Tổng hợp màng xốp chitosan nano hydroxyapatite ứng dụng hấp phụ kim loại nặng trong nước thải

i

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo khoa Công

nghệ hóa học và các Thầy/Cô trong Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công

nghiệp TP. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi được sử dụng phòng thí nghiệm, các

thiết bị thí nghiệm, thiết bị phân tích và những lời khuyên quý báu cho tôi trong thời

gian nghiên cứu và học tập tại trường.

Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và lòng biết ơn đến Thầy hướng dẫn của tôi là

PGS.TS Nguyễn Văn Cường, Thầy đã luôn quan tâm, giúp đỡ, động viên và đóng góp

các ý kiến hữu ích cho tôi trong quá trình nghiên cứu và thực nghiệm để tôi có thể hoàn

thành tốt luận văn này.

Xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình của tôi đã luôn động viên và tạo điều kiện cho tôi

có thời gian học tập và nghiên cứu; chân thành cảm ơn tập thể lớp cao học CHHO6B đã

luôn bên cạnh và giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua.

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ô nhiễm kim loại độc hại là một trong những vấn đề môi trường quan trọng nhất trên

toàn thế giới hiện nay. Trong số các kim loại độc hại, chì gây ra vấn đề nghiêm trọng

cho hệ sinh thái và gây ra mối quan tâm lớn của công chúng. Chitosan và composite của

chitosan đã cho thấy những ưu điểm nổi bật khi được sử dụng là chất hấp phụ với hiệu

suất hấp phụ cao, khả năng phân hủy sinh học tốt và dễ dàng tách ra sau khi hấp phụ.

Để tăng thêm khả năng hấp phụ của chitosan, composite xốp của chitosan và nano

hydroxyapatie đã được tổng hợp trong dung dịch và thực hiện sấy đông khô nhằm để

loại bỏ các ion chì khỏi dung dịch nước ở các điều kiện thí nghiệm khác nhau. Cấu trúc

của composite xốp được xác nhận bằng quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR),

hình thái bề mặt của composite được xác định bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Ảnh hưởng của các điều kiện thí nghiệm khác nhau như liều lượng, thời gian và nồng

độ ban đầu đến sự hấp phụ Pb2+ bằng composite xốp được khảo sát. Kết quả cho thấy

rằng khả năng hấp phụ ion kim loại đạt hiệu suất 99.7%. Hiệu suất này cho thấy tiềm

năng lớn của vật liệu composite đã tổng hợp để ứng dụng trong tương lai.

iii

ABSTRACT

Toxic metals pollution is one of the most important environmental problems worldwide.

Among these metals, lead causes serious problems to ecosystems and causes great public

concern. Chitosan and its composite have displayed prominent advantages as

adsorbents, including easy separation after adsorption. To further increase their

adsorption capacity, the porous composite of chitosan and nano hydroxyapatie was

formed and further freeze-dried to remove lead ions from aqueous solutions by batch

tests under different experimental conditions. The porous composite was confirmed by

Fourier-transform infrared spectroscopy, surface morphology of composite was

characterized by scanning electron microscopy. The influence of various experimental

conditions such as dosage, time, and initial feed concentrations on the uptake of Pb2+ by

prepared composite was investigated. The results showed that with compomsoite, the

maximum metal ion removal efficiency achieved is 99.7% with the usage of the

composite. Metal ion sorption studies showed that the porous composite can be used for

the removal of hazardous metal ions from aqueous solutions.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên cứu

và các kết luận trong luận văn là trung thực từ các kết quả thực nghiệm đạt được. Tôi

không sao chép kết quả từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham

khảo đúng quy định.

Học viên

Trịnh Hữu Thuận

v

MỤC LỤC

MỤC LỤC.......................................................................................................................v

DANH MỤC BẢNG BIỂU.......................................................................................... vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH........................................................................................... viii

MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1

1. Đặt vấn đề....................................................................................................................1

2. Mục tiêu đề tài .............................................................................................................2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................2

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu..................................................................2

5. Ý nghĩa của đề tài ........................................................................................................2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..........................................................................3

1.1 Sơ lược về một số ion kim loại nặng.........................................................................3

1.1.1 Tình trạng môi trường bị ô nhiễm ion kim loại nặng .............................................3

1.1.2 Các nguồn phát sinh kim loại nặng ........................................................................5

1.1.3 Tiêu chuẩn Việt Nam về nước thải chứa ion kim loại nặng...................................5

1.2 Một số phương pháp xử lý ion kim loại nặng ...........................................................6

1.2.1 Phương pháp kết tủa ...............................................................................................6

1.2.2 Phương pháp trao đổi ion .......................................................................................7

1.2.3 Phương pháp hấp phụ .............................................................................................9

1.3 Kỹ thuật phân tích ...................................................................................................11

1.4 Hợp chất Chitosan và hợp chất hydroxyapatite (nano-hydroxyapatite).................13

1.4.1 Chitosan................................................................................................................13

1.4.2 Ứng dụng của chitosan .........................................................................................14

1.4.3 Hydroxyapatite .....................................................................................................18

1.4.4 Một số nghiên cứu ứng dụng khả năng hấp phụ của Chitosan/hydroxyapatite ...20

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................22

2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị...................................................................................22

2.1.1 Hóa chất................................................................................................................22

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị ...............................................................................................22

2.2 Tổng hợp nano-hydroxyapatite ...............................................................................23

vi

2.3 Quy trình tổng hợp màng xốp chitosan/nano-hydroxyapatite.................................25

2.4 Khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng bởi màng xốp Chitosan/nano￾hydroxyapatite .........................................................................................................28

2.4.1 Khảo sát khả năng hấp phụ kim loại Pb2+ bởi màng xốp Chitosan/nano￾hydroxyapatite .........................................................................................................28

2.4.2 Khảo sát khả năng hấp phụ kim loại Cu2+ bởi màng xốp Chitosan/nano￾hydroxyapatite .........................................................................................................29

2.4.3 Xác định nồng độ ion kim loại trong mẫu nước thải thực tế................................30

2.4.3.1. Xác định nồng độ ion Cu2+

...............................................................................30

2.4.3.1. Xác định nồng độ ion Pb2+

...............................................................................30

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................31

3.1 Tổng hợp và xác định cấu trúc vật liệu nano-hydroxyapatite .................................31

3.2 Tổng hợp và xác định cấu trúc vật liệu composite chitosan/nano-hydroxyapatite .32

3.3 Kết quả khảo sát lượng chất hấp phụ ion Pb (II) của composite chitosan/nano￾hydroxyapatite .........................................................................................................39

3.3.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng composite đến khả năng hấp phụ ion Pb2+

.................................................................................................................................39

3.3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion Pb2+ và thời gian hấp phụ.............39

3.3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các loại vật liệu khác nhau ...............................41

3.3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các ion kim loại khác nhau...............................42

3.3.5 Xác định nồng độ ion kim loại trong mẫu nước thải thực tế................................42

3.3.5.1 Xác định nồng độ ion Cu2+ trong mẫu nước thải thực tế...................................42

3.3.5.2 Xác định nồng độ ion Pb2+ trong mẫu nước thải thực tế ...................................42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................44

1. Kết luận......................................................................................................................44

2. Kiến nghị ...................................................................................................................44

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................45

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN ...............................................................1

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Giá trị giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp.........6

Bảng 1.2 So sánh các kỹ thuật phân tích F-AAS, ICP-OES và ICP-MS. .....................12

Bảng 1.3 Tính chất chính của chitosan liên quan đến việc sử dụng nó trong y sinh ....16

Bảng 1.4 Ứng dụng cơ bản của chitosan.......................................................................18

Bảng 2.1 Bảng hóa chất sử dụng trong luận văn...........................................................22

Bảng 2.2 Bảng dụng cụ sử dụng trong luận văn............................................................23

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của chitin và chitosan .......................................................14

Hình 1.2 Liên kết phân tử chitosan/Glutaraldehyde......................................................15

Hình 1.3 Model phân tử và cấu trúc tinh thể của hydroxyapatite .................................19

Hình 1.4 Liên kết phân tử chitosan/hydroxyapatite ......................................................20

Hình 2.1 Quy trình tổng hợp nano-hydroxyapatite .......................................................24

Hình 2.2 Tổng hợp hạt nano Hydroxy Apatite..............................................................25

Hình 2.3 Quy trình tổng hợp màng xốp CS/nano-hydroxyapatite ................................26

Hình 2.4 Sấy đông khô vật liệu CS/nano-hydroxyapatite .............................................27

Hình 2.5 Màng xốp CS/nano-hydroxyapatite sau khi tổng hợp....................................27

Hình 2.6 Khảo sát khả năng hấp phụ kim loại Pb 2+ bởi màng xốp Chitosan/nano￾hydroxyapatite ...............................................................................................28

Hình 2.7 Sơ đồ khảo sát khả năng hấp phụ kim loại Cu của màng xốp CS/nano￾hydroxyapatite ...............................................................................................29

Hình 3.1 Phổ FT-IR của nano-hydroxyapatite nung tại 100, 350, 550, 750 oC............31

Hình 3.2 XRD của nano-hydroxyapatite nung tại 100, 350, 550, 750 oC.....................32

Hình 3.3 Phổ FT-IR của composite CS/nano-hydroxyapatite với nano-hydroxyapatite

nung ở 100 oC ................................................................................................33

Hình 3.4 Phổ FT-IR của composite CS/nano-hydroxyapatite của nano-hydroxyapatite

nung ở 350 oC ................................................................................................34

Hình 3.5 Phổ FT-IR của composite CS/nano-hydroxyapatite của nano-hydroxyapatite

nung ở 550 oC ................................................................................................34

Hình 3.6 Phổ FT-IR của composite CS/Nano-hydroxyapatite của nano-hydroxyapatite

nung ở 750 oC ................................................................................................35

Hình 3.7 Kết quả TGA của vật liệu CS/nano-hydroxyapatite ......................................36

Hình 3.8 Ảnh chụp SEM của composite CS/nano-hydroxyapatite với độ phóng đại

10.00kx ..........................................................................................................37

Hình 3.9 Ảnh chụp SEM của composite CS/nano-hydroxyapatite với độ phóng đại 100

LM .................................................................................................................37