Khóa luận Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Pb2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ Bã Chè

hƣởng của pH đến nồng độ dung dịch (a) và hiệu suất của quá trình hấp phụ (b) ion Pb2+ trên các vật liệu. Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L, t = 120 phút.................................................................................................................................... 23 Hình 3.8. Ảnh hƣởng của pH đến dung lƣợng hấp phụ. Thời gian hấp phụ t = 120 phút, nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L ...................................................................... 23 Hình 3.9. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir quá trình hấp phụ ion Pb 2+ của vật liệu PANi – BC ............................................................................................... 24 Hình 3.10. Sự phụ thuộc tham số RL vào nồng độ ban đầu của Pb 2+ ................. 25 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, thế giới đang rung lên hồi chuông báo động về thực trạng ô nhiễm môi trƣờng toàn cầu. Nằm trong bối cảnh chung của thế giới, môi trƣờng Việt Nam cũng đang xuống cấp một cách cục bộ. Nƣớc là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng và cần thiết cho sự sống nhƣng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Nguyên nhân chính là do nguồn nƣớc thải của các khu công nghiệp, khu chế xuất,.chứa rất nhiều ion các kim loại nặng nhƣ Pb2+, Mn2+, Cu 2+,. khi đƣa ra ngoài môi trƣờng hầu hết chƣa đƣợc xử lý hoặc xử lý sơ bộ. Vấn đề đó đã và đang làm ảnh hƣởng không chỉ đến hệ sinh thái mà còn đe dọa đến sức khỏe con ngƣời. Do đó việc xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc đang trở thành vấn đề đƣợc quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà 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 sinh học, phƣơng pháp hóa học,. Trong đó phƣơng pháp hấp phụ – sử dụng vật liệu hấp phụ (VLHP) chế tạo từ các nguồn tự nhiên nhƣ vỏ trấu, vỏ lạc, bã mía, lõi ngô,. để tách loại và thu hồi các kim loại nặng từ dung dịch nƣớc đang đƣợc áp dụng rộng rãi và cho kết quả khả thi. Phƣơng pháp xử lý sử dụng VLHP sinh học có nhiều ƣu việt so với các phƣơng pháp xử lý khác nhƣ giá thành xử lý không cao, tách loại đƣợc đồng thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng VLHP và thu hồi kim loại. Bã chè là nguồn nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam có sản lƣợng hàng năm rất lớn. Nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào này, em tập trung nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Pb2+ trên vật liệu hấp thu chế tạo từ bã chè”. 2 2. Mục tiêu chọn nghiên cứu Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Pb2+ và đánh giá khả năng hấp phụ ion Pb2+ của vật liệu hấp phụ. 3. Nội dung nghiên cứu Điều chế vật liệu hấp phụ từ bã chè. Đánh giá khả năng hấp phụ ion Pb2+ của VLHT điều chế từ bã chè. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp phân tích số liệu. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét SEM. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR. Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Điều chế đƣợc VLHP từ bã chè để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ các ion kim loại nặng, những ion kim loại gây ô nhiễm môi trƣờng. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Bã chè 1.1.1. Tổng quan về chè Chè có tên khoa học là Camellia sinensis là một loại cây công nghiệp lâu năm có đời sống kinh tế lâu dài mà mau cho sản phẩm, hiệu quả kinh tế cao và ổn định. Ở Việt Nam cây chè đƣợc trồng tập trung chủ yếu ở: Tây Bắc, Tuyên Quang, Thái Nguyên, Hòa Bình, Trung du và miền núi Bắc Bộ,[21]. Chè tại Việt Nam đƣợc sản xuất chủ yếu trên quy mô thƣơng mại và công nghiệp, có khoảng 174.900 tấn chè đƣợc sản xuất mỗi năm. Với sản lƣợng và sự tiêu thụ lớn nhƣ vậy thì bã chè thu đƣợc là rất lớn. Do đó, việc sử dụng bã chè để chế tạo VLHP vừa có ý nghĩa về mặt khoa học vừa góp phần tận dụng nguồn phụ phẩm dồi dào này [22]. 1.1.2. Thành phần và tính chất của bã chè Thành phần sinh hóa của chè biến động rất phức tạp nó phụ thuộc vào giống, tuổi chè, điều kiện đất đai, địa hình, kỹ thuật canh tác, mùa thu hoạch,. Thành phần sinh hóa chủ yếu trong búp chè gồm có [23]: Nước: là thành phần chủ yếu trong búp chè. Trong búp chè hàm lƣợng nƣớc thƣờng có từ 75 – 82%. Tanin: là một trong những thành phần chủ yếu quyết định đến phầm chất chè. Tanin còn gọi chung là hợp chất fenol, trong đó 90% là các dạng cactechin. Tỷ lệ các chất trong thành phần hỗn hợp của tanin chè không giống nhau và tùy theo từng giống chè mà thay đổi. Ankaloit: trong chè có nhiều loại ankaloit nhƣng nhiều nhất là cafein. Protein và axit amin: protein là hợp chất hữu cơ phức tạp chứa N, phân bố không đều ở các 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 thành phần tanin làm cho vị chát và đắng giảm đi. Vì thế trong một chừng mực nào đó, protein 4 có lợi cho phẩm chất chè xanh. Ngày nay ngƣời ta đã tìm thấy trong chè có 17 axit amin, các axit amin này kết hợp với đƣơng và tanin tạo thành andehit có mùi thơm của chè đen và làm cho chè xanh khác nhau. Gluxit và pectin: trong lá chè chứa rất ít gluxit hòa tan, trong khi đó các gluxit không hòa tan lại chiếm tỷ lệ lớn.Cellulose and hemixenlulo cũng tăng lên theo tuổi của lá, vì vậy nguyên liệu càng già chất lƣợng càng kém. Hàm lƣợng đƣờng hòa tan ở trong chè tuy ít nhƣng rất quan trọng đối với hƣơng vị chè. Đƣờng tác dụng với protein hoặc axit amin tạo nên các chất thơm. Diệp lục và các sắc tố khác gần nó: trong lá chè có chứa diệp lục tố, carotin và xantofin. Các sắc tố này biến động theo giống, theo mùa và các biện pháp kỹ thuật canh tác. Vitamin: các loại vitamin có trong chè rất nhiều. Chính vì vậy giá trị dƣợc liệu cũng nhƣ giá trị dinh dƣỡng của chè rất cao. Theo các tài liệu của Trung Quốc, hàm lƣợng một số vitamin trong chè tính theo mg/L gam chất khô nhƣ sau: vitamin A: 54,5; B1: 0,70; B2:12,2; PP: 47,0; C:27,0 v.v Men: trong búp chè non có hầu hết các loại men, nhƣng chủ yếu gồm hai nhóm chính: - Nhóm thủy phân: men amilase, glucosidase, proteasevà một số men khác. - Nhóm oxi hóa khử: peroxidase and polyphenoloxidase. Chất tro: hàm lƣợng tro trong chè tƣơi từ 4 – 5 % và trong chè khô từ 5 – 6%. Trong chè, tro chia thành hai nhóm: hòa tan trong nƣớc và không hòa tan trong nƣớc. Bã chè là vật liệu lignoxenylulose, có khả năng tách kim loại nặng hòa tan và màu trong nƣớc nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần cellulose. Các nhóm hydroxy trên cellulose đóng vai trò quan trọng trong khả năng trao đổi ion, nhóm hydroxy này có khả năng trao đổi yếu vì liên kết OH phân cực không mạnh [10]. Nhiều biện pháp biến tính đã đƣợc công bố nhƣ oxy hóa 5 các nhóm hydroxy thành các nhóm chức axit hoặc sulfon hóa bằng axit sunfuric. Vì vậy bã chè là một tiềm năng rất lớn để chúng ta có thể tận dụng, tái chế đem lại những lợi ích về kinh tế, xã hội và còn có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe con ngƣời, môi trƣờng. 