lƣợng hấp phụ cực đại và mối tƣơng quan giữa quá trình hấp phụ và giải hấp phụ thông qua hằng số Langmuir KL. Sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm là cơ sở để lựa chọn chất hấp phụ thích hợp cho hệ hấp phụ [10,11]. 1.5.3. Động học hấp phụ  Mô hình động học hấp phụ bậc 1 Theo đó, tốc độ qua trình hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào dung lƣợng chất hấp phụ theo phƣơng trình: 1( ) t e t dq k q q dt   (1.9) Trong đó: k1 - hằng số tốc độ phản ứng (thời gian -1 ) qe, qt - dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và thời điểm t (mg/g) Tại t =0, qt = 0 thì: 1ln e e t q k t q q   (1.10) 1(1 )k tt eq q e   (1.11) Phƣơng trình 1.11 dạng tuyến tính bậc nhất: 12 1lg( ) lgq / 2,303e t eq q k t   (1.12) Khi đó ta xác định đƣợc qe và hằng số k1.tg = - k1/2,303 lg eOM q t 0 M lg (qe- qt) 𝛼 Hình 1.5. Đồ thị sự phụ thuộc của lg (qe-qt) vào t 13 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Hóa chất – Thiết bị 2.1.1. Hóa chất - Aniline 99,99%, d= 1,023g/m (Merk- Đức). - Ammonium persulfate dạng tinh thể trắng (Merk – Đức). - Dung dịch HCl 36,5% ( Trung Quốc). - Dung dịch H2SO4 98 % (Trung Quốc). - Mn(NO3)2 99,99% tinh thể (Trung Quốc). - Axetone (Trung Quốc). - Methanol (Trung Quốc). - NaOH 99,99%, tinh thể (Trung Quốc). 2.1.2. Thiết bị- Dụng cụ - Tủ sấy Shellab (USA). - Máy khuấy từ IKA (Đức ). - Cân phân tích PA214 ( USA). - Thiết bị đo hấp thụ nguyên tử AAS (viện Kĩ thuật Nhiệt đới). - Thiết bị chụp ảnh SEM (viện Kĩ thuật Nhiệt đới). - Thiết bị đo phổ hồng ngoại IR (viện Kĩ thuật Nhiệt đới). 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1. Phƣơng pháp kính hiểm vi điện tử quét (SEM) Phƣơng pháp SEM [17,20] đƣợc sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt của mẫu vật với độ phân giải cao. SEM là một loại kính hiểm vi, nguyên lý hoạt động của nó là: sử dụng một chùm điện tử (chùm electron) hẹp quét đi quét lại trêm bề mặt vật mẫu khi đó xảy ra sự tƣơng tác giữa chùm điện tử với bề mặt mẫu vật phát ra ác bức xạ thứ cấp. Phân tích các bức xạ này cho ta ảnh về cấu trúc bề mặt vật liệu. Phƣơng pháp SEM đƣợc sử dụng phổ biến do có nhiều ƣu điểm nhƣ: làm việc đơn giản, không cần xử lý mẫu và có thể hoạt động trong điều kiện chân không thấp. 14 Ứng dụng tính năng của phƣơng pháp này, bài khóa luận em sử dụng để nghiên cứu hình thái, cấu trúc của các vật liệu: PANi – BC, PANi, BC. 2.2.2. Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) Trong đề tài này em sử dụng phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS để phân tích hàm lƣợng của các kim loại nặng. Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử [3] là phƣơng pháp dùng để xác định nồng độ của nguyên tố trong dung dịch dựa vào định luật Bughe – Lambe – Bia theo phƣơng trình: . .A k C l  (2.1) Trong đó: A : cƣờng độ vạch phổ hấp thụ k: hằng số thực nghiệm l: chiều dài môi trƣờng hấp thụ C: Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ Ngƣời ta xác định nồng độ nguyên tử của nguyên tố 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 bƣớc sóng hấp thụ ứng với nguyên tố đó. Tính tỉ lệ này đƣợc bảo toàn trong một nồng độ nhất định, tùy thuộc vào tính chất của nguyên tố cần xác định và tính chất của đèn. Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử đƣợc sử dụng để xác định hàm lƣợng của các kim loại trƣớc và sau khi hấp phụ. 2.2.3. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR) Phƣơng pháp IR [7] dùng để xác định tần số của vân phổ, cƣờng độ và hình dạng của vân phổ . Nguyên tắc: Phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR dựa trên sự tƣơng tác của các bức xạ điện từ từ miền hồng ngoại (400 - 4000 cm-1) với các phân tử cần nghiên cứu. Kết quả là có sự hấp phụ năng lƣợng, liên quan chặt chẽ đến cấu trúc của các phân tử. 15 Nếu đặt một điện trƣờng tần số v thì phân tử chuyển trạng thái kích thích từ E lên E*, thỏa mãn: *- E= hv (2.2) Trong đó: E - năng lƣợng ở trạng thái cơ bản E * - năng lƣợng ở trạng thái kích thích (E* > E) - hiệu năng lƣợng H - hằng số flanck V - tần số Khi phân tử bị kích thích từ mức năng lƣợng E lên E* nó sẽ hấp phụ bức xạ với tần số v, và quá trình ngƣợc lại phát ra bức xạ v. Mỗi loại dao động trong phân tử hấp thụ ở một tần số xác định đƣợc thể hiện bởi những vân phổ mà đỉnh phổ ứng với tần số đó. Dựa vào phƣơng pháp phổ hồng ngoại ta có thể phân tích định tính, định lƣợng vật liệu và còn điều đặc biệt là có thể phân tích cấu trúc của vật liệu. 2.3. Thực nghiệm 2.3.1. Tổng hợp vật liệu 2.3.1.1. Xử lý bã chè trƣớc khi tổng hợp Nghiên cứu xử lí bã chè trƣớc khi tổng hợp tiến hành theo các bƣớc: Bƣớc 1: Ngâm bã chè thu đƣợc trong nƣớc ở nhiệt độ 85oC trong thời gian 30 phút. Lặp lại cho đến khi nƣớc ngâm không còn màu của chè. Bƣớc 2: Bã chè sau khi ngâm đƣợc sấy ở nhiệt độ 1000C trong thời gian 5 giờ để loại bỏ hơi nƣớc. Bƣớc 3: Bã chè dạng thô đƣợc nghiền nhỏ và dùng rây tách lấy các phân tử có kích thƣớc d ≤ 1mm. Bƣớc 4: Ngâm bã chè trong etanol trong vòng 1 ngày để loại bỏ các thành phần hữu cơ. 16 Bƣớc 5: Bã chè sau khi ngâm đƣợc hoạt hóa bằng axit HCl 0,1M. Bƣớc 6: Sấy khô bã chè ở 1000C trong 8 giờ thu đƣợc vật liệu biến tính. 2.3.1.2. Tổng hợp vật liệu  Tổng hợp PANi Vật liệu đƣợc tổng hợp qua các bƣớc: Bƣớc 1: - Pha 200 mL dung dịch M0 (dung dịch amoni pesunfat 0,5 M). - Pha 500 mL dung dịch M1 (anilin 0,25 M, H2SO4 0,1 M). Bƣớc 2: Đặt cốc đựng dung dịch M1 trên máy khuấy từ để khuấy trộn. Nhỏ từ từ dung dịch M0 vào cốc phản ứng dƣới điều kiện có khuấy. Sau khoảng 15 phút dung dịch trong cốc bắt đầu xuất hiện màu xanh, đó là thời điểm các polime hình thành, rồi chuyển sang màu xanh đen. Tiếp tục cho phản ứng tiến hành trong thời gian 6 giờ trên máy khuấy từ cho quá trình polime hóa xảy ra đƣớc hoàn toàn. Sản phẩm đƣợc lọc và rửa bằng dung dịch axeton: metanol tỉ lệ 1:1 để loại bỏ hết anilin dƣ. Sấy khô sản phẩm ở nhiệt độ 50-600C đƣợc vật liệu compozit dạng muối đƣợc sử dụng để nghiên cứu động học hấp phụ Mn2+.  Tổng hợp PANi- BC Pha 500 ml (anilin 0,25 M, H2SO4 0,1 M) vào cốc thủy tinh. Cân lấy 50 g bã chè vào dung dịch trên. Khuấy hỗn hợp trên máy khuấy từ. Nhỏ từ từ 200 ml dung dịch amoni pesunfat (pha nhƣ trên) trong thời gian 15 phút. Tiếp tục cho phản ứng tiến hành trên máy khuấy từ trong thời gian 6 giờ cho quá trình polime hóa xảy ra đƣợc hoàn toàn. Lọc dung dịch trên giấy lọc và rửa bằng dung dịch axeton : metanol = 1:1 sau đó sấy khô sản phẩm ở nhiệt độ 50 – 600 C thu đƣợc vật liệu cần tổng hợp. 2.3.2. Khả năng hấp phụ của các vật liệu đối với Mn2+ 2.3.2.1. Ảnh hƣởng của thời gian Để nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian hấp phụ: Lấy 10 mL dung dịch Mn 2+ nồng độ C0 = 20 mg/ L, khối lƣợng vật liệu: m = 0,5 g vào cốc thủy tinh 17 100 mL. Cố định môi trƣờng 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. 2.3.2.2. Ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu Để nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ: Lấy 10 mL dung dịch Mn2+ với hàm lƣợng ban đầu: C0 =10, 20, 30, 40, 50 mg/L, khối lƣợng vật liệu: m = 0,5 g vào cốc thủy tinh 100 mL. Cố định môi trƣờng pH = 7. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ, thời gian khuấy: t = 120 phút. Lọc dung dịch đi đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS. 2.3.2.3. Ảnh hƣởng của pH Để nghiên cứu ảnh hƣởng môi trƣờng pH. Lấy 10 mL dung dịch Mn2+ hàm lƣợng ban đầu C0 = 20 mg/L, khối lƣợng vật liệu: m=0,5 g vào cốc thủy tinh 100 mL. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ, thời gian khuấy: t = 120 phút, thay đổi môi trƣờng pH = 3, 5, 7. Lọc dung dịch đi đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS. Các thí nghiệm đƣợc tiến hành trên máy khuấy từ với tốc độ khuấy 100 vòng/ phút. Sau đó dung dịch đƣợc lọc đem đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS. 18 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tổng hợp vật liệu 3.1.1. Phổ hồng ngoại IR Kết quả nghiên cứu phổ IR của các vật liệu: PANi – BC, BC, PANi đƣợc giới thiệu trên hình 3.1. 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 40 80 120 160 200 240 Wavenumbers (cm -1 ) % T ra n sm lt ta n ce PANi BC PANI - BC Hình 3.1.. Phổ IR của các mẫu Bảng 3.1. Giá trị số sóng của các mẫu: PANi – BC, BC, PANi. Mẫu Số sóng (cm-1) C-H C-O C –N Vòng thơm -N=quinoid=N- C=C C=O C-H vòng thơm N-H PANi – BC 849,3 1075,03 1179,6 1283,67 1383,45 1634,2 2927,1 3441,1 BC 1035,28 1148,7 1238,35 1380,01 1646,5 2923,9 3924,2 PANi 810,1 1190,6 1301,23 1428,23 1599,1 1992,5 3438,3 Trên đƣờng phổ của các vật liệu có sự xuất hiện các nhóm chức đặc trƣng C- H, C-N vòng thơm, -N=quinoid=N-, C=C, C-H vòng thơm, N-H của PANi ở vật liệu PANi – BC. 19 3.1.2. Kết quả phân tích SEM Kết quả phân tích phổ SEM của các mẫu PANi-BC, PANi, BC đƣợc thể hiện trên hình 3.2. Hình 3.2. Ảnh SEM của các mẫu PANi-BC, PANi, BC. Kết quả cho thấy các vật liệu hấp phụ có kích thƣớc cỡ μm, cấu trúc dạng lớp, xốp. So sánh mẫu BC với mẫu PANi cấu trúc lớp tƣơng đối sát nhau. Vật liệu tổng hợp PANi – BC từ các thành phần riêng rẽ có độ xốp hơn nhiều. 3.2. Khả năng xử lý ion kim loại nặng 3.2.1. Ảnh hƣởng của thời gian Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian đến nồng độ cân bằng và hiệu suất hấp phụ đƣợc thể hiện trên hình 3.3. PANi -BC PANi BC 20 0 60 120 180 240 300 0 4 8 12 16 20 C t (m g/ L ) t (phút) BC PANi PANi - BC 0 60 120 180 240 300 15 30 45 60 75 H ( % ) t (phút) BC PANi PANi - BC Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ cân bằng và hiệu suất hấp phụ. C0=20 mg/L, pH =7. Ta thy hiệu suất hấp phụ của vật liệu tăng lên khi thời gian tăng, đồng thời nồng độ dung dịch tại thời điểm cân bằng giảm xuống theo thời gian khảo sát t = 30300 phút. Cụ thể: Trong khoảng thời gian khảo sát từ t = 30 phút 300 phút thì PANi – BC ( đƣợc tổng hợp từ các vật liệu riêng rẽ) có hiệu suất hấp phụ tăng mạnh nhất đạt từ 13,6 68,3 %, nồng độ cân bằng giảm từ 17,28 mg/L  6,45 mg/L. Hiệu suất hấp phụ tăng nhanh trong khoảng thời gian từ t = 30 120 phút đối với tất cả các vật liệu và sau 120 phút tăng không đáng kể (PANi- BC từ 120 đến 150 phút H%= 66,768,1%). Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian đến dung lƣợng hấp phụ đƣợc thể hiện trên hình 3.4. 0 60 120 180 240 300 0.00 0.06 0.12 0.18 0.24 0.30 q (