Khảo sát loại bỏ các ion fe zn trong dung dịch nước bằng cây cyperus alternifolius thủy trúc và chế tạo vật liệu xúc tác từ bã thải sau xử lí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Phạm Thị Kim Tuyền KHẢO SÁT LOẠI BỎ CÁC ION Fe, Zn TRONG DUNG DỊCH NƢỚC BẰNG CÂY CYPERUS ALTERNIFOLIUS (THUỶ TRÚC) VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC TỪ BÃ THẢI SAU XỬ LÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Phạm Thị Kim Tuyền KHẢO SÁT LOẠI BỎ CÁC ION Fe, Zn TRONG DUNG DỊCH NƢỚC BẰNG CÂY CYPERUS ALTERNIFOLIUS (THUỶ TRÚC) VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC TỪ BÃ THẢI SAU XỬ LÍ Chuyên ngành: Hóa Vơ Mã số: 8440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ TRÚC LINH TS NGUYỄN KIM DIỄM MAI Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Chúng xin cam đoan công trình nghiên cứu chúng tơi Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn Phạm Thị Kim Tuyền LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Thị Trúc Linh, TS Nguyễn Kim Diễm Mai giao đề tài tận tình bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô môn Hóa Vơ q Thầy Cơ Khoa Hóa giúp đỡ nhiệt tình tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình tơi tiến hành thực nghiệm Khoa Hóa học MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục hình ảnh Danh mục bảng biểu Danh mục từ viết tắt MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Phương pháp phytoremediation 1.1.1 Cơ chế tích trữ kim loại nặng phương pháp phytoremediation 1.1.2 Cơ chế hấp thụ kim loại nặng phương pháp phytoremediation 1.1.3 Giới thiệu Cyperus alternifolius 1.1.4 Một số công trình nghiên cứu sử dụng Cyperus alternifolius để xử lí nước thải 10 1.2 Thuốc nhuộm Sodium 4-{[4-(dimethylamino)phenyl]diazenyl}benzene1-sulfonate 13 1.3 Vật liệu quang xúc tác 14 Chƣơng NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18 2.1 Hóa chất, thiết bị 18 2.2 Thực nghiệm xử lí nước nhiễm ion kim loại thực vật (phytoremediaton) 18 2.3 Điều chế vật liệu xúc tác 22 2.4 Đặc trưng chất xúc tác 24 2.5 Khảo sát hoạt tính hấp phụ, quang xúc tác 24 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Khả làm nước ô nhiễm mô Thuỷ trúc 26 3.1.1 Nước ô nhiễm mô chứa ion Zn2+ 26 3.1.2 Nước ô nhiễm mô chứa ion Fe3+ 32 3.2 Đặc trưng hoạt tính hấp phụ, quang xúc tác vật liệu xúc tác tổng hợp từ mẫu rễ Thuỷ trúc 37 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các ngăn tế bào đường chuyển tế bào Hình 1.2 Cơ chế thực vật trải qua trình hấp thụ lưu trữ kim loại nặng Hình 1.3 Cây Cyperus alternifolius (Thủy trúc) loại thực vật thuộc họ cói 10 Hình 2.1 Quy trình xử lý nước nhiễm ion kim loại thực vật 20 Hình 2.2 Rễ sau sấy nung, nghiền mịn 22 Hình 2.3 Rễ hút Zn sau sấy nung, nghiền mịn 23 Hình 2.4 Rễ hút Fe sau sấy nung, nghiền mịn 23 Hình 3.1 Các mẫu Thủy trúc trồng nước nhiễm mơ có nồng độ ion Zn2+ 41,78 mg‧L-1 27 Hình 3.2 Các mẫu Thủy trúc trồng nước nhiễm mơ có nồng độ ion Zn2+ ban đầu 5,23 mg‧L-1 (mẫu 1), 10,46 mg‧L-1 (mẫu 2), 20,92 mg‧L-1 (mẫu 3) 29 Hình 3.3 Mẫu Thủy trúc trồng nước ô nhiễm mô có nồng độ ion Zn2+ ban đầu 20,92 mg‧L-1 31 Hình 3.4 Các mẫu Thủy trúc trồng nước