Tài liệu Nghiên cứu hoạt hóa than bùn bằng axit HCl và ứng dụng làm vật liệu hấp phụ Cu2+, Pb2+, Zn2+ trong dung dịch nước

1 B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Đ I H C ĐÀ N NG LÊ TH H NG DƯƠNG NGHIÊN C U HO T HÓA THAN BÙN B NG AXIT HCl VÀ NG D NG LÀM V T LI U H P PH Cu2+, Pb2+, Zn2+ TRONG DUNG D CH NƯ C Chuyên ngành : Hóa h u cơ Mã s : 60 44 27 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ KHOA H C Đà N ng – Năm 2011 2 Công trình ñư c hoàn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. TR N M NH L C Ph n bi n 1: GS. TS. Đào Hùng Cư ng Ph n bi n 2: PGS. TS. Lê T H i Lu n văn s ñư c b o v t i H i ñ ng ch m Lu n văn t t nghi p th c sĩ khoa h c h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 31 tháng 12 năm 2011 * Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm Thông tin – H c li u, Đ i h c Đà N ng - Thư vi n trư ng Đ i h c Sư Ph m, Đ i h c Đà N ng 3 M T các k t qu kh o sát ñ a ch t ñã cho th y b h u như kh p các t nh trong c nư c. Riêng Đ U Vi t Nam có m t lư ng than bùn r t d i dào, ñư c phân vùng Qu ng Nam – Đà N ng ñã có hàng ch c m than bùn ñư c thăm dò, ñi u tra ñánh giá tr lư ng, ch t lư ng và bư c ñ u dư c khai thác s d ng. V i ñ c ñi m ch a nhi u nhóm ch c có kh năng ph n ng cao, hơn n a l i có nhi u trong than bùn nên axit humic ngày càng ñư c chú ý, ñ c bi t là kh năng h p ph trao ñ i cation kim lo i. Than bùn sau khi ñã chi t tách axit humic thì g n như m t h n kh năng trao ñ i cation. Ngư c l i, axit humic sau khi ñư c hoà tan ra dư i d ng mu i humat natri, k t t a tr l i b ng dung d ch axit v n th hi n tính trao ñ i cation m nh c a nó. nư c ta than bùn thư ng ñư c dùng nhi u trong lĩnh v c nông nghi p như làm phân bón, bư c ñ u s d ng axit humic chi t tách t than bùn làm ch t kích thích sinh trư ng. Vi c nghiên c u ng d ng chúng trong lĩnh v c công nghi p như s n xu t c quy, ch t o dung d ch khoan, v t li u h p ph các kim lo i n ng nh m x lý ô nhi m môi trư ng, làm giàu và tách các kim lo i ñ t hi m và phóng x …ñang còn r t h n ch . G n ñây, trong nư c ñã có m t s công trình nghiên c u v kh năng này c a axit humic tách t than bùn, như k t t a các ion thori (V) và chì (II) c a Phan Văn Tình, Lưu Minh Đ i; kh năng tách các ion coban (II), mangan (II) và uran (IV) c a Bùi Duy Cam, Ph m Văn Tình….Vì v y, ñ tài “Nghiên c u ho t hóa than bùn b ng axit HCl và ng d ng làm v t li u h p ph Cu2+, Pb2+, Zn2+ trong dung d ch nư c ” không ch có ý nghĩa lý thuy t mà còn m ra m t kh năng ng d ng l n ñ i v i tài nguyên than bùn d i dào trong nư c hi n có. 2. M c tiêu nghiên c u Tìm các ñi u ki n t i ưu cho quá trình ho t hóa than bùn b ng axit HCl. ng d ng s n ph m than bùn ho t hóa ñ h p ph Cu2+, Pb2+, Zn2+ trong nư c. 3. Đ i tư ng và ph m vi nghiên c u Than bùn vùng Đà N ng. Ho t hóa than bùn b ng axit HCl ng d ng s n ph m làm v t li u h p ph Cu2+, Pb2+, Zn2+ trong nư c. 4. Phương pháp nghiên c u Nghiên c u lý thuy t k t h p v i th c nghi m. 5. Ý nghĩa khoa h c và th c ti n c a ñ tài Ngu n nguyên li u than bùn có s n nhi u ñ a phương nên vi c nghiên ho t hóa than bùn b ng tác nhân axit HCl là ti n ñ cho vi c t o ra s n ph m có kh năng h p ph các ion kim lo i trong nư c có giá thành r . C u trúc c a ñ tài bao