Luận văn tổng hợp nghiên cứu vật liệu hấp phụ compozit từ polyanilin và các phụ phẩm nông nghiệp hướng đến ứng dụng xử lý môi trường

Luận văn nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ compozit từ polyanilin và phụ phẩm nông nghiệp, ứng dụng hiệu quả trong xử lý môi trường.

• Người hướng dẫn: Ths. Bùi Minh Quý
• Trường học: Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học vật liệu, Hóa học môi trường
• Đề tài: Tổng hợp, nghiên cứu vật liệu hấp phụ compozit từ polyanilin và các phụ phẩm nông nghiệp hướng đến ứng dụng xử lý môi trường
• Loại tài liệu: Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp đại học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Vật liệu hấp phụ

Vật liệu hấp phụ là một trong những giải pháp hiệu quả trong việc xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là kim loại nặng. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ compozit từ polyanilin và các phụ phẩm nông nghiệp. Các vật liệu này được kỳ vọng sẽ mang lại hiệu quả cao trong việc loại bỏ các ion kim loại nặng như Cr(VI), Pb(II) và Cd(II) khỏi nguồn nước thải. Phương pháp hấp phụ được lựa chọn do tính đơn giản, chi phí thấp và hiệu quả cao so với các phương pháp khác.

1.1. Khái niệm và phương trình hấp phụ

Hấp phụ là quá trình các chất bị hấp thụ trên bề mặt của vật liệu hấp phụ. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả quá trình này. Langmuir giả định rằng bề mặt vật liệu hấp phụ là đồng nhất và chỉ có một lớp hấp phụ, trong khi Freundlich phù hợp với bề mặt không đồng nhất và nhiều lớp hấp phụ. Các phương trình này giúp xác định dung lượng hấp phụ tối đa và các thông số liên quan đến quá trình hấp phụ.

1.2. Động học hấp phụ

Động học hấp phụ nghiên cứu tốc độ hấp phụ của các ion kim loại nặng lên vật liệu hấp phụ. Mô hình động học bậc 2 được sử dụng để mô tả quá trình này, cho thấy sự phụ thuộc của tốc độ hấp phụ vào nồng độ ion kim loại và thời gian. Kết quả nghiên cứu cho thấy, các vật liệu compozit polyanilin và phụ phẩm nông nghiệp có khả năng hấp phụ nhanh và hiệu quả các ion Cr(VI), Pb(II) và Cd(II).

II. Compozit polyanilin

Compozit polyanilin là vật liệu được tổng hợp từ polyanilin và các chất mang như mùn cưa, vỏ lạc, vỏ đỗ. Polyanilin là một polymer dẫn điện, có khả năng hấp phụ tốt các ion kim loại nặng. Khi kết hợp với các phụ phẩm nông nghiệp, vật liệu này không chỉ tăng khả năng hấp phụ mà còn tận dụng được nguồn nguyên liệu rẻ tiền, phù hợp với điều kiện kinh tế của Việt Nam. Nghiên cứu này đã tổng hợp thành công các vật liệu compozit dạng muối và dạng trung hòa, với kích thước nanomet.

2.1. Tổng hợp vật liệu compozit

Quá trình tổng hợp vật liệu compozit được thực hiện bằng phương pháp hóa học. Các phụ phẩm nông nghiệp được xử lý và kết hợp với polyanilin để tạo thành vật liệu hấp phụ. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại (IR) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy, vật liệu compozit có cấu trúc đồng nhất và bề mặt xốp, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ.

2.2. Ứng dụng của polyanilin

Polyanilin không chỉ được sử dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường mà còn có nhiều ứng dụng khác như cảm biến, pin, và vật liệu cách điện. Trong nghiên cứu này, polyanilin được sử dụng làm thành phần chính trong vật liệu compozit, nhờ khả năng dẫn điện tốt và tính ổn định cao. Kết quả cho thấy, vật liệu compozit polyanilin và phụ phẩm nông nghiệp có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải công nghiệp.

