Nghiên cứu khả năng xử lý sắt và asen trong nước ngầm của vật liệu hấp phụ fk

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ SẮT VÀ ASEN TRONG NƯỚC NGẦM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ FK PHAN PHƯỚC TOÀN AN GIANG, THÁNG 01-2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG - - NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ SẮT VÀ ASEN TRONG NƯỚC NGẦM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ FK PHAN PHƯỚC TOÀN Hỗ trợ kỹ thuật Ts NGUYỄN TRUNG THÀNH AN GIANG, THÁNG 01-2015 TRANG CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG Đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu khả xử lý sắt asen nước ngầm vật liệu hấp phụ FK”, tác giả Phan Phước Tồn, cơng tác Bộ môn Môi trường Phát triển bền vững thực Tác giả báo cáo kết nghiên cứu Hội đồng Khoa học Đào tạo Khoa Kỹ thuật - Công nghệ - Môi trường thông qua ngày 23/01/2015 Thư ký Phản biện Phản biện Chủ tịch Hội đồng TÓM TẮT Hiện nay, phần lớn người dân vùng nông thôn thường sử dụng nước ngầm trực tiếp phục vụ cho sinh hoạt mà chưa qua xử lý xử lý phương pháp đơn giản nên nguy bị ảnh hưởng kim loại nặng sắt (Fe) asen (As) cao Trong nghiên cứu này, vật liệu FK - FexOy/chất mang (tro trấu hoạt hóa) giới thiệu loại vật liệu hấp phụ đầy tiềm để loại bỏ sắt asen nước ngầm kỹ thuật hấp phụ Kết thực nghiệm cho thấy tỷ lệ khối lượng thích hợp để tổng hợp vật liệu hấp phụ Fe As nước ngầm là: 10% FeCl3 + 90% chất mang (tương ứng với vật liệu FK3) Dung lượng hấp phụ vật liệu đạt ~ 18,3 mgFe/g Fe ~ 0,4 mgAs/g As Điều đặc biệt, kết nghiên cứu cho thấy trình hấp phụ Fe As vật liệu FK diễn tâm hấp phụ khác Trong đó, tâm hấp phụ Fe chủ yếu bề mặt chất mang tâm hấp phụ As chủ yếu diễn trình hấp phụ hóa học As bề mặt FexOy Từ khóa: hấp phụ sắt asen, nano oxit sắt, nước ngầm, tro trấu MỤC LỤC Trang DANH SÁCH BẢNG iii DANH SÁCH HÌNH iv DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT v CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.5 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SẮT VÀ ASEN TRONG NƯỚC NGẦM 2.1.1 Sơ lược nước ngầm 2.1.2 Sơ lược sắt 2.1.3 Sơ lược asen 2.2 PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ VÀ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU HẤP PHỤ 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 2.3 SƠ LƯỢC VỀ TRẤU VÀ TRO TRẤU 11 2.3.1 Thành phần hóa học trấu tro trấu 12 2.3.2 Ứng dụng tro trấu 13 2.4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ 13 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 13 2.4.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 14 2.5 CÂU HỎI NGHIÊN CỨU 15 i CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP 16 3.1 THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU 16 3.2 PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 16 3.2.1 Dụng cụ 16 3.2.2 Thiết bị 16 3.2.3 Hóa chất, nguyên vật liệu 16 3.