Khóa luận Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni(II) của than hoạt tính biến tính từ vỏ cà phê

MỞ ĐẦU . 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN . 3

1.1. Giới thiệu về nguyên tố niken. 3

1.1.1. Tính chất vật lý, hóa học của niken. 3

1.1.2. Công dụng của niken . 4

1.1.3. Ảnh hưởng của niken . 4

1.1.4. Các phương pháp xử lí kim loại nặng trong nước. 5

1.2. Phương pháp hấp phụ . 6

1.2.1. Các khái niệm. 6

1.2.2. Cân bằng hấp phụ - các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ . 8

1.3. Giới thiệu vỏ cà phê. 11

1.4. Than hoạt tính (AC) và cấu trúc bề mặt của AC . 13

1.4.1. Giới thiệu về than hoạt tính . 13

1.4.2. Các phương pháp sản xuất than hoạt tính. 13

1.4.3. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính . 15

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM. 17

2.1. Đối tượng nghiên cứu. 17

2.2. Hóa chất và dụng cụ . 17

2.2.1. Hóa chất. 17

2.2.2. Thiết bị nghiên cứu và dụng cụ. 17

2.3. Phương pháp nghiên cứu . 18

2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu. 18

2.3.2. Phương pháp phân tích. 18

2.3.3. Phương pháp thực nghiệm. 18

2.3.3.1. Xây dựng đường chuẩn Ni (II) . 18

pdf47 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 14/02/2022 | Lượt xem: 322 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Khóa luận Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni(II) của than hoạt tính biến tính từ vỏ cà phê, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
t lực tương tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta phân biệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [2]. Hấp phụ vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 7 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 hướng, khuếch tán) liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Hấp phụ hóa học Hấp phụ hóa học được gây ra bởi lực liên kết hóa học ( liên kết cộng hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí) giữa bề mặt chất hấp phụ và phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này bền, khó bị phá vỡ. Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol. Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trường 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 năng hấp phụ hóa học tăng lên [9], [11].  Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước [2] Hấp phụ trong môi trường nước là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương 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 nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực và ngược lại. Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung dịch, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ. Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 8  Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Quá trình hấp phụ về cơ bản ảnh hưởng bởi các yếu tố sau: Khối lượng phân tử, cấu trúc phân tử, loại và số lượng các nhóm chức, hàm lượng tro và các hợp chất dễ bay hơi, diện tích bề mặt riêng, số lượng vi lỗ có trong vật liệu, pH của môi trường hấp phụ và pH của vật liệu, liều lượng vật liệu hấp phụ,thời gian hấp phụ, nồng độ chất hấp phụ. 1.2.2. Cân bằng hấp phụ - các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ  Cân bằng hấp phụ Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược pha mang (hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ). Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược 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 [9], [11]. - Dung lượng hấp phụ cân bằng: biểu thị 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 [11]. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức: q = (Co−Ccb )V m (1.1) Trong đó: q: dung lượng hấp phụ (mg/g) V: thể tích dung dịch (l) m: khối lượng 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) Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 9 - Dung lượng hấp phụ bão hòa: là dung lượng 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. H = (Co−Ccb ) Co × 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).  Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Bảng 1.4. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ STT Tên đường đẳng nhiệt hấp phụ Phương 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 phương 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 ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 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 VLHP với ion kim loại nặng Ni2+ trong môi trường nước theo mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được 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 lượng hấp phụ trên các tiểu phân 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 đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir nêu ở Bảng 1.4 được xây dựng cho hệ hấp phụ rắn - khí. Tuy nhiên, phương trình trên cũng có thể áp dụng cho hấp phụ trong môi trường nước. Khi đó phương trình Langmuir được biểu diễn như sau: q qm = θ = b.Ccb 1+b.Ccb (1.3) Trong đó: q, qm : dung lượng hấp phụ cân bằng, dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) θ : độ che phủ b : hằng số Langmuir Ccb : nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng hấp phụ (mg/l) Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ: - Trong vùng nồng độ nhỏ: b.Ccb << 1 thì q = 𝑞𝑚. b. Ccb mô tả vùng hấp phụ tuyến tính. Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 11 - Trong vùng nồng độ cao: b.Ccb >> 1 thì q = 𝑞𝑚 mô tả vùng hấp phụ bão hòa. Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳng nhiệt biểu diễn là một đoạn cong. Để xác định các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, đưa phương trình (1.3) về dạng phương trình đường thẳng: 1 1 . . cb cb m m C C q b q q   (1.4) Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của vào Ccb sẽ xác định được các hằng số KL, qm trong phương trình. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng như Hình 1.1 và Hình 1.2. Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir   tg q q tg m m 11  Hình 1.2. Sự phụ thuộc của 𝑪𝒄𝒃 𝒒 vào Ccb Lm Kq ON . 1  1.3. Giới thiệu vỏ cà phê Hiện nay, cà phê đang là mặt hàng nông sản đạt giá trị xuất khẩu lớn nhất của nước ta. Nó đã được trồng rộng rãi ở các tỉnh Điện Biên, Sơn La, Quảng Trị, Bình Phước, Đồng Nai, Bà Rịa Vũng Tàu và 5 tỉnh Tây nguyên. q Ccb Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 12 Tổng diện tích cà phê cả nước là 614,545 ha, trong đó Tây Nguyên chiếm tỷ lệ khoảng 92% (Cục Trồng trọt, 2012). Đắk Lắk là tỉnh có diện tích trồng cà phê lớn nhất cả nước. Theo báo cáo của Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Đắk Lắk, sản lượng cà phê thành phẩm thu được 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 [14]. Sau mỗi vụ thu hoạch, phơi khô, các nông hộ tập trung xay xát vất vỏ cà phê bừa bãi ra ven đường, gò đồi, hoặc chất thành đống đốt gây ô nhiễm môi trường xung quanh. Chính vì vậy việc tận dụng vỏ cà phê để chế tạo AC là một hướng nghiên cứu mới có nhiều triển vọng về mặt kinh tế cũng như ứng dụng cải thiện môi trường. 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 𝛽-glucozơ [C6H7O2(OH)3]n liên kết với nhau bằng liên kết 𝛽-1,4-glucozit. Phân tử khối của xenlulozo rất lớn khoảng từ 100000-250000 đ.v.c. Hemixenlulozo là polisaccarat giống như xenlulozo nhưng có số mắt xích nhỏ hơn và thường bao gồm nhiều loại mắt xích có chứa nhóm axetyl và metyl. Lignin là hợp chất cao phân tử, là loại polime được tạo bởi các mắt xích phenylpropan. Lignin giữ vai trò kết nối giữa xenlulozo và hemixenlulozo, làm tăng độ bền cơ học của tế bào, tăng khả năng chống thấm nước, ngăn độc tố và các vi sinh vật bên ngoài. Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 13 Bảng 1.5. Sự khác nhau về thành phần trong vỏ cà phê trồng tại tỉnh Đắk Lắk và tỉnh Điện Biên [10] STT Thành phần vỏ cà phê Trồng tại Đắk Lắk Trồng tại Điện Biên 1 % hemixenlulozo 13,06 9,187 2 % lignin 19,182 19,58 3 % xenlulozo 67,758 61,473 1.4. Than hoạt tính (AC) và cấu trúc bề mặt của AC 1.4.1. Giới thiệu về than hoạt tính AC là một dạng của cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc rất xốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn. Cacbon là thành phần chủ yếu của AC với hàm lượng khoảng 85-95%. Bên cạnh đó AC còn chứa các nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh và oxi. Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trình khác. Thành phần các nguyên tố trong AC thường là 88% C, 0,5% H, 6-7% O, 0,5% N, 1% S. Tuy nhiên hàm lượng oxy trong AC có thể thay đổi từ 1-20% phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế. AC thường có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến 1500m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0,2- 0,6cm3/g [19]. Diện tích bề mặt AC chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2nm. 1.4.2. Các phương pháp sản xuất than hoạt tính AC chủ yếu được điều chế bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô chứa cacbon ở nhiệt độ nhỏ hơn 10000C. Điều chế than hoạt tính gồm 2 quá trình: than hóa và hoạt hóa. Than hóa là giai đoạn chuyển hóa nguyên liệu về dạng than, làm tăng hàm lượng cacbon và tạo bề mặt xốp ban đầu. Hoạt hóa (vật lý, hóa học) với mục đích phát triển lỗ xốp, tăng diện tích bề mặt của than. Hoạt hóa là giai đoạn khó thực hiện hơn và là giai đoạn quyết định chất lượng sản phẩm. Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 14  Quá trình than hóa Quá trình than hóa là dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu, đưa nó về dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp ban đầu cho than, chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình hoạt hóa than. Quá trình than hóa có thể xảy ra trong pha rắn, lỏng và khí [25].  Quá trình hoạt hóa Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon dưới tác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa, tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt [28]. Mục đích của giai đoạn hoạt hóa là phát triển mạnh bề mặt riêng của than thu được sau giai đoạn than hóa. Quá trình hoạt hóa được chia làm hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học. Hoạt hóa vật lý: sử dụng tác nhân nhiệt độ để thay đổi cấu trúc bề mặt của than (có thể sử dụng hơi nước hoặc khí CO2 làm tác nhân hoạt hóa). Hoạt hóa hóa học : dựa vào phản ứng hóa học của chất hoạt hóa với bề mặt than để thay đổi cấu trúc bề mặt than. Dưới sự có mặt của các chất hoạt hóa xảy ra phản ứng ăn mòn bề mặt than, kết quả làm tăng cấu trúc xốp của bề mặt than. Phương pháp này thường dùng các hợp chất dễ phân hủy như: HNO3, H3PO4, KOH, NaOH, tẩm hoặc trộn với than và gia nhiệt đến nhiệt độ phân hủy. Axit nitric làm cho gỗ nở ra và mở cấu trúc xenlulozo của gỗ. Kết quả là than xốp hơn và chứa đầy axit nitric. Tất cả các nguyên liệu chứa cacbon đều có thể chuyển thành than hoạt tính, tất nhiên sản phẩm thu được sẽ có sự khác nhau phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu được sử dụng, bản chất của tác nhân hoạt hóa và điều kiện hoạt hóa. Trong quá trình hoạt hóa hầu hết các nguyên tố khác trong nguyên liệu tạo thành sản phẩm khí và bay hơi bởi nhiệt phân hủy nguyên liệu ban đầu. Các nguyên tử cacbon sẽ nhóm lại với nhau thành các lớp thơm liên kết Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 15 với nhau một cách ngẫu nhiên. Sự sắp xếp của các lớp thơm này không tuân theo qui luật do đó để lại các chỗ trống giữa các lớp. Các chỗ trống này tăng lên thành lỗ xốp làm than hoạt tính thành chất hấp phụ tuyệt vời. 1.4.3. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính [19] AC với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết ngang bền giữa chúng, làm cho AC có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển. Quá trình hoạt hóa làm tăng thể tích và làm rộng đường kính lỗ. Cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu trúc lỗ của chúng được quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu ban đầu và phương pháp than hóa. Sự hoạt hóa cũng loại bỏ cacbon không phải trong cấu trúc, làm lộ ra các tinh thể dưới sự hoạt động của các tác nhân hoạt hóa và cho phép phát triển cấu trúc vi lỗ xốp. Trong pha sau cùng của phản ứng, sự mở rộng của các lỗ tồn tại và sự tạo thành các lỗ lớn bằng sự đốt cháy các vách ngăn giữa các lỗ cạnh nhau được diễn ra. Điều này làm cho các lỗ trống có chức năng vận chuyển và các lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thể tích vi lỗ. Theo Dubinin và Zaveria, AC vi lỗ xốp được tạo ra khi mức độ đốt cháy (burn-off) nhỏ hơn 50% và AC lỗ macro khi mức độ đốt cháy là lớn hơn 75%. Khi mức độ đốt cháy trong khoảng 50-75% sản phẩm có hỗn hợp cấu trúc lỗ xốp chứa tất cả các loại lỗ. AC có lỗ xốp từ 1 nm đến vài nghìn nm. Dubinin đề xuất một cách phân loại lỗ xốp đã được IUPAC chấp nhận. Sự phân loại này dựa trên chiều rộng của chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnh hoặc bán kính của lỗ dạng ống. Các lỗ được chia thành 3 nhóm: lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn. - Lỗ nhỏ (Micropores): có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 2nm. Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích lỗ, và không xảy ra sự ngưng tụ mao quản. Năng lượng hấp phụ trong các lỗ Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 16 này lớn hơn rất nhiều so với lỗ trung hay bề mặt không xốp vì sự nhân đôi của lực hấp phụ từ các vách đối diện nhau của vi lỗ. Nói chung chúng có thể tích lỗ từ 0,15-0,7cm3/g. Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của than hoạt tính. - Lỗ trung (Mesopore) hay còn gọi là lỗ vận chuyển có bán kính hiệu dụng từ 2-50nm, thể tích của chúng thường từ 0,1-0,2cm3/g. Diện tích bề mặt của lỗ này chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than. Các lỗ này đặc trưng bằng sự ngưng tụ mao quản của chất hấp phụ với sự tạo thành mặt khum của chất lỏng bị hấp phụ. - Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ của than hoạt tính bởi vì chúng có diện tích bề mặt rất nhỏ và không vượt quá 0,5m 2 /g, với thể tích lỗ từ 0,2-0,4cm3/g. Chúng hoạt động như một kênh cho chất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung. Các lỗ lớn không được lấp đầy bằng sự ngưng tụ mao quản. Do đó, cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính có ba loại bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn. Mỗi nhóm này thể hiện một vai trò nhất định trong quá trình hấp phụ. Lỗ nhỏ chiếm diện tích bề mặt và thể tích lớn do đó đóng góp lớn vào khả năng hấp phụ của than hoạt tính, miễn là kích thước phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn để đi vào lỗ nhỏ. Lỗ nhỏ được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối thấp trước khi bắt đầu ngưng tụ mao quản. Mặt khác, lỗ trung được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối cao với sự xảy ra ngưng tụ mao quản. Lỗ lớn có thể cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyển nhanh tới lỗ nhỏ hơn. Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 17 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Đối tượng nghiên cứu + Vật liệu: Vỏ cà phê. + Ion kim loại nặng Ni2+ trong môi trường nước nhân tạo. 2.2. Hóa chất và dụng cụ 2.2.1. Hóa chất - Nước cất 2 lần - NiSO4.6H2O - Dung dịch nước brom bão hòa - Amoniac (NH3 ) đặc - Thuốc thử đimetyl glyoxim 1,2% - Axit nitric (HNO3) đặc 65% - Natri hiđroxit (NaOH), axit clohiđric (HCl) - Dung dịch đimetyl glyoxim 1,2%: hòa tan 1,2g muối đimetyl glyoxim trong axeton rồi định mức thành 100ml. - Dung dịch gốc Ni(II) có nồng độ 1000mg/l: hòa tan 4,477g (NiSO4.6H2O) trong nước cất 2 lần rồi định mức thành 1000ml, ta được dung dịch Ni2+ 1000mg/l. Sau đó pha loãng thành dung dịch làm việc có nồng độ xác định. Tất cả các hóa chất đều có độ tinh khiết PA và chuẩn bị các dung dịch có nồng độ xác định. 2.2.2. Thiết bị nghiên cứu và dụng cụ - Lò nung dạng ống, tủ sấy của Trung Quốc - Máy đo pH cầm tay - Cân phân tích của Ohaus - USA - Máy khuấy từ gia nhiệt IKA 4 vị trí hoạt động cùng chế độ Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 18 - Máy so màu ShimaDzu UV-Vis1800 - Ngoài ra, còn các dụng cụ phân tích khác như: bình tam giác, bình định mức, pipet, đũa thủy tinh, giấy lọc 2.3. Phương pháp nghiên cứu 2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu Phân tích các tài liệu, tổng hợp công trình nghiên cứu có liên quan. Trên cơ sở đó rút ra một số vấn đề có tính lý luận và thực tiễn liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài. 2.3.2. Phương pháp phân tích + Phương pháp quang phổ UV-VIS: Xác định hàm lượng kim loại nặng trong mẫu nước nghiên cứu trước và sau khi hấp phụ. + Phương pháp phổ hồng ngoại (IR): xác định sự có mặt một số nhóm chức trên bề mặt vật liệu hấp phụ. + Phương pháp SEM: xác định cấu trúc bề mặt vật liệu hấp phụ. 2.3.3. Phương pháp thực nghiệm 2.3.3.1. Xây dựng đường chuẩn Ni (II) Ion Ni 2+ trong môi trường amoniac yếu có mặt chất oxy hóa mạnh sẽ tạo thành với đimetyl glyoxim một phức màu đỏ thuận lợi cho việc định lượng Ni 2+ theo phương pháp trắc quang. Hàm lượng Ni2+ được xác định theo cường độ hấp thụ màu của phức chất ở bước sóng λ = 550nm.  Cách tiến hành - Chuẩn bị 7 bình định mức có dung tích 50ml rồi cho lần lượt: 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12ml dung dịch Ni2+ nồng độ 5mg/l. - Tiến hành lần lượt cho vào từng bình: + 10ml dung dịch nước brom bão hòa. + 12ml dung dịch ammoniac đặc. Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 19 + 4ml dung dịch thuốc thử đimetyl glyoxim. + Thêm nước cất tới vạch định mức. Sau 5-10 phút thì đem đo phổ tại bước sóng 𝜆= 550nm bằng máy đo UV- VIS. 2.3.3.2. Thực nghiệm chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ cà phê Vỏ cà phê được lấy ở ĐakLak trong cùng một thời điểm lấy mẫu để đảm bảo các thí nghiệm có tính đồng nhất. Tiền xử lý vỏ cà phê: Vỏ cà phê được rửa sạch để loại bỏ bụi và đất, sau đó đem sấy khô ở 1050C trong 3 giờ, rồi được nghiền nhỏ sao cho các hạt có kích thước đồng đều từ 1,5- 2,0mm. Mẫu AC được sử dụng để hoạt hóa bằng HNO3 là mẫu nung ở 400 0 C trong 30 phút.  Thực nghiệm chế tạo VLHP + Tiến hành lấy 50g vỏ cà phê đã được xay nhỏ cho vào bình tam giác có đậy nút trong đó có chứa HNO3 ở nồng độ 1M, 3M và 5M (tỉ lệ 1:10). Đun cách thủy hỗn hợp ở 100oC có khuấy trong vòng 4 giờ. Lọc lấy phần rắn và rửa bằng nước cất cho đến khi môi trường trung tính (pH = 7), sau đó đem sấy khô ở 105 0C trong tủ sấy đến khối lượng không đổi. Tiến hành nung nguyên liệu ở nhiệt độ 4000C trong 30 phút. Ta thu được 3 mẫu VLHP kí hiệu là: 1M - 400 o C, 3M - 400 o C , 5M - 400 o C. + Tiến hành lấy 20g than hoạt tính từ vỏ cà phê (mẫu vỏ cà phê nung ở 400 o C trong 30 phút) cho vào bình tam giác có đậy nút trong đó có chứa HNO3 ở nồng độ 1M, 3M và 5M (tỉ lệ 1:10). Đun cách thủy hỗn hợp ở 100 o C có khuấy trong vòng 4 giờ. Lọc lấy phần rắn và rửa bằng nước cất cho đến khi môi trường trung tính (pH = 7), sau đó đem sấy khô ở 105 0C trong tủ sấy đến khối lượng không đổi.Ta thu được 3 mẫu VLHP kí hiệu là: AC - 1M, AC - 3M, AC - 5M. Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 20  Đánh giá khả năng hấp phụ Ni (II) của các VLHP chế tạo. Cân 0,5g VLHP vào cốc thủy tinh cỡ 250ml, đánh số thứ tự theo kí hiệu các mẫu như trên. Thêm vào mỗi bình 50ml dung dịch Ni (II) có nồng độ 25mg/l. Đem khuấy từ trong 90 phút với tốc độ khuấy là 120 vòng/phút, ở nhiệt độ phòng. Sau đó lọc bỏ bã rắn trong dung dịch đem đo độ hấp phụ quang ở bước sóng 550nm để xác định hàm lượng Ni (II) còn lại. Sau đó đánh giá hiệu suất hấp phụ của các vật liệu và chọn ra VLHP tốt nhất để sử dụng cho các khảo sát tiếp theo. 2.3.3.3. Thực nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Ni (II) của VLHP TN1: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni (II) của VLHP Cân 0,5g VLHP vào cốc thủy tinh cỡ 250ml (8 cốc). Thêm vào mỗi cốc 50ml dung dịch chứa Ni (II) nồng độ 25mg/l ở pH lần lượt là: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Đem khuấy từ trong 90 phút với tốc độ khuấy là 120 vòng/ phút, ở nhiệt độ phòng. Sau đó lọc bỏ bã rắn trong dung dịch, đem đo độ hấp phụ quang ở bước sóng 550nm để xác định hàm lượng Ni (II) còn lại. Lựa chọn pH tối ưu để sử dụng cho các thí nghiệm khảo sát tiếp theo. TN2: Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến khả năng hấp phụ Ni (II) của VLHP Cân 0,5g VLHP cho vào cốc thủy tinh (8 cốc). Thêm vào mỗi cốc 50ml dung dịch chứa Ni (II) nồng độ 25mg/l , điều chỉnh dung dịch về pH tối ưu. Đem khuấy từ trong các khoảng thời gian khác nhau (10, 20, 40, 60, 80, 90, 100, 120 phút) với tốc độ khuấy là 120 vòng/ phút ở nhiệt độ phòng. Sau đó lọc bỏ bã rắn trong dung dịch, đem đi đo độ hấp phụ quang ở bước sóng 550nm để xác định hàm lượng Ni (II) còn lại. Lựa chọn thời gian tối ưu đạt cân bằng hấp phụ để sử dụng cho các khảo sát tiếp theo. Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 21 TN3: Ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến khả năng hấp phụ Ni (II) Cho lần lượt VLHP có liều lượng như sau: 0,01; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3 và 0,4gam vào 6 cốc thủy tinh cỡ 250ml có sẵn 50ml dung dịch chứa Ni (II) nồng độ 25mg/l ở pH tối ưu, thời gian khuấy tối ưu, tốc độ khuấy là 120 vòng/ phút , ở nhiệt độ phòng. Sau đó lọc bỏ bã rắn trong dung dịch, đem đi đo độ hấp phụ quang ở bước sóng 550nm để xác định hàm lượng Ni (II) còn lại. Lựa chọn liều lượng tối ưu m (gam) để sử dụng cho các khảo sát tiếp theo. TN4: Ảnh hưởng của nồng độ Ni (II) ban đầu đến khả năng hấp phụ của VLHP Cân m gam VLHP cho vào 6 cốc thủy tinh có dung tích 250ml có sẵn 50ml dung dịch chứa Ni (II) với các nồng độ thay đổi: 10mg/l, 20mg/l, 30mg/l, 40mg/l, 50 mg/l, 60mg/l ổn định ở môi trường pH tối ưu, thời gian khuấy tối ưu, tốc độ khuấy là 120 vòng/phút, ở nhiệt độ phòng. Sau đó, lọc bỏ bã rắn trong dung dịch đem đi đo độ hấp phụ quang ở bước sóng 550nm để xác định hàm lượng Ni (II) còn lại. Lựa chọn nồng độ Ni (II) ban đầu tối ưu. Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 22 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định Ni (II) Bảng 3.1. Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch Ni (II) với các nồng độ khác nhau STT 1 2 3 4 5 6 7 Nồng độ Ni2+(mg/l) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Abs 0,000 0,025 0,049 0,074 0,097 0,124 0,147 Hình 3.1. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Ni (II) Vậy, phương trình đường chuẩn niken dùng để xác định nồng độ niken có dạng là y = 0,1227x + 0,0001 3.2. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ Ni (II) của các vật liệu hấp phụ 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt hóa HNO3 đến khả năng hấp phụ Ni(II) Với khối lượng VLHP là 0,5 gam cho vào dung dịch Ni (II) có nồng độ là 25mg/l, thời gian khuấy là 90 phút, với tốc độ khuấy là 120 vòng/phút, ở y = 0.1227x + 0.0001 R² = 0.9998 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 A b s Nồng độ Ni2+ (mg/l) Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học 23 nhiệt độ phòng. Hiệu suất hấp phụ Ni (II) của các VLHP với nồng độ chất hoạt hóa HNO3 khác nhau được thể hiện qua Bảng 3.2. Bảng 3.2. Hiệu suất hấp phụ Ni (II) của các VLHP với nồng độ chất hoạt hóa HNO3 khác nhau Mẫu VLHP Co (mg/l) Ccl (mg/l) H (%) 1 1M - 400 0 C 25 5,86 76,57 2 3M - 400 0 C 25 6,92 72,32 3

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfkhoa_luan_nghien_cuu_kha_nang_hap_phu_niii_cua_than_hoat_tin.pdf