ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM
––––––––––––––––––––––––

NĂNG HỒNG NHUNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Mn(II), Ni(II) CỦA
VẬT LIỆU CHẾ TẠO TỪ SẮT(III) NITRAT, SILICAT VÀ
PHOTPHAT VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT

THÁI NGUYÊN - NĂM 2015
Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN



1


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM
––––––––––––––––––––––––

NĂNG HỒNG NHUNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Mn(II), Ni(II) CỦA
VẬT LIỆU CHẾ TẠO TỪ SẮT(III) NITRAT, SILICAT VÀ
PHOTPHAT VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG

Chuyên ngành: HOÁ PHÂN TÍCH

Xác nhận của Giáo viên hƣớng dẫn

Xác nhận của Trƣởng khoa Hóa học

TS. Ngô Thị Mai Việt

PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan

Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN



i


LỜI CẢM ƠN
, các bạn
làm luận văn cùng các em sinh viên nghiên cứu khoa học trong Khoa Hóa học,
.
Em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè – những người đã giúp đỡ và
động viên em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
, cô đã giao đề tài
và hướng dẫn em hoàn thành luận văn.
Do khả năng thực nghiệm còn hạn chế và do một số yếu tố khách quan khác
nên luận văn của em không thể tránh khỏi những thiếu sót.Em rất mong nhận được
sự góp ý và chỉ bảo của các Thầy Cô để luận văn của em được hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2015
Học viên

.....................................................................................................5
1.4.2. Hấp phụ trong môi trường nước .....................................................................7
hấp phụ.....................................................................................................................8
...................................................9
1.4.5. Quá trình hấp phụ động trên cột ..................................................................11
1.5. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử .......................................................13
1.5.1. Nguyên tắc ...................................................................................................13
1.5.2. Phương pháp đường chuẩn ..........................................................................14
1.6. Một số phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu hấp phụ............................15
1.6.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ....................................................15
1.6.2. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) ............................................15
1.6.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) ..............................................................16
Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN



iii


1.6.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................17
vật
liệu chế tạo từ hóa chất ..........................................................................................17
CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .....20
2.1. Thiết bị và hóa chất ........................................................................................20
2.1.1. Thiết bị .........................................................................................................20
2.1.2. Hóa chất .......................................................................................................20
................................21
2.3. Nghiên cứu một số đặc trưng hóa lí của vật liệu hấp phụ ..............................22
2.3.1. Ảnh SEM của vật liệu hấp phụ ....................................................................22
2.3.2. Diện tích bề mặt riêng của vật liệu hấp phụ ................................................22



DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

TT

Từ nguyên gốc

1

BET

Brunaur – Emmetle – Teller

2

IR

Intrared Spectroscopy

3

SEM

Scanning Electron Microscopy

4

UV – Vis

Bảng 2.5. Các thông số đường chuẩn của Ni(II) .......................................................32
Bảng 2.6. Các giá trị b’ của đường chuẩn Mn(II) .....................................................33
Bảng 2.7. Giá trị phương sai của Mn(II) ...................................................................34
Bảng 2.8. Các giá trị b’ của đường chuẩn Ni(II).......................................................35
Bảng 2.9. Giá phương sai của Ni(II) .........................................................................35
Bảng 2.10. Giá trị Sbi , LOD, LOQ của Mn(II) và Ni(II) ..........................................37
Bảng 2.11. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Mn(II) và Ni(II) .........38
Bảng 2.12. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Mn(II) và Ni(II) ..................40
Bảng 2.13. Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến khả năng hấp phụ Mn(II) và
Ni(II) ............................................................................................................42
Bảng 2.14. Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ Mn(II) và Ni(II) của
vật liệu ..........................................................................................................44
Bảng 2.15.Các thông số hấp phụ theo mô hình Langmuir của vật liệu hấp phụ ......45
Bảng 2.16.

Ca(II), Zn(II), Al(III)
........................................................................47

Bảng 2.17.

Ca(II), Zn(II), Al(III)
u .....................................................................48

Bảng 2.18. Nồng độ ion Mn(II) sau mỗi phân đoạn thể tích ....................................50
Bảng 2.19.Nồng độ ion Ni(II) sau mỗi phân đoạn thể tích .......................................51

Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN




Hình 2.19. Ảnh hưởng của các ion Ca(II), Zn(II), Al(III) đến khả năng hấp phụ
Ni(II) của vật liệu .........................................................................................47
.....................................................................48
Hình 2.21. Khả năng hấp phụ động đối với dung dịch Mn(II) .................................52
Hình 2.22. Khả năng hấp phụ động đối với dung dịch Ni(II) ...................................52
Hình 2.23. Sự hấp phụ động ion Mn(II) trong mẫu nước thải ..................................53
Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN



vii


Hình 2.24. Sự hấp phụ động ion Ni(II) trong mẫu nước thải ....................................53

vi

Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN



viii


MỞ ĐẦU
Trong những năm qua nền kinh tế nước ta đã có những bước phát triển đáng
khích lệ, cơ cấu kinh tế chuyển đổi theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Tuy
nhiên, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, xã hội đã làm nảy sinh nhiều vấn đề
về môi trường.Môi trường ở một số thành phố lớn, khu công nghiệp tập trung và
các khu dân cư đang bị suy thoái, ô nhiễm.Tài nguyên thiên nhiên, đa dạng sinh học



- Xác định điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng
hấp phụ Mn(II), Ni(II) của vật liệu theo phương pháp hấp phụ tĩnh.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II) của vật liệu theo phương pháp
hấp phụ động.
- Thăm dò khả năng xử lý Mn(II), Ni(II) trong mẫu nước thải của vật liệu.

Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN



2


Chƣơng 1
1.1. Tác dụng sinh hóa của mangan và niken
1.1.1. Tác dụng sinh hóa của mangan
Mangan là nguyên tố đóng vai trò thiết yếu trong tất cả các dạng sống.Mangan
là chất có tác dụng kích thích của nhiều loại enzim trong cơ thể, có tác dụng đến sự
trao đổi chất canxi và photpho trong cấu tạo xương. Thức ăn cho trẻ em nếu thiếu
mangan thì hàm lượng enzim phophataza trong máu và xương sẽ bị giảm xuống nên
ảnh hưởng đến cốt hóa của xương, biến dạng… Thiếu mangan có thể gây rối loạn
về hệ thần kinh như bại liệt, co giật…
1.1.

-

.

công nghiệp (bảng 1.1).
Bảng 1.1. Nồng độ giới hạn của một số ion kim loại trong nƣớc thải công nghiệp
TT

Ion kim loại

Đơn vị

Nồng độ giới hạn
A

B

1

Mangan

mg/L

0,50

1,00

2

Niken

mg/L

0,20


0,10

6

Crom (III)

mg/L

0,20

1,00

7

Đồng

mg/L

2,00

2,00

8

Kẽm

mg/L

3,00

1.3.3. Phương pháp hấp phụ
So với các phương pháp xử lí nước thải khác, phương pháp hấp phụ có các
đặc tính ưu việt hơn hẳn. Vật liệu hấp phụ được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự
nhiên và các phế thải nông nghiệp sẵn có, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, công
nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp. Đặc biệt, các vật liệu hấp phụ thường có
độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành xử lý thấp. Trong đề tài
này, chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ để loại bỏ ion Mn(II) và Ni(II) trong
nước thải công nghiệp.
1.4

.

Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN



5


[8].

.
- Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Vandecvan giữa các phân tử chất bị hấp phụ
và bề mặt chất hấp phụ. Liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ.
- Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hoá học giữa bề mặt chất hấp phụ
và bề mặt của chất bị hấp phụ. Liên kết này bền, khó bị phá vỡ.
Hấp phụ hóa học được coi là trung gian giữa hấp phụ vật lý và phản ứng hóa
học. Để phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, người ta đưa ra một số tiêu
chuẩn như sau:
- Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hay đa lớp, còn hấp phụ hóa học chỉ là

Hấp phụ trong môi trường nước thường diễn ra khá phức tạp, 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. Đối với các chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại
hay một số dạng phức oxy anion như SO 24 , PO 34 , CrO 24 … thì quá trình hấp phụ
xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có
độ phân cực cao trong nước bị bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó
bán kính (độ lớn) của các ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến
khả năng hấp phụ của hệ do tương tác tĩnh điện [1].
Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng 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 lưỡng
tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dương 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 dưới giá trị đó bề mặt hấp phụ tích điện dương.
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 trường, đồng thời
trong hệ cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất [1].
Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao
quản,… cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ.

Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN


(1.1)

Trong đó:
q: là dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
V: là thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (L)
m: là khối lượng chất hấp phụ (g)
Co: là nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L)
Ccb: là nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/L)
1.4.3.2. Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ của dung dịch bị hấp phụ ở thời điểm
cân bằng và nồng độ dung dịch ban đầu.
Hiệu suất hấp phụ được tính theo công thức sau:
H

(C0 Ccb )
.100%
C0

(1.2)

Trong đó:
Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN



8


H: là hiệu suất hấp phụ (%)
C0: là nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L)

nồng độ (áp suất) của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng:
a = K.P

(1.4)

Trong đó:
Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN



9


K: là hằng số hấp phụ Henry
a: lượng chất bị hấp phụ (mol/g)
P: áp suất (mmHg)
Từ số liệu thực nghiệm cho thấy vùng tuyến tính này nhỏ.Trong vùng đó sự
tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt chất rắn là không đáng kể.
Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là phương trình thực nghiệm mô
tả sự hấp phụ xảy ra trong phạm vi một lớp. Phương trình này được biểu diễn bằng
một hàm số mũ:

q

1

k .Ccb n

(1.5)

q: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g).
qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g).
b: hằng số Langmuir.
Ccb: là nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/L).
Khi tích số b.Ccb > 1 thì q =qmax: mô tả vùng hấp phụ bão hòa.
Phương trình Langmuir có thể biểu diễn dưới dạng phương trình đường thẳng:
Ccb
q

1
qmax

Ccb

1

(1.8)

qmax .b

Thông qua đồ thị biểu diễn sự phụthuộc Ccb/q vào Ccb sẽ xác định các hằng số
b và qmax trong phương trình (hình 1.2).


qmax

1
qmax.b

Phương trình Langmuir được đặc trưng bằng tham số RL
RL =

1
(1 b.C0 )

(1.9)

Khi 0 < RL< 1 thì sự hấp phụ là thuận lợi, RL > 1 thì sự hấp phụ là không thuận
lợi và RL = 1 thì sự hấp phụ là tuyến tính.
1.4.5. Quá trình hấp phụ động trên cột
Quá trình hấp phụ động trên cột được mô tả như sau:
Cho một dòng khí hay dung dịch chứa chất bị hấp phụ qua cột hấp phụ. Sau
một thời gian thì cột hấp phụ chia làm ba vùng:
Vùng 1 (Đầu vào nguồn xử lý): Chất hấp phụ đã bão hòa và đạt trạng thái cân
bằng. Nồng độ chất bị hấp phụ ở đây bằng nồng độ của nó ở lối vào.
Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN



11


Vùng 2 (Vùng chuyển khối): Nồng độ chất bị hấp phụ thay đổi từ giá trị nồng


12


1.5. Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử
1.5.1. Nguyên tắc
Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử dựa trên tính chất vật lí của các chất
có tính chất hấp thụ chọn lọc dòng ánh sáng đơn sắc. Đây là phương pháp phân tích
định lượng không đo trực tiếp khối lượng của chất (như phương pháp phân tích thể
tích hay phân tích khối lượng) mà đo độ hấp thụ quang của dung dịch màu từ đó suy
ra nồng độ của cấu tử cần xác định [9].
Nguyên tắc chung của

cần xác định X.
Cơ sở của phương pháp là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer - Lambert Beer. Biểu thức của định luật:
A = lg Io=ε.C.l
I

(1.10)

Trong đó:
A: đ

.

Io, I: lần lượt là cường độ của ánh sáng đi vào và ra khỏi dung dịch.
l: là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua.
C: là nồng độ hất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch.
: là hệ số hấp thụ quang phân tử, nó phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ
ánh sáng và bước sóng của ánh sáng tới (ε = f( )).


số gắn liền với nồng độ Cx.
Giá trị b = 1 khi nồng độ Cx nhỏ, khi Cx tăng thì b nhỏ xa dần giá trị 1.
Đối với một chất phân tích trong một dung môi xác định và trong một cuvet có
bề dày xác định thì ε = const và l = const. Đặt K = k.ε.l ta có:
A = K.Cb

(1.13)

Với mọi chất có phổ hấp thụ phân tử vùng UV - Vis, thì luôn có một giá trị
nồng độ giới hạn Co xác định, sao cho:
Với mọi giá trị Cx< Co: thì b = 1, và quan hệ giữa độ hấp thụ quang A và nồng
độ Cx là tuyến tính.
Với mọi giá trị Cx> Co: thì b < 1 (b tiến dần về 0 khi Cx tăng) và quan hệ giữa
độ hấp thụ quang A và nồng độ Cx là không tuyến tính.
Phương trình (1.12) là cơ sở để định lượng các chất theo phương pháp đo
quang phổ hấp thụ phân tử UV - Vis. Trong phân tích người ta chỉ sử dụng vùng
nồng độ tuyến tính giữa A và C, vùng tuyến tính này rộng hay hẹp phụ thuộc vào
bản chất hấp thụ quang của mỗi chất và các điều kiện thực nghiệm. Với các chất có
phổ hấp thụ UV - Vis càng nhạy, tức giá trị

của chất đó càng lớn thì giá trị nồng

độ giới hạn Co càng nhỏ và vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C càng hẹp [4, 5].
1.5.2. Phương pháp đường chuẩn
Cơ sở của phương pháp:

Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN