Nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng MnO2 và TiO2 làm vật liệu xử lý Asen và Amoni trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Vũ Thị Thu Trang NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH BẰNG MnO2 VÀ TiO2 LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ ASEN VÀ AMONI TRONG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - NĂM 2015 ĐẠI HỌC QUỐC HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Vũ Thị Thu Trang NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH BẰNG MnO2 VÀ TiO2 LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ ASEN VÀ AMONI TRONG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 62440120 Người hướng dẫn khoa học : PGS TS Trần Hồng Côn HÀ NỘI - NĂM 2015 LỜI CẢM ƠN Với lịng biết ơn sâu sắc, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo PGS.TS Trần Hồng Côn giao đề tài nhiệt tình giúp đỡ, cho tơi kiến thức q báu q trình nghiên cứu Cảm ơn thầy PTN Hóa Mơi trường - Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện giúp đỡ trình làm thực nghiệm Chân thành cảm ơn bạn học viên, sinh viên làm việc phịng thí nghiệm Hóa mơi trường giúp đỡ tơi q trình tìm tài liệu hồn thiện luận văn Để hoàn thành luận văn này, nỗ lực tìm tịi, nghiên cứu thân, giúp đỡ người xung quanh, đặc biệt người thầy, đồng nghiệp trường THPT Xuân Mai đóng góp phần không nhỏ nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2015 Học viên cao học Vũ Thị Thu Trang MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ASEN 1.1.1 Giới thiệu chung Asen 1.1.2 Ảnh hưởng asen đến sức khỏe người 1.1.2.1 Asen Vô Cơ 1.1.2.2 Asen Hữu Cơ 1.1.3 Tình trạng nhiễm Asen 1.1.3.1 Ô nhiễm Asen giới 1.1.3.2 Tình hình nhiễm asen Việt Nam 1.1.4 Một số công nghệ xử lý asen 1.1.4.1 Công nghệ kết tủa, lắng, lọc 1.1.4.2 Oxi hoá/khử 1.1.4.3 Công nghệ hấp phụ trao đổi ion 1.1.4.4 Các phương pháp vật lý 1.2 AMONI 1.2.1 Giới thiệu chung Amoni .9 1.2.2 Ảnh hưởng Amoni sức khỏe người .10 1.2.3 Tình trạngơ nhiễm Amoni Việt Nam 11 1.2.3.1 Nguồ n gố c ô nhiễm amoni nước ngầ m ở Viê ̣t Nam 11 1.2.3.2 Hiện trạng ô nhiễm amoniở Việt Nam 12 1.2.4 Một số công nghệ xử lý Amoni .13 1.2.4.1 Phương pháp kiềm hóa làm thống 13 1.2.4.2 Phương pháp Ozon hoá với xúc tác Bromua(Br-)[5] 14 1.3 Than hoạt tính 14 1.3.1 Đặc tính than hoạt tính 15 1.3.2 Ảnh hưởng nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ .18 1.3.4 Tính axit bề mặt than 24 1.3.5 Tính kị nước 25 1.5 Tâm hoạt động bề mặt than 27 1.6 Phương pháp tính tốn tải trọng hấp phụ vật liệu 28 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .31 2.1 Đối tượng nghiên cứu 31 2.2 Mục tiêu nghiên cứu 31 2.3 Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu 31 2.4 Phương pháp nghiên cứu 32 2.4.1 Chuẩn bị than hoạt tính 32 2.4.2 Oxy hóa bề mặt than hoạt tính (Tạo vật liệu AC-1) 32 2.4.3 Tạo vật liệu AC-2 32 2.4.4 Tạo vật liệu AC-3 33 2.5 Phương pháp xác định ion dung dịch 33 2.5.1 Phương pháp xác định nồng độ As: Phân tích asen phương pháp so màu giấy tẩm thủy ngân .34 2.5.1.1 Pha dung dịch .34 2.5.1.2 Nguyên tắc xác định phương pháp 34 2.5.1.3 Quy trình phân tích 35 2.5.1.4 Dựng đường chuẩn .35 2.5.2 Xác định nồng độ amoni 36 2.6 Khảo sát