1.2. Polianilin (PANi) PANi là một chuỗi dài gồm các phân tử anilin liên kết với nhau, tùy vào điều kiện tổng hợp mà PANi có cấu trúc và màu sắc thay đổi theo: Hình 1.1. Cấu trúc PANi [ 9] a, b = 0, 1, 2, 3,. - Với a = 0: Pernigranilin (màu xanh thẫm) - Với b = 0: Leucoemeraldin (màu vàng) - Với a = b = 1: Emeraldin (màu xanh) PANi có các tính chất sau: - Tính dẫn điện tốt đặc biệt khi nó tạo muối với các axit tạo thành dạng emeraldin. - Tính điện sắc [11]: màu của nó thay đổi do phản ứng oxi hóa khử của màng. - Khả năng tích trữ năng lƣợng cao [3,15]: sử dụng làm vật liệu chế tạo nguồn điện thứ cấp. - Khả năng bảo vệ và chống ăn mòn kim loại. PANi đƣợc tổng hợp theo hai phƣơng pháp là phƣơng pháp hóa học và phƣơng pháp điện hóa trong đó phƣơng pháp điện hóa có nhiều ƣu điểm hơn, tuy nhiên để sản xuất với mục đích chế tạo vật liệu dạng bột với lƣợng lớn thì 6 phƣơng pháp hóa học đƣợc sử dụng nhiều hơn [12]. 1.3. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng Ở Việt Nam, sau gần 20 năm mở cửa và đẩy mạnh kinh tế với hơn 64 khu chế xuất và khu công nghiệp cộng thêm hàng trăm cơ sở hóa chất và chế biến trên toàn quốc đã dẫn tới sự tăng nhanh hàm lƣợng kim loại nặng trong các nguồn thải, tập trung chủ yếu ở các khu công nghiệp và khu dân cƣ lớn nhƣ Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh,. Theo báo cáo môi trƣờng quốc gia năm 2011 có tới 90% số doanh nghiệp không đạt yêu cầu về tiêu chuẩn chất lƣợng dòng xả nƣớc thải xả ra môi trƣờng do công trình hay thiết bị xử lý nƣớc thải còn hạn chế đã và đang làm cho vấn đề ô nhiễm kim loại nặng càng trầm trọng. Trên thế giới tình hình ô nhiễm kim loại nặng không chỉ diễn ra ở các nƣớc phát triển mà cả ở những nƣớc đang phát triển và ngày càng diễn biến theo chiều hƣớng xấu. Các sự cố nhiễm độc kim loại nặng đã đƣợc ghi nhận ở nhiều nơi trên thế giới nhƣ: Trung Quốc (lƣợng Cr trong nƣớc uống tại Hồng Kông đã ở mức ung thƣ), Thái Lan (theo báo cáo của Viện Quốc tế quản lý nƣớc năm 2004 thì hầu hết các ruộng lúa tại tỉnh Tak đã bị nhiễm Cd cao gấp 94 lần tiêu chuẩn cho phép), khu vực Nam Mỹ (ô nhiễm Hg từ hoạt động khai thác vàng),. Ảnh hƣởng lâu dài không chỉ đến hệ sinh thái mà còn ảnh hƣởng đến cả sức khỏe con ngƣời.  Xử lý môi trƣờng bằng bã chè Trên thế giới đã nhiều công trình nghiên cứu về khả năng hấp phụ của bã chè và ứng dụng trong việc xử lý môi trƣờng nhƣ: công trình nghiên cứu của tác giả Xiaoping Yang [20] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ của bã chè biến tính bằng kiềm nhƣ một vật liệu hấp phụ mới để loại bỏ Pb2+ trong dung dịch nƣớc hay công trình của tác giả P. Panneerselvam [17] đã nghiên cứu loại bỏ ion Ni2+ trong dung dịch nƣớc bởi bã chè phủ oxit nano Fe3O4,. 7 Trong nƣớc 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 giả Đỗ Trà Hƣơng và Trần Thúy Nga (2014) [5] đã nghiên cứu hấp phụ màu xanh metylen bằng vật liệu bã trà cho kết quả khả quan. Nghiên cứu của Đỗ Trà Hƣơng và Dƣơng Thị Tú Anh (2014) [4] đã chế tạo thành công vật liệu hấp phụ bã chè, oxit nano Fe3O4, oxit từ tính nano Fe3O4 phân tán trên bã chè. 1.4. Hấp phụ 1.4.1. Khái niệm Theo tác giả Trần Văn Nhân: hấp phụ là sự tập tụ chất trên bề mặt phân chia 2 pha thể tích (khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng) [2, 3]. Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất hấp phụ có bề mặt riêng càng lớn thì khả năng hấp phụ càng mạnh. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Bề mặt riêng là diện tích bề mặt đơn phân tử tính đối với 1 g chất hấp phụ. Sự hấp phụ xảy ra do lực tƣơng tác giữa các phần tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Khả năng hấp phụ phụ thuộc vào độ xốp của chất hấp phụ. 1.4.2. Dung lượng hấp phụ Dung lƣợng hấp phụ (q) là lƣợng chất bị hấp phụ (độ hấp thu) bởi 1 gam chất hấp phụ rắn đƣợc tính theo công thức [12]: 0( ). C C V q m   (1.1) Trong đó: q: lƣợng chất bị hấp phụ (mg/g). C0, C: nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/L). V: thể tích dung dịch (L). m: khối lƣợng chất hấp phụ (g). 8 1.4.3. Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ (H) là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ (C) và nồng độ dung dịch ban đầu C0: 0 0 .100(%) C C H C   (1.2) 1.4.4. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt 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 [2,3]. Đối với chất hấp phụ là 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 Henry, Freundlich, Langmuir, Nghiên cứu này sẽ nghiên cứu cân bằng hấp phụ của vật liệu hấp phụ (VLHP) đối với ion kim loại Pb2+ trong môi trƣờng nƣớc theo mô hình đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.  Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [2,3] Những luận điểm đƣợc đƣa ra khi xây dựng thuyết:  Sự hấp phụ do lực hóa trị gây ra và xảy ra trên các hóa trị tự do của các nguyên tử hay phân tử bề mặt chất hấp phụ.  Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử.  Sự hấp phụ là thuận nghịch.  Tƣơng tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ với nhau có thể bị bỏ qua. Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng: 9 max . 1 . L L K C q q K C   (1.3) Trong đó: KL: hằng số (cân bằng) hấp thu Langmuir. q: dung lƣợng hấp phụ cân bằng (mg/g). qmax: dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g). C: nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L). Hình 1.2. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [1] Để tính các hằng số trong phƣơng trình Langmuir ta đƣa phƣơng trình (1.3) về dạng đƣờng thẳng: max max 1 1 .C .L C q K q q   (1.4) Hình 1.3. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C [1] q qmax 0 Ct C/q (g/L) α M 0 C (mg/L) 10 Từ các số liệu thực nghiệm, ta vẽ đƣợc đồ thị sự phụ thuộc của C/q theo C. Đƣờng biểu diễn có độ dốc là: max 1 tan q   (1.5) Từ đó xác định đƣợc qmax và KL: max 1 . LK C q C q   (1.6) Ta có thể xác định tham số cân bằng RL: 0 1 1 . L L R K C   (1.7) Trong đó: RL: tham số cân bằng. C0: nồng độ ban đầu (mg/L). KL: hằng số Langmuir (L/mg). 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. Vì thế đây là cơ sở để lựa chọn chất hấp phụ thích hợp cho hệ hấp phụ. 1.4.5. Động học hấp phụ Đối với hệ hấp phụ lỏng - rắn, động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai đoạn kế tiếp nhau [2]: - Chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ - giai đoạn khuếch tán trong dung dịch. - Phân tử chất bị hấp phụ chuyển đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ 11 chứa các hệ mao quản – giai đoạn khuếch tán màng. - Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên tronng hệ mao quản của chất hấp phụ - giai đoạn khuếch tán trong mao quản. - Các phân tử chất bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ - giai đoạn hấp phụ thực sự. Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình động học hấp phụ. Với hệ hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc, quá trình khuếch tán thƣờng chậm và đóng vai trò quyết định. Tốc độ của một quá trình hấp phụ đƣợc xác định bởi sự thay đổi hàm lƣợng của chất bị hấp phụ theo thời gian. Mô hình động học hấp phụ bậc 1 đã đƣợc đƣa ra để giải thích cơ chế hấp phụ. Theo mô hình này, tốc độ của quá trình hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào dung lƣợng chất hấp phụ: 1 ( ) t e t dq k q q dt   (1.8) Trong đó: qe, qt: là dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và tại thời điểm t (mg/g). k1: là hằng số tốc độ phản ứng theo mô hình động học bậc 1 (thời gian 1). Áp dụng điều kiện biên tại thời điểm t = 0, q0 = 0 và t = t, qt = qt, phƣơng trình (1.8) trở thành: 1lg( ) lg . / 2,303 e t eq q q k t   (1.9) Phƣơng trình (1.9) có dạng tuyến tính bậc nhất. Từ (1.9) ta xác định đƣợc qe và hằng số 1 1. / 2,303 k tg k   (1.10) lg eOM q (1.11) 12 Hình 1.4. Đồ thị sự phụ thuộc của lq (qe – qt) vào t lg(qe – qt) α t 0 M 13 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu  Vật liệu hấp phụ.  Ion kim loại nặng.  Khả năng xử lý kim loại nặng trong dung dịch bằng vật liệu hấp phụ. 2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị 2.2.1. Hóa chất  Anilin 99,99 %, d= 1,023 g/ml (Merk – Đức).  Amoni pesunfat (NH4)2S2O8 99% dạng tinh thể trắng (Merk – Đức).  Dung dịch HCl 37%, d=1,174 g/ml (Merk – Đức).  Pb(NO3)2 99% tinh thể trắng (Merk – Đức).  Etanol, metanol 95% (Trung Quốc).  NaOH 99% dạng tinh thể trắng (Trung Quốc). 2.2.2. Dụng cụ  Bình định mức 100 ml, 500 ml, 1000 ml (Đức)  Bình tam giác 250 ml.  Cốc thủy tinh 250 ml.  Pipet có vạch chia 5, 10, 20 ml (Đức).  Phễu thủy tinh, giấy lọc.  Rây 2.2.3. Thiết bị  Tủ sấy Shellab (Mỹ).  Cân phân tích PA214 (Mỹ).  Máy khuấy từ IKA (Đức).  Máy khuấy từ IKA (Đức).  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 đơi).  Thiết bị đo phổ hồng ngoại IR (Viện Kĩ thuật Nhiệt đới). 14 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu 2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) giúp quan sát chụp bề mặt các đối tƣợng cực nhỏ để đánh giá cấu trúc nhờ độ phóng đại đến hàng chục vạn lần. Cơ sở của phƣơng pháp: trong kính hiển vi điện tử mẫu bị bắn phá bởi chùm tia điện tử có độ hội tụ cao. Nếu mẫu đủ mỏng (< 200 nm) chùm tia sẽ xuyên qua mẫu, sự thay đổi của chùm tia khi qua mẫu sẽ cho những thông tin về các khuyết tật, thành phần pha của mẫu, đó là kỹ thuật hiển vi điện tử xuyên qua (TEM). Khi mẫu dày hơn thì sau khi tƣơng tác với bề mặt tia điện tử thứ cấp sẽ đi theo hƣớng khác. Các điện tử thứ cấp này sẽ đƣợc thu nhận và chuyển đổi thành hình ảnh (ảnh hiển vi điện tử quét SEM). SEM cho biết đƣợc chi tiết nano của mẫu nghiên cứu nhƣ hình dạng, kích thƣớc hạt, biên giới hạt. 2.3.2. Phương pháp phổ hồng ngoại IR Phân tích phổ hồng ngoại (IR) [13] ta xác định đƣợc vị trí của vân phổ và cƣờng độ, hình dạng của vân phổ. Phổ hồng ngoại thƣờng