Khảo sát khả năng hấp phụ của PANi – vỏ lạc
theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Frendlich và
Langmuir dạng tuyến tính, kết quả được chỉ
ra trên hình 5.
Từ phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Frendlich dạng tuyến tính, chúng tôi xác định
được hằng số Frendlich KF = 7,94 và hệ số n
= 3,59. Theo tác giả [2] (2012), giá trị n thu
được nằm trong khoảng từ 1 ÷ 10, là khoảng
thuận lợi cho sự hấp phụ, chứng tỏ compozit
PANi – vỏ lạc là vật liệu hấp phụ tốt Cd(II).
Từ phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir dạng tuyến tính, chúng tôi xác định
dung lượng hấp phụ cực đại của compozit
PANi-vỏ lạc qmax = 21,11 mg/g, hằng số trong
phương trình Langmuir KL = 0,11(l/mg).
5 trang |
Chia sẻ: yendt2356 | Lượt xem: 555 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cd(II) của Compozit polyanilin – vỏ lạc, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Bùi Minh Quý và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 85 - 89
85
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cd(II)
CỦA COMPOZIT POLYANILIN – VỎ LẠC
Bùi Minh Quý1*, Vũ Thị Thái Hà1, Vũ Quang Tùng1,
Nguyễn Như Lâm1, Đào Việt Hùng2
1Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên,
2Trường Đại học Nông Lâm – ĐH Thái Nguyên
TÓM TẮT
Compozit polyanilin – vỏ lạc (PANi–vỏ lạc) được tổng hợp bằng phương pháp hóa học trong môi
trường axit với sự có mặt của chất oxi hóa amoni pesunphat. Đặc trưng và cấu trúc hình thái học
bề mặt vật liệu được đánh giá thông qua phân tích phổ hồng ngoại IR và ảnh SEM. Nghiên cứu
khả năng hấp phụ Cd(II) của compozit cho thấy vật liệu này có khả năng hấp phụ Cd(II) ở môi
trường pH = 6, thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 40 phút, sự hấp phụ được mô tả khá tốt theo mô
hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với dung lượng hấp phụ cực đại đạt 21,11 mg/g.
Từ khóa: polyanilin – vỏ lạc, compozit, hấp phụ, mô hình hấp phụ Langmuir, ion Cd(II)
ĐẶT VẤN ĐỀ*
Hiện nay, sự ô nhiễm môi trường nước do các
kim loại nặng nói chung, cadimi và hợp chất
của cadimi nói riêng là mối quan tâm của các
quốc gia trên thế giới. Cadimi và hợp chất của
cadimi có tính độc cao với người. Cadimi gây
bệnh loãng xương và rạn xương. Ngoài ra tỷ
lệ ung thư tiền liệt tuyến và ung thư phổi cũng
khá lớn ở nhóm người thường xuyên tiếp xúc
với chất độc này [3]. Có rất nhiều nguồn gây
ô nhiễm cadimi như nước thải ngành công
nghiệp sản xuất sơn, phẩm màu, pin (Ni-Cd),
mạ điện, Có nhiều phương pháp khác nhau
đã được nghiên cứu và áp dụng để xử lý
cadimi [6]. Một trong các phương pháp đang
được nhiều người quan tâm hiện nay là sử
dụng các compozit tổng hợp từ polyanilin và
phụ phẩm nông nghiệp để làm vật liệu hấp
phụ. Phương pháp này có ưu điểm là sử dụng
nguồn nguyên liệu rẻ tiền, phương pháp tổng
hợp đơn giản và không đưa thêm vào môi
trường các tác nhân độc hại khác. Hướng
nghiên cứu này ở nước ta còn chưa được
khai thác.
Trong khuôn khổ bài báo này, chúng tôi trình
bày kết quả tổng hợp compozit PANi – vỏ lạc
bằng phương pháp hóa học và nghiên cứu khả
năng hấp phụ ion Cd(II) trong môi trường nước.
*
Tel: 0915 836448, Email: bminhquy09@gmail.com
THỰC NGHIỆM
Tổng hợp vật liệu compozit PANi – vỏ lạc
Vỏ lạc được rửa sạch, sấy khô, nghiền nhỏ.
Vật liệu compozit được tổng hợp theo tỉ lệ
khối lượng PANi : vỏ lạc = 1:1 bằng phương
pháp hóa học trong môi trường axit HCl 1M
với sự có mặt của chất oxi hóa amoni
pesunphat, phản ứng tiến hành trong thời gian
18 giờ ở nhiệt độ từ 0÷ 5oC trên máy khuấy
từ. Sản phẩm được lọc rửa bằng nước cất đến
pH = 7, tiếp theo là dung dịch axeton :
metanol tỉ lệ thể tích 1:1 để loại bỏ hết anilin
dư, ngâm sản phẩm trong dung dịch NH3 1N
trong 2 giờ để chuyển vật liệu về dạng trung
hòa. Lọc và sấy khô sản phẩm ở 600C trong 4
giờ, sau đó đưa vào lọ đựng và bảo quản
trong bình hút ẩm [1, 2].
