Nghiên cứu khả năng hấp phụ chì (II) trong nước bởi vật liệu tổ hợp Fe3 O4 - bã chè

Bài viết trình bày các kết quả đã đạt được về việc nghiên cứu khả năng hấp phụ Pb2+ trong dung dịch của vật liệu hấp phụ được chế tạo từ Fe3 O4 và bã chè. Hiệu suất của quá trình hấp phụ Pb2+ trong dung dịch có nồng độ ban đầu khoảng 5 – 10 mol/l trên vật liệu tổ hợp Fe3 O4 - bã chè đạt được trên 90%. Quá trình hấp phụ của ion Pb2+ xảy ra trên vật liệu đã chế tạo thuận lợi và tuân theo cả 2 phương trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich.

ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CHÌ (II) TRONG NƯỚC BỞI VẬT LIỆU TỔ HỢP Fe3O4 - BÃ CHÈ Chu Thị Thu Hiền, Trần Trung Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 02/07/2018 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 09/08/2018 Ngày báo duyệt đăng: 15/08/2018 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết đạt việc nghiên cứu khả hấp phụ Pb2+ dung dịch vật liệu hấp phụ chế tạo từ Fe3O4 bã chè Hiệu suất q trình hấp phụ Pb2+ dung dịch có nồng độ ban đầu khoảng – 10 mol/l vật liệu tổ hợp Fe3O4 - bã chè đạt 90% Quá trình hấp phụ ion Pb2+ xảy vật liệu chế tạo thuận lợi tuân theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich Từ khóa: vật liệu Fe3O4-phụ phẩm nơng nghiệp, bã chè, loại bỏ kim loại nặng, hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich Giới thiệu Hiện nay, Việt Nam vấn đề ô nhiễm môi trường nước xảy nghiêm trọng đặc biệt ô nhiễm kim loại nặng Thực tế cho thấy có nhiều nhà máy khu cơng nghiệp, khu chế xuất, làng nghề tái chế kim loại hàng ngày xả trực tiếp nước thải có chứa ion kim loại nặng với hàm lượng vượt tiêu chuẩn cho phép mà không qua xử lý môi trường Ngồi ra, việc gây nhiễm mơi trường nước cịn q trình sản xuất nơng nghiệp đóng góp lượng đáng kể vào gia tăng hàm lượng kim loại nặng nước Các loại hóa chất bảo vệ thực vật có chứa kim loại nặng As, Pb, Hg Thơng qua hoạt động phun, bón thuốc hay rửa trơi đất có chứa chất mà kim loại nặng có mặt nước [1-3] Ảnh hưởng kim loại nặng gây lớn độc tính cao khả tích lũy lâu dài thể sống [4] Có nhiều phương pháp khác nghiên cứu áp dụng để tách loại kim loại nặng khỏi môi trường nước như: phương pháp hóa lý, phương pháp sinh học, phương pháp hóa học, Trong đó, phương pháp hấp phụ phương pháp có nhiều ưu điểm như: sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm khơng gây nhiễm mơi trường thứ cấp, có khả loại bỏ hoàn toàn ion kim loại nặng độc hại khỏi nước [4] Trong thời gian gần đây, nhiều nhà khoa học nghiên cứu phát triển loại vật liệu có từ tính Vật liệu có ưu điểm hiệu hấp phụ cao, khả thu hồi tái sử dụng tốt, tận dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền sẵn có tự nhiên [5] Bã chè nguồn nguyên liệu dồi dào, có 34 thành phần chủ yếu xenlulozo, hemicelluloses, lignin, tannin protein Trong đó, cellulose, hemicelluloses, lignin tannin chất có chứa nhóm chức cacboxylic, phenolic, hydroxyl oxyl thơm… có khả hấp phụ ion kim loại nặng môi trường nước Để tận dụng tính ưu việt vật liệu vấn đề nghiên cứu khả hấp phụ Chì (II) nước vật liệu hấp phụ (VLHP) chế tạo từ Fe3O4 bã chè đặt Thực nghiệm 2.1 Chế tạo vật liệu - Biến tính bã chè: Bã chè rửa nhiều lần để loại bỏ bụi bẩn, đun với nước cất 80oC để loại bỏ cafein, tannin,… Bã chè tiếp tục sấy khô 100oC 10 giờ, nghiền nhỏ, sau nung 200oC 4,5 Sản phẩm bã chè sau biến tính bảo quản bình hút ẩm - Chế tạo vật liệu tổ hợp Fe3O4- bã chè: Vật liệu tổ hợp Fe3O4-bã chè chế tạo cách: Hòa tan hỗn hợp gồm 1,72 gam FeCl2.4H2O, 4,66 gam FeCl3.6H2O gam bã chè biến tính 160ml nước cất máy khuấy từ gia nhiệt 80˚C 15 phút thu dung dịch màu vàng cam Tiếp tục, nhỏ từ từ 25 ml dung dịch NH3 25% với tốc độ nhỏ giọt/giây thời gian 30 phút đến xuất kết tủa màu đen, làm nguội đến nhiệt độ phịng Sau đó, lọc rửa nhiều lần để loại bỏ NH4OH dư, muối