đƣợc ghi dƣới dạng đƣờng cong sự phụ thuộc của phần trăm truyền qua (100I0/I) vào số sóng ( 1  ). Phƣơng pháp phổ hồng ngoại đƣợc sử dụng trong nghiên cứu để xác định cấu trúc của vật liêu compozit đã tổng hợp. 2.3.3. Phương pháp hấp thụ nguyên tử AAS Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử [6] là phƣơng pháp dùng để xác định nồng độ của nguyên tố trong dung dịch dựa vào đinh luật Bughe – Lambe – Bia theo phƣơng trình: . . (2.1)A k C l  15 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. Dựa vào giá trị mật độ quang, ngƣời ta xác định nồng độ nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong thể tích mẫu. Mật độ quang của lớp hấp thụ tỉ lệ thuận với nồng độ của nguyên tử chứa trong đó tại bƣớc sóng hấp thu 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 thu. 2.4. Tổng hợp vật liệu 2.4.1. Xử lý bã chè trước tổng hợp Xử lý bã chè trƣớc khi tổng hợp đƣợc tiến hành qua các bƣớc sau: Bƣớc 1: Ngâm bã chè thu thập đƣợc trong nƣớc ở nhiệt độ ở 800C trong thời gian 30 phút. Lặp lại nhiều lần cho đến khi nƣớc ngâm không còn màu của bã chè lúc đầu, lọc bỏ nƣớc. Bƣớc 2: Bã chè sau khi ngâm, đem sấy ở 1000C trong thời gian 5 tiếng để loại bỏ hơi nƣớc. Bƣớc 3: Bã chè ở dạng thô đƣợc nghiền nhỏ. Bƣớc 4: Ngâm bã chè thu đƣợc với etanol trong khoảng thời gian 2 tiếng Bƣớc 5: Bã chè sau khi ngâm đƣợc hoạt hóa bằng axit HCl 0,05M. Bƣớc 6: Sấy bã chè thu đƣợc sau bƣớc 5 và sấy ở 800C trong 8 tiếng, ta thu đƣợc vật liệu biến tính 2.4.2. Tổng hợp vật liệu Vật liệu tổng hợp đƣợc tiến hành qua các bƣớc: 16 Bƣớc 1: Pha hóa chất:  Pha 1000 mL (NH4)S2O8 0,5 M: cân 114 gam (NH4)2S2O8 cho vào bình định mức chứa sẵn 1000 mL nƣớc cất thu đƣợc dung dịch (1).  Pha 100 mL HCl 0,1M: lấy 200 mL HCl 0,5 M cho vào cốc thủy tinh loại 1000 mL, định mức đến 500 mL.  Pha 100 mL dung dịch Anilin 0,25 M và HCl 0,1 M: thu đƣợc dung dịch (2). Bƣớc 2: Tổng hợp PANi: lấy 500 mL dung dịch (2) vào cốc 1000 mL, hệ đƣợc đặt trên máy khuấy từ để khuấy trộn. Nhỏ từ từ 200 mL dung dịch (1) vào cốc (2) dƣới điều kiện có khuấy trong khoảng 10 – 15 phút. Sau khoảng 20 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 8 giờ trên máy khuấy từ cho quá trình polime hóa xảy ra đƣợc hoàn toàn. Sản phẩm đƣợc lọc và rửa bằng dung dịch axeton: metanol tỉ lệ 1:1 để loại bỏi hết anilin dƣ. Sấy khô sản phẩm ở nhiệt độ 700C trong thời gian 5 giờ, sau đó đƣa vào lọ đựng và bảo quản trong bình hút ẩm. Bƣớc 3: Tổng hợp vật liệu từ bã chè: lấy 500 mL dung dịch (2) vào cốc 1000 mL, hệ đƣợc đặt trên máy khuấy từ để khuấy trộn. Cho thêm 50 gam bã chè đã qua xử lý vào cốc phản ứng và tiếp tục khuấy trong vòng 20 phút. Nhỏ từ từ 200 mL dung dịch amoni pesunfat vào cốc phản ứng dƣới điều kiện có khuấy trong vòng 10 -15 phút. Tiếp tục cho phản ứng tiến hành trong thời gian 8 giờ trên máy khuấy từ. Sản phẩm đƣợc lọc, rửa và sấy khô tƣơng tự nhƣ đối với PANi. Thu đƣợc vật liệu compozit PANi – BC. 2.4.3. Khảo sát khả năng hấp thu của các vật liệu đối với ion Pb2+ 2.3.3.1. Ảnh hưởng của thời gian 17 Cho vào cốc 100 mL khối lƣợng VLHP là m = 0,5 gam, tiếp theo cho vào mỗi cốc 10 mL dung dịch Pb2+ với nồng độ C0 = 20 mg/L. Sau đó dùng máy khuấy từ với tốc độ khuấy 100 vòng/phút, khuấy trong thời gian khác nhau t = 30, 60, 90, 150, 180, 300 (phút). Lọc dung dịch qua giấy lọc và đem đo phổ hấp phụ nguyên tử AAS. 2.4.