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 3.3.1 Phương pháp thu mẫu bảo quản mẫu 17 3.3.2 Tổng hợp vật liệu hấp phụ FK 17 3.3.3 Khảo sát hiệu xử lý Fe As vật liệu hấp phụ FK 18 3.4 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ CƠNG THỨC TÍNH 18 3.4.1 Phương pháp phân tích tiêu 18 3.4.2 Cơng thức tính 18 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20 4.1 TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ 20 4.1.1 Tổng hợp chất mang từ tro trấu 20 4.1.2 Tổng hợp vật liệu FK (FexOy/RHA) 22 4.2 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ SẮT VÀ ASEN TRONG NƯỚC NGẦM CỦA CÁC VẬT LIỆU FK 25 4.2.1 Khả hấp phụ As vật liệu FK 25 4.2.2 Khả hấp phụ Fe vật liệu FK 26 4.2.3 Dung lượng hấp phụ Fe As vật liệu FK 27 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 28 5.1 KẾT LUẬN 28 5.2 KIẾN NGHỊ 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 PHỤ LỤC 31 ii DANH SÁCH BẢNG Trang Bảng 1: Diện tích bề mặt riêng số vật liệu hấp phụ Bảng 2: Tiêu chuẩn phân biệt hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học Bảng 3: Thành phần hóa học trấu tro trấu 12 Bảng 4: Thành phần chất tổng hợp vật liệu FK 17 Bảng 5: Dung lượng hấp phụ Fe As vật liệu FK 27 iii DANH SÁCH HÌNH Trang Hình 1: Mơ tả hấp phụ vật lý với hai lớp chất hấp phụ Hình 2: Tia tới tia phản xạ tinh thể 14 Hình 3: Tro trấu tươi (A) tro trấu sau hoạt hóa (B) 20 Hình 4: Phổ FTIR mẫu tro trấu tươi sau hoạt hóa (RHA) 21 Hình 5: Các mẫu vật liệu FK 22 Hình 6: Phổ FTIR vật liệu FK 23 Hình 7: Phổ nhiễu xạ tia-X vật liệu FK 24 Hình 8: Hiệu hấp phụ As vật liệu FK 25 Hình 9: Hiệu hấp phụ Fe vật liệu FK 26 iv DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ĐHKHTN Đại học Khoa học Tự nhiên ĐHQGHN Đại học Quốc gia Hà Nội ĐBSCL Đồng sông Cửu Long FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy KLN Kim loại nặng KPH Không phát NXB Nhà xuất SEM Scanning Electron Microscopy TEM Transmission Electron Microscopy TPHCM Thành phố Hố Chí Minh VLHP Vật liệu hấp phụ XRD X-Ray Diffraction WHO World Health Organization v CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Vấn đề cung cấp nước phục vụ cho nhu cầu ăn uống sinh hoạt người vấn đề nóng bỏng thu hút quan tâm xã hội Khi nguồn nước mặt có dấu hiệu bị ô nhiễm ngày nghiêm trọng nước thải sinh hoạt, nước thải cơng nghiệp, nơng nghiệp,… việc khai thác sử dụng nguồn nước ngầm ngày phổ biến xem giải pháp hữu hiệu, đặc biệt vùng nông thôn chưa có hệ thống cấp nước đầy đủ Tuy nhiên, điều đáng quan tâm phần lớn người dân sử dụng nguồn nước ngầm trực tiếp chưa qua xử lý xử lý phương pháp đơn giản (làm thoáng, lắng, lọc,…) nên nguy bị nhiễm kim loại nặng (KLN) sắt (Fe) asen (As) cao Trong đó, Fe kim loại thường xuyên có mặt nước ngầm, hàm lượng Fe cao làm cho nước có vị tanh, màu vàng, độ đục độ màu tăng nên khó sử dụng Bên cạnh đó, diện As nước ngầm làm tăng nguy ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người dân, bệnh da đường ruột Ngoài ra, As biết chất cực độc, với lượng nhỏ đủ gây ngộ độc cho thể người Nhiều phương pháp nghiên cứu để xử lý Fe As nước ngầm oxy hóa, keo tụ, điện phân, trao đổi ion, thẩm thấu ngược… nhìn chung có hạn chế định hiệu thấp, chi phí cao công nghệ xử lý phức tạp, Hiện nay, phương pháp hấp phụ dựa vật liệu rẻ tiền có nguồn gốc từ thực vật, phụ phẩm, phế thải thu hút quan tâm nghiên cứu nhiều nhà khoa học nhằm tìm vật liệu hấp phụ (VLHP) vừa có hiệu cao, chi phí thấp thân thiện với mơi trường Việt Nam nước nông nghiệp xuất gạo hàng đầu giới Mỗi năm nước ta thải lượng vỏ trấu lớn lên đến hàng triệu Số lượng vỏ trấu chủ yếu sử dụng làm nguyên liệu đốt (như cung cấp nhiệt cho lò nung gạch thủ cơng, lị sấy nơng sản, ) Vì vậy, lượng tro trấu thải hàng năm khơng ít, việc ô nhiễm tro trấu (nguồn gốc tạo bụi làm thay đổi giá trị pH nước) vấn đề đáng quan tâm Thời gian gần đây, vật liệu hấp phụ FK tổng hợp chất mang tro trấu nghiên cứu bước đầu, kết cho thấy vật liệu đầy tiềm nhiều ưu điểm bật nguyên liệu rẻ tiền, hiệu hấp phụ cao không đưa thêm vào môi trường tác nhân độc hại Chính thế, việc thực đề tài “Nghiên cứu khả xử lý sắt asen nước ngầm vật liệu hấp phụ FK” thật cần thiết nhằm cải thiện sức khỏe 𝐻𝑡 = - 𝐶0 − 𝐶𝑡 × 100 𝐶0 (3.1) Dung lượng hấp phụ Fe As xác định theo cơng thức: 𝑄𝑡 = 𝐶0 − 𝐶𝑡 ×𝑉 𝑚 (3.2) Trong đó: Ht hiệu suất hấp phụ Fe (As) (%) C0 nồng độ Fe (As) trước hấp phụ (mg/L) Ct nồng độ Fe (As) sau hấp phụ (mg/L) Qt dung lượng hấp phụ Fe (As) vật liệu hay lượng Fe (As) hấp phụ đơn vị khối lượng vật liệu (mg/g) m khối lượng vật liệu (g) V thể tích nước ngầm (L) 19 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ 4.1.1 Tổng hợp chất mang từ tro trấu 4.1.1.1 Quy trình tổng hợp Tro trấu thơ (có màu đen) thu gom từ lò đốt trấu (sản xuất gạch thủ công) huyện Chợ Mới, tỉnh An Giang làm nguyên liệu cho trình tổng hợp chất hấp phụ Tro trấu tươi (nguyên liệu cho trình tổng hợp chất mang) thu cách rửa tro trấu thô (vài lần với nước khử ion - DI) sấy khô nhiệt độ 110oC qua đêm Ở chất hấp phụ tổng hợp phương pháp ăn mịn hóa học dựa vào phản ứng HF SiO2 trình bày nghiên cứu trước (Nguyễn Trung Thành cs., 2010) Cụ thể hỗn hợp gồm 20 gam tro trấu tươi 800 mL dung dịch HF 10% thể tích khuấy trộn liên tục nhiệt độ phòng Sau 30 phút khuấy trộn, chất rắn ngậm nước tách cách lọc rửa nhiều lần với nước DI Cuối cùng, tro trấu hoạt hóa thu cách sấy chất rắn nhiệt độ 110oC qua đêm Hình ảnh tro trấu tươi tro trấu sau hoạt hóa thể Hình A B Hình 3: Tro trấu tươi (A) tro trấu sau hoạt hóa (B) 4.1.1.2 Các đặc trưng tro trấu sau hoạt hóa Như thấy Hình 3, tro trấu tươi có màu sắc khơng đồng đều; nghiền mịn hỗn hợp có màu xám Sự khác biệt màu sắc khác biệt thời gian lưu vỏ trấu lị đốt Tuy nhiên, sau q trình hoạt hóa, sản phẩm thu từ tro trấu có màu đen đồng Điều cho thấy tỷ lệ carbon/các hợp chất vô tăng lên so với ban đầu 20 Hình 4: Phổ FTIR mẫu tro trấu tươi sau hoạt hóa (RHA) Thành phần hóa học bề mặt chất mang ảnh hưởng lớn đến hoạt tính hấp phụ xúc tác vật liệu (Comotti cs., 2005) Thành phần bề mặt tro trấu sau hoạt hóa xác định với kỹ thuật FTIR Phổ FTIR mẫu tro trấu tươi tro trấu sau hoạt hóa thể Hình 4.2 Từ Hình nhận thấy sau trình hoạt hóa dung dịch HF 10% thể tích, phổ FTIR tro trấu sau hoạt hóa đơn giản so với phổ FTIR mẫu tro trấu ban đầu Điều nói lên sau q trình hoạt hóa tạp chất số chất hòa tan dung dịch axit HF loại bỏ khỏi tro trấu Đặc biệt, peak vị trí 620 cm-1 mũi dao động Si-H peak từ 1400 đến 1800 cm-1 mũi dao động Si-F (Ibrahim cs., 1980) phổ FTIR tro trấu ngun liệu khơng tìm thấy phổ FTIR tro trấu sau hoạt hóa Nhìn chung, sau q trình hoạt hóa tro trấu HF, lượng silic cấu trúc tro trấu tách khỏi tro trấu không nhiễm bẫn mẫu từ q trình hoạt hóa (điều sản phẩm q trình hoạt hóa SiF6 dễ dàng bay hơi) Tóm lại tro trấu sau 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) (Ibrahim cs., 1980) Ngoài ra, phổ XRD mẫu tro trấu sau hoạt hóa cho thấy có peak khoảng theta (2θ) -25o (Hình 7) Kết giống kết trước nghiên cứu than hoạt tính (Zhang cs., 1996) 21 4.1.2 Tổng hợp vật liệu FK (FexOy/RHA) 4.1.2.1 Quy trình tổng hợp Các hạt nano oxit sắt gắn lên bề mặt tro trấu sau hoạt hóa phương pháp tẩm Ở đây, FeCl3.6H2O sử dụng làm nguyên liệu cho trình tổng hợp hạt nano oxit sắt Quy trình tổng hợp mơ tả sau: 100 mL hỗn hợp huyền phù, tổng hợp từ dung dịch FeCl3 tro trấu sau hoạt hóa, khuấy trộn liên tục nhiệt độ 70oC Dung môi (nước) hỗn hợp huyền phù từ từ bốc sau vài khuấy trộn chậm 70oC Sản phẩm rắn thu cuối trình bốc nước Tiếp theo, mẫu rắn sấy 110oC qua đêm Cuối cùng, vật liệu FK thu sau trình nung 450oC Các vật liệu FK lưu giữ bình hút ẩm FK1 FK2 FK3 FK4 FK5 Hình 5: Các mẫu vật liệu FK 22 4.1.2.2 Đặc trưng mẫu vật liệu FK Từ Hình cho thấy màu sắc mẫu thay đổi từ màu nâu đỏ sang màu màu nâu có ánh đen hàm lượng FeCl3 tẩm thay đổi từ 5% FeCl3 đến 20% FeCl3 Điều khác sản phẩm sau trình oxit hóa muối sắt Hàm lượng sắt thực tế mẫu FexOy/RHA kiểm tra phương pháp quang phổ phát xạ lửa với máy ICP Kết phân tích xác định hàm lượng ion sắt thực tế bề mặt tro trấu sau hoạt hóa khơng khác nhiều so với hàm lượng sắt sử dụng q trình tổng hợp mẫu FexOy/RHA tính FeCl3 Hình 6: Phổ FTIR vật liệu FK Phổ FTIR vật liệu FK thể Hình Từ Hình 6, 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 tương ứng với dao động Fe-O-Fe (Shen cs., 2012) peak số sóng 1000 1188 cm-1 tương ứng với dao động SiO2 (Shen cs., 2012), tìm thấy mẫu có nồng độ tẩm sắt cao (15% 20% FeCl3) Tuy nhiên, peak khơng tìm thấy mẫu có nồng độ tẩm sắt thấp (0%, 5% 10% FeCl3) Điều cần nhiều kỹ thuật phân tích tiên tiến để giải thích vấn đề Đối với peak số sóng 1700 cm-1 tương ứng với dao động OH (Sharma and Jeevanandam, 2013), cường độ peak tăng dần tương ứng với hàm lượng sắt (FeCl3) tẩm tăng từ  20% FeCl3 Điều q trình hydroxit hóa oxit sắt Các phổ nhiễu xạ tia X vật liệu FK với nồng độ sắt thay đổi từ đến 20% FeCl3 thể Hình 23 Hình 7: Phổ nhiễu xạ tia-X vật liệu FK Trong đó: SiO2-JCPDS-No.2:01-089-1668; Fe2O3-JCPDS-No.2:00-043-1312 FeO-JCPDS-No.2:01-0862316 Kết phân tích cho thấy oxit sắt chất mang (tro trấu sau hoạt hóa) hỗn hợp oxit sắt (II) oxit sắt (III) Đồng thời kết XRD xác nhận tồn hợp chất Fe2SiO4 Đây dạng spinel hỗn hợp oxit sắt (II) SiO2 Vị trí peak XRD Fe2SiO4 xác nhận vị trí 2θ-32o (Chaneac cs., 1995) 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 Cường độ peak XRD Fe2SiO4 (2θ-32o) giảm dần hàm lượng sắt tẩm cao 24 4.2 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ SẮT VÀ ASEN TRONG NƯỚC NGẦM CỦA CÁC VẬT LIỆU FK Trong thí nghiệm, mẫu nước ngầm nhiễm Fe As lấy từ giếng khoan có độ sâu ~ 20 m thị trấn Chợ Vàm, huyện Phú Tân, tỉnh An Giang Kết phân tích mẫu nước ngầm cho thấy hàm lượng Fe ~ 14,39 mg/L, hàm lượng As ~ 0,009 mg/L giá trị pH ~ 6,6 Ở mẫu nước ngầm thực tế chọn với mục đích khảo sát hoạt tính hấp phụ Fe As vật liệu điều kiện ảnh hưởng thật yếu tố ngẫu nhiên bao gồm cạnh tranh hấp phụ đồng thời ion kim loại nặng cấu tử khác có nước ngầm trình hấp phụ Fe As Thực nghiệm khảo sát hoạt tính hấp phụ Fe As từ nước ngầm tiến hành điều kiện tĩnh 4.2.1 Khả hấp phụ As vật liệu FK 10 100 9,00 97,41 95,56 88,52 75,93 100 80 60 40 2,20 20 1,00 NN FK1 Hiệu suất (%) Nồng độ As sau hấp phụ (µg/L) Kết nghiên cứu khả hấp phụ As vật liệu FK thể Hình FK2 KPH 0,20 FK3 FK4 Nồng độ As sau hấp phụ 0,40 FK5 Hiệu suất Hình 8: Hiệu hấp phụ As vật liệu FK