sắt NH4Cl thu chất rắn màu đen, đặc sệt Cuối cùng, sấy sản phẩm 40˚C 20 thu vật liệu Fe3O4-bã chè (VLHP) Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 2.2 Phương pháp nghiên cứu Khả hấp phụ Pb2+ nước vật liệu chế tạo đánh giá phương pháp hấp thụ nguyên tử (AAS) 2.3 Nghiên cứu khả hấp phụ Pb2+ Việc nghiên cứu khả hấp phụ Pb2+ nước thực điều kiện: - Thể tích dung dịch hấp phụ: 50ml; - Khối lượng VLHP: 0,5g; - Tốc độ khuấy: 120 vòng/phút; - pH = 5; thời gian: 20 phút; - Nồng độ Pb2+ : giá trị khác Dung lượng hấp phụ tính theo cơng thức: C0 - C f (1) q = m #V đó: q dung lượng hấp phụ thời điểm cân (mg/g), C0 nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l), Cf nồng độ ion dung dịch sau hấp phụ (mg/l), V thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l), m khối lượng VLHP (g) Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir áp dụng theo phương trình: Cf Cf (2) q = qmax + qmax KL đó: q dung lượng hấp phụ thời điểm cân (mg/g), qmax dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g), Cf nồng độ ion dung dịch sau hấp phụ (mg/l), KL số Langmuir Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich áp dụng theo phương trình: (3) log e = log KF + N log C f F đó: q dung lượng hấp phụ thời điểm cân (mg/g), Cf nồng độ ion dung dịch sau hấp phụ (mg/l), KF số Freundlich, NF thơng số Freundlich Hiệu suất q trình hấp phụ biểu thị khả hấp phụ xác định theo công thức: H= C0 - C f # 100% C0 (4) Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng nồng độ Pb2+ Khả hấp phụ VLHP xác định công thức (4) mục phần thực nghiệm Kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ Pb2+ dung dịch có pH=6 tới khả hấp phụ VLHP trình bày Bảng 3.1 Hình 3.1 Khoa học & Cơng nghệ - Số 19/Tháng - 2018 Bảng 3.1 Kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ Pb2+ tới khả hấp phụ VLHP STT C0 mol/l) Cf mol/l) H (%) 5.5481 0.1742 96.86 11.8293 1.0821 90.85 16.2512 1.9190 88.19 20.4860 4.2207 79.40 Hình 3.1 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu tới khả hấp phụ Pb2+ VLHP Fe3O4 - bã chè Từ kết Bảng 3.1 Hình 3.1 cho thấy khả hấp phụ Pb2+ VLHP tổ hợp Fe3O4 - bã chè đạt cao (trên 90%) nồng độ ban đầu dung dịch khoảng từ ÷ 10 mol/l, hiệu suất hấp phụ VLHP giảm dung dịch có nồng độ Pb2+ ban đầu lớn Điều giải thích gia tăng lượng chất bị hấp phụ diện tích bề mặt hấp phụ không thay đổi làm cho VLHP dễ đạt đến trạng thái bão hịa, khả hấp phụ VLHP giảm xuống 3.2 Mô hình đẳng nhiệt Langmuir Hấp phụ đẳng nhiệt theo mơ hình Langmuir Pb2+ VLHP Fe3O4-bã chè dựa sở tính tốn từ cơng thức (1), (2) thu số liệu Bảng 3.1 biểu diễn Hình 3.1, 3.2 Bảng 3.1 Kết khảo sát dung lượng hấp phụ VLHP với nồng độ Pb2+ khác STT C0 mol/l) Cf mol/l) q (mg/l) Cf/q 5,548 0,174 0,537 0,323 11,829 1,082 1,074 1.006 16,251 1,919 1,433 1,339 20,486 4,221 1,626 2,594 26,742 8,584 1,815 4,727 Journal of Science and Technology 35 ISSN 2354-0575 Kết Bảng 3.2 cho thấy hệ số RL nằm khoảng giá trị < RL < cho thấy hấp phụ Pb2+ VLHP tổ hợp Fe3O4- bã chè xảy thuận lợi Kết Hình 3.2 cho thấy cho thấy q trình hấp phụ Pb2+ phù hợp với mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (R2 ≈1) Hình 3.2 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 3.3 Mơ hình đẳng nhiệt Freundlich Hấp phụ đẳng nhiệt theo mơ hình Freundlich 2+ Pb VLHP tổ hợp Fe3O4-bã chè dựa sở tính tốn từ cơng thức (3) thu số liệu Bảng 3.3 biểu diễn Hình 3.4, 3.5 Bảng 3.1 Kết khảo sát dung lượng hấp phụ VLHP với nồng độ Pb2+ khác STT C0 Cf log Cf log q 5,548 11,829 16,251 20,486 26,742 0,174 1,082 1,919 4,221 8,584 -0,759 0,034 0,283 0,625 0,934 0,489 0,003 0,127 0,414 0,674 Hình 3.3 Sự phụ thuộc Cf /q vào Cf Từ Hình 3.3 xác định phương trình đường đẳng nhiệt Langmuir là: Y = 0,5145X + 0,354 (5) Từ phương trình (5), tải trọng hấp phụ cực đại của VLTH xác định là qmax = 1,945 (mg/g) số