Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amoni và kim loại nặng trong nước

• Tác giả: Trịnh Xuân Đại
• Người hướng dẫn: PTS. Trần Hồng Côn
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính để xử lý amoni và kim loại nặng trong nước
• Loại tài liệu: Luận văn

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt
• 1.2. Than hoạt tính
• 1.3. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính
• 1.4. Nhóm cacbon-oxi trên bề mặt than hoạt tính
• 1.5. Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ
• 1.6. Biến tính bề mặt than hoạt tính
• 1.7. Tình trạng ô nhiễm amoni, asen và xanh metylen ở nước ta
• 1.7.1. Tình trạng ô nhiễm amoni ở nước ta
• 1.7.2. Tình trạng ô nhiễm asen ở nước ta
• 1.7.3. Tình trạng ô nhiễm xanh metylen
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn
• 2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.1.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Dụng cụ và hóa chất
• 2.2.1. Chuẩn bị hóa chất để tạo vật liệu mới
• 2.2.2. Chuẩn bị hóa chất để phân tích amoni
• 2.2.3. Chuẩn bị hóa chất để phân tích asen
• 2.2.4. Chuẩn bị hóa chất để phân tích xanh metylen
• 2.3. Các phương pháp phân tích ion trong dung dịch
• 2.3.1. Phân tích amoni bằng phương pháp Nessler
• 2.3.2. Phân tích asen bằng phương pháp so màu thủy ngân brômua
• 2.3.3. Phân tích xanh metylen
• 2.4. Phương pháp tính tải trọng hấp phụ
• 2.4.1. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
• 2.4.2. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich
• 2.5. Biến tính than hoạt tính
• 2.5.1. Chuẩn bị vật liệu hấp phụ từ than hoạt tính nguyên khai
• 2.5.2. Biến tính than hoạt tính
• 2.5.2.1. Than xử lý thông thường (dạng than thường : AC-1)
• 2.5.2.2. Than xử lý bằng NaOH (dạng muối Na : AC-2)
• 2.5.2.3. Than xử lý bằng HCl (dạng axit : AC-3)
• 2.5.2.4. Than biến tính bằng HNO3 sau đó trung hòa bằng NaOH (dạng muối Na : AC-4)
• 2.5.2.5. Than biến tính bằng HNO3 (dạng axit : AC-5)
• 2.6. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni, asen và xanh metylen của các vật liệu
• 2.6.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của các vật liệu với amoni
• 2.6.2. Khảo sát thời gian hấp phụ cân bằng amoni
• 2.6.3. Khảo sát khả năng hấp phụ của các vật liệu với asen
• 2.6.4. Khảo sát thời gian hấp phụ cân bằng asen
• 2.6.5. Khảo sát khả năng hấp phụ của than biến tính với xanh metylen
• 2.6.6. Khảo sát thời gian hấp phụ cân bằng xanh metylen
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Cấu trúc bề mặt của than oxi hóa
• 3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ của các vật liệu với amoni
• 3.2.1. Xác định thời gian cân bằng hấp phụ của các vật liệu với amoni
• 3.2.2. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu đối với amoni
• 3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ asen của các vật liệu
• 3.3.1. Xác định thời gian cân bằng hấp phụ của vật liệu với asen
• 3.3.2. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu đối với asen
• 3.4. So sánh khả năng hấp phụ xanh metylen với amoni và asen
• 3.4.1. Xác định thời gian cân bằng hấp phụ của vật liệu với xanh metylen
• 3.4.2. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu đối với xanh metylen
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về than hoạt tính

Than hoạt tính là một dạng cacbon đã được xử lý để tạo ra cấu trúc xốp với diện tích bề mặt lớn. Được sử dụng từ hàng nghìn năm trước, than hoạt tính đã chứng minh hiệu quả trong việc loại bỏ tạp chất trong nước. Cấu trúc hóa học và vật lý của than hoạt tính ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ của nó. Các nghiên cứu cho thấy than hoạt tính có thể hấp phụ các hợp chất hữu cơ và vô cơ, đặc biệt là amoni và kim loại nặng. Việc hiểu rõ về cấu trúc và tính chất của than hoạt tính là cần thiết để tối ưu hóa ứng dụng của nó trong xử lý nước.

1.1. Cấu trúc bề mặt của than hoạt tính

Cấu trúc bề mặt của than hoạt tính rất phức tạp, với các lỗ xốp có kích thước khác nhau. Các lỗ này được phân loại thành lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn, mỗi loại có vai trò riêng trong quá trình hấp phụ. Diện tích bề mặt của than hoạt tính chủ yếu đến từ các lỗ nhỏ, chiếm tới 95% tổng diện tích. Sự phát triển của cấu trúc lỗ xốp phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu và phương pháp sản xuất. Việc tối ưu hóa cấu trúc này có thể nâng cao khả năng hấp phụ của than hoạt tính đối với các chất ô nhiễm trong nước.

1.2. Nhóm cacbon oxy trên bề mặt than hoạt tính

Nhóm cacbon-oxy trên bề mặt than hoạt tính đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất hóa lý và khả năng hấp phụ của nó. Các nhóm này ảnh hưởng đến tính ưa nước, độ phân cực và khả năng xúc tác. Sự hiện diện của oxy trên bề mặt than hoạt tính làm tăng khả năng hấp phụ các chất điện phân và các khí có cực. Nghiên cứu về các nhóm chức bề mặt này là cần thiết để cải thiện hiệu quả của than hoạt tính trong các ứng dụng xử lý nước.

II. Biến tính than hoạt tính

Biến tính than hoạt tính là quá trình cải thiện tính chất hấp phụ của nó thông qua các phương pháp như tẩm hóa chất hoặc xử lý nhiệt. Các phương pháp biến tính này giúp tăng cường khả năng hấp phụ amoni và kim loại nặng trong nước. Việc nghiên cứu các phương pháp biến tính khác nhau cho thấy rằng nhiệt độ và loại hóa chất sử dụng có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả hấp phụ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng than hoạt tính biến tính có thể hấp phụ hiệu quả hơn so với than hoạt tính không biến tính.

2.1. Phương pháp biến tính bằng N2

Biến tính bằng N2 là một trong những phương pháp hiệu quả để cải thiện tính chất hấp phụ của than hoạt tính. Quá trình này giúp tạo ra các lỗ xốp mới và làm tăng diện tích bề mặt. Nghiên cứu cho thấy than hoạt tính được biến tính bằng N2 có khả năng hấp phụ amoni cao hơn so với than hoạt tính thông thường. Điều này mở ra cơ hội ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm amoni.

2.2. Phương pháp biến tính bằng halogen

Biến tính bằng halogen là một phương pháp khác giúp cải thiện khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Quá trình này tạo ra các nhóm chức mới trên bề mặt than, làm tăng khả năng tương tác với các chất ô nhiễm. Nghiên cứu cho thấy than hoạt tính biến tính bằng halogen có khả năng hấp phụ kim loại nặng tốt hơn, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý nước.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy than hoạt tính biến tính có khả năng hấp phụ amoni và kim loại nặng vượt trội so với than hoạt tính không biến tính. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng nhiệt độ và thời gian xử lý có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ. Việc khảo sát khả năng hấp phụ của than hoạt tính biến tính ở các nồng độ khác nhau cho thấy rằng khả năng hấp phụ tăng lên khi nồng độ chất ô nhiễm giảm. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của than hoạt tính biến tính trong xử lý nước ô nhiễm.

3.1. Khả năng hấp phụ amoni

Khả năng hấp phụ amoni của than hoạt tính biến tính đã được khảo sát kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy than hoạt tính biến tính có khả năng hấp phụ amoni cao hơn đáng kể so với than hoạt tính thông thường. Điều này cho thấy rằng việc biến tính than hoạt tính là một giải pháp hiệu quả để xử lý nước ô nhiễm amoni, góp phần cải thiện chất lượng nước sinh hoạt.

3.2. Khả năng hấp phụ kim loại nặng

Khả năng hấp phụ kim loại nặng của than hoạt tính biến tính cũng đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy than hoạt tính biến tính có khả năng hấp phụ các kim loại nặng như cadimi và mangan hiệu quả. Việc sử dụng than hoạt tính biến tính trong xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.