Từ kết thực nghiệm thể Hình cho thấy hiệu hấp phụ As vật liệu FK phụ thuộc lớn đến hàm lượng FexOy (hay FeCl3) tẩm; cụ thể hoạt tính hấp phụ As tăng dần tăng hàm lượng FexOy bề mặt tro trấu (tương ứng với mẫu FK1, FK2, FK3 có hàm lượng FeCl3 sử dụng tẩm 0%, 5% 10%) sau lại giảm hiệu hấp phụ As tiếp tục tăng hàm lượng FexOy bề mặt tro trấu (tương ứng với mẫu FK4 FK5 có hàm lượng FeCl3 sử dụng tẩm 15% 20%) Như biết, việc hấp phụ As oxit sắt 25 q trình hấp phụ hóa học (Couture cs., 2013) Sự thay đổi hoạt tính hấp phụ As vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng FexOy bề mặt giải thích sau: mẫu có hàm lượng FexOy tẩm thấp việc tăng hàm lượng FexOy tương đương với việc tăng số lượng tâm hấp phụ As Tuy nhiên, mẫu có hàm lượng FexOy tẩm cao việc tăng hàm lượng FexOy tương đương với việc giảm diện tích tiếp xúc vật liệu cấu tử As nước ngầm; diện tích bề mặt riêng oxit sắt nhỏ diện tích bề mặt riêng chất mang (tro trấu hoạt hóa) Do vậy, hoạt tính hấp phụ As vật liệu xếp theo thứ tự: FK3 > FK4 > FK5 > FK2 > FK1 4.2.2 Khả hấp phụ Fe vật liệu FK Kết nghiên cứu khả hấp phụ Fe vật liệu FK thể Hình 100 B A 24,15 25 80 22,42 20 60 15 14,39 12,59 12,68 12,76 40 10 12,49 11,91 11,30 Hiệu suất (%) Nồng độ Fe sau hấp phụ (mg/L) 30 20 NN FK1 FK2 FK3 FK4 FK5 FK1 FK2 FK3 Hình 9: Hiệu hấp phụ Fe vật liệu FK Trong đó: Hình 9-A nồng độ Fe sau hấp phụ vật liệu FK; Hình 9-B hiệu suất hấp phụ Fe 03 loại vật liệu FK1, FK2 FK3 Ngược lại với quy luật khả hấp phụ As vật liệu FK phân tích mục 4.2.1, kết thực nghiệm (Hình 9-A) cho thấy việc tẩm FexOy (hay FeCl3) bề mặt tro trấu khơng có tác dụng việc tăng hiệu hấp phụ Fe vật liệu; cụ thể hoạt tính hấp phụ Fe vật liệu có tẩm FexOy (như FK2, FK3, FK4, FK5) thấp so với vật liệu không tẩm FexOy (FK1) Điều đặc biệt lưu ý vật liệu có hàm lượng FexOy tẩm thấp (tương ứng với mẫu FK2 FK3 có hàm lượng tẩm 5% 10%) khả hấp phụ Fe khơng bị ảnh hưởng đáng kể so với vật liệu không tẩm (FK1); cụ thể hiệu suất hấp phụ giảm khoảng 0,58% đến 1,19% (Hình 9-B) Tuy nhiên, mẫu có hàm lượng FexOy 26 tẩm cao (tương ứng với mẫu FK4 FK5 có hàm lượng tẩm 15% 20%) kết nghiên cứu (Hình 9-A) cho thấy vật liệu hồn tồn khơng có khả hấp phụ Fe; cụ thể nồng độ Fe sau hấp phụ cao (gấp 1,56 đến 1,68 lần) so với nồng độ Fe ban đầu nước ngầm Việc tẩm FexOy bề mặt tro trấu làm giảm hoạt tính hấp phụ Fe vật liệu giải thích khả hấp phụ Fe chủ yếu dựa vào tâm hấp phụ vật lý chất mang (tro trấu hoạt hóa) mà khơng có tương tác tâm hấp phụ hóa học (FexOy) bề mặt chất mang với ion Fe có nước ngầm Do đó, hàm lượng FexOy tẩm tăng (điều đồng nghĩa số tâm hấp phụ vật lý vật liệu giảm) khả hấp phụ Fe vật liệu giảm Bên cạnh đó, thay đổi hiệu hấp phụ Fe vật liệu có hàm lượng FexOy tẩm cao (FK4, FK5) so với vật liệu có hàm lượng FexOy tẩm thấp (FK1, FK2, FK3) phóng thích cấu tử Fe từ vật liệu vào môi trường hay nhả hấp phụ Fe để đạt trạng thái cân dẫn đến nồng độ Fe sau hấp phụ cao so với nồng độ Fe ban đầu nước ngầm Như vậy, hoạt tính hấp phụ Fe vật liệu xếp theo thứ tự: FK1 ~ FK2 ~ FK3 > FK4 > FK5 Tóm lại, từ kết nghiên cứu thể Hình Hình cho thấy vật liệu FK3 (tương ứng với hàm lượng FeCl3 sử dụng tẩm 10%) có hiệu hấp phụ Fe As nước ngầm tốt (hiệu suất đạt ~ 100% As 11,3% Fe) Như vậy, thấy 10% khối lượng FeCl3 + 90% khối lượng tro trấu sau hoạt