ô nhiễm mơ có nồng độ ion Fe3+ 4,47 mg‧L-1, 8,93 mg‧L-1, 17,87 mg‧L-1 35,74 mg‧L-1 33 Hình 3.5 Biến thiên nồng độ ion sắt dung dịch trồng theo thời gian 35 Hình 3.6 Mẫu Thủy trúc trồng nước ô nhiễm mơ có nồng độ ion Fe3+ ban đầu 17,87 mg‧L-1 36 Hình 3.7 Các giản đồ TGA/DSC mẫu than Thuỷ trúc trước sau thực nghiệm phytoremediation 38 Hình 3.8 Phổ EDX mẫu Bio-C Zn-Bio-C 41 Hình 3.9 Phổ EDX mẫu Fe-Bio-C-1 Fe-Bio-C-2 42 Hình 3.10 Giản đồ XRD mẫu Bio-C Zn-Bio-C 43 Hình 3.11 Giản đồ XRD mẫu Fe-Bio-C-1 Fe-Bio-C-2 44 Hình 3.12 Thực nghiệm quang xúc tác mẫu Bio-C Zn-Bio-C 47 Hình 3.13 Thực nghiệm quang xúc tác mẫu Fe-Bio-C-1 Fe-Bio-C-2 48 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Kết khảo sát khả làm nước ô nhiễm mô có nồng độ ion Zn2+ 41,78 mg·L-1 Thuỷ trúc 28 Bảng 3.2 Kết khảo sát khả làm nước ô nhiễm mô có nồng độ ion Zn2+ ban đầu 5,23 mg‧L-1, 10,46 mg‧L-1 20,92 mg‧L-1 30 Bảng 3.3 Kết khảo sát khả làm nước nhiễm mơ có nồng độ ion Fe3+ ban đầu 4,47 mg‧L-1, 8,93 mg‧L-1, 17,87 mg‧ L-1 35,74 mg‧L-1 34 Bảng 3.4 Tóm tắt tên mẫu vật liệu hấp phụ, quang xúc tác từ rễ Thuỷ trúc 37 Bảng 3.5 Tổng hợp số liệu hiệu khử màu MO (độ khử màu*, %) tất mẫu thử nghiệm hấp phụ quang xúc tác 46 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT EDX (Energy dispersive X-ray spectrocopy): Phổ tán sắc lượng tia X EDX (Energy-dispersive X-ray spectroscopy): Phương pháp đo phổ tán sắc lượng tia X MCL (maximum contaminant level): Ngưỡng nồng độ chất ô nhiễm tối đa MO: Sodium 4-{[4-(dimethylamino)phenyl]diazenyl}benzene-1-sulfonate SEM (Scanning Electronic Microscopy): Kính hiển vi điện tử quét TEM (Transmission Electronic Microscopy): Kính hiển vi điện tử truyền qua XRD (X-Ray Diffraction): Phương pháp nhiễu xạ tia X MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ơ nhiễm mơi trường, đặc biệt môi trường nước, vấn đề đáng quan tâm Việc xả nước thải chưa qua xử lí có chứa ion kim loại nặng vi sinh vật gây bệnh vào môi trường từ hoạt động khai thác khống sản, sản xuất cơng nghiệp, nông nghiệp gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người vi sinh vật [1] Quy chuẩn nước uống theo QCVN 01:2009/BYT [2] quy định nồng độ Fe (0,3 mg‧L-1), nồng độ Zn (3,0 mg‧L-1) Khi nồng độ Fe vượt ngưỡng ảnh hưởng nghiêm trọng đến chức tim gan, hệ thần kinh nhiễm độc Zn gây ảnh hưởng đến não [3] Có nhiều phương pháp xử lí nước thải khác với hiệu cao áp dụng phương pháp kết tủa hoá học, phương pháp lắng lọc, phương pháp keo tụ - đông tụ, phương pháp điện hoá, phương pháp trao đổi ion nhằm xử lí ion kim loại nước thải Tuy nhiên, phương pháp kể gặp số khó khăn lượng bùn thải sau q trình xử lí lớn, lượng tiêu tốn lớn, chi phí vận hành cao, gây biến đổi đa dạng sinh học phá hủy hệ sinh thái Trong năm gần đây, nhà khoa học hướng ý đến phương pháp xử lí nhiễm kim loại nặng nước thực vật phương pháp phytoremediation Phương pháp nghiên cứu dựa trình sinh trưởng phát triển thực vật Theo lí thuyết, thực vật hấp thụ ion kim loại nước thơng qua rễ tích trữ phận cây, hàm lượng ion kim loại nặng nước giảm dần Phương pháp phytoremediation xem công nghệ xử lí nước thải có tiềm năng, có khả khắc phục hạn chế