III. Phụ phẩm nông nghiệp trong xử lý môi trường

Phụ phẩm nông nghiệp như mùn cưa, vỏ lạc, vỏ đỗ được sử dụng làm chất mang trong vật liệu compozit. Những phụ phẩm này không chỉ rẻ tiền mà còn có khả năng hấp phụ tốt các ion kim loại nặng. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng, việc kết hợp các phụ phẩm nông nghiệp với polyanilin giúp tăng hiệu quả hấp phụ và giảm chi phí sản xuất vật liệu. Đây là hướng nghiên cứu phù hợp với điều kiện kinh tế và nguồn nguyên liệu dồi dào của Việt Nam.

3.1. Khả năng hấp phụ của phụ phẩm nông nghiệp

Các phụ phẩm nông nghiệp như mùn cưa, vỏ lạc, vỏ đỗ có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ. Kết quả nghiên cứu cho thấy, các vật liệu compozit từ phụ phẩm nông nghiệp có khả năng hấp phụ tốt các ion Cr(VI), Pb(II) và Cd(II), đặc biệt trong môi trường có pH thích hợp.

3.2. Tận dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền

Việc sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn góp phần giải quyết vấn đề rác thải nông nghiệp. Nghiên cứu này đã mở ra hướng đi mới trong việc tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có để tạo ra các vật liệu hấp phụ hiệu quả, phục vụ cho công tác bảo vệ môi trường.

IV. Ứng dụng xử lý môi trường

Ứng dụng xử lý môi trường của vật liệu compozit polyanilin và phụ phẩm nông nghiệp đã được thử nghiệm trên mẫu nước thải công nghiệp. Kết quả cho thấy, vật liệu này có khả năng loại bỏ hiệu quả các ion kim loại nặng như Cr(VI), Pb(II) và Cd(II), đáp ứng tiêu chuẩn nước thải công nghiệp. Nghiên cứu này mở ra tiềm năng lớn trong việc ứng dụng vật liệu compozit vào thực tế, đặc biệt là trong các khu công nghiệp và khu chế xuất.

4.1. Xử lý nước thải công nghiệp

Vật liệu compozit đã được thử nghiệm trên mẫu nước thải từ nhà máy Kẽm điện phân – Sông Công, Thái Nguyên. Kết quả cho thấy, vật liệu này có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng với hiệu suất cao, đáp ứng tiêu chuẩn nước thải công nghiệp. Điều này chứng tỏ tiềm năng ứng dụng thực tế của vật liệu compozit trong việc xử lý nước thải công nghiệp.

4.2. Hiệu quả kinh tế và môi trường

Việc sử dụng vật liệu compozit từ polyanilin và phụ phẩm nông nghiệp không chỉ mang lại hiệu quả cao trong xử lý môi trường mà còn giúp giảm chi phí sản xuất. Nghiên cứu này góp phần vào việc tìm ra giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm kim loại nặng, đồng thời tận dụng được nguồn nguyên liệu sẵn có trong nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nền công nghiệp ngày càng phát triển thì nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng ngày càng cao, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm kim loại nặng. Nó đang trở thành một vấn đề cấp bách cần đƣợc giải quyết bởi tính chất độc hại của nó đối với các sinh vật sống nói chung và con ngƣời nói riêng [14]. Đã có nhiều phƣơng pháp đƣợc áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra khỏi môi trƣờng nhƣ: phƣơng pháp hóa lý (phƣơng pháp hấp phụ, phƣơng pháp trao đổi ion, …), phƣơng pháp sinh học, phƣơng pháp hóa học…Trong đó phƣơng pháp hấp phụ là một phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến bởi nhiều ƣu điểm so với các phƣơng pháp khác.

