Khả năng hấp phụ phốt phát PO43 của vật liệu tổng hợp từ tro trấu

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƢỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHỐT-PHÁT (PO43-) CỦA VẬT LIỆU TỔNG HỢP TỪ TRO TRẤU Mã số: 16 01 CM NGUYỄN TRUNG THÀNH PHAN PHƢỚC TOÀN AN GIANG, THÁNG 05-2016 ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƢỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHỐT-PHÁT (PO43-) CỦA VẬT LIỆU TỔNG HỢP TỪ TRO TRẤU Mã số: 16 01 CM NGUYỄN TRUNG THÀNH PHAN PHƢỚC TOÀN AN GIANG, THÁNG 05-2016 TRANG CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG Đề tài nghiên cứu khoa học “Khả hấp phụ phốt-phát (PO43-) vật liệu tổng hợp 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 i 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 tháng 05 năm 2016 Ngƣời thực TS NGUYỄN TRUNG THÀNH ii 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 … tháng 05 năm 2016 Ngƣời thực TS NGUYỄN TRUNG THÀNH iii TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, vật liệu FexOy/A-RHA thử nghiệm loại vật liệu vai trò chất hấp phụ phốt-phát Khi tiến hành khảo sát trình hấp phụ phốt-phát vật liệu FexOy/A-RHA với 5% FeCl3 tẩm, điều kiện phịng thí nghiệm, thơng qua yếu tố ảnh hưởng: thời gian hấp phụ, pH dung dịch, tỷ lệ khối lượng FeCl3 tẩm A-RHA, nồng độ phốt-phát ban đầu, nhiệt độ môi trường hấp phụ cho thấy: (1) Dung lượng hấp phụ phốt-phát tăng nhanh 30 phút đầu, sau 60 phút dung lượng hấp phụ tăng lên không đáng kể; (2) Hiệu hấp phụ phốt-phát mơi trường dung dịch có pH khoảng – cao môi trường axit bazơ; (3) Dung lượng hấp phụ phốt-phát giảm vật liệu có tỷ lệ khối lượng sắt tẩm cao 5% FeCl3 mẫu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA thể khả hấp phụ cao với dung lượng 62,10±0,07 mgPO43-/gFeCl3; (4) Nồng độ phốt-phát ban đầu không ảnh hưởng nhiều đến dung lượng hấp phụ Trong điều kiện thí nghiệm thời gian, pH, thể tích, nồng độ oxit sắt tẩm, khối lượng vật liệu hấp phụ nồng độ phốt-phát ban đầu, cho thấy ARHA AC giống chỗ khả hấp phụ ion phốt-phát thấp (khơng đáng kể) Tuy nhiên đóng vai trị chất mang để phủ hạt nano oxit sắt lên bề mặt, dung lượng hấp phụ tăng lên đáng kể, vật liệu 5% FeCl3-FexOy/ARHA tỏ có hiệu 5% FeCl3-FexOy/AC Khi tiến hành thử nghiệm hiệu hấp phụ phốt-phát nước thải sinh hoạt vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA cho thấy, dung lượng hấp phụ vật liệu không bị ảnh hưởng nitrat hay chất hữu nước thải Đồng thời cịn cho thấy, ngồi khả hấp phụ phốt-phát, vật liệu cịn có khả hấp phụ nitrat số chất hữu thông qua kết phân tích nồng độ COD trước sau hấp phụ, dung lượng hấp phụ nitrat, là: 276,36 mgO2/L, 252,12±3,23 mgO2/L 8,99±0,16 mgNO3-/gFeCl3 Tóm lại, vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA đánh giá vật liệu có đầy tiềm để triển khai ứng dụng thực tế Trong tro trấu hoạt hóa đóng vai trị quan trọng để nâng cao hiệu hấp phụ hóa học phốt-phát hạt nano oxit sắt bề mặt Từ khóa: hấp phụ, phốt phát, tro trấu hoạt hóa, nano oxit sắt iv ABSTRACT In this study, FexOy/A-RHA materials was tested as a new material, with its role as phosphate adsorbent Investigation photphate adsorption capacity of 5% FeCl3-FexOy/A-RHA adsorbent in laboratory conditions, through the influencing factors: adsorption time, pH solution, FeCl3 volume ratio was imbibed on the ARHA, initial phosphate concentration, ambient temperature adsorption, showed that: (1) Phosphate adsorption capacity increased rapidly in the first 30 minutes, after 60 minutes adsorption capacity increased up slightly; (2) The efficiency of phosphate adsorption in solution with a pH environment – is higher than acid environment or alkali environment; (3) Adsorption capacity of phosphate reduction for imbied iron volume ratio