Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng cu2+ và zn2+ trong nước bằng vật liệu sio2 tách từ vỏ trấu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN VĂN ĐỨC

NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ ION KIM LOẠI NẶNG

Cu

2+VÀ Zn2+ TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU SiO2

TÁCH TỪ VỎ TRẤU

Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ

Mã số: 60 44 27

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Đà Nẵng - Năm 2012

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ TỰ HẢI

Phản biện 1: GS.TS. ĐÀO HÙNG CƯỜNG

Phản biện 2: TS. NGUYỄN THỊ BÍCH TUYẾT

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ khoa học họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 30

tháng 11 năm 2012

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin- Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng.

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Ngày nay, cùng với sự gia tăng các hoạt động công nghiệp là

việc sản sinh các chất thải nguy hại, tác động tiêu cực trực tiếp đến

môi trường, đặc biệt là sự ảnh hưởng nghiêm trọng của môi trường

nước. Các hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp thuộc da, công

nghiệp điện tử, mạ điện, lọc hóa dầu hay công nghệ dệt nhuộm.... đã

tạo ra các nguồn ô nhiễm môi trường nước chính chứa các kim loại

nặng như Cu, Zn, Pb, Ni, As... và những hợp chất hữu cơ độc hại.

Những chất này có liên quan trực tiếp đến các biến đổi gan, ung thư

cũng như ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường dù chỉ ở hàm

lượng nhỏ.

Do đó, nghiên cứu tách các ion kim loại nặng và hơp ch ̣ ất

hữu cơ đôc h ̣ ai từ các nguồn nước bị ô nhiễm là vấn đề quan trọng ̣

nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và

thu hú

t sựquan tâm của nhiều

nhà khoa hoc. Đã có ̣ nhiều phương pháp được sử dụng, trong đó

phương pháp hấp phụ tỏ ra có nhiều ưu điểm và được sử dụng rộng

rãi hơn cả bởi các ưu điểm như xử lý nhanh, dễchế tao thi ̣ ết bi ̣và

đăc bi ̣ êt ḷ à có

thể tá

i sử dung v ̣ ât li ̣ êu ḥ ấp phu.̣

Trong phương pháp hấp phụ thì các vât li ̣ êu kho ̣ áng sé

t hay

vât li ̣ êu bi ̣ ến tính từ các phế phẩm nông nghiêp (Biomass) như tro ̣

trấu, sơ dừa, vỏ lac, b ̣ ãmía, vỏ sắn,… được xem là các loại vật liệu

hấp phụ có nhiều triển vọng.

Theo môt ṣ ố tà

i liêu v ̣ à khảo sá

t sơ bô ̣chúng tôi nhân th ̣ ấy

trong trấu có chứa lương l ̣ ớn SiO2 vớ

i cấu trúc xốp nên có

thể đươc ̣

sử dung l ̣ àm vât li ̣ êu ḥ ấp phu ̣các ion kim loai ṇ ăng v ̣ à các chất hữu

cơ trong nước.

Viêc nghiên c ̣ ứu tách SiO2 từ vỏ trấu để ứng dung l ̣ àm vât li ̣ êu ̣

hấp phu ̣ion kim loai ṇ ăng v ̣ à môt ṣ ố hơp ch ̣ ất hữu cơ trong nước sẽ

có ý nghia th ̃ ưc ti ̣ ễn trong viêc ṣ ử dung m ̣ ôt c̣ ách có hiêu qu ̣ ả nguồn

vỏ trấu khổng lồ, giảm thiểu khả năng gây ô nhiễm môi trường, đồng

thờ

i tao ra m ̣ ôt lo ̣ ai ṿ ât li ̣ êu ḥ ấp phu ̣rẻ tiền từ nguồn nguyên liêu ph ̣ ế

thải của cây lúa. Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu hấp

phụ ion kim loại nặng Cu2+ và Zn2+ trong nước bằng vật liệu SiO2

tách từ vỏ trấu” để nhằm tìm hiểu về một loại vật liệu hấp phụ rẻ

tiền, có nguồn gốc tự nhiên ứng dụng trong xử lý môi trường.

2. Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng

trong nước bằng vật liệu SiO2 tách từ vỏ trấu.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu : Vỏ trấu lấy từ Núi Thành - Quảng

Nam.

+ Phạm vi nghiên cứu: khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến

quá trình hấp phụ ion kim loại của vỏ trấu sau khi biến tính, từ đó rút

ra nhận xét, khả năng hấp phụ ion kim loại của vỏ trấu.

4. Phương pháp nghiên cứu

4.1. Nghiên cứu lí thuyết

- Thành phần và tính chất của SiO2.

- Thành phần của vỏ trấu, tro trấu.

- Các phương pháp hấp phụ và giải hấp.

- Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử (AAS).

- Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM).

- Phương pháp đo đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ

(BET).

- Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD).

- Phổ hồng ngoại (IR).

4.2. Phương pháp thực nghiệm

Xác định thành phần và đặc tính hóa lý của vỏ trấu.

 Xác định thành phần và đặc tính hóa lý của tro trấu.

 Khảo sát một số tính chất vật lý của vỏ trấu.

 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình tách

SiO2 từ vỏ trấu.

 Khảo sá

t các yếu tố ảnh hưởng đến quá

trình hấp phu ̣bể một

số ion kim loại nặng (Cu2+, Zn2+) của vỏ trấu biến tính.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

So sánh khả năng hấp phụ của vỏ trấu khi chưa biến tính và

biến tính nhằm tạo ra một vật liệu hấp phụ cao, hiệu quả nhưng giá

thành lại rẻ đối với các ion kim loại nặng trong nước.

6. Bố cục luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận - kiến nghị và tài liệu tham khảo,

luận văn gồm có các chương như sau :

Chương 1: Tổng quan lý thuyết

Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận luận

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Sơ lược về Silic đioxit

1.2. Kim loại đồng và kẽm

1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ

1.4. Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.Thiết bị, dụng cụ, hóa chất

2.2. Pha chế hóa chất

Thêm dung dịch

HCl 4M

Rửa bằng nước cất

Sấy ở 1000

c

Nung ở

5500C

Dung dịch Hỗn hợp dạng

gel

SiO2.nH2O

SiO2

Tro trấu

Vỏ trấu

1/ Rửa sạch, phơi

khô

2/ Đốt

3/ Nung ở 8000C

1/ Thêm dung dịch

NaOH 5M

2/ Đun nóng.

3/ Lọc.

2.3. Xác định thành phần và một số đặc tính hóa lý của vỏ

trấu

2.4. Xác định thành phần và đặc tính hóa lý của tro trấu

2.5. Quá trình tách silic đioxit (SiO2) từ vỏ trấu

Hình 2.1. Sơ đồ tách SiO2 từ vỏ trấu.

2.6. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình tách

SiO2 từ vỏ trấu

2.7. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ bể

Cu2+ và Zn2+

2.8. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ cột

Cu2+ và Zn2+

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả xác định thành phần hóa học và một số đặc tính hóa

lý của vỏ trấu

3.1.1. Kết quả xác định thành phần hóa học của vỏ trấu

Hình 3.1. Vỏ trấu.

Kết quả xác định thành phần nguyên tố của vỏ trấu được

trình bày ở bảng 3.1.

Bảng 3.1. Kết quả xác định thành phần nguyên tố của vỏ trấu

Nguyên tố Phần trăm khối

lượng (%)

Nguyên tố Phần trăm khối

lượng (%)

C 30,68 Si 9,81

O 55,01 P 0,02

H 3,35 S 0,05

Mg 0,09 K 0,28

Al 0,58 Ca 0,15

* Nhận xét: Từ bảng 3.1 ta thấy trong thành phần của vỏ trấu

thì chủ yếu chứa các nguyên tố C, H, O, Si ( chiếm tới 98,85%) còn

lại các nguyên tố khác là không đáng kể.

Trong đó, hàm lượng Si chiếm tỉ lệ tới 9,81 % (tương đương

với phần trăm SiO2 là 21,02%) nên thuận lợi cho việc tách SiO2 để sử

dụng cho quá trình hấp phụ.

3.1.2. Kết quả xác định độ ẩm của vỏ trấu

Vỏ trấu sau khi làm sạch phơi khô thì hàm lượng nước trong

đó vẫn chiếm một tỉ lệ đáng kể (8,96%).

3.1.3. Kết quả xác định hàm lượng tro

Hàm lượng tro trong vỏ trấu là 10,32 %.

3.2. Kết quả xác định thành phần hóa học của tro trấu

Trấu đem đốt và nung đến hoàn toàn trong lò nung khoảng 8

giờ ta được kết quả như hình 3.2 và 3.3.

Hình 3.2. Vỏ trấu sau khi đốt Hình 3.3. Tro trấu sau khi nung

Kết quả xác định thành phần nguyên tố của tro trấu được

trình bày ở bảng 3.4.

Bảng 3.4. Kết quả xác định thành phần phần trăm nguyên tố trong

tro trấu

Nguyên tố Phần trăm khối

lượng (%) Nguyên tố Phần trăm khối

lượng (%)

C 3.50 S 0.17

O 48.78 Cl 0.33

Na 0.11 K 3.08

Mg 0.35 Ca 0.93

Si 42.31 Mn 0.21

P 0.22

* Nhận xét : Từ kết quả xác định trong bảng 3.3 trên ta thấy

tro trấu sau khi nung chỉ còn lại chủ yếu là 2 nguyên tố Si và O

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Nồng độ Na OH (mol/l)

K hối lượng S ilic ddioxxit (g am)

(chiếm tới 91.09 %), nguyên tố cacbon trong quá trình nung đã bị oxi

hóa đi một lượng lớn.

Trong tro trấu lúc này chủ yếu chứa SiO2 với hàm lượng gần

bằng 90.66 (%) thuận tiện cho việc tách SiO2 ra khỏi tro trấu.

3.3. Tách silic đioxit từ vỏ trấu

3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình tách đioxit từ

vỏ trấu

Tiến hành thí nghiệm với 5 gam tro trấu, 100ml dung dịch

NaOH với các nồng độ như trong bảng 3.5, thời gian đun là 1,5 giờ

ta thu được kết quả ở bảng 3.5.

Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình tách SiO2 từ

vỏ trấu.

Nồng độ NaOH

(M)

Khối lượng SiO2

(gam)

Nồng độ NaOH

(M)

Khối lượng SiO2

(gam)

2 2,74 4,5 4,19

2,5 2,79 5 4,28

3 3,04 5,5 4,30

3,5 3,87 6 4,31

4 4,11

Kết quả trên được thể hiện trong đồ thị hình 3.4 sau:

Hình 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình tách SiO2 từ

vỏ trấu

* Nhận xét: Nhìn vào bảng 3.5 và đồ thị hình 3.4 ta thấy khi

nồng độ NaOH tăng lên thì khối lượng SiO2 tách ra tăng lên. Từ

nồng độ NaOH lớn hơn 5M thì khối lượng SiO2 tách ra tăng lên

không đáng kể.Từ kết quả trên chúng tôi chọn nồng độ NaOH là 5M

cho các quá trình tách NaOH sau này.

3.3.2. Kết quả xác định độ tinh khiết của silic đioxit

Silic đioxit được tách ra từ quá trình trên được kết quả trong hình

3.5.

Hình 3.5. Silic đioxit

Kết quả xác định độ tinh khiết của SiO2 được trình bày ở

bảng 3.6.

Bảng 3.6. Kết quả xác định thành phần phần trăm nguyên tố trong

silic đioxit

Nguyên tố O Na Si Cl

Phần trăm khối lượng (%) 52,22 1,95 41,46 2,37

* Nhận xét: Từ bảng 3.6 trên ta nhận thấy trong mẫu silic

đioxit tách ra thì phần trăm của 2 nguyên tố Si và O là chủ yếu,

chứng tỏ trong mẫu này silic đioxit chiếm tỉ lệ cao (88,84%) thuận

lợi cho việc sử dụng vật liệu này để hấp phụ ion kim loại.

3.3.3. Kết quả chụp SEM của mẫu Silic đioxit

001 1.0 mm

Kết quả chụp ảnh

SEM được trình bày ở hình

3.6.

Hình 3.6. Ảnh chụp SEM của Silic đioxit

Từ kết quả chụp SEM trên ta thấy bề mặt của Silic đioxit có

nhiều lỗ trống, cấu trúc xốp thuận lợi cho việc hấp phụ ion kim loại

nặng trong nước.

3.3.4. Kết quả đo phổ hồng ngoại (IR) của mẫu Silic đioxit

Kết quả đo được trình bày trong hình 3.6.

Hình 3.7. Phổ Hồng ngoại (IR) của Silic đioxit

Từ hình 3.7 ta thấy: Phổ hồng ngoại của silic đioxit xuất hiện

các píc đặc trưng ở 3446,2 cm-1

; 1099,3 cm-1

, 806,8 cm-1 và 467 cm-