Khóa luận Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni(II) của than cacbon hóa từ vỏ cà phê

ng cống rãnh. + Niken xâm nhập vào cơ thể con ngƣời chủ yếu qua đƣờng hô hấp, nó gây ra các triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đầu. Nếu tiếp xúc nhiều với Niken sẽ ảnh hƣởng đến phổi, hệ thần kinh trung ƣơng, gan, thận. Da tiếp xúc với Niken sẽ gây hiện tƣợng viêm da, xuất hiện dị ứng, ... 1.2. Giới thiệu về phƣơng pháp hấp phụ. 1.2.1. Các khái niệm.  Hấp phụ: Là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn - khí, rắn - lỏng, khí - lỏng, lỏng - lỏng). Trong đó: KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 5 + Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử nằm tiếp xúc với nó của pha khác. + Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. + Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ. Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt. Ngƣợc với sự hấp phụ là quá trình đi ra khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tƣơng tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ ngƣời ta phân biệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [3]. - Hấp phụ vật lý: + Định nghĩa: Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander Walls giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba loại lực: cảm ứng, định hƣớng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Vì vậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao. + Hấp phụ vật lý không có tính chọn lọc. Quá trình hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ. Nhiệt lƣợng tỏa ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2÷6 kcal/mol. Sự hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học của bề mặt, không có sự biến đổi cấu trúc của các phân tử chất hấp phụ và bị hấp phụ [3]. - Hấp phụ hóa học: + Định nghĩa: Hấp phụ hóa học là phƣơng pháp hấp phụ đƣợc gây ra bởi các liên kết hóa học (liên kết cộng hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí). Trong hấp phụ hóa học có sự trao đổi electron giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Cấu trúc electron phân tử các chất tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình thành liên kết hóa học. Nhiệt lƣợng tỏa ra khi hấp phụ hóa học thƣờng lớn hơn 22 kcal/mol. Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là tƣơng đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trƣờng hợp tồn tại cả quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 6 năng hấp phụ hóa học tăng lên [7].  Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tƣơng tác là: nƣớc - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của nƣớc nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nƣớc tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nƣớc - chất hấp phụ, cặp nào có tƣơng tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó. Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nƣớc, tính ƣa nƣớc hoặc kị nƣớc của chất hấp phụ, mức độ kị nƣớc của chất bị hấp phụ trong nƣớc. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trƣớc tiên phụ thuộc vào tính tƣơng đồng về độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực đƣợc hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực và ngƣợc lại. Đối với các chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion nhƣ SO4 2- , PO4 3- ,CrO4 2- thì quá trình hấp phụ xảy ra do tƣơng tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực cao trong nƣớc bị bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nƣớc, do đó bán kính (độ lớn) của các ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hƣởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do tƣơng tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn sẽ đƣợc hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hyđrat nhỏ hơn. Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc còn bị ảnh hƣởng nhiều bởi pH của dung dịch. Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ. Các chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu, bazơ yếu hoặc lƣỡng tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dƣơng hoặc trung hoà tùy thuộc giá trị pH. Tại giá trị pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng không, trên giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện âm và dƣới giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện dƣơng. Đối với các chất trao đổi ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm chức và các cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môi trƣờng, đồng thời trong hệ cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 7 Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thƣớc mao quảncũng ảnh hƣởng tới sự hấp phụ. Đối với các hợp chất hữu cơ, trong môi trƣờng nƣớc chúng có độ tan khác nhau do đó khả năng hấp phụ chúng trên VLHP là khác nhau. Phần lớn các chất hữu cơ tồn tại trong nƣớc dạng phân tử trung hòa, ít bị phân cực nên quá trình hấp phụ trên VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơ chế hấp phụ vật lý. Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụ thuộc vào: pH của môi trƣờng, lƣợng chất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ.  Đặc tính của ion kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc: Để tồn tại đƣợc ở trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trƣờng nƣớc bị hydrat hóa tạo ra lớp vỏ là các phân tử nƣớc, các phức chất hidroxo, các cặp ion hay phức chất khác. Tùy thuộc vào bản chất hóa học của các ion, pH của môi trƣờng, các thành phần khác cùng có mặt mà Hình thành các dạng tồn tại khác nhau  Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ. Quá trình hấp phụ về cơ bản ảnh hƣởng bởi các yếu tố sau : - Khối lƣợng phân tử ; - Cấu trúc phân tử ; - Loại và số lƣợng các nhóm chức ; - Hàm lƣợng tro và các hợp chất dễ bay hơi; - Diện tích bề mặt riêng ; - Số lƣợng vi lỗ có trong vật liệu ; - pH của môi trƣờng hấp phụ và pH của vật liệu; - Liều lƣợng vật liệu hấp phụ; - Thời gian hấp phụ; - Nồng độ chất hấp phụ. 1.2.2. Cân bằng hấp phụ. Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 8 phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngƣợc pha mang (hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ). Theo thời gian lƣợng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngƣợc trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ (quá trình thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng [7]. + Dung lƣợng hấp phụ cân bằng: Dung lƣợng hấp phụ cân bằng là khối lƣợng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lƣợng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ [7]. Dung lƣợng hấp phụ đƣợc tính theo công thức: q = ( ) (1.1) Trong đó: - q: dung lƣợng hấp phụ (mg/g) - V: thể tích dung dịch (l) - m: khối lƣợng chất hấp phụ (g ) - Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l) - Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l) Trong quá trình hấp phụ, các phần tử bị hấp phụ không bị hấp phụ đồng thời, bởi vì các phần tử chất bị hấp phụ phải khuếch tán từ dung dịch đến bề mặt ngoài chất hấp phụ và sau đó khuếch tán vào sâu bên trong hạt của chất hấp phụ [5]. + Dung lƣợng hấp phụ bão hòa: là dung lƣợng ở trạng thái cân bằng + Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 9 H = ( ) . 