[3,4, 20-24, 26-36] Sau khi ba nhà khoa học A.Shirakawa giành giải thƣởng Nobel năm 2000 về polyme dẫn, các nhà khoa học trên thế giới ngày càng quan tâm nghiên cứu nhiều hơn về khả năng ứng dụng của vật liệu này, đặc biệt là polyanilin. Đây là vật liệu đƣợc xem nhƣ vật liệu lý tƣởng vì dẫn điện tốt, bền nhiệt, dễ tổng hợp lại thân thiện với môi trƣờng. Polyanilin cũng đã đƣợc biến tính, lai ghép với nhiều vật liệu vô cơ, hữu cơ thành dạng compozit nhằm làm tăng khả năng ứng dụng của nó trong thực tế. Một trong những vật liệu sử dụng để lai ghép với polyanilin đang đƣợc các nhà khoa học quan tâm là các phụ phẩm nông nghiệp.

Hƣớng nghiên cứu này còn có nhiều ƣu điểm là tận dụng đƣợc nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, phù hợp với đặc điểm kinh tế Việt Nam là một nƣớc nông nghiệp. Loại vật liệu compozit này đã và đang đƣợc nhiều nhà khoa học trong và ngoài nƣớc quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là xem xét đến khả năng ứng dụng của chúng trong xử lý môi trƣờng thông qua quá trình hấp phụ các kim loại nặng. Tuy nhiên ở Việt Nam, hƣớng nghiên cứu này còn khá mới mẻ. Do vậy chúng tôi tiến hành lựa chọn và nghiên cứu đề tài: “Tổng hợp, nghiên cứu vật liệu hấp phụ compozit từ polyanilin và các phụ phẩm nông nghiệp hướng đến ứng dụng xử lý môi trường”.

Mục tiêu đề tài - Tổng hợp vật liệu hấp phụ compozit từ polyanilin và các phụ phẩm nông nghiệp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ - Khảo sát khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng của vật liệu hấp phụ trong dung dịch nƣớc. Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu 3. Cách tiếp cận - Tổng hợp tài liệu có liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu.

- Tiến hành thực nghiệm: tổng hợp vật liệu và khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ các kim loại nặng của vật liệu hấp phụ đã tổng hợp. Phương pháp nghiên cứu - Các phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc, đặc điểm bề mặt nhƣ: Phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR; Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM). - Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) để xác định hàm lƣợng các ion kim loại trƣớc và sau khi hấp phụ. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 4.

Đối tượng nghiên cứu - Các phụ phẩm nông nghiệp: mùn cƣa, vỏ lạc, vỏ đỗ. - Các ion kim loại nặng: chì, cadmi và crom. - Các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ: pH, thời gian hấp phụ, nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ. Phạm vi nghiên cứu - Bƣớc đầu thực hiện nghiên cứu cơ bản trong phòng thí nghiệm và có thử nghiệm đối với một số mẫu thật.

Nội dung nghiên cứu: - Tổng hợp vật liệu compozit từ polyanilin và các chất mang: mùn cƣa, vỏ đỗ, vỏ lạc. - Phân tích đặc trƣng cấu trúc vật liệu và hình dạng bề mặt vật liệu thông qua phổ hồng ngoại IR và nghiên cứu ảnh SEM. - Khảo sát khả năng hấp phụ các ion kim loại crom(VI), chì(II) và cadimi(II) của vật liệu compozit theo các yếu tố: thời gian, pH và nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ. - Khảo sát cân bằng hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich.

- Khảo sát mô hình động học hấp phụ của vật liệu hấp phụ. - Bƣớc đầu thăm dò nghiên cứu, xử lý mẫu nƣớc thải của một khu công nghiệp trên địa bàn Thái Nguyên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ CHƢƠNG 1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng Kim loại nặng (KLN) là một thuật ngữ chỉ nhóm các kim loại có khối lƣợng riêng lớn hơn 4 g/cm 3.