Phương pháp nghiên cứu
Đặc trưng vật liệu compozit được đánh giá
bằng phổ hồng ngoại (IR) trên máy IMPACT
410-Nicolet (Đức). Cấu trúc hình thái học bề
mặt vật liệu được phân tích qua ảnh SEM chụp
trên máy FE-SEM Hitachi S-4800 (Nhật).
Nồng độ Cd (II) trong dung dịch trước và sau
khi hấp phụ được phân tích trên máy quang
phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) của hãng
Thermo (Anh).
Bùi Minh Quý và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 85 - 89
86
Chúng tôi tiến hành nghiên cứu khả năng hấp
phụ của compozit thông qua khảo sát ảnh
hưởng của thời gian hấp phụ, môi trường pH
và nồng độ Cd(II) ban đầu. Dung lượng hấp
phụ của compozit tính theo công thức:
0( )C C Vq
m
−
=
(1)
Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ (mg/g)
V: thể tích dung dịch của chất bị hấp phụ (l)
m: khối lượng chất hấp phụ (g)
C0, C: nồng độ ban đầu và nồng độ sau khi
hấp phụ (mg/l)
Khảo sát cân bằng hấp phụ theo mô hình đẳng
nhiệt hấp phụ Frendlich (2) và Langmuir (3)
dạng tuyến tính, từ đó xác định được hằng số
n và dung lượng hấp phụ cực đại qmax:
logq = logKF + 1/nlogC (2)
ax ax
1 (3)
m L m
C C
q q K q
= +
Trong đó:
n: hệ số
qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)
KF,KL,: hằng số Frendlich, hằng số Langmuir
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả khảo sát một số đặc trưng cấu trúc
vật liệu
Kết quả phân tích phổ hồng ngoại
Quan sát đường phổ của vỏ lạc trên hình 1
thấy xuất hiện pic trong vùng 3420 cm-1 với
cường độ mạnh nhờ dao động hóa trị của
nhóm –OH, tại 2929 cm-1 là dao động hóa trị
của C-H, tại vùng 1562÷1670 cm-1 là dao
động hóa trị của C=C và C=O liên hợp, tại
1012÷ 1161 cm-1 là dao động của C-O.
Trên đường phổ của compozit PANi – vỏ lạc,
do sự có mặt của PANi nên có sự dịch chuyển
các pic đặc trưng của vỏ lạc. Pic –OH bị dịch
chuyển lên vùng có tần số lớn hơn (3427 cm
1), trùng với vùng dao động hóa trị của nhóm
N-H vòng thơm của compozit; pic hấp thụ
của nhóm C-H bị dịch chuyển xuống bước
sóng nhỏ 2924 cm-1. Ngoài các pic đặc trưng
cho vỏ lạc còn có các pic đặc trưng cho
PANi. Pic xuất hiện tại vị trí 1586,1505, 1615
cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm
C=C trong vòng thơm và vòng quinoid, tại
1114 cm-1 là dao động hóa trị của liên kết –
N=quinoid=N-
Kết quả trên đây chứng tỏ vật liệu tổng hợp
được ở dạng trung hòa, phù hợp với kết quả
một số tài liệu đã công bố [4,5,7].
Kết quả phân tích ảnh SEM
Quan sát ảnh SEM ta thấy vỏ lạc sau khi
nghiền tồn tại ở dạng các thớ dài, chạy song
song và khá đều nhau, có kích thước từ 6÷8
µm. Trong khi đó, vật liệu compozit sau khi
đã tổng hợp có cấu trúc dạng sợi với đường
kính khoảng 20 ÷ 40 nm.
