Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano fe3o4 than sinh học để xử lý hấp phụ thuốc nhuộm màu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HÀ MINH VIỆT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC NANO Fe3O4 – THAN SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ HẤP PHỤ THUỐC NHUỘM MÀU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN – 2019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HÀ MINH VIỆT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC NANO Fe3O4 – THAN SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ HẤP PHỤ THUỐC NHUỘM MÀU Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60 44 01 09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ LUYẾN THÁI NGUYÊN - 2019 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô tham gia giảng dạy lớp Cao học Quang học khóa 11, q Thầy Cơ cơng tác Phịng Sau Đại học Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường THPT Ngô Sĩ Liên tỉnh Bắc Giang tạo điều kiện để tham gia học tập hồn thành khóa học theo kế hoạch Đặc biệt, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới TS Nguyễn Thị Luyến tận tình hướng dẫn tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng song chắn luận văn tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận góp ý, bảo thầy giáo, giáo, bạn đồng nghiệp người quan tâm đến vấn đề trình bày luận văn, để luận văn hoàn thiện Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 10 năm 2019 Tác giả Hà Minh Việt i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v DANH MỤC CÁC BẢNG vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tình trạng nhiễm mơi trường nước 1.2 Sơ lược thuốc nhuộm màu 1.2.1 Định nghĩa thuốc nhuộm màu 1.2.2 Phân loại thuốc nhuộm 1.3 Than sinh học vật liệu nano sắt từ 1.3.1 Giới thiệu than sinh học 1.3.2 Giới thiệu vật liệu nano oxit sắt từ 1.3.3 Một số kết nghiên cứu sử dụng vật liệu tổ hợp nano oxit sắt từ - than sinh học làm vật liệu hấp phụ 12 1.4 Phương pháp hấp phụ 19 1.4.1 Các khái niệm 19 1.4.2 Cân hấp phụ 20 1.4.3 Dung lượng hấp phụ cân 20 1.4.4 Hiệu suất hấp phụ 20 1.4.5 Nghiên cứu động nhiệt học hấp phụ 21 CHƯƠNG CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 26 2.1 Công nghệ chế tạo vật liệu 26 2.1.1 Nguyên liệu ban đầu 26 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 26 2.1.3 Công nghệ chế tạo 27 ii 2.1.4 Đánh giá khả hấp phụ vật liệu than sinh học vật liệu tổ hợp nano oxit sắt từ Fe3O4-than sinh học 29 2.1.5 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ CV vật liệu hấp phụ MBC theo phương pháp hấp phụ tĩnh 30 2.2 Các phương pháp khảo sát đặc trưng vật liệu 31 2.2.1 Phương pháp phân tích trắc quang 31 2.2.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 33 2.2.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 35 2.2.4 Phương pháp tán xạ Raman (RS) 36 2.2.5 Phương pháp đo VSM 37 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Khảo sát đặc trưng hình thái, cấu trúc IONPs 39 3.2 Khảo sát đặc trưng vật liệu tổ hợp nano oxit sắt từ-than sinh học 43 3.3 Khảo sát khả hấp phụ thuốc nhuộm màu 45 3.3.1 Xây dựng đường chuẩn thuốc nhuộm màu 45 3.3.2 So sánh khả hấp phụ thuốc nhuộm màu than sinh học, Fe3O4 - than sinh học 46 3.4 Khảo sát ảnh hưởng số yếu tố đến khả hấp phụ thuốc nhuộm màu Fe3O4-than sinh học theo phương pháp hấp phụ tĩnh 49 3.4.1 Ảnh hưởng độ pH 49 3.4.2 Ảnh hưởng thời gian rung lắc 51 3.4.3 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ 53 3.4.4 Ảnh hưởng nồng độ CV ban đầu 54 3.5 Nghiên cứu chế trình hấp phụ thuốc nhuộm màu theo mơ hình khác 56 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT CV Thuốc nhuộm màu MB Xanh methylenne BO Than sinh học MBC Oxit sắt từ - than sinh học IONPs Nano oxit sắt từ VLHP Vật liệu hấp phụ q Dung lượng hấp phụ H Hiệu suất hấp phụ Abs Độ hấp thụ TEM Hiển vi điện tử truyền qua XRD Nhiễu xạ tia X RS Tán xạ Raman VSM Phổ kế từ rung iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cơng thức cấu tạo phổ hấp thụ CV Hình 1.2 Mơ hình chế tạo hạt nano Fe3O4 phương pháp đồng kết tủa… 11 Hình 1.3 Mơ hình minh họa cơng nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4 – than sinh học 12 Hình 1.4 Mơ hình minh họa cơng nghệ chế tạo MBC, với nguồn than sinh học sử dụng từ bạch đàn; Mơ hình tách MBC từ dung dịch nước lọc 12 Hình 1.5 Ảnh hưởng pH thời gian rung lắc nhiệt độ đến hiệu suất hấp phụ CV than sinh học làm từ vỏ trấu 13 Hình 1.6 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ, thời gian rung lắc pH đến khả hấp phụ MB Fe3O4 - than sinh học từ bèo hoa dâu Fe3O4 - than sinh học từ vả 15 Hình 1.7 Ảnh hưởng độ pH nồng độ ban đầu CV nhiệt độ đến dung lượng hấp phụ CV MBC với than sinh học làm từ lõi ngô 16 Hình 1.8 Sơ đồ minh họa chế hấp phụ chất màu hữu than sinh học… 17 Hình 1.9 Mô hình trình chế hấp phụ CV từ vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4 - graphene 17 Hình 1.10 Mơ hình hấp phụ CV từ cấu trúc nano Fe3O4/SiO2/chitosan xử lý với axit Ethylenediaminetetraacetic (EDCMS) 18 Hình 1.11 Sơ đồ trình hấp phụ giải hấp phụ 19 Hình 2.1 Một số thiết bị phục vụ nghiên cứu 27 Hình 2.2 Quy trình cơng nghệ chế tạo hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 27 Hình 2.3 Sơ đồ quy trình chế tạo than sinh học từ phế phẩm nơng nghiệp 28 Hình 2.4 Mơ hình hệ chế tạo vật liệu tổ hợp nano oxit sắt từ-than sinh học phương pháp biến đổi đồng kết tủa 29 Hình 2.5 Sơ đồ khối máy đo UV-Vis Jasco V770 31 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên tắc hệ đo hấp thụ quang hai chùm tia 32 Hình 2.7 Kính hiển vi điện tử truyền qua 34 v Hình 2.8 Sơ đồ nguyên tắc phép đo nhiễu xạ tia X 35 Hình 2.9 Giản đồ lượng tán xạ Rayleigh tán xạ Raman 36 Hình 2.10 Máy đo từ kế mẫu rung (VSM)…………………………………… 367 Hình 3.1 Ảnh TEM phân bố kích thước hạt tương ứng IONPs chế tạo nhiệt độ khác nhau… 39 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X IONPs 40 Hình 3.3 Phổ tán xạ Raman IONPs 42 Hình 3.4 Sự thay đổi phổ Raman IONPs vùng tần số từ 100 cm-1 đến 900 cm-1 43 Hình 3.5 Ảnh TEM than sinh học; hạt nano oxit sắt từ Fe3O4; nano oxit sắt từ Fe3O4-than sinh học đường cong từ trễ hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 hạt nano oxit sắt từ Fe3O4-than sinh học 44 Hình 3.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 MBC 45 Hình 3.7 Phổ hấp thụ dung dịch CV nồng độ khác nhau; đường chuẩn dung dịch CV 46 Hình 3.8 So sánh hiệu suất hấp phụ dung lượng hấp phụ CV RHB, ATB MBC vào thời gian rung lắc 49 Hình 3.9 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC… 51 Hình 3.10 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC 53 Hình 3.11 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ MBC đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV 54 Hình 3.12 Ảnh hưởng nồng độ CV ban đầu đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC 55 Hình 3.13 Nhiệt học hấp phụ CV MBC 56 Hình 3.14 Mô hình động học hấp phụ CV MBC 57 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 So sánh ưu nhược điểm phương pháp chế tạo hạt nano oxit sắt từ phương pháp khác 10 Bảng 1.2 So sánh dung lượng hấp phụ CV vật liệu hấp phụ khác 18 Bảng 3.1 Tần số Raman (cm-1) hạt nano oxit sắt từ 43 Bảng 3.2 Kết đo độ hấp thụ quang dung dịch CV với nồng độ khác 46 Bảng 3.3 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV RHB sử dụng nồng độ ban đầu CV = 50 mg/L, nhiệt độ 30oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL 47 Bảng 3.4 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV ATB sử dụng nồng độ ban đầu CV = 50 mg/L, nhiệt độ 30oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL 47 Bảng 3.5 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC sử dụng nồng độ ban đầu CV = 50 mg/L, nhiệt độ 30oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL …………….48 Bảng 3.6 Ảnh hưởng pH dung dịch CV đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC sử dụng nồng độ ban đầu CV = 25 mg/L, nhiệt độ 30oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, thời gian rung lắc 60 phút 50 Bảng 3.7 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC sử dụng nồng độ ban đầu CV = 25 mg/L, nhiệt độ 30oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH = 10 52 Bảng 3.8 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC, sử dụng nồng độ ban đầu CV = 50 mg/L, pH = 10, nhiệt độ 30oC, thời gian rung lắc 60 phút 53 Bảng 3.9 Ảnh hưởng nồng độ CV ban đầu đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC nhiệt độ 30oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, thời gian rung lắc 60 phút, pH = 10 55 vii Bảng 3.10 Các thông số nhiệt học hấp phụ hệ số tương quan mơ hình Langmuir, Freundlich Temkin 57 Bảng 3.11 Các thông số động học hấp phụ hệ số tương quan mơ hình giả bậc 1, giả bậc mơ hình Elovich 58 viii Fe3O4 là: có mặt hạt nano Fe3O4 làm tăng đường kính lỗ xốp than sinh học làm giảm zeta; tăng cường tương tác hút tĩnh điện bề mặt tích điện âm MBC bề mặt tích điện dương CV làm tăng cường khả hấp phụ [9] Tuy nhiên, phần kết nghiên cứu chưa khảo sát zeta Trong hướng nghiên cứu tiếp theo, chúng tơi hồn thiện phép đo zeta để kiểm chứng nhận định Hình 3.8 So sánh: (a) hiệu suất hấp phụ (b) dung lượng hấp phụ CV RHB, ATB MBC vào thời gian rung lắc: nồng độ ban đầu CV 50 mg/L; khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL; nhiệt độ 30oC Dựa kết khảo sát đánh giá hiệu suất dung lượng hấp phụ CV theo thời gian loại chất hấp phụ khác nhau: RHB, ATB MBC, lựa chọn chất hấp phụ MBC để tiếp tục khảo sát ảnh hưởng thông số như: độ pH, nồng độ CV ban đầu, thời gian rung lắc, khối lượng chất hấp phụ đến khả loại bỏ CV Trong Mục 3.4 chúng tơi trình bày kết đánh giá 3.4 Khảo sát ảnh hưởng số yếu tố đến khả hấp phụ thuốc nhuộm màu Fe3O4-than sinh học theo phương pháp hấp phụ tĩnh 3.4.1 Ảnh hưởng độ pH pH dung dịch CV đóng vai trị quan trọng đến khả hấp phụ ảnh hưởng đến mức độ ion hóa thuốc nhuộm màu, đặc tính bề mặt chất hấp phụ Để khảo sát ảnh hưởng dung dịch pH đến hấp phụ 49 CV, thí nghiệm thực thay đổi pH dung dịch CV từ đến 12, thực nghiệm thực cách thêm vào lượng NaOH (0.5 mol/L) HCl (0.5 mol/L) Các thông số khác cố định: nồng độ CV ban đầu = 25 mg/L, nhiệt độ 30oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, thời gian rung lắc 60 phút, tốc độ rung lắc 200 vịng/phút Bảng 3.6 thơng số tính tốn thay đổi pH dung dịch CV Bảng 3.6 Ảnh hưởng pH dung dịch CV đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC sử dụng nồng độ ban đầu CV = 25 mg/L, nhiệt độ 30 oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, thời gian rung lắc 60 phút pH C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H(%) q (mg/g) 44.06925208 27.00554017 38.72022126 17.06371191 44.06925208 25.95290859 41.10880634 18.11634349 44.06925208 22.13019391 49.78314162 21.93905817 44.06925208 17.28254848 60.78320448 26.7867036 44.06925208 16.20221607 63.23464706 27.86703601 44.06925208 13.98614958 68.26324722 30.08310249 44.06925208 12.85041551 70.8404048 31.21883657 44.06925208 12.01939058 72.72612986 32.0498615 44.06925208 10.93905817 75.17757244 33.13019391 10 44.06925208 4.235457064 90.38908794 39.83379501 11 44.06925208 7.005540166 84.10333773 37.06371191 12 44.06925208 6.728531856 84.73191275 37.34072022 Hình 3.9 ảnh hưởng pH dung dịch CV đến hiệu suất dung lượng hấp phụ Kết rằng, khả hấp phụ CV MBC phụ thuộc mạnh vào pH dung dịch Khi pH dung dịch tăng từ đến 10 hiệu suất dung lượng hấp phụ CV tăng Hiệu suất dung lượng hấp phụ CV lớn tương ứng khoảng 90.4 % 39.8 mg/g pH dung dịch có giá trị 10 Khi pH khoảng 11 đến 12, hiệu suất dung lượng hấp phụ giảm nhẹ khoảng 84.7 % 37.3 mg/g tương ứng Điều lý giải, trình hấp phụ pH thấp bề mặt chất hấp phụ tích điện dương, hấp phụ 50 thành phần tích điện âm chiếm ưu thế, nhiên bề mặt CV tích điện dương, điện tích dương mà chiếm giữ vị trí hấp phụ khả thi cạnh tranh với phân tử chất màu kết giảm khả hấp phụ Tại pH cao hơn, bề mặt chất hấp phụ tích điện âm, tương tác hút tĩnh điện nguyên nhân làm tăng cường khả hấp phụ Các kết tương tự tìm thấy cơng bố trước [19,26] Hình 3.9 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC, sử dụng nồng độ ban đầu CV = 25 mg/L, thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC 3.4.2 Ảnh hưởng thời gian rung lắc Việc xác định thời gian cân đóng vai trị quan trọng q trình xử lý hấp phụ Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến khả loại bỏ CV MBC xác định khoảng thời gian từ phút đến 180 phút, pH = 10, nồng độ ban đầu CV = 25 mg/L, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC khảo sát để xác định thời gian cân Bảng 3.7 thông số tính tốn Hình 3.10 thể phụ thuộc hiệu suất dung lượng hấp phụ vào thời gian rung lắc 51 Bảng 3.7 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC sử dụng nồng độ ban đầu CV = 25 mg/L, nhiệt độ 30 oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH = 10 Thời gian C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H(%) q (mg/g) 31.97506925 6.056232687 81.05951659 25.91883657 15 31.97506925 5.511634349 82.76271333 26.4634349 30 31.97506925 5.08365651 84.10118687 26.89141274 60 31.97506925 4.877562327 84.74573334 27.09750693 90 31.97506925 4.825207756 84.90946894 27.1498615 120 31.97506925 4.788365651 85.02469029 27.1867036 180 31.97506925 4.788365651 85.02469029 27.1867036 Hình 3.10 cho thấy hấp phụ xảy nhanh giai đoạn từ đến 30 phút Hiệu suất dung lượng hấp phụ CV tương ứng khoảng 81.1% 25.9 mg/g phút thứ 5, sau tăng nhanh lên 84.1 % 26.9 mg/g sau 30 phút Điều giải thích, giai đoạn có mặt số lượng lớn vị trí bề mặt MBC trình hấp phụ CV Tuy nhiên, trình hấp phụ tiếp tục tăng chậm đạt giá trị cân sau khoảng 120 phút (hiệu suất dung lượng đạt tương ứng khoảng 85 % 27.2 mg/g), từ 120 phút đến 180 phút trình hấp phụ gần không đổi Rõ ràng là, ban đầu vị trí mao quản MBC lớn, q trình hấp phụ xảy nhanh chóng Trong khoảng thời gian tiếp theo, trình hấp phụ đạt đến trạng thái bão hịa khơng có thiếu có mặt vị trí kích hoạt khả dụng bề mặt chất hấp phụ [32], kết hiệu suất hiệu phụ trở nên ổn định Xu hướng tương tự quan sát thấy nghiên cứu trước [32–34] 52 Hình 3.10 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC nồng độ ban đầu CV = 25 mg/L, pH = 10, khối lượng chất hấp phụ MBC 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC 3.4.3 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ Khối lượng chất hấp phụ thông số quan trọng ảnh hưởng đến khả hấp phụ nồng độ ban đầu định chất bị hấp phụ Kết khảo sát ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ từ 10 mg đến 100 mg 25 mL dung dịch CV nồng độ ban đầu 50 mg/L, pH = 10 nhiệt độ 30oC Bảng 3.8 Hình 3.11 Bảng 3.8 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC, sử dụng nồng độ ban đầu CV = 50 mg/L, pH = 10, nhiệt độ 30oC, thời gian rung lắc 60 phút Khối lượng (mg/25 mL) C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H (%) q (mg/g) 10 99.69252078 25.24376731 74.67837395 74.44875346 25 99.69252078 11.47645429 88.48814916 88.21606648 50 99.69252078 3.387811634 96.60173942 96.30470914 75 99.69252078 3.470914127 96.51838062 96.22160665 100 99.69252078 4.412742382 95.5736475 95.27977839 53 Từ Hình 3.11 nhận thấy rằng, khối lượng chất hấp phụ ảnh hưởng đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV Hình 3.11 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ MBC đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV nồng độ ban đầu CV = 50 mg/L, pH = 10, nhiệt độ 30oC, thời gian rung lắc 60 phút Kết rằng, khối lượng chất hấp phụ tăng từ 10 đến 50 mg/25 mL hiệu suất dung lượng hấp phụ tăng từ 74.7 % đến 96.6 % 74.4 mg/g đến 96.3 mg/g tương ứng Điều có mặt vị trí chất hấp phụ nhiều có mặt bề mặt đặc biệt chất hấp phụ Tuy nhiên, khối lượng tăng từ 50 đến 100 mg/25 mL thay đổi hiệu suất dung lượng hấp phụ không đáng kể Nguyên nhân có kết tụ hạt chất hấp phụ, mà khơng có tăng diện tích bề mặt của chất hấp phụ Kết tương tự quan sát thấy công bố trước [32] 3.4.4 Ảnh hưởng nồng độ CV ban đầu Ảnh hưởng nồng độ CV ban đầu từ 25 đến 100 mg/L đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV vật liệu MBC thực nhiệt độ 30oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, thời gian rung lắc 60 phút, pH = 10 Các thông số tính tốn Bảng 3.9 54 Bảng 3.9 Ảnh hưởng nồng độ CV ban đầu đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC nhiệt độ 30oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, thời gian rung lắc 60 phút, pH = 10 [CV] (mg/L) C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H(%) q (mg/g) 25 37.51523546 3.581717452 90.45263236 33.93351801 50 99.84210526 24.91135734 75.04924673 74.93074792 75 126.8504155 44.13573407 65.2064726 82.71468144 100 151.7811634 66.60110803 56.12030734 85.1800554 125 181.5595568 90.83933518 49.96719711 90.72022161 Hình 3.12 ảnh hưởng nồng độ CV ban đầu đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC Kết cho thấy, tăng nồng độ CV từ 25 đến 100 mg/L hiệu suất hấp phụ CV giảm từ 90.5 xuống 50 %, dung lượng hấp phụ CV tăng từ 34 đến 91 mg/g tương ứng Sự giảm hiệu suất hấp phụ tăng nồng độ giải thích lượng CV tăng, lượng chất hấp phụ MBC không thay đổi, vị trí kích hoạt hấp phụ bề mặt MBC bị giới hạn Các kết nghiên cứu tương tự quan sát thấy cơng bố trước [9,26] Hình 3.12 Ảnh hưởng nồng độ CV ban đầu đến hiệu suất dung lượng hấp phụ CV MBC, thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC, pH =10 55 3.5 Nghiên cứu chế trình hấp phụ thuốc nhuộm màu theo mơ hình khác Để giải thích chế hấp phụ CV MBC, thực nghiệm tiến hành cách thay đổi nồng độ CV ban đầu khác từ 25 mg/L đến 125 mg/L, hấp phụ thực thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng MBC = 25 mg/25 mL, pH = 10, nhiệt độ 30oC Hình 3.13 đồ thị nhiệt học hấp phụ CV qe theo Ce Trong luận văn sử dụng mơ hình nhiệt học hấp phụ chung để mơ tả hấp phụ CV MBC Đó mô hình Langmuir (phương trình 1.14), mô hình Freundlich (phương trình 1.15) mô hình Temkin (phương trình 1.17) Các thông số tương ứng mô hình Bảng 3.10 Dữ liệu hấp phụ CV MBC cho thấy hệ số tương quan làm khớp theo mơ hình Langmuir, Freundlich Temkin có giá trị tương ứng R2= 0.99; 0.93; 0.97 Có nhận xét mơ hình Langmuir mơ hình tốt để miêu tả cân nhiệt học hấp phụ CV MBC Dung lượng hấp phụ lớn qm tính tốn có giá trị 95.43 mg/g theo mơ hình Langmuir Bên cạnh đó, giá trị thành phần (1/n) = 0.27 theo mơ hình Freundlich nhỏ 1, điều cho thấy cân nhiệt học hấp phụ CV MBC thuận lợi Từ kết giả định rằng, hấp phụ xảy đơn lớp thơng qua số lượng vị trí xác định bề mặt MBC [29] Hình 3.13 Nhiệt học hấp phụ CV MBC thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH = 10, nhiệt độ 30oC 56 Bảng 3.10 Các thông số nhiệt học hấp phụ hệ số tương quan mơ hình Langmuir, Freundlich Temkin Mơ hình Langmuir qm KL 95.43 0.15 R2 Mơ hình Freundlich KF 0.99 28.15 1/n 0.27 Mơ hình Temkin R2 AT 0.93 2.16 bT R2 137.43 0.97 Để nghiên cứu trình hấp phụ, thực nghiệm hấp phụ CV MBC hàm thời gian chứng minh nồng độ CV ban đầu 50 mg/L, khối lượng 25 mg/mL, pH= 10, nhiệt độ 30oC Trong luận văn này, mô hình động học hấp phụ khác sử dụng để miêu tả trình hấp phụ CV MBC bao gồm: mơ hình giả bậc (phương trình 1.6), mơ hình giả bậc (phương trình 1.8) mô hình Elovich (phương trình 1.13) Hình 3.14 mơ tả động học hấp phụ CV MBC theo mơ hình Hình 3.14 Mơ hình động học hấp phụ CV MBC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH =10, nồng độ CV ban đầu = 50 mg/L, nhiệt độ 30oC Các thông số làm khớp hấp phụ CV vật liệu MBC theo mơ hình giả bậc 1, giả bậc Elovich Bảng 3.11 57 Bảng 3.11 Các thông số động học hấp phụ hệ số tương quan mơ hình giả bậc 1, giả bậc mơ hình Elovich Mơ hình giả bậc Mơ hình giả bậc hai qcal(mg/g) k1 R2 qcal(mg/g) 87.63 0.2 0.960 87.9 k2 R2 Mơ hình Elovich α 0.0073 0.997 11367 β R2 5.6 0.995 Theo hệ số tương quan R2 thì động học hấp phụ CV làm khớp tốt với mơ hình giả bậc 1, giả bậc Elovich với R2 có giá trị là: 0.96; 0.997 0.995 Tuy nhiên, theo mơ hình giả bậc mơ hình Elovich phù hợp với liệu thực nghiệm so với mơ hình giả bậc Kết tính tốn dung lượng hấp phụ theo mơ hình giả bậc bậc tương ứng 87.63 87.9 mg/g, liệu nhận giá trị thực nghiệm (qe, thực nghiệm khoảng 88.2 mg/g) Từ kết tính tốn chúng tơi đề xuất hấp phụ CV vật liệu MBC điều khiển trình hấp phụ hóa học mà liên quan đến lực hóa trị thơng qua việc trao đổi hay tương tác điện tử Đề xuất trình hấp phụ hóa học giải thích nghiên cứu trước [29,33,35] khảo sát động học hấp phụ theo mơ hình khác 58 KẾT LUẬN Đã chế tạo thành công than sinh học phương pháp hydro cacbon hóa, hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 phương pháp đồng kết tủa cấu trúc nano Fe3O4-than sinh học phương pháp biến đổi đồng kết tủa Fe3O4-than sinh học VLHP với than sinh học sử dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp vỏ trấu, nguồn nguyên liệu dồi dào, sẵn có có giá thành thấp Đã khảo sát hình thái, cấu trúc tinh thể, cấu trúc dao động cấu trúc nano oxit sắt từ thay đổi nhiệt độ phản ứng từ 30 đến 90oC nồng độ NH4OH Các hạt nano oxit sắt từ nhận có kích thước nano khoảng đến 15 nm, nhiệt độ 90oC có phân tán tốt hơn, cấu trúc nano nhận Fe3O4 So sánh hiệu suất dung lượng hấp phụ CV than sinh học MBC cho thấy hiệu suất dung lượng hấp phụ đạt giá trị cao hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 kết hợp với than sinh học Ảnh hưởng thông số như: pH dung dịch CV, nồng độ CV ban đầu, khối lượng chất hấp phụ thời gian rung lắc cho thấy hiệu suất dung lượng hấp phụ CV đạt giá trị lớn tương ứng 96.6 % 96.3 mg/g pH = 10, nồng độ CV ban đầu = 50 mg/L, khối lượng chất hấp phụ 50 mg/25 mL thời gian rung lắc 60 phút Nghiên cứu chế trình hấp phụ CV thơng qua mơ hình khác đề xuất chế hấp phụ CV xảy đơn lớp thơng qua số lượng vị trí xác định bề mặt MBC Quá trình hấp phụ CV vật liệu hấp phụ MBC trình hấp phụ hóa học 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] C Chen, S Mi, D Lao, P Shi, Z Tong, Z Li, H Hu, Single-step synthesis of eucalyptus sawdust magnetic activated carbon and its adsorption behavior for methylene blue, RSC Adv (2019) 22248–22262 doi:10.1039/c9ra03490k E Section, Selective Removal of Cu ( II ) Ions by Using Cation-exchange Resin-Supported Polyethyleneimine ( PEI ) Nanoclusters, 44 (2010) 3508– 3513 J Schulte, J Dutta, Nanotechnology in environmental protection and pollution, Sci Technol Adv Mater (2005) 219–220 doi:10.1016/j.stam.2005.03.009 M Auffan, J Rose, J.Y Bottero, G V Lowry, J.P Jolivet, M.R Wiesner, Towards a definition of inorganic nanoparticles from an environmental, health and safety perspective, Nat Nanotechnol (2009) 634–641 doi:10.1038/nnano.2009.242 J Kudr, Y Haddad, L Richtera, Z Heger, M Cernak, V Adam, O Zitka, Magnetic nanoparticles: From design and synthesis to real world applications, Nanomaterials (2017) doi:10.3390/nano7090243 D Maity, D.C Agrawal, Synthesis of iron oxide nanoparticles under oxidizing environment and their stabilization in aqueous and non-aqueous media, J Magn Magn Mater 308 (2007) 46–55 doi:10.1016/j.jmmm.2006.05.001 K.P Singh, S Gupta, A.K Singh, S Sinha, Optimizing adsorption of crystal violet dye from water by magnetic nanocomposite using response surface modeling approach, J Hazard Mater 186 (2011) 1462–1473 doi:10.1016/j.jhazmat.2010.12.032 S.R Chowdhury, E.K Yanful, Arsenic and chromium removal by mixed magnetite-maghemite nanoparticles and the effect of phosphate on removal, J Environ Manage 91 (2010) 2238–2247 doi:10.1016/j.jenvman.2010.06.003 P Sun, C Hui, R.A Khan, J Du, Q Zhang, Y.H Zhao, Efficient removal of crystal violet using Fe3O4-coated biochar: The role of the nanoparticles Fe3O4 and modeling study their adsorption behavior, Sci Rep (2015) 1–12 doi:10.1038/srep12638 60 [10] Z.H Ruan, J.H Wu, J.F Huang, Z.T Lin, Y.F Li, Y.L Liu, P.Y Cao, Y.P Fang, J Xie, G.B Jiang, Facile preparation of rosin-based biochar coated bentonite for supporting α-Fe O nanoparticles and its application for Cr(vi) adsorption, J Mater Chem A (2015) 4595–4603 doi:10.1039/c4ta06491g [11] H Gao, S Lv, J Dou, M Kong, D Dai, C Si, G Liu, The efficient adsorption removal of Cr(vi) by using Fe3O4 nanoparticles hybridized with carbonaceous materials, RSC Adv (2015) 60033–60040 doi:10.1039/c5ra10236g [12] S Farooq, A Saeed, M Sharif, J Hussain, F Mabood, M Iftekhar, Process optimization studies of crystal violet dye adsorption onto novel, mixed metal Ni0.5Co0.5Fe2O4 ferrospinel nanoparticles using factorial design, J Water Process Eng 16 (2017) 132–141 doi:10.1016/j.jwpe.2017.01.001 [13] A Amarjargal, L.D Tijing, I Im, C.S Kim, Simultaneous preparation of Ag/Fe3O4 core-shell nanocomposites with enhanced magnetic moment and strong antibacterial and catalytic properties, Chem Eng J (2013) doi:10.1016/j.cej.2013.04.054 [14] N Zhu, H Ji, P Yu, J Niu, M.U Farooq, M.W Akram, I.O Udego, H Li, X Niu, Surface Modification of Magnetic Iron Oxide Nanoparticles, (2018) 1–27 doi:10.3390/nano8100810 [15] I.O Wulandari, D.J.D.H Santjojo, R.A Shobirin, A Sabarudin, Characteristics and magnetic properties of chitosan-coated Fe3O4 nanoparticles prepared by ex-situ co-precipitation method, Rasayan J Chem 10 (2017) 1348–1358 doi:10.7324/RJC.2017.1041907 [16] Y Han, X Cao, X Ouyang, S.P Sohi, J Chen, Adsorption kinetics of magnetic biochar derived from peanut hull on removal of Cr (VI) from aqueous solution: Effects of production conditions and particle size, Chemosphere 145 (2016) 336–341 doi:10.1016/j.chemosphere.2015.11.050 [17] S.Y Wang, Y.K Tang, K Li, Y.Y Mo, H.F Li, Z.Q Gu, Combined performance of biochar sorption and magnetic separation processes for treatment of chromium-contained electroplating wastewater, Bioresour Technol 174 (2014) 67–73 doi:10.1016/j.biortech.2014.10.007 [18] S Chakraborty, S Chowdhury, P Das Saha, C Violet, Adsorption of Crystal Violet from aqueous solution onto, Carbohydr Polym 86 (2011) 1533–1541 doi:10.1016/j.carbpol.2011.06.058 61 [19] N Alizadeh, S Shariati, N Besharati, Adsorption of Crystal Violet and Methylene Blue on Azolla and Fig Leaves Modified with Magnetite Iron Oxide Nanoparticles, Int J Environ Res 11 (2017) 197–206 doi:10.1007/s41742-017-0019-1 [20] X Tan, Y Liu, G Zeng, X Wang, X Hu, Y Gu, Z Yang, Application of biochar for the removal of pollutants from aqueous solutions, Chemosphere 125 (2015) 70–85 doi:10.1016/j.chemosphere.2014.12.058 [21] G Bharath, E Alhseinat, N Ponpandian, M.A Khan, M.R Siddiqui, F Ahmed, E.H Alsharaeh, Development of adsorption and electrosorption techniques for removal of organic and inorganic pollutants from wastewater using novel magnetite/porous graphene-based nanocomposites, Sep Purif Technol 188 (2017) 206–218 doi:10.1016/j.seppur.2017.07.024 [22] Y Ren, Y Chen, M Sun, H Peng, K Huang, Rapid and Efficient Removal of Cationic Dyes by Magnetic Chitosan Adsorbent Modified with EDTA, Sep Sci Technol 49 (2014) 2049–2059 doi:10.1080/01496395.2014.903972 [23] S Singh, K.C Barick, D Bahadur, Surface engineered magnetic nanoparticles for removal of toxic metal ions and bacterial pathogens, J Hazard Mater 192 (2011) 1539–1547 doi:10.1016/j.jhazmat.2011.06.074 [24] T Madrakian, A Afkhami, M Ahmadi, Spectrochimica Acta Part A : Molecular and Biomolecular Spectroscopy Adsorption and kinetic studies of seven different organic dyes onto magnetite nanoparticles loaded tea waste and removal of them from wastewater samples, Spectrochim Acta Part A Mol Biomol Spectrosc 99 (2012) 102–109 doi:10.1016/j.saa.2012.09.025 [25] R Bushra, A Ahmed, M Shahadat, CHAPTER 5: Mechanism of Adsorption on Nanomaterials, Elsevier Inc., 2017 doi:10.1039/9781782623625-00090 [26] H.T Van, T.M.P Nguyen, V.T Thao, X.H Vu, T.V Nguyen, L.H Nguyen, Applying Activated Carbon Derived from Coconut Shell Loaded by Silver Nanoparticles to Remove Methylene Blue in Aqueous Solution, Water Air Soil Pollut 229 (2018) doi:10.1007/s11270-018-4043-3 [27] A.O.F Gases, THE ADSORPTION OF GASES ON PLANE SURFACES OF, 345 (1918) [28] H Freundlich, Über die Adsorption in Lösungen, Zeitschrift Für Phys Chemie 57U (2017) doi:10.1515/zpch-1907-5723 [29] L.H Nguyen, T.M.P Nguyen, H.T Van, X.H Vu, T.L.A Ha, T.H.V 62 [30] [31] [32] [33] [34] [35] Nguyen, X.H Nguyen, X.C Nguyen, Treatment of Hexavalent Chromium Contaminated Wastewater Using Activated Carbon Derived from Coconut Shell Loaded by Silver Nanoparticles: Batch Experiment, Water Air Soil Pollut 230 (2019) doi:10.1007/s11270-019-4119-8 I Chamritski, G Burns, Infrared- And raman-active phonons of magnetite, maghemite, and hematite: A computer simulation and spectroscopic study, J Phys Chem B 109 (2005) 4965–4968 doi:10.1021/jp048748h I Chourpa, L Douziech-Eyrolles, L Ngaboni-Okassa, J.F Fouquenet, S Cohen-Jonathan, M Soucé, H Marchais, P Dubois, Molecular composition of iron oxide nanoparticles, precursors for magnetic drug targeting, as characterized by confocal Raman microspectroscopy, Analyst 130 (2005) 1395–1403 doi:10.1039/b419004a D Pathania, S Sharma, P Singh, Removal of methylene blue by adsorption onto activated carbon developed from Ficus carica bast, Arab J Chem 10 (2017) S1445–S1451 doi:10.1016/j.arabjc.2013.04.021 H.T Van, T Minh, P Nguyen, Applying Activated Carbon Derived from Coconut Shell Loaded by Silver Nanoparticles to Remove Methylene Blue in Aqueous Solution, (2018) M El Alouani, S Alehyen, M El Achouri, M Taibi, Preparation, Characterization, and Application of Metakaolin-Based Geopolymer for Removal of Methylene Blue from Aqueous Solution, J Chem 2019 (2019) doi:10.1155/2019/4212901 D Pathania, S Sharma, P Singh, Removal of methylene blue by adsorption onto activated carbon developed from Ficus carica bast, Arab J Chem (2013) doi:10.1016/j.arabjc.2013.04.021 63 ... thuốc nhuộm màu, thời gian hấp phụ, khối lượng vật liệu hấp phụ) đến khả hấp phụ thuốc nhuộm màu vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4 - than sinh học Nghiên cứu nhiệt động học trình hấp phụ thuốc. .. từ bã chè Hạt nano Fe3O4 – than sinh Thuốc nhuộm màu học từ lõi ngô Vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Thuốc nhuộm màu Fe3O4 - graphene Vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Thuốc nhuộm màu Fe3O4/ SiO2/chitosan... Trong nghiên cứu này, chúng tơi đề xuất thực đề tài luận văn ? ?Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4 - than sinh học để xử lý hấp phụ thuốc nhuộm màu? ?? Nội dung nghiên cứu - Chế tạo