100% (1.2) Trong đó: H: Hiệu suất hấp phụ (%) Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l) Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l). 1.2.3. Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ. Một số đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt đƣợc nêu trong Bảng sau: Bảng 1.2: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ STT Tên đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Phƣơng trình Bản chất sự hấp phụ 1 Langmuir pK pK v v L L .1 . 0   Vật lý và Hóa học 2 Henry pkv . Vật lý và Hóa học 3 Freundlich )1(. /1  npkv n Vật lý và Hóa học 4 Shlygin-Frumkin- Temkin pC av v m .ln 1 0 Hóa học 5 Brunauer- Emmett-Teller (BET)   00 . 11 ).( p p Cv C Cvppv p mm    Vật lý, nhiều lớp Trong các phƣơng trình trên, v là thể tích chất bị hấp phụ, 0v là thể tích hấp phụ cực đại, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, p0 là áp suất hơi bão KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 10 hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết trong cùng nhiệt độ. Các ký hiệu KL, k,a, n là các hằng số. Trong đề tài này, em nghiên cứu cân bằng hấp phụ của các VLHP với ion kim loại nặng Ni2+ trong môi trƣờng nƣớc theo mô hình đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir. Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đƣợc xây dựng dựa trên các giả thuyết: - 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 lƣợng hấp phụ trên các tiểu phân là nhƣ nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh. Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir nêu ở Bảng 1.2 đƣợc xây dựng cho hệ hấp phụ rắn - khí. Tuy nhiên, phƣơng trình trên cũng có thể áp dụng cho hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc. Khi đó phƣơng trình Langmuir đƣợc biểu diễn nhƣ sau: = θ = (1.3) Trong đó: q, qm : dung lƣợng hấp phụ cân bằng, dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g) : độ che phủ b : hằng số Langmuir Ccb : nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng hấp phụ (mg/l) Phƣơng trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trƣng của hệ: - Trong vùng nồng độ nhỏ: b.Ccb << 1 thì q = . b. Ccb mô tả vùng hấp phụ tuyến tính. - Trong vùng nồng độ cao: b.Ccb >> 1 thì q = mô tả vùng hấp phụ bão hòa. Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đƣờng đẳng KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 11 nhiệt biểu diễn là một đoạn cong. Để xác định các hằng số trong phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, đƣa phƣơng trình (1.3) về dạng phƣơng trình đƣờng thẳng: (1.4) Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của vào Ccb sẽ xác định đƣợc các hằng số KL, qm trong phƣơng trình. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng nhƣ Hình 1.1 và Hình 1.2. Hình 1.1: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Hình1.2: Sự phụ thuộc của vào Ccb Lm Kq ON . 1  1.3. Một số hƣớng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP Ngày nay, trên Thế giới và Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu, nhiều đề tài khoa học nhằm tìm các giải pháp sử dụng vật liệu hấp phụ từ các phế phẩm nông nghiệp có nguồn gốc tự nhiên để loại bỏ kim loại nặng trong nƣớc thải công nghiệp. Nhiều công trình trong số đó đã đƣợc ứng dụng vào thực tiễn cuộc sống và cho hiệu quả tốt, mở ra một hƣớng đi mới cho công nghệ xử lý ô nhiễm môi trƣờng. Bã mía: đƣợc đánh giá nhƣ phƣơng tiện lọc chất bẩn từ dung dịch nƣớc cb mm cb C qqbq C . 1 . 1  q Ccb KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 12 và đƣợc ví nhƣ than hoạt tính trong việc loại bỏ các ion kim loại nặng nhƣ: Cr(III), Ni(II), Cu(II) Bên cạnh khả năng tách loại kim loại nặng, bã mía còn thể hiện khả năng hấp phụ tốt đối với dầu [18] Lõi ngô: một nhóm nghiên cứu ở trƣờng Đại học North Carolina, Hoa kỳ tiến hành nghiên cứu và đề xuất quy trình xử lý lõi ngô bằng dung dịch NaOH và H3PO4 để chế tạo VLHP kim loại nặng. Hiệu quả xử lý của VLHP tƣơng đối cao. Dung lƣợng hấp phụ cực đại của hai ion kim loại nặng Cu2+ và Cd2+ lần lƣợt là 0,39 mmol/g và 0,62 mmol/g [15] Vỏ đậu tương: Có khả năng hấp phụ tốt đối với nhiều ion kim loại nặng nhƣ Cd2+, Zn2+, ... và một số hợp chất hữu cơ, đặc biệt là ion Cu2+. Vỏ đậu tƣơng sau khi xử lý với NaOH và axit citric thì dung lƣợng hấp phụ cực đại lên tới 108mg/g [19]. 1.3.1. Giới thiệu về vỏ cà phê Cà phê là một trong những mặt hàng nông sản xuất khẩu chủ lực của Việt Nam đƣợc trồng chủ yếu ở các tỉnh Điện Biên, Sơn La, Quảng Trị, Bình Phƣớc, Đồng Nai, Bà Rịa Vũng Tàu và 5 tỉnh Tây nguyên. Tổng diện tích cà phê cả nƣớc là 614.545ha, trong đó Tây Nguyên chiếm tỷ lệ khoảng 92% (Cục Trồng trọt, 2012) [10]. Đắk Lắk là tỉnh có diện tích trồng cà phê lớn nhất cả nƣớc. Theo báo cáo của Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Đắk Lắk, sản lƣợng cà phê thành phẩm thu đƣợc hàng năm khoảng là 460.000 tấn, với tỷ lệ vỏ cà phê chiếm 40% thì hàng năm sẽ thải ra gần 200.000 tấn vỏ khô cà phê [1]. Những năm trƣớc đây, sau mỗi vụ thu hoạch, phơi khô, các nông hộ tập trung xay xát vất vỏ cà phê bừa bãi ra ven đƣờng, gò đồi, hoặc chất thành đống đốt gây ô nhiễm môi trƣờng. Một vài năm gần đây nông dân đã biết tận dụng vỏ trấu, vỏ cà phê để làm phân compost, tuy nhiên việc làm phân compost không phải là ứng dụng mang lại hiệu quả kinh tế cao cho ngƣời dân. Chính vì vậy việc tận dụng vỏ cà phê để chế tạo than hoạt tính là một hƣớng nghiên cứu mới có nhiều triển vọng về mặt kinh tế cũng nhƣ ứng dụng cải thiện môi trƣờng. Vỏ cà phê đƣợc nghiên cứu cho thấy có khả năng tách các kim loại nặng KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 13 trong nƣớc nhờ vào cấu trúc nhiều lỗ xốp và thành phần gồm các polymer nhƣ xenluloza, hemixenluloza, pectin, lignin và protein. Than hoạt tính chế tạo từ vỏ cà phê có cấu trúc dạng sợi, hệ mao quản có kích thƣớc nhỏ 0,4 đến 1,8nm. Có thể thấy vỏ cà phê rất thích hợp để làm vật liệu cacbon hóa, vừa tiết kiệm chi phí vật liệu, đồng thời tận dụng đƣợc lƣợng vỏ cà phê thải ra góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trƣờng. 