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch ion Pb2+ Cho vào cốc 100 mL khối lƣợng VLHP là m = 0,5 gam, tiếp theo cho vào mỗi cốc 10 mL dung dịch Pb2+ với nồng độ khác nhau C0 = 10, 20, 30, 40, 50 mg/L tại pH = 7. Khuấy bằng máy khuấy từ trong thời gian t = 120 phút rồi lọc dung dịch và đem mẫu đo phổ hấp phụ AAS. 2.3.3.3. Ảnh hưởng của pH Cho vào cốc 100 mL khối lƣợng VLHP là m = 0,5 gam, tiếp theo cho vào mỗi cốc 10 mL dung dịch Pb2+ với nồng độ C0 = 20 mg/L, tại pH = 3, 7, 9. Khuấy bằng máy khuấy từ trong thời gian t = 120 phút rồi lọc dung dịch và đem đo phổ hấp phụ 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 phân tích IR của các mẫu bã chè (BC), polyanilin (PANi), Polyanilin – bã chè (PANi – BC) đƣợc giới thiệu trên hình 3.1 và bảng 3.1. 800 1600 2400 3200 4000 50 100 150 200 250 % T ra n sm lt ta n ce Wavenumbers (cm -1 ) PANi BC PANi - BC Hình 3.1. Phổ IR của các mẫu 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 867,1 1031,7 1182,2 1209,54 1374,1 2976,2 3483,3 BC 1059,9 1169,1 1264,11 1387,3 2907,5 3483,3 PANi 743,8 1127,7 1292,33 1332,7 2990,3 3469,1 19 Từ bảng 3.1 ta thấy xuất hiện các nhóm chức đặc trƣng: C-H, C-N vòng thơm, -N=quinoid=N-, C=C, C-H vòng thơm, N-H trong PANi là những nhóm chức đặc trƣng trong phân tử PANi. Kết quả này cho thấy sự hình thành PANi trong vật liệu đƣợc tổng hợp với bã chè. 3.1.2. Kết quả phân tích SEM Kết quả phân tích SEM của các mẫu bã chè (BC), polyanilin (PANi), Polyanilin – bã chè (PANi – BC) đƣợc giới thiệu trên hình 3.2. Hình 3.2. Ảnh SEM của các vật liệu BC, PANi, PANi – BC. Kết quả phân tích cho thấy các vật liệu gốc PANi/ chè đều có kích thƣớc nhỏ, cỡ µm, có cấu trúc dạng lớp. Qua hình 3.2 ta thấy vật liệu BC có cấu trúc lớp tƣơng đối sát với nhau. Vật liệu PANi có cấu trúc dạng xốp. Tuy nhiên, vật liệu PANi – BC có cấu trúc xốp hơn cả do sự có mặt của PANi. 3.2. Khả năng xử lý ion Pb2+ 3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian Sự phụ thuộc của nồng độ chất bị hấp phụ và hiệu suất của quá trình BC PANi PANi - BC 20 hấp phụ vào thời gian của các vật liệu: BC, PANi, PANi – BC đƣợc thể hiện trên hình 3.3. 50 100 150 200 250 300 4 8 12 16 20 C t (m g /L ) t (phút) BC PANi PANi - BC (a) 50 100 150 200 250 300 0 20 40 60 80 H ( % ) t (phút) BC PANi PANi - BC (b) Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ dung dịch(a) và hiệu suất của quá trình hấp phụ (b) ion Pb2+ đối với các vật liệu. Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L, pH = 7 Thông qua hình 3.3 ta thấy thời gian hấp phụ tăng lên thì hiệu suất của quá trình hấp phụ tăng và nồng độ chất bị hấp phụ giảm dần. Trong khoảng thời gian từ 0 → 120 phút Đối với BC: hiệu suất hấp phụ tăng từ 14,7 → 69,05%, nồng độ giảm từ 17,06 → 6,19 mg/L. Đối với PANi: hiệu suất hấp phụ tăng từ 7,2 → 57,25%, nồng độ giảm từ 18,56 → 8,55 mg/L. Đối với PANi – BC: hiệu suất hấp phụ tăng từ 18,8 → 70,7%, nồng độ giảm từ 16,24 → 5,86 mg/L. Trong khoảng thời gian từ 120 → 300 phút, hiệu suất hấp phụ tăng và nồng độ giảm nhƣng không đáng kể. Kết quả phân tích sự phụ thuộc của dung lƣợng hấp phụ q vào thời gian đƣợc giới thiệu trên hình 3.4. Qua hình 3.4 ta thấy khả năng hấp phụ tăng dần lên khi thời gian hấp phụ tăng lên tƣơng ứng và đƣợc thể hiện thông qua dung lƣợng hấp. Cụ thể, PANi có dung lƣợng hấp phụ là nhỏ nhất trong thời gian 21 hấ