Đang tải... (xem toàn văn)
MỞ ĐẦU Hiện nay, nhu cầu sử dụng nguồn nước sạch cho mục đích sinh hoạt của con người ngày càng lớn. Đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sạch đang là vấn đề thách thức đối với toàn thế giới. Thiếu nước sạch không chỉ là mối lo ngại của một quốc gia mà còn là vấn đề toàn cầu. Vấn đề này không chỉ ở các nước Châu Phi, các vùng sa mạc hóa, mà ngay cả các vùng có nguồn nước do các con sông chảy qua cũng thiếu nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt của con người. Sự ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm, do sự phát triển của công nghiệp phát ra các nguồn khí thải ô nhiễm, nước thải, chất thải rắn nguy hại và các hoạt động khai thác khoáng sản của con người gây ra. Sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm các kim loại nặng độc hại, đặc biệt là asen ảnh hưởng xấu đến chất lượng cuộc sống của con người. Ở Việt Nam hiện nay, nguồn cung cấp nước sinh hoạt chủ yếu là nước ngầm. Nguồn nước ngầm ở một số tỉnh thành như: Hà Nam, Hưng Yên, Vĩnh Phúc Long An, An Giang, Hà Tĩnh… thường chứa các kim loại nặng độc hại như sắt, mangan, asen. Con người sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm lâu ngày là một trong các nguyên nhân gây ra các bệnh hiểm nghèo như: bệnh về da, mắt, các dịch bệnh lây qua nguồn nước và đặc biệt là asen gây ra các bệnh ung thư xương, thận, gan… Để loại bỏ các kim loại nặng độc hại ra khỏi nguồn nước, thường sử dụng các phương pháp hóa học, hóa – hóa lý như: kết tủa, trao đổi ion, màng lọc, phương pháp oxi hóa, hấp phụ… Hiện nay, phương pháp phổ biến được dùng để xử lý loại bỏ các kim loại nặng ra khỏi nguồn nước là phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu hấp phụ, đặc biệt là vật liệu nano. Phương pháp hấp phụ có sử dụng vật liệu nano cho hiệu quả cao tại các vùng nông thôn có nguồn nước bị ô nhiễm, chưa có các nhà máy xử lý nước tập trung, do thiết bị hấp phụ nhỏ gọn, dễ vận hành và đầu tư không lớn. Việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nano oxit kim loại để hấp phụ asen được nhiều nhà khoa học quan tâm do những đặc tính ưu việt của chúng. Vật liệu oxit riêng rẽ sắt, oxit mangan, oxit titan và oxit đất hiếm đã được nghiên cứu sử dụng để loại bỏ asen . Tuy nhiên, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nano oxit hỗn hợp hấp phụ asen, nhằm kết hợp được các đặc tính ưu việt của từngđơn oxit cần được quan tâm. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp một số oxit hỗn hợp chứa Fe (hệ Fe – Mn, Fe – Ti, Fe – Nd) kích thước nanomet ứng dụng để xử lý Asen trong nước sinh hoạt” được thực hiện với các nội dung chính: Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn, Fe – Ti, Fe – Nd có kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel polyvinyl ancol và nghiên cứu khả năng hấp phụ của chúng đối với asen trong nước sinh hoạt.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - PHẠM NGỌC CHỨC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MỘT SỐ OXIT HỖN HỢP CHỨA Fe (Fe – Mn, Fe – Ti, Fe – Nd) KÍCH THƯỚC NANOMET ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG NƯỚC SINH HOẠT LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC HÀ NỘI – 2016 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …… ….***………… PHẠM NGỌC CHỨC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MỘT SỐ OXIT HỖN HỢP CHỨA Fe (Fe – Mn, Fe – Ti, Fe – Nd) KÍCH THƯỚC NANOMET ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG NƯỚC SINH HOẠT LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC Chuyên ngành: Hóa Vô Mã số: 62.44.01.13 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lưu Minh Đại TS Nguyễn Đức Văn Hà Nội – 2016 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn PGS.TS Lưu Minh Đại TS Nguyễn Đức Văn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hóa học phận phụ trách đào tạo sau đại học Viện Hóa học, Phòng đào tạo Học Viện Khoa học Công nghệ tạo điều kiện thuận lợi cho trình thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn TS Đào Ngọc Nhiệm phòng Vật liệu vô – Viện khoa học vật liệu hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ trình hoàn thành luận án Qua xin chân thành cảm ơn CN Đoàn Trung Dũng anh chị em bạn đồng nghiệp phòng vật liệu Vô – Viện khoa học Vật liệu giúp số thí nghiệm trình thực luận án Nhân dịp này, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến thầy cô giáo, bạn đồng nghiệp gia đình động viên giúp đỡ hoàn thành luận án Tác giả luận án Phạm Ngọc Chức Phạm Ngọc Chức LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng hướng dẫn PGS TS Lưu Minh Đại TS Nguyễn Đức Văn Các số liệu trích dẫn có nguồn gốc, kết luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận án Phạm Ngọc Chức DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BET Brunauer- Emmett- Teller GAC Granular activated carbon: Than cacbon hoạt tính dạng hạt FTIR PZC Fourier Transform Infrared Spectroscopy: Phương pháp phổ hồng ngoại X – ray Photoelectron Spectroscopy: Phương pháp phổ kế quang điện tử tia X Extended X-ray Absorption Fine Structure: Cấu trúc tinh tế hấp thụ tia X Point of Zero Charge: Điểm điện tích không CS Combustion Synthesis: Tổng hợp đốt cháy PVA Poli Vinyl Ancol KL/PVA Tỉ lệ số mol ion kim loại PVA DTA Differential Thermal Analysis: Phân tích nhiệt vi sai TGA Thermal Gravity Analysis: Phân tích nhiệt trọng lượng SEM Scanning Electron Microscopy: Hiển vi điện tử quét XRD X-Ray Diffraction: Nhiễu xạ tia X TEM Transmission Electron Microscopy: Hiển vi điện tử truyền qua SBET Diện tích bề mặt xác định theo phương pháp BET AAS CTA Atomic Absorption Spectrophotometric: Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử Cát thạch anh BTN Bentonit HTH FM/CTA Than hoạt tính Vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn/cát thạch anh FM/BTN FM/THT IOCS Vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn/bentonit Vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn/than hoạt tính Oxit sắt phủ cát XPS EXAFS GC γ – Fe2O3/cát thạch anh MC β – MnO2/cát thạch anh qmax Dung lượng hấp phụ cực đại đơn lớp MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Mục lục hình Mục lục bảng Danh mục kí hiệu chữ viết tắt MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình ô nhiễm nước giới 1.1.1 Sự tồn asen 1.1.2 Tình hình ô nhiễm asen giới 1.1.3 Tình hình ô nhiễm assen nguồn nước ngầm Việt Nam 1.2 Các phương pháp loại bỏ asen khỏi nguồn nước 1.2.1 Phương pháp keo tụ 1.2.2 Phương pháp oxi hóa 1.2.3 Phương pháp màng 1.2.4 Phương pháp trao đổi ion 1.2.5 Phương pháp hấp phụ 1.3 11 Tổng quan vật liệu xử lý asen 1.3.1 Vật liệu hấp phụ chứa oxit sắt 11 1.3.2 Vật liệu hấp phụ chứa oxit mangan 13 1.3.3 Vật liệu hấp phụ chứa oxit titan 15 1.3.4 Vật liệu hấp phụ chứa oxit đất 16 1.4 17 Phương pháp tổng hợp vật liệu 1.4.1 Phương pháp đồng kết tủa 19 1.4.2 Phương pháp sol - gel 20 1.4.3 Phương pháp thủy nhiệt 21 1.4.4 Phương pháp đốt cháy gel polyme 22 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC 25 NGHIỆM 2.1 Phương pháp tổng hợp vật liệu 25 2.1.1 Hóa chất 25 2.1.2 Chế tạo vật liệu nano oxit hỗn hợp chứa sắt (hệ Fe – Mn, Fe – Ti, 25 Fe – Nd) 2.1.3 Chế tạo vật liệu chất mang 26 2.2 Các phương pháp xác định đặc trưng vật liệu 27 2.2.1 Phương pháp phân tích nhiệt (DTA, TGA) 28 2.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 29 2.2.3 Phổ tán xạ tia X (EDS) 30 2.2.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét 31 2.2.5 Phương pháp đo diện tích bề mặt (BET) 32 2.2.6 Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 32 2.2.7 Phương pháp phổ tán xạ Raman 33 2.2.8 phương pháp xác định điểm điện tích không vật liệu 33 2.3 Các phương pháp phân tích hóa học 34 2.3.1 phương pháp hấp phụ nguyên tử xác định hàm lượng Asen 34 2.3.2 Phương pháp so màu xác định hàm lượng Fe, Mn 34 2.4 Phương pháp nghiên cứu khả hấp phụ vật liệu 35 2.4.1 Phương pháp hấp phụ tĩnh 35 2.4.2 Phương pháp hấp phụ động 39 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41 PHẦN I: Vật liệu nano Fe2O3 – TiO2 41 3.1.1 Tổng hợp vật liệu hệ nano oxit Fe2O3 – TiO2 phương pháp 41 đốt cháy gel PVA 3.1.1.1 Lựa chọn nhiệt độ nung 41 3.1.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng pH 43 3.1.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ tạo gel 44 3.1.1.4 Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ mol Fe/Ti 45 3.1.2 Nghiên cứu khả hấp phụ asen vật liệu nano oxit hỗn 46 hợp Fe2O3 – TiO2 3.1.2.1 Xác định điểm điện tích không (pHpzc) 46 3.1.2.2 Xác định thời gian đạt cân hấp phụ 47 3.1.2.3 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ As(V) 48 3.1.2.4 Xác định dung lượng hấp phụ asen 49 PHẦN II: Vật liệu nano NdFeO3 53 3.2.1 Tổng hợp vật liệu vât nano oxit NdFeO3 phương pháp đốt 53 cháy gel PVA 3.2.1.1 Lựa chọn nhiệt độ nung 53 3.2.1.2 Ảnh hưởng pH tạo gel đến trình hình thành pha 54 perovskit NdFeO3 3.2.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ tạo gel đến trình hình thành pha 56 perovskit NdFeO3 3.2.1.4 Ảnh hưởng tỷ lệ mol kim loại với PVA đến trình hình 57 thành pha perovskit NdFeO3 3.2.2 Nghiên cứu trình hấp phụ As(V) vật liệu oxit NdFeO3 59 3.2.2.1 Xác định điểm điện tích không (pHpzc) vật liệu NdFeO3 59 3.2.2.2 Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ 60 3.2.2.3 Sự hấp phụ As(V) vật liệu NdFeO3 65 3.2.2.4 Động học hấp phụ As(V) 69 PHẦN III: Vật liệu nano Fe2O3 – Mn2O3 74 3.3.1 Tổng hợp hệ vật liệu hệ Fe2O3 – Mn2O3 phương pháp đốt 74 cháy gel PVA 3.3.1.1 Lựa chọn nhiệt độ nung 74 3.3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng pH tạo gel 76 3.3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ mol kim loại 77 3.3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ tạo gel 78 3.3.2 Nghiên cứu ứng dụng vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 – Mn2O3 hấp 79 phụ As(V) 3.3.2.1 Nghiên cứu khả hấp phụ As(V) vật liệu oxit hỗn hợp 79 Fe2O3 – Mn2O3 3.3.2.2 Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ asen 85 vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 – Mn2O3 3.3.2.3 Nghiên cứu chế tạo vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 –Mn2O3 88 chất mang ứng dụng để hấp phụ As(V) nước sinh hoạt 3.3.2.4 Khả hấp phụ tĩnh asen vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – 91 Mn/CTA 3.3.2.5 Nghiên cứu khả hấp phụ động asen cột chứa Fe2O3 – 93 Mn2O3/CTA 3.3.2.6 Nghiên cứu khả tái sử dụng vật liệu nano oxit hỗn hợp hệ 97 Fe – Mn/CTA 3.3.2.7 Sử dụng vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn/CTA thiết bị hấp 98 phụ loại bỏ asen khỏi nước sinh hoạt KẾT LUẬN 99 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 100 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 PHỤ LỤC MỤC LỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối phương pháp sol – gel 20 Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp vật liệu phương pháp đốt cháy gel PVA 26 Hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp vật liệu oxit chất mang 27 Hình 2.3 Hiện tượng nhiễu xạ tia X mặt tinh thể chất rắn 29 Hình 3.1 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu gel (Ti+Fe)/PVA 41 Hình 3.2 Giản đồ XRD mẫu nung gel (Fe+Ti)/PVA nhiệt độ nung 42 khác Hình 3.3 Giản đồ XRD mẫu Fe2O3 – TiO2 chế tạo pH khác 43 Hình 3.4 Giản đồ XRD mẫu Fe2O3 – TiO2 chế tạo nhiệt độ tạo 44 gel khác Hình 3.5 Giản đồ XRD mẫu Fe2O3 – TiO2 chế tạo tỷ lệ mol 45 Fe/Ti khác Hình 3.6 Ảnh SEM mẫu Fe2O3 – TiO2 chế tạo điều kiện tối ưu 46 Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc zeta vật liệu Fe2O3 – 47 TiO2 vào pH Hình 3.8 Sự hấp phụ As(V) theo thời gian vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 48 – TiO2 Hình 3.9 Sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ As(V) vật liệu Fe2O3 49 – TiO2 vào pH Hình 3.10 Sự hấp phụ As(V) vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 – TiO2 51 Hình 3.11 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu gel (Nd+Fe) /PVA 53 Hình 3.12 Giản đồ XRD mẫu NdFeO3 nung nhiệt độ khác 54 Hình 3.13 Giản đồ XRD mẫu NdFeO3 chế tạo pH khác 55 Hình 3.14 Giản đồ XRD mẫu NdFeO3 chế tạo nhiệt độ tạo gel 56 khác mg/l, khối lượng mẫu 0,05 g, khuấy liên tục 150 phút, pH = 6,5 Kết nghiên cứu ảnh hưởng anion Bảng 3.17 Bảng 3.17 Ảnh hưởng ion PO43- đến khả hấp phụ As(V) Nồng độ PO43- (mg/l) 50 100 200 250 Nồng độ As(V) cuối Cf (mg/l) 1,08 1,27 2,05 2,44 2,76 Nồng độ As(V) hấp phụ (mg/g) 3,92 3,73 2,95 2,56 2,24 Dung lượng hấp phụ q (mg/g) 7,84 7,46 5,90 5,12 4,48 Dung lượng hấp phụ As(V) giảm từ 7,84 đến 4,48 tăng nồng độ ion PO43- từ 50 đến 250mg/l, anion PO43- có dạng tồn môi trường giống nước tương tự dạng tồn As(V) Đây hấp phụ cạnh tranh ion As(V) ion PO43- Ảnh hưởng Fe(III): Thí nghiệm tiến hành với nồng độ As(V) mg/l, nồng độ Fe(III) thay đổi từ đến 10 mg/l, khối lượng mẫu 0,05 g, thời gian hấp phụ 150 phút, pH = 6,5, Kết Bảng 3.18 Bảng 3.18 Ảnh hưởng Fe(III) đến khả hấp phụ As(V) Nồng độ Fe(III) (mg/l) 7,5 10 Nồng độ As(V) cuối Cf (mg/l) 1,08 0,95 0,87 0,41 Nồng độ As(V) hấp phụ (mg/g) 3,92 4,05 4,13 4,59 Dung lượng hấp phụ q (mg/g) 7,84 8,10 8,26 9,18 Khi thay đổi nồng độ Fe(III) từ đến 10mg/l hiệu suất hấp phụ asen thay đổi Sự có mặt Fe(III) làm tăng dung lượng hấp phụ As(V) từ 7,84 lên 9,18 mg/g Điều giải thích cộng kết Fe(III) với As(V) bề mặt vật liệu làm tăng khả hấp phụ 87 Ảnh hưởng ion Mn(II): Thí nghiệm tiến hành tương tự với nồng độ As(V) mg/l, nồng độ Mn(II) thay đổi từ đến 10 mg/l, khối lượng vật liệu 0,05 g, thời gian hấp phụ 150 phút, pH = 6,5 Kết thí nghiệm đưa Bảng 3.19 Bảng 3.19 Ảnh hưởng ion Mn(II) đến khả hấp phụ As(V) Nồng độ Mn(II) (mg/l) 7,5 10 Nồng độ As(V) cuối Cf (mg/l) 1,08 1,13 1,19 1,28 Nồng độ As(V) hấp phụ (mg/g) 3,92 3,87 3,81 3,72 Dung lượng hấp phụ q (mg/g) 7,84 7,74 7,62 7,44 Khi tăng nồng độ Mn(II) khả hấp phụ As(V) giảm dần, tượng hấp phụ cạnh tranh ion Mn(II) As(V) 3.3.2.3 Nghiên cứu chế tạo vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 –Mn2O3 chất mang ứng dụng để hấp phụ As(V) nước sinh hoạt Vật liệu NdFeO3 có dung lượng hấp phụ As(V) cao, nhiên tác giả không lựa chọn để nghiên cứu ứng dụng thực tế Vì lĩnh vực xử lý nước, đặc biệt xử lý nước sinh hoạt vật liệu NdFeO3 chưa sử dụng rộng rãi, loại vật liệu cần có thời gian để nghiên cứu ứng dụng Vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn kích thước nanomet lựa chọn để nghiên cứu ứng dụng xử lý nước sinh hoạt vì: - Vật liệu đơn oxit sắt đơn oxit mangan sử dụng rộng rãi để hấp phụ asen nước sinh hoạt; - Vật liệu quặng sắt, mangan sử dụng để hấp phụ asen nước sinh hoạt; 88 - Sự có mặt oxit mangan vật liệu oxit hỗn hợp oxi hóa As(III) lên As(V) dễ hấp phụ Đây tính chất khác biệt vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn so với số vật liệu khác Tuy nhiên, để triển khai vào thực tiễn, vật liệu oxit hỗn hợp cần phân tán chất mang thích hợp Một số chất mang như: bentonit, than hoạt tính, cát thạch anh kích thước 0,1 ÷ 1µm chọn để nghiên cứu khả hấp phụ As(V) vật liệu nano hệ Fe – Mn chất mang khác Theo sơ đồ (Hình 2.2 mục 2.1.3) tổng hợp vật liệu oxit nano hệ Fe – Mn chất mang khác Ví dụ, để tổng hợp vật liệu oxit nano hệ Fe – Mn/bentonit ta chọn chất mang bentonit Cho lượng bentonit vào dung dịnh gel kim loại – PVA khuấy sau sấy khô nung 550oC ta thu sản phẩm cuối vật liệu oxit nano Fe – Mn/bentonit Vật liệu oxit nano hệ Mn – Fe (Fe/Mn = 1:1) chất mang (kích thước hạt 0,1 1μm) sau tổng hợp xác định hàm lượng Fe – Mn phủ bề mặt Bảng 3.20 Bảng 3.20 Kết xác định hàm lượng sắt, mangan chất mang TT (Fe – Mn)/chất mang % Fe %Mn (Fe – Mn)/cát thạch anh 1,94 1,93 (Fe – Mn)/bentonit 1,85 1,84 (Fe – Mn)/than hoạt tính 1,85 1,84 Từ bảng kết ta cho ta thấy hàm lượng sắt mangan chất mang khoảng 3,9% tỷ lệ Fe/Mn ~ 1:1 Như vậy, vật liệu chất mang giữ tỷ lệ Fe/Mn = 1:1 Nghiên cứu đánh giá khả hấp phụ As(V) vật liệu hệ Fe – Mn chất mang tiến hành tương tự phần Khối lượng vật liệu sử 89 dụng 0,1 g Nồng độ As(V) 99,6 mg/l Dung lượng hấp phụ As(V) thể Bảng 3.21 Bảng 3.21 Dung lượng hấp phụ As(V) vật liệu hệ Fe – Mn/chất mang Hàm lượng Fe, Dung lượng Mn hấp chất mang (%) As(V) (mg/g) CTA - BTN - 4,76 THT - 4,17 Vật liệu phụ Mô tả đặc điểm vật liệu Vật liệu có kích thước ≤ 0,1μ, cứng chịu nhiệt tốt Vật liệu mịn, có kích thước ≤ 0,1μ Vật liệu mịn, xốp có kích thước ≤ 0,1μ Lớp oxit hệ Fe – Mn bám FM/CTA 3,87 11,52 bề mặt chất mang, xốp FM/BTN 3,89 8,89 Lớp oxit hệ Fe – Mn bám bề mặt chất mang Lớp oxit hệ Fe –Mn bám FM/THT 3,89 19,82 bề mặt chất mang, xốp Nhận xét: Trong khảo sát khả hấp phụ oxit nano hệ Fe – Mn/chất mang khác nhau, khả hấp phụ As(V) vật liệu FM/THT tốt Tuy nhiên, vật liệu than hoạt tính có giá thành cao Vì vậy, nhằm ứng dụng triển khai diện rộng vào thực tế tác giả lựa chọn vật liệu oxit nano hệ Fe – Mn/CTA Vì chất mang cát thạch anh có ưu điểm: thành phần tinh khiết, cấu trúc bền vững, không bị biến dạng, chịu áp lực cao, bị mài mòn trình sử dụng, kích thước hạt đa dạng… đặt biệt giá thành thấp Mặt khác, thiết bị hấp phụ tách 90 asen cần giải toán công suất thích hợp (kích thước vật liệu đủ lớn để đảm bảo không gây tắc nghẽn dòng chảy ) đạt chất lượng nước sau xử lý Cát thạch anh có kích thước hạt 0,5 – mm thích hợp lựa chọn để nghiên cứu ứng dụng triển khai 3.3.2.4 Khả hấp phụ tĩnh asen vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn/CTA Vật liệu oxit hỗn hợp Fe – Mn/cát thạch anh (kích thước hạt cát thạch anh từ 0,5 – 1mm, tỷ lệ Fe/Mn = 1:1) chế tạo theo sơ đồ (Hình 2.2) Hiệu suất phủ hàm lượng sắt mangan cát thạch anh khảo sát sau: theo tính toán lý thuyết, hàm lượng (Fe + Mn) đưa lên CTA 1, 2, 6% khối lượng Sau nung thu nhận sản phẩm vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn/CTA Vật liệu rửa xác định lại hàm lượng sắt mangan Kết thu nhận Bảng 3.22 Bảng 3.22 Hiệu suất phủ hàm lượng Fe, Mn chất mang Hàm lượng (Fe + Mn) Hàm lượng Fe phủ Hàm lượng Mn phủ phủ lý thuyết (%) thực tế (%) thực tế (%) 1 0,46 0,45 2 0,89 0,88 0,98 0,97 0,99 0,97 TT Kết Bảng 3.22 cho thấy tăng hàm lượng (Fe + Mn) tiền chất hàm lượng (Fe + Mn) sản phẩm tăng lên, nhiên tăng hàm lượng (Fe + Mn) từ 4% lên 6% hàm lượng phủ Fe Mn thay đổi không nhiều Do vậy, hàm lượng (Fe + Mn) 4% chất mang chọn lựa Kết nghiên cứu dung lượng hấp phụ As(V) vật liệu nano oxit hệ Fe – Mn/CTA thể Hình 3.36 Bảng 23 91 Bảng 3.23 Dung lượng hấp phụ As(V) vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe - Mn Nồng độ As(V) Nồng độ As(V) Dung lượng hấp phụ ban đầu Ci (mg/l) sau hấp phụ Cf (mg/l) q (mg/g) 1,01 0,05 0,10 10,02 3,35 0,67 20,01 9,25 1,08 30,04 15,15 1,49 40,02 23,15 1,69 50,01 32,45 1,76 80,05 61,17 1,89 100,02 80,95 1,91 Hình 3.36 Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(V) vật liệu oxit nano hệ Fe – Mn/CTA 92 Dung lượng hấp phụ cực đại As(V) vật liệu Fe – Mn/CTA 1,91 mgAs(V)/g Kết hấp phụ As(V) so với số vật liệu hấp phụ công bố thể Bảng 3.24 Bảng 3.24 Dung lượng hấp phụ số vật liệu Vật liệu Dung pH lượng hấp phụ As(V) (mg/g) Tài liệu tham khảo Oxit sắt phủ cát (IOCS) 7,5 0,029 [112] Bùn đỏ (Red mud) 9,5 0,66 [113] γ – Fe2O3/CTA (GC) 6,0 1,89 β – MnO2/CTA (MC) 6,0 1,66 FM/CTA 6,5 1,91 [114] Tác giả Từ Bảng 3.24 cho thấy, vật liệu FM/CTA có khả hấp phụ As(V) cao vật liệu oxit riêng rẽ chất mang Vật liệu có kích thước hạt 0,5 – 1mm phù hợp để ứng dụng vào thực tế hấp phụ As(V) thiết bị lọc hộ gia đình 3.3.2.5 Nghiên cứu khả hấp phụ động vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe Mn/CTA Nghiên cứu khả hấp phụ động asen cột hấp phụ thực cột thuỷ tinh có thông số kỹ thuật (Hình 3.37): 93 - Đường kính cột: Ø = 15mm - Chiều cao cột: h = 200mm - Chiều cao vật liệu hấp phụ: h = 105mm - Khối lượng vật liệu: m = 25g Hình 3.37 Sơ đồ cột hấp phụ Dội liên tục dòng dung dịch cần xử lý với nồng độ ban đầu 0,25 mgAs/l qua cột hấp phụ Mỗi thể tích dung dịch lấy để phân tích hàm lượng As dung dịch Lặp lại thao tác xuất As đầu cột với nồng độ asen ngưỡng cho phép nước sinh hoạt theo quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT tương ứng 0,01 mgAs/l Các thông số cần xác định thực nghiệm hấp phụ asen cột gồm: - Xác định thời gian lưu ζ thời gian cần thiết để phản ứng hấp phụ xảy chất hấp phụ chất bị hấp phụ, trình chuyển khối xảy từ đầu đến cuối cột đến xuất chất bị hấp phụ; - Dung lượng hấp phụ an toàn qan toàn khả hấp phụ tĩnh toàn cột hay khối lượng vật liệu, thông số giúp xác định thể tích dung dịch asen có nồng độ biết trước chạy cột, sau thể tích cột phải rửa giải tái sinh; - Tính toán trình chạy cột tái sinh sử dụng vật liệu, dự đoán thời gian làm việc vật liệu hấp phụ cột Xác định thời gian lưu (ζ): Thời gian lưu cột tính công thức sau: 94 Trong đó: ζ lưu: Thời gian lưu; V: Thể tích cột (ml); : Tốc độ dòng (ml/phút) Thời gian lưu xác định cách: cho chất bị hấp phụ asen chảy qua cột hấp phụ, sau chỉnh tốc độ dòng tăng dần từ 0,5 ml/phút (lấy thể tích thể tích cột chứa chất hấp phụ phân tích) đến thấy xuất asen dừng lại Kết Bảng 3.25 Bảng 3.25 Thời gian lưu As cột chứa vật liệu nano oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn/CTA Tốc độ dòng Nồng độ As đầu Thời gia lưu vật (ml/phút) (mg/l) liệu cột (phút) 0,5 nd - 1,0 nd - 1,5 nd - 2,0 nd - 2,5