Langmuir là: KL = 1,452 Hình 3.4 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich Theo [6] thơng số Langmuir RL tính theo cơng thức: RL = + K + C L phản ánh trình hấp phụ xảy thuận lợi hay không Bảng 3.2 Thông số hấp phụ Langmuir Pb2+ VLHP Fe3O4-bã chè STT C0 (mg/l) RL 5,548 0,110 11,829 0,055 16,251 0,040 20,486 0,032 26,742 0,025 36 Hình 3.5 Sự phụ thuộc Cf /q vào Cf Kết Hình 3.4 3.5 cho thấy hệ số tương quan R2 ≈ nên trình hấp phụ Pb2+ phù hợp với mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Từ Hình 3.5 xác định phương trình đẳng nhiệt Freundlich là: Y = 0,678X - 0,005 (6) Kết hợp phương trình (3) (6), số Freundlich xác định KF = -2,301 thông số Freundlich NF = 1,474 Kết < NF < trình hấp phụ thuận lợi So sánh hệ số tương quan thấy q trình hấp phụ Pb2+ theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir (R2 = 0,9852) phù hợp hợp mơ hình đẳng nhiệt Freundlich (R2 = 0,9613) Điều giải thích phân bố đồng vị trí hoạt động bề mặt chất hấp phụ Kết luận Vật liệu hấp phụ tổ hợp chế tạo từ Fe3O4 bã chè có khả hấp phụ dung dịch, q trình hấp phụ đạt hiệu suất cao (H=5,548% nồng độ Pb2+ ban đầu 5,548 mol/l) Quá trình hấp phụ Pb2+ nước tn theo hai mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Freundlich Tài liệu tham khảo [1] Tiêu chuẩn nước thải công nghiệp, TCVN 5945-2005 [2] Đặng Kim Chi, Nguyễn Ngọc Lân, Trần Lệ Minh, Làng nghề Việt Nam môi trường, NXB Khoa học kĩ thuật, Hà Nội, 2005 [3] Lê Văn Cát, Hấp phụ trao đổi ion kĩ thuật xử lí nước thải, NXB Thống kê, Hà Nội, 2002 [4] Trung Dinh Dang, Sango Mahanty and Nguyen Thanh Van, Vietnam’s Craft villages and water pollution: A review of previous research Working paper for the project Crafting Sustainability: Addressing water pollution from Vietnam’s Craft Villages Australian National University Canberra, 2010 [5] Phan Thi Binh, Pham Thi Tot, Mai Thi Thanh Thuy, Mai Thi Xuan, Bui Minh Quy and Nguyen The Duyen, Nanostructured composite based on polyaniline and rice raw for removal of lead (II) and cadmium (II) from solition Asian Journal of Chemistry, 2013, 25 (14), 8163-8168 [6] Phan Thị Bình*, Phạm Thị Tốt, Mai Thị Thanh Thùy, Mai Thị Xuân, Hoàn nguyên vật liệu polianilin – phụ phẩm nơng nghiệp sử dụng xử lý Chì (II) dung dịch Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, 2014, 52 (2), 213-220 STUDY ON ADSORPTION CAPACITY OF LEAD (II) IN SOLUTION BY COMPOSITE MATERIAL Fe3O4 -TEA RESIDUE Abstract: This paper presents the results obtained for studying the adsorption capacity of Pb2+ in the solution of adsorbed materials made from Fe3O4 and tea residue In solution of Pb2+ with initial concentration of 5÷10 mol /l, the efficiency of adsorption of Pb2+ on Fe3O4 - tea residue obtained is very high (over 90%) The adsorption of Pb2+ ions occurs on well-fabricated materials and follows both Langmuir and Freundlich equations Adsorption of Pb2+ ions occurs on material Fe3O4 - tea residue is favorable and follows both Langmuir and Freundlich equations Keywords: Fe3O4-agricultural by-product, tea residue, heavy metal removal, Langmuir isothermal adsorption, Freundlich isothermal adsorption Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology 37 ... 235 4-0 575 2.2 Phương pháp nghiên cứu Khả hấp phụ Pb2+ nước vật liệu chế tạo đánh giá phương pháp hấp thụ nguyên tử (AAS) 2.3 Nghiên cứu khả hấp phụ Pb2+ Việc nghiên cứu khả hấp phụ Pb2+ nước. .. 79.40 Hình 3.1 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu tới khả hấp phụ Pb2+ VLHP Fe 3O4 - bã chè Từ kết Bảng 3.1 Hình 3.1 cho thấy khả hấp phụ Pb2+ VLHP tổ hợp Fe 3O4 - bã chè đạt cao (trên 90%) nồng độ ban đầu dung... phù hợp hợp mô hình đẳng nhiệt Freundlich (R2 = 0,9613) Điều giải thích phân bố đồng vị trí hoạt động bề mặt chất hấp phụ Kết luận Vật liệu hấp phụ tổ hợp chế tạo từ Fe 3O4 bã chè có khả hấp phụ