khả hấp phụ ion asenat vật liệu 37 2.6.1 Khảo sát sơ khả hấp phụ As vật liệu 37 2.6.2 Khảo sát thời gian cân hấp phụ As vật liệu .37 2.6.3 Xác định dung lượng hấp phụ As cực đại vật liệu 37 2.7 Khảo sát khả hấp phụ Amoni vật liệu 38 2.7.1 Khảo sát sơ khả hấp phụ amoni vật liệu .38 2.7.2 Khảo sát thời gian cân hấp phụ amoni cực đại .38 2.7.3 Xác định dung lượng hấp phụ cực đại: 38 2.8 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng cấu trúc vật liệu 38 2.8.1 Xác định diện tích bề mặt than 38 2.8.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 39 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41 3.1 Xác định số đặc trưng than biến tính 41 3.1.1 Kết đo BET .41 3.1.2 Kết chụp SEM 42 3.2 Khả hấp phụ As vật liệu than hoạt tính biến tính 43 3.2.1 Khảo sát sơ khả hấp phụ As vật liệu AC 43 3.2.1.1 Các mẫu AC-0, AC-1, AC-2, AC-3 .43 3.2.1.2 Các mẫu AC-2 44 3.2.1.3 Các mẫu AC-3 44 3.2.2 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ As vật liệu .45 3.2.3 Khảo sát dung lượng hấp phụ As cực đại .45 3.2.3.1 Khảo sát dung lượng hấp phụ As cực đại vật liệu AC-1 .45 3.2.3.2 Khảo sát dung lượng hấp phụ As cực đại vật liệu AC-2 47 3.2.3.2 Khảo sát dung lượng hấp phụ As cực đại vật liệu AC- 48 3.3 Kết khảo sát khả hấp phụ Amoni vật liệu than hoạt tính biến tính 49 3.3.1 Khảo sát sơ khả hấp phụ Amoni vật liệu AC 50 3.3.2 Khảo sát thời gian cân hấp phụ 51 3.3.3 Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu với amoni 52 3.3.3.1 Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại amoni vật liệu AC-1 52 3.3.3.2 Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại amoni vật liệu AC2 53 3.3.3.3 Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại amoni vật liệu AC-3 54 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 DANH MỤC HÌNH Hình1.1: Bản đồ phân bố khu vực ô nhiễm asen giới [3,7] Hình1.2: Bề mặt dạng than hoạt tính ơxi hóa 18 Hình1.4: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 28 Hình 1.5: Đồ thị để xác định số pt Langmuir 30 Hình 2.1: Đường chuẩn asen .36 Hình 2.2: Đường chuẩn xác định nồng độ NH4+ .37 Hình 2.3 Dạng đồ thị đường thẳng BET 38 Hình 2.4 Cấu tạo kính hiển vi điện tử quét SEM 38 Hình 3.1: Đường cong hấp phụ/giải hấp nitơ mẫu (a) AC-1, (b) AC-2 (c) AC-3 42 Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn thời gian cân hấp phụ As vật liệu AC2 45 Hình 3.3: Đường hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu AC-1với As 46 Hình 3.4: Đồ thị phương trình langmuir AC-1 với As .47 Hình 3.5: Đường hấp phụ đẳng nhiệt As vật liệu AC2 48 Hình 3.6: Đồ thị phương trình langmuir AC-2 với As .48 Hình 3.7: Đồ thị phương trình langmuir AC-3 với As .49 Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn thời gian cân hấp phụ amoni 52 Hình 3.9: Đồ thị phương trình langmuir AC-1 với amoni 53 Hình 3.10: Đồ thị phương trình langmuir AC-2 với amoni .54 Hình 3.11: Đồ thị phương trình langmuir AC-3 với amoni 55 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Danh mục dụng cụ thiết bị cần thiết cho nghiên cứu .31 Bảng 2.2: Danh mục Hóa chất cần thiết cho nghiên cứu 32 Bảng 2.3: Kết thí nghiệm 35 Bảng 3.1: Kết khảo sát sơ mẫu vật liệu 43 Bảng 3.2: Kết khảo sát sơ khả hấp phụ asen AC-2 44 Bảng 3.3: Kết khảo sát sơ khả hấp phụ asen AC-3 44 Bảng 3.4: Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ As 45 Bảng 3.5: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-1 46 Bảng 3.6: Kết hấp phụ As vật liệu AC-2 (Mn(IV) 3%) 47 Bảng 3.7: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC3 hấp phụ As .49 Bảng 3.8: Khảo sát khả hấp phụ loại vật liệu 50 Bảng 3.9: Kết khảo sát sơ khả hấp phụ amoni AC-2 .50 Bảng 3.10: Kết khảo sát sơ khả hấp phụ amoni AC-3 50 Bảng 3.11: Thời gian cân hấp phụ amoni 51 Bảng 3.12: Kết khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu AC-1 với amoni 52 Bảng 3.13: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-2 với amoni .53 Bảng 3.14: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-3 với amoni .54 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, tình hình nhiễm nguồn nước nói chung nguồn nước sinh hoạt nói riêng cation kim loại nặng vấn đề toàn xã hội quan tâm nhu cầu chất lượng sống ngày cao Trên thực tế, nhiều địa phương, người dân phải sử dụng nguồn nước ô nhiễm, đặc biệt ô nhiễm kim loại nặng asen, chì, thủy ngân, hay nhiễm amoni Sử dụng nguồn nước ô nhiễm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người dân, gây nên bệnh nguy hiểm đặc biệt ung thư Than hoạt tính từ lâu sử dụng để làm nước Tuy nhiên, ứng dụng xử lý nước dừng lại việc loại bỏ hợp chất hữu số thành phần khơng phân cực có hàm lượng nhỏ nước Với mục đích khai thác tiềm ứng dụng than hoạt tính việc xử lý nước sinh hoạt, đặc biệt lĩnh vực cịn loại bỏ cation anion nước; chọn thực đề tài “Nghiên cứu biến tính than hoạt tính MnO2 TiO2 làm vật liệu xử lý asen amoni nước” CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ASEN 1.1.1 Giới thiệu chung Asen Asen hay cịn gọi thạch tín, có số hiệu nguyên tử 33, khối lượng nguyên tử 74,92, Albertus Magnus (Đức) viết vào năm 1250 Asen nguyên tố phổ biến xếp thứ 20 tự nhiên, chiếm khoảng 0,00005% vỏ trái đất, xếp thứ 14 nước biển thứ 12 thể người Asen kim gây ngộ độc khét tiếng có nhiều dạng thù hình: màu vàng (phân tử phi kim) vài dạng màu đen xám (á kim) số mà người ta nhìn thấy Asen hay tồn dạng hợp chất asenua asenat, ba dạng có tính kim loại asen với cấu trúc tinh thể khác tìm thấy tự nhiên (các khoáng vật asen sensu stricto asenolamprit parasenolamprit) Trạng thái oxi hóa phổ biến asen -3 (asenua: thông thường hợp chất liên kim loại tương tự hợp kim), +3 (asenat (III) hay asenit phần lớn hợp chất asen hữu cơ), +5 (asenat (V): phần lớn hợp chất vô chứa ôxy asen ổn định) Asen dễ tự liên kết với nó, chẳng hạn tạo thành cặp As-As sulfua đỏ hùng hồng (α-As4S4) ion As43- vng khống coban asenua có tên skutterudit Ở trạng thái ơxi hóa +3, tính chất hóa học lập thể asen chịu ảnh hưởng có mặt cặp electron khơng liên kết [6,8] Vì tính chất hóa học asen giống với nguyên tố đứng phốtpho, tạo thành ơxít kết tinh, khơng màu, không mùi As2O3 As2O5, chất hút ẩm dễ dàng hòa tan nước để tạo thành dung dịch có tính axít Axít asenic (V), tương tự axít phốtphoric, axít yếu Tương tự phốt pho, asen tạo thành hiđrua dạng khí khơng ổn định, arsin (AsH3) Sự tương tự lớn đến mức asen thay phần cho phốtpho phản ứng hóa sinh học gây