Thuật ngữ này đƣợc sử dụng rộng rãi và thƣờng để chỉ các nguyên tố Cu, Pd, Zn, Hg, Cd, Cr, Ni.[12] KLN thƣờng không tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình sinh hóa của cơ thể sinh vật và thƣờng tích lũy trong cơ thể chúng. Vì vậy nếu hàm lƣợng cao thì chúng là các nguyên tố gây độc hại với sinh vật và con ngƣời. [14] Ngày nay do việc sử dụng các kim loại ngày càng nhiều trong công nghiệp dẫn đến sự ô nhiễm kim loại nặng trong nƣớc tƣơng đối trầm trọng. Tại các thành phố lớn: nhƣ Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, hàng trăm các cơ sở sản xuất công nghiệp đã và đang gây ô nhiễm các nguồn nƣớc do không có các công trình, thiết bị xử lí kim loại nặng.

Hơn thế nữa các khu công nghiệp, khu chế suất, cụm công nghiệp tập trung là rất lớn…Hàng trăm làng nghề trong cả nƣớc nhƣ đúc đồng , nhôm,…lƣu lƣợng hàng ngàn m3/ngày không qua xử lí, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nƣớc và môi trƣờng khu vực. Vì vậy, vấn đề cấp bách hiện nay là nghiên cứu loại bỏ ion kim loại nặng trong nƣớc, nƣớc thải, thực phẩm nhằm đảm bảo chất lƣợng cuộc sống cho con ngƣời. Thái Nguyên lƣu vực sông cầu tiếp nhận nƣớc thải của 6 tỉnh Bắc Cạn, Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Hải Dƣơng, và một phần nƣớc thải của Hà Nội, các cơ sở luyện kim, cán thép, chế tạo máy, tập trung ở Thái Nguyên với tổng nƣớc thải hơn 16000m3/ngày cũng là thủ phạm khiến nguồn nƣớc sông Cầu bị ô nhiễm. Khu công nghiệp lớn thứ hai của Thái Nguyên: KCN Sông Công với các nhà máy sản xuất cơ khí, chế tạo máy động lực nhƣng từ năm 2011 đến nay vẫn chƣa có hệ thống xử lí nƣớc thải, hoặc chỉ có hệ thống xử lý lặng cặn sơ bộ rồi thải thẳng ra sông đem theo rất nhiều dầu mỡ kim loại nặng độc hại.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.1: Giá trị giới hạn nồng độ một số các kim loại nặng trong nƣớc thải công nghiệp [16]. Giá trị giới hạn STT Nguyên tố Đơn vị A B C 1 Chì mg/l 0,1 0,5 1,0 2 Cadimi mg/l 0,005 0,010 0,500 3 Crom (VI) mg/l 0,05 0,10 0,50 4 Đồng mg/l 2,0 2,0 5,0 5 Niken mg/l 0,2 0,5 2,0 6 Mangan mg/l 0,5 1,0 5,0 Trong đó, nƣớc thải công nghiệp có giá trị nồng độ các chất thành phần bằng hoặc nhỏ hơn giá trị quy định trong cột A có thể đổ vào các vực nƣớc đƣợc dùng làm nguồn cấp nƣớc sinh hoạt. Nƣớc thải công nghiệp có giá trị nồng độ các chất thành phần nhỏ hơn hoặc bằng giá trị quy định trong cột B chỉ đƣợc đổ vào các vực nƣớc dùng cho các mục đích giao thông thuỷ, tƣới tiêu, bơi lội, nuôi thuỷ sản, trồng trọt. Nƣớc thải công nghiệp có giá trị các thông số và nồng độ các chất thành phần lớn hơn giá trị quy định trong cột B nhƣng không vƣợt quá giá trị quy định trong cột C chỉ đƣợc phép đổ vào các nơi đƣợc quy định.