hóa tỷ lệ thích hợp để tổng hợp vật liệu hấp phụ Fe As nước ngầm 4.2.3 Dung lượng hấp phụ Fe As vật liệu FK Khái niệm "dung lượng hấp phụ" sử dụng để thể hàm lượng Fe As bị hấp phụ tối đa đơn vị khối lượng vật liệu điều kiện thí nghiệm thích hợp nghiên cứu Ngồi ra, để xác định xác dung lượng Fe As bị hấp phụ, thí nghiệm nên tiến hành với điều kiện sử dụng lượng vật liệu hấp phụ nhỏ để hàm lượng Fe As bị loại bỏ khỏi dung dịch < 90% Trong thí nghiệm này, lượng vật liệu hấp phụ sử dụng mg FK3 50 mL nước ngầm điều kiện thí nghiệm tương tự phần khảo sát khả hấp phụ Fe As vật liệu FK Kết thí nghiệm tính tốn cho thấy vật liệu FK3 có dung lượng hấp phụ Fe ~ 18,3 mg/g dung lượng hấp phụ As ~ 0,4 mg/g (Bảng 5) Bảng 5: Dung lượng hấp phụ Fe As vật liệu FK C0 (mg/L) Ct (mg/L) Qt (mg/g) As 0,009 0,0011 0,3967 Fe 14,39 14,03 18,33 Trong đó: C0 (mg/L) nồng độ ban đầu; Ct (mg/L) nồng độ sau hấp phụ; Qt (mg/g) dung lượng hấp phụ 27 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Qua kết nghiên cứu đề tài rút kết luận sau: - Chất mang (tro trấu hoạt hóa) vật liệu FexOy/RHA (vật liệu FK) tổng hợp thành công đặc trưng phân tích đại FTIR XRD - Quá trình hấp phụ Fe As vật liệu FK diễn tâm hấp phụ khác Trong đó, tâm hấp phụ Fe chủ yếu bề mặt chất mang; tâm hấp phụ As chủ yếu diễn q trình hấp phụ hóa học As bề mặt FexOy Kết cụ thể là: + Hiệu hấp phụ As tăng dần tăng hàm lượng FexOy bề mặt chất mang từ 0% đến 10% khối lượng FeCl3 (tương ứng với vật liệu FK1, FK2 FK3) hiệu hấp phụ As bắt đầu giảm tiếp tục tăng hàm lượng FexOy từ 15% đến 20% (tương ứng với vật liệu FK4 FK5) + Hiệu hấp phụ Fe giảm dần tăng hàm lượng FexOy bề mặt chất mang Đối với vật liệu có hàm lượng FexOy tẩm thấp từ 0% đến 10% khối lượng FeCl3 (tương ứng với vật liệu FK1, FK2 FK3) khả hấp phụ Fe không bị ảnh hưởng đáng kể; với hàm lượng FexOy tẩm cao từ 15% đến 20% (tương ứng với vật liệu FK4 FK5) vật liệu khơng có khả hấp phụ Fe - Tỷ lệ khối lượng thích hợp để tổng hợp vật liệu hấp phụ Fe As nước ngầm là: 10% FeCl3 + 90% chất mang (tương ứng với vật liệu FK3) Dung lượng hấp phụ vật liệu đạt ~ 18,3 mgFe/g Fe ~ 0,4 mgAs/g As 5.2 KIẾN NGHỊ Để mở rộng kết đề tài tăng khả ứng dụng vào thực tế tiếp tục nghiên cứu thêm số kiến nghị sau: - Nghiên cứu mối liên hệ Fe As hay ảnh hưởng tỷ lệ Fe As nước ngầm đến hiệu hấp phụ vật liệu FK Qua xác định hàm lượng Fe thích hợp cho q trình hấp phụ As vật liệu làm sở cho việc kết hợp phương pháp hấp phụ với phương pháp xử lý khác oxy hóa, keo tụ,… để loại bỏ Fe As nước ngầm - Xây dựng mơ hình hấp phụ Fe As nước ngầm quy mơ phịng thí nghiệm để làm sở ứng dụng vào thực tế hộ gia đình hay trạm cấp nước vừa nhỏ 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO Berg Micheal, 2002 Northern Vietnam drinking water contains dangerous arsenic levels Environment Science an Technology Institute in Duebendorf Switzerland Chanéac, C., E Tronc, and J.P Jolivet, 1995 Thermal behavior of spinel iron oxidesilica composites Nanostructured Materials, 6(5–8): 715-718 Comotti, M., cs., 2005 Support Effect in High Activity Gold Catalysts for CO Oxidation Journal of the American Chemical Society, 128(3): 917-924 Couture, R.M., cs., 2013 Sorption of Arsenite, Arsenate, and Thioarsenates to Iron Oxides and Iron Sulfides: A Kinetic and Spectroscopic Investigation Environmental Science & Technology, 47(11): 5652-5659 Đỗ Văn Ái, Mai Trọng Thuận Nguyễn Khắc Vinh, 2005 Một số đặc điểm phân bố asen tự nhiên vấn đề ô nhiễm As môi trường 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 CSJ9 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 Hồ Sĩ Tráng, 2006 Cơ sở hóa học gỗ xenluloza NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Hui Gao, Yunguo Liu, Guangming Zeng, Weihua Xu, Ting Li, Wenbin Xia, 2008 Characterization of Cr (VI) removal from aqueuos solution by a surplus agricultural waste – Rice straw Journal of Hazardous Materials, 150: 446-452 Ibrahim, D.M., S.A El-Hemaly, and F.M Abdel-Kerim, 1980 Study of rice-husk ash silica by infrared spectroscopy Thermochimica Acta, 37(3): 307-314 Kernit Wilson, Hong Yang, Chung W.Seo, Wayne E.Marshall, 2006 Select metal adsorption by activated carbon made from peanut shells Bioresource Technology, 97: 2266-2270 Kinniberg D.G, 2002 A review of resoure, behaviour and distribution of arsenic in natural water Applied Geochemistry, 17: 517-568 Lê Huy Bá, 2006 Độc học môi trường NXB Đại học quốc gia TPHCM TPHCM Lưu 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 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 Nguyễn Bin, 2005 Các trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Xuân Huân Lê Thị Ngọc Anh, 2010 Nghiên cứu xử lý asen nước ngầm số vùng nông thơn hyđroxit sắt (III) Tạp 29 chí Khoa học Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26: 165-171 Nguyễn Thị Kim Dung, Nguyễn Thị Như Ngọc Đoàn Hà Duyên, 2011 Tổng hợp vật liệu Mangan dioxit kích cỡ nanomet chất mang Laterit nghiên cứu khả hấp phụ vật liệu Asen Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, số 25: 77-80 Nguyễn Thị Thu Thủy, 2006 Xử lý nước cấp sinh hoạt công nghiệp NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Nguyễn Trung Thành, Lâm Thành Trí, Hồ Nguyễn Thy Thy Lê Ngọc Hăng, 2010 Nghiên cứu ứng dụng tro trấu từ lò đốt gạch thủ công làm chất hấp phụ metyl da cam Hội thảo quốc tế Giáo dục Môi trường Nguyễn Văn Nội, 2005 Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ lõi ngô ứng dụng để thu hồi KLN Cadimi Crom nguồn nước bị nhiễm Hội nghị Khoa học Phân tích Hóa, Lý Sinh học Việt Nam lần thứ 2: 496-501 Nguyễn Văn Nội Nguyễn Tấn Lâm, 2008 Nghiên cứu khả tách loại thu hồi số KLN dung dịch nước vật liệu hấp phụ chế tạo từ rau câu Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, tập 13/số 1: 24-28 Nguyễn Xuân Trung Nguyễn Văn Nội, 2004 Một số vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên ứng dụng việc hấp phụ ion kim loại Báo cáo đề tài hợp tác nghiên cứu ĐHKHTN – ĐHQGHN Đại học Tự Vương quốc Bỉ, Brucssels Osvaldo Karnitz 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 thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe Mn nước sinh hoạt Luận văn tốt nghiệp Cao học ngành Hóa vơ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TPHCM Phạm Văn Lâm, Quản Thị Thu Trang, Nguyễn Thị Liên Phan Thị Ngọc Bích, 2009 Tổng hợp vật liệu Nano compozit Fe3O4/MnO2, xác định đặc trưng khả hấp phụ asen vật liệu Tạp chí Hóa học, tập 47(6B): 1-5 Phan Thúy Kiều, 2008 Nghiên cứu sử dụng VLHP để loại thạch tín nước ngầm dùng cho sinh hoạt Luận văn tốt nghiệp Cao học ngành Khoa học môi trường Đại học Cần Thơ Cần Thơ Rocha