ngộ độc Tuy nhiên, liều thấp mức gây ngộ độc hợp chất asen hịa tan lại đóng vai trị chất kích thích phổ biến với liều nhỏ loại thuốc chữa bệnh cho người vào kỷ 18 H2AsO3 phân ly dạng tồn chủ yếu nước ngầm asen Hợp chất H3AsO3 hình thành chủ yếu môi trường khử yếu Các hợp chất asen với Na có tính hịa tan cao Những muối asen với Ca, Mg hợp Từ kết khảo sát cho thấy số vật liệu AC-3, khả hấp phụ As vật liệu AC-3 tốt mẫu AC-3 có tỉ lệ phần trăm mangan titan oxit tương ứng tỉ lệMn(IV)3% + TiO2 Hơn nữa, so sánh số liệu với bảng 3.2, thấy khả hấp phụ củaAC-3 cải thiện đáng kể so với vật liệu AC-2 Do thí nghiệm xác định tải trọng hấp phụ cực đại vật liệu AC-3 chúng tơi chọn AC-3 có tỉ lệ Mn(IV)3% +TiO2 làm đối tượng nghiên cứu 3.2.2 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ As vật liệu Trong phần tiến hành khảo sát loại vật liệu đại diện, chọn vật liệu AC-2 (Mn(IV) 3%) để tiến hành khảo sát thời gian cân hấp phụ cực đại As vật liệu Kết sau: Bảng 3.4: Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ As Mẫu M1 M2 M3 M4 M5 M6 Thời gian 1h 2h 3h 4h 5h 6h h(mm) 23 21 19 15 15 15 0,4263 0,4384 0,4418 0,4432 0,4448 0,4452 CAs hp(ppm) C As(ppm) C As (ppm) 0.45 0.445 0.44 0.435 0.43 0.425 Thời gian (h) Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn thời gian cân hấp phụ As vật liệu AC-2Mn(IV)-3% Khảo sát tương tự với số vật liệu AC-1, AC-3 cho kết thời gian cân vật liệu nằm khoảng từ 3h đến 4h Do vậy, thí nghiệm tương tự tiến hành hấp phụ với As khoảng thời gian 4h liên tục 3.2.3 Khảo sát dung lƣợng hấp phụ As cực đại 3.2.3.1 Khảo sát dung lượng hấp phụ As cực đại vật liệu AC-1 45 Kết nghiên cứu mẫu AC-1 với dd asenat có nồng độ từ 10ppm, 30ppm, 50ppm, 70ppm, 100ppm, 120ppm, 150ppm cho kết sau: Bảng 3.5: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-1 SST Co(ppm) Cf(ppm) Q(mg/g) Cf/Q 10 0,43 1,914 0,22466 30 8,45 4,31 1,96056 50 17 6,6 2,57576 70 34 7,2 4,72222 100 65 9,28571 120 84,5 7,1 11,9014 150 116,8 6,64 17,5904 Kết biểu diễn đồ thị sau: Q (mg/g) AC-1 hấp phụ As 0 50 100 150 Cf (ppm) Hình 3.3 Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu AC-1với As 46 Cf/Q AC-1 hấp phụ As 20 18 16 14 12 10 y = 0.144x + 0.163 R² = 0.995 50 100 150 Cf (ppm) Hình 3.4 Đồ thị phƣơng trình langmuir AC-1 với As Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại: Qmax = 1/0,1445 = 6,920mg/g Kết cho thấy than hoạt tính oxi hóa bề mặt có khả hấp phụ asen dạng ion Asenat, dù khả hấp phụ chưa cao, dung lượng hấp phụ cịn thấp, có cải thiện nhiều so với than hoạt tính ban đầu chưa ơxi hóa Điều cho phép dự đốn: Có thể thay đổi bề mặt than hoạt tính tác nhân ơxi hóa khác để thay đổi bề mặt kị nước han hoạt tính Trà Bắc để làm thay đổi cấu trúc khả hấp phụ than hoạt tính, đặc biệt khả xử lý asen 3.2.3.2 Khảo sát dung lƣợng hấp phụ As cực đại vật liệu AC-2 Kết nghiên cứu mẫu AC-2 có tỉ lệ Mn 3% với dd asenat có nồng độ từ 20ppm, 30ppm, 50ppm, 70ppm, 100ppm, 130ppm, 160ppm cho kết sau: Bảng 3.6: Kết hấp phụ As vật liệu AC-2 (Mn(IV) 3%) STT Co(ppm) Cf(ppm) Q(mg/g) Cf/Q 20 11,2 1,76 6,363636 30 16,8 2,64 6,363636 50 31,4 3,72 8,44086 70 47,2 4,56 10,35088 100 71,5 5,7 12,54386 130 96,9 6,62 14,63746 160 126 6,8 18,52941 47 Q (mg/g) AC-2 hấp phụ As 0 20 40 60 80 100 120 140 Cf (ppm) Hình 3.5 Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt As vật liệu AC2 AC-2 hấp thụ As 20 Cf/Q 15 10 y = 0.105x + 5.019 R² = 0.993 0 50 100 150 Cf (ppm) Hình 3.6 Đồ thị phƣơng trình langmuir AC-2 với As Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại: Qmax = 1/0,105 = 9,523 mg/g Kết cho thấy, khả hấp phụ Asen dạng asenat vật liệu AC-2 cao gấp 1,5 lần so với AC-1 cao nhiều so với AC-0 Điều cho thấy đưa thêm MnO2 lên bề mặt than hoạt tính sau biến tính làm tăng khả hấp phụ Asen than hoạt tính Điều cho phép dự đốn ngồi MnO2, chúng tơi đưa thêm ôxit hợp chất khác lên bề mặt than hoạt tính để làm thay đổi cấu trúc khả hấp phụ than hoạt tính, ứng dụng lĩnh vực xử lý chất độc hại có nước asenat 3.2.3.2 Khảo sát dung lượng hấp phụ As cực đại vật liệu AC- 48 Kết nghiên cứu mẫu AC-3 có tỉ lệ (Mn(IV)3% + TiO2) với dd asenat có nồng độ từ 10ppm, 30ppm, 50ppm, 70ppm, 100ppm, 130ppm, 160ppm, 180ppm cho kết sau: Bảng 3.7: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC3 hấp phụ As STT Co(ppm) Cf(ppm) Q(mg/g) Cf/Q 10 30 50 70 100 130 160 180 7,1 21,5 36,9 51,9 76,6 101,5 127,2 145,6 0,58 1,7 2,62 3,62 4,68 5,7 6,56 6,88 12,24138 12,64706 14,08397 14,33702 16,36752 17,80702 19,39024 21,1628 AC-3 hấp phụ As 25 Cf/Q 20 15 10 y = 0.064x + 11.45 R² = 0.991 0 50 100 150 200 Cf (ppm) Hình 3.7 Đồ thị phƣơng trình langmuir AC-3 với As Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại: Qmax = 1/0,064 = 15,625 (mg/g) Như vậy, qua khảo sát dung lượng hấp phụ Asen dạng asenat vật liệu AC-3 cho thấy khả hấp phụ As vật liệu AC-3 cao gấp 2,5 lần so với AC-1 cao gấp 1,67 lần so với AC-2 Điều cho thấy đưa MnO2 +TiO2 lên bề mặt than tính sau biến tính làm tăng khả hấp phụ As dạng ion asenat 3.3 Kết khảo sát khả hấp phụ Amoni vật liệu than hoạt tính biến tính 49 3.3.1 Khảo sát sơ khả hấp phụ Amoni vật liệu AC  Các mẫu AC-0, AC-1, AC-2, AC-3: Khảo sát sơ với mẫu vật liệu cho kết sau: Bảng 3.8: Khảo sát khả hấp phụ loại vật liệu Mẫu AC-0 AC-1 AC-2(Mn3%) AC-3(3%Mn +TiO2) CNH4 ban đầu (ppm) 5 5 CNH4 lại (ppm) 4,33 3,77 2,85 2,12 CNH4 hấp phụ (ppm) 0,67 1,23 2,15 2,88 Từ kết cho thấy, than hoạt tính bị biến tính (AC-1) khả hấp phụ As dạng NH4+ tốt lần so với than hoạt tính (AC-0) ban đầu Vật liệu AC-2 có khả hấp phụ gấp khoảng lần AC-1 gấp gần lần so với AC-0 Vật liệu AC-3 có khả hấp phụ gấp 2,5 lần AC-1 gấp gần lần so với AC-0 Điều sơ cho thấy q trình ơxi hóa bề mặt than hoạt tính Trà Bắc cải thiện đáng kể khả hấp phụ amoni dạng ion NH4+  Với mẫu AC-2:Khảo sát sơ với mẫu vật liệu AC-2 có tỉ lệ Mn từ 1%, 2%, 3%, 4%, 5% cho kết sau: Bảng 9: Kết khảo sát sơ khả hấp phụ amoni AC-2 Mẫu AC-2 (%Mn) 1% 2% 3% 4% 5% CNH4 ban đầu 5 5 CNH4 lại 2,25 2,38 2,21 2,53 2,37 CNH4 hấp phụ 2,75 2,62 2,79 2,47 2,63 Từ kết khảo sát cho thấy khả hấp phụ NH4+ vật liệu AC-2 dạng amoni tốt vật liệu than hoạt tính biến tính AC-2 có % Mn(IV) Do thí nghiệm xác định tải trọng hấp phụ cực đại vật liệu AC-2 chọn AC-2 có Mn(IV)3% làm đối tượng nghiên cứu  AC-3: Kết khảo sát sơ khả hấp phụ asen dạng ion NH4+ với mẫu AC-3 cho kết sau: Bảng 3.10: Kết khảo sát sơ khả hấp phụ amoni AC-3 Mẫu AC-3( %Mn) +TiO2 CNH4 ban đầu 1% 2% 3% 4% 5% 5 5 50 CNH4 lại 3,24 3,19 3,11 3,16 3,39 CNH4 hấp phụ 1,76 1,81 1,89 1,84 1,61 Từ kết khảo sát cho thấy số vật liệu AC-3, khả hấp phụ NH4+ vật liệu AC-3 tốt mẫu AC-3 có tỉ lệ phần trăm mangan Titan oxit tương ứng tỉ lệ Mn(IV)-3% + TiO2.Do thí nghiệm xác định tải trọng hấp phụ cực đại vật liệu AC-3 chọn AC-3 có tỉ lệ Mn(IV)-3% + TiO2 làm đối tượng nghiên cứu 3.3.2 Khảo sát thời gian cân hấp phụ Trong phần tiến hành khảo sát loại vật liệu đại diện, chọn vật liệu AC-3 có tỉ lệ (Mn(IV)3% + TiO2)để tiến hành khảo sát thời gian cân hấp phụ cực đại amoni vật liệu Kết khảo sát mẫu AC-3 (Mn(IV)3% + TiO2) sau: Bảng3.11: Thời gian cân hấp phụ amoni t (h) Abs Cf Chp 0.5 0,903 3,426407 1,573593 0,901 3,415584 1,584416 0,837 3,069264 1,930736 2.5 0,833 3,047619 1,952381 0,822 2,988095 2,011905 3.5 0,823 2,993506 2,006494 51 2.5 C ads (ppm) 1.5 0.5 t (h) Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn thời gian cân hấp phụ amoni Từ kết đồ thị cho thấy thời gian hấp phụ tốt vật liệu với amoni 120 phút (2h) Sau thời gian vật liệu giải hấp phụ Các thí nghiệm áp dụng thời gian hấp phụ 2h 3.3.3 Khảo sát dung lƣợng hấp phụ cực đại vật liệu với amoni 3.3.3.1 Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại amoni vật liệu AC-1 Kết nghiên cứu dung lượng hấp phụ amoni mẫu AC-1 với dd NH4+ có nồng độ từ 1mg/l, 5mg/l, 10mg/l, 15mg/l, 20mg/l, 30mg/l, 40mg/l cho kết sau: Bảng3.12: Kết khảo sát dung lƣợng hấp phụ cực đại vật liệu AC-1 với amoni Co Cf Q Cf/Q 3,8 0,24 15,8333 10 6,8 0,64 10,625 20 16 0,8 20 30 25,8 0,84 30,7143 50 45,7 0,86 53,1395 70 65,7 0,86 76,3953 52 90 80 y = 1.045x + 5.898 R² = 0.982 70 Cf/Q 60 50 40 30 20 10 0 20 40 60 80 Cf (ppm) Hình 3.9 Đồ thị phƣơng trình langmuir AC-1 với amoni Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại: Qmax = 1/1,0459 = 0,95611 (mg/g) Kết khảo sát cho thấy dung lượng hấp phụ amoni than hoạt tính biến tính thấp Điều cho phép dự đốn q trình ơxi hóa bề mặt than hoạt tính chưa cải thiện khả hấp phụ amoni vật liệu, chúng tơi tiếp tục tiến hành khảo sát với vật liệu AC-2, AC-3 3.3.3.2 Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại amoni vật liệu AC2 Kết nghiên cứu mẫu AC-2 có tỉ lệ Mn 3% với dung dịch amoni có nồng độ từ 1mg/l, 5mg/l, 10mg/l, 15mg/l, 20mg/l, 30mg/l, 40mg/l cho kết sau: Bảng3.13: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-2 với amoni Co Cf Q Cf/Q 10 5,4 0,92 5,869565 20 10,3 1,94 5,309278 30 18,2 2,36 7,711864 40 27,9 2,42 11,52893 50 38,1 2,38 16,0084 60 48,1 2,38 20,21008 53 25 y = 0.358x + 2.275 R² = 0.969 Cf/Q 20 15 10 0 10 20 30 40 50 60 Cf (ppm) Hình 3.10 Đồ thị phƣơng trình langmuir AC-2 với amoni Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại: Qmax = 1/0,358 = 2,7933 (mg/g) Kết cho thấy dung lượng hấp phụ amoni cực đại vật liệu AC-2 có tỉ lệ Mn(IV) cao gấp lần so với AC-1 Điều cho thấy q trình đưa thêm MnO2 lên bề mặt than sau oxi hóa làm tăng khả hấp phụ amoni vật liệu Dung dịch thu sau trình hấp phụ suốt, khơng có vẩn đục khơng đổi màu Điều cho thấy MnO2 khơng bị rửa trơi sau trình hấp phụ, độ ổn định vật liệu trì suốt thời gian lắc liên tục 3.3.3.3 Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại amoni vật liệu AC-3 Kết nghiên cứu mẫu AC-3 có tỉ lệ Mn(IV) 3% + TiO2 với dd amoni có nồng độ từ 1mg/l, 5mg/l, 10mg/l, 15mg/l, 20mg/l, 30mg/l, 40mg/l cho kết sau: Bảng3.14: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-3 với amoni Co Cf Q Cf/Q 20 14,5 1,1 13,18182 40 28,6 2,28 12,54386 60 45,6 2,88 15,83333 70 55,4 2,92 18,9726 80 65,2 2,96 22,02703 90 75,7 2,86 26,46853 54 30 y = 0.222x + 7.586 R² = 0.889 25 20 15 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Hình 3.11 Đồ thị phƣơng trình langmuir AC-3 với amoni Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại Qmax = 1/0,2228 = 4,488 (mg/g) Như vậy, qua khảo sát dung lượng hấp phụ amoni dạng NH4+ vật liệu AC-1, AC-2, AC-3 cho thấy khả hấp phụ amoni vật liệu AC-3 tốt (Qmax = 4,488 mg/g) Điều dự đốn bề mặt vật liệu AC3 có tâm hấp phụ thêm MnO2 TiO2 gắn lên bề mặt than hoạt tính làm tăng khả hấp phụ amoni vật liệu AC-3 Kết dung lượng hấp phụ cực đại AC-3 cao gấp lần so với AC-2 cao gấp lần so với AC-1 55 KẾT LUẬN Trong nghiên cứu chúng tơi tập trung vào việc biến tính bề mặt than hoạt tính chất oxi hóa mạnh đưa thêm Mn(IV)và TiO2 lên bề mặt than sau biến tính để hy vọng tạo vật liệu có tâm hấp phụ mạnh thu kết sau: Đã tiến hành oxi hóa bề mặt khử than hoạt tính Trà Bắc dung dịch KMnO4 mơi trường axit H2SO4, nhằm biến bề mặt khử than than hoạt tính thành bề mặt ơxi hóa, chuyển từ dạng bề mặt kị nước thành bề mặt ưa nước (vật liệu AC -1) Đã tiến hành nghiên cứu, mang MnO2 lên bề mặt than sau biến tính Đã tạo vật liệu có hàm lượng Mn tương ứng 1%, 2%, 3%, 4% và5% (vật liệu AC-2) Đã đưa thêm TiO2 lên bề mặt than hoạt tính biến tính Mn(IV) với hàm lượng khác thu vật liệu AC-3 Tiến hành nghiên cứu, đánh giá đặc tính vật liệu như: diện tích bề mặt riêng (BET), hình thái bề mặt (SEM) Đã tiến hành khảo sát, xác định tải trọng hấp phụ asen vật liệu AC-1, AC-2, AC-3 là: 6,92mg/g; 9,524 mg/g; 15,625 mg/g điều kiện thường, thời gian cân 4h Xác định tải trọng hấp phụ amoni vật liệu tương ứng là: 0,956mg/g; 2,793 mg/g; 4,488 mg/g điều kiện thường, thời gian cân 2h Kết cho thấy vật liệu than hoạt tính biến tính có khả hấp phụ chất độc hại dạng anion tốt so với hấp phụ cation 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Vũ Ngọc Ban (2007), Giáo trình thực tập Hóa lí, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Phạm Nguyên Chương (2002), Hóa Kỹ Thuật, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Đặng Thị Thanh Lộc (2010): Nghiên cứu xử lý amoni nước ngầm nhà máy nước Pháp Vân – Hà Nội biện pháp sinh học với vật liệu màng ngập nước mơ hinh pilot, Khóa luận tốt nghiệp, K24 Khoa Môi Trường, Đại Học Khoa Học Huế Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế (2004), Hóa lí Tập hai Nhà xuất giáo dục, Hà Nội Đào Chánh Thuận (2007), Trung nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình trao đổi amoni nhựa cationit, đồ án tốt nghiệp, K07, lớp công nghệ môi trường, Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp vật lý ứng dụng hóa học, Nhà xuất đại học quốc gia Hà Nội, Hà Nội Tài liệu tiếng Anh Bansal R.C., Goyal M.(2005), Activated Carbon Adsorption, Taylor & Francis Group,USA Biniak S.(1997), “The characterization of activated carbons with oxygen and nitrogen surface groups”, Carbon, Vol 35(12), pp.1799-1810 Cerovic Lj S, Milonjic.S.K, Todozovic.M.B, Trtanj M.I, PogoZhev Yu S, (2007), “Point of zero charge of different carbides”, Colloids and surfaces A, 297, pp.1 – 10 Chen J P (2003), ”Surface modification of a granular activated carbon by citric acid for enhancement of copper adsorption”, Carbon, 41, pp 1979–1986 11 Chingombe P., Saha B., Wakeman R.J (2005), “Surface modification and characterisation of a coal-based activated carbon”, Carbon, 43, pp 3132–3143 12 Figueiredo J.L., Pereira M.F.R., Freitas M.M.A., Orfao J.J.M.( 1999), “Modification of the surface chemistry of activated carbons”, Carbon, 37, pp.1379–1389 57 13 Li Y.H., Lee C.W., Gullett B.K.(2003), “Importance of activated carbon’s oxygen surface functional groups on elemental mercury adsorption”, Fuel, 82, pp.451–457 14 Marsh Harry, Rodriguez-Reinoso Francisco(2006), Activated Carbon, Elsevier, Spain 15 Liu S.X., Chen X., Chen X.Y., Liu Z.F., Wang H.L.( 2007), “Activated carbon with excellent chromium(VI) adsorption performance prepared by acid–base surface modification”, Journal of Hazardous Materials, 141, pp 315–319 16 Matsumoto Masafumi et al(l994), “Surface modification of carbon whiskers by oxidation treatment”, Carbon, Vol 32 (I), pp 111-118 17 Mei S.X., et al(2008), “Effect of surface modification of activated carbon on its adsorption capacity for NH3”, J China Univ Mining & Technol, Vol.18(2), pp 0261–0265 18 Milonjic S.K., Ruvarac A.L (1975), “The Heat of immersion of natural magnetite in aqueous solutions”, Thermochimica Acta, 11(3), pp 261-266 19 Moreno C (2000), “Changes in surface chemistry of activated carbons by wet oxidation”, Carbon, 38, pp 1995–2001 20 Park Geun Il, Lee Jae Kwang, Ryu Seung Kon, Kim Joon Hyung(2002), “Effect of Two-step Surface Modification of Activated Carbon on the Adsorption Characteristics of Metal Ions in Wastewater”, Carbon Science, Vol 3(4), pp 219-225 21 Reynolds Tom D., Richards Paul A(1996),Unitoperations and processes in environmental engineering, PSW, USA 22 Shen Wenzhong, Liand Zhijie, Liu Yihong(2008), “Surface Chemical Functional Groups Modification of Porous Carbon”, Recent Patents on Chemical Engineering, 1(1), pp.27-40 23 Tao XU, Xiaoqin Liu(2008), “Peanut Shell Activated Carbon: Characterization, Surface Modification and Adsorption of Pb2+ from Aqueous Solution”, Chinese Journal of Chemical Engineering, 16(3), pp 401- 406 24 Vassileva P., Tzvetkova P., Nickolov R (2008), “Removal of ammonium ions from aqueous solutions with coal-based activated carbons modi fied by oxidation”, Fuel, 88(2), pp 387–390 25 Vasu A.dwin(2008), “Surface Modification of Activated Carbon for Enhancement of Nickel(II) Adsorption”, Journal of Chemistry, 5(4), pp 814-819 58 26 Yin Chun Yang, Aroua Mohd Kheireddine(2007), “Review of modifications of activated carbon for enhancing contaminant uptakes from aqueous solutions ”, Separation and Purification Technology, 52(3), pp 403–415 27 Tran Hong Ha, Thai Ba Cau, La Van Binh (2000), “Adsorption of uranium on silicagel packed column”, Journal of chemistry, Vol.38, No.1, pp 80-83 59