TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Cu2+
TRÊN VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ XƠ DỪA
Chuyên ngành SƢ PHẠM HÓA HỌC
Giáo viên hƣớng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Th.S NGUYỄN MỘNG HOÀNG
HÀ THỊ TÚ QUYÊN
MSSV: 2111846
Lớp: Sƣ phạm Hóa học K37
ccccccCần
CẦN THƠ,
2015
Thơ, 2014
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng
LỜI CẢM ƠN
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………….…
……………………………………………………………………………………….…
…………………………………..………………………………………………………
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
ii
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………….…
……………………………………………………………………………………….…
…………………………………..………………………………………………………
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
iv
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay trên thế giới đã sử dụng nhiều loại (polyme thiên nhiên) phế phẩm
nông nghiệp để xử lý nƣớc. Để góp phần vào việc tìm kiếm các vật liệu hấp phụ sẵn
có, rẻ tiền cho việc xử lí môi trƣờng mà đề tài “Khảo sát khả năng hấp phụ ion Cu2+
trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ xơ dừa” đã đƣợc thực hiện.
Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu thực nghiệm về biến tính xơ dừa bằng
axit citric và khả năng trao đổi ion cũng nhƣ khả năng hấp phụ ion kim loại Cu2+ của
vật liệu hấp phụ. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ nhƣ thời gian,
pH, nồng độ đầu của ion Cu2+ ở nhiệt độ phòng, xác định độ hấp phụ cực đại và hằng
số cân bằng hấp phụ của vật liệu hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt của
Langmuir. Nồng độ ion Cu2+ trƣớc và sau khi hấp phụ đƣợc xác định bằng phƣơng
5. KẾT CẤU LUẬN VĂN .......................................................................................... 2
NỘI DUNG ................................................................................................................. 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 3
1.1. SƠ LƢỢC VỀ NGUYÊN LIỆU SỢI XƠ DỪA .................................................... 3
1.1.1. Tổng quan về cây dừa ....................................................................................... 3
1.1.2. Cấu trúc sợi xơ dừa ........................................................................................... 3
1.1.3. Tính chất của sợi xơ dừa ................................................................................... 4
1.2. ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TỚI SỨC KHỎE CON
NGƢỜI........................................................................................................................ 6
1.2.1. Tình trạng nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng .............................................. 6
1.2.2. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con ngƣời và môi trƣờng ............. 7
1.2.3. Tính chất độc hại của kim loại đồng. ................................................................. 7
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
vi
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng
1.3. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NGUỒN NƢỚC BỊ Ô NHIỄM KIM LOẠI
NẶNG ......................................................................................................................... 8
1.3.1. Phƣơng pháp kết tủa .......................................................................................... 8
1.3.2. Phƣơng pháp trao đổi ion .................................................................................. 9
1.3.3. Phƣơng pháp hấp phụ ........................................................................................ 9
1.4. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CÁC LOẠI HẤP PHỤ ………………………..9
1.4.1. Các khái niệm cơ bản ........................................................................................ 9
1.4.2. Các loại hấp phụ................................................................................................ 9
1.4.3. Sự hấp phụ trên giới hạn rắn – dung dịch ........................................................ 10
2.4.2. Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP ............................................................ 22
2.5. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA NỒNG ĐỘ AXIT CITRIC ĐẾN QUÁ TRÌNH
CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ ............................................................................. 22
2.6. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA
VLHP ........................................................................................................................ 23
2.6.1. Ảnh hƣởng của thời gian ................................................................................. 23
2.6.2. Ảnh hƣởng của pH .......................................................................................... 24
2.6.3. Ảnh hƣởng của lƣợng VLHP ........................................................................... 24
2.6.4. Ảnh hƣởng của nồng độ - Cân bằng hấp phụ ................................................... 25
2.7. XÁC ĐỊNH ĐỘ HẤP PHỤ CỰC ĐẠI VÀ HẰNG SỐ HẤP PHỤ THEO MÔ
HÌNH HẤP PHỤ ĐẲNG NHIỆT CỦA LANGMUIR................................................ 25
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN…………………………………………….27
3.1. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA NỒNG ĐỘ AXIT CITRIC ĐẾN
QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO VLHP ................................................................................ 27
3.2. KẾT QUẢ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA XƠ DỪA NGUYÊN
LIỆU VÀ VLHP ........................................................................................................ 28
3.2.1. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của xơ dừa nguyên liệu ............................ 28
3.2.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP ................................................ 28
3.3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP
PHỤ CỦA VLHP ...................................................................................................... 29
3.3.1. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của thời gian ....................................................... 29
3.3.2. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của pH ................................................................ 30
3.3.3. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng VLHP ................................................. 31
3.3.4. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ đầu ion Cu2+ .................................... 33
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
viii
2
FAO
3
WHO
World Health Organization (Tổ chức Y tế Thế giới)
4
VLHP
Vật liệu hấp phụ (Xơ dừa sau khi biến tính)
5
EDTA
Axit etilenđiamin tetraaxetic
The Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives
(Ủy ban Chuyên gia FAO/WHO về Phụ gia Thực phẩm)
Food and Agriculture Organization of the United Nations (Tổ
chức Lƣơng thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc)
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
xi
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tính chất cơ lý của sợi xơ dừa .................................................................... 4
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của sợi xơ dừa ............................................................. 5
Bảng 1.3. So sánh giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học ........................................ 10
Bảng 1.4. Các phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ thƣờng gặp ...................................... 15
Bảng 3.1. Ảnh hƣởng của nồng độ axit citric đến quá trình chế tạo VLHP ................. 27
Bảng 3.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của xơ dừa nguyên liệu ....................... 28
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP ........................................... 28
Bảng 3.4. So sánh độ hấp phụ, hiệu suất hấp phụ của xơ dừa nguyên liệu và VLHP.. .28
Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng hấp phụ ion Cu2+ của VLHP ......... 29
Bảng 3.6. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ Cu2+ của VLHP ........................ 31
Bảng 3.7. Ảnh hƣởng của lƣợng VLHP đến khả năng hấp phụ ion Cu2+ của VLHP ... 32
Bảng 3.8. Ảnh hƣởng của nồng độ đầu đến hiệu suất hấp phụ Cu2+ của VLHP .......... 33
Bảng 3.9. Số liệu nghiên cứu cân bằng hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt của
Langmuir ................................................................................................................... 34
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
xii
Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ nhằm
đƣa ra những thông số tối ƣu để quá trình hấp phụ ion kim loại của vật liệu hấp phụ
đạt hiệu suất cao nhất.
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ dừa.
Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và vật liệu hấp phụ.
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
1
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng
Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ.
4. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Sợi xơ dừa, axit citric.
5. KẾT CẤU LUẬN VĂN
Ngoài phần mở đầu, tài liệu tham khảo, phần phụ lục, nội dung luận văn gồm 3
chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan.
Chƣơng 2: Thực nghiệm.
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận.
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
2
thất, xây dựng… Về mặt kỹ thuật xơ dừa là vật liệu sợi đƣợc tìm thấy ngoài lớp vỏ
cứng của trái dừa.
1.1.2. Cấu trúc sợi xơ dừa [1, 7, 9]
Các sợi xơ dừa có các tế bào sợi đƣợc thu hẹp và rỗng, với những bức tƣờng
dày đƣợc làm từ xenlulozơ. Chúng có màu nhạt khi chƣa trƣởng thành nhƣng sau đó
trở thành cứng và có màu vàng của một lớp lignin đƣợc lắng đọng trên các xenlulozơ,
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
3
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng
Mỗi tế bào của sợi có chiều dài khoảng 1 mm (0,04 in) và đƣờng kính thƣờng từ 10
đến 20 micromet (từ 0,0004 đến 0,0008 in). Có hai loại xơ dừa. Xơ dừa nâu đƣợc thu
hoạch từ dừa chín hoàn toàn, dày, chắc và có khả năng chống mài mòn cao, đƣợc sử
dụng trong chiếu, bàn chải… Sợi xơ dừa nâu trƣởng thành có chứa lignin và xenlulozơ
ít hơn so với những sợi khác nhƣ lanh, bông và vì vậy mà nó mạnh mẽ nhƣng ít linh
hoạt hơn. Sợi xơ dừa trắng đƣợc thu hoạch từ các quả dừa trƣớc khi chín. Những sợi
này có màu trắng hoặc màu nâu, mƣợt mà và mịn hơn nhƣng cũng yếu hơn. Chúng
thƣờng đƣợc quay thành sợi để sử dụng trong chiếu, thảm chùi chân hoặc dây thừng.
Các sợi xơ dừa tƣơng đối không thấm nƣớc và là một trong những loại sợi tự
nhiên có khả năng chịu đƣợc sự phá hủy của nƣớc muối. Nƣớc ngọt đƣợc sử dụng để
xử lý xơ dừa nâu, trong khi nƣớc biển và nƣớc ngọt đều đƣợc sử dụng trong sản xuất
xơ dừa trắng.
1.1.3. Tính chất của sợi xơ dừa [3, 7, 9, 23, 24]
Xơ dừa đƣợc tách ra từ vỏ quả dừa. Chiều dài sợi khác nhau, từ 10 đến 30 cm.
Sợi xơ dừa mạnh, đàn hồi, có độ bền màu thấp và độ bền cao (vì thành phần xenlulozơ
Tỷ trọng
1,2
g/cm3
Độ thấm nƣớc
10,5
%
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
4
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng
Thành phần hóa học của sợi xơ dừa đƣợc thể hiện dƣới bảng 1.2.
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của sợi xơ dừa
Thành phần
Hàm lƣợng (% khối lƣợng)
Lignin
trò là chất kết nối giữa xenlulozơ và hemixenlulozơ.
Các vật liệu lignoxenlulozơ nhƣ mùn cƣa, xơ dừa, trấu, cỏ, các loại đậu, bã
mía… đã đƣợc nghiên cứu cho thấy có khả năng tách các kim loại nặng hòa tan trong
nƣớc nhờ vào cấu trúc nhiều lỗ xốp và thành phần gồm các polyme nhƣ xenlulozơ,
hemixenlulozơ, pectin, lignin và protein. Các polyme này có thể hấp phụ nhiều loại
chất tan đặc biệt là các ion kim loại hóa trị hai. Các hợp chất polyphenol nhƣ tannin,
lignin trong gỗ đƣợc cho là những thành phần hoạt động có thể hấp phụ các kim loại
nặng. Reddad cho rằng các vị trí anionic phenolic trong lignin có ái lực mạnh đối với
các kim loại nặng. Mykola cũng chứng tỏ rằng các nhóm axit galacturonic trong pectin
là những vị trí liên kết mạnh với các cation [6, 24].
Các nhóm hiđroxyl trên xenlulozơ cũng đóng một vai trò quan trọng trong khả
năng trao đổi ion của các lignoxenlulozơ. Bản thân các nhóm này có khả năng trao đổi
yếu vì liên kết -OH ở đây phân cực chƣa đủ mạnh. Nhiều biện pháp biến tính đã đƣợc
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
5
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng
công bố nhƣ oxy hóa các nhóm hiđroxit thành các nhóm chứa axit hoặc sunfon hóa
bằng axit sunfuric.
Gần đây nhất là phƣơng pháp este hóa xenlulozơ bằng axit citric. Axit citric đầu
tiên sẽ chuyển thành dạng anhydrit, tiếp theo là phản ứng este hóa xảy ra giữa anhydrit
axit và các nhóm hyđroxy của xenlulozơ. Tại vị trí phản ứng nhƣ vậy đã xuất hiện hai
nhóm chức axit (từ axit citric) có khả năng trao đổi ion. Nếu tăng nhiệt độ hoặc kéo dài
thời gian phản ứng, quá trình este hóa có thể tiếp tục xảy ra đối với các nhóm axit còn
C
ROH
COOH
CH2 C OR
HO
CH2 C OR
HO
CH2 C OR
O
C
C
O
CH2 C
O
C
COOH
CH2 COOH
-H2O
O
Hiện nay ở Việt Nam, sự phát triển mạnh mẽ của các khu công nghiệp, khu chế
xuất đã dẫn tới sự tăng nhanh hàm lƣợng kim loại nặng trong các nguồn nƣớc thải. Tại
các thành phố lớn nhƣ Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, hàng trăm các cơ sở sản
xuất công nghiệp đã và đang gây ô nhiễm các nguồn nƣớc do không có công trình hay
thiết bị xử lý các kim loại nặng. Hơn thế nữa, mức độ ô nhiễm kim loại nặng ở các khu
công nghiệp, khu chế xuất, cụm công nghiệp tập trung là rất lớn. Tại cụm công nghiệp
Tham Lƣơng, thành phố Hồ Chí Minh, mỗi ngày có khoảng 500.000 m3 nƣớc thải
công nghiệp thải ra từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm dệt. Ở thành phố Thái
Nguyên, nƣớc thải từ các cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, kim loại màu chƣa
đƣợc xử lý thải trực tiếp ra sông Cầu. Hàng trăm làng nghề đúc đồng, nhôm, chì thuộc
các tỉnh lƣu vực sông Cầu với lƣu lƣợng hàng ngàn m3/ngày không qua xử lý, gây ô
nhiễm nghiêm trọng nguồn nƣớc và môi trƣờng khu vực. Theo các số liệu phân tích
cho thấy, hàm lƣợng các kim loại nặng trong nguồn nƣớc nơi tiếp nhận nƣớc thải đều
xấp xỉ hoặc vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép.
1.2.2. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con ngƣời và môi trƣờng [20]
Các kim loại nặng ở nồng độ vi lƣợng là các nguyên tố dinh dƣỡng cần thiết
cho sự phát triển bình thƣờng của con ngƣời. Tuy nhiên, nếu nhƣ vƣợt quá hàm lƣợng
cho phép, chúng lại gây ra các tác động hết sức nguy hại tới sức khỏe con ngƣời.
Các kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể thông qua các chu trình thức ăn. Khi
đó, chúng sẽ tác động đến các quá trình sinh hóa và trong nhiều trƣờng hợp dẫn đến
những hậu quả nghiêm trọng. Về mặt sinh hóa, các kim loại nặng có ái lực lớn với các
nhóm -SH, -SCH3 của các nhóm enzym trong cơ thể. Vì thế, các enzym bị mất hoạt
tính, cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể.
1.2.3. Tính chất độc hại của kim loại đồng [2, 7, 20]
Đồng là kim loại màu đỏ, tỉ khối 8,96, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, nhiệt độ nóng
chảy 1083ºC, nhiệt độ sôi 2543ºC.
Trong nƣớc, đồng thƣờng tồn tại dƣới dạng cation hóa trị II hoặc dƣới dạng các
ion phức với xianua, tactrac… Các muối đồng tan đƣợc trong nƣớc là muối clorua,
muối nitrat, muối sunfat của đồng.
1.3.
MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NGUỒN NƢỚC BỊ Ô NHIỄM KIM
LOẠI NẶNG [8]
1.3.1. Phƣơng pháp kết tủa
Nguyên tắc chung của phƣơng pháp kết tủa là thêm một tác nhân tạo kết tủa vào
dung dịch nƣớc, điều chỉnh pH của môi trƣờng để chuyển ion cần tách về dạng hợp
chất ít tan, tách ra khỏi dung dịch dƣới dạng kết tủa.
Xuất phát từ phƣơng trình sau: Mn+ + nOH-
M(OH)n ↓
Ở đây n là hóa trị của các kim loại (n = 2, 3)
Với quá trình kết tủa hyđroxit kim loại nặng, pH của dung dịch nƣớc ảnh hƣởng
rất mạnh.
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
8
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng
Có hai loại hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Sự khác nhau của hai
loại hấp phụ này đƣợc cho trong bảng 1.3.
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
9
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng
Bảng 1.3. So sánh giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
Hấp phụ vật lý
Lực
hấp
phụ
mang
bản
Hấp phụ hóa học
chất
lực Lực hấp phụ mang bản chất liên kết hóa
Vanderwaals. Không có sự trao đổi điện tử học. Có sự trao đổi điện tử
Nhiệt hấp phụ vài kcal/mol
sự phức tạp thêm này là do tƣơng tác giữa chất tan với dung môi.
Khi khảo sát sự hấp phụ chất tan trên bề mặt rắn cần phân biệt hai trƣờng hợp:
sự hấp phụ chất không điện ly khi trên bề mặt chỉ hấp phụ các phân tử chất bị hấp phụ
và sự hấp phụ chất điện ly khi trên bề mặt thƣờng có sự hấp phụ chọn lọc một số ion
của chất điện ly có mặt trong dung dịch.
1.4.3.1. Sự hấp phụ phân tử trong dung dịch và các yếu tố ảnh hƣởng đến quá
trình hấp phụ
Đối với sự hấp phụ phân tử trong dung dịch thì độ hấp phụ đƣợc tính theo biểu
thức 1.1: a
(Co Ccb ) V×M
m
(mg/g)
(1.1)
Trong đó: C o , Ccb là nồng độ ban đầu và cân bằng của chất bị hấp phụ (M).
V là thể tích dung dịch xảy ra sự hấp phụ (ml).
m là khối lƣợng chất hấp phụ (g).
a là độ hấp phụ của chất hấp phụ (mg/g).
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
10
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng
lại các chất hấp phụ không phân cực hấp phụ tốt các chất không phân cực.
Kích thƣớc lỗ xốp cũng ảnh hƣởng đáng kể đến sự hấp phụ. Khi kích thƣớc chất
tan nhỏ có thể đi sâu vào trong mao quản của chất hấp phụ khi độ xốp của chất hấp
phụ tăng làm cho độ hấp phụ tăng và khi độ xốp giảm mà kích thƣớc chất tan tăng thì
độ hấp phụ giảm.
Ảnh hưởng của chất bị hấp phụ
Quy tắc Rehbinder đã đƣa ra quy tắc về sự phụ thuộc của độ hấp phụ vào độ
phân cực của các chất trong hệ. Theo quy tắc này, chất C có thể bị hấp phụ trên bề mặt
SVTH: Hà Thị Tú Quyên
11
Copyright: Tài liệu đại học ©