Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano fe3o4 ag than sinh học để xử lý hấp phụ xanh methylene​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VŨ TIẾN THÀNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC NANO Fe3O4-Ag-THAN SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ HẤP PHỤ XANH METHYLENE LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN – 2019 i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC –––––––––––––––––––––––– VŨ TIẾN THÀNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC NANO Fe3O4-Ag-THAN SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ HẤP PHỤ XANH METHYLENE Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN THỊ LUYẾN THÁI NGUYÊN - 2019 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4-Ag-than sinh học để xử lý hấp phụ xanh methylene” thực hướng dẫn TS Nguyễn Thị Luyến chương trình đào tạo trường Đại học Khoa Học Thái Nguyên Các số liệu kết luận văn thực phịng thí nghiệm khoa vật lí trường Đại học Khoa Học Thái Nguyên trung thực chưa cơng bố Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Thái Nguyên, ngày 11 tháng 11 năm 2019 Người thực luận văn Vũ Tiến Thành iii LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp, nhận động viên, giúp đỡ quý báu nhiều đơn vị cá nhân Đầu tiên, tơi xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến quý Thầy Cô tham gia giảng dạy lớp Cao học Quang học khóa 11, q Thầy Cơ cơng tác Phịng Sau Đại học, Thầy Cơ cơng tác phịng thí nghiệm khoa quang học, khoa mơi trường 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 trường Cao đẳng Thống Kê Bắc Ninh Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến TS Nguyễn Thị Luyến, người hết lòng giúp đỡ hướng dẫn tận tình bảo tơi suốt q trình chuẩn bị, nghiên cứu hồn thành luận văn Dù có nhiều cố gắng q trình thực hiện, song chắn luận văn tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận góp ý quý Thầy Cô bạn đồng nghiệp để luận văn bổ sung hoàn thiện Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 10 năm 2019 Tác giả Vũ Tiến Thành iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iii DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chất màu hữu gây ô nhiễm môi trường nước 1.1.1 Sơ lược thuốc nhuộm 1.1.2 Phân loại thuốc nhuộm 1.1.3 Giới thiệu chung xanh methylene 1.2 Tổng quan vật liệu hấp phụ 1.2.1 Than sinh học 1.2.2 Cấu trúc nano oxit sắt từ Các phương pháp chế tạo 1.3 Một số kết nghiên cứu xử lý hấp phụ 10 1.4 Phương pháp hấp phụ 17 1.4.1 Các khái niệm 17 1.4.2 Cân hấp phụ 18 1.4.3 Dung lượng hấp phụ cân 19 1.4.4 Hiệu suất hấp phụ 19 1.4.5 Nghiên cứu động nhiệt học hấp phụ 19 1.4.5.1 Động học hấp phụ 19 1.4.5.2 Nhiệt học hấp phụ 21 CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 24 2.1 Công nghệ chế tạo vật liệu 24 2.1.1 Nguyên liệu ban đầu 24 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 24 2.1.3 Công nghệ chế tạo 25 v 2.1.4 Đánh giá khả hấp phụ vật liệu than sinh học gốc, cấu trúc nano Fe3O4-Ag vật liệu tổ hợp Fe3O4-Ag-than sinh học 27 2.1.5 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ xanh methylene vật liệu hấp phụ Fe3O4-Ag-than sinh học theo phương pháp hấp phụ tĩnh 27 2.1.5.1 Khảo sát ảnh hưởng pH 27 2.1.5.2 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ MB ban đầu 27 2.1.5.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian 28 2.1.5.4 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng 28 2.2 Các phương pháp khảo sát đặc trưng vật liệu 28 2.2.1 Phương pháp phân tích trắc quang 28 2.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 31 2.2.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét 32 2.2.4 Phương pháp phổ tán xạ lượng tia X 33 2.2.5 Phương pháp đo VSM 34 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Khảo sát hình thái, thành phần, cấu trúc 35 3.2 Khảo sát khả hấp phụ xanh methylene 39 3.2.1 Xây dựng đường chuẩn xanh methylene 39 3.2.2 So sánh khả hấp phụ xanh methylene than sinh học, Fe3O4-Ag, Fe3O4-Ag-than sinh học 40 3.3 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ MB Fe3O4-Agthan sinh học theo phương pháp hấp phụ tĩnh 44 3.3.1 Ảnh hưởng độ pH 44 3.3.2 Ảnh hưởng nồng độ MB ban đầu 45 3.3.3 Ảnh hưởng thời gian rung lắc 47 3.3.4 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ 48 3.4 Khảo sát chế trình hấp phụ MB theo mơ hình khác 50 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 So sánh khả hấp phụ số chất màu hữu VLHP khác 16 Bảng 3.1 Thành phần hóa học mẫu than sinh học phân tích từ phổ tán sắc lượng 37 Bảng 3.2 Thành phần hóa học mẫu Fe3O4-Ag phân tích từ phổ tán sắc lượng 37 Bảng 3.3 Thành phần hóa học mẫu Fe3O4-Ag-than sinh học phân tích từ phổ tán sắc lượng 37 Bảng 3.4 Kết đo độ hấp thụ quang dung dịch MB với nồng độ khác 39 Bảng 3.5 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 50 mg/L, nhiệt độ 30 oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL 41 Bảng 3.6 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag, sử dụng nồng độ đầu MB = 50 mg/L, nhiệt độ 30oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL 41 Bảng 3.7 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, sử dụng nồng độ đầu MB = 50 mg/L, nhiệt độ 30 oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL 42 Bảng 3.8 Ảnh hưởng độ pH đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4Ag-BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC 44 Bảng 3.9 Ảnh hưởng nồng độ MB ban đầu đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30 oC, thời gian rung lắc 60 phút 46 Bảng 3.10 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC 47 vii Bảng 3.11 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, pH = 10, nhiệt độ 30oC 49 Bảng 3.12 Các thông số nhiệt học hấp phụ hệ số tương quan mơ hình Langmuir, Freundlich Temkin 51 Bảng 3.13 Các thông số động học hấp phụ hệ số tương quan mô hình giả bậc 1, giả bậc mơ hình Weber-Morris 52 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cơng thức cấu tạo xanh methylene [24] Hình 1.2 Cơng thức cấu tạo cation MB+ [24] 10 Hình 1.3 Mơ hình minh họa công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe 3O4 – than sinh học [28] 10 Hình 1.4 (a) Mơ hình minh họa cơng nghệ chế tạo MBC, với nguồn than sinh học sử dụng từ bạch đàn; (b) Mơ hình tách MBC từ dung dịch nước lọc [29] 10 Hình 1.5 (a) Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ, (b) thời gian rung lắc, (c) độ MB ban đầu (d) pH đến khả hấp phụ MB carbon hoạt tính làm từ vả [25] 11 Hình 1.6 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ, thời gian rung lắc, nồng độ MB ban đầu pH đến khả hấp phụ MB than hoạt tính kết hợp hạt nano bạc [30] 12 Hình 1.7 (a) Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ, (b) thời gian rung lắc (c) pH đến khả hấp phụ MB Fe3O4/than sinh học từ bèo hoa dâu (kí hiệu MNLA) Fe3O4/than sinh học từ vả (kí hiệu MNLFL) [20] 13 Hình 1.8 Sơ đồ minh họa chế hấp phụ ion kim loại nặng than sinh học [31] 14 Hình 1.9 Sơ đồ minh họa chế hấp phụ chất màu hữu than sinh học [31] 15 viii Hình 1.10 Mơ hình chế hấp phụ MB hạt nano từ Fe3O4 phủ carbon hoạt tính [32] 16 Hình 1.11 Sơ đồ trình hấp phụ giải hấp phụ [34] 17 Hình 2.1 Một số thiết bị phục vụ nghiên cứu 25 Hình 2.2 Sơ đồ quy trình chế tạo than sinh học từ phế phẩm nơng nghiệp 25 Hình 2.3 Hình ảnh thực tế trình chế tạo than sinh học từ vỏ trấu 26 Hình 2.4 Mơ hình hệ chế tạo cấu trúc nano lõi-vỏ Fe3O4-Ag phương pháp biến đổi đồng kết tủa 26 Hình 2.5 Máy đo UV-Vis Jasco V770 Trường Đại học Khoa học 29 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên tắc hệ đo hấp thụ quang hai chùm tia 29 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên tắc phép đo nhiễu xạ tia X 31 Hình 2.8 Kính hiển vi điện tử quét S-4800 (FE-SEM, Hitachi) 33 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý hệ ghi nhận tín hiệu phổ EDS FE-SEM 33 Hình 2.10 Máy đo từ kế mẫu rung (VSM) MicroSence EZ9 (Mỹ)-(Nguồn: Viện AIST- Đại học Bách khoa Hà Nội) 34 Hình 3.1 (a,b,c) ảnh FE-SEM (d,e,f) phổ tán sắc lượng tương ứng của: than sinh học, Fe3O4-Ag với [Ag+] = 10 mM Fe3O4-Ag-than sinh học 36 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của: (a) hạt nano oxit sắt từ Fe3O4; (b,c,d) cấu trúc nano lõi-vỏ Fe3O4-Ag với nồng độ [Ag+] tương ứng: mM, mM 10 mM 38 Hình 3.3 Đường cong từ trễ của: (a) cấu trúc nano lõi-vỏ Fe3O4-Ag với nồng độ [Ag+] = 10 mM (b) Fe3O4-Ag-than sinh học 39 Hình 3.4 (a) Phổ hấp thụ dung dịch MB với nồng độ ban đầu khác nhau; (b) Đường chuẩn MB 40 Hình 3.5 So sánh phụ thuộc của: (a) hiệu suất hấp phụ (b) dung lượng hấp phụ MB BO, Fe3O4-Ag Fe3O4-Ag-BO vào thời gian rung lắc: nồng độ ban đầu MB 50 mg/L; khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL; nhiệt độ 30oC 43 Hình 3.6 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4Ag-BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC 45 ix Hình 3.7 Ảnh hưởng nồng độ MB ban đầu đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH = 10, nhiệt độ 30oC 47 Hình 3.8 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, pH = 10, khối lượng chất hấp phụ Fe3O4-Ag-BO 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30 oC 48 Hình 3.9 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ Fe3O4-Ag-BO đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, pH = 10, nhiệt độ 30oC 49 Hình 3.10 Nhiệt học hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH = 10, nhiệt độ 30 oC 50 Hình 3.11 Mơ hình động học hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH =10, nồng độ MB ban đầu = 30 mg/L, nhiệt độ 30 oC 52 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Kí hiệu viết tắt Nội dung MB Xanh methylene CV Thuốc nhuộm màu VLHP Vật liệu hấp phụ BO Than sinh học MBC Oxit sắt từ/than sinh học q Dung lượng hấp phụ H Hiệu suất hấp phụ Abs Độ hấp thụ XRD Nhiễu xạ tia X 10 FE-SEM Kính hiển vi điện tử phan giải cao x 3.3 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ MB Fe3O4Ag-than sinh học theo phương pháp hấp phụ tĩnh 3.3.1 Ảnh hưởng độ pH pH dung dịch MB đóng vai trị quan trọng đến khả hấp phụ ảnh hưởng đến mức độ ion hóa chất màu hữu đặc trưng bề mặt chất hấp phụ Để chứng minh ảnh hưởng dung dịch pH đến hấp phụ MB, thực nghiệm tiến hành thay đổi pH khoảng từ đến 12 Nồng độ MB ban đầu, thời gian rung lắc khối lượng chất hấp phụ Fe3O4-Ag-BO cố định tương ứng 30 