g m các ph n sau: Ngoài ph n m ñ u và k t lu n, n i dung lu n văn g m 3 chương: Chương 1: T ng quan tài li u Chương 2: Nguyên li u và phương pháp nghiên c u Chương 3: K t qu và bàn lu n 4 CHƯƠNG 1: T NG QUAN 1.1. T NG QUAN V THAN BÙN 1.1.1. Ngu n g c, phân lo i và tính ch t c a than bùn 1.1.1.1. Ngu n g c hình thành than bùn 1.1.1.2. Phân lo i than bùn 1.1.1.3. M t s tính ch t hóa lí c a than bùn 1.1.2. Ch t mùn trong than bùn 1.1.3. Than bùn Vi t Nam 1.1.3.1. Tr lư ng và ñ a ñi m phân b 1.1.3.2. Đ c ñi m chung 1.1.3.3. Tính ch t v t lý 1.1.3.4. Đ c tính c a c a m t s ngu n than bùn c a vi t Nam 1.1.3.5. S d ng than bùn s n xu t than ho t tính ñ x lý nư c sinh ho t 1.1.4. Quá trình tích t trao ñ i các ion kim lo i trong than bùn 1.1.5. Vai trò c a axit humic trong kh năng h p ph c a than bùn 1.1.5.1. Thành ph n, c u t o axit humic 1.1.5.2. Kh năng h p ph c a axit humic trong than bùn 1.2. H P PH ION KIM LO I TRONG DUNG D CH VÀ CÁC Y U T NH HƯ NG 1.2.1. Cơ ch h p ph 1.2.2. Các y u t nh hư ng ñ n quá trình h p ph 1.2.2.1. nh hư ng c a nhi t ñ 1.2.2.2. nh hư ng c a tính tương ñ ng 1.2.2.3. nh hư ng c a pH 1.2.2.4. nh hư ng c a di n tích b m t ch t r n 1.3. CÁC ION KIM LO I N NG VÀ V N Đ Ô NHI M NGU N NƯ C 1.3.1. Ô nhi m ngu n nư c 1.3.2. Các ion kim lo i n ng 1.3.2.1. Đ ng trong nư c 1.3.2.2. Chì trong nư c 1.3.2.3. K m trong nư c Chương 2. NGUYÊN LI U VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U 2.2.1. L y và x lý nguyên li u than bùn Than bùn ñư c l y h Bàu S u, Hòa Khánh, Đà N ng. 2.2.2. Ho t hóa than bùn b ng dung d ch axit HCl 2.2.2.1. Nghiên c u nh hư ng c a n ng ñ Pha dung d ch HCl v i các n ng ñ như sau: 0,5 M; 1,0 M; 2,0 M; 3,0 M; 4,0 M; 5,0 M L n lư t cân 10 gam than bùn cho vào bình c u 500 ml, thêm 50 ml dung d ch axit HCl v i các n ng ñ ñã pha s n. L p sinh hàn, ñ t trên máy khu y t r i ti n hành ho t hóa trong th i gian 5 gi . K t thúc ho t hóa, thêm t t 200 ml nư c c t vào bình c u, khu y ñ u r i l c. Ph n dung d ch nư c l c: xác ñ nh hàm lư ng các ion kim lo i ñư c gi i phóng (Ca2+; Mg2+; Fe3+). 5 2.2.2.2. Nghiên c u nh hư ng c a th i gian. Ho t hóa than bùn các m c th i gian là: 10- 300 (phút) 2.2.2.3. Nghiên c u nh hư ng c a t l r n l ng 10 gam than bùn : th tích dung d ch HCl: 20; 30; 40; 50; 60 (ml) 2.2.3. Xác ñ nh m t s ñ c tính hóa lý c a than bùn 2.2.3.1. Xác ñ nh hàm lư ng ch t h u cơ c a than bùn Xác ñ nh hàm lư ng h u cơ trong than bùn theo phương pháp Turin. 2.2.3.2. Xác ñ nh hàm lư ng tro Xác ñ nh hàm lư ng tro c a các m u than bùn trư c và sau ho t hóa nhi t ñ 400 - 6000C th i gian nung m u là 4 gi . 2.2.3.3. Xác ñ nh ñ m không khí. Xác ñ nh hàm lư ng tro c a các m u than bùn trư c và sau ho t hóa nhi t ñ 100 - 1050C th i gian s y m u là 6 gi . 2.2.3.4. Ch p nh SEM – Phân tích nhi t TG/DSC - B m t (BET) 2.3. NGHIÊN C U KH NĂNG H P PH ION Cu2+, Zn2+, Pb2+ C A AXIT HUMIC 2.3.1. H p ph b * Cách ti n hành: Cho 0,5 gam than bùn vào c c ch a 50ml dung d ch ion kim lo i M2+ n ng ñ C (mg/l), pH, nhi t ñ phòng, khu y ñ u b ng máy khu y t . Ti n hành thí nghi m v i th i gian t (phút). L c l y dung d ch và xác ñ nh n ng ñ ion kim lo i M2+ còn l i trong dung d ch ng v i t ng y u t kh o sát (th i gian, pH, n ng ñ ñ u ion M2+), ch n giá tr C, pH, t thích h p. * T i tr ng h p ph là lư ng ch t b h p ph b i 1gam ch t h p ph r n, ñư c tính theo công th c: q= ( C i − C f ).V m * Hi u su t h p ph (H%) ñư c tính theo công th c: H (%) = C i − C f . 