Đánh giá khả năng hấp phụ Pb2+ trong nước của than sinh học có nguồn gốc từ phân bò

Than sinh học có nguồn gốc từ chất thải chăn nuôi hiện đang thu hút nhiều sự chú ý về tiềm năng hấp phụ để xử lý môi trường nước. Khảo sát cơ chế hấp phụ Pb2+ và hiệu suất xử lý bằng than sinh học được điều chế từ phân bò ở các nhiệt độ 300, 450 và 600 °C đã được thực hiện.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thực phẩm 20 (1) (2020) 76-86 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Pb2+ TRONG NƯỚC CỦA THAN SINH HỌC CÓ NGUỒN GỐC TỪ PHÂN BÒ Nguyễn Văn Phương*, Lê Thị Thùy Trang, Nguyễn Thị Cẩm Nhung, Nguyễn Thanh Lam, Lâm Thị Mỹ Ngọc Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh *Email: nvphccb@gmail.com Ngày nhận bài: 10/01/2020; Ngày chấp nhận đăng: 06/3/2020 TĨM TẮT Than sinh học có nguồn gốc từ chất thải chăn nuôi thu hút nhiều ý tiềm hấp phụ để xử lý môi trường nước Khảo sát chế hấp phụ Pb2+ hiệu suất xử lý than sinh học điều chế từ phân bò nhiệt độ 300, 450 600 °C thực Than sinh học sau điều chế cho cân bằn với dung dịch Pb2+ nhiều nồng độ khác nhau, dao động 0-160 mg/L khoảng 12 khảo sát động học than tiếp xúc với dung dịch chứa 40 mg Pb2+/L thời gian khảo sát khác Quá trình hấp phụ Pb2+ loại than phù hợp với mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich Khả hấp phụ tối đa Pb2+ cho than điều chế 300, 450 600 °C 40,5; 21,1 76,9 mg/g Khảo sát động học cho thấy trình hấp phụ đạt trạng thái cân sau mô hình động học giả bậc phù hợp để giải thích động học q trình hấp phụ Pb2+ lên dạng than sinh học Kết phân bị chất thải chuyển đổi thành than sinh học có giá trị chất hấp phụ để loại bỏ Pb2+ khỏi môi trường nước Từ khóa: Cân động học, hấp phụ Pb2+, phân bò, than sinh học GIỚI THIỆU Kim loại nặng hợp chất chúng tác dụng độc hại đến hệ thủy sinh người mối quan tâm nhà nghiên cứu môi trường giới năm gần [1] Chì (Pb) chất gây nhiễm phổ biến mơi trường đất nước, loại bỏ hiệu phương pháp hấp phụ loạt chất hấp phụ môi trường [2] Than sinh học sản phẩm sản xuất từ phụ phẩm nông nghiệp phương pháp nhiệt phân điều kiện yếm khí nhiệt độ > 300 °C Các tính chất hóa học bề mặt hiệu suất thu hồi than sinh học có liên quan đến thông số điều chế như: nhiệt độ, thời gian lưu tốc độ gia nhiệt trình nhiệt, nguồn gốc nguyên liệu, kích cỡ vật liệu [3, 4] Một số tính chất nhóm chức bề mặt pH, pHpzc, số nhóm chức H+/OH-, CEC ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý [2] Các chế hấp phụ than sinh học kim loại nặng tính chất hóa học bề mặt yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ, bị chi phối nhiều điều kiện nhiệt phân đặc biệt nhiệt độ thời gian nung [5] Nghiên cứu Mandu et al ghi nhận than sinh học làm từ phân động vật có hiệu hấp phụ Pb2+ cao lần so với than hoạt tính [6] Tuy nhiên, nghiên cứu ảnh hưởng dạng than sinh học có nguồn gốc từ phân bị - ngành chăn ni phổ biến huyện Củ Chi, TP.HCM - lên chế hấp phụ kim loại nặng, cụ thể ion Pb, cịn thiếu thơng tin Do đó, mục tiêu nghiên cứu khảo sát khả hấp phụ Pb2+ nước than sinh học đặt 76 Đánh giá khả hấp phụ Pb2+ nước than sinh học có nguồn gốc từ phân bò VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp thu mẫu Mẫu phân bò lấy tháng 12/2018 hộ chăn ni bị huyện Củ Chi, TP.HCM (10°58’17,8’’N; 106°34’29,8’’E), làm khô sơ bộ, cắt nhỏ < mm sấy khô tủ sấy nhiệt độ 60 °C thời gian 24 [7, 8] 2.2 Dụng cụ hóa chất thí nghiệm Các hóa chất sử dụng thí nghiệm loại tinh khiết Merck Trung Quốc bao gồm: Pb(NO3)2, KCl, HNO3, NaOH, H2O2 Nồng độ dung dịch lưu trữ Pb2+ 1000 mg/L Nước sử dụng nước cất qua lọc máy lọc nước siêu Model: EASYpure II RF Thermo Scientific - USA Dụng cụ thí nghiệm phải làm trước sử dụng cách đổ đầy axit nitric 1M 24 sau xả nước khử khống [9] 2.3 Bố trí thực nghiệm 2.3.1 Điều chế than sinh học Điều chế than sinh học mô theo nghiên cứu Yoo et al [10] trình bày chi tiết nghiên cứu trước [8] Các mẫu than sinh học sau sử dụng để xác định pH, pHpzc [11], hàm lượng carbon hữu tổng số (TOC) theo phương pháp Walkley Black [12], số nhóm H+/OH- theo phương pháp chuẩn độ [13], xác định dung lượng cation trao đổi (CEC) dựa theo TCVN 8568:2010, quang phổ hồng ngoại FT/IR-4700 type A sử dụng để xác định thành phần cấu trúc phân tử vật liệu hữu 2.3.2 Bố trí thí nghiệm khảo sát cân động học Khảo sát cân hấp phụ Pb2+ lên than sinh học mô theo nghiên cứu Xu et al [14] Thí nghiệm thực ống polypropylen 60 mL cách trộn 0,25 g than sinh học với 25 mL dung dịch KCl 0,01M chứa 0, 10, 20, 40, 80 160 mg Pb2+/L Hỗn hợp sau khuấy trộn máy lắc GFL 3015 Đức tốc độ 100 vòng/phút 12 (thời gian đủ để hấp phụ Pb2+ đạt đến trạng thái cân bằng, xác định thí nghiệm sơ bộ) nhiệt độ phòng, pH giữ nguyên khơng điều chỉnh suốt thí nghiệm (dao động khoảng 5-6) Sau cân bằng, pha rắn lỏng tách cách ly tâm 4000 vòng/phút 15 phút máy ly tâm DLAB DM0636 dung dịch lọc qua lọc 0,22 µm Dịch lọc axit hóa đến pH < HNO3 đậm đặc để phân tích Pb ICP-OES Các mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich sử dụng để đánh giá phù hợp liệu thực nghiệm Ngoài ra, kết liệu sử dụng để đánh giá hiệu xử lý Pb2+ nước Khảo sát động học hấp phụ thực ống polypropylen 60 mL cách trộn 0,25 g than sinh học với 25 mL dung dịch KCl 0,01M chứa 120 mg Pb2+/L Hỗn hợp sau khuấy trộn máy lắc tốc độ 100 vòng/phút Tất mẫu lắc nhiệt độ phòng 24 giờ, định kỳ thời gian rút mẫu ly tâm (4000 vòng/phút) 15 phút , lọc axit hóa đến pH < NHO3 đậm đặc để phân tích Pb ICP -OES Các mơ hình động học giả bậc bậc sử dụng để đánh giá phù hợp liệu thực nghiệm tính tốn số động học [14] 2.4 Xử lý liệu thí nghiệm 2.4.1 Tính tốn kết Tính tốn hiệu suất thu hồi than: % hiệu suất thu hồi = mb × 100 m0 77 (1) Nguyễn Văn Phương, Lê Thị Thùy Trang, Nguyễn Thị Cẩm Nhung, Nguyễn Thanh Lam,… Trong đó: m0 (g): khối lượng phân bò ban đầu trước nung; mb (g): khối lượng than sinh học sau nung phân bò tủ Thermolyne Mỹ Tính tốn pHpzc than: ∆pH = (pHf − pHi ) (2) Trong đó: pHi: giá trị đo pH ban đầu; pHf: giá trị đo pH sau cho than vào dung dịch muối KCl 0,1 M KCl 0,01 M Vẽ ∆pH theo độ pH ban đầu, pHpzc điểm mà đường cong ∆pH theo độ pH vượt qua đường ∆pH = [11] Tính tốn hiệu suất xử lý Pb2+: %H = (C0 − Ci ) 100 C0 (3) (C0 − Ci ) V m (4) Tính tốn cân hấp phụ: Dung lượng hấp phụ (mg/g): qi = Trong đó: %H: Hiệu suất xử lý Pb2+ mẫu than C0 (mg/L): nồng độ ban đầu Pb2+ Ci (mg/L): nồng độ Pb2+ dung dịch thời điểm cân V (L): thể tích dung dịch ion Pb2+ m (g): khối lượng than sinh học qi (mg/g): dung lượng hấp phụ Pb2+ thời điểm cân Phương trình đẳng nhiệt Langmuir [15, 16]: 1 1 = + q i K L q Ci q (5) Vẽ 1/q theo 1/C, qua xác định q0 xem xét phù hợp đường đẳng nhiệt hấp phụ Phương trình đẳng nhiệt Freundlich [17]: q = y/m = KF.C1/nF Hay: Logqi = logCi + logK F nF (6) Trong đó: KL số hấp phụ Langmuir (L/mg); KF 1/nF số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich Vẽ logq theo logC để xem xét phù hợp đường đẳng nhiệt hấp phụ Tính tốn động học hấp phụ: Để nghiên cứu chế hấp phụ, mơ hình động học bậc 1, mơ hình động học bậc sử dụng để phân tích mơ hình hóa liệu hấp phụ động học [15] Phương trình giả bậc 1: 78 Đánh giá khả hấp phụ Pb2+ nước than sinh học có nguồn gốc từ phân bò Ln(qe − qt ) − Lnqe = −k1 t Hay (7) Ln(qe − qt ) = −k1 t + Lnqe (8) 1 1 = + 𝑞𝑡 𝑡 𝑘2 𝑞𝑒2 𝑞𝑒 (9) Vẽ 𝐿𝑛(𝑞𝑒 − 𝑞𝑡 ) theo t Phương trình giả bậc 2: Vẽ 1/qt theo 1/t qe dung lượng hấp phụ Pb2+ thời điểm cân (mg/g) qt dung lượng hấp phụ Pb2+ thời điểm t k1 (1/giờ) k2 (g/mg.giờ) số vận tốc giả bậc 1, bậc t (giờ): thời gian hấp phụ 2.4.2 Xử lý số liệu Các số liệu thu thập tập hợp xử lý thống kê phần mềm có Exel Để giảm thiểu nguồn dẫn đến sai số, mẫu lặp sử dụng phân tích để đánh giá độ xác sai lệch Các cơng thức nghiên cứu phân tích lặp lại lần Trên SPSS 20.0 sử dụng phân tích ANOVA để xác định khác biệt giá trị trung bình công thức nghiên cứu trắc nghiệm (Tukey’s test post hoc) giá trị xác suất < 0,05 Phân tích tương quan Pearson thực cho mối quan hệ tham số đo KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ điều chế lên hiệu suất thu hồi, TOC, pH, pHpzc, nhóm chức axit - bazo (H+/OH-), CEC than sinh học Kết nghiên cứu (Bảng 1) ảnh hưởng nhiệt độ điều chế lên hiệu suất thu hồi than, thành phần hóa lý bề mặt than sinh học trình bày chi tiết nghiên cứu trước [8] Bảng Hiệu suất thu hồi số thành phần hóa lý bề mặt than sinh học t °C 300 SD 450 %H pH pHpzc mmolH+/g mmolOH-/g %TOC CEC, mmol/kg 63,0b 7,91a 7,4a 5,1b 11,3a 36,7b 113a 1,7 0,03 0,1 0,1 0,1 5,3 12 b 8,8 b 0,03 0,1 0,3 c 3,7 a 12,4 0,1 0,2 0,2 51,1 SD 600 0,6 49,4 SD a 0,1 a 9,34 9,35 a,b 9,1 0,22 SD: độ lệch chuẩn Các chữ a,b,c 4,4 a,b 11, b 0,1 61,2 c 0,5 c 16,6 1,8 144b 12 a 188c 12 cột thể sai khác có ý nghĩa thống kê Kết phân tích máy quang phổ hồng ngoại FT/IR-4700 type A (Hình 1) cho thấy dãy đặc trưng mũi 3500-3000 cm-1 than 300 ºC có diện nhóm –OH nhiều [7], –OH giảm dần than 450 600 ºC Dãy mũi 1590-1520 cm-1 quy cho liên kết nhóm carbocylat COO-, giảm dần tăng nhiệt độ điều chế than Điều lý giải 79 Nguyễn Văn Phương, Lê Thị Thùy Trang, Nguyễn Thị Cẩm Nhung, Nguyễn Thanh Lam,… nước khử carboxyl trình nhiệt phân Những suy giảm dẫn đến hình thành ngưng tụ cấu trúc vòng thơm [18] Dãy mũi 1160-1020 cm-1 quy cho rung động uốn cong liên kết C−O polysacarit cacbonat (CO32−) [19], kết nghiên cứu cho thấy có dấu hiệu tăng nhiệt độ điều chế tăng (Hình 1), phù hợp với kết luận nghiên cứu trước cho than sinh học sản xuất nhiệt độ cao đặc trưng carbon bền có độ ổn định cao với đặc tính vịng thơm tăng [20] Những kết chế hấp phụ kim loại chủ yếu có liên quan cao đến nhóm chức than sinh học [19] 100 90 789 O-H 3000 75 70 C=O 1026 3500 80 1591 3220 Than 300 Than 450 Than 600 4000 85 2500 2000 Số sóng, cm-1 1500 Độ truyền quang T (%) 95 65 C-O 1000 60 500 Hình Phổ FTIR than 300, 450 600 ºC (tương ứng 300, 450 600 ºC) 3.2 Khảo sát cân hấp phụ Pb2+ nước than sinh học Kết khảo sát cân hấp phụ Pb2+ lên than sinh học có nguồn gốc từ phân bị điều chế nhiệt độ khác (Hình 1) cho thấy, dung lượng hấp phụ tăng theo nồng độ đầu C0 Pb2+ dạng than, đường biểu diễn than 300 450 °C gần Sự hấp phụ Pb2+ (Hình 1) cho thấy rõ ràng khả hấp phụ (hấp phụ tối, mg/g) than chưa đạt trạng thái bão hịa điều kiện thí nghiệm, kết tính tốn chấp nhận, tương tự nghiên cứu Lu et al [16] Kết tính tốn thơng số mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Pb2+ (Bảng 2), cho thấy mơ hình Langmuir Freundlich phù hợp cho dạng than (R2 > 0,9) Kết tính tốn dung lượng hấp phụ Pb2+ tối đa theo Langmuir than 300, 450 600 °C tăng 40,5; 43,9 76,9 mg/g cho thấy phù hợp với giá trị hấp phụ thực nghiệm, kết tương đồng với nhận định nghiên cứu Zhou et al., khả hấp phụ Pb2+ tăng nhanh tăng nhiệt độ điều chế than [5] Hằng số n đường đẳng nhiệt Freundlich đo cường độ trao đổi độ không đồng bề mặt mức độ dễ hấp phụ n > [21], nghiên cứu, giá trị n lớn (1,15; 1,66; 1,7 tương ứng với dạng than), điều cho thấy điều kiện hấp phụ phù hợp Nghiên cứu Zhou et al cho biết khả hấp phụ Pb2+ tăng nhanh tăng nhiệt độ điều chế than [5] 80 35 e 30 25 20 d 15 c 10 b a 0 40 80 120 Hàm lượng Pb2+ ban đầu C0 (mg/L) 160 35 Dung lượng hấp phụ q (mg/g) Dung lượng hấp phụ q (mg/g) Đánh giá khả hấp phụ Pb2+ nước than sinh học có nguồn gốc từ phân bò a 30 25 20 d 15 10 c b a 40 80 120 160 Hàm lượng Pb2+ ban đầu đầu C0 (mg/L) Than 300 ºC Than 450 ºC 35 e Dung lượng hấp phụ (mg/g) Dung lượng hấp phụ q (mg/g) 35 30 25 20 d 15 10 c e b 30 Than 600 Than 450 Than 300 25 20 15 10 a 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Hàm lượng Pb2+ ban đầu C0 (mg/L) Than 600 ºC 10 20 40 80 160 Hàm lượng Pb2+ ban đầu C0 (mg/L) Tổng hợp dạng than Hình Dung lượng hấp phụ Pb2+ (mg/g) theo Co (mg/L) nhiệt độ điều chế than khác a,b,c,d,e : chữ khác thể sai khác có ý nghĩa thống kê Theo Xu et al., hấp phụ ion kim loại từ dung dịch nước thường bị chi phối hóa học bề mặt phản ứng kết tủa [14] Kết cho thấy khả hấp phụ Pb2+ diện vị trí hấp phụ tĩnh điện nhóm chức năng; theo Han et al., than sinh học mang nhóm chức bề mặt -COOH –OH (Bảng Hình 1) nhóm chức tương tác với Pb2+ để tạo phức hay kết tủa bề mặt sinh học [22] Than 300 ºC tương tác tĩnh điện cịn có hấp phụ tạo phức cho nhận với O-H, với than 450 ºC liên kết tạo phức với O-H giảm mạnh chuyển sang liên kết cho nhận e- liên kết C-O [19], với than 450 600 ºC dung lượng hấp phụ tăng pH tăng tăng phần kết tủa Pb2+ kết hợp với thành phần khoáng chất than sinh học, CO32và OH− tạo thành chất không tan nước [23] khả đóng góp liên kết cho nhận tăng mạnh (Hình 1) Kết tương đồng với báo cáo Han et al cho nhiều nghiên cứu chứng minh khả hấp phụ Pb2+ cao than sinh học, bao gồm trao đổi ion, tạo phức với nhóm chức có chứa oxy, kết tủa với thành phần vơ tương tác với electron π (C = C) [2] Kết tính tốn dung lượng hấp phụ Pb2+ tối đa (Bảng 2) cho kết q0 dao động 40,5-76,9 mg/g, tương đồng với kết nghiên cứu Kołodynska et al có q0 dao động 76,1 đến 88,2 mg/g than sinh học có nguồn gốc từ phân bò [24] So với kết nghiên cứu Chen et al cho q0 50,4 mg/g với than sinh học có nguồn gốc từ phân bò điều chế 300 ºC, cao nghiên cứu tốc độ lên nhiệt chậm 81 Nguyễn Văn Phương, Lê Thị Thùy Trang, Nguyễn Thị Cẩm Nhung, Nguyễn Thanh Lam,… ºC/phút so với 10 ºC/phút thời gian lưu dài so với [23] Các kết nghiên cứu khả hấp phụ Pb2+tối đa lên số dạng than hoạt tính (là sản phẩm hoạt hóa than sinh học) viết Salih et al cho kết trung bình 68,5 mg/g khơng khác nhiều so với kết nghiên cứu [25] Tuy nhiên, báo cáo đề cập đến trình hoạt hóa than sinh học sau nung hóa chất axit sulfuric, axit photphoric, axit nitric, ZnCl2 phức tạp tốn [25] Bảng Biểu diễn dung lượng hấp phụ Pb2+ lên than sinh học điều chế nhiệt độ Mơ hình Vật liệu Mơ hình Langmuir Mơ hình Freundlich Các thơng số R2 Than 300 °C q0 (mg/g) = 40,5 KL = 0,5 L/mg 0,99 Than 450 °C q0 (mg/g) = 43,9 KL = 0,13 L/mg 0,93 Than 600 °C q0 (mg/g) = 76,9 KL = 8,1 L/mg 0,98 Than 300 °C nF = 1,15 KF = 5,0 0,99 Than 450 °C nF = 1,66 KF = 5,6 0,95 Than 600 °C nF = 1,71 KF = 1,7 0,95 3.3 Khảo sát động học hấp phụ Pb2+ nước than sinh học Kết nghiên cứu cho thấy trình hấp phụ có tăng nhanh 15 phút dạng than 300, 450, 600 °C, cụ thể hiệu suất hấp phụ so với dung lượng tối đa qe 95,2; 98,9; 99,6% (Hình 3) 24 b,c b b,c b,c Dung lượng hấp phụ q (mg/g) Dung lượng hấp phụ q (mg/g) 27 23 a 19 15 11 Thời gian t (giờ) 24 b, 24 a 23 22 22 Than 300 b b Hiệu suất hấp phụ (%) Dung lượng hấp phụ q (mg/g) 24 Thời gian t (giờ) Than 450 ºC 24 b b,c b,c 23 Than 300 ºC b b,c a 23 23 Than 450 Than 600 100 98 96 94 92 22 0,25 0,5 Thời gian (giờ) Thời gian (giờ) Than 600 ºC Hiệu suất hấp phụ dạng than Hình Biểu diễn dung lượng hấp phụ q (mg/g) theo t (giờ) a,b,c : chữ khác thể sai khác có ý nghĩa thống kê 82 Đánh giá khả hấp phụ Pb2+ nước than sinh học có nguồn gốc từ phân bị Sau q trình hấp phụ chậm dần sau xem dừng lại, 99,3; 99,9; 99,9% Sự hấp phụ Pb2+ ban đầu nhanh, kiểm sốt trao đổi cation, tạo phức, chủ yếu xảy bề mặt bên chất hấp phụ [23] sau chậm lại, khuếch tán bên [26] Bảng Thông số động học hấp phụ Pb2+ lên than sinh học Mơ hình Giả bậc Mơ hình Giả bậc qe Hằng số động học q (thực nghiệm) mg/g k1(1/giờ) mg/g Than 300 °C 0,47 0,39 23,90 0,76 Than 450 °C 0,09 0,41 24,00 0,75 Than 600 °C 0,02 0,83 24,00 0,67 qe Hằng số động học q (thực nghiệm) mg/g k2 (g /(mg.giờ)) mg/g Than 300 °C 23,92 3,49 23,90 0,98 Than 450 °C 24,04 17,31 24,00 0,97 Than 600 °C 23,98 43,47 24,00 0,87 Nhiệt độ nung Nhiệt độ nung R2 R2 Kết tính tốn thơng số động học nghiên cứu (Bảng 3) cho thấy, với mô hình động học giả bậc có mối tương quan R2 dao động khoảng 0,67-0,76, giá trị qe tính tốn hồn tồn khơng phù hợp với giá trị thực nghiệm Cụ thể, qe tính tốn cho dạng than dao động 0,47-0,02 mg/g, giá trị thực nghiệm 23,8 mg/g Do đó, mơ hình động học giả bậc khơng phù hợp để giải thích động học trình hấp phụ Pb2+ lên than sinh học nghiên cứu Kết nghiên cứu tương đồng với nghiên cứu Kołodynska et al cho mơ hình giả bậc không phù hợp giá trị tính tốn giá trị thực nghiệm khác [24] Kết tương tự nghiên cứu Ding et al [26] Theo kết tính tốn từ mơ hình động học giả bậc nghiên cứu (Bảng 3) cho thấy có mối tương quan chặt (R2 = 0,87-0,98) kết tính tốn qe phù hợp với kết thực nghiệm Do đó, sử dụng mơ hình động học giả bậc để giải thích động học q trình hấp phụ Pb2+ lên than sinh học có nguồn gốc từ phân bị phù hợp Điều có nghĩa q trình động học kiểm sốt hấp phụ hóa học [24], q trình hấp phụ hóa học liên quan đến liên kết hóa trị thơng qua việc chia sẻ trao đổi electron chất hấp phụ chất bị hấp phụ [23] Kết cho thấy k2 tăng theo nhiệt độ điều chế than sinh học, cụ thể k2 có giá trị 3,5; 17,3; 43,5 (g/(mg.giờ)) tăng 3.4 Hiệu suất xử lý Pb2+ nước theo nồng độ ban đầu Kết nghiên cứu (Hình 4) cho thấy nồng độ ban đầu tăng từ đến 160 mg/L hiệu suất xử lý Pb2+ nước giảm, cụ thể với than 300 giảm từ 97 94,6%, than 450 dao động 97-93%, than 600 gần không đổi, dao động 99,9-99,7% Điều lý giải nồng độ dung dịch ban đầu thấp, diện tích bề mặt tính khả dụng vị trí hấp phụ tương đối cao ion Pb2+ dễ dàng bị hấp phụ loại bỏ Ở nồng độ dung dịch ban đầu cao hơn, tổng số vị trí hấp phụ có sẵn bị hạn chế, dẫn đến giảm hiệu suất xử lý Hơn nữa, tăng nồng độ ban đầu dẫn đến trình cạnh tranh khả hịa tan hợp chất hữu có than để hình thành phức, điều làm giảm khả hấp phụ Pb2+ lên than Lý giải minh chứng rõ than 450 ºC 300 600 ºC ứng với hàm lượng hữu tương ứng 61,2; 36,7 16,6% (Bảng 1) Kết tương đồng với nghiên cứu Mahdi et al, cho hiệu suất loại bỏ Pb2+ tăng tăng nhiệt độ điều chế than [27] 83 Nguyễn Văn Phương, Lê Thị Thùy Trang, Nguyễn Thị Cẩm Nhung, Nguyễn Thanh Lam,… Kết nghiên cứu cho thấy việc sử dụng than sinh học có nguồn gốc từ phân bò điều chế nhiệt độ 600 ºC để xử lý Pb2+ cho kết khả quan với hiệu suất 99% khoảng hàm lượng ô nhiễm Pb2+ đến 160 mg/L % Hiệu suất xử lý Pb2+ nước 100 99 Than 300 Than 450 98 Than 600 Than 300 97 Than 450 Than 600 96 95 94 93 92 40 80 120 160 Nồng độ Pb2+ ban đầu (mg/L) Hình Hiệu suất xử lý Pb2+ nước theo nồng độ ban đầu KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu trên, cho phép rút số kết luận sau: Kết cho thấy nhiệt độ điều chế than tương quan chặt chẽ tỷ lệ thuận với thông số mmolOH-, pHpzc, pH tương quan yếu với TOC Các thông số hấp phụ Pb2+ lên than sinh học nhiệt độ điều chế 300, 450 600 °C cho kết dung lượng hấp phụ tối đa 40,5; 21,1 76,9 mg/g Cả mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich phù hợp với trình hấp phụ Pb2+ Kết nghiên cứu động học cho thấy tốc độ hấp phụ bão hòa Pb2+ lên than sinh học khoảng Mơ hình động học giả bậc phù hợp để giải thích q trình động học hấp phụ Pb2+ lên than sinh học có nguồn gốc từ phân bị nhiệt độ điều chế Qua nghiên cứu, cho thấy khả sử dụng than sinh học có nguồn gốc từ phụ phẩm chăn ni, cụ thể phân bị điều chế 600 ºC để loại bỏ Pb2+ nước có tính khả thi TÀI LIỆU THAM KHẢO Biati A., Moar M., Karbassi AR., Hassani A - Role of saline water in removal of heavy elements from industrial wastewaters, International Journal of Environmental Research (1) (2010) 177-182 Han L., Qian L., Hu Q., Liu R - Lead adsorption by biochar under the elevated competition of cadmium and aluminum, Scientific Reports (1) (2017) 1-11 Trazzi P.A., Leahy J.J., Hayes M.H.B., Kwapinski W - Adsorption and desorption of phosphate on biochars, Journal of Environmental Chemical Engineering (2016) 37-46 Yang X., Zhang S., Ju M., Liu L - Preparation and Modification of Biochar Materials and their Application in Soil Remediation, Applied Sciences (2019) 1365 Zhou Z., Xu Z., Feng Q., Yao D., Yu, J - Effect of pyrolysis condition on the adsorption mechanism of lead, cadmium and copper on tobacco stem biochar, Journal of Cleaner Production 187 (2018) 1-26 84 Đánh giá khả hấp phụ Pb2+ nước than sinh học có nguồn gốc từ phân bị Mandu I., Bin G., Wenchuan D., Pullammanappallil, Andrew R Z., Xinde C Enhanced lead sorption by biochar derived from anaerobically digested sugarcane bagasse, Separation Science and Technology 46 (12) (2011) 1950-1956 Kiran Y K., Barkat A., Xiao-qiang C., Ying F., Feng-shan P., Lin T - Cow manure and cow manure-derived biochar application as a soil amendment for reducing cadmium availability and accumulation by Brassica chinensis L in acidic red soil, Journal of Integrative Agriculture, 16(3) (2017) 725-734 Nguyễn Văn Phương, Nguyễn Thị Cẩm Nhung, Lâm Thị Mỹ Ngọc - Cân động học hấp phụ đồng lên than sinh học có nguồn gốc từ phân bị, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thực phẩm 18 (2) (2019) 78-88 CEN/TS 14429: 2005 - Characterization of waste – Leaching behaviour test – Influence of pH on leaching with initial acid/base addition, Comite Europeen de Normalisation (2005) 10 Yoo G., Kim H., Chen J., Kim Y - Effects of biochar addition on nitrogen leaching and soil structure following fertilizer application to rice paddy soil, Soil Science Society of America Journal 78 (3) (2014) 852-861 11 Trần Thị Tú - Đặc điểm hóa lý than sinh học điều chế từ vỏ trấu, Tạp chí Khoa học - Đại học Huế 120 (6) (2016) 233-247 12 TCVN 8941:2011 - Chất lượng đất - Xác định cacbon hữu tổng số - Phương pháp Walkey Black, Hà Nội (2011) 13 Cheung W.H., Lau S.S.Y., Leung, S.Y., Ip A.W.M., McKay G - Characteristics of chemical modified activated carbons from bamboo scaffolding, Chinese Journal of Chemical Engineering 20 (3) (2012) 515-523 14 Xu X., Cao X., Zhao L., Wang H - Removal of Cu, Zn, and Cd from aqueous solutions by the dairy manure-derived biochar, Environ Sci Pollut Res 20 (58) (2013) 358-368 15 Jain C K - Adsorption of zinc onto bed sediments of the River Ganga: adsorption models and kinetics, Hydrological Sciences-Journal-des Sciences Hydrologiques 46 (3) (2001) 419-434 16 Lu Xue Q., Bibby R.L., Ford R.B., Webster-Brown J.G - Creating metal-spiked bed sediments: A case study from Orewa estuary, New Zealand, Environmental Toxicology and Chemistry 27 (10) (2008) 2088-2096 17 Sangiumsak N., Punrattanasin P - Adsorption behavior of heavy metals on various Soils, Pol J Environ Stud 23 (3) (2014) 853-865 18 Zhang H., Chen C., Gray E.M., Boyd S.E - Effect of feedstock and pyrolysis temperature on properties of biochar governing end use efficacy, Biomass and Bioenergy 105 (2017) 136-146 19 Ding Y., Liu Y., Li Z., Tan X., Huang X - Competitive removal of Cd (II) and Pb (II) by biochars produced from water hyacinths: performance and mechanism, RSC Advances (2016) 1-28 20 Singh B., Arbestain Marta C., Lehmann J - Biochar: A guide to analytical methods, CRC Press/Taylor and Francis Group (2017) 85 Nguyễn Văn Phương, Lê Thị Thùy Trang, Nguyễn Thị Cẩm Nhung, Nguyễn Thanh Lam,… 21 Khalil A., Sergeevich N., Borisova V - Removal of ammonium from fish farms by biochar obtained from rice straw: Isotherm and kinetic studies for ammonium adsorption, Adsorption Science & Technology 36 (5-6) (2018) 1294-1309 22 Han L., Sun H., Ro K.S., Sun K., Libra J.A - Removal of antimony (III) and cadmium (II) from aqueous solution using animal manure-derived hydrochars and pyrochars, Bioresource Technology 234 (2017) 77-85 23 Chen Z.-L., Zhang J.-Q., Huang L., Yuan Z.-H., Li Z.-J., Liu, M.-C - Removal of Cd and Pb with biochar made from dairy manure at low temperature, Journal of Integrative Agriculture 18 (1) (2019) 201-210 24 Kołodynska D., Wnetrzak R., Leahy J.J., Hayes M.H.B., Kwapinski W., Hubicki, Z - Kinetic and adsorptive characterization of biochar in metal ions removal, Chemical Engineering Journal 197 (2012) 295-305 25 Salih H.; Musaad, S.; Sorial, G.; Patterson, Craig L.; Schock, M., Lead Adsorption into Activated Carbon: A Critical Review of the Literature Chapter 1, Advances in Environmental Research, Vol.34, Nova Science Publishers, Inc, Hauppauge, NY, (2014) 1-24 26 Ding W., Dong X., Ime I M., Gao B., Ma L Q - Pyrolytic temperatures impact lead sorption mechanisms by bagasse biochars, Chemosphere 105 (2014) 68-74 27 Mahdi Z., Yu Q J., Hanandeh A E - Removal of lead (II) from aqueous solution using date seed-derived biochar: batch and column studies, Applied Water Science (181) (2018) 1-13 ABSTRACT ASSESSMENT OF Pb2+ ABSORPTION CAPACITY IN WATER OF COW MANURE DERIVED BIOCHAR Nguyen Van Phuong*, Le Thi Thuy Trang, Nguyen Thi Cam Nhung, Nguyen Thanh Lam, Lam Thi My Ngoc Industrial University of Ho Chi Minh City *Email: nvphccb@gmail.com Biochar derived from animal waste is currently attracting much attention on the adsorption potential for water environment treatment Investigation of adsorption mechanism and treatment efficiency of Pb2+ in water by cow manure derived biochar at 300, 450 and 600 °C temperatures was conducted The biochar was equilibrated with Pb2+ solution at different concentrations, ranging from to 160 mg/L for about 12 hours, and kinetic survey was conducted by exposing biochar to a solution containing 40 mgPb2+/L Pb2+ adsorption process is suitable for Langmuir and Freundlich adsorption isotherm models for all types of biochar The maximum adsorption capacity of Pb2+ for biochar prepared at 300, 450 and 600 ºC is 40,5; 21.1 and 76.9 mg/g, respectively The kinetic survey shows that the adsorption process reaches equilibrium after hour and the second pseudo model is suitable to explain the Pb2+ adsorption kinetics to types of biochar The results indicate that cow manure is a waste that can be converted into valuable biochar as an adsorbent to remove Pb2+ from the water environment Keywords: Equilibrium and kinetics, adsorption of Pb2+, cow manure, biochar 86 ... động học giả bậc phù hợp để giải thích trình động học hấp phụ Pb2+ lên than sinh học có nguồn gốc từ phân bị nhiệt độ điều chế Qua nghiên cứu, cho thấy khả sử dụng than sinh học có nguồn gốc từ phụ. .. động học giả bậc để giải thích động học q trình hấp phụ Pb2+ lên than sinh học có nguồn gốc từ phân bị phù hợp Điều có nghĩa q trình động học kiểm sốt hấp phụ hóa học [24], q trình hấp phụ hóa học. .. Hình Phổ FTIR than 300, 450 600 ºC (tương ứng 300, 450 600 ºC) 3.2 Khảo sát cân hấp phụ Pb2+ nước than sinh học Kết khảo sát cân hấp phụ Pb2+ lên than sinh học có nguồn gốc từ phân bị điều chế