G.G, D.A.M Zaia, R.V.d Alfaya, A.A.d Alfaya, 2009 Use of rice straw as biosorbenr for removal of Cu(II), Zn(II), Cd(II) and Hg(II) ions in industrial effluents Journal of Hazardous Materials, 166: 383-388 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 Shen, M., cs., 2012 Facile one-pot preparation, surface functionalization, and toxicity assay of APTS-coated iron oxide nanoparticles Nanotechnology, 23(10): 105601 30 Thomas A.J, Niveta Jain, H.C Joshi and Shiv Prasad, 2008 Agricultural and agroprocessing wastes as low cost adsorbents for metal removal from wastewater: A review Journal of Scientific and Industrial Research, 67: 647-658 Trần Hiếu Nhuệ, Nguyễn Việt Anh, Nguyễn Văn Tín Đỗ Hải, 2005 Một số cơng nghệ xử lý asen nước ngầm phục vụ cho cấp nước sinh hoạt đô thị nông thôn Cục Địa chất Khoáng sản Việt Nam Trần Thị Huế, 2011 Nguyên cứu khả hấp phụ số KLN nước VLHP chế tạo từ rơm thử nghiệm xử lý môi trường Luận văn tốt nghiệp Cao học ngành Hóa phân tích Đại học Thái Ngun Thái Nguyên Trần Thị Thanh Hương Lê Quốc Tuấn, 2010 Cơ chế gây độc asen khả giải độc asen vi sinh vật Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, ngày 1820 tháng 06 năm 2010, Vườn Quốc gia Côn Đảo Trang 82-92 Zhang, M.H., R Lastra, and V.M Malhotra, 1996 Rice-husk ash paste and concrete: Some aspects of hydration and the microstructure of the interfacial zone between the aggregate and paste Cement and Concrete Research, 26(6): 963-977 31 PHỤ LỤC Kết phân tích chất lượng nước ngầm ban đầu Thông số Đơn vị pH Lần Lần Lần Trung bình 6,58 6,64 6,58 6,60 As µg/L 8,86 9,12 9,02 9,00 Fe mg/L 14,34 14,36 14,48 14,39 Kết khảo sát khả hấp phụ Fe As nước ngầm vật liệu FK 2.1 Nồng độ As sau hấp phụ vật liệu FK Đơn vị: µg/L Vật liệu Lần Lần Lần Trung bình FK1 2,64 1,84 2,12 2,20 FK2 0,90 1,16 0,94 1,00 FK3 KPH KPH KPH KPH FK4 KPH 0,27 0,32 0,20 FK5 KPH KPH 1,20 0,40 Anova: Single Factor SUMMARY Groups Count Sum Average Variance FK1 6,6 2,2 0,1648 FK2 3 1,0 0,0196 FK3 0 0,0000 FK4 0,59 0,2 0,0296 FK5 1,2 0,4 0,4800 ANOVA Source of Variation SS Between Groups 9,4672 Within Groups 1,3881 Total 10,8553 df MS F P-value 2,3668 17,0511 10 0,1388 14 32 0,0002 F crit 3,4780 2.2 Nồng độ Fe sau hấp phụ vật liệu FK Đơn vị: mg/L Vật liệu Lần Lần Lần Trung bình FK1 12,57 12,62 12,59 12,59 FK2 12,66 12,68 12,69 12,68 FK3 12,76 12,75 12,78 12,76 FK4 22,46 22,43 22,38 22,42 FK5 24,01 24,26 24,18 24,15 Anova: Single Factor SUMMARY Groups Count Sum Average Variance FK1 37,78 12,59 0,0006 FK2 38,03 12,68 0,0002 FK3 38,29 12,76 0,0002 FK4 67,27 22,42 0,0016 FK5 72,45 24,15 0,0163 ANOVA Source of Variation Between Groups Within Groups Total SS 409,6901 df MS F P-value 102,4225 26906,0928 0,0381 10 0,0038 409,7282 14 33 F crit 0,0000 3,4780 ... hợp vật liệu FK (FexOy/RHA) 22 4.2 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ SẮT VÀ ASEN TRONG NƯỚC NGẦM CỦA CÁC VẬT LIỆU FK 25 4.2.1 Khả hấp phụ As vật liệu FK 25 4.2.2 Khả hấp phụ Fe vật liệu FK. .. sau hấp phụ (mg/L) 30 20 NN FK1 FK2 FK3 FK4 FK5 FK1 FK2 FK3 Hình 9: Hiệu hấp phụ Fe vật liệu FK Trong đó: Hình 9-A nồng độ Fe sau hấp phụ vật liệu FK; Hình 9-B hiệu suất hấp phụ Fe 03 loại vật liệu. .. Phân loại trình hấp phụ Dựa vào chất 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 thực lực vật lý ví dụ lực Van