materials is higher than 5% FeCl3 and 5% FeCl3-FexOy/A-RHA sample represents the highest sorption capacity with capacity 62.10±0.07 mgPO43/gFeCl3; (4) Initial phosphate concentration don’t affect adsorption capacity In the same experimental conditions of time, pH, volume, concentration of iron oxide imbibed, volume of adsorbent and initial phosphate concentration, showed ARHA and AC have the possibility of very low phosphate ion adsorption (not significant) When coating the iron oxide nanoparticles on the surface of A-RHA and AC, adsorption load has increased significantly, which 5% FeCl3-FexOy/A-RHA is proved to be more effective 5% FeCl3-FexOy/AC When testing the efficiency of phosphate adsorption in domestic wastewater by 5% FeCl3-FexOy/A-RHA adsorbent showed adsorption capacity of the material is not affected by nitrate or organic matter in wastewater In addition to the ability to phosphate adsorption, the adsorbent is capable of adsorbing nitrate and some organic matter through the COD concentration analysis results before and after the adsorption, adsorption capacity nitrate, respectively: 276.36 mgO2/L, 252.12±3.23 mgO2/L, 8.99±0.16 mgNO3/gFeCl3 In summary, 5% FeCl3-FexOy/A-RHA adsorbent can be considered a form of new material, which has the potential to develop practical applications Rice husk activated plays an important role to improve the efficiency of chemical adsorption phosphate of iron oxide nanoparticles on its surface Keywords: adsorption, phosphate, activated rice husk ash, iron oxide nanoparticles v MỤC LỤC TRANG CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG i LỜI CẢM TẠ ii LỜI CAM KẾT iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v DANH SÁCH BẢNG ix DANH SÁCH HÌNH x DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT xi CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.5 THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU 1.6 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHỐT-PHÁT 2.1.1 Khái niệm phốt-phát 2.1.2 Tính chất vật lý hóa học phốt-phát 2.1.3 Các nguồn tạo phốt-phát 2.1.4 Vai trò tác hại phốt-phát môi trƣờng 2.1.5 Các ứng dụng phốt-phát sinh hoạt sản xuất ngƣời 2.2 PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ VÀ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ VLHP 2.2.1 Bản chất trình hấp phụ 2.2.2 Phân loại trình hấp phụ 2.2.3 Động học trình hấp phụ 2.2.4 Một số nghiên cứu vật liệu hấp phụ phốt-phát 10 2.3 SƠ LƢỢC VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ NANO OXIT SẮT 11 2.3.1 Vật liệu nano 11 vi 2.3.2 Hạt nano oxit sắt 12 2.3.3 Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano 13 2.4 SƠ LƢỢC VỀ TRẤU VÀ TRO TRẤU 14 2.4.1 Thành phần hóa học trấu tro trấu 15 2.4.2 Ứng dụng tro trấu 15 2.5 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA VLHP 16 2.5.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 16 2.5.2 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 17 2.5.3 Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 18 2.5.4 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 18 2.5.5 Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng (BET) 19 2.6 CÂU HỎI NGHIÊN CỨU 20 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG TIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21 3.1 PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 21 3.1.1 Dụng cụ 21 3.1.2 Thiết bị 21 3.1.3 Hóa chất, nguyên vật liệu 21 3.2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 3.2.1 Phƣơng pháp thu mẫu bảo quản mẫu 22 3.2.2 Tổng hợp vật liệu hấp phụ 22 3.2.3 Nghiên cứu thành phần, cấu tr c mẫu vật liệu 24 3.2.4 Khảo sát khả n ng hấp phụ phốt-phát vật liệu tổng hợp từ tro trấu 24 3.2.5 So sánh khả n ng hấp phụ phốt-phát vật liệu hấp phụ chất mang khác (A-RHA AC) 26 3.2.6 Thử nghiệm khả n ng hấp phụ phốt-phát vật liệu nƣớc thải sinh hoạt 27 3.2.7 Phƣơng pháp phân tích cơng thức tính 27 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 4.1 TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ 29 4.1.1 Tổng hợp đặc trƣng chất mang từ tro trấu 29 4.1.2 Tổng hợp đặc trƣng vật liệu FexOy/A-RHA, FexOy/AC 31 vii 4.2 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION PHỐT-PHÁT CỦA VẬT LIỆU FexOy/A-RHA 33 4.2.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình hấp phụ 33 4.2.2 So sánh khả n ng hấp phụ phốt-phát vật liệu hấp phụ chất mang khác (FexOy/A-RHA FexOy/AC) 41 4.2.3 Thử nghiệm khả n ng hấp phụ ion phốt-phát từ nƣớc thải sinh hoạt 42 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45 5.1 KẾT LUẬN 45 5.2 KIẾN NGHỊ 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 viii đáng kể Sự tiến nhanh đến trạng thái cân cho trình hấp phụ phốt-phát lên bề mặt nano oxit sắt diện tích tiếp xúc lớn cấu tử phốt-phát nƣớc tâm hấp phụ bề mặt vật liệu; thấy rõ điều thơng qua kết đo đạt diện tích bề mặt vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA Ngoài ra, tiến nhanh đến trạng thái cân bề mặt hạt nano oxit sắt tích điện tích dƣơng (FexOy nhƣờng electon cho SiO2 chất mang), tạo lực tƣơng tác mạnh tâm hấp phụ với cấu tử phốt-phát, giúp kéo giữ cấu tử phốt-phát bề mặt vật liệu hấp phụ, đến thời điểm cấu tử phốt-phát bị bắt giữ bề mặt vật liệu nhiều dày lực tƣơng tác khơng cịn đủ mạnh để lơi kéo thêm cấu tử phốt-phát phía tâm hấp phụ, lúc vật liệu tiến dần đến trạng thái bão hịa Vì vậy, sau 60 ph t dung lƣợng hấp phụ ion phốtphát vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA gần nhƣ khơng thay đổi Tóm lại, vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA hấp phụ ion phốt-phát tiến dần đến trạng thái bão hòa mốc thời gian 60 ph t Sau 60 ph t, dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát vật liệu gần nhƣ khơng đổi Do đó, thí nghiệm so sánh/đánh giá hiệu hấp phụ phốt-phát cho điều kiện khác đƣợc thực mốc thời gian tiếp xúc 60 phút 4.2.1.2 Ảnh hưởng pH dung dịch Ngoài yếu tố thời gian hấp phụ, pH dung dịch yếu tố quan trọng định hiệu loại bỏ phốt-phát vật liệu Đối với trình hấp phụ, hoạt tính hấp phụ vật liệu bị ảnh hƣởng lớn giá trị pH dung dịch (Chowdhury & cs., 2011) Các thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng giá trị pH đƣợc bố trí khoảng giá trị pH khác (pH3, pH4, pH5, pH6, pH7, pH8, pH9), điều kiện thời gian hấp phụ 60 phút (theo kết thí nghiệm “ảnh hưởng thời gian tiếp xúc”), nồng độ ion phốt-phát ban đầu, nhiệt độ sử dụng vật liệu hấp phụ 5% FeCl3-FexOy/A-RHA Bảng 8: Dung lƣợng hấp phụ phốt-phát vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA giá trị pH khác Stt pH Dung lƣợng hấp phụ (mgPO43-/gFeCl3) 3,00 25,88±0,31 4,00 39,48±0,29 5,00 61,94±0,18 6,00 40,93±0,26 7,00 30,75±0,32 8,00 24,53±0,14 9,00 14,14±0,34 Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = 35 Hình 13: Dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát vật liệu 5% FeCl3-FexOy/ARHA giá trị pH khác Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = Theo kết thí nghiệm cho thấy, sau 60 phút tiếp xúc, nồng độ ion phốt-phát lại dung dịch có giảm, nhƣng với mức độ khác nhau, tƣơng ứng với nhóm giá trị pH Dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA khoảng pH – đạt giá trị cao khoảng pH dƣới và đạt giá trị cao pH ~ 5, ion phốt-phát tồn chủ yếu dạng H2PO4- Khi pH t ng từ – (môi trƣờng bazơ) hoạt tính hấp phụ giảm đi, ngun nhân khoảng pH cao, nồng độ ion OH- tồn nƣớc t ng lên, dẫn đến cạnh tranh hấp phụ anion phốt-phát ion OH- tâm hấp phụ vật liệu Tƣơng tự, pH giảm xuống dƣới 4, hiệu hấp phụ vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA ion phốt-phát giảm xuống Do mơi trƣờng pH thấp, có khả n ng xảy tƣơng tác ion phốt-phát ion H+, từ làm cản trở tƣơng tác ion phốt-phát với hạt nano oxit sắt bề mặt vật liệu Ngồi mơi trƣờng pH thấp, hạt nano oxit sắt tẩm bề mặt A-RHA có xu hƣớng hịa tan, nên khơng phát huy đƣợc hết hiệu hấp phụ phốt-phát nhƣ mong muốn Tóm lại, sau 60 phút hấp phụ, dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA tỏ hiệu khoảng pH – 6, giá trị pH ~ cho hiệu hấp phụ tốt Do đó, thí nghiệm tiếp theo, pH ban đầu dung dịch phốt-phát đƣợc điều chỉnh giá trị ~ 4.2.1.3 Ảnh hưởng hàm lượng oxit sắt tẩm chất mang A-RHA Trong trình chế tạo chất hấp phụ, việc xác định hàm lƣợng FexOy thích hợp tẩm bề mặt chất mang A-RHA quan trọng ảnh hƣởng trực tiếp đến hiệu 36 hấp phụ phốt-phát nƣớc Các thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng khối lƣợng oxit sắt tẩm chất mang A-RHA đƣợc bố trí tỷ lệ khác (0% FeCl3-FexOy, 5% FeCl3-FexOy, 10% FeCl3-FexOy, 15% FeCl3-FexOy, 20% FeCl3FexOy), điều kiện thời gian hấp phụ 60 phút (theo kết thí nghiệm “ảnh hưởng thời gian tiếp xúc”), dung dịch đƣợc điều chỉnh pH giá trị ~ (theo kết thí nghiệm “ảnh hưởng pH dung dịch”), nồng độ ion phốtphát ban đầu nhiệt độ Bảng 9: Dung lƣợng hấp phụ phốt-phát vật liệu FexOy/A-RHA tỷ lệ khối lƣợng oxit sắt tẩm chất mang A-RHA khác Tỷ lệ khối lƣợng FeCl3 tẩm A-RHA (% FeCl3-FexOy) Dung lƣợng hấp phụ (mgPO43-/gFeCl3) 0,00 0,00±0,00 5,00 62,10±0,07 10,00 37,69±0,23 15,00 25,16±0,08 20,00 21,31±0,28 Stt Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = Hình 14: Dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát vật liệu FexOy/A-RHA tỷ lệ khối lƣợng oxit sắt tẩm khác Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = Từ kết thực nghiệm cho thấy biến thiên dung lƣợng phốtphát bị hấp phụ tính đơn vị vật liệu hấp phụ phụ thuộc lớn đến hàm lƣợng FexOy (hay FeCl3) đƣợc tẩm Theo số liệu kết thể Hình 14 37 cho thấy, dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát vật liệu (tính đơn vị khối lƣợng ion sắt) đƣợc xếp theo trình tự nhƣ sau: 5% FeCl3-FexOy/ARHA > 10% FeCl3-FexOy/A-RHA > 15% FeCl3-FexOy/A-RHA > 20% FeCl3FexOy/A-RHA > 0% FeCl3-FexOy/A-RHA Hoạt tính hấp phụ ion phốt-phát vật liệu tỷ lệ nghịch với nồng độ oxit sắt tẩm A-RHA 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 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 15 Nhƣng lực tƣơng tác chất mang SiO2 oxit sắt giảm bề dày lớp oxit sắt (hàm lƣợng oxit sắt) bề mặt chất mang t ng Hình 15: Mơ tả tƣơng tác mạnh chất mang oxit oxit sắt (Nguồn: Francesco & cs., 2005) Theo số nghiên cứu khác nhóm chúng tơi, tro trấu hoạt hóa A-RHA có khả n ng hấp phụ đƣợc số chất hữu nhƣ metyl da cam, metyl xanh, nhiên trong nghiên cứu này, kết cho thấy A-RHA có dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát thấp (~ 0,61 mgPO43-/gA-RHA), gần nhƣ khơng đáng kể Nhƣng ARHA đóng vai trị chất mang cho hạt nano oxit sắt dung lƣợng hấp phụ t ng lên nhiều (20 – 62 mgPO43-/gFeCl3) Điều chứng tỏ, A-RHA phát huy tốt vai trò chất mang để hạt nano oxit sắt bám vào lôi kéo, giữ ion phốt-phát bề mặt vật liệu Tóm lại, điều kiện hấp phụ (thời gian, pH, nồng độ phốt-phát ban đầu, nhiệt độ, thể tích dung dịch, trọng lƣợng vật liệu hấp phụ), vật liệu có tỷ lệ khối lƣợng oxit sắt tẩm chất mang khác nhau, cho dung lƣợng hấp phụ ion phốtphát khác Trong đó, vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA có dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát cao vật liệu cịn lại Do đó, vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA đƣợc sử dụng thí nghiệm nghiên cứu 4.2.1.4 Ảnh hưởng nồng độ phốt-phát ban đầu Nồng độ đầu vào chất nhiễm có ảnh hƣởng mạnh lên khả n ng hấp phụ trấu tro trấu (Chowdhury & cs., 2011) Các thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng nồng độ phốt-phát ban đầu đƣợc bố trí giá trị khác (2 mg/L, mg/L, mg/L, mg/L, 10 mg/L), điều kiện thời gian hấp phụ 60 phút (theo 38 kết thí nghiệm “ảnh hưởng thời gian tiếp xúc”), dung dịch đƣợc điều chỉnh pH giá trị ~ (theo kết thí nghiệm “ảnh hưởng pH dung dịch”), vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA (theo kết thí nghiệm “ảnh hưởng nồng độ oxit sắt tẩm chất mang A-RHA”) nhiệt độ Bảng 10: Dung lƣợng hấp phụ phốt-phát vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA giá trị nồng độ phốt-phát ban đầu khác Nồng độ phốt-phát đầu vào (mg/L) Dung lƣợng hấp phụ (mgPO43-/gFeCl3) 2,00 62,10±0,19 4,00 61,79±0,33 6,00 61,32±0,29 8,00 61,08±0,16 10,00 60,84±0,08 Stt Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = Hình 16: Dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát vật liệu 5% FeCl3-FexOy/ARHA giá trị nồng độ phốt-phát ban đầu khác Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = Dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA có biến động nhỏ (khơng t ng lên), nồng độ phốt-phát ban đầu t ng dần lên từ mg/L đến 10 mg/L Điều chứng minh đƣợc dung lƣợng hấp phụ vật liệu không bị ảnh hƣởng nhiều nồng độ phốt-phát đầu vào trình hấp phụ diễn bề mặt vật liệu hấp phụ đơn lớp Tóm lại, điều kiện thí nghiệm (thời gian tiếp xúc, pH dung dịch, hàm lƣợng FexOy tẩm A-RHA, khối lƣợng vật liệu hấp phụ, thể tích dung dịch phốt39 phát), nồng độ phốt-phát ban đầu t ng, dung lƣợng hấp phụ phốt-phát có thay đổi nhẹ (nhƣng đạt giá trị cao, 60 mgPO43-/gFeCl3) 4.2.1.5 Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường hấp phụ Một yếu tố cần xem xét để đánh giá tính chất vật liệu hấp phụ nhiệt độ mơi trƣờng hấp phụ Các thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ môi trƣờng hấp phụ đƣợc bố trí giá trị khác (250C, 300C, 350C, 400C), điều kiện thời gian hấp phụ 60 phút (theo kết thí nghiệm “ảnh hƣởng thời gian tiếp x c”), dung dịch đƣợc điều chỉnh pH giá trị ~ (theo kết thí nghiệm “ảnh hƣởng pH dung dịch”), vật liệu 5% FeCl3FexOy/A-RHA (theo kết thí nghiệm “ảnh hƣởng nồng độ oxit sắt tẩm chất mang A-RHA”) nồng độ phốt-phát ban đầu mg/L Bảng 11: Dung lƣợng hấp phụ phốt-phát vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA giá trị nhiệt độ khác Nhiệt độ (0C) Dung lƣợng hấp phụ (mgPO43-/gFeCl3) 25,00 60,51±0,36 30,00 62,10±0,12 35,00 62,22±0,11 40,00 62,44±0,35 Stt Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = Hình 17: Dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát vật liệu 5% FeCl3-FexOy/ARHA giá trị nhiệt độ khác Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = 40 Từ kết phân tích cho thấy, dung lƣợng hấp phụ vật liệu có biến động t ng dần nhiệt độ môi trƣờng hấp phụ t ng lên Dung lƣợng hấp phụ t ng nhanh mức nhiệt từ 25 – 300C, khoảng nhiệt từ 30 – 400C, dung lƣợng hấp phụ t ng chậm lại Điều phù hợp với tính chất vật liệu hấp phụ hóa học 4.2.2 So sánh khả n ng hấp phụ phốt-phát vật liệu hấp phụ chất mang khác (FexOy/A-RHA FexOy/AC) Các thí nghiệm đƣợc thực điều kiện thời gian hấp phụ 60 phút (theo kết thí nghiệm “ảnh hưởng thời gian tiếp xúc”), dung dịch đƣợc điều chỉnh pH giá trị ~ (theo kết thí nghiệm “ảnh hưởng pH dung dịch”), tỷ lệ khối lƣợng oxit sắt tẩm chất mang AC A-RHA 5% (theo kết thí nghiệm “ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng oxit sắt tẩm chất mang A-RHA”), nhiệt độ môi trƣờng hấp phụ 300C (theo kết thí nghiệm “ảnh hưởng nhiệt độ môi trường”) nồng độ phốt-phát ban đầu mg/L Bảng 12: Dung lƣợng hấp phụ phốt-phát vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA 5% FeCl3-FexOy/AC Dung lƣợng hấp phụ (mgPO43-/gFeCl3) Stt Vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA 62,10±0,07 5% FeCl3-FexOy/AC 38,93±0,29 Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = Hình 18: Dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát vật liệu 5% FeCl3-FexOy/ARHA 5% FeCl3-FexOy/AC Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = 41 Từ kết thí nghiệm cho thấy tro trấu hoạt hóa (A-RHA) than hoạt tính (AC) có điểm tƣơng đồng chỗ: AC A-RHA khơng có khả n ng hấp thụ đƣợc lƣợng nhỏ phốt-phát (lƣợng không đáng kể) Tuy nhiên, sử dụng AC A-RHA làm chất mang cho hạt nano oxit sắt (với liều lƣợng tẩm 5% khối lƣợng FeCl3) dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát t ng lên đáng kể, mức 38,93±0,29 mgPO43-/gFeCl3 62,10±0,07 mgPO43-/gFeCl3 Trong dung lƣợng hấp phụ vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA cao dung lƣợng hấp phụ 5% FeCl3-FexOy/AC xấp xỉ 1,6 lần Điều tác dụng tâm hấp phụ vật liệu, vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA có chứa gốc SiO2 tƣơng tác mạnh với hạt FexOy cách trao đổi electron, giúp giữ chặt hạt nano oxit sắt bề mặt chất mang, làm t ng khả n ng hấp phụ phốt-phát vật liệu Điều không tìm thấy 5% FeCl3-FexOy/AC 4.2.3 Thử nghiệm khả n ng hấp phụ ion phốt-phát từ nƣớc thải sinh hoạt Trong nƣớc thải sinh hoạt ngồi phốt-phát cịn chứa số thành phần khác nhƣ chất hữu cơ, nitrat, chất rắn lơ lửng ảnh hƣởng đến hiệu hấp phụ phốtphát 5% FeCl3-FexOy/A-RHA Do cần tiến hành phân tích thêm tiêu COD (thơng số biểu thị cho nồng độ hợp chất hữu nƣớc thải) tiêu nitrat nhằm đánh giá mức độ ảnh hƣởng ch ng kh n ng hấp phụ ion phốt-phát vật liệu Các nghiệm thức đƣợc bố trí điều kiện thí nghiệm thích hợp đƣợc xác định phần khảo sát phía trên: thời gian hấp phụ 60 phút, pH dung dịch đƣợc điều chỉnh giá trị ~ 5, sử dụng vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA làm vật liệu hấp phụ, nhiệt độ môi trƣờng hấp phụ 300C Bảng 13: Dung lƣợng hấp phụ phốt-phát nitrat nƣớc thải sinh hoạt vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA Nồng độ (mg/L) Stt Thông số Dung lƣợng hấp phụ (mgCBHP/gFeCl3) Trƣớc hấp phụ Sau hấp phụ Phốt-phát 61,22±0,08 7,60 7,00±0,001 Nitrat 8,99±0,16 0,97 0,88±0,001 Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = 42 Hình 19: Dung lƣợng hấp phụ ion phốt-phát nitrat nƣớc thải sinh hoạt vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = Từ kết phân tích cho thấy vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA có khả n ng hấp phụ đồng thời nitrat phốt-phát Tuy nhiên dung lƣợng hấp phụ nitrat phốtphát vật liệu có chênh lệch rõ ràng, xấp xỉ 6,8 lần Trong dung lƣợng hấp phụ phốt-phát đạt 61,22±0,08 mgPO43-/gFeCl3, dung lƣợng hấp phụ nitrat đạt 8,99±0,16 mgNO3-/gFeCl3 Điều chứng tỏ vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA có tính chọn lọc hấp phụ nitrat phốt-phát, phốt-phát cao nitrat Khi ứng dụng vào mơ hình thực tế, cần điều chỉnh liều lƣợng vật liệu hấp phụ sử dụng cho phù hợp với nồng độ phốt-phát nƣớc thải nhằm làm t ng hiệu suất xử lý phốt-phát vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA nhƣ đƣa nồng độ phốt-phát nƣớc thải giới hạn cho phép quy chuẩn Việt Nam Bảng 14: Nồng độ COD nƣớc thải sinh hoạt trƣớc sau hấp phụ Stt Mẫu Ban đầu Sau hấp phụ Nồng độ COD (mgO2/L) 276,36 252,12±3,23 Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = 43 Hình 20: Nồng độ COD nƣớc thải sinh hoạt trƣớc sau hấp phụ Ghi chú: Số liệu trình bày giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, với n = Theo số nghiên cứu khác nhóm chúng tơi, A-RHA có khả n ng hấp phụ số chất hữu nhƣ metyl xanh, metyl da cam Khi phân tích COD nƣớc thải, kết cho thấy nồng độ COD trƣớc sau hấp phụ có giảm nhẹ 276 mgO2/L xuống 248 mgO2/L Điều chứng tỏ vật liệu 5% FeCl3-FexOy/ARHA hấp phụ phần chất hữu nƣớc thải sinh hoạt, tƣơng đƣơng 121,21 mgO2/L.g vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA Tóm lại, từ tất kết thực nghiệm cho thấy 5% FeCl3-FexOy/A-RHA vật liệu hấp phụ đầy tiềm n ng có nhiều điều kiện thuận lợi để triển khai ứng dụng thực tế nhƣ: (1) Có khả n ng hấp phụ cao; (2) Môi trƣờng pH thuận lợi; (3) Khả n ng hấp phụ ion phốt phát không bị ảnh hƣởng tiêu nitrat hay COD; (4) Nguồn nguyên liệu dồi dào, dễ tìm; (5) Quy trình chế tạo đơn giản;… Đồng thời, việc triển khai ứng dụng vật liệu vào thực tiễn giải đƣợc vấn đề nhƣ: mở hƣớng tận dụng hiệu nguồn tro trấu thải góp phần giảm thiểu vấn đề ô nhiễm môi trƣờng từ tro trấu nƣớc thải đồng Sông Cửu Long 44 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Qua kết nghiên cứu đề tài rút kết luận sau: - Hoạt hóa tro trấu phƣơng pháp n mịn hóa học dung dịch HF 10% phƣơng pháp đơn giản, nhƣng mang lại hiệu cao Bằng chứng diện tích bề mặt tro trấu tƣơi t ng lên nhiều sau hoạt hóa, cụ thể từ ~16 m2/g lên 410 m2/g Tro trấu thể tốt vai trò chất mang gắn hạt nano oxit sắt lên bề mặt A-RHA thông qua kết thí nghiệm phân tích FTIR, XRD, SEM TEM - Từ kết thí nghiệm, cho thấy điều kiện thích hợp q trình hấp phụ phốt-phát vật liệu FexOy/A-RHA: + Thời gian hấp phụ: 60 phút + Mơi trƣờng dung dịch có pH ~5 + Tỷ lệ khối lƣợng oxit sắt tẩm bề mặt chất mang A-RHA 5% - Nồng độ phốt-phát đầu vào không ảnh hƣởng nhiều đến dung lƣợng hấp phụ 5% FeCl3-FexOy/A-RHA - Giữa A-RHA AC giống chỗ khả n ng hấp phụ ion phốt-phát thấp (không đáng kể) Tuy nhiên đóng vai trị chất mang để phủ hạt nano oxit sắt lên bề mặt, dung lƣợng hấp phụ t ng lên đáng kể Trong điều kiện thí nghiệm thời gian, pH, thể tích, nồng độ oxit sắt tẩm, khối lƣợng vật liệu hấp phụ nồng độ phốt-phát ban đầu, vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA tỏ có hiệu 5% FeCl3-FexOy/AC, dung lƣợng hấp phụ cao xấp xỉ 1,6 lần - Khi thử nghiệm xử lý nƣớc thải sinh hoạt, khả n ng hấp phụ phốt-phát, vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA cịn có khả n ng hấp phụ nitrat làm giảm nhẹ nồng độ COD nƣớc thải, dung lƣợng hấp phụ phốt-phát xấp xỉ so với hấp phụ phốt-phát nƣớc giả thải Tóm lại, 5% FeCl3-FexOy/A-RHA đƣợc đánh giá dạng vật liệu có đầy tiềm n ng để triển khai ứng dụng thực tế 5.2 KIẾN NGHỊ Cần nghiên cứu xây dựng mơ hình thí nghiệm, ứng dụng vật liệu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA vào giai đoạn lọc (sau xử lý sinh học) nhằm xác định thông số vận hành cho hiệu xử lý phốt-phát cao 45 Theo kết nghiên cứu cho thấy 5% FeCl3-FexOy/A-RHA có khả n ng hấp phụ nitrat, cần tiếp tục nghiên cứu t ng hiệu hấp phụ nitrat, nhằm mở rộng khả n ng ứng dụng vật liệu lĩnh vực xử lý môi trƣờng 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ahmaruzzaman M & 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 Bronzeoak Ltd (2003) Rice husk ask market study Crown copyright Bùi V n Thắng (2011) Nghiên cứu tổng hợp bentonit biến tính, ứng dụng hấp phụ phốt-pho nƣớc Đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ Trƣờng Đại học Đồng Tháp Đồng Tháp Chandrasekhar, K.G (2003) Processing, properties and application of reactive silica from rice husk ask – an overview Material science journal, 38: 3159-3168 Chislock M.F., E Doster, R.A Zitomer & A.E Wilson (2013) Eutrophication: Causes, Consequences, and Controls in Aquatic Ecosystems Nature Education Knowledge, 4/4:10 Chitrakar, R., S Tezuka, A Sonoda, K Sakane, K Ooi & T Hirotsu (2006) Phosphate adsorption on synthetic goethite and akaganeite Journal of Colloid and Interface Science, 298: 602-608 Chowdhury, R., Mishra S., P Saha & P Kushwaha (2011) Adsorption thermodynamics, kinetics and isosteric heat of adsorption of malachite green onto chemically modified rice husk Desalination, 265(1): 159-168 Conley D.J., H.W Paerl, R.W Howarth, D.F Boesch, S.P Seitzinger, K.E Havens, C Lancelot & G.E Likens (2009) Controlling Eutrophication: Nitrogen and Phosphorus Science journal, 323: 1014-1015 Francesco, A.G.G., G Martrab, S Colucciab, L Stievanoc, L Spadarod, P Famularia & 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 Hồng Nhâm (2004) Các ngun tố hóa học điển hình Hà Nội: Nhà xuất Giáo dục Việt Nam 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 Huỳnh Thị Mỹ Duyên (2010) Nghiên cứu khả n ng hấp phụ đạm, lân nƣớc thải biogas than đƣớc, than tràm tái sử dụng để trồng rau xà lách Luận v n thạc sỹ Khoa học môi trƣờng Đại học Cần Thơ Cần Thơ Le Zenga, Xiaomei Lia & Jindun Liu (2004) Adsorptive removal of phosphate from aqueous solutions usingiron oxide tailings Water Research, 38: 1318–1326 Lê Ngọc H ng (2009) Nghiên cứu ứng dụng tro trấu từ lò đốt gạch thủ cơng làm chất hấp phụ Metyl da cam Khóa luận tốt nghiệp đại học Trƣờng Đại học An Giang 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 47 Lê V n Cát (2007) Xử lý nƣớc thải giàu hợp chất nitơ phốt Hà Nội: Nhà xuất Khoa học Tự nhiên Công nghệ Lima S.P.B.D., R.P.D Vasconcelos, O.A Paiva, G.C Cordeiro, M.R.D.M Chaves, R.D.T Filho & E.D.M.R Fairbairn (2011) Production of silica gel from residual rice husk ash Química Nova, 34/1: 71-75 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 Cẩm Nhung (2014) Nghiên cứu khả n ng hấp phụ ion As Hg vật liệu FK cải tiến Khóa luận tốt nghiệp Trƣờng Đại học An Giang Nguyễn Thị Kiều Phƣơng (2011) Đánh giá khả n ng hấp phụ đạm lân nƣớc thải biogas tro trấu, tro than đá Luận v n thạc sỹ Khoa học môi trƣờng Đại học Cần Thơ Cần Thơ 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): 697700 Nguyễn Thị Ngọc Hạnh & Ngô Thụy Diễm Trang (2013) Ảnh hƣởng kích cỡ loại vật liệu lên khả n ng hấp phụ chất giải hấp phụ lân số vật liệu tái chế Tạp chí khoa học Đại học Cần Thơ, 26: 10-16 Nguyễn Trung Thành, Nguyễn Thuỳ Trang, Lâm Thành Trí, Hồ Nguyễn Thy Thy & Lê Ngọc H ng, (2010) Nghiên cứu ứng dụng tro trấu từ lò đốt gạch thủ công làm chất hấp phụ MO Kỷ yếu hội thảo: Nhận thức nhu cầu BVMT: vai trò giáo dục đại học Ngày 23/07/2010 An Giang Nguyễn Trung Việt, Trần Thị Mỹ Diệu & Huỳnh Ngọc Phƣơng Mai (2011) Nƣớc nƣớc thải Hóa học mơi trƣờng Hà Nội: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 206-218 Nguyễn V n Cam (2013) Nghiên cứu khả n ng hấp phụ vật liệu FK asen Khóa luận tốt nghiệp đại học Trƣờng Đại học An Giang Nguyễn V n Chánh, Phan Xuân Hoàng & Phùng V n Lự (2000) Bê tông 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 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 khoáng cho bê tơng chất lƣợng siêu cao Tạp chí Kết cấu Công nghệ xây dựng, 08: 42-48 Sharma, G & P Jeevanandam (2013) Synthesis of self-assembled prismatic iron oxide nanoparticles by a novel thermal decomposition route RSC Advances, 3(1): 189-200 48 Tebble, R.S & D.J Craik (1969) Magnetic Materials John Wiley and Sons Ltd 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 Trƣơng Thị Hồng Quyên (2009) Đánh giá khả n ng hấp phụ lân nƣớc thải số loại đất phèn nung Luận v n thạc sỹ Khoa học môi trƣờng Đại học Cần Thơ Cần Thơ 49 ... trƣờng hấp phụ; - Đánh giá khả n ng hấp phụ phốt- phát vật liệu tổng hợp từ tro trấu điều kiện tối ƣu khảo sát so sánh với vật liệu khác; - Thử nghiệm khả n ng hấp phụ phốt- phát vật liệu tổng hợp từ. .. thành phần, cấu tr c mẫu vật liệu 24 3.2.4 Khảo sát khả n ng hấp phụ phốt- phát vật liệu tổng hợp từ tro trấu 24 3.2.5 So sánh khả n ng hấp phụ phốt- phát vật liệu hấp phụ chất mang khác (A-RHA... bị hấp phụ chiếm bề mặt 2.6 CÂU HỎI NGHIÊN CỨU Các vật liệu tổng hợp từ tro trấu có khả n ng hấp phụ PO43- cao so với tro trấu thô điều kiện phịng thí nghiệm? 01 g vật liệu tổng hợp từ tro trấu