100 % Ci Trong ñó: q : T i tr ng h p ph (mg/g) H : Hi u su t h p ph (%) V: Th tích dung d ch ñem h p ph (l) m: Kh i lư ng ch t h p ph (g) Ci : N ng ñ c a dung d ch trư c khi h p ph (mg/l) Cf : N ng ñ c a dung d ch sau khi h p ph (mg/l) 2.3.1.1. Kh o sát th i gian ñ t cân b ng h p ph * Cách ti n hành: C = 150 (mg/l); pH = 5; t thay ñ i: 10, 20, 40, 60, 90, 120, 150 (phút) 2.3.1.2. Kh o sát nh hư ng c a pH ñ n quá trình h p ph * Cách ti n hành: C = 150 (mg/l); pH thay ñ i: 2 - 6; t: là th i gian t i ưu. 2.3.1.3. Kh o sát nh hư ng c a n ng ñ ñ u ion M2+ ñ n quá trình h p ph Xác ñ nh t i tr ng h p ph c c ñ i * Cách ti n hành: C thay ñ i: 25, 50, 100, 150, 200, 250, 300 (mg/l); pH: là pH t i ưu; t: là th i gian t i ưu. * T các k t qu thu ñư c, ti n hành h i qui các s li u th c nghi m b ng các ph n m m chuyên d ng ñ xác ñ nh các h ng s c a phương trình h p ph ñ ng nhi t Langmuir. Qua ñó xác ñ nh t i tr ng h p ph c c ñ i c a ion kim lo i. 6 Phương trình ñ ng nhi t có d ng : q = q max . b.C f 1 + b.C f q : t i tr ng h p ph t i th i ñi m cân b ng q max : t i tr ng h p ph c c ñ i b : h ng s ñ c trưng cho năng lư ng tương tác c a ch t h p ph và ch t b h p ph . Đ xác ñ nh các h ng s trong phương trình h p ph ñ ng nhi t Langmuir, có th chuy n phương trình trên thành phương trình ñư ng th ng: Cf q = 1 q max .C f + 1 b.q max Đây là phương trình ñư ng th ng bi u th s ph thu c c a Cf/q vào Cf. T phương trình này, ta xác ñ nh ñư c các h ng s q max và b trong phương trình t ñ d c và ño n c t tr c tung. 2.3.2. H p ph c t * Chu n b c t than bùn: Dùng m t c t thu tinh 25 x 1 cm ñã r a s ch, s y khô, phía dư i có khoá ñóng m . Dùng k p l p lên giá cho c t th ng ñ ng, khoá phía dư i ñóng l i. Lót m t l p bông th m nư c dư i ñáy r i ñ vào c t 3 gam than bùn ñã qua rây 0,5mm, r i cho 20 ml nư c c t (dung môi r a c t). Gõ nh cho l p h p ph l ng ñ u, ñ ng th i ñ cho các b t khí thoát ra. M khoá lo i b dung môi r a c t, ñ n khi dung môi cách b m t c a l p h p ph 0,5 cm thì ñóng khoá l i. * Cách ti n hành: D i 150ml dung d ch M2+ có n ng ñ C (mg/l), pH, qua c t axit humic, nhi t ñ phòng, m i phân ño n là 50ml (thu ñư c 3 phân ño n). Đi u ch nh cho dung d ch ch y ra v i t c ñ là x ml/phút. Thu dung d ch ch y ra t ng phân ño n. Xác ñ nh n ng ñ M2+ còn l i trong dung d ch. ng v i t ng y u t kh o sát (t c ñ ch y, pH, n ng ñ ñ u ion M2+), ch n giá tr C, pH, x thích h p. 2.3.2.1. Kh o sát nh hư ng c a t c ñ ch y (c a dung d ch d i qua c t) ñ n kh năng h p ph * Cách ti n hành: C = 150 (mg/l); pH = 4; x thay ñ i: 1; 2; 3; 4; 5 (ml/phút) 2.3.2.2. Kh o sát nh hư ng c a pH ñ n kh năng h p ph * Cách ti n hành: C = 150 (mg/l); pH thay ñ i: 2 - 6; x: là t c ñ ch y t i ưu (ml/phút) 2.3.2.3. Kh o sát nh hư ng c a n ng ñ ñ u ion M2+ ñ n quá trình h p ph * Cách ti n hành: C: thay ñ i 50, 100, 150, 200, 250, 300 (mg/l); pH: là pH t i ưu; x: là t c ñ ch y t i ưu (ml/phút) Chương 3. K T QU VÀ BÀN LU N 3.1. L Y M U VÀ XÁC Đ NH Đ C TÍNH C A M U THAN BÙN 3.1.1. L y m u và x lý sơ b * Sơ ñ x lý sơ b than bùn t nguyên li u ñ u Nư c Than bùn nguyên li u Khu y ñ u Ph n chưa phân h y, l c b Huy n phù than bùn Đ l ng, l c g n Lo i cát Huy n phù than bùn Đ l ng, l c qua v i, ñ khô ngoài không khí Than bùn khô, nghi n, qua rây 0,5mm 7 3.1.2. Xác ñ nh các ñ c tính hoá lý c a than bùn 3.1.2.1. Xác ñ nh ñ Đ m m trung bình: 5,193%. H s khô ki t trung bình: 0,948 3.1.2.2. Xác ñ nh hàm lư ng tro Hàm lư ng tro trung bình c a than bùn ñ t 25,42%. 