1.3.2. Thành phần chính của vỏ cà phê [11] Bảng 1.3. Sự khác nhau về thành phần trong vỏ cà phê trồng tại tỉnh Đắk Lắk và tỉnh Điện Biên STT Thành phần vỏ cà phê Trồng tại Đắk Lắk Trồng tại Điện Biên 1 % hemicelluloses 9,187 13,06 2 % lignin 19,58 19,182 3 % celluloses 61,473 67,758 Thành phần chính của vỏ cà phê là Gluxit gồm xenlulozo, hemixenlulozo, lignin và một số hợp chất khác. Sự kết hợp giữa xenlulozo và hemixenlulozo có chứa nhiều nhóm –OH, thuận lợi cho khả năng hấp phụ thông qua liên kết hidro. Xenlulozo là polisaccarit cao phân tử do các mắt xích -glucoza [C6H7O2(OH)3]n nối với nhau bằng liên kết -1,4-glucozit. Phân tử khối của xenlulozo rất lớn khoảng từ 100000-250000 đ.v.c. Trong mỗi phân tử xenlulozo có khoảng 1000-15000 mắt xích glucozo. Hemixenlulozo là polisaccarat giống nhƣ xenlulozo nhƣng có số mắt xích nhỏ hơn và thƣờng bao gồm nhiều loại mắt xích có chứa nhóm axetyl và metyl. Lignin là loại polime đƣợc tạo bởi các mắt xích phenylpropan. Lignin giữ vai trò kết nối giữa xenlulozo và hemixenlulozo. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 14 1.4. Giới thiệu về công nghệ cacbon hóa, than cacbon hóa. 1.4.1. Công nghệ cacbon hóa. Cacbon hóa là quá trình loại bỏ các hợp chất hữu cơ nhẹ có thể bay hơi có mặt trong nhiên liệu nhằm mục đích thu nhận cacbon. Đây là quá trình đốt cháy không hoàn toàn nguyên liệu. Các hợp chất hữu cơ phân hủy dƣới tác dụng của nhiệt và tạo thành cacbon. Quá trình cacbon hóa có thể chia thành 2 giai đoạn: sấy khô và đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu. Có một số sự khác biệt giữa phƣơng pháp thiêu đốt truyền thống và công nghệ cacbon hóa. Phƣơng pháp thiêu đốt truyền thống biến toàn bộ chất thải đầu vào thành khí thải và tro, sinh ra nhiều khí thải độc hại. Ngƣợc lại phƣơng pháp nhiệt phân biến chất thải thành các loại nhiên liệu giàu năng lƣợng bằng việc đốt các chất thải ở trạng thái kiểm soát, quy trình xử lý nhiệt lại hạn chế sự biến đổi để quá trình đốt cháy không xảy ra trực tiếp, chất thải đƣợc biến thành các chất trung gian, có thể xử lý thành các vật liệu tái chế hoặc thu hồi năng lƣợng. Dƣới tác dụng của nhiệt, các loại rác thải chuyển hóa kèm theo quá trình phân hủy tạo thành nƣớc, khí và than tổng hợp. Nhiệt phân trong công nghệ cacbon hóa là quá trình làm suy giảm nhiệt của các vật liệu cacbon ở nhiệt độ từ 300-800°C và trong môi trƣờng chứa khí Argon. Quá trình này làm bay hơi và phân hủy các vật liệu rác hữu cơ bằng nhiệt, không bằng đốt lửa trực tiếp. Khi chất thải bị nhiệt phân (ngƣợc quá trình đốt trong lò thiêu đốt), khí và than rắn đƣợc sinh ra. Than ở dạng rắn là hợp chất của các nguyên liệu khó cháy với cacbon. Khí tổng hợp đƣợc sinh ra là hỗn hợp của các khí gồm cacbon monoxit, hydro, metan và 1 số loại hợp chất hữu cơ khác dễ bay hơi [12]. 1.4.2. Than cacbon hóa. Qua các nghiên cứu của Viện Công nghệ Môi trƣờng - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam từ năm 2006 đến nay cho thấy lƣợng chất thải rắn phát sinh hằng năm khoảng 15 triệu tấn(hơn 40 nghìn tấn/ngày), trong đó khoảng 80% là rác sinh hoạt. Tiếp đó là chất thải phát sinh từ các khu công nghiệp 2,6 triệu tấn chiếm khoảng 17%, thêm vào đó là gần 1500 làng nghề (tập trung chủ yếu ở KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 15 vùng nông thôn miền Bắc) thải ra 774.000 tấn chất thải công nghiệp mỗi năm. Chất thải chủ yếu tập trung ở các vùng đô thị. Ở đô thị, tuy dân số chỉ chiếm 24% dân số cả nƣớc nhƣng lƣợng rác thải chiếm tới 50% tổng lƣợng chất thải của cả nƣớc với 6 triệu tấn/năm [12] Trong thời gian qua do nhiều lý do, ngƣời ta chọn phƣơng pháp đơn giản nhất là chôn lấp, thế nhƣng với lƣợng rác càng ngày càng tăng [tính đến năm 2012 thì lƣợng rác đƣợc thu gom để chôn lấp hằng ngày tại thủ đô Hà Nội và các quận ngoại thành đã lên đến 4200 tấn/ ngày. Theo tính toán của bãi chôn lấp Nam Sơn- Sóc Sơn - Hà Nội thì chỉ hết năm 2013 bãi rác sẽ hết chỗ chôn lấp, không thể dễ gì tìm đƣợc diện tích đất đủ rộng để làm bãi chôn lấp. Một công nghệ mới đƣợc ra đời dựa trên nguyên lý sự đốt cháy, nhƣng trong môi trƣờng thiếu oxi đó là công nghệ xử lý chất thải rắn bằng phƣơng pháp cacbon hóa, công nghệ này cho phép thu hồi năng lƣợng nhƣ: nhiệt năng hoặc làm nguyên, nhiên liệu sạch (than sạch, than hoạt tính). Phƣơng pháp này giúp xử lý ô nhiễm môi trƣờng và giảm lƣợng rác thải cho bãi chôn, đây là yếu tố quan trọng chính của quá trình xử lý chất thải. Sau khi tiến hành phân tích chất lƣợng sản phẩm thông qua các chỉ tiêu đánh giá nhiệt năng nhƣ TOC và nhiệt trị; chỉ tiêu đánh giá vật liệu lọc nhƣ kích thƣớc mao quản và diện tích bề mặt riêng. Bảng 1.4: Kích thước và diện tích bề mặt riêng của than cacbon hóa trên các vật liệu khác nhau [11],[16] Vật liệu cacbon hóa Kích thƣớc mao quản Diện tích bề mặt (mg/g) Vải Kích thƣớc Rất nhỏ, 1-2 nm 60-70 Giấy Kích thƣớc Rất nhỏ, l-2nm 50-70 Tre Kích thƣớc nhỏ, 10-20 μm 300-400 Gỗ Kích thƣớc nhỏ, 50-150 μm 100 - 300 Vỏ cà phê Kích thƣớc Rất nhỏ, 0,4-1,8nm KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 16 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu + Vật liệu: Vỏ cà phê. + Dung dịch Ni(II) có nồng độ xác định. 2.2. Hóa chất và dụng cụ. 2.2.1. Hóa chất - Nƣớc cất 2 lần. - Dung dịch nƣớc brom bão hòa. - Dung dịch amoniac đặc. - Thuốc thử đimetyl glyoxim 1,2%: Hòa tan 1,2g Đimetyl glyoxim trong 125ml rƣợu etylic, dùng đũa khuấy đều. - Dung dịch chuẩn Ni(II) 1000mg/l: Hòa tan 4,477g muối NiSO4.6H2O trong nƣớc cất 2 lần rồi định mức đến 1000ml, ta đƣợc dung dịch Ni(II) 1000mg/l. Sau đó pha loãng thành dung dịch làm việc có nồng độ xác định. 2.2.2. Thiết bị - Máy nghiền 3A4KW, - Cân phân tích OHAUS-Mỹ, - Tủ sấy Trung Quốc, - Máy khuấy từ gia nhiệt IKA 4 vị trí hoạt động cùng chế độ, - Máy so màu ShimaDzu UV-Vis1800, - Máy đo pH cầm tay, - Lò nung dạng ống CARBOLITE. - Ngoài ra còn có các dụng cụ phân tích khác nhƣ: Bình tam giác, bình định mức, pipet, đũa thủy tinh, bát sứ, giấy lọc, KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 17 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu. 2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu. Phƣơng pháp tổng hợp, phân tích các tài liệu, công trình nghiên cứu có liên quan đến lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trƣờng. 2.3.2. Phương pháp phân tích. + Phương pháp phổ hồng ngoại (IR): xác định sự có mặt một số nhóm chức đặc trƣng của bio-adsorbent. + Phương pháp SEM: xác định cấu trúc của bio-adsorbent. + Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử UV-VIS: Xác định hàm lƣợng ion kim loại nặng trong mẫu nƣớc nghiên cứu trƣớc và sau khi hấp phụ. 2.3.3. Phương pháp thực nghiệm. 2.3.3.1. Xây dựng đường chuẩn Ni(II). Trong môi trƣờng amoniac yếu có mặt chất oxy hóa mạnh, ion Ni2+ sẽ tạo với thuốc thử đimetyl glyoxim một phức màu đỏ thuận lợi cho việc định lƣợng Ni(II) theo phƣơng pháp trắc quang. Hàm lƣợng Ni(II) đƣợc xác định theo cƣờng độ hấp thụ màu của phức chất ở bƣớc sóng λ = 550nm.  