phương pháp xử lí thơng thường [4] Việt Nam đất nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa, cối quanh năm phát triển, đặc biệt loài thân thảo Qua quan sát thực tế, nhận thấy khu đất gần khu công nghiệp Lê Minh Xuân, khu công nghiệp Vĩnh Lộc, khu công nghiệp An Hạ huyện Bình Chánh thường xuất Cyperus alternifolius (tên thường gọi Thủy trúc) phát triển mạnh Mặc khác, theo 54 - 409, 2016 [18] M.P Bernal, S.P McGrath, A.J Miller, A.J.M Baker, “ Comparison of the chemical changes in the rhizosphere of the nickel hyperaccumulator Alyssum murale with the non-accumulator Raphanus sativus,” Plant Soil, vol 164, no 2, pp 251–259, 1994 [19] J Kyambadde, F Kansiime, L Gumaelius, and G Dalhammar, “A comparative study of Cyperus papyrus and Miscanthidium violaceum-based constructed wetlands for wastewater treatment in a tropical climate,” Water Res., vol 38, no 2, pp 475–485, 2004 [20] X Liao, S Luo, Y Wu, and Z Wang, “Studies on the abilities of Vetiveria zizanioides and Cyperus alternifolius for pig farm wastewater treatment,” Int Conf Vetiver Exhib., vol 3, pp 174–181, 2003 [21] A Ebrahimi, Ensiyeh Taheri, Mohammad Hassan Ehrampoush, Sara Nasiri, Fatemeh Jalali, Rahele Soltani, and Ali Fatehizadeh., “Efficiency of constructed wetland vegetated with Cyperus alternifolius applied for municipal wastewater treatment,” J Environ Public Health., vol 2013, pp 1–6, 2013 [22] M Bilgin, I Şimşek, and Ş Tulun, “Treatment of domestic wastewater using a lab-scale activated sludge/vertical flow subsurface constructed wetlands by using Cyperus alternifolius,” Ecol Eng., vol 70, pp 362–365, 2014 [23] S Thongtha, P Teamkao, N Boonapatcharoen, S Tripetchkul, S Techkarnjararuk, and P Thiravetyan, “Phosphorus removal from domestic wastewater by Nelumbo nucifera Gaertn and Cyperus alternifolius L.,” J Environ Manage., vol 137, pp 54–60, 2014 [24] R V Khandare, A D Watharkar, P K Pawar, A A Jagtap, and N S Desai, “Hydrophytic plants Canna indica, Epipremnum aureum, Cyperus alternifolius and Cyperus rotundus for phytoremediation of fluoride from 55 water,” Environ Technol Innov., vol 21, p 101-234, 2021 [25] B Wang, S Zhu, W Li, Q Tang, and H Luo, “Effects of chromium stress on the rhizosphere microbial community composition of Cyperus alternifolius,” Ecotoxicol Environ Saf., vol 218, p 112-253, 2021 [26] R Bernhard, J A C Verkleij, H J M Nelissen, and J P M Vink, “Plantspecific responses to zinc contamination in a semi-field lysimeter and on hydroponics,” Environ Pollut., vol 138, no 1, pp 100–108, 2005 [27] C Hitam, A Jalil, “A review on exploration of Fe2O3 photocatalyst towards degradation of dyes and organic contaminants,” J Environ Management, vol 258, pp 110050, 2020 [28] C U I Yumin, “Photocatalytic Degradation,” Catal from A to Z, vol 25, pp 649–653, 2020 [29] D Xu, F Cheng, Y Zhang, and Z Song, “Degradation of methyl orange in aqueous solution by microwave irradiation in the presence of granularactivated carbon,” Water Air Soil Pollut., vol 225, no 6, 2014 [30] S Rattanapan, J Srikram, and P Kongsune, “Adsorption of Methyl Orange on Coffee grounds Activated Carbon,” Energy Procedia, vol 138, pp 949– 954, 2017 [31] Xueping Dai, Guanhong Lu, Yidan Hu, Xiaofeng Xie, Xiao Wang, Jing Sun, “ Reversible redox behavior of Fe2O3/TiO2 composites in the gaseous photodegradation process,” Ceramics International., vol 45, pp 13187– 13192, 2019 [32] Cheol Hyoun Ahn, Young Yi Kim, Dong Chan Kim, Sanjay Kumar Mohanta, and Hyung Koun Cho, “A comparative analysis of deep level emission in ZnO layers deposited by various methods,” Journal of Applied Physics, vol 105, pp 013-502, (2009) [33] Akbar, S.,S.K Hasanain, M.Abbas, S Ozcan, B Ali, and S I.Shah, “Defect induced ferromagnetism in carbon - doped ZnO thin films,” Solid State 56 Communications, 151, pp 17-20, (2011) [34] NH Alvi, Kamran UI Hasan, Omer Nur, and Magnus Willander, “The origin of the red emission in n-ZnO nanotubes/p – GaN white light emitting diodes,” Nanoscale research letters 6, 1-7, (2011) [35] M S Nasrollahzadeh, M Hadavifar, S S Ghasemi, and M Arab Chamjangali, “Synthesis of ZnO nanostructure using activated carbon for photocatalytic degradation of methyl orange from aqueous solutions,” Appl Water Sci., vol 8, no 4, pp 1–12, 2018 [36] M C Hung, S Y Yuan, C C Hung, C L Cheng, H C Ho, and T H Ko, “Effectiveness of ZnO/carbon-based material as a catalyst for photodegradation of acrolein,” Carbon N Y., vol 66, pp 93–104, 2014 [37] H Lan, A Wang, R Liu, H Liu, and J Qu, “Heterogeneous photo-Fenton degradation of acid red B over Fe2O3 supported on activated carbon fiber,” J Hazard Mater., vol 285, pp 167–172, 2015 [38] Z C Kadirova, K I Katsumata, T Isobe, N Matsushita, A Nakajima, and K Okada, “Adsorption and photodegradation of methylene blue with Fe2O3activated carbons under UV illumination in oxalate solution,” J Environ Chem Eng., vol 2, no 4, pp 2026–2036, 2014 [39] Zhang, Hao Luan, Qian Tang, Hu Huang, Fenghong Zheng, Mingming Deng, Qianchun Xiang, Xia Yang, Chen Shi, Jie Zheng, Chang Zhou, Qi “Removal of methyl orange from aqueous solutions by adsorption on cellulose hydrogel assisted with Fe2O3 nanoparticles,” Cellulose, vol 24, no.2, p 903-914, 2017 [40] M F Quartacci, B Irtelli, C Gonnelli, R Gabbrielli, and F Navari-Izzo, “Naturally-assisted metal phytoextraction by Brassica carinata: Role of root exudates,” Environ Pollut., vol 157, no 10, pp 2697–2703, 2009 [41] G Renella, L Landi, and P Nannipieri, “Degradation of low molecular weight organic acids complexed with heavy metals in soil,” Geoderma, vol 57 122, no 2-4 SPEC IIS., pp 311–315, 2004 [42] D Loof, M Hiller, H Oschkinat, and K Koschek, “Quantitative and qualitative analysis of surface modified cellulose utilizing TGA-MS,” Materials (Basel)., vol 9, no 6, pp 1–14, 2016 [43] J J M O J.L Figueiredo, M.F.R Pereira, M.M.A Freitas, “Modification of the surface chemistry of activated carbons,” Carbon N Y., no 37, pp 1379–1389, 1990 [44] R Ball, A C McIntosh, and J Brindley, “Feedback processes in cellulose thermal decomposition: Implications for fire-retarding strategies and treatments,” Combust Theory Model., vol 8, no 2, pp 281–291, 2004 [45] J I Morán, V A Alvarez, V P Cyras, and A Vázquez, “Extraction of cellulose and