Hình 1. Phổ IR của vỏ lạc và compozit PANi – vỏ lạc
Bùi Minh Quý và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 85 - 89
87
Hình 2. Ảnh SEM của vỏ lạc (a) và compozit PANi – vỏ lạc (b)
Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cd(II) của vật liệu compozit PANi – vỏ lạc
Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
0 20 40 60 80 100 120
17.0
17.5
18.0
18.5
19.0
19.5
20.0
20.5
q
(m
g/
g)
Thêi gian (phót)
Hình 3: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ
vào thời gian của compozit
Bảng 1. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất
và dung lượng hấp phụ của compozit
Thời
gian
(phút)
C
(mg/l
H
(%)
q
(mg/g)
5 13, 9 34,52 17,26
10 13,01 34,94 17,47
20 12,54 37,315 18,65
30 12,17 39,14 19,57
60 12,09 39,51 19,75
90 12,06 39,72 19,86
120 12,04 39,82 19,91
Chúng tôi xác định thời gian cân bằng hấp
phụ bằng cách tiến hành quá trình hấp phụ
trong khoảng thời gian từ 5 ÷ 120 phút, nồng
độ Cd (II) ban đầu là 20mg/l, thể tích dung
dịch là 50ml, khối lượng của compozit là
0,02g. Các thí nghiệm tiến hành ở nhiệt độ
phòng (25±1oC). Kết quả được thể hiện trên
bảng 1 và hình 3 cho thấy khi thời gian hấp
phụ tăng thì nồng độ Cd(II) trong dung dịch
sau hấp phụ giảm, dẫn đến hiệu suất hấp phụ
và dung lượng hấp phụ tăng lên.
Theo kết quả khảo sát, sau khoảng 40 phút
đường biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng
hấp phụ vào thời gian có xu hướng tăng rất
chậm, gần như không đổi, chứng tỏ sự hấp
phụ của vật liệu đã ổn định và đạt đến cân
bằng hấp phụ.
Khảo sát ảnh hưởng của pH
Cân chính xác 0,02g PANi – vỏ lạc vào các
cốc dung tích 100ml, cho vào mỗi cốc 50ml
dung dịch Cd(II) có nồng độ ban đầu 20mg/l.
Dùng dung dịch HNO3 và NaOH để điều
chỉnh pH từ 1 ÷ 6. Tiến hành khuấy trong 40
phút ở nhiệt độ phòng (25±1oC), xác định
nồng độ Cd(II) trong dung dịch sau hấp phụ
trên máy phổ hấp thụ nguyên tử, từ đó xác
định hiệu suất và dung lượng hấp phụ. Kết
quả được thể hiện trên bảng 2 và hình 4 cho
thấy, dung lượng và hiệu suất hấp phụ Cd(II)
lớn nhất ở điều kiện pH = 6.
Điều này có thể giải thích như sau: ở môi
trường axit yếu các electron tự do của nhóm
amin hay imin trong polyanilin tạo phức
chelat với các cation kim loại, do đó khả năng
hấp phụ ion kim loại Cd (II) tăng lên. Còn ở
môi trường axit mạnh, polyanilin chuyển về
dạng không có các electron tự do nên không
có khả năng tạo phức với kim loại, khả năng
hấp phụ kém [1,6].
Bùi Minh Quý và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 85 - 89
88
0 1 2 3 4 5 6 7
8
10
12
14
16
18
q
(m
g/
g)
pH
Hình 4. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng
hấp phụ của compozit
Bảng 2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và
dung lượng hấp phụ của compozit
pH C (mg/l)
H
(%)
Q
(mg/g)
1 16,52 17,40 8,70
2 15,95 20,24 10,12
3 16,01 19,93 9,97
4 16,92 13,72 9,02
5 15,67 21,65 10,83
6 13,38 33,13 16,57
Hình 5. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Frendlich (a) và Langmuir (b) dạng tuyến tính
Ảnh hưởng của nồng độ Cd (II) ban đầu đến
dung lượng hấp phụ của PANi – vỏ lạc
Tiến hành thí nghiệm ở các nồng độ Cd(II)
thay đổi từ 8,91÷ 91,93 mg/l, pH = 6, thời
gian hấp phụ là 40 phút. Kết quả thực nghiệm
chỉ ra trong bảng 3 cho thấy, khi nồng độ
ban đầu của Cd(II) tăng thì dung lượng hấp
phụ tăng.
Khảo sát khả năng hấp phụ của PANi – vỏ lạc
theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Frendlich và
Langmuir dạng tuyến tính, kết quả được chỉ
ra trên hình 5.
Từ phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Frendlich dạng tuyến tính, chúng tôi xác định
được hằng số Frendlich KF = 7,94 và hệ số n
= 3,59. Theo tác giả [2] (2012), giá trị n thu
được nằm trong khoảng từ 1 ÷ 10, là khoảng
thuận lợi cho sự hấp phụ, chứng tỏ compozit
PANi – vỏ lạc là vật liệu hấp phụ tốt Cd(II).
Từ phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir dạng tuyến tính, chúng tôi xác định
dung lượng hấp phụ cực đại của compozit
PANi-vỏ lạc qmax = 21,11 mg/g, hằng số trong
phương trình Langmuir KL = 0,11(l/mg).
Bảng 3. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu đến
dung lượng hấp phụ của compozit
C0
(mg/l)
C
(mg/l)
q
(mg/g)
C/q
(g/l) logC Logq
8,91 5,31 9,03 0,59 0.72 1,07
31,39 15,66 12,73 1,23 1,34 1,32
48,82 27,21 10,46 2,60 1,61 1,39
58,88 34,53 16,74 2,06 1,71 1,36
66,66 43,61 13,03 3,35 1,78 1,41
83,79 52,27 16,52 3,17 1,90 1,42
91,93 58,66 19,99 2,93 1,95 1,40
Sự hấp phụ Cd(II) của compozit PANi-vỏ lạc
được mô tả khá tốt theo 2 mô hình, điều này
thể hiện ở hệ số hồi qui của phương trình đều
khá cao, lớn hơn 0,92. Tuy nhiên hệ số hồi
qui của phương trình Langmuir (R2=0,968)
lớn hơn so với hệ số hồi qui của phương trình
Frendlich (R2=0,926). Chứng tỏ sự hấp phụ
Cd(II) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir phù hợp hơn so với mô hình
Frendlich.
KẾT LUẬN
1. Đã tổng hợp được vật liệu hấp phụ
compozit PANi – vỏ lạc bằng phương pháp
(a)
(b)
Bùi Minh Quý và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 85 - 89
89
hóa học, trong đó PANi tồn tại ở dạng trung
hòa. Vật liệu có cấu trúc dạng sợi với đường
kính cỡ 20 ÷ 40 nm.
2. Khả năng hấp phụ Cd(II) của compozit phụ
thuộc vào pH môi trường và đạt hiệu quả tốt
nhất ở pH = 6. Thời gian đạt cân bằng hấp
phụ là 40 phút.
3. Quá trình hấp phụ Cd(II) trên vật liệu
compozit tuân theo mô hình đẳng nhiệt hấp
phụ Langmuir. Dung lượng hấp phụ Cd(II) cực
đại của compozit PANi- vỏ lạc đạt 21,11 mg/g.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Ansari and F.raofie, (2006), “Removal of
Lead Ion from Aqueous Solutions Using sawdust
Coated by Polyaniline”, E-Journal of Chemistry,
Vol.3, No.10, pp 49-59.
[2]. Ghorbani. M et all (2012), “Removal of Zinc
Ions from Aqueous Solution Using Polyaniline
nanocomposite Coated on Rice Husk”, Iranica
Journal of Energy & Environment 3 (1), pp.83-88,
ISSN 2079-2115.
[3]. Ho. Y.S, Wang C.C. (2004), “Pseudo-
isotherms for the sorption of cadmium ion onto tree
fern”, Process Biochemistry,Vol 39, pp. 759–763.
[4]. Khan. R et all ,(2011), “Spectroscopie, kinetic
studies of polyaniline-flyash composite”,
Advandces in Chemical Engineering and Science
1, pp.37-44.
[5]. Tomar A. K., Suman Mahendia and Shyam
Kumar (2011), “Structural characterization of
PMMA blendeded with chemically synthesized
PANi”, Advances in Applied Science Research,
Vol.2 No.3, pp. 327-333.
[6]. Sahayam A.C, (1998), “Determination of Cd,
Cu, Pb and Sb in invironmental samples by ICP –
AES using polyanilin for separation”, Fresenis
J.anal Chem, 362, pp.258-288.
[7]. Trchová. M and Joroslav Stejska, (2011),
“Polyaniline: The infrared spectroscopy of
conducting polymer nanotubes (IUPAC Techical
Report)”, Pure Appl. Chem. Vol. 83 No. 10,
pp.1803-1817.
SUMMARY
STUDYING ON THE ADSORPTION ABILITY OF Cd(II) BY
POLYANILINE – PEANUT SHELL COMPOSITE
Bui Minh Quy1*, Vu Thi Thai Ha1, Vu Quang Tung1,
Nguyen Nhu Lam1, Dao Viet Hung2
1College of Sciences – TNU,2 College of Agriculture and Forestry - TNU
Composites based on polyaniline (PANi) and peanut shell were prepared by chemical method from
acid medium containing aniline using ammonium persulfate as oxidation agent. It was found by
IR- spectroscopy a clearly presence of PANi combined with peanut shell formed composite which
having morphological structure in nano scale by SEM-images. Optimum conditions for Cd(II)
removal were found to be pH 6, equilibrium time of 40 minutes. The equilibrium adsorption
isotherm was described by Langmuir adsorption isotherm model. The maximum adsorption capacity
(qmax) of PANi - peanut shell for Cd(II) in terms of monolayer adsorption was 21.11 mg/g.
Key words: PANi-peanut shell, composite, Langmuir isotherm adsorption, Cadimium ion(II)
*
Tel: 0915 836448, Email: bminhquy09@gmail.com
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- brief_36039_39599_1712013152140851_5092_2052291.pdf