3.1.2.3. Xác ñ nh hàm lư ng h u cơ K t qu xác ñ nh hàm lư ng h u cơ trong m u than bùn nghiên c u là: 61,55%. 3.1.2.4. Xác ñ nh di n tích b m t Di n tích b m t c a than bùn theo phương pháp BET là 0,9551 m²/g ± 0,0376 m²/g. Như v y di n tích b m t c a than bùn có giá tr không l n nhi u so v i các lo i v t li u t nhiên khác. Hình 3.3. Đ th ñư ng h p ph N2 theo BET c a than bùn. 3.1.2.5. nh SEM c a than bùn trư c ho t hóa Trên nh SEM c a than bùn ta nh n th y vâti li u than bùn có c u t o r t tơi x p, b m t l i lõm v i nhi u n p g p và có nh ng nét ñ c trưng cho lo i v t li u t nhiên v i c u trúc không ñ ng nh t. 8 3.2. NGHIÊN C U CÁC Y U T DUNG D CH HCl. NH Ư NG Đ N QUÁ TRÌNH HO T HÓA THAN BÙN B NG 3.2.1. nh hư ng c a n ng ñ axit HCl ñ n quá trình ho t hóa Cách ti n hành: than bùn: 10 gam, dung d ch axit HCl: 50 ml, th i gian: 5 gi , n ng ñ HCl thay ñ i t 0,5 M ñ n 5,0 M. Hình 3.8. nh hư ng c a n ng ñ axit HCl ñ n quá trình ho t hóa Nh n xét: T ng hàm lư ng Ca2+, Mg2+, Fe3+ b hoà tan tăng khi tăng n ng ñ axit HCl và t n ng ñ HCl 4M tr ñi thì t ng hàm lư ng các ion kim lo i b tan ra tăng không ñáng k có th do h u h t ph n kim lo i có th hoà tan ñư c ñã hoà tan h t. Như v y, t k t qu này có th ch n n ng ñ axit HCl là 4M ñ ti n hành kh o sát các y u t khác. 3.2.2 nh hư ng c a th i gian ñ n quá trình ho t hóa Cách ti n hành: than bùn: 10 gam, dung d ch axit HCl: 50 ml, n ng ñ HCl: 4,0 M, th i gian thay ñ i t 10 phút ñ n 300 phút. Hình 3.9. nh hư ng c a th i gian ñ n quá trình ho t hóa than bùn Nh n xét: V i n ng ñ axit HCl 4M, t ng hàm lư ng các ion Ca2+, Mg2+, Fe3+ b hoà tan ra trong 30 phút ñ u không ñáng k , nhưng sau 1gi thì l i tăng r t ít. Rõ ràng là 30 phút ñ u ch x y ra s th m ư t và ti p xúc, quá trình hoà tan th c s x y ra trong 30 phút ti p theo, g n như hoàn t t sau 1 gi . Như v y, ta ch n th i gian 1gi ñ ti n hành kh o sát nh hư ng c a các y u t khác ñ n quá trình ho t hóa. 3.2.3. nh hư ng c a t l r n l ng Cách ti n hành: than bùn: 10 gam, n ng ñ HCl: 4,0 M, th i gian:60 phút, th tích dung d ch axit HCl thay ñ i t 20 ml ñ n 60 ml. 9 Hình 3.10. nh hư ng c a t l r n l ng ñ n quá trình ho t hóa than bùn Nh n xét: Khi s d ng 10 gam than bùn v i 20 ml dung d ch axit HCl 4M thì lư ng axit này m i ch ñ ñ th m ư t than bùn, do ñó t ng hàm lư ng các ion kim lo i ñư c gi i phóng ra ít. Khi tăng th tích axit lên 30 ml thì t ng hàm lư ng các ion kim lo i ñư c gi i phóng ra tăng cao và ñ hoà tan h u h t lư ng ion kim lo i có th hoà tan lư ng các ion kim lo i ñư c gi i phóng ra tăng không ñáng k . Như v y, có th ch n t l r n l ng là 10 g than bùn/30 ml axit HCl 4M. K t lu n: Như v y, sau khi kh o sát các y u t n ng ñ axit, th i gian ho t hóa, t l r n/l ng nh hư ng ñ n quá trình ho t hóa than bùn b ng dung d ch HCl, ta