Nghiên cứu biến tính than sinh học tổng hợp từ vỏ trấu Ứng dụng Để xử lý chì trong môi trường nước

Nghiên cứu biến tính than sinh học tổng hợp từ vỏ trấu Ứng dụng Để xử lý chì trong môi trường nước Nghiên cứu biến tính than sinh học tổng hợp từ vỏ trấu Ứng dụng Để xử lý chì trong môi trường nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắ x n ơn TS Nguyễn Minh Việt, PGS TS Đỗ Quang Trung ề tài và tận tình hướn ẫn t ọ ều ện tốt nh t tr n suốt u trình n h n ứu v h n th nh uận văn n y

E x n hân th nh ơn t n th thầy cô, các anh chị và các b n trong phòng thí nghiệm Hó Mô trường và Phòng thí nghiệm trọn m Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong phát tri n xanh (KLAMAG) – Trườn Đ i học Khoa học Tự Nhiên tận tình hỗ trợ và úp ỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và học tập

t ây

Em xin gử ờ ơn tới các cô, chú, anh chị của Trung tâm Phân tích và Công nghệ Mô trường- Viện nghiên cứu Da- Giầy t ều kiện úp ỡ em trong quá trình nghiên cứu v h n th nh ề tài của mình

Em xin c ơn ình v n ườ thân t o mọ ều kiện tốt nh t về vật

ch t ũn như t nh thần cho em hoàn thành tốt luận văn n y

Trong quá trình thực tập v ề tài, mặ ù r t cố gắn nhưn nh nghiệm còn thiếu và kiến thức còn h n chế nên luận văn hôn tr nh hỏi thiết sót

R t mong các thầy cô giáo và b n bè ón óp ý ến luận văn ược hoàn thiện hơn

Em xin chân th nh ơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2022

Học viên

Đỗ Thu Bích

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Ô nhiễm kim lo i nặn tr n ô trườn nước 3

1.1.1 Nguồn gốc gây ô nhiễm kim lo i nặn tr n nước 3

1.1.2 Thực tr ng ô nhiễ Chì tr n ô trườn nước trên Thế Giới và Việt Nam 4

1.2 Tổng quan về Chì 8

1.2.1 Giới thiệu về Chì 8

1.2.2 Các d ng tồn t i và chuy n hoá của Chì trong tự nhiên 9

1.2.3 Độc học của Chì 10

1.3 C phươn ph p xử ý Chì tr n ô trườn nước 11

1.3.1 Phươn ph p ết tủa 11

1.3.2 Phươn ph p ọc 12

1.3.3 Đôn tụ và t o bông keo tụ 12

1.3.4 Phươn ph p h p phụ 13

1.3.5 Một số nghiên cứu về phươn ph p h p phụ ứng dụng xử lý chì trong ô trườn nước 14

1.4 Vật liệu h p phụ 16

1.4.1 Một số vật liệu h p phụ phổ biến 16

1.4.2 Vật liệu h p phụ than sinh học 17

1.4.2.1 Giới thiệu chung về than sinh học 17

1.4.2.2 Tính ch t của than sinh học 18

1.4.2.3 Nguyên liệu hính s n xu t than sinh học 19

1.4.2.4 Phươn ph p hế t o biochar 20

1.4.2.5 Một số phươn ph p b ến tính than sinh học 20

1.4.2.6 Ứng dụng của than sinh học trong xử lý ô nhiễ ô trườn nước

23

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Đố tượng nghiên cứu 26

2.2 Hoá ch t, dụng cụ và thiết bị 26

2.3 Phươn ph p n h n ứu 27

2.3.1 Phươn ph p x ịnh c u trúc, thành phần của vật liệu và phân tích hàm

ượng chì 27

2.3.2 Phươn ph p hế t o vật liệu h p phụ 30

2.3.3.1 X ịnh giá trị pH t ẳn ện của vật liệu (pHpzc) 32

2.3.3.2 Kh o sát nh hưởng của pH 32

2.3.3.3 Kh o sát nh hưởng của thời gian 32

2.3.3.4 Kh o sát nh hưởng của nồn ộ Pb2+ b n ầu 33

2.3.3.5 Nghiên cứu ẳng nhiệt h p phụ 33

2.3.3.6 Nghiên cứu nh hưởng của các cation 36

2.3.3.7 Nghiên cứu kh năn t s nh ủa vật liệu 36

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Đặ trưn u trúc của vật liệu 37

3.1.1 Kết qu phân tích SEM 37

3.1.2 Kết qu phân tích EDX 37

3.1.3 Kết qu phổ FT- IR 39

3.1.4 Kết qu x ịnh thành phần pha tinh th của vật liệu (XRD) 39

3.1.5 Kết qu ện tích bề mặt riêng theo BET 40

3.2 Nghiên cứu kh năn xử ý hì tr n nước 41

3.2.1 X ịnh pH t ằn ện của vật liệu 41

3.2.2 Ảnh hưởng củ pH ến kh năn xử lý chì 42

3.2.3 Ảnh hưởng của thờ n ến kh năn xử lý chì 44

3.2.4 Ảnh hưởng của nồn ộ ến kh năn xử lý chì 45

3.2.5 Mô hình h p phụ ẳng nhiệt 47

3.2.6 Ảnh hưởng của các cation 49

3.2.7 Nghiên cứu kh năn t s nh vật liệu h p phụ 50

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC VIẾT TẮT

AMBC Alginate modified biochar Than sinh học biến tính có

nguồn gốc tro tr u bởi alginate BET Brunauer – Emmett - Teller X ịnh diện tích bề mặt riêng EDX Energy – dispersive X-ray Phổ tán x năn ƣợng tia X

F-AAS Flame Atomic Absorption

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Độ hòa tan của chì ở tần nước ngầ hư u xử lý từ các giếng và suối

nước sinh ho t của Hoa Kỳ [19] 6

Hình 2: Quá trình h p phụ 13

Hình 3: Quá trình h p phụ thông qua h p phụ từ tính 14

Hình 4: C u trúc tinh th của Fe3O4 22

Hình 5: Đường chuẩn chì Pb2+ 30

Hình 6: Sơ ồ quy trình chế t o Biochar biến tính bằng axit 30

Hình 7: Đồ thị d ng tuyến tính củ phươn trình L n u r 35

Hình 8: Ảnh chụp SEM của RHB (a) và FmB (b) 37

Hình 9: Phổ EDX của vật liệu RHB (a) và FmB (b) 38

Hình 10: Phổ FT- IR của vật liệu RHB và FmB 39

Hình 11: Phổ XRD của vật liệu FmB 40

Hình 12: Đường cong h p thụ- gi i h p của vật liệu RHB (a) và FmB (b) 41

Hình 13: Đườn n x ịnh pHpzc của RHB và FmB 42

Hình 14: Đồ thị bi u diễn nh hưởng củ pH ến quá trình h p phụ chì 43

Hình 15: Ảnh hưởng của thờ n t cân bằng h p phụ ến kh năn xử lý chì của RHB và FmB 45

Hình 16: Ảnh hưởng của nồn ộ Pb2+ ến kh năn xử lý chì của FmB và RHB 46

Hình 17: Đườn ẳng nhiệt Langmuir 47

Hình 18: Đườn ẳng nhiệt Freundlich 47

Hình 19: Ảnh hưởng củ t n ến quá trình h p phụ 50

Hình 20: Kh năn t sử dụng của vật liệu h p phụ 51

DANH MỤC BẢNG

B ng 1: Các mức chì máu th p nh t u n s t ượ ối với những nh hưởng sức

khỏe liên quan tới chì 11

B ng 2: Số liệu ường chuẩn Chì Pb2+ 30

B ng 3: Kết qu phân tích phần tră n uy n tố trong các vật liệu tính theo EDX 38

B ng 4: Đặ trưn u trúc của RHB và FmB 40

B ng 5: Ảnh hưởng củ pH ến quá trình h p phụ chì 43

B ng 6: Ảnh hưởng của thời gian h p phụ ến kh năn xử lý chì của RHB và FmB 44

B ng 7: Ảnh hưởng của nồn ộ b n ầu ến quá trình h p phụ 46

B ng 8: Các thông số của mô hình h p phụ ẳng nhiệt 48

B ng 9: So sánh kh năn h p phụ chì của các lo i vật liệu khác 48

B ng 10: Ảnh hưởng củ t n ến quá trình h p phụ 49

B ng 11: Hiệu qu tái sinh của vật liệu FmB 50

1

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm nguồn nước là một trong những mố u n tâ h n ầu trên thế giớ ặc biệt là ô nhiễm kim lo i nặng Với thời gian bán phân huỷ h n tră nă chúng có kh năn tí h uỹ tr n ô trường và có th xâm nhập gây h h ơ th

n n ười Chì là nguyên tố kim lo ượ hú ý ặc biệt về phươn ện ô nhiễm

vì tính ộc h ũn như phổ biến của nó Chì xu t hiện tron ô trường từ s n

xu t công nghiệp và giao thông vận t i Bụi chì trong không khí h p phụ v nước

ư ắn rơ xuống gây ô nhiễm nguồn nước Vì vậy, việc xử lý nhằm gi m thi u

Hiện nay ở Việt Nam và trên thế giớ v n p ụng r t nhiều phươn pháp xử ý hì như: h p phụ, tuy n nổi, tr ổi ion, oxi hóa/kết tủ ôn tụ và t o bông, tr n ó phươn ph p h p phụ ược sử dụng nhiều do có tính kinh tế và hiệu qu xử lý cao Biochar là vật liệu h p phụ ượ ưu t n h n ầu bởi tính sẵn

có, không gây ô nhiễ ô trường thứ c p và giá thành rẻ Tuy nhiên, do diện tích

bề mặt còn th p ũn như th ếu hụt của các nhóm chức mà kh năn xử lý của vật liệu than sinh học (biocchar) còn th p hơn s với các lo i vật liệu h p phụ thông thườn như th n h t tính Do vậy ó nh ều nghiên cứu tr n nước và trên thế giới biến tính than sinh học (biochar) nhằm c i thiện hiệu qu h p phụ

Đ tìm hi u sâu sắ hơn em t ến hành nghiên cứu ề tài: “Nghiên cứu

biến tính than sinh học tổng hợp từ vỏ trấu ứng dụng để xử lý chì trong môi trường nước” Trong nghiên cứu này, than sinh học từ quá trình nhiệt phân tr u

2

ược biến tính S u ó thí n h ệm h p phụ hì h nh u ược tiến h nh

kh o sát và so sánh tiề năn ủa than sinh họ trước và sau khi biến tính

Mục tiêu của đề tài:

- Nghiên cứu tổng hợp ược vật liệu h p phụ tr n ơ sở biến tính biochar chế

t o từ phụ phẩm nông nghiệp là vỏ tr u bằng Fe3O4

- Kh o sát kh năn ứng dụng vật liệu biochar biến tính vào xử lý chì trong

ô trườn nước

Nội dung nghiên cứu:

- Chế t o vật liệu biochar từ vỏ tr u, vật liệu biochar biến tính bởi Fe3O4

- Phân tí h ặ trưn u trúc và tính ch t vật liệu thôn u phươn

ph p ặ trưn : SEM XRD BET …

- Đ nh nh hưởng của pH, thời gian, nồn ộ b n ầu ến quá trình h p phụ chì của vật liệu biochar và biochar biến tính So sánh kh năn h p phụ chì của vật liệu biocchar và biochar biến tính khi nghiên cứu quá trình h p phụ tĩnh

- Nghiên cứu nh kh năn t s nh ủa vật liệu sau khi xử lý

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước

1.1.1 Nguồn gốc gây ô nhiễm kim loại nặng trong nước

Ô nhiễ nước do kim lo i nặng (KLN) gây ra n là mố lớn trên toàn thế giới vớ t ộng tích luỹ có h ối vớ ô trường và sức khoẻ n n ười Với sự phát tri n nhanh chóng của các ngành công nghiệp như kim lo i, khai thác mỏ xưởng thuộc da, pin, công nghiệp gi y, thuốc trừ sâu … o i trực tiếp hoặc gián tiếp th r ô trường ngày càng nhiều ặc biệt nướ n ph t tri n Không giốn như h t gây ô nhiễm hữu ơ kim lo i nặng không bị phân huỷ sinh học và tích luỹ tr n ơ th sống Các kim lo i nặng cần ặc biệt quan tâm trong xử ý nước th i công nghiệp như Zn H Pb Cr C N [31]

Thời gian bán phân hủy của các ch t ô nhiễm KLN tr n ô trường kho ng

h n tră nă v âu hơn C như hì v thủy ngân có thời gian bán hủy sinh họ tr n ộng vật có vú Chì tích tụ và nằm l tr n xươn tuy không

ộ nhưn nó un p một nguồn nội chì cho nhữn ơ u n h ủ ơ th ngay

c khi vắng mặt sự phơ nh ễm chì mới Thủy ngân ở d ng metyl hóa tồn t i dai dẳng trong các mô thần kinh gây nh hưởn ộc kéo dài Một kim lo i có thời gian bán hủy sinh học dài có th là nguyên nhân trực tiếp của các nh hưởng có h i lâu dài nghiêm trọng so với kim lo ượ th i nhanh khỏ ơ th

Sự ô nhiễm KLN ược gây ra từ nguồn tự nh n ( v uặng) và nguồn con

n ười (tác nhân chủ yếu) Nguồn phát th i kim lo i nặng tự nh n thường là do ho t ộng phun trào núi lửa, cháy rừn u trình ph n h … C KLN ó th tìm th y

ở d ng hydroxit, oxit, sunfua, sunfat, photphat silicat và các hợp ch t hữu ơ Tr n

ó phổ biến nh t là chì, niken, crom, cadimi, asen, thuỷ n ân v ồng Tuy nhiên, kim lo i nặng chủ yếu ược gây ra bởi ho t ộng củ n n ười như:

Hoạt động nông nghiệp: Các ch t trừ sâu vô ơ dịch h như s n t nx

s n t ồn sunf t ược sử dụn trừ n m gây bệnh và các lo ộng vật chân

ốt Tùy thuộc vào ch t nền của thuốc sử dụng mà t t c các nguyên tố này có th ọng l i trên ruộn ồng, trong cây cỏ và hệ sinh thái Do các nguyên tố này bị liên

4

kết t o phức bởi các ch t hữu ơ tr n t (như x t hu ) v bởi các bề mặt trao

ổi ion khác của các h t t, chúng hiế h hò t n v ó huynh hướng tích

tụ l tr n t và ng m xuống m h nước ngầm

Bùn cống rãnh: Bùn cống rãnh (ao hồ) là s n phẩm phụ của quá trình xử lý

nước th ô thị hoặc những ch t lắn ọng rửa trôi Trong bùn th i chứ ượng lớn các ch t ộc Nồn ộ các nguyên tố ộ tr n nước cống ở nhiều nước công nghiệp cho th y h ượng kim lo i cadi ồng, niken, crom và kẽm khá cao

Hoạt động công nghiệp: Ô nhiễm kim lo i nặn ũn ó n uồn gốc từ s n

xu t công nghiệp Trong khai thác mỏ, quặn ược nghiền, sàng thành s n phẩm giàu kim lo ồng thờ ũn t o ra một ượng lớn ch t th i Các ch t ược th i ra ưới d ng bùn ch y xuốn ầm, hồ gây ô nhiễm kim lo i nặn tr n ô trường nước C phươn t ện thôn ũn ón óp ột phần không nhỏ vào môi trường Khí th i giao thông chứa các kim lo i nặn như hì u v s n

1.1.2 Thực trạng ô nhiễm chì trong môi trường nước trên Thế Giới và Việt Nam

Chì là nguyên tố kim lo ượ hú ý ặc biệt về phươn ện ô nhiễm vì tính ộc h ũn như phổ biến củ nó Hơn ¾ ượng chì tiêu thụ trên toàn cầu ược dùng cho s n xu t công nghiệp (pin- acquy, lò luyện, khai thác mỏ, ) và giao thông vận t Chì ượ ph v xăn ưới d ng tetraethyl và tetrametyl chì làm tác nhân chống kích nổ Khi xe ch y, kho ng 25-75% ượng chì thoát vào khí quy n Phần ơ ửn tr n hôn hí ũn ược h p phụ v nướ ư ắn rơ xuống gây

ô nhiễm nguồn nướ N r hì òn ược sử dụng cho nhiều s n phẩ h như bột u sơn h n ính u bình ph n ược, men gố ồ trang sứ ồ hơ

và trong một số mỹ phẩm, lo i thuốc truyền thống Nồn ộ hì tr n nước uống và ượn nước uống nhiễm chì càng lớn thì mứ ộ tiếp xúc với chì càng nhiều Chì

ng v nước máy thông qua sự ăn òn ủa các vật liệu ường ống dẫn nước có chứa chì Theo Cơ u n B o vệ Mô trường Hoa Kỳ, nồng ộ 0,015 mg/l là mức lượng chì tố ó th ó tr n nước Tuy vậy, nhiều chuyên gia cho rằng nguồn nước nồn ộ hì như n số trên vẫn có d u hiệu mang l i nguy hi h n ười sử

và nung các khoáng ch t (pyrit sắt, alu n …) Phơ nh ễ hì tr n nước chủ yếu

ến từ việc n u nướng sử dụng nhiên liệu rắn (than, ch t th i nông nghiệp …) sơn

n …Tính ến thờ m này, ô nhiễ hì tăn ước tính từ 10 t n mỗ nă n

1000000 t n mỗ nă è vớ tăn trưởng dân số và kinh tế Ở trẻ em, chì trong nước uốn ó n u n ến c Blls ≥ 10 µg/ ũn như ứ hơn ức GM của Hoa Kỳ ối với trẻ em (1,4 µg/ ) nhưn nhỏ hơn 10 µg/dl Giới h n cho phép

ối vớ Pb tr n nước uống là 5 µgl-1 Các thành phố công nghiệp ở miền trung Ấn

Độ bị ô nhiễ ượn hì hơn nh ều lần so với giới h n cho phép là 5 µgl-1

Ch t ượn nước của hồ Kolar, hồ H , hồ Sh hpur v ập H ược kh o sát thông qua các kim lo i nặn ( ồng và chì) trong kho ng thờ n h nă S s nh h t ượn nước của 4 vùn nước này và xung quanh Bhopal cho th y tình hình tuy không quá tồi tệ nhưn n b ộng vì nhữn vùn nước này là nguồn sống cho

c thành phố Bhopal [51]

Trên toàn quốc, kho ng 33% mẫu nước ngầ hư u xử lý có kh năn hòa tan 15 µg/l chì trở lên và 5% có kh năn hò t n 300 µg/l chì trở lên Các ti u bang của Hoa Kỳ có tầng nước ngầm chư u xử lý từ các giếng và suố nước sinh

ho t có kh năn hòa tan chì cao (300 µg/l trở lên) là Maryland, New Jersey, Delaware, Tennessee và Arkansas Việc ki m tra chì và xử ý ăn òn h ếng ình hôn ược yêu cầu bởi luật liên bang nào do vậy các hộ ình sử dụng nước tự cung c p (giếng sinh ho t) ó n uy ơ sử dụng nguồn nước chứa chì cao hơn s với các hộ ình sử dụng nguồn nước công cộng [22]

6

Nguồn: Public Domain

Hình 1: Độ hòa tan của chì ở tần nước ngầ hư u xử lý từ các giếng và suối

nước sinh ho t của Hoa Kỳ [19]

Tình tr ng ô nhiễ nước ngầm bởi các ion KLN xung quanh Công ty Kẽm

và Chì Quốc gia Iran (NILZ) ở Khu công nghiệp Bonab (BIE) thuộc tỉnh Zanjan (nằm ở phía tây bắ Ir n) ược Zamani Abbas Ali cùng các cộng sự nghiên cứu (2012) Kết qu phân tích 23 mẫu nước suố / nước ngầm (19 mẫu nước ngầm và 4 mẫu nước suối) trong ph m vi bán kính 5km từ công ty này cho th y nguồn nước ngầ bị ô nhiễm bởi sắt b n n n ồng, kẽm, cadmium và chì với tỷ lệ % tươn ứng lần ượt là 100%; 47,8%; 78,3%; 100%; 100%; 65,2%; 100% Đây một nguy h ối vớ n ười dân của thành phố Zanjan và các khu vực lân cận do họ

l y nước từ nguồn n y trồng rau và tưới tiêu ây ươn thự Tr n ó hì n n

và ược coi là tiềm ẩn rủi ro về sức khoẻ hơn vượt mức cho phép của WHO và ISITRI [63]

Yu Shuang Ren và cộng sự (2022) n h n ứu nồn ộ chì trong nước ngầm của khu vực nông thôn nằm ở huyện Peshawar, Khyber Pakhtunkhwa, Pakistan Kết qu phân tích 13 mẫu nước ngầm (8 mẫu l y từ giếng ống (tube wells)

và 5 mẫu l y từ giếng hở (wells)) cho th y rằng trong t t c các mẫu nướ ược thu

7

thập từ các giếng ống ở các vị trí khác nhau, nồn ộ chì nằm trong kho ng 0,067 mg/L, trong khi trong các mẫu giếng hở hì ược tìm th y trong kho ng 0,004 - 0,015 mg/L Theo WHO và Pak-EPA, giới h n cho phép củ hì tr n nước

0,022-là 0,05 mg/L Đ ều này cho th y trong trường hợp giếng ống ở một vài vị trí, nồng

ộ hì vượt quá giới h n cho phép D ó nước giến hơ n t n h sức khỏe

tr n h nước giếng ống l i tiềm ẩn n uy ơ sức khỏ ư hì [62]

T i quận C u b (DC) nă 2004 tr n số 130.000 hu ân ư ước tính, kho ng 23.000 (18%) có ống dẫn nước dịch vụ bằn hì Cơ u n B o vệ Môi trường (EPA) yêu cầu ơ u n u n ý nước ki tr nước máy ở hu ân ư

h n nă tìm chì kết qu chỉ ra rằng phần lớn n ô nh ược thử nghiệm có

mứ hì tr n nước trên mức ho t ộng của EPA là 15 ppb Trong số 6170 ngôi nhà

l y mẫu nước thì h ượng chì lớn hơn 300 ppb chiếm 3% [21]

Tại Việt Nam:

Nghiên cứu củ Lươn Thị Duyên (2016) vớ ị m phân tích kim lo i nặn tr n ó ó Pb t i 4 khu vực Thanh Xuân, Cầu Diễn, Long Biên, Xuân Phươn - Từ Liêm; mỗi khu vự ược l y i diện bởi 8 mẫu nước uốn phân tích hoá học Kết qu cho th y nồn ộ chì cao nh t ược báo cáo từ khu vực cầu Long Biên và Xuân Phươn - Từ Liêm với 0,72 ppm và 0,201 ppm T t c các khu

vự vượt quá giới h n tiêu chuẩn (0,05 ppm) trong hầu hết các mẫu nước uống Xét nghiệ nước ti u phát hiện sự hiện diện của chì trong gần như t t c các bệnh nhân V n ề ô nhiễm kim lo hì n ở mứ b ộng với khu vực Hà Nội Có

ến 23 trên tổng số 24 mẫu l y phân tích ở bốn khu vực có h ượn hì vượt quá giới h n h phép Đặc biệt ở khu vực cầu L n B n h ượng chì (0,72 ppm) cao nh t g p 14 lần giới h n cho phép, còn khu vực Xuân Phươn - Từ Liêm có

h ượng chì là 0,201 g p hơn 4 ần tiêu chuẩn [1]

Nă 2015 ết qu ki m tra nồn ộ chì của Viện Sức khỏe nghề nghiệp và

Mô trường cho th y, các mẫu t nước, không khí, rau t i làng nghề khai thác khoáng s n Đôn M ều vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần [5] Mẫu nước l y t i

nh ươn th t nướ vượt n ưỡng cho phép 1000 lần Qua xét nghiệm của

8

Trung tâm Chốn ộc và Bệnh viện Nhi Trung ươn 378 trẻ thôn Đôn M ược phát hiện bị ngộ ộc chì Trong một nghiên cứu khác t i thành phố Hồ Chí Minh [36], 311 trẻ ược xét nghiệm cho th y nồn ộ chì trong máu trung bình là

4 97 μ L-1

với 7% trong số 311 mẫu xét nghiệ hơn 4 97 μ L-1 Có mối tươn u n ữ h ượng chì trong nước, t, sự tích tụ trong cây trồng và sức khỏ n ười tiêu dùng [5, 33]

Nghiên cứu của Nguyễn Thị Minh Ngọc (2020) về thực tr ng ô nhiễm kim

lo i nặng vớ ị m nghiên cứu t i khu vự ân ư h 1500 ét ối với các nhà máy - xí nghiệp ở 2 x T Hưn v M nh Đức (Thuỷ Nguyên – H i Phòng) cho

th y 100% mẫu nước mặt ó h ượng As và Pb; 98,15% mẫu ó h ượng Cd

v C vượt quá giới h n cho phép của QCVN 08:2015/BTNMT Đối với 222 mẫu nước giếng, tỷ lệ % mẫu ó h ượn KLN hôn t QCVN cao nh t với Pb (94,59%), tiếp ến là Cr (84,68%), As (83,33%), và Cd (74,77%) [7]

Nghiên cứu củ H Xuân Sơn (2015) n h n ứu áp dụng gi i pháp can thiệp

gi m thi u nh hưởng của ô nhiễ ô trường tới sức khỏe cộn ồn ân ư xun quanh Xí nghiệm kẽm chì Làng Hích – Thái Nguyên cho th y h ượng trung bình của một số KLN trong các môi trườn : t nước mặt nướ ăn uống xung quanh khu vực khai thác mỏ Tân L n v H Thượn hơn t u huẩn cho phép: Pb cao hơn từ 3,2 lần ến 18,2 lần; Cd cao g p 1,6 lần ến 20,4 lần; Asen cao g p 1,37 lần

ến 6 lần, khi so sánh với QCVN 03: 2015/BTNMT (giới h n tố ối vớ t nông nghiệp: As 15 mg/kg; Cd 1,5 mg/kg; Pb 70 mg/kg) [9]

1.2 Tổng quan về chì

1.2.1 Giới thiệu về chì

Chì là kim lo i màu xám, mềm có số nguyên tử 82, nguyên tử khối 207,19; tỉ trọng 11,37; ch y ở 327,5oC; bố hơ ở 550oC Hơ hì ó vị ngọt ở họn Chì un nóng ch y chậm bị oxit hóa thành PbO Chì khó bị tác dụng bởi HCl, H2SO4 loãng nhưn bị oxi hóa hòa tan trong HNO3 hoặc tác dụng với H2SO4 ặc nóng

Một số hợp ch t vô ơ ủa chì có nhiều ứng dụng là oxit (PbO, PbO2,

Pb3O2), chì sunfua (PbS), chì clorua ( PbCl2 ), chì sunfat (PbSO4 ), chì cromat

9

(PbCrO4), chì asenat (Pb3(AsO4)2) Chì cacbonat (PbCO3), chì hidroxit (Pb(OH)2)

… v hợp ch t hữu ơ ủa chì là tetraetyl (Pb(C2H5)4), tetrametyl (Pb(CH3)4), chì stearat (Pb(C17H35COO)2), chì naphtenat(Pb(C6H11COO)2), chì axetat (Pb(CH3COO)2)

1.2.2 Các dạng tồn tại và chuyển hoá của chì trong tự nhiên

Chì tồn t i trong tự nhiên ở ượng vết H ượng chì trong vỏ tr t kho ng 20 ppm Nguồn chì tự nhiên (núi lửa, cháy rừng, rỉ ch y từ quặng mỏ) chỉ chiếm một phần nhỏ so với các nguồn chì nhân t o Chì (bụi chì) và nhiều hợp ch t không tan củ hì h ược th i vào ao hồ ầm nước nhanh chóng bị tr ơ ửng

rồ v bùn s ắng, có th nh hưởn ến các sinh vật tần y v ó th v chuỗi thứ ăn th n ường này Sự vận chuy n củ hì v ô trườn nước (nước mặt) chủ yếu n u n ến ộ mề v ộ axit (pH < 5,4) củ nước Hàm ượn hì hò t n tr n vùn nướ n y hơn hẳn vùn nước khác Cho

ến gần ây nh ều lo sơn v vật liệu chống rỉ có chứ hì (thường là sắc tố t o

u h sơn: Pb3O4 u ỏ, PbSO4 màu trắng, PbCrO4 u v n ) C ồ hơ sử dụn sơn có chì là r t nguy hi ối với trẻ em vì hay ngậ ồ hơ v ệng

C hì x t òn ược dùng làm men sứ, trong công nghệ thủy tinh pha lê Chì cacbonat pha lẫn với dầu nh ược dùng làm ch t gắn chỗ nối ở nồ hơ Chì s n t ược dùng làm thuốc trừ sâu Các hợp ch t chì hữu ơ ũn ược sử dụng nhiều như hì x t t ược sử dụng làm ch t tẩy trong công nghiệp ường, chì stearat và

hì n pht n t ược dùng trong công nghiệp ch t dẻ (sơn u hô) Đặc biệt là chì

t tr ty ược dùng làm ch t chống kích nổ h xăn ( tăn hỉ số octan) trong một thời gian dài từ nhữn nă 20 ủa thế kỉ trướ h ến gần ây với tỉ lệ pha trộn 0 05% tr n xăn

Nồn ộ tự nhiên của chì trong các mỏ quặn hì thườn hôn n

tr n nước ngầm hoặ nước mặt bình thường, bởi vì b t kỳ hì n ược hòa tan từ quặn sunfu n uy n s nh ó xu hướng kết hợp với các ion cacbonat hoặ sunf t

t o thành chì cacbonat hoặc chì sunfat không hòa tan hoặc bị h p phụ bở h r x t sắt Sự phân hủy ơ học và vận chuy n các hợp ch t chì không hòa tan này có th

10

lo i bỏ chì khỏi bề mặt thân quặng chì và phân tán ở một mứ ộ n ó Chì ũn

có th bị rửa trôi bở nướ x t ặc biệt là nhữn nước giàu ch t hữu ơ v chuy n trong dung dị h ưới d ng các phức ch t hữu ơ hì hò t n Ở d ng này, nó

có th ược thực vật h p thụ v v huỗi thứ ăn nhưn r t hiếm Ở những vùn ượ ặ trưn bở nướ v t có tính kiềm, trung tính hoặc mặn, các d ng chì xu t hiện tự nhiên không xâm nhập v nước hoặc thực vật ngo i trừ ở những vết r t nhỏ

Than chứa nồn ộ chì trung bình kho ng 10 ppm, và dầu mỏ ó h ượng

hì trun bình ưới 1 ppm Hầu hết chì trong các nhiên liệu hóa th ch này tập trung trong tro củ hún h ượ ốt cháy Dầu mỏ t r ít tr hơn nh ều so với than

v th nh phần vô ơ tập trung nhiều hơn tr n tr ủa nó

Mặc dù chì là một thành phần chính củ hơn 200 h n h t, hầu hết trong

số n y ều r t hiếm và chỉ có ba lo thườn ược tìm th y ở mứ ủ dồ t o thành các mỏ chì có th h th ược Ba ch t n y n su fu ơn n của chì (PbS); angleite, chì sunfat (PbSO4); và cerrusit, cacbonat chì (PbCO3) Galena là thành phần chính phổ biến của các mỏ quặn sunfu ; n t v rrus t thường hình thành do quá trình oxy hóa củ n ón tr n bề mặt [44]

1.2.3 Độc học của Chì

Chì xâm nhập v ơ th n n ười thông qua nguồn nước, không khí bị ô nhiễm, thứ ăn Kh v ơ th nó ược tích tụ l ến một mứ ộ nh t ịnh mới bắt ầu ây ộc h i cho sức khoẻ n n ười Sự nhiễ hì u ường da chủ yếu là

ối với chì hữu ơ

Các nh hưởng thần kinh ở trẻ em: Bệnh xúc c m thần kinh chì x y ra ở trẻ

em với sự nhiễm chì cao (ở các mức chì máu 80 µg/dL hoặ hơn ) Th nh giá của một số nhà khoa học thì cứ tăn 0 1 Pb/ tr n u ủa trẻ em nhiễm

ộc chì sẽ làm gi m 1-5 m IQ

Sự v ( u) thần kinh ngo i vi: Sự viêm thần kinh ngo i vi là sự bi u hiện thường th y củ tính ộc chì, bàn chân và cổ chân, cổ tay bị vẹo Sự m t chứ năn thần kinh vận ộng x y ra ở các mức chì máu < 40 µg/dL

11

Các nh hưởng huyết học: Chì có nhiều nh hưởn ến máu Khi chì trong máu kho ng 0,3 ppm sẽ ơ th mệt mỏi do quá trình sử dụn x oxi hoá glucoza t năn ượng bị n ăn n Với nồn ộc chì lớn hơn 0 8 ppm sẽ gây thiếu máu nghiêm trọng do không tổng hợp ược hemoglobin

B ng 1: Các mức chì máu th p nh t u n s t ượ ối với những nh hưởng sức

khỏe liên quan tới chì

 10 mg một lần trong mỗi ngày sẽ gây nhiễ ộc nặng sau vài tuần

 1 mg/ngày sau nhiều ngày có th gây nhiễ ộc c p tính [3]

1.3 Các phương pháp xử lý chì trong môi trường nước

1.3.1 Phương pháp kết tủa

Kỹ thuật kết tủ thôn thường bao gồm kết tủa hydroxit và kết tủa sunfua

Kết tủa hydroxit: ược sử dụng rộng rãi nh t do tươn ố ơn n và chi

phí th p, dễ dàng ki m soát pH Ph m vi pH từ 8-11 cho th y kh năn hò t n

gi m của các hydroxit kim lo i khác nhau Vôi ược sử dụng phổ biến trong quá trình kết tủa hydroxit Bằng cách sử dụng cacbonat tro bay-vôi, với nồn ộ b n ầu

là 100 mg/L của Pb2+ từ nước th i có th gi m xuống 0,45 mg/L ở pH tố ưu 7 với

12

hiệu su t lo i bỏ 99,37–99,6% [16, 47 , 54 ] Tuy nhiên, kết tủa hydroxit t o ra một ượng lớn bùn, bị ức chế do sự hiện diện của các ch t t o phứ tr n nước th i

Kết tủa sunfua: ưu m chính của kết tủa sunfua là ó ộ hòa tan th p hơn

so với kết tủa hydroxit Quá trình kết tủa sunfua có th t ược mứ ộ lo i bỏ kim

lo i nặn hơn tr n ph m vi pH rộn hơn s với kết tủa hydroxit [23 , 35 , 24] Các nghiên cứu kết tủa sunfua cho th y rằng Pb2+ với nồn ộ b n ầu là 2,3 mM

dễ dàng kết tủa ở pH tố ưu 3 với hiệu su t lo i bỏ > 92% tươn ứng [23, 35, 24,

25, 26] H n chế việc sử dụng kết tủa sunfua là sự phát tri n của H2S tr n ều kiện x t D ó u trình kết tủa này cần ược thực hiện tr n ô trường trung tính

1.3.2 Phương pháp lọc

Siêu lọc (UF): Phươn ph p n y ó ộ chọn lọc cao, tiêu thụ năn ượng

th p, phù hợp vớ nước th i có kim lo i nặng ở nồn ộ th p Ferella và cộng sự nghiên cứu phươn pháp siêu lọ tăn ường micellar (MEUF) lo i bỏ Pb2+ với nồn ộ b n ầu là 4,4 ppm ở pH tố ưu 7 5 với hiệu su t lo i bỏ là 99 % [27, 28]

Thẩm thấu ngược (RO): Thẩm th u n ược và thẩ t h ện sử dụng màng

bán th lo i bỏ và hồi sinh Pb2+ từ nướ C ặc tính xử ý ược tố ưu hó

1.3.3 Đông tụ và tạo bông keo tụ

Đôn tụ là quá trình kết hợp các h t phân tán và ch t nhũ tươn x y r ưới

nh hưởng của ch t ôn tụ, trong khi keo tụ là quá trình kết hợp các h t ơ ửng khi cho các ch t keo tụ v nước Hai quá trình này diễn ra song song vớ nh u ều t o bông hydroxit kim lo i Quá trình keo tụ bằn x t hu (HA) ũn ược nghiên cứu cho th y kh năn i bỏ Pb2+ tốt hơn từ dung dịch bằng cách liên kết các ion kim lo i vớ HA v s u ó ôn tụ-t o bông với polyelectrolyte cation polydiallyl dimethyl amoni clorua (poly-DADMAC) Nói chung, keo tụ-t o bông không th xử

ượ phươn ph p phổ biến nh t hiện nay Một số ch t h p phụ phổ biến như

ch t th i nông nghiệp, ống nano cacbon, ch t h p thụ sinh học, phụ phẩm công nghiệp, các ch t tự nhiên và than ho t tính Việc s n xu t cacbon ho t hóa từ ch t

th i nông nghiệp có sẵn dồi dào sẽ chuy n các ch t th i nông nghiệp không mong muốn thành ch t h p phụ có giá trị hữu ích

H p phụ là sự tí h ũy h t trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn, lỏng – rắn, khí– lỏng, lỏng – lỏng) H p phụ có th x y r th h ơ hế: h p phụ vật lý

và h p phụ hóa học H p phụ vật ý ược t o ra bởi sự tươn t ủa lực giữa các phân tử (tức là lực Van der Waals), liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ Đây u trình thuận nghị h thườn ược thực hiện ở nhiệt ộ th p và tố ộ h p phụ nhanh, nhiệt

h p phụ th p (2-6 kcal/mol) và không chọn lọ N ược l i, h p phụ hoá học là quá trình h p phụ x y ra do sự t o thành liên kết hóa học giữa các phân tử trên bề mặt

và tính ch t từ tính của ch t h p phụ Chúng bị nh hưởng bở ều kiện như

pH, thời gian, nồn ộ ch t h p phụ và nhiệt ộ Ưu m của việc sử dụng ch t h p phụ từ tính là chi phí th p, dễ tổng hợp, diện tích bề mặt lớn và có kh năn t sử dụng

Hình 3: Quá trình h p phụ thông qua h p phụ từ tính

Chất hấp phụ sinh học: Sự hiện diện của nhiều nhóm chức (cacboxyl, amino,

hydroxyl, photphat, thiol, ) trên bề mặt thú ẩy quá trình h p thụ sinh học Có th nói, sự tươn t ữa ch t gây ô nhiễm và bề mặt của

ch t h p thụ sinh học x y r thôn u tươn t tĩnh ện, t o phức, vi kết tủa, trao

ổi ion, khử hoặc oxy hóa pH dung dịch nh hưởn ến mật ộ ện tích bề mặt

ch t h p thụ sinh học và sự ion hóa của các nhóm chức nằm trên bề mặt ch t h p thụ sinh học Khi pH th p, các cation gần như ổn ịnh và có th liên kết với bề mặt

ch t h p thụ sinh học Mặt khác, ở các giá trị pH hơn h năn hò t n ủa các cation kim lo i gi m dần và có kh năn x y ra hiện tượng kết tủa

1.3.5 Một số nghiên cứu về phương pháp hấp phụ ứng dụng xử lý chì trong môi trường nước

Các ch t h p phụ thươn i thườn ược sử dụng là zeolit, alumin ho t hóa, silicagel và polyme tổng hợp Trong nhữn nă ần ây h t nano và ống

n n b n (CNTs) ược sử dụng làm ch t h p phụ lo i bỏ kim lo i nặng khỏ nướ v nước th i Đường kính lỗ và th tích lỗ càng lớn n tăn h

15

năn h p phụ của CNTs Hầu hết các ch t h p phụ thươn tr n CNT ều ắt tiền, và việc tái t o các ch t h p phụ n y thường không kh thi D ó nhiều nghiên cứu tập trung vào ch t h p phụ dựa trên than ho t tính (AC) ược s n xu t từ các vật liệu khác nhau, bao gồm các s n phẩm phụ tr n nước, công nghiệp, polyme và các vật liệu phế th i nông nghiệp

Abdel Ghani và cộng sự (2007) n h n ứu việc lo i bỏ Pb (II) ra khỏi nước th i bằng các ch t h p phụ là tr u, lõi ngô và mùn ư với tỷ lệ ch t h p phụ / ion kim lo i khác nhau Kết qu chỉ ra hiệu qu h p phụ phụ thuộ v pH tăn h

pH dung dị h tăn tr n h ng từ 2 5 ến 6,5 Thời gian cân bằn t ược sau

120 phút và un ượng h p phụ cự i là 1,5 mg/g Quá trình h p phụ của ion

Pb2+ trên vật liệu phù hợp với mô hình h p phụ ẳng nhiệt Temkin [15]

Mùn ư ủa cây gỗ Meranti là một vật liệu rẻ tiền ược Ahmad A và cộng sự (2009) nghiên cứu lo i bỏ Pb (II) khỏi dung dị h nước bằng cách sử dụng kỹ thuật mẻ Kh năn h p phụ ược x ịnh thông qua việc kh o sát pH, thời gian tiếp xúc và hàm ượng ch t h p phụ Kết qu chỉ ra thời gian cân bằng của ion Pb2+ 60 phút Đồ thị của pH so với phần tră h p phụ cho th y sự h p phụ

n ở pH= 7 với phần tră i bỏ là 94,61% Ngoài ra, kh năn h p phụ của

Pb2+ tăn n h tăn h ượng ch t h p phụ Kết qu này tuân theo c hai mô hình h p phụ ẳng nhiệt Freundlich và Langmuir [17]

M shr (2009) n h n ứu than ho t tính, cao lanh, bentonit, xỉ và tro bay làm ch t h p phụ vớ í h thước h t 100 - 200 mesh lo i bỏ các ion chì ra khỏi nước Nồn ộ của các dung dị h ược chuẩn bị nằm trong kho ng 50 - 100 mg/l Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc, pH, liều ượng ch t h p phụ ược kh o sát trong nghiên cứu này Thời gian cân bằng của than ho t tính là 30 phút, còn cao lanh, bentonit, xỉ và tro bay là 3 giờ pH = 6 t hiệu qu nh t ối với than ho t tính và giá trị pH không nh hưởn n với các ch t h p phụ còn l i Kh năn h p phụ

củ hì tăn h ều ượng ch t h p phụ tăn Kết qu của nghiên cứu này phù hợp

vớ ô hình ẳng nhiệt h p phụ Freundlich và Langmuir [46]

16

H p phụ sinh học ion kim lo i chì bằng than ho t tính ượ ều chế từ lá Citrus Lemontta do Elham Aboli (2020) ược nghiên cứu thông qua các yếu tố nh hưởn như pH, nhiệt ộ, nồn ộ b n ầu, thời gian h p phụ v phân tí h ặc tính của vật liệu qua phươn ph p phân tí h BET SEM EDX FTIR v XRD Theo kết

qu , hiệu su t h p phụ tố ủa ion kim lo hì t ược là 99,53% với pH= 6, liều ượng ch t h p phụ 1 g/l, nhiệt ộ 250C, nồn ộ b n ầu là 5 mg/l, thời gian tiếp xúc t= 60 phút Dun ượng h p phụ cự i t 69,82 mg/g [30]

Abdul Aziz và cộng sự (2019) nghiên cứu vật liệu h p phụ than ho t tính sử dụn ây y ột phụ phẩm nông nghiệp phổ biến Sau khi cacboxyl hoá , than

ho t tính d n th nh y (JSAC) ược áp dụn lo i bỏ Pb2+ khỏi dung dịch nước Diện tích bề mặt của JSAC carboxyl hóa (JSAC-COO-) là 615,3 m2/ g Vật liệu JSAC-COO- ược thử nghiệm cho các nồn ộ th y ổi của Pb2+ (10 và 25 mg/l) ở pH khác nhau (4,0 và 7,0), nhiệt ộ (150C và 270C) và thời gian tiếp xúc (1,

5, 10, 15, 30 và 60 phút) Hiệu su t lo i bỏ tới 99,8% Pb2+ ối với các nồn ộ này trong vòng 15 phút k từ thời gian tiếp xúc [14]

nh t ở pH= 4,0- 8,3 [50] Ngoài ra, chitosan còn h p phụ ược c Hg2+, Cu2+, Ni2+,

Zn2+ Một nghiên cứu h ùn h t s n h p phụ Cr (VI), kết qu cho th y ở pH= 4,0 kh năn h p phụ có th t 273 mg/g [38] Những nhà nghiên cứu khác dùng Pb2+ h p phụ chitosan biến tính với khố ượng h p phụ là 450 mg/g [20]

Zeolit là một ch t h p phụ khoáng phổ biến vớ ặ m c u trúc có nhiều lỗ trống, dễ dàng thực hiện tr ổi ion với các ion kim lo i khác Z t b n ầu là những tinh th u n t ược c u t o bởi các nguyên tử oxi liên kết với nhau bằng

c u trúc tứ diện Zeolit gồm r t nhiều lo như n pt t n z t tr n ó

17

clinoptilolit có kh năn h p phụ m nh các kim lo i nặn như Pb2+, Cd2+, Zn2+,

Cu2+ Đ nâng cao hiệu qu h p phụ thường xử lý zeolit bằng NaOH với kh năn

h p phụ Pb2+ và Cd2+ hơn 100 / hơn s vớ z t hư u xử lý [56]

Than ho t tính là ch t h p phụ ược biết ến lâu và sử dụng rộng rãi nh t Nguyên liệu ều chế than ho t tính thườn th n ừa, than non và gỗ Than ho t tính xử ý nước có 2 d ng chính là d ng bột (PAC) và d ng h t (GAC) Hầu hết than ho t tính lo i bỏ ch t ô nhiễm là GAC Nhìn chung, than ho t tính là một ch t h p phụ linh ho t và rẻ tiền, có nhiều kích cỡ và ứng dụng từ lọ nước và kim lo ến lọc không khí

Canxi sunfat là một khoáng ch t tự nhiên ổn ịnh về mặt hóa học và dễ dàng giữ ượ ộ ẩm Nó có chi phí th p nhưn h năn h p phụ th p và phù hợp sử dụng trong phòng thí nghiệm

Khoáng sét chủ yếu bao gồm thành phần tự nhiên của than bùn, than non,

r t u x t hu ược sử dụn như ột ch t h p phụ Ví dụ sử dụng khoáng sét

h p phụ ion Hg2+

với kh năn h p phụ t 10 mg/g ở pH= 7,0 - 8,5 [55]

1.4.2 Vật liệu hấp phụ than sinh học

1.4.2.1 Giới thiệu chung về than sinh học

Than sinh học là vật liệu u b n ược s n xu t từ nhiều lo i nguyên liệu thô hữu ơ h nh u bằn phươn ph p nhiệt phân tr n ều kiện ô trường không có oxy hoặc oxy h n chế Các ch t th i hữu ơ ó th ược sử dụng làm nguyên liệu s n xu t than sinh họ như h t th i nông nghiệp và bùn th ô thị, có

th gi 35% ến 55% tổn ượng bùn th i khô bằng cách chuy n chúng thành than sinh học [41] Ngoài ra, than sinh học có tính kiềm, chứa một ượng nhỏ khoáng

ch t và các hợp ch t hữu ơ ễ b y hơ thường từ 40% cacbon ến 75% cacbon và không dễ bị vi sinh vật phân hủy Tỷ lệ c u trú thơ hó như vậy ũn ó

n hĩ hợp ch t này có tính ổn ịnh hóa học và sinh họ ược nâng cao so với các nguồn cacbon gốc khác Về c u trúc vi mô, than sinh họ ũn sở hữu ặ m xốp

và có diện tích bề mặt lớn; bề mặt của vật liệu này chứa một số nhóm chức bao gồm phenolic hydroxyl, cacboxyl và anhydrit H p phụ ơ hế hính than sinh học

18

lo i bỏ kim lo i và ch t ô nhiễm hữu ơ Tuy nhiên, kh năn h p phụ của than sinh học vẫn tươn ối th p so với các ch t h p phụ sinh học khác ví dụ như th n h t tính Đồng thời, ngày càng có nhiều sự xu t hiện của các vật liệu h p phụ sinh học

mớ như h t s n h n sét …nên vật liệu than sinh học cần ph i có nhữn ặc tính khác nhằm c nh tranh với các vật liệu mớ n y D ó n h n ứu gần ây chủ yếu tập trung vào việc biến tính các lo i than sinh học vớ ặc tính bề mặt tốt và c u trúc mớ tăn ường kh năn h p phụ và nâng cao lợ í h ô trường

1.4.2.2 Tính chất của than sinh học

Tính ch t của biochar phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố: nhiệt ộ, thời gian,

tố ộ gia nhiệt và nguyên liệu sử dụng trong quá trình nhiệt phân s n xu t biochar Thành phần chính của biochar gồ ó h ượng cacbon, ch t b y hơ ộ

ẩm và tro Tỷ lệ các thành phần này trong biochar phụ thuộc vào nhiệt ộ nhiệt phân

và b n ch t của nguyên liệu sử dụn t b h r C ặc tính của than sinh học thườn ược phân biệt bằng tỷ lệ mol cacbon (C) và hydro (H) so với tỷ lệ nguyên liệu Ví dụ, than sinh học có nguồn gốc từ gỗ tươn ối dễ phân hủy hơn s với phụ phẩm cây trồn v phân ộng vật Ngoài ra, than sinh học từ phân gia súc và gia cầm giàu ch t nh ưỡn hơn s với phụ phẩm cây trồng

Diện tích bề mặt v ộ xốp là các tính ch t vật lý chính nh hưởn ến kh năn h p phụ kim lo i của than sinh họ th y ổ n theo nhiệt ộ nhiệt phân Các nghiên cứu cho th y nhiệt ộ tăn ẫn ến í h thước lỗ lớn hơn ó ện tích bề mặt lớn hơn Với nhiệt ộ tăn từ 500-9000C ộ xốp của than sinh họ tăn

từ 0,056 lên 0,099 cm3g-1 trong khi diện tích bề mặt tăn từ 25,4 lên 67,2 m2g-1 Tuy nhiên trong một số trường hợp, than sinh họ ược s n xu t ở nhiệt ộ cao cho th y diện tích bề mặt v ộ xốp gi m Chun và cộng sự (2004) nghiên cứu cho th y diện tích bề mặt gi ối với than sinh họ ược s n xu t từ lúa mì ở 7000C so với than

19

cầm ở các nhiệt ộ khác nhau cho th y sự th y ổi về pH ộ dẫn ện (EC), nồng

ộ kali (K), N và P Nhiệt ộ là yếu tố chính trong việ nh th y ổi về c u trúc vật ý v ượng C bị m t trong quá trình nhiệt phân Nhiệt ộ và thờ n ưu lâu dẫn ến h ượn tr hơn v ó nồn ộ ch t nh ưỡn hơn tức

là P và K Các ch t nh ưỡng dễ b y hơ như N ó xu hướng gi m ở nhiệt ộ cao hơn [61]

1.4.2.3 Nguyên liệu chính để sản xuất than sinh học

Hiện n y b h r ược s n xu t từ nhiều lo i sinh khối khác nhau từ phụ phẩm nông nghiệp như vỏ tr u, vỏ dừa, vỏ ph b í õ n ô… ến các ch t hữu ơ th i ra trong quá trình trồng trọt Việt N nước có nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát tri n Nông thôn,

s n ượng lúa c nướ nă 2021 t trên 43,86 triệu t n tăn 1 1 tr ệu t n so với

nă 2020; n ô t 4,43 triệu t n; l c s n ượng 416.000 t n; ậu t 57.600 t n; cây sắn t s n ượng trên 10,6 triệu t n Với s n ượng hằn tră tr ệu t n nông s n như vậy tươn ứng với một ượng lớn phế phụ phẩm nông nghiệp phát sinh hằng

nă Trun bình ỗi nă n nh Nôn n h ệp Hà Nội phát sinh kho ng 3,26 triệu

t n phế phụ phẩ tr n ó ú o phát sinh 2,43 triệu t n phế phụ phẩm, chiếm 74,5% tổng s n ượng phế phụ phẩ G ốc Trung tâm B o vệ ô trường trong

s n xu t nông nghiệp và xây dựng nông thôn mới Hà Nộ Đỗ Quý Hùng cho biết:

Số ượng phế phụ phẩm chiếm tỷ lệ nhiều nh t rơ r kho ng 2,06 triệu t n, chiếm kho ng 84,8% khố ượng phế phụ phẩm s n xu t lúa g o; vỏ tr u và cám chiếm 15,2% khố ượng phế phụ phẩm còn l i

Vỏ tr u là một phụ phẩm trong nông nghiệp ú nướ ây i phụ phẩm dồi dào ở Việt N H n nă ở nước ta có một ượng lớn vỏ tr u ược th i ra

ô trường, nh t là ở Đồng bằng Sông Cửu Long một trong những vựa lúa lớn của

c nước Thôn thường, một phần vỏ tr u ược ùn trộn vớ t tăn ộ xốp củ t hoặc dùng làm phân hữu ơ v nh n ệu còn hầu hết ùn un

n u hoặc bỏ số ượng quá nhiều Thành phần chính của vỏ tr u chủ yếu gồm các hợp ch t hữu ơ như x n u zơ n n v hợp ch t vô ơ Than sinh học vỏ

20

tr u (RHB) chiếm 20% trọn ượng g o và nó chứa 50% xenlulo, 25–30% lignin, 15–20% silica và 10–15% ộ ẩm Chuy n tr u thành RHB và tái chế trở l i ruộng

ú như ột ch t c i t t có th là một gi i pháp hiệu qu trong qu n lý ch t th i lúa g o

1.4.2.4 Phương pháp chế tạo biochar

Biochar là vật ch t rỗn ó h ượng cacbon lớn ược s n xu t bằng quá trình nhiệt phân tr n ều kiện không có oxy ở nhiệt ộ từ 300- 9000C Trong quá trình nhiệt phân, các s n phẩm rắn, lỏn hí ược t o thành Ch t rắn và lỏng thườn ược gọi là than sinh học và dầu sinh họ hí thường là khí tổng hợp chứa

CO2, H2, NO2 Quá trình nhiệt phân gồm nhiệt phân nhanh và nhiệt phân chậ Đặc

m của quá trình nhiệt phân nhanh là nguyên liệu thô ược thêm vào lò ph n ứng sau khi nhiệt ộ t giá trị mong muốn và thờ n ưu thường trong vài giây

Tr n h ối với quá trình nhiệt phân chậm, nguyên liệu thô ượ ư v ò ph n ứng khi bắt ầu nhiệt phân, thờ n ưu từ nử ến vài giờ So với nhiệt phân nhanh, nhiệt phân chậ thườn h năn su t sinh học cao So vớ phươn

ph p ều chế thôn thường của vật liệu rb n như r ph n ều chế than sinh học bằng nhiệt phân là dễ dàng, chi phí th p và góp phần vào tính bền vững của môi trường [18]

1.4.2.5 Một số phương pháp biến tính than sinh học

C phươn ph p phổ biến thườn ược sử dụn biến tính than sinh học

là biến tính hóa họ (phươn ph p x t hó b z hó ) b ến tính vật lý (bằn hơ nước, nhiệt ộ), biến tính từ tính … Việc chọn lự phươn ph p b ến tính phụ thuộc vào c u trú v ặ trưn ủa than sinh học sau khi chế t o

Biến tính hóa học: Than sinh học có th bị biến ổi bởi nồn ộ axit, kiềm,

ch t oxy hoá, ion kim lo i, vật liệu b n hơ nước Cụ th như ện tích bề mặt của than sinh học làm từ rơ r gi m từ 71,35 xuống 56,9 m2/g-1 sau khi xử lý bằng axit H2SO4 2%; làm từ cây sậy tăn từ 58,75 lên 88,35 m2/g-1 sau khi xử lý bằng axit HCl [49] So với biến tính axit, kiề thườn tăn ện tích bề mặt của than

21

sinh học Ví dụ như ện tích bề mặt của than sinh học làm từ rơ r tăn từ 71,35 lên 143,4 m2/g-1 sau khi xử lý bằng KOH 1M [31]

Biến tính vật lý: Quá trình khí hoá tiến hành thông qua các tác nhân khí hoá

như hôn hí xy hơ nướ … oxy hoá một phần nguyên liệu n p So với quá trình nhiệt phân u trình hí h ò hỏi nhiệt ộ (thườn hơn 7000C) và một ượng nhỏ xy v hơ nước Tươn tự quá trình nhiệt phân, s n phẩm của quá trình khí hoá là rắn, lỏng, khí Tuy nhiên, s n ượng sinh học từ quá trình khí hoá thường th p hơn s với quá trình nhiệt phân Ngoài ra, do thực hiện ở nhiệt ộ cao

n n tăn h phí h t h p phụ và không kh th ối với ho t ộng quy mô lớn

Đối với quá trình cacbon hoá, nguyên liệu thô ược trộn vớ nước trong lò

ph n ứn S u ó nh ệt ộ và áp su t ược nâng lên Nhiệt ộ của quá trình cacbon

h thườn ưới 250C Than sinh họ ược t th nh ó h ượn b n hơn

so với quá trình nhiệt phân và khí hoá [32]

Biến tính từ tính: Các nghiên cứu hỉ ra rõ ràng than sinh học làm gi m ô

nhiễm các nguyên tố ộc h tr n ô trườn nước Tuy nhiên h n chế của ứng dụn thươn i than sinh học trong xử ý nước th i là yêu cầu b n ầu về tách bằng ly tâm và lọ trước khi ứng dụng Ô nhiễm thứ c p có th x y ra từ quá trình

gi i h p các ch t ô nhiễ ược h p phụ trên than sinh học, t o ra những thách thức mới Một trong những kỹ thuật hiệu qu gi i quyết những thách thứ n y ư các kim lo i chuy n tiếp (Ni, Fe, Co, v.v.) hoặc oxit của chúng vào c u trúc than sinh học t o thành than sinh học từ tính (MBC) Nó có th nhanh chóng lo i bỏ các ch t ô nhiễm hữu ơ v i nặng khỏ nước th i Than sinh học từ tính có

hy vọn tr n tươn do c i thiện ược kh năn h p phụ của than sinh học, t o

ều kiện tái sinh vật liệu và thu hồi kim lo i qua tác dụng của từ trường

Oxit sắt từ Fe3O4 là vật liệu từ tính ầu t n n n ười biết ến và tìm

th y trong các khoáng vật tự nh n tr n ơ th các sinh vật (ong, kiến, bồ âu …) Oxit sắt từ ược xếp vào nhóm vật liệu ferit, có công thức tổng quát là MO.Fe2O3(M là kim lo i hóa trị 2 như F N C Mn M h ặc Cu), là một ferit có c u trúc tinh th spinel n ược Các ferit có c u trúc spinel thuận v sp n n ược Trong mỗi

22

ô ơn vị của c u túc spinel thuận, những ion hóa trị 3 chiếm vị trí bát diện còn những ion hóa trị 2 chiếm các vị trí tứ diện C u trú sp n n ượ ược sắp xếp sao cho một nửa số ion Fe3+ ở vị trí tứ diện, một số nửa ion Fe3+ còn l i và t t c số ion

Fe2+ ở vị trí bát diện Chính c u trú sp n n y uyết ịnh tính ch t từ của

Fe3O4 ó tính h t ferit từ

Hình 4: C u trúc tinh th của Fe3O4

Sự h p phụ các ion kim lo i nặng của các h t nano từ tính nói chung x y ra bằn tươn t hó ý ó th ược bi u thị bằng lự hút tĩnh ện Với vị trí h p phụ n ện tích âm, khi sự hy r t hó ủa ion càng lớn, nó càng ở xa bề mặt h p phụ và kh năn h p phụ của nó càng yếu N ược l i, các ion có bán kính ion hydrat càng th p thì kh năn bị h p phụ của nó càng cao do kh năn nh tranh cao nh t với proton

J n Y Zh n (2021) n h n ứu nh hưởng của 3 vật liệu sắt ngo i sinh: than sinh học biến tính Fe3O4, EDTA- Fe và FeSO4 ối với sự hình thành m ng bám sắt trên bề mặt rễ lúa và nh hưởng của m ng bám sắt ối với sự h p thụ, vận chuy n Cd và Fe trong cây lúa Kết qu cho th y m ng bám sắt u v n nâu ược hình thành trên bề mặt rễ ú ược xử lý bằng Fe và một số h t u n ược nhúng trong m ng bám sắt ược hình thành bởi than sinh học biến tính Fe3O4 Tỷ lệ

m ng bám sắt kết tinh (31,8%- 35,9%) hình thành bởi than sinh học biến tính Fe3O4 hơn nh ều so với hình thành bởi EDTA- Fe và FeSO4 Nồng ộ Cd trong m ng sắt kết t nh ược hình thành bởi BC-Fe là 7,64–13,0 mg·kg −1 v tăn n h nồng

23

ộ Fe trong m n tăn n Kết qu hứng minh rằng ứng dụng than sinh học biến tính Fe3O4 thú ẩy sự hình thành m ng bám sắt v tăn ường quá trình cô lập Cd và Fe trong rễ ó gi m sự vận chuy n v tí h ũy C tr n cây lúa [39]

Swagatika (2022) nghiên cứu kh năn lo i bỏ xanh metylen từ dung dịch nước sử dụng than sinh học từ vỏ cam quýt biến tính oxit sắt từ Fe3O4 (Fe3O4- CBC) Kết qu cho th y hiệu qu h p phụ tăn n từ 64 % lên 98 % sau khi biến tính oxit sắt từ tính thành than sinh họ uýt (CBC) tươn t tĩnh ện Phân tích BET Fe3O4- CBC cho th y diện tích bề mặt tăn n 136 72 2 g−1 với ường kính lỗ xốp gi m 3,73 nm so với than sinh học từ vỏ cam quýt (CBC) Mô hình ẳng nhiệt Langmuir phù hợp nh t với R 2 = 0,99 và kh năn h p phụ là 31 mg/g Đ ều này chứng minh rằng Fe3O4- CBC ón v trò h t h p phụ sinh học hiệu qu cao, tiết kiệ h phí lo i bỏ xanh metylen với kh năn t h từ tính dễ dàng khỏ ô trường nước [58]

Trong một nghiên cứu khác, than sinh học có nguồn gốc từ bã mía biến tính bởi Fe2O3 và Fe3O4 ược sử dụn nh h năn xử lý Cr (VI) trong môi trườn nước Kết qu thí nghiệm cho th y diện tích bề mặt cụ th của vật liệu biến tính là 81,94 m2/g và kh năn h p phụ Cr (VI) tố 29 08 mg/g ở 25ºC, cao hơn nh ều so với than sinh học thôn thườn S u h ược tái sinh ba lần, hiệu qu

lo i bỏ vẫn cao tới 80,36% [42]

Như vậy, than sinh học từ tính ược coi là một ch t h p phụ hiệu qu lo i

bỏ các ch t ô nhiễ vô ơ v hữu ơ thậ hí nước ô nhiễm ch t th i h t nhân

Qu ó ó th th y rằng việc biến tính than sinh học bằng oxit kim lo i là một hướn ới có th gi i quyết ược những mặt h n chế của than sinh học và mở rộn hơn nữa công dụng của nó

1.4.2.6 Ứng dụng của than sinh học trong xử lý ô nhiễm môi trường nước

Phụ phẩm nông nghiệp là nguồn năn ượng tái t o tiề năn ó ặt với số ượng lớn ở hầu hết nước với tính ch t phong phú, dễ phân hủy và giá thành rẻ

24

D ó n y n ó nh ều xu hướng sử dụng ch t th i nông nghiệp s n xu t than sinh họ ồng thời thu các s n phẩm phụ u năn ượn h nh u như ầu sinh học và than sinh học Hiện n y ó nh ều nghiên cứu ược thực hiện chứng minh kh năn i bỏ ch t gây ô nhiễm của b h r ặc biệt là trong môi trườn nước

Nghiên cứu của Shiwei và cộng sự (2022) nh h năn h p phụ của than sinh học từ thân cây ngô qua 4 yếu tố nh hưởng bao gồm giá trị pH, nhiệt ộ, liều ượng ch t h p phụ Ở giá trị pH nhỏ hơn 3 un ượng h p phụ Pb t 0,353–0,354 mmol .Tuy nh n s u h nân ộ pH từ 3- 5, kh năn i bỏ tăn trưởng nhanh chóng t 0,727 mmol/g Ở pH lớn hơn 7 sự kết tủa của (Pb(OH)2)

x y ra do sự tồn t i của nhiều –OH hơn v ó pH tr n 7 hôn ược sử dụng cho thử nghiệm h p phụ Kết qu nghiên cứu, hiệu su t h p phụ tăn nh nh từ 0,1

mg /L ến 0,3 mg /L, và hiệu su t h p phụ t 99% Kh tăn nồn ộ của Na+trong dung dịch, kh năn h p phụ Pb2+ b n ầu tăn n v s u ó m từ từ Từ nồng ộ của Na+ tăng từ 0 01 M ến 0,1 M, un ượng h p phụ Pb gi m từ 0,639 mmol/g xuống còn 0,571 mmol/g Tố ộ gi m dần sau khi nồn ộ của Na+ cao hơn 0 1 M h th y rằng các ion nền ức chế sự h p phụ than sinh họ ối với Pb2+[52]

Trong nghiên cứu của Neha Shukla (2019) h o sát tiề năn xử ý nước

th i bậc ba bằng cách h p phụ sử dụng than sinh học tr u (RHB) thu ược từ quá trình nhiệt phân tr u bằng lò vi sóng Thí nghiệm h p phụ với RHB cho th y ộ h p phụ photphat và nitrat lần ượt 65% v 75% Động học h p phụ chỉ ra mô hình

h p phụ bậc hai gi h p phụ các ch t nh ưỡng trên than sinh học với giá trị R2

>0,98 Sự h p phụ củ ph tph t tr n RHB ược dự n tốt bằn ườn ẳng nhiệt Langmuir-Freundlich, trong khi dữ liệu h p phụ của nitrat phù hợp tốt vớ ường ẳng nhiệt Langmuir Kh năn h p phụ photphat và nitrat tố ần ượt là 71 mg /

kg và 497 mg / kg khi sử dụn ô hình ẳng nhiệt Langmuir Nghiên cứu gi i h p chỉ ra lần ượt gi phón 96 6% v 44 4% ph tph t v n tr t D ó từ 1 kg RHB

có th chiết xu t kho n 68 ph tph t v 220 n tr t bón h t Công

25

trình nghiên cứu n h n ứu hiệu qu RHB như ột ch t h p phụ lo i bỏ phốt phát và nitrat ra khỏ nước th i và tiề năn ủa RHB tr n tươn [48]

Sự rử trô ph tph t v nước ngầm qua lớp t ướ òn t ũn nh hưởn ến ch t ượn nước uống, dẫn ến n uy ơ t ềm ẩn ối với sức khỏe con

n ườ v ộng vật Một số nghiên cứu sử dụng các quá trình vật lý, hóa học và sinh họ lo i bỏ photphat khỏ nước Mặc dù, các kỹ thuật tiên tiến như thẩm

t h ện, thẩm th u n ược, quá trình màng, keo tụ ượ th nh ôn nhưn hún ò hỏ ầu tư vốn và chi phí vận h nh D ó hầu hết các nhà nghiên cứu ều tìm kiếm ch t h p phụ sẵn có t ịa phươn vì hún un p các gi i pháp hiệu qu , kh thi và tiết kiệm chi phí Nghiên cứu của Sumam Mor (2016) ề cập ến việc sử dụng tro tr u phế th i nông nghiệp lo i bỏ photphat khỏ nước

th i Ảnh hưởng của các yếu tố như thời gian tiếp xúc, liều ượng ch t h p phụ, pH

và nhiệt ộ ược nghiên cứu Kết qu lo i bỏ tới 89% photphat t ược ở pH= 6 với liều ượng 2 g /L trong thời gian 120 phút Dữ liệu cân bằng h p phụ cho th y phù hợp nh t vớ ô hình ẳng nhiệt Langmuir (R2 = 0,991) và mô hình ộng học bậc hai gi Dựa trên nghiên cứu hiện t i, tro tr u ho t tính giúp lo i bỏ photphat ra khỏ nước th i một cách hiệu qu và tiết kiệm chi phí [57]

26

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu

Vật liệu h p phụ b h r ược chế t o từ vỏ tr u xử lý Chì trong môi trườn nước

- Mục tiêu nghiên cứu

+ Nghiên cứu tổng hợp ược vật liệu h p phụ tr n ơ sở biến tính biochar chế t o từ phụ phẩm nông nghiệp là vỏ tr u bằng Fe3O4

+ Kh o sát kh năn ứng dụng vật liệu biochar biến tính vào xử lý chì trong

ô trườn nước

- Nội dung nghiên cứu

+ Chế t o vật liệu biochar từ vỏ tr u, vật liệu biochar biến tính bởi Fe3O4.+ Phân tí h ặ trưn u trúc và tính ch t vật liệu thôn u phươn

ph p ặ trưn : SEM XRD BET …

+ Đ nh nh hưởng của pH, thời gian, nồn ộ b n ầu ến quá trình h p phụ chì của vật liệu biochar và biochar biến tính So sánh kh năn h p phụ chì của vật liệu biocchar và biochar biến tính khi nghiên cứu quá trình h p phụ tĩnh

+ Nghiên cứu nh h năn t s nh ủa vật liệu sau khi xử lý

2.2 Hoá chất, dụng cụ và thiết bị

 Hoá chất

- Dung dịch chuẩn Chì 1000 mg/L (Merk)

- Sắt (III) clorua (FeCl3.6H2O) 99% và sắt (II) sunfua (FeSO4.7H2O) 99%

- Natri clorua (NaCl), Canxi clorua (CaCl2)

27

- Bông thủy tinh

 Thiết bị

Các thiết bị sử dụng t i Phòng thí nghiệm Trọn m Vật liệu Tiên tiến Ứng

dụng trong Phát tri n xanh

- M y pH tự ộng

- Máy lắc Shaker Edmund Buhler GmbH, Tubiingen – H h n (Đức)

- Cân ện tử Hana

- Tủ nung Lenton PO Box 2031, S336BW

- Kính hi n v ện tử quét SEM-EDX (TM4000Plus/Hitachi (SEM) - Oxford (EDX))

- Máy quang phổ huỳnh quang XRF (JSX-1000S/ Jeol, Japan)

- Máy quang phổ h p thụ nguyên tử AAS (AA- 7000, Shimazdu)

- M y ện tích bề mặt riêng BET (NOVAtouch LX4, Quantachrome Instrument, USA)

- Máy quang phổ hồng ngo i FTIR (FTIR4600, Jasco, Japan)

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp xác định cấu trúc, thành phần của vật liệu và phân tích hàm lượng chì

 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Kính hi n v ện tử quét SEM là một lo i kính hi n v ện tử có th t o ra

nh vớ ộ phân gi i cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một hù ện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu Việc t o nh của mẫu vật ược thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức x phát ra từ tươn t ủ hù ện tử với bề mặt mẫu vật Thông qua thiết bị này, có th x ịnh các thông tin về vật liệu như: hình thái bề mặt, í h thước, sự phân bố ồng nh t của vật liệu

Ảnh vi c u trúc và hình thái học của vật liệu ược chụp bằng kính hi n vi

ện tử hi n v ện tử quét TM4000Plus (Hitachi) t i phòng thí nghiệm trọn m Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong Phát tri n x nh Trườn ĐHKH Tự Nh n ĐHQG

Hà Nội

28

 Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR)

Phươn ph p phân tí h phổ hồng ngo i (Infrared Spectroscopy – IR) là một trong nhữn phươn ph p ùn x ịnh các lo i liên kết (thường là liên kết hữu ơ) v th nh phần c u t o của các hợp ch t Nguyên tắc củ phươn ph p n y h

sử dụng chùm tia hồng ngo i với nhiều tần số h nh u chiếu vào một phân tử hữu ơ thì phân tử này có th h p thụ các tia hồng ngo i có tần số bằng với tần số ộng của các liên kết có trong phân tử ó C n ết khác nhau sẽ có tần số khác nhau sẽ có những tần số ộn h nh u ó sẽ có những tần số dao ộng khác nhau Bằng việc so sánh mật ộ quang của chùm tia hồng ngo i truyền qua phân tử hữu ơ h ặc bị ph n x bởi phân tử hữu ơ t ó th x ịnh ược tính

ch t của vật liệu như th nh phần hóa học, c u trúc phân tử bằn h x ịnh các nhóm chức, liên kết hóa học

Phổ hồng ngo ược phân tích bằng máy Quang phổ hồng ngo i FT-IR

4600 t i phòng thí nghiệm trọn m Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong Phát tri n

x nh Trườn ĐHKH Tự Nhiên ĐHQG H Nội

 Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)

Phổ tán x năn ượng tia X (Energy Dispersive X Ray Spectroscopy – EDX) ược sử dụn phân tích thành phần hóa học của các vật liệu rắn dựa vào việc ghi l i phổ tia X phát ra từ vật rắn do tươn t với các bức x (mà chủ yếu là

hù ện tử ó năn ượng cao trong các kính hi n v ện tử) Phươn ph p n y cung c p các thông tin về thành phần và tỷ lệ các nguyên tố có trong vật liệu

 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Phươn ph p nh ễu x tia X ược sử dụn nghiên cứu sự sắp xếp nguyên

tử trong tinh th của ch t rắn ược thực hiện bằng cách chiếu một chùm tia X vào mẫu rồi phân tích chùm tia tán x Đ ượng góc tán x phụ thuộ v bước sóng

củ t X hướng tinh th và kho ng cách các mặt phẳng nguyên tử ó ó th ặc trưn h u trúc của vật liệu

Hệ thứ Br phươn trình ơ b n cho việ bước sóng các tia X hay nghiên cứu c u t o của m ng tinh th : Δ = 2 .s nθ = n.λ

29

: bước sóng tia X tới d: kho ng cách giữa các mặt phẳng trong họ mặt phẳng song song

: góc ph n x n: bậc ph n x (nhận các giá trị n uy n 1 2 …)

 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ nitơ (BET)

Phươn ph p ẳng nhiệt h p phụ và gi i h p phụ n tơ ược sử dụn xác ịnh diện tích bề mặt riêng của vật liệu, hình d n í h thước và sự phân bố của các lỗ mao qu n trên bề mặt vật liệu.Phươn ph p n y thực hiện dựa trên việc xác ịnh ượng khí cần thiết bao phủ bề mặt của một lớp ơn phân tử Lượng khí này ược xác ịnh từ ường cong h p phụ ẳng nhiệt củ n tơ ở nhiệt ộ củ n tơ ỏng (77 K) theo Brunauer, Emmett và Teller (BET) từ ó N2 bị h p phụ bằng h p phụ vật lý trên bề mặt ch t h p phụ Lượng N2 h p phụ ở một áp su t h trướ ược

Tr n ó : P – áp su t cân bằng h p phụ, P0 – áp su t hơ b h t i nhiệt ộ

n ượ V – th tích khí N2 bị h p phụ trên mỗi gam vật liệu t i áp su t tươn

ối P/P0 tức thời, Vm – Th tích khí N2 ứng với h p phụ ơn lớp, C – hằng số liên

u n ến nhiệt h p phụ

 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

Phươn ph p u n phổ h p thụ nguyên tử AAS ược sử dụn x ịnh

h ượng của chì trong dung dịch sau quá trình h p phụ ược phân tích bởi máy quang phổ h p thụ nguyên tử AA- 7000, Shimazdu t i phòng thí nghiệm trọn m Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong Phát tri n x nh Trườn ĐHKH Tự Nh n ĐHQG

Hà Nội

2.3.2 Phương pháp chế tạo vật liệu hấp phụ

 Quy trình tiền xử lý than sinh học

Than sinh học có nguồn gốc từ vỏ tr u ược cung c p từ Phòng thí nghiệm Trọn m Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong Phát tri n xanh (KLAMAG) sẽ ược rửa, lắc với dung dịch axit HCl 1M trong 2 giờ S u ó rửa s ch bằn nước c t và

ều chỉnh về pH trung tính Hỗn hợp ược s y khô trong tủ s y chân không ở nhiệt

ộ 800C thu ược biochar biến tính bằng axit

Hình 6: Sơ ồ quy trình chế t o Biochar biến tính bằng axit

31

 Quy trình chế tạo than sinh học biến tính bằng Fe 3 O 4 (FmB)

Than sinh học ược tiền xử lý làm s ch, nghiền và sàng thành các h t nhỏ hơn 1 chuy n thành d ng bột mịn Hoà tan 3,66g FeCl3.6H2O và 1,8807g FeSO4.7H2O tr n 200 L nước c t trong bình thuỷ t nh 1000 L s u ó th 5 bột than sinh học vào hỗn hợp tr n ều kiện khu y từ t i 80°C Thêm từ từ 50mL dung dịch NaOH 5M vào với tố ộ 1 giọt/giây bằng pipet với nhiệt ộ duy trì 80°C Hỗn hợp ược khu y trong 3 giờ h ến khi màu nâu chuy n s n n Trong suốt quá trình biến tính, bình thuỷ t nh ược bọc bằng gi y b m b o

h n chế tố x hôn hí xâ nhập

Sau quá trình biến tính, lo i bỏ các t p ch t bằn h ọc kết tủa và rửa

s ch các h t than sinh học biến tính Fe3O4 (FmB) bằn nước c t và cồn h ến khi

pH t trung tính Vật liệu ược làm khô trong tủ s y chân không ở nhiệt ộ 60°C trong 24h và b o qu n ở nơ hô r th n t

2.3.3 Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu biochar

Dung dịch chuẩn Pb2+ (1000pp ) ược sử dụn pha dung dịch Pb2+ Sử dụng dung dịch NaOH 0,1M hoặc HNO3 0 1M ều chỉnh pH của dung dịch về

pH mong muốn Các thí nghiệ ược lặp l i 3 lần và l y kết qu trung bình

Kh năn h p phụ Pb2+ của vật liệu ượ nh th ô hình h p phụ tĩnh 0,025 ượng vật liệu ược sử dụng trong 100mL dung dịch Pb2+ Dun ượng

h p phụ và hiệu su t xử ý ượ x ịnh theo công thức:

32

Thực hiện s n s n v u trình như nh u ối với hai lo i vật liệu là RHB

và FmB

2.3.3.1 Xác định giá trị pH tại điểm đẳng điện của vật liệu (pH pzc )

Cân 0,3728g KCl tinh th tr n ân phân tí h s u ó ph vớ 500 L nước

c t t ược dung dịch KCl 0,01M Chuẩn bị 1 dãy 6 bình tam giác th tích 250 mL, chuy n 50 mL dung dịch KCl 0,01M vào mỗi bình Chỉnh pH của dung dịch trong mỗi bình về các giá trị từ 3-8 bằng dung dịch NaOH 0,1M hoặc HNO3 0,1M Sau khi chỉnh pH của các dung dịch, thêm 0.1g vật liệu (RHB hoặc FmB) và lắc trên máy lắc trong 2h với tố ộ lắ 200 vòn /phút S u h t ến tr ng thái cân bằng,

x ịnh l i pH của dung dịch (pHf) Từ ó x ịnh ượ ∆pH=pHf – pH Vẽ ồ thị

pH v ∆pH ồ thị này cắt trục Ox t i giá trị n thì ó hính pHPZC của vật liệu cần nghiên cứu

2.3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH

- Chuẩn bị dung dịch Pb2+ nồn ộ 10mg/L ở các pH khác nhau là 3; 4; 5; 6;

7 Đ ều chỉnh pH bằng cách cho từ từ NaOH 0,1M hoặc HNO3 0,1M

- Cho 0,025g RHB hoặc FmB vào bình tam giác chứa 100ml dung dịch Pb2+

ở các pH khác nhau

- Hỗn hợp ược lắc với tố ộ 250 vòng/phút trong thời gian 2 giờ t i nhiệt

ộ phòn trước khi lọc bằng gi y lọc 200µm Tiến h nh pH ủa dung dịch sau khi lọc

- Dung dị h thu ược chuy n vào lọ peni s ch, bọ n n b p r f tránh rò rỉ S u ó ẫu ược gử phân tí h nồn ộ bằn phươn ph p u n phổ

h p thụ nguyên tử AAS

- Từ kết qu ó x ịnh pH tố ưu h p phụ Pb2+ của vật liệu và chọn

ượ pH tiến hành các thì nghiệm tiếp theo

2.3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian

Chuẩn bị dung dịch Pb2+ nồn ộ 20 mg/L t i pH tố ưu nồn ộ tố ưu h mỗi lo i vật liệu S u ó h o sát với các lo i vật liệu khác nhau trong thời gian khác nhau (30, 60, 90, 120, 150, 180, 240, 300, 360 phút)