preparation of nanocellulose from sisal fibers,” Cellulose, vol 15, no 1, pp 149–159, 2008 [46] M R T Jr and B J Sarno, “Characterization of Cellulose Nanocrystals Derived from Umbrella Plant (Cyperus alternifolius Linn.),” Int Res J Pure Appl Chem., vol 21, no 18, pp 33–42, 2020 [47] R Li, J Fei, Y Cai, Y Li, J Feng, and J Yao, “Cellulose whiskers extracted from mulberry: A novel Biomass production,” Carbohydr Polym., vol 76, no 1, pp 94–99, 2009 [48] M Le Troedec et al., “Influence of various chemical treatments on the composition and structure of hemp fibres,” Compos Part A Appl Sci Manuf., vol 39, no 3, pp 514–522, 2008 [49] Z Q Li, C J Lu, Z P Xia, Y Zhou, and Z Luo, “X-ray diffraction patterns of graphite and turbostratic carbon,” Carbon N Y., vol 45, no 8, pp 1686– 1695, 2007 [50] Y Li, X Li, J Li, and J Yin, “Photocatalytic degradation of methyl orange by TiO2-coated activated carbon and kinetic study,” Water Res., vol 40, no 6, pp 1119–1126, 2006 58 [51] T Pushpa Malini, J Arockia Selvi, M Arthanareeswari, P Kamaraj, “Photocatalytic Degradation of Organo Phosphorus Herbicide Anilofos in Aqueous Solution Using TiO2 (Degussa P25) Photocatalyst,” Materials Today: Proceedings, vol 14, no 2, pp 574-579, 2019 [52] M N Rashed, A A El-Amin, “Photocatalytic degradation of methyl orange in aqueous TiO2 under different solar irradiation sources,” Int J Phys Sci., vol 2, no 3, pp 73–81, 2007 [53] A Omri, W Hamza, and M Benzina, “Photo-Fenton oxidation and mineralization of methyl orange using Fe-sand as effective heterogeneous catalyst,” J Photochem Photobiol A Chem., vol 393, no 1, pp 112-444, 2020 PL1 PHỤ LỤC Phụ lục (a) Ngày (b) Ngày Hình Ảnh hai mẫu Thủy trúc (ngày ngày 8) tiếp xúc với dung dịch Zn(NO3)2 có nồng độ ion Zn2+ 41,78 mg‧L-1 PL2 Phụ lục (a) Ngày (b) Ngày 14 Hình Ảnh mẫu Thủy trúc (ngày ngày 14) tiếp xúc với dung dịch Zn(NO3)2 nồng độ mẫu (5,23 mg‧L-1), mẫu (10,46 mg‧L-1), mẫu (20,92 mg‧L-1), pH ban đầu 2,6 (được kiểm soát ngày đầu tiên) PL3 Phụ lục (a) Ngày1 (b) Ngày 14 Hình Mẫu Thủy trúc (ngày ngày 14) tiếp xúc với dung dịch Fe(NO3)3 nồng độ mẫu (4,47 mg‧L-1), mẫu (8,93 mg‧L-1), mẫu (17,87 mg‧L-1), mẫu (35,74 mg‧L-1), pH ban đầu 2,6 (kiểm soát ngày đầu tiên) PL4 Phụ lục (a) Ngày (b) Ngày 60 Hình Ảnh mẫu Thủy trúc (ngày ngày 60) tiếp xúc với dung dịch Fe(NO3)3 nồng độ mẫu (17,87 mg‧L-1); mẫu (17,87 mg‧L-1) mẫu Zn tiêp xúc với dung dịch Zn(NO3)2 có nồng độ (20,92 mg‧L-1), pH ban đầu 2,6 (được kiểm soát ngày đầu tiên) PL5 Phụ lục Hình Giản đồ XRD mẫu Fe2O3 Hình Giản đồ XRD mẫu ZnO PL6 Phụ lục Hình Giản đồ XRD mẫu Bio – C Hình Giản đồ XRD mẫu Zn-Bio – C PL7 Phụ lục Hình Giản đồ XRD mẫu Fe-Bio-C-2 Hình 10 Giản đồ XRD mẫu Fe-Bio-C-1 PL8 Phụ lục Hình 11 Giản đồ UV-Vis thử MO qua đầu lọc Hình 12 Giản đồ UV-Vis MO có nồng độ từ 2,5 mg·L-1 đến 20 mg·L-1 PL9 Phụ lục Hình 13 Đường chuẩn bước sóng 464 nm (a) Mẫu ZnO (đối sánh) (b) Mẫu Zn-Bio-C Hình 14 Thực nghiệm hấp phụ mẫu Zn-Bio-C mẫu ZnO PL10 Phụ lục 10 (a) Mẫu Fe-Bio-C-1 (c) Mẫu Fe2O3 (đối sánh) (b) Mẫu Fe-Bio-C-2 (d) Mẫu Bio-C (đối sánh) Hình 15 Thực nghiệm hấp phụ mẫu Fe-Bio-C-1, mẫu Fe-Bio-C-2, mẫu Fe2O3, Bio-C