Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ lạc đối với các ion Cd2+ và Mn2+ trong môi trường nước

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 2/N¨m 2008 126 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ VỎ LẠC ĐỐI VỚI CÁC ION Cd2+ VÀ Mn2+ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Nguyễn Thùy Dương, Lê Hữu Thiềng ( Trường ĐH Sư phạm- ĐH Thái Nguyên) 1. Mở đầu Ô nhiễm nguồn nước đã và đang trở thành vấn đề nghiêm trọng của toàn cầu. Đặc biệt với một nước đang phát triển như nước ta, nguồn nước thải của các khu công nghiệp, khu chế xuất, thường chứa nhiều ion kim loại nặng như: Cu2+, Mn2+, Pb2+, Cd2+,Những ion này với hàm lượng vượt quá tiêu chuNn cho phép sẽ gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng không nhỏ đến sức khỏe con người. Tận dụng các phụ phNm nông nghiệp chế tạo thành vật liệu hấp phụ (VLHP) để xử lý nước thải đang được nhiều người quan tâm. Hướng nghiên cứu này có nhiều ưu điểm là sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, không làm nguồn nước bị ô nhiễm thêm [2]. Vỏ lạc là một phế thải rất phổ biến ở Việt Nam, có sản lượng hàng năm lên tới trên 150 nghìn tấn. Thành phần chủ yếu của vỏ lạc là xenlulozơ, hemixenlulozo, lignin, [1] có chứa nhóm chức hiđroxyl, thuận lợi cho việc chế tạo vỏ lạc thành VLHP. 2. Thực nghiệm 2.1. Quy trình chế tạo VLHP từ nguyên liệu vỏ lạc Vỏ lạc nguyên liệu được nghiền nhỏ bằng máy nghiền bi. Lấy 25g nguyên liệu cho vào cốc chứa 500ml dung dịch NaOH 0,1M, khuấy đều trong 120 phút, lọc lấy phần bã rắn, rửa sạch bằng nước cất đến môi trường trung tính, sấy khô ở 85-90oC. Sau đó, phần bã rắn tiếp tục cho vào cốc chứa 150ml dung dịch axit xitric 0,6M khuấy trong 30 phút, lọc lấy bã rắn, sấy ở 50oC trong 24 giờ, nâng nhiệt độ lên 120oC trong 90 phút. Cuối cùng, rửa bằng nước cất nóng tới môi trường trung tính và sấy khô ở 85-90oC, thu được VLHP [3]. 2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ các ion Cd2+ và Mn2+ trên VLHP a. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của VLHP Cho một lượng chính xác VLHP vào một thể tích xác định dung dịch chứa từng ion kim loại Cd2+ và Mn2+ có nồng độ ban đầu khác nhau. Khảo sát quá trình hấp phụ trong các khoảng thời gian từ 10 đến 120 phút. Xác định nồng độ còn lại của ion kim loại trong các dung dịch bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử(AAS) b. Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP Cho một lượng xác định VLHP vào dung dịch chứa từng ion kim loại Cd2+ và Mn2+ với các nồng độ ban đầu Ci khác nhau. Khảo sát quá trình hấp phụ trong khoảng thời gian đạt cân bằng hấp phụ ở trên. Xác định nồng độ cân bằng Cf của các ion kim loại. Tính dung lượng hấp phụ theo công thức: ( ) m VCC q fi .− = (V: thể tích dung dịch ion kim loại, m: khối lượng VLHP) Dung lượng hấp phụ cực đại qmax của VLHP được tính theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính: T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 2/N¨m 2008 127 bq C qq C f f maxmax 11 += (b: hằng số) c. Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP bằng phương pháp hấp phụ động trên cột Dội liên tục dung dịch chứa từng ion Cd2+ và Mn2+ với nồng độ ban đầu Ci xác định qua cột chứa VLHP với tốc độ dòng là 2ml/phút. Thể tích của VLHP trên cột là 10ml và thể tích này gọi là 1 bed volume. Cứ sau 10ml dung dịch (1 bed volume) dội qua cột tiến hành lấy mẫu để phân tích hàm lượng ion kim loại còn lại Cf trong dung dịch. Lặp lại thao tác trên đến tổng thể tích dung dịch dội qua cột là 200ml. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Kết quả khảo sát một số đặc điểm bề mặt của VLHP Nguyên liệu vỏ lạc ban đầu được xử lý bằng NaOH để loại bỏ các pigmen màu và các hợp chất hữu cơ dễ hòa tan, tiếp tục được este hóa bằng axit xitric. Kết quả của quá trình xử lý được thể hiện qua phổ hồng ngoại (IR) thông qua sự dịch chuyển của nhóm cacbonyl từ vùng số sóng 1737.86 cm-1 tới 1728.22 cm-1 (hình 1 và hình 2). Hình 1: Phổ IR của nguyên liệu ban đầu Hình 2: Phổ IR của VLHP Tiến hành chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của nguyên liệu ban đầu và VLHP, quan sát thấy VLHP có độ xốp cao hơn và diện tích bề mặt lớn hơn rõ rệt (hình 3 và hình 4). Hình 3: Ảnh chụp SEM của nguyên liệu Hình 4: Ảnh chụp SEM của VLHP T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 2/N¨m 2008 128 3.2. Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của VLHP Các kết quả thực nghiệm cho thấy, khi sử dụng VLHP, thời gian đạt cân bằng của Cd2+ là 20 phút và của Mn2+ là 70 phút (bảng 1 và hình 5). Bảng 1: Ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ Thời gian (phút) Nồng độ cân bằng (mg/l) Cd2+ Mn2+ 0 103,60 183,71 10 36,98 143,00 20 34,03 141,34 40 34,19 139,02 70 33,99 133,89 110 34,05 133,78 150 34,10 133,80 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 50 100 150 200 Thời gian (phút) N ồ n g đ ộ (m g/ l) Cd Mn Hình 5: Ảnh hưỏng của thời gian đến sự hấp phụ 3.3. Kết quả khảo sát dung lượng hấp phụ Cd2+ và Mn2+ của VLHP Khảo sát quá trình hấp phụ các ion Cd2+ và Mn2+ trên VLHP theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir thu được kết quả: dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với Cd2+ là 6,56mg/g và Mn2+ là 3,04mg/g. Các kết quả thực nghiệm cho thấy, sự hấp phụ các ion Cd2+ và Mn2+ được mô tả khá tốt theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (bảng 2, bảng 3, hình 6 và hình 7). Bảng 2: Sự phụ thuộc của tỉ số giữa nồng độ cân bằng và dung lượng hấp phụ vào nồng độ cân bằng của Cd2+ Bảng 3: Sự phụ thuộc của tỉ số giữa nồng độ cân bằng và dung lượng hấp phụ vào nồng độ cân bằng của Mn2+ Cf (mg/l) Cf/q (g/l) 2,33 1,95 4,90 3,25 14,06 5,12 23,14 7,20 48,73 12,07 79,98 17,15 170,00 30,90 287,64 45,66 Cf (mg/l) Cf/q (g/l) 9,72 12,99 18,00 19,80 32,45 22,53 59,45 31,79 100,98 46,32 144,30 60,13 204,71 78,43 280,00 104,15 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 2/N¨m 2008 129 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 50 100 150 200 250 300 350 Cf (mg/l) C f /q (g /l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 50 100 150 200 250 300 Cf C f /q Hình 6: Sự phụ thuộc của tỉ số giữa nồng độ cân bằng và dung lượng hấp phụ vào nồng độ cân bằng của Cd2+ Hình 7: Sự phụ thuộc của tỉ số giữa nồng độ cân bằng và dung lượng hấp phụ vào nồng độ cân bằng của Mn2+ 3.4. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ các ion Cd2+ và Mn2+ của VLHP bằng phương pháp hấp phụ động trên cột Sau khi dội qua cột hấp phụ 30ml dung dịch Cd2+ nồng độ 263,6mg/l và 20ml dung dịch Mn2+ nồng độ 211,71mg/l, hàm lượng các ion kim loại Cd2+ và Mn2+ ở lối ra của cột hấp phụ đã giảm xuống dưới mức phát hiện được của phương pháp AAS. Như vậy, khả năng hấp phụ các ion Cd2+ và Mn2+ theo phương pháp hấp phụ động trên cột của VLHP khá tốt, VLHP hấp phụ Cd2+ tốt hơn Mn2+(hình 8). Hình 8: Kết quả hấp phụ Cd2+ và Mn2+ bằng phương pháp hấp phụ động trên cột 4. Kết luận 1. Đã chế tạo được VLHP từ nguồn phế thải nông nghiệp là vỏ lạc. Xác định được một số đặc điểm bề mặt của VLHP bằng phổ IR và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các kết quả nhận được cho thấy VLHP tỏ ra có tâm hấp phụ mạnh, có độ xốp lớn. 2. Khảo sát sự hấp phụ của VLHP đối với các ion Cd2+ và Mn2+ thu được kết quả: - Thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với Cd2+ là 20 phút, Mn2+ là 70 phút. - Dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với Cd2+ là 6,56mg/g và Mn2+ là 3,04mg/g. - Sự hấp phụ các ion Cd2+ và Mn2+ theo phương pháp hấp phụ động trên cột thu được kết quả khá tốt. VLHP chế tạo từ phụ phNm nông nghiệp, rẻ tiền, dễ kiếm, có khả năng hấp phụ tốt các ion Cd2+ và Mn2+, do vậy, có thể sử dụng trong việc xử lý môi trường
. -50 0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 Bed-volume Nồ n g đ ộ (m g/ l) Cd Mn T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 2/N¨m 2008 130 Tóm tắt Bài báo trình bày về việc chế tạo vật liệu hấp phụ từ phụ phNm nông nghiệp là vỏ lạc. vật liệu này có khả năng hấp phụ tốt các ion Cd2+ và Mn2+ trong môi trường nước và mở ra khả năng áp dụng vào thực tiễn. Summary Develoment of adsorption capacities of Cd2+ and Mn2+ ions on chemically modified peanut hulls in aqueous solution The article shows the develoment of adsorbents from peanut hulls – one kind of agricultural waste. Chemically modified peanut hulls have a good adsorption capacity of Cd2+ and Mn2+ ions in aqueous solution and open a new capacity for this project to be applied to the real life. Tài liệu tham khảo [1]. Roger M.Rowell., Jame S. Han and Jeffrey S. Rowell, Characterization and factors effecting Fiber Properties, Natural Polymers and Agrofibers Composites, 2000, pp.115-134. [2]. E.Clave., J. Francois., L. Billon., B. De Jeso., M.F.Guimon., Crude and Modified Corncobs as complexing Agents for water decontamination, Journal of Applied Polymer Science, 2004, vol.91, pp.820-826. [3]. Trivette Vanghan., Chung W.Seo., Wayne E.Marshall, Removal of selected metal ions from aqueous solution using modified corncobs, Bioresource Technology, 2001, vol.78, pp.133-139.