Ảnh hƣởng của một số kim loại nặng đến cơ thể con ngƣời 1. Ảnh hưởng của crom [3,12,28,29] Crom là một trong những nguyên tố phổ biến trong tự nhiên. Trong vỏ trái đất, crom chiếm 6.10 3 % tổng số nguyên tử. Crom đƣợc tìm thấy trƣớc tiên ở dạng quặng sắt cromit (FeOCrO3).

Crôm đƣợc sử dụng để chế tạo thép crôm, thép không gỉ, hợp kim. Crôm (VI) oxit, cromat, bicromat là những chất oxy hóa mạnh hay đƣợc sử dụng. Crôm (II) dạng muối là chất khử trong các phản ứng hữu cơ. Nguồn nƣớc thải chứa nhiều crôm là nƣớc thải quá trình thuộc da và mạ điện.

Crom tồn tại ở ba hóa trị là Cr(II), Cr(III), Cr(VI) nhƣng chỉ có Cr(VI) là độc hại nhất tới môi trƣờng. Cr(VI) tồn tại trong môi trƣờng ở 2 dạng cromat CrO 24 và dicromat Cr 2 O 72. Cr 2 O 72 tồn tại trong môi trƣờng axit, còn CrO 24 tồn tại trong môi trƣờng kiềm, giữa hai dạng của crom có cân bằng: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 2CrO 24 + 2H Cr 2 O 72 + H2 O Cr(VI) gây độc cho cơ thể qua gan, thần kinh và tim. Khi tiếp xúc trực tiếp với Cr(VI), da có thể bị nổi phồng và loét sâu, thậm chí bị loét tới xƣơng.

Nếu crom xâm nhập theo đƣờng hô hấp sẽ dẫn tới bệnh viêm yết hầu, viêm phế quản, thanh quản do niêm mạc bị kích thích, sinh ngứa mũi, hắt hơi, chảy nƣớc mũi. Nhiễm độc crom gây ung thƣ phổi, ung thƣ gan và viêm thận. Hàm lƣợng crôm cho phép trong nƣớc uống phần lớn đƣợc qui định là 0,05mg/l. Ảnh hưởng của chì [3,12,14,32,34,36] Chì tồn tại ở các dạng hóa trị : 0, +2, +4 trong đó muối chì hóa trị 2 là hay gặp nhất và có độ bền cao nhất.

Trong các hợp chất hữu cơ chì thƣờng có hóa trị 4. Trong không khí chì kim loại bị oxy hóa tạo ra lớp màng oxit bảo vệ, trong nƣớc tạo ra lớp hydroxit. Trong tự nhiên tồn tại các loại quặng galenit (PbS), cerusit (PbCO3) và anglesit (PbSO4). Chì đƣợc sử dụng để chế tạo acquy chì - axit và hợp kim.

Hợp chất chì hữu cơ, tetraethyl, tetramethyl chì đƣợc sử dụng với lƣợng khá lớn làm chất phụ gia xăng và dầu bôi trơn mặc dù xu hƣớng hiện nay đang là hạn chế và loại bỏ. Nồng độ chì trong thức ăn và không khí có xu hƣớng giảm dần nên sự thâm nhập của nó vào cơ thể chủ yếu do nguồn nƣớc. Tại 200C độ tan của chì nitrat là 522g/l, của chì clorua là 9,9g/l và chì sunfat là 42 g/l. Trong môi trƣờng nƣớc tính năng của hợp chất chì đƣợc xác định chủ yếu thông qua độ tan của nó.

Độ tan của chì phụ thuộc vào pH, pH tăng thì độ tan giảm và phụ thuộc vào các yếu tố khác nhƣ độ muối (hàm lƣợng ion khác) của nƣóc, điều kiện oxy hóa khử. Chì trong nƣớc máy có nguồn gốc tự nhiên chiếm tỉ trọng khiêm tốn, chủ yếu là đƣờng ống dẫn, các thiết bị tiếp xúc có chứa chì. Hàm lƣợng phụ thuộc vào pH, độ cứng, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc.