Chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý asen từ tro trấu

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƢỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ XỬ LÝ ASEN TỪ TRO TRẤU Mã số: 14.01.CM NGUYỄN TRUNG THÀNH PHAN PHƢỚC TOÀN AN GIANG, THÁNG 12-2015 ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƢỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ XỬ LÝ ASEN TỪ TRO TRẤU Mã số: 14.01.CM NGUYỄN TRUNG THÀNH PHAN PHƢỚC TOÀN AN GIANG, THÁNG 12-2015 TRANG CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG Đề tài nghiên cứu khoa học “Chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý asen từ tro trấu”, tác giả Nguyễn Trung Thành Phan Phƣớc Tồn, cơng tác Bộ môn Môi trƣờng Phát triển bền vững thực Tác giả báo cáo kết nghiên cứu đƣợc Hội đồng Khoa học Đào tạo Trƣờng Đại học An Giang thông qua ngày ……/……/……… Thƣ ký Phản biện Phản biện Chủ tịch Hội đồng LỜI CẢM TẠ Chúng xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học An Giang, Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ Thuật - Công nghệ - Môi trƣờng đồng nghiệp tạo điều kiện để chúng tơi hồn thành nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn An Giang, ngày 29 tháng 12 năm 2015 Ngƣời thực TS NGUYỄN TRUNG THÀNH LỜI CAM KẾT Chúng xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng chúng tơi Các số liệu cơng trình nghiên cứu có xuất xứ rõ ràng Những kết luận khoa học cơng trình nghiên cứu chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác An Giang, ngày 29 tháng 12 năm 2015 Ngƣời thực TS NGUYỄN TRUNG THÀNH TÓM TẮT Như biết, tùy vào đặc tính mơi trường nước ion asen tồn dạng arsenate (H2AsO4- HAsO42-) arsenite (H3AsO30 H2AsO3-); vật liệu oxit sắt có khả hấp phụ tốt asen Trong nghiên cứu này, vật liệu FexOy/tro trấu (RHA) giới thiệu loại vật liệu hấp phụ đầy tiềm để loại bỏ asen nước ngầm kỹ thuật hấp phụ Kết thực nghiệm cho thấy vật liệu FexOy/RHA có thời gian đạt cân hấp phụ ngắn vật liệu KL.%(FeCl3)-FexOy/RHA cho hiệu hấp phụ asen cao gấp 1,2 6,3 lần tương ứng so với vật liệu KL.%(FeCl3)-FexOy/AC (than hoạt tính) 20 KL.% FexOy/bentonite (NC-F20)-tính đơn vị khối lượng sắt Điều diện tích bề mặt riêng tro trấu sau hoạt hóa lớn (~ 430 m2/g); lực tương tác mạnh hạt oxit sắt chất mang (cụ thể SiO2 có chất mang); kết tích điện dương bề mặt hạt oxit sắt Từ cho thấy tro trấu (sau hoạt hóa axit HF), phát vật liệu composite tự nhiên (với thành phần hóa học gồm cacbon SiO2), đóng vai trị quan trọng để nâng cao hiệu hấp phụ hóa học asen hạt nano oxit sắt bề mặt Ngồi ra, vật liệu FexOy/tro trấu (có dung lượng hấp phụ ~14 mgAs/gFe) thể tính cạnh tranh cao hiệu hấp phụ asen vật liệu có mặt thị trường (NC-F20) Từ khóa: hấp phụ asen, nano oxit sắt, nước ngầm, tro trấu ABSTRACT As known, depending on the characteristics of water environment, the arsenic ions can exist as arsenate (H2AsO4- HAsO42-) or arsenite (H3AsO30 H2AsO3-) species; and the iron oxide materials showed the high capacity toward arsenic adsorption In this study, the FexOy/activated rice husk ash (RHA) material is introduced as a novel adsorbent with high potential toward arsenic removal from groundwater by chemical absorption technique The experimental results showed that short time of arsenic absorption equilibrum was observed for FexOy/RHA materials; wt.% (FeCl3) loading of FexOy on RHA surface proposed very high arsenic adsorption capacity and respectively 6.3, 1.2 folds higher than those of wt.% (FeCl3)-FexOy/activated carbon and 20 wt.% (FeCl3)-FexOy/bentonite (NCF20); commercial adsorbent) adsorbents, with calculations basically on the same amount of iron ions This may be due to the high specific surface area of RHA ( 430 m2/g) and strong interaction between iron oxide particles and RHA support; and this results a positive charge onto the surface of the iron oxide particles on the RHA support This can say that rice husk ash (after activation by HF acid), is discovered as a natural composite material (including carbon and SiO2 etc.), play an important role to enhance arsenic chemical absorption of iron oxide nanoparticles In addition, FexOy/RHA material also showed highly competitive arsenic adsorption to NC-F20 commercial adsorbent Keywords: arsenic adsorption, iron oxide nanoparticles, groundwater, activated rice husk ash MỤC LỤC TRANG CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG LỜI CẢM TẠ LỜI CAM KẾT TÓM TẮT ABSTRACT DANH SÁCH BẢNG DANH SÁCH HÌNH 10 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 11 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 12 1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 12 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 12 1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 13 1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 13 1.5 THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU 13 1.6 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI 13 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 14 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ASEN TRONG NƢỚC NGẦM 14 2.1.1 Sơ lƣợc nƣớc ngầm 14 2.1.2 Sơ lƣợc asen 15 2.2 PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ VÀ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ VLHP 17 2.2.1 Bản chất trình hấp phụ 17 2.2.2 Phân loại trình hấp phụ 18 2.2.3 Động học trình hấp phụ 19 2.2.4 Một số nghiên cứu vật liệu hấp phụ asen 19 2.3 SƠ LƢỢC VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ NANO OXIT SẮT 22 2.3.1 Vật liệu nano 22 2.3.2 Hạt nano oxit sắt 23 2.3.3 Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano 23 2.4 SƠ LƢỢC VỀ TRẤU VÀ TRO TRẤU 24 2.4.1 Thành phần hóa học trấu tro trấu 25 2.4.2 Ứng dụng tro trấu 26 2.5 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA VLHP 27 2.5.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 27 2.5.2 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 28 2.5.3 Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 28 2.5.4 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 29 2.5.5 Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng (BET) 29 2.6 CÂU HỎI NGHIÊN CỨU 30 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG TIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 3.1 PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 31 3.1.1 Dụng cụ 31 3.1.2 Thiết bị 31 3.1.3 Hóa chất, nguyên vật liệu 31 3.2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 3.2.1 Phƣơng pháp thu mẫu bảo quản mẫu 32 3.2.2 Tổng hợp vật liệu hấp phụ 32 3.2.3 Nghiên cứu thành phần, cấu tr c mẫu vật liệu 34 3.2.4 Khảo sát khả n ng hấp phụ As nƣớc ngầm 34 3.2.5 So sánh khả n ng hấp phụ VLHP từ tro trấu vật liệu khác thị trƣờng 35 3.2.6 Phƣơng pháp phân tích cơng thức tính 35 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 4.1 TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ 37 4.1.1 Tổng hợp đặc trƣng chất mang từ tro trấu 37 4.1.2 Tổng hợp đặc trƣng vật liệu FexOy/RHA, FexOy/AC 39 4.2 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ASEN TRONG NƢỚC NGẦM CỦA VẬT LIỆU 41 4.2.1 Nồng độ asen nƣớc ngầm 41 4.2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình hấp phụ 43 4.2.3 So sánh với số chất hấp phụ khác thị trƣờng 46 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 5.1 KẾT LUẬN 48 5.2 KIẾN NGHỊ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 phụ metyl da cam nhƣ đƣợc thể báo cáo chuyên đề đính kèm phần phụ lục báo cáo) Hình 7: Hình SEM tro trấu tƣơi RHA Thành phần hóa học bề mặt chất mang ảnh hƣởng lớn đến hoạt tính hấp phụ xúc tác vật liệu Thành phần bề mặt RHA đƣợc xác định với kỹ thuật FTIR Phổ FTIR mẫu tro trấu tƣơi RHA đƣợc thể Hình Hình 8: Phổ FTIR mẫu tro trấu tƣơi v RHA Từ Hình thấy sau q trình hoạt hóa dung dịch HF 10% thể tích, phổ FTIR RHA đơn giản so với phổ FTIR mẫu tro trấu ban đầu Điều nói lên sau q trình hoạt hóa tạp chất nhƣng số chất hịa tan dung dịch axit HF đƣợc loại bỏ khỏi tro trấu Đặc biệt peak vị trí 620 cm-1 (Si-H mũi dao động từ 1400 đến 1800 cm-1 mũi dao động Si-F phổ FTIR tro trấu ngun liệu khơng tìm thấy phổ FTIR tro trấu sau hoạt hóa Nhìn chung, q trình hoạt hóa tro trấu HF lƣợng silic cấu trúc tro trấu đƣợc tách khỏi tro trấu không nhiễm bẫn mẫu từ q trình hoạt hóa điều sản phẩm q trình hoạt hóa SiF4 dễ dàng bay H2SiF6 dạng lỏng) Tóm lại tro trấu sau q trình hoạt hóa có thành phần hóa học đơn giản gồm peak dao động Si-H (520-800 cm-1); Si-O-Si (1080 cm-1); C=C (1600 cm-1); C=O (1730 cm-1); C-H (2930cm-1); OH (3400 cm-1) 38 Diện tích bề mặt riêng tro trấu sau hoạt hóa t ng đáng kể so với mẫu tro trấu ban đầu nhƣ Bảng Ngoài ra, phổ XRD mẫu tro trấu sau hoạt hóa (Hình 11) cho thấy có peak khoảng theta 2θ -25o Kết giống kết trƣớc nghiên cứu than hoạt tính Bảng 6: Diện tích bề mặt riêng tro trấu tƣơi v tro trấu sau hoạt hóa Diện tích bề mặt riêng, Sr (m2.g-1) Têm mẫu Tro trấu tƣơi 4,00 RHA 433,00 4.1.2 Tổng hợp v đặc trƣng vật liệu FexOy/RHA, FexOy/AC Trong nghiên cứu này, hạt nano oxit sắt đƣợc gắn lên bề mặt RHA (hoặc AC) phƣơng pháp tẩm Ở đây, FeCl3.6H2O đƣợc sử dụng làm nguyên liệu cho trình tổng hợp hạt nano oxit sắt Các hình ảnh vật liệu FexOy/RHA xin xem Hình Từ Hình cho thấy màu sắc mẫu thay đổi từ màu nâu đỏ sang màu màu nâu có ánh đen hàm lƣợng FeCl3 tẩm thay đổi từ KL.%(FeCl3 đến 20 KL.%(FeCl3 Điều khác sản phẩm sau q trình oxit hóa muối sắt Hàm lƣợng sắt thực tế mẫu FexOy/RHA đƣợc kiểm tra phƣơng pháp quang phổ phát xạ lửa với máy ICP Kết phân tích xác định hàm lƣợng ion sắt thực tế bề mặt RHA không khác nhiều so với hàm lƣợng sắt đƣợc sử dụng q trình tổng hợp mẫu FexOy/RHA tính FeCl3 Ngoài ra, mẫu KL.%(FeCl3) FexOy/AC đƣợc tổng hợp với phƣơng pháp tƣơng tự nhƣ tổng hợp FexOy/RHA Trong nghiên cứu mẫu KL.%(FeCl3) FexOy/AC đƣợc sử dụng nhƣ mẫu đối chứng nhằm thấy đƣợc ảnh hƣởng chất mang đến khả n ng hấp phụ asen oxit sắt 4.1.2.1 Các đặc trưng TEM vật liệu FexOy/RHA FexOy/AC Các đặc trƣng hình học mẫu FexOy/RHA FexOy/AC đƣợc quan sát kính hiển vi điện truyền qua-Transmission Electron Microscope (TEM) đƣợc thể Hình Hình 9: Ảnh TEM vật liệu KL.%(FeCl3) FexOy/RHA (hình A) KL.%(FeCl3) FexOy/AC (hình B) 39 Từ ảnh TEM mẫu cho thấy hạt oxit sắt đƣợc gắn lên bề mặt RHA than hoạt tính Nhìn chung, hạt oxit sắt có kích thƣớc 20÷50 nm; hạt oxit sắt phân tán bề mặt chất mang; kích thƣớc hạt oxit sắt khơng có khác biệt lớn mẫu chất mang tro trấu (dựa vào phổ XRD) than hoạt tính Tuy nhiên, hạt oxit sắt phân tán bề mặt RHA tốt so với bề mặt than hoạt tính Điều lực tƣơng tác mạnh RHA hạt nano oxit sắt 4.2.1.2 Đặc trưng phổ FTIR FexOy/RHA Các phổ FTIR vật liệu FexOy/RHA đƣợc thể Hình 10 Từ Hình 10 kết cho thấy có thay đổi đáng kể peak vị trí số sóng 630; 1000; 1188; 1700 cm-1 Đối với peak số sóng 630 cm-1 tƣơng ứng với dao động Fe-O-Fe peak số sóng 1000 1188 cm-1 tƣơng ứng với dao động SiO2 đƣợc tìm thấy mẫu có nồng độ tẩm sắt cao (15 20 KL.%(FeCl3)) Tuy nhiên, peak khơng đƣợc tìm thấy mẫu có nồng độ tẩm sắt thấp (0; 10 KL.%(FeCl3)) Điều cần nhiều kỹ thuật phân tích tiên tiến để giải thích vấn đề Đối với peak số sóng 1700 cm-1 tƣơng ứng với dao động OH (Sharma and Jeevanandam, 2013), cƣờng độ peak t ng dần tƣơng ứng với hàm lƣợng sắt (FeCl3 đƣợc tẩm t ng từ  20 KL.% (FeCl3 Điều q trình hydroxit hóa oxit sắt Hình 10: Phổ FTIR vật liệu FexOy/RHA 4.1.2.3 Đặc trưng phổ nhiễu xạ tia –X (XRD) mẫu vật liệu FexOy/RHA Các phổ nhiễu xạ tia X vật liệu FexOy/RHA với nồng độ sắt thay đổi từ đến 20 KL.% (FeCl3 đƣợc thể Hình 11 Kết phân tích cho thấy oxit sắt chất mang RHA thu đƣợc hỗn hợp oxit sắt (II) oxit sắt III Lƣu ý rằng, nghiên cứu FeCl3 đƣợc sử dụng nguồn nguyên liệu để tổng hợp oxit sắt Nhƣ trình gắn kết oxit sắt lên bề mặt RHA ion Fe3+ bị khử thành ion Fe2+ Điều nhiệt độ cao (450oC-đƣợc sử dụng trình nung để tạo oxit sắt) dẫn đến đứt gãy nhóm Si-H đƣợc thể phổ FTIR), bề mặt tro trấu sau hoạt hóa 40 tiến hành khử oxit sắt (III) thành oxit sắt (II) Đồng thời kết XRD xác nhận tồn hợp chất Fe2SiO4 Đây dạng spinel hỗn hợp hai oxit sắt (II) SiO2 Vị trí peak XRD Fe2SiO4 đƣợc xác nhận vị trí 2θ-32o Điều ion sắt (III) khuếch tán thay vị trí silic nút mạng phân tử (do nguyên tử silic phản ứng với HF); cuối bị khử đứt gãy liên kết Si-H nhiệt độ cao Cƣờng độ peak XRD Fe2SiO4 2θ-32o) giảm dần hàm lƣợng sắt đƣợc tẩm cao Tuy nhiên tƣợng khơng đƣợc tìm thấy mẫu FexOy/cacbon Hình 11: Phổ nhiễu xạ tia-X RHA FexOy/RHA Chú thích: Theo ngân hàng phổ: SiO2-JCPDS-No.2:01-089-1668; Fe2O3-JCPDSNo.2:00-043-1312 FeO-JCPDS-No.2:01-0862316 4.2 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ASEN TRONG NƢỚC NGẦM CỦA VẬT LIỆU 4.2.1 Nồng độ asen nƣớc ngầm An Giang tỉnh Việt Nam có nồng độ asen nƣớc ngầm cao Hình 12 cho thấy vị trí tỉnh An Giang đƣợc khoanh tròn) đồ Việt Nam vị trí lấy mẫu nƣớc ngầm bao gồm thị trấn Chợ Vàm - huyện Ph Tân điểm 1); xã An Phú - huyện Tịnh Biên điểm 2), thị trấn Phƣớc Hƣng điểm 3) Khánh An điểm 4) - huyện An Phú Từ báo cáo chất lƣợng nƣớc ngầm trƣớc cho thấy nƣớc ngầm tỉnh An Giang ô nhiễm nhiều loại ion kim loại nặng Đặng Ngọc Chánh cs., 2010 Trong đó, nồng độ asen cao so với nồng độ ion khác cao mức giới hạn cực đại cho phép asen 41 Hình 12: Vị trí tỉnh An Giang vị trí lấy mẫu nƣớc ngầm Việc lƣu trữ phân tích chất lƣợng mẫu nƣớc ngầm đƣợc thực với hƣớng dẫn từ Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) Trong nghiên cứu này, nồng độ asen nƣớc ngầm bốn điểm đề cập trƣớc đƣợc thể Bảng Những kết tƣơng tự với kết báo cáo trƣớc Đặng Ngọc Chánh cs., 2010) Bảng 7: Nồng độ asen mẫu nƣớc ngầm Điểm Địa điểm lấy mẫu Nồng độ asen (µg/L) Điểm Chợ Vàm-Huyện Phú Tân 102 Điểm An Phú-Huyện Tịnh Biên 50 Điểm Phƣớc Hƣng-Huyện An Phú 68 Điểm Khánh An-Huyện An Phú Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình lần lặp lại 82 Trong thí nghiệm, mẫu nƣớc ngầm nhiễm As đƣợc lấy từ giếng khoan có độ sâu ~ 20 m thị trấn Chợ Vàm, huyện Phú Tân, tỉnh An Giang (bởi nồng độ asen cao nhất) Kết phân tích mẫu nƣớc ngầm cho thấy hàm lƣợng asen ~ 102 µg/L giá trị pH ~ Ở mẫu nƣớc ngầm thực tế đƣợc chọn với mục đích khảo sát hoạt tính hấp phụ As vật liệu điều kiện ảnh hƣởng thật yếu tố ngẫu nhiên bao gồm cạnh tranh hấp phụ đồng thời ion kim loại nặng cấu tử khác có nƣớc ngầm q trình hấp phụ As Thực nghiệm khảo sát hoạt tính hấp phụ asen từ nƣớc ngầm đƣợc tiến hành điều kiện tĩnh 42 4.2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình hấp phụ 4.2.2.1 Ảnh hưởng giá trị pH ban đầu nước ngầm đến khả hấp phụ vật liệu FexOy/RHA Kết cho thấy ảnh hƣởng giá trị pH ban đầu nƣớc ngầm đến hiệu xử lý asen từ nƣớc ngầm vật liệu 15 KL.% (FeCl3) FexOy/RHA sau 30 phút tiếp xúc với nƣớc ngầm đƣợc thể Hình 13 Từ Hình 13 cho thấy vật liệu FexOy/RHA có khả n ng hấp phụ cao ion asen nƣớc; đó, khoảng pH cho hiệu hấp phụ asen cao  Điều thuận lợi cho trình triển khai ứng dụng vật liệu FexOy/RHA vào thực tiễn trình xử lý nƣớc nhiễm asen Vì vậy, nghiên cứu này, giá trị pH đầu vào (pH7) mẫu nƣớc ngầm đƣợc giữ nguyên nhƣ ban đầu để thuận tiện cho trình triển khai ứng dụng vật liệu sau Hình 13: Ảnh hƣởng giá trị pH ban đầu đến khả n ng hấp phụ asen từ nƣớc ngầm vật 15 KL.% (FeCl3)-FexOy/RHA Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình  sai số chuẩn với lần lặp lại 4.2.2.2 Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc đến hiệu xử lý Hình 14 cho thấy ảnh hƣởng thời gian tiếp xúc vật liệu 15 KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA nƣớc ngầm Kết thực nghiệm cho thấy vật liệu FexOy/RHA đạt đến trạng thái cân khoảng thời gian ngắn (khoảng 15 phút) Khi so sánh với vật liệu nano oxit sắt hấp phụ asen trƣớc đây, vật liệu FexOy/RHA cho thấy khả n ng đạt trạng thái cân nhanh; hay nói cách khác cải tiến tốc độ truyền vận đƣợc quan sát vật liệu Sự tiến nhanh đến trạng thái cân cho q trình hấp phụ hóa học asen lên bề mặt nano oxit sắt diện tích tiếp xúc lớn cấu tử asen nƣớc tâm hấp phụ bề mặt vật liệu; điều đạt đƣợc kích thƣớc nano oxit sắt diện tích bề mặt riêng lớn (các lỗ xốp có đƣờng kính lớn) chất mang tro trấu sau q trình hoạt hóa dung dịch axit HF Ngoài ra, tiến nhanh đến trạng thái cân tích điện tích dƣơng bề mặt oxit sắt, đƣợc tạo từ tƣơng tác mạnh RHA oxit sắt , điều đƣợc giải thích phần Thêm vào đó, tiến nhanh đến trạng thái hấp phụ cân rút ngắn thời gian lƣu nƣớc t ng lƣu lƣợng nƣớc xử lý (hoặc t ng hiệu suất xử lý điều có ‎nghĩa 43 lớn triển khai ứng dụng vật liệu vào thực tiễn Do đó, thí nghiệm so sánh/đánh giá hiệu hấp phụ asen cho vật liệu khác đƣợc thực mốc thời gian lƣu 15 ph t Hình 14: Ảnh hƣởng thời gian tiếp xúc vật liệu hấp phụ v nƣớc ngầm đến hiệu xử lý asen nƣớc ngầm Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình  sai số chuẩn với lần lặp lại 4.2.2.3 Ảnh hưởng hàm lượng FeCl3 tẩm đến hoạt tính hấp phụ asen vật liệu FexOy/RHA Trong trình chế tạo chất hấp phụ, việc xác định hàm lƣợng FexOy thích hợp đƣợc tẩm bề mặt chất mang RHA quan trọng ảnh hƣởng trực tiếp đến hiệu hấp phụ asen nƣớc Trong nghiên cứu mẫu vật liệu hấp phụ đƣợc tẩm với hàm lƣợng sắt oxit khác (có khối lƣợng tƣơng ứng với hàm lƣợng FeCl3 thay đổi từ  20 KL.% (FeCl3)) Kết quan sát ảnh hƣởng hàm lƣợng FeCl3 đƣợc tẩm đến hiệu hấp phụ asen đƣợc thể Hình 15 Trong nghiên cứu này, khái niệm "dung lượng asen bị hấp phụ" đƣợc sử dụng để thể hàm lƣợng asen bị hấp phụ đơn vị khối lƣợng vật liệu đơn vị khối lƣợng ion sắt Ngoài ra, để xác định dung lƣợng asen bị hấp phụ, thí nghiệm đƣợc tiến hành với điều kiện sử dụng lƣợng vật liệu hấp phụ nhỏ lƣợng vật liệu đƣợc sử dụng 10 mg để hàm lƣợng As bị loại bỏ khỏi dung dịch < 90% cố định thông số khác Các kết thực nghiệm cho thấy biến thiên dung lƣợng As bị hấp phụ tính đơn vị vật liệu hấp phụ phụ thuộc lớn đến hàm lƣợng FexOy (hay FeCl3 đƣợc tẩm; cụ thể hoạt tính hấp phụ asen t ng dần t ng hàm lƣợng FexOy bề mặt RHA tƣơng ứng với mẫu có hàm lƣợng FeCl3 đƣợc sử dụng tẩm từ  10 KL.% (FeCl3 nhƣng sau lại giảm hiệu hấp phụ asen tiếp tục t ng hàm lƣợng FexOy bề mặt RHA tƣơng ứng với mẫu có hàm lƣợng FeCl3 đƣợc sử dụng tẩm 15 20 KL.% (FeCl3 Nhƣ biết, việc hấp phụ asen oxit sắt q trình hấp phụ hóa học Sự thay đổi hoạt tính hấp phụ asen vật liệu phụ thuộc vào hàm lƣợng FexOy bề mặt giải thích nhƣ sau: mẫu có hàm lƣợng FexOy tẩm thấp việc t ng hàm lƣợng FexOy tƣơng đƣơng với việc t ng số lƣợng tâm hấp phụ asen Tuy nhiên, 44 mẫu có hàm lƣợng FexOy tẩm cao việc t ng hàm lƣợng FexOy tƣơng đƣơng với việc giảm diện tích tiếp xúc vật liệu cấu tử asen nƣớc ngầm; diện tích bề mặt riêng oxit sắt nhỏ diện tích bề mặt riêng chất mang (RHA) Do thứ tự hoạt tính hấp phụ xếp theo thứ tự nhƣ 10 KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA > 15 KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA > 20 KL.% (FeCl3)FexOy/RHA > KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA > KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA Hình 15: Ảnh hƣởng h m lƣợng sắt đƣợc tẩm đến hoạt tính hấp phụ asen vật liệu FexOy/RHA Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình  sai số chuẩn với lần lặp lại Tuy nhiên, tính hiệu q trình hấp phụ asen dung lƣợng As bị hấp phụ đơn vị khối lƣợng ion sắt trật tự hoạt tính hấp phụ asen vật liệu FexOy/RHA có thay đổi nhỏ nhƣ KL.% FeCl3)- FexOy/RHA > 10 KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA > 15 KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA > 20 KL.% (FeCl3)FexOy/RHA Lƣu ý rằng, phần vật liệu KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA không đƣợc xét dãy thứ tự hoạt tính hấp phụ này; mẫu vật liệu tro trấu sau q trình hoạt hóa (RHA, khơng có oxit sắt bề mặt chất mang đƣợc xem mẫu đối chứng Sự thay đổi trật tự hoạt tính hấp phụ asen vật liệu giảm tƣơng tác điện tử chất mang hạt nano oxit sắt Sự tƣơng tác đƣợc hình thành từ lực tƣơng tác mạnh oxit chất mang (SiO2 tro trấu) oxit sắt (Durnesic, 1981) Chính tƣơng tác SiO2 (chất mang) - FexOy tích điện dƣơng bề mặt oxit sắt (các electron dịch chuyển từ hạt oxit sắt SiO2 chất mang nhƣ đƣợc minh họa Hình 16 Nhƣng lực tƣơng tác chất mang oxit oxit sắt giảm bề dầy lớp oxit sắt hàm lƣợng oxit sắt) bề mặt chất mang t ng Ngoài ra, mẫu KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA đƣợc tổng hợp Tuy nhiên, kết kiểm tra hoạt tính hấp phụ asen mẫu KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA không đƣa kết vào báo cáo) cho hiệu hấp phụ asen thấp so với mẫu KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA Điều số lƣợng tâm sắt hấp phụ asen mẫu KL.% FexOy/RHA thấp mẫu KL.% (FeCl3)FexOy/RHA 45 Hình 16: Mơ tả tƣơng tác mạnh chất mang oxit oxit sắt (Nguồn: Francesco cs., 2005) 4.2.3 So sánh với số chất hấp phụ khác thị trƣờng Để thấy đƣợc vai tr đặc biệt chất mang RHA chứng minh vật liệu FexOy/RHA có hiệu hấp phụ cao asen, cạnh tranh vật liệu thị trƣờng thí nghiệm đối chứng cần thiết Ở đây, vật liệu FexOy/AC NC-F20 (20 KL.% FexOy/Bentonite-Việt Nam đƣợc sử dụng vào mục đích Các kết thực nghiệm đƣợc thể Hình 17 Hình 17: So sánh hiệu hấp phụ asen oxit sắt chất mang khác Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình  sai số chuẩn với lần lặp lại Từ Hình 17 cho thấy vật liệu KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA cho hiệu hấp phụ asen cao vật liệu NC-F20 cho hiệu hấp phụ asen thấp Điều giải thích nhƣ sau: Vật liệu KL.% (FeCl3)- FexOy/AC cho hoạt tính thấp hấp phụ asen thấp so với KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA thiếu lực tƣơng tác oxit sắt chất mang (lực tƣơng tác cacbon kim loại oxit kim loại yếu) Kết khơng làm thay đổi điện tích bề mặt oxit sắt Vật liệu NC-F20 - 20 KL.% (FeCl3)- FexOy/Bentonite cho hoạt tính hấp phụ asen thấp điều chất mang bentonite thƣờng có diện tích bề mặt 46 riêng nhỏ than hoạt tính (< 200 m2/g) tro trấu sau hoạt hóa; đồng thời vật liệu bentonite đƣợc biết vật liệu alumosilicat đƣợc tạo thành hỗn hợp oxit silic oxit nhơm; có cấu trúc lớp Do có mặt oxit nhơm làm giảm cƣờng độ rút electron từ oxit sắt chất mang oxit để giải thích điều cần có nghiên cứu sâu Ngoài ra, Li-Jun Wan ctv., nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano oxit sắt cho thấy vật liệu có khả n ng hấp phụ 7,6 mgAs/gFe (Zhong cs., 2006) Vì vậy, vật liệu FexOy/RHA cho hiệu hấp phụ asen cao so với oxit sắt (khơng có chất mang) hiệu ứng tƣơng tác mạnh chất mang oxit sắt mang lại 47 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Qua kết nghiên cứu đề tài rút kết luận sau: - Chất mang RHA vật liệu FexOy/RHA đƣợc tổng hợp thành công đƣợc đặc trƣng phân tích đại nhƣ TEM, SEM, FTIR, XRD - Các vật liệu FexOy/RHA cho hiệu hấp phụ cao asen từ nƣớc ngầm; mẫu KL.% (FeCl3)- FexOy/RHA cho hiệu hấp phụ asen cao Ở đây, vai tr RHA (tro trấu sau hoạt hóa đƣợc thể rõ việc nâng cao hiệu giảm thời gian đạt cân hấp phụ asen so với than hoạt tính; nhƣ cung cấp bề mặt lớn giúp phân bố tốt hạt nano oxit sắt; đóng vai tr chất khử để khử phần sắt (III) sắt II ; t ng điện tích dƣơng bề mặt oxit sắt nhờ vào tƣơng tác mạnh oxit sắt oxit chất mang - Vật liệu FexOy/RHA có dung lƣợng hấp phụ ~14 mgAs/gFe) đƣợc đánh giá dạng vật liệu có tính cạnh tranh cao vật liệu NC-F20 thƣơng mại vật liệu hấp phụ đầy triển vọng để triển khai áp dụng thực tế 5.2 KIẾN NGHỊ Để mở rộng kết đề tài t ng khả n ng ứng dụng vào thực tế tiếp tục nghiên cứu thêm số kiến nghị sau: - Cần nghiên cứu mối liên hệ Fe As hay ảnh hƣởng tỷ lệ Fe As nƣớc ngầm đến hiệu hấp phụ vật liệu FexOy/RHA Qua xác định hàm lƣợng Fe thích hợp cho q trình hấp phụ As vật liệu làm sở cho việc kết hợp phƣơng pháp hấp phụ với phƣơng pháp xử lý khác nhƣ oxi hóa, keo tụ,… để loại bỏ asen nƣớc ngầm - Xây dựng mơ hình hấp phụ asen nƣớc ngầm quy mơ phịng thí nghiệm để làm sở ứng dụng vào thực tế hộ gia đình hay trạm cấp nƣớc vừa nhỏ - Nghiên cứu thu hồi asen tái sinh vật liệu sau hấp phụ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ahmaruzzaman M and V.K Gupta (2011) Rice husk and its ash as low-cost adsorbents in water and wastewater Treatment Industrial & Engineering Chemistry Research, 50/24: 13.589-13.613 Berg, M (2002) Northern Vietnam drinking water contains dangerous arsenic levels Environment Science an Technology Institute in Duebendorf Switzerland Bronzeoak Ltd (2003) Rice husk ask market study Crown copyright Chandrasekhar, K.G (2003) Processing, properties and application of reactive silica from rice husk ask – an overview Material science journal, 38: 3159-3168 Dixit, S and J.G Hering (2003) Comparison of Arsenic(V) and Arsenic(III) Sorption onto Iron Oxide Minerals:  Implications for Arsenic Mobility Environmental Science & Technology 37(18): 4182-4189 Durnesic, C.R.F.L.a.J.A (1981) Strong Oxide-Oxide Interactions in SilicaSupported Magnetite Catalysts X-ray Diffraction and Miissbauer Spectroscopy Evidence for Interaction The Journal of Physical Chemistty, 85(21): 3175-3180 Đặng Ngọc Chánh, Vũ Trọng Thiện, Đặng Minh Ngọc Nguyễn Quý H a 2010) Nghiên cứu xác định trƣờng hợp nhiễm độc asen tỉnh An Giang Tạp chí Y học TP.HCM, 14(2): 140-146 Đỗ V n Ái, Mai Trọng Thuận Nguyễn Khắc Vinh (2005) Một số đặc điểm phân bố asen tự nhiên vấn đề ô nhiễm As môi trƣờng Cục Địa chất Khoáng sản Việt Nam El-Sayed, G.O, H.A Dessouki, S.S Ibrahim (2010) Biosorption of Ni(II) and Cd(II) ions from aqueous solution onto rice straw Chemical Sciences Journal, Volume CSJ-9 Francesco, A.G.G., G Martrab, S Colucciab, L Stievanoc, L Spadarod, P Famularia and A Parmalianaa (2005) Structure and reactivity in the selective oxidation of methane to formaldehyde of low-loaded FeOx/SiO2 catalysts Journal of Catalysis, 231: 365-380 Gaikwad, R.W (2004) Removal of Cd(II) from aqueous solution by activated charcoal derived from coconut shell Electron J Environ Agric Food Chem, 3: 702-709 Hoàng Xuân Phƣơng 2009) Biochar vỏ trấu cải tạo http://nongnghiep.vn/nongnghiepvn/vi-vn/25/34016/ky-thuat-nghenong/biochar-vo-trau-cai-tao-dat.html, truy cập ngày 17/10/2014 đất Issabayeva, G., M.K Aroua and N.M Sulaiman (2006) Removal of lead from aqueous solutions on palm shell activated carbon Bioresour Technol, 97(18): 2350-2355 Kernit, W., Hong Yang, Chung W.Seo, Wayne E.Marshall (2006) Select metal adsorption by activated carbon made from peanut shells Bioresource Technology, 97: 2266-2270 49 Kinniberg, D.G (2002) A review of resoure, behaviour and distribution of arsenic in natural water Applied Geochemistry, 17: 517-568 Kundu, S and A.K Gupta (2006) Arsenic adsorption onto iron oxide-coated cement (IOCC): Regression analysis of equilibrium data with several isotherm models and their optimization Chemical Engineering Journal 122(1–2): 93106 Lê Huy Bá (2006) Độc học môi trƣờng NXB Đại học quốc gia TPHCM TPHCM Lê Thị Hồng Diễm (2009) Chế tạo hạt nanô Fe3O4 khảo sát số tính chất đặc trƣng Đại học Khoa học tự nhiên TP.HCM Lima S.P.B.D., R.P.D Vasconcelos, O.A Paiva, G.C Cordeiro, M.R.D.M Chaves, R.D.T Filho and E.D.M.R Fairbairn (2011) Production of silica gel from residual rice husk ash Química Nova, 34/1: 71-75 Lƣu Minh Đại Nguyễn Thị Tố Loan (2011) Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano γFe2O3/cát thạch anh hấp phụ asen, sắt mangan Tạp chí Hóa học, tập 4/số Mamindy-Pajany, Y., C Hurel, N Marmier, M Roméo (2009) Arsenic adsorption onto hematite and goethite Comptes Rendus Chimie, 12(8): 876-881 Marshall, W.E., L.H Wartelle, D.E Boler, M.M Johns, C.A Toles (1999) Enhanced metal adsorption by soybean hulls modified with citric acid Bioresource Technology, 69: 263-268 Masue, Y., R.H Loeppert and T.A Kramer (2006) Arsenate and Arsenite Adsorption and Desorption Behavior on Coprecipitated Aluminum: Iron Hydroxides Environmental Science & Technology, 41(3): 837-842 Mehta, P.K (1986) Structure, properties and materials Englewood cliffs: PrenticeHall Nguyễn Bin (2005) Các trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Nguyễn Đình Luận (2013) Xuất gạo Việt Nam: Thực trạng giải pháp Tạp chí Kinh tế Phát triển, 193: 9-14 Nguyễn Hoàng Hải (2007) Các hạt nano kim loại (Mettallic nanoparticles) Tạp chí http://vietsciences.free.fr/thuctap_khoahoc/thanhtuukhoahoc/hatnanokimloai, truy cập ngày 17/10/2014 Nguyễn Thị Lê Hiền Đinh Thị Mai Thanh (2006) Chế tạo bột g-Fe2O3 kích thƣớc nanomet phƣơng pháp kết tủa hóa học Tạp chí Hóa học, số 44 (6): 697-700 Nguyễn Thị Kim Dung, Nguyễn Thị Nhƣ Ngọc Đoàn Hà Duyên 2011) Tổng hợp vật liệu Mangan dioxit kích cỡ nanomet chất mang Laterit nghiên cứu khả n ng hấp phụ vật liệu Asen Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, số 25: 77-80 Nguyễn Trung Thành, Lâm Thành Trí, Hồ Nguyễn Thy Thy Lê Ngọc H ng (2010) Nghiên cứu ứng dụng tro trấu từ l đốt gạch thủ công làm chất hấp phụ metyl da cam Hội thảo quốc tế Giáo dục Môi trƣờng 50 Nguyễn V n Chánh, Phan Xuân Hoàng Phùng V n Lự (2000) Bê tơng nhẹ sở chất kết dính xi m ng tro trấu - cốt sợi - xơ dừa Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 7, Trƣờng Đại học Bách khoa TP.HCM: 141-148 Nguyễn V n Nội (2005) Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ lõi ngô ứng dụng để thu hồi KLN Cadimi Crom nguồn nƣớc bị ô nhiễm Hội nghị Khoa học Phân tích Hóa, Lý Sinh học Việt Nam lần thứ 2: 496-501 Nguyễn V n Nội Nguyễn Tấn Lâm (2008) Nghiên cứu khả n ng tách loại thu hồi số KLN dung dịch nƣớc vật liệu hấp phụ chế tạo từ rau câu Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, tập 13/số 1: 24-28 Nguyễn V n Tuấn, Bùi Danh Đại, Phạm Hữu Hanh, Lê Trung Thành, Nguyễn Công Thắng Ye Guang (2012) Nghiên cứu sử dụng tro trấu làm phụ gia khống cho bê tơng chất lƣợng siêu cao Tạp chí Kết cấu Cơng nghệ xây dựng, 08: 42-48 Nguyễn Xuân Trung Nguyễn V n Nội (2004) Một số vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên đƣợc ứng dụng việc hấp phụ ion kim loại Báo cáo đề tài hợp tác nghiên cứu ĐHKHTN – ĐHQGHN Đại học Tự Vƣơng quốc Bỉ, Brucssels Osvaldo, K.Jr., Leancho Vinicius Alves Alves Gurgel, Ju’lio Ce’sar Perin de Melo, Vagner Roberto Botaro, Tania Marcia Sacramento Melo, Rossimiriam Pereira de Freitas Gil, Laurent Frideric Gil (2007) Adsorption of heavy metal ion from aqueous single metal solution by chemically modified sugarcane bagasse Bioresource Technology, 98: 1291-1297 Phạm Ngọc Chức (2011) Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thƣớc nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe Mn nƣớc sinh hoạt Luận v n tốt nghiệp Cao học ngành Hóa vơ Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên TPHCM Phạm V n Lâm, Quản Thị Thu Trang, Nguyễn Thị Liên Phan Thị Ngọc Bích (2009) Tổng hợp vật liệu Nano compozit Fe3O4/MnO2, xác định đặc trƣng khả n ng hấp phụ asen vật liệu Tạp chí Hóa học, tập 47(6B): 1-5 Sharma, G and P Jeevanandam (2013) Synthesis of self-assembled prismatic iron oxide nanoparticles by a novel thermal decomposition route RSC Advances, 3(1): 189-200 Sở Tài nguyên Môi trƣờng tỉnh An Giang (2011) Niên giám thống kê tỉnh An Giang 2010 Cục thống kê tỉnh An Giang Tebble, R.S and D.J Craik (1969) Magnetic Materials John Wiley and Sons Ltd Trần Hiếu Nhuệ, Nguyễn Việt Anh, Nguyễn V n Tín Đỗ Hải (2005) Một số công nghệ xử lý asen nƣớc ngầm phục vụ cho cấp nƣớc sinh hoạt đô thị nơng thơn Cục Địa chất Khống sản Việt Nam Trần Ngọc Cƣờng (2011) Nghiên cứu tổng hợp khoáng wollastonite từ tro trấu Việt Nam phƣơng pháp thủy nhiệt Luận v n thạc sỹ Kỹ thuật Trƣờng Đại học Đà Nẵng Đà Nẵng Trần Thị Thanh Hƣơng Lê Quốc Tuấn (2010) Cơ chế gây độc asen khả n ng giải độc asen vi sinh vật Hội thảo Môi trƣờng Phát triển bền vững, ngày 18-20 tháng 06 n m 2010, Vƣờn Quốc gia Côn Đảo Trang 82-92 51 Trịnh V n Dũng 2006) Nghiên cứu ứng dụng trấu để sản xuất than hoạt tính dùng xử lý khí thải nƣớc thải Đề tài nghiên cứu khoa học cấp đại học quốc gia Trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM TP.HCM Trịnh Xuân Sĩ 2011 Nghiên cứu q trình già hóa vật liệu oxit sắt vơ định hình - Ứng dụng lọc Asen Đại học Khoa học tự nhiên TP.HCM Zhong, L.S., J.S Hu, H.P Liang, A.M Cao, W.G Song and L.J Wan (2006) SelfAssembled 3D Flowerlike Iron Oxide Nanostructures and Their Application in Water Treatment Advanced Materials, 18(18): 2426-2431 52 ... loại trình hấp phụ Dựa vào chất q trình hấp phụ, chia thành hai loại hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học Trong đó: 2.2.2.1 Hấp phụ vật lý Hấp phụ vật lý trình hấp phụ đƣợc thực lực vật lý ví dụ nhƣ... chất hấp phụ chất bị hấp phụ (tính phân cực) định khả n ng hấp phụ Lớp hấp phụ thứ hai Chất hấp phụ Lớp hấp phụ thứ Hình 1: Mơ tả hấp phụ vật lý với hai lớp chất hấp phụ 2.2.2.2 Hấp phụ hóa học Hấp. .. hấp phụ vật lý; - Chỉ tạo hấp phụ đơn lớp; - Phụ thuộc vào pH chất axit – bazơ chất hấp phụ chất bị hấp phụ 2.2.2.3 Tiêu chuẩn phân biệt hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học Có thể phân biệt loại hấp