thu ñư c ñi u ki n thích h p cho quá trình ho t hóa như sau: - N ng ñ axit HCl: 4M - Th i gian ho t hóa : 1gi - T l kh i lư ng than bùn/ th tích dung d ch axit : 1(g)/3(ml). T i nh ng ñi u ki n trên, chúng tôi ti n hành ho t hóa 0,5 kg than bùn b ng 1,5 lít dung d ch axit HCl 4M, th i gian 1gi . M u sau ho t hoá ñ ngu i r a g n nhi u l n và sau ñó chuy n lên gi y l c kh l n r a ñ n h t Cl-. M u sau khi l c, ñem s y khô, l c qua rây 0,5 mm ñ ti n hành kh o sát kh năng h p ph các ion kim lo i Cu2+, Pb2+, Zn2+ trong nư c (nghiên c u h p ph b và h p ph c t) 3.2.4. Đ c tính hóa lí c a than bùn ho t hoá 3.2.4.1. Xác ñ nh ñ Đ m m trung bình: 19,313%. H s khô ki t trung bình: 0,807 Nh n xét: kh năng h p th nư c c a than bùn ho t hóa l n hơn nhi u so v i các m u than bùn trư c khi ho t hóa (Đ m trư c ho t hóa là 5,193%, sau ho t hóa là 19,313% ). H s khô ki t c a than bùn ho t hóa nh hơn so v i m u than bùn trư c ho t hóa. Có th gi i thích kh năng gi nư c c a than bùn ho t hóa là do ho t tính b m t ñư c nâng cao. Do ñó, ñã làm cho kh năng h p ph nư c tăng lên rõ r t. 3.2.4.2. Xác ñ nh hàm lư ng tro Hàm lư ng tro trung bình: 16,56% Nh n xét: Hàm lư ng tro c a than bùn sau ho t hóa gi m ñi khá nhi u so v i than bùn trư c ho t hóa, hàm lư ng tro gi m t 25,42% xu ng còn 16,56 %. Có th gi i thích s gi m hàm lư ng tro c a m u than bùn sau ho t hóa so v i m u than bùn trư c ho t hóa ch y u là do quá trình hoà tan các ion kim lo i d ng h p ph b ñ y ra kh i m u than bùn b ng ph n ng trao ñ i v i H+ khi ho t hoá. Ngoài ra, còn m t ph n h p ch t vô cơ có th ñã b axit hòa tan và b ñ y ra kh i m u than bùn. 3.2.4.3. Xác ñ nh hàm lư ng h u cơ K t qu xác ñ nh hàm lư ng h u c a m u than bùn nghiên c u là: 66,02%. 3.2.4.4. Xác ñ nh di n tích b m t K t qu xác ñ nh di n tích b m t c a than bùn sau ho t hóa 0,9331 m²/g ± 0,0376 m²/g. Như v y, di n tích b m t c a than bùn sau ho t hóa có giá tr gi m chút ít so v i trư c ho t hoá. Đ lý gi i chính xác ñi u này có l c n các nghiên c u ñ y ñ và sâu r ng hơn. 10 Hình 3.11. Đ th ñư ng h p ph N2 theo BET c a than bùn sau ho t hóa. 3.2.4.5. nh SEM c a than bùn sau ho t hóa Nh n xét: Các nh SEM c a than bùn sau khi ho t hóa rõ ràng ñã b bi n ñ i r t sâu s c so v i trư c khi ho t hóa. Trên b m t than bùn ho t hóa xu t hi n h th ng l nh v i c u trúc ñ u ñ n nh t ñ nh. Các l nh trên b m t than bùn sau ho t hóa có th t o ra b i các ph n d b hoà tan có trong than bùn như axit fulvic, m t s lipit, lignin, các h t keo sét b r a trôi.... Có v như c u trúc d ng s i c a xenlulozơ trong xác th c v t chưa phân hu hoàn toàn v i khung C ñang bi n ñ i d dang là ph n còn l i c a than bùn sau ho t hoá. 3.2.4.6. Xác ñ nh nhi t vi sai Đ hi u rõ hơn v nh hư ng c a quá trình ho t hoá b ng dung d ch HCl ñ i v i than bùn cũng như ñánh giá ñ b n nhi t c a ph n còn l i sau ho t hoá, chúng tôi ch p ph phân tích nhi t vi sai c a m u sau ho t hoá. 11 Hình 3.16. Ph phân tích nhi t vi sai c a than bùn sau ho t hóa Trên gi n ñ phân tích nhi t, th y có hi u ng thu nhi t r t m nh 158,50C ( ng v i ñ gi m kh i lư ng là 56,15%) ch ng t t i vùng quanh nhi t ñ này có s phá hu ñ ng th i và m nh v c u trúc m u sau ho t hoá. Đ gi m kh i lư ng m nh và sâu ch hi u ng này và sau ñó kh i lư ng m u g n như không thay ñ i cho th y tính ñ ng nh t trong m u than bùn sau ho t hoá. 3. 3. K T QU NGHIÊN C U KH NĂNG H P PH CÁC ION KIM LO I Cu2+, Pb2+, Zn2+ C A THAN BÙN SAU HO T HÓA 3.3.1. K t qu h p ph M2+ b ng than bùn trong ñi u ki n h p ph b 3.3.1.1. nh hư ng c a th i gian h p ph Cách ti n hành: than bùn sau ho t hóa: 0,5 gam, 50ml dung d ch M2+: 150 (mg/l), pH = 5, th i gian thay ñ i t 20 - 150 phút. Hình 3.17. T i tr ng h p ph c a ion M2+ theo th i gian K t qu kh o sát th i gian ñ t cân b ng h p ph cu các ion như sau: Cu2+ là 90 phút, Pb2+ là 70 phút, Zn2+ là 60 phút. Th i gian ñ t cân b ng h p ph c a các ion khác nhau có th ñư c gi i thích là do kh năng liên k t c a các ion lo i v i các axit có trong than bùn. Kh năng liên k t này b nh hư ng b i c u trúc c a than bùn sau ho t hóa và kích thư c c a các ion kim lo i. 3.3.1.2. nh hư ng c a pH Cách ti n hành: than bùn sau ho t hóa: 0,5 gam, 50ml dung d ch M2+: 150 (mg/l), th i gian: Cu2+ (90 phút), Pb2+ (70 phút), Zn2+ (60 phút), pH thay ñ i t 2 - 6. Hình 3.18. nh hư ng pH ñ n kh năng h p ph ion M2+ 12 Qua k t qu kh o sát nh hư ng c a pH dung d ch ñ n kh năng h p ph c a các ion kim lo i có th th y: Kh năng h p ph ion M2+ c a than bùn ho t hóa ph thu c r t l n vào pH c a dung d ch h p ph , phù h p v i qui lu t chung c a quá trình t o ph c gi a các ion kim lo i v i ph i t thu c nhóm các axit y u HnL. pH th p, kh năng h p ph c a than bùn ho t hóa không ñáng k , kh năng ñó tăng khi pH c a dung + d ch h p ph tăng t 3 - 5. Nguyên nhân là do s kém n ñ nh c a ph c chelat t o thành gi a ion kim lo i và axit humic và axit funvic vùng pH th p. M t khác, các ph i t L liên k t ch t ch v i ion H+ nên không có ho c kém có kh năng tương tác ph i trí v i các ion kim lo i. Lúc này ph n ng ph i trí gi a ion kim lo i v i ñôi ñi n t t do nguyên t N hay O c nh tranh v i ph n ng proton hóa nhóm amino – NH2 thành – NH3 . Vì v y, n ng ñ ion M2+ còn l i sau khi h p ph càng cao khi pH c a dung d ch h p ph càng th p. + + T i pH = 5, kh năng h p ph c a than bùn ho t hóa là l n nh t. Khi pH > 5, kh năng h p ph gi m. Nguyên nhân là pH cao, nhóm amino không b proton hóa và ion kim lo i d dàng liên k t v i nhóm amino. M t khác, pH > 5 có s thu phân c a M2+ trong dung d ch t o thành các s n ph m M(OH)+ và M(OH)2. Trong thí nghi m t o môi trư ng pH = 6 ñã s d ng dung d ch NaOH và ñi u này làm tăng pH c c b làm m t lư ng nh humic hoà tan. 3.3.1.3. nh hư ng n ng ñ ñ u c a ion M2+ Cách ti n hành: than bùn sau ho t hóa: 0,5 gam, th tích dung d ch M2+: 50ml, pH = 5, th i gian: Cu2+ (90 phút), Pb2+ (70 phút), Zn2+ (60 phút), n ng ñ M2+ thay ñ i 25mg/l ñ n 300 (mg/l). Hình 3.19. nh hư ng c a n ng ñ ñ u ion M2+ ñ n t i tr ng h p ph Nh n xét: T k t qu cho th y t i tr ng h p ph ion M2+ lên than bùn sau ho t hóa tăng d n theo chi u tăng c a n ng ñ ñ u c a ion kim lo i. Tuy nhiên, khi n ng ñ M2+ tăng lên thì hi u su t h p ph gi m xu ng. n ng ñ th p t i tr ng h p ph tăng tương ñ i tuy n tính, khi n ng ñ tăng lên thì t i tr ng h p ph tăng ch n và sau ñó g n như không ñ i vì ñã ñ t bão hòa . 3.3.1.4. Xác ñ nh t i tr ng h p ph c c ñ i * Đ i v i Cu2+ Hình 3.20. D ng tuy n tính c a phương trình Langmuir ñ i v i Cu2+ T phương trình ñ ng nhi t: y = 0,1404x + 2,1314 ta tính ñư c: 13 T i tr ng h p ph c c ñ i: qmax (Cu2+) = 1 1 = 7,12 (mg/g). Ái l c h p ph : b = = 0,066. 0,1404 7,12.2,1314 * Đ i v i Pb2+ Hình 3.21. D ng tuy n tính c a phương trình Langmuir ñ i v i Pb2+ T phương trình: y = 0,0779x + 1,0412 ta tính ñư c: T i tr ng h p ph c c ñ i: qmax (Pb2+) = 1 1 = 12,84 (mg/g). Ái l c h p ph : b = = 0,075 0,0779 12,84.1,0412 * Đ i v i Zn2+ Hình 3.22. D ng tuy n tính c a phương trình Langmuir ñ i v i Zn2+ T phương trình: y = 0,183x + 3,8072 ta tính ñư c: T i tr ng h p ph c c ñ i: qmax (Zn2+) = 1 1 = 5,46 (mg/g). Ái l c h p ph : b = = 0,048 0,183 5,46.3,8072 * Tóm l i: t i tr ng h p ph c c ñ i c a than bùn sau ho t hoá c a Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ và giá tr c th lư t là: qmax (Pb2+) = 12,84 (mg/g); qmax (Cu2+) = 7,12 (mg/g). qmax (Zn2+) = 5,46 (mg/g) Giá tr ái l c h p ph c a Cu2+ = 0,066; c a Pb2+ = 0,075; c a Zn2+ = 0,048. Do ái l c v i ion Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ nên kh năng h p ph ion kim lo i gi m d n theo th t : Pb2+ > Cu2+ > Zn2+. Có th gi i thích v kh năng h p ph các ion kim lo i c a than bùn sau ho t hóa như sau: kh năng h p ph ph thu c vào b n ch t c a ion kim lo i. Đ i v i ion cùng hóa tr như Pb2+, Cu2+, Zn2+ thì ion nào có bán kính l n hơn s có l p v hydrat hoá m ng hơn và như th s b h p ph m nh hơn. Ngoài ra, ion Pb2+ r t d b th y phân, do v y trong quá trình h p ph có m t lư ng l n hydroxit chì ñã bám trên b m t v t li u h p ph . T k t qu trên có th th y mô hình h p ph ñ ng nhi t Langmuir mô t khá chính xác s h p ph c a M lên than bùn sau ho t hóa. Đi u này ñư c th hi n qua h s tương quan R2 c a phương trình h i qui. 2+ 3.3.2. K t qu h p ph M2+ b ng than bùn sau ho t hóa trong ñi u ki n h p ph c t Các nghiên c u sơ b ban ñ u cho th y: than bùn sau ho t hóa cho vào dung d ch b rã ra thành d ng b t m n nên khi s d ng c t thu tinh ñư ng kính d = 1 (cm) thì dung d ch ch y qua c t l p than bùn r t khó 14 khăn và sau m t th i gian thì b t c l i. Vì v y quá trình h p ph c t ñư c ti n hành trên c t th y tinh có d = 1,5 (cm). C t th y tinh ñã r a s ch, ñ khô, phía dư i có khoá ñóng m . Dùng k p l p lên giá cho c t th ng ñ ng, khoá phía dư i ñóng l i. Lót m t l p bông th m nư c dư i ñáy r i ñ vào c t 3 gam axit than bùn ho t hóa ñã qua rây 0,5mm, r i cho 50 ml nư c c t chia làm 2 l n (dung môi r a c t). Gõ nh cho l p h p ph l ng ñ u, th m ư t, ñ ng th i ñ cho các b t khí thoát ra. M khoá lo i b dung môi r a c t, ñ n khi dung môi cách b m t c a l p h p ph 0,5 cm thì ñóng khoá l i. 3.3.2.1. nh hư ng c a t c ñ ch y ñ n kh năng h p ph Cách ti n hành: dung d ch M2+ 150 ml, n ng ñ 150 (mg/l), pH = 5, nhi t ñ phòng. Đi u ch nh cho dung d ch ch y ra v i t c ñ 1ml/phút và t c ñ 3ml/phút. M i phân ño n 50 ml dung d ch và thu dung d ch ch y ra, ñem xác ñ nh n ng ñ c a ion kim lo i còn l i trong dung d ch. Hình 3.23. nh hư ng c a t c ñ dòng ch y c a M2+ Nh n xét: Do hàm lư ng mùn cao và than bùn ho t hóa trong dung d ch b rã ra thành d ng b t m n nên dung d ch ch y qua l p than bùn r t khó khăn nên s khác nhau v t i tr ng h p ph gi a hai t c ñ ch y này chênh l ch nhau không nhi u. T k t qu trên chúng tôi ch n t c ñ ch y 3ml/phút, thu dung d ch phân ño n ñ u tiên (tương ng v i 50 ml dung d ch M ñ i v i các ion Cu , Pb và Zn ñ ti n hành các nghiên c u ti p theo. 2+ 2+ 2+ 2+ 3.3.2.2. nh hư ng c a pH dung d ch ñ n kh năng h p ph * Cách ti n hành: Dung d ch M2+: 50 ml, n ng ñ 150 (mg/l) v i pH c a dung d ch thay ñ i t 2 - 6, nhi t ñ phòng, ñi u ch nh t c ñ dòng 3ml/phút. Hình 3.24. nh hư ng c a pH dung d ch. Nh n xét: T k t qu trên chúng tôi nh n th y pH dung d ch nh hư ng r t l n ñ n t i tr ng h p ph c a than bùn sau ho t hóa ñ i v i các ion M2+. T i tr ng h p ph tăng d n t pH =2 ñ n pH =5 r i gi m pH=6. Chúng tôi gi i thích trư ng h p nh hư ng c a pH dung d ch ñ n t i tr ng h p ph c t tương t như trong ph n h p ph b . T k t qu này chúng tôi ch n giá tr pH=5 ñ nghiên c u ti p nh hư ng c a n ng ñ . 3.3.2.3. nh hư ng c a n ng ñ dung d ch ñ n kh năng h p ph 15 * Cách ti n hành: Dung d ch M2+: 50 ml, thay ñ i n ng ñ t 25 (mg/l) ñ n 300 (mg/l) v i pH dung d ch b ng 5, nhi t ñ phòng. Đi u ch nh cho dung d ch ch y ra v i t c ñ 3ml/phút. Nh n xét: T k t qu trên chúng tôi nh n th y khi n ng ñ c a dung d ch ion M2+ tăng lên thì t i tr ng h p ph tăng. Tuy nhiên, khi tăng n ng ñ dung d ch thì hi u su t h p ph gi m m nh. K T LU N VÀ KI N NGH I. K t lu n 1. Đã xác ñ nh ñ c tính c a than bùn Liên Chi u – Đà N ng: +Đ m: 5,193% ( ng v i h s khô ki t là 0,948) + Hàm lư ng h u cơ: 61,55%. + Hàm lư ng tro: 25,42%. + Di n tích b m t: 0,9551 m²/g ± 0,0376 m²/g. + C u trúc t vi ñư c ñánh giá qua ch p nh kính hi n vi ñi n t quét (SEM). 2. Đã kh o sát ñư c ñi u ki n t i ưu khi ti n hành ho t hóa than bùn b ng dung d ch axit HCl. N ng ñ axit HCl là 4M, th i gian ho t hóa là 1 gi và t l r n l ng là 10g than bùn/ 30 ml axit. 3. Đã ti n hành xác ñ nh m t s ñ c tính c a than bùn ho t hóa: +Đ m 19,313 + Hàm lư ng tro 16,56 + Hàm lư ng mùn 66,02%. + Di n tích b m t: 0,9331± 0,0376 m²/g. + C u trúc t vi ñư c ñánh giá qua ch p nh kính hi n vi ñi n t quét (SEM). 4. Đã nghiên c u h p ph ion M2+ c a than bùn sau ho t hóa (kích thư c h t bé hơn 0,5mm) ki n tĩnh (h p ph b ) thu ñư c m t s k t qu : - Đ i v i Cu2+: + Th i gian ñ t cân b ng h p ph : 90 phút. + pH t i ưu: pH = 5. + T i tr ng h p ph c c ñ i: q max = 7,12 (mg/g) + Hi u su t h p ph l n nh t: 78,45% ng v i n ng ñ ñ u 25 mg/l. - Đ i v i Pb2+: + Th i gian ñ t cân b ng h p ph : 70 phút. + pH t i ưu: pH = 5. + T i tr ng h p ph c c ñ i: q max = 12,84 (mg/g) + Hi u su t h p ph ñ t: 85,62% ng v i n ng ñ ñ u 25 mg/l. - Đ i v i Zn2+: + Th i gian ñ t cân b ng h p ph : 60 phút. + pH t i ưu: pH = 5. + T i tr ng h p ph c c ñ i: q max = 5,46 (mg/g) + Hi u su t h p ph ñ t: 60,33% ng v i n ng ñ ñ u 25 mg/l. 5. Đã nghiên c u h p ph ion M2+ c a than bùn sau ho t hóa b ng c t th y tinh 50x 1,5 cm - T c ñ ch y 3ml/phút ñ i v i c 3 ion Cu2+, Pb2+, Zn2+ - pH t i ưu là 5 Zn2+ : 74,40% - Hi u su t h p ph : M2+ (25mg/l): Cu2+ : 73,15%; Pb2+ : 91,02%; II. Ki n ngh ñi u 16 Than bùn nư c ta hi n nay có tr lư ng l n, phân b ñ u kh p trên c nư c, giá thành r cho nên c n m r ng nghiên c u v các s n ph m ho t hóa t than bùn. Trên cơ s h p ph các ion kim lo i c a than bùn ho t hóa, có th m r ng nghiên c u ng d ng than bùn ho t hóa vào ngành s n xu t phân bón ñ tăng kh năng gi các ch t dinh dư ng c a phân. bón