Cách tiến hành. - Chuẩn bị 7 bình định mức có dung tích 50ml rồi cho lần lƣợt: 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12ml dung dịch Ni(II) nồng độ 5mg/l. - Tiến hành lần lƣợt cho vào từng bình: + 10ml dung dịch nƣớc brom bão hòa. + 12ml dung dịch ammoniac đặc. + 4ml dung dịch thuốc thử đimetyl glyoxim. + Thêm nƣớc cất tới vạch định mức. Sau 5-10 phút thì đem đo phổ tại bƣớc sóng 𝜆= 550nm bằng máy đo UV- VIS. 2.3.3.2. Thực nghiệm chế tạo than cacbon hóa từ vỏ cà phê. Vỏ cà phê đƣợc lấy ở Đắk Lắk trong cùng một thời điểm lấy mẫu để đảm bảo các thí nghiệm có tính đồng nhất. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 18  Tiền xử lý vỏ cà phê : Vỏ cà phê đƣợc rửa sạch để loại bỏ bụi và đất, sau đó đem sấy khô ở 105 oC trong 3 giờ, rồi đƣợc nghiền nhỏ sao cho các hạt có kích thƣớc đồng đều từ 1.5 – 2.0mm.  Thực nghiệm chế tạo than cacbon hóa: Tiến hành nung 10g vỏ cà phê đã xay nhỏ trong lò nung chứa khí argon ở các nhiệt độ 300oC, 400oC, 500oC, 600oC trong khoảng thời gian 60 phút. + Sau đó chọn ra mẫu than có khả năng hấp phụ Ni(II) cao nhất để khảo sát thời gian nung vật liệu (30p, 60p, 90p).Sau đó chọn mẫu tốt nhất để làm VLHP cho các thí nghiệm khảo sát tiếp theo.  Tính toán hiệu suất tạo than từ vỏ cà phê trong lò nung chứa khí Argon. Tiến hành nung 10g vỏ cà phê đã xay nhỏ trong lò nung chứa khí argon ở các nhiệt độ 300oC, 400oC, 500oC, 600oC trong khoảng thời gian 30 phút. Sau khi nung, cân lại khối lƣợng than thu đƣợc rồi tính toán hiệu suất tạo than trong các khoảng nhiệt độ khác nhau. 2.3.3.3. Quy trình thực nghiệm. Đánh giá khả năng hấp phụ Ni(II) của các VLHP chế tạo đƣợc với các điều kiện sau: + Khối lƣợng VLHP: 0.5g + Thể tích dung dịch Ni(II) có nồng độ xác định: 50ml. + Thời gian khuấy: 90phút, tốc độ khuấy: 120 vòng/phút, ở nhiệt độ phòng. + Sau đó lọc bỏ bã rắn trong dung dịch, tiến hành xác định hàm lƣợng Ni(II) còn lại trong các mẫu ở bƣớc sóng 550nm. Lựa chọn mẫu tốt nhất làm VLHP cho các thí nghiệm khảo sát tiếp theo. 2.3.3.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Ni(II) của VLHP. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG LỚP: K40B-SP HÓA 19 TN1: Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni(II) của VLHP. + Cân 0,5 gam VLHP vào bình nón cỡ 100ml đánh số thứ tự (6 bình). + Thêm vào mỗi bình 50ml dung dịch chứa Ni(II) nồng độ xác định ở pH lần lƣợt là: 2, 3, 4, 5, 6, 7. + Đem khuấy từ trong 90 phút với tốc độ khuấy là 120v/phút, ở nhiệt độ phòng. + Lọc bỏ bã rắn trong dung dịch, sau đó đem đi đo độ hấp thụ quang ở bƣớc sóng 550nm để xác định hàm lƣợng Ni(II) còn lại. Xác định pH tối ƣu để thực hiện các thí nghiệm khảo sát tiếp theo. TN2: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Ni(II) của VLHP. + Cân 0.5 gam VLHP cho vào các bình nón cỡ 100ml (7 bình). + Thêm 50ml dung dịch chứa Ni(II) nồng độ xác định đƣợc ổn định ở pH tối ƣu (tìm đƣợc ở TN1). + Đem khuấy từ trong các khoảng thời gian khác nhau (20, 40, 60, 80, 90, 100, 120 phút) với tốc độ khuấy 120v/p ở nhiệt độ phòng. + Lọc bỏ bã rắn trong dung dịch, sau đó đem đi đo độ hấp thụ quang ở bƣớc sóng 550nm để xác định hàm lƣợng Ni(II) còn lại. Xác định thời gian tối ƣu để thực hiện các thí nghiệm khảo sát tiếp theo. TN3: Khảo sát ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến khả năng hấp phụ Ni(II).