mg/L; 60 phút 25 mg/25 mL Kết xác tính tốn thơng số nồng độ dung dịch thời điểm ban đầu sau hấp phụ chi Bảng 3.8 Bảng 3.8 Ảnh hưởng độ pH đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC pH C0(mg/L) Ccb(mg/L) H (%) q(mg/g) 24.04258 1.22555 94.90260 22.81703 24.04258 0.73878 96.92720 23.30380 24.04258 0.62946 97.38190 23.41311 24.04258 0.65823 97.26224 23.38435 24.04258 0.56617 97.64514 23.47641 24.04258 0.53165 97.78873 23.51093 24.04258 0.52601 97.81219 23.51657 24.04258 0.50978 97.87968 23.53280 10 24.04258 0.50518 97.89882 23.53740 11 24.04258 0.50806 97.88685 23.53452 12 24.04258 0.50863 97.88446891 23.53395 44 Hình 3.6 ảnh hưởng pH đến dung lượng hấp phụ hiệu suất loại bỏ MB Fe3O4-Ag-BO Hình 3.6 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC Có thể nhận thấy rằng, pH dung dịch MB ảnh hưởng không đáng kể đến khả hấp phụ Fe3O4-Ag-BO, ngoại trừ điểm pH = dung dịch MB Dung lượng hấp phụ hiệu suất loại bỏ MB đạt giá trị cao có giá trị tương ứng 23.5 mg/g 97.89 % pH = 10; pH = dung lượng hấp phụ hiệu suất loại bỏ MB đạt giá trị thấp tương ứng 22.8 mg/g 94.9 % Chúng tơi cho rằng, hệ tương tác hút tĩnh điện bề mặt tích điện âm Fe3O4-AgBO tích điện dương MB dẫn đến làm tăng khả hấp phụ MB pH có giá trị cao 3.3.2 Ảnh hưởng nồng độ MB ban đầu Nồng độ MB ban đầu khảo sát khoảng từ 10 mg/L đến 100 mg/L để đánh giá khả hấp phụ Fe3O4-Ag-BO, tất thông số khác giữ nguyên: khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC, thời gian rung lắc 60 phút, pH = 10 Bảng 3.9 thơng số tính tốn thay đổi nồng độ MB ban đầu 45 Bảng 3.9 Ảnh hưởng nồng độ MB ban đầu đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC, thời gian rung lắc 60 phút [MB] C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H (%) q (mg/g) 10 9.60587 0.71059 92.60258 8.89528 20 18.42290 1.90046 89.68425 16.52244 30 24.04258 3.18354 86.75872 20.85903 40 25.76007 4.35443 83.09620 21.40564 50 26.57307 5.25719 80.21609 21.31588 60 27.28423 5.94419 78.21383 21.34005 80 28.66513 6.60322 76.96427 22.06191 100 30.00978 7.31916 75.61075 22.69062 (mg/L) Trên Hình 3.7 kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ MB ban đầu (từ 10 đến 100 mg/L) đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO Thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC Kết cho thấy, nồng độ MB ban đầu 100 mg/L dung lượng hấp phụ đạt giá trị lớn ~ 22.69 mg/g hiệu suất hấp phụ ~ 75.61 %; nồng độ MB ban đầu 10 mg/L dung lượng hấp phụ đạt giá trị nhỏ ~ 8.89 mg/g hiệu suất hấp phụ lớn ~ 92.6 % Việc giảm hiệu suất hấp phụ từ 92.6 % xuống 75.61 % tăng nồng độ MB ban đầu từ 10 mg/L đến 100 mg/L lý giải lượng MB tăng, khối lượng chất hấp phụ khơng đổi vị trí mao dẫn hấp phụ bề mặt Fe3O4-Ag-BO bị giới hạn 46 Hình 3.7 Ảnh hưởng nồng độ MB ban đầu đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH = 10, nhiệt độ 30oC 3.3.3 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 MB Fe3O4-Ag-BO xác định khoảng thời gian từ 10 phút đến 120 phút, pH = 10, nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC khảo sát để xác định thời gian cân Bảng 3.10 thơng số tính tốn Hình 3.8 thể kết khảo sát Bảng 3.10 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC Thời gian C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H (%) q (mg/g) 10 24.04258 13.51888 43.77112 10.52370 20 24.04258 11.75224 51.11904 12.29033 30 24.04258 8.74839 63.61293 15.29419 40 24.04258 6.93159 71.16953 17.11099 60 24.04258 3.92698 83.66654 20.11559 80 24.04258 3.33613 86.12406 20.70644 47 100 24.04258 2.76404 88.50357 21.27854 120 24.04258 2.18113 90.92806 21.86145 Có thể nhận thấy rằng, hấp phụ xảy nhanh sau 10 phút Hiệu suất dung lượng hấp phụ sau 10 phút đạt giá trị tương ứng 43.77 % 10.52 mg/g; sau 120 phút hiệu suất dung lượng hấp phụ đạt giá trị lớn tương ứng 90.92 % 21.86 mg/g Điều lý giải, giai đoạn đầu vị trí mao dẫn Fe3O4Ag-BO lớn nên trình hấp phụ xảy nhanh, giai đoạn tiếp theo, trình hấp phụ đạt tới trạng thái bão hịa có hạn chế vị trí mao dẫn chất hấp phụ kết hấp phụ trở lên ổn định Xu hướng nghiên cứu trước [25,30,42] Hình 3.8 Ảnh hưởng thời gian rung lắc đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, pH = 10, khối lượng chất hấp phụ Fe3O4-Ag-BO 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30 oC 3.3.4 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 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ từ 25 mg đến 250 mg 25 mL dung dịch MB nồng độ ban đầu 30 mg/L, pH = 10 nhiệt độ 30oC Bảng 3.11 Hình 3.9 48 Bảng 3.11 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, pH = 10, nhiệt độ 30oC Khối lượng (mg/25 mL) C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H (%) q (mg/g) 25 24.04258 3.61047 84.98301 20.43211 50 24.04258 2.48723 89.65491 10.77768 100 24.04258 1.37256 94.29115 5.66751 150 24.04258 0.77112 96.79271 3.86306 200 24.04258 0.43585 98.18720 2.95084 250 24.04258 0.28245 98.82520 2.37601 Kết cho thấy, khối lượng chất hấp phụ ảnh hưởng đến dung lượng hiệu suất hấp phụ MB Hiệu suất hấp phụ MB tăng từ 84.98 đến 98.82 %, dung lượng hấp phụ giảm từ 20.43 đến 2.37 mg/g khối lượng thay đổi từ 25 đến 250 mg Dựa kết này, nhận thấy khối lượng chất hấp phụ đóng vai trị quan trọng q trình hấp phụ MB từ vật liệu Fe3O4-Ag-BO Hình 3.9 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ Fe3O4-Ag-BO đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, pH = 10, nhiệt độ 30oC 49 Hiệu suất hấp phụ MB tăng tăng khối lượng chất hấp phụ tồn số lượng lớn vị trí mao dẫn bề mặt Fe3O4-Ag-BO, điều dẫn đến gia tăng liên kết hoạt động vị trí mao dẫn tham gia vào trình hấp phụ Phát chúng tơi cho thấy rằng, cấu trúc nano Fe3O4-Ag có diện tích bề mặt lớn có đặc tính riêng kết hợp với than sinh học làm tăng cường vị trí mao dẫn Kết nghiên cứu tương tự nhận nghiên cứu trước [43,44] 3.4 Khảo sát chế trình hấp phụ MB theo mơ hình khác Để giải thích chế hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, thực nghiệm tiến hành cách thay đổi nồng độ MB ban đầu khác từ 10 mg/L đến 100 mg/L, hấp phụ thực thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng Fe3O4-Ag-BO = 25 mg/mL, pH = 10, nhiệt độ 30oC Hình 3.10 đồ thị nhiệt học hấp phụ MB qe theo Ce Trong luận văn sử dụng mơ hình nhiệt học hấp phụ chung để mơ tả hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO Đó mơ hình Langmuir (phương trình 1.11), mơ hình Temkin (phương trình 1.12), mơ hình Freundlich (phương trình 1.13) Hình 3.10 Nhiệt học hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH = 10, nhiệt độ 30 oC Các thơng số tương ứng mơ hình Bảng 3.12 Dữ liệu hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO cho thấy hệ số tương quan làm khớp theo 50 mơ hình có giá trị tương ứng R2= 0.96; 0.87; 0.93, tương ứng Có nhận xét mơ hình Langmuir mơ hình tốt để miêu tả cân nhiệt học hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO Dung lượng hấp phụ lớn qm tính tốn có giá trị 22.78 mg/g theo mơ hình Langmuir Bên cạnh đó, giá trị thành phần (1/n) = 0.31 theo mơ hình Freundlich nhỏ 1, điều cho thấy cân nhiệt học hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO thuận lợi Từ kết giả định rằng, hấp phụ xảy đơn lớp thơng qua số lượng vị trí xác định bề mặt Fe3O4-Ag-BO [38] Bảng 3.12 Các thông số nhiệt học hấp phụ hệ số tương quan mơ hình Langmuir, Freundlich Temkin Mơ hình Langmuir qm KL 22.78 0.83 R2 Mơ hình Freundlich KF 0.96 12.72 Mơ hình Temkin 1/n R2 AT bT R2 0.31 0.87 8.46 436.6 0.93 Để khảo sát trình hấp phụ, thực nghiệm hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO hàm thời gian chứng minh nồng độ MB ban đầu 30 mg/L, khối lượng 25 mg/mL, pH= 10, nhiệt độ 30oC Trong luận văn này, mơ hình động học hấp phụ khác sử dụng để miêu tả trình hấp phụ MB Fe3O4Ag-BO bao gồm: mơ hình giả bậc (phương trình 1.6), mơ hình giả bậc (phương trình 1.8) mơ hình Weber-Morris (phương trình 1.10) Hình 3.11 mơ tả động học hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO theo mơ hình Các thơng số tính tốn mơ hình động học hấp phụ MB vật liệu Fe3O4-Ag-BO theo mơ hình giả bậc 1, giả bậc Weber-Morris Bảng 3.13 Theo hệ số tương quan R2, động học hấp phụ MB làm khớp tốt với mô hình với R2 có giá trị là: 0.93; 0.97 0.93 Có thể nhận thấy rằng, theo mơ hình giả bậc 2, hệ số tương quan (R2 = 0.97) phù hù với liệu thực nghiệm so với mơ hình giả bậc Weber-Morris 51 Hình 3.11 Mơ hình động học hấp phụ MB Fe3O4-Ag-BO, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH =10, nồng độ MB ban đầu = 30 mg/L, nhiệt độ 30 oC Bảng 3.13 Các thông số động học hấp phụ hệ số tương quan mơ hình giả bậc 1, giả bậc mơ hình Weber-Morris Mơ hình bậc qcal(mg/g) Mơ hình bậc hai k1 R2 qcal(mg/g) 0.05 0.93 20.74 k2 Mô hình Weber-Morris R2 0.0027 0.97 KW I R2 1.85 3.12 0.93 Kết tính tốn dung lượng hấp phụ theo mơ hình giả bậc bậc tương ứng 18.7 20.74 mg/g, chứng tỏ liệu nhận từ mơ hình giả bậc phù hợp với giá trị thực nghiệm (qe, thực nghiệm = 21.71 mg/g) Từ kết tính tốn đề xuất hấp phụ MB vật liệu Fe3O4-Ag-BO điều khiển q trình hấp phụ hóa học mà liên quan đến lực hóa trị thơng qua việc trao đổi hay chia sẻ điện tử Đề xuất q trình hấp phụ hóa học giải thích nghiên cứu trước [25,30,38] khảo sát động học hấp phụ theo mơ hình khác 52 KẾT LUẬN Luận văn đạt số kết sau: Đã chế tạo thành công than sinh học từ vỏ trấu phương pháp hydro carbon nguồn nguyên liệu dồi dào, sẵn có từ phế phẩm nơng nghiệp; cấu trúc nano lõi-vỏ Fe3O4-Ag phương pháp biến đổi đồng kết tủa; cấu trúc nano lõi/vỏ Fe3O4-Ag than sinh học phương pháp thẩm thấu ướt Đã đánh giá khả hấp phụ MB vật liệu hấp phụ: than sinh học, cấu trúc nano lõi-vỏ Fe3O4-Ag Fe3O4-Ag-than sinh học Khi kết hợp cấu trúc nano Fe3O4Ag than sinh học hiệu suất dung lượng hấp phụ tăng cường từ 8.24 đến 81.72 % 2.19 đến 21.77 mg/g, tương ứng Đã khảo sát ảnh hưởng thông số như: nồng độ MB ban đầu, pH dung dịch MB, thời gian rung lắc, khối lượng chất hấp phụ đến hiệu suất dung lượng hấp phụ MB vật liệu hấp phụ Fe3O4-Ag-than sinh học Dung lượng hấp phụ đạt giá trị cao 23.53 mg/g pH = 10, nồng độ MB ban đầu 30 mg/L, thời gian rung lắc 60 phút Đã khảo sát chế trình hấp phụ MB vật liệu hấp phụ Fe3O4-Ag-than sinh học thông qua mơ hình khác chúng tơi đề xuất chế hấp phụ xảy đơn lớp thơng qua số lượng vị trí xác định bề mặt Fe3O4-Ag-BO Quá trình hấp phụ MB vật liệu hấp phụ Fe3O4-Ag-than sinh học q trình hấp phụ hóa học Hướng nghiên cứu tiếp theo: Các kết khảo sát cho thấy, dung lượng hấp phụ MB từ vật liệu hấp phụ Fe3O4Ag-BO nhận chưa cao Để đánh giá tối ưu dung lượng hấp phụ MB từ Fe3O4Ag-BO, tối ưu hóa điều kiện cơng nghệ sau: - Thay đổi điều kiện q trình hydro carbon hóa vỏ trấu: nhiệt độ (500, 600, 700oC), thời gian khác (4 giờ, giờ, giờ, giờ) đánh giá khả hấp phụ từ vật liệu thu Từ lựa chọn điều kiện tối ưu kết hợp với cấu trúc nano lõi-vỏ Fe3O4-Ag - Thay đổi tỷ lệ khối lượng cấu trúc nano lõi-vỏ Fe3O4-Ag than sinh học để đánh giá khả hấp phụ MB - Khảo sát thông số ảnh hưởng đến khả loại bỏ MB để tìm dung lượng hấp phụ tối ưu đánh giá khả tái sử dụng 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Bhatnagar, A.K Jain, A comparative adsorption study with different industrial wastes as adsorbents for the removal of cationic dyes from water, 281 (2005) 49–55 doi:10.1016/j.jcis.2004.08.076 [2] E Section, Selective Removal of Cu ( II ) Ions by Using Cation-exchange Resin-Supported Polyethyleneimine ( PEI ) Nanoclusters, 44 (2010) 3508– 3513 [3] S Chen, Y Zou, Z Yan, W Shen, S Shi, X Zhang, H Wang, Carboxymethylated-bacterial cellulose for copper and lead ion removal, 161 (2009) 1355–1359 doi:10.1016/j.jhazmat.2008.04.098 [4] I Ali, V.K Gupta, Advances in water treatment by adsorption technology, (2007) 2661–2667 doi:10.1038/nprot.2006.370 [5] P Taylor, V.K Gupta, P.J.M Carrott, M.M.L.R Carrott, Critical Reviews in Environmental Science and Technology Low-Cost Adsorbents : Growing Approach to Wastewater Treatment — a Review Low-Cost Adsorbents : Growing Approach to Wastewater Treatment — a Review, (n.d.) 37–41 doi:10.1080/10643380801977610 [6] V.K Gupta, A Nayak, Cadmium removal and recovery from aqueous solutions by novel adsorbents prepared from orange peel and Fe O nanoparticles, Chem Eng J 180 (2012) 81–90 doi:10.1016/j.cej.2011.11.006 [7] F Moeinpour, A Alimoradi, M Kazemi, ENVIRONMENTAL HEALTH Efficient removal of Eriochrome black-T from aqueous solution using NiFe O magnetic nanoparticles, (2014) 1–7 doi:10.1186/s40201-014-0112-8 [8] 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 [9] J Yang, B Hou, J Wang, B Tian, J Bi, N Wang, X Li, Nanomaterials for the Removal of Heavy Metals doi:10.3390/nano9030424 54 from Wastewater, (2019) [10] 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 [11] Y Liu, X Sun, B Li, Adsorption of Hg + and Cd + by ethylenediamine modified peanut shells, Carbohydr Polym 81 (2010) 335–339 doi:10.1016/j.carbpol.2010.02.020 [12] I Safarik, M Safarikova, Magnetic fluid modified peanut husks as an adsorbent for organic dyes removal, Phys Procedia (2010) 274–278 doi:10.1016/j.phpro.2010.11.061 [13] I Safarik, K Horska, B Svobodova, Magnetically modified spent coffee grounds for dyes removal, (2012) 345–350 doi:10.1007/s00217-011-1641-3 [14] I Safarik, P Lunackova, F Weyda, M Safarikova, Adsorption of watersoluble organic dyes on ferrofluid- modified sawdust, 61 (2007) 247–253 doi:10.1515/HF.2007.060 [15] O.S Bello, Adsorptive features of banana ( Musa paradisiaca ) stalk-based activated carbon for malachite green dye removal, (n.d.) 37–41 doi:10.1080/02757540.2011.628318 [16] T Robinson, B Chandran, P Nigam, Removal of dyes from a synthetic textile dye effluent by biosorption on apple pomace and wheat straw, 36 (2002) 2824– 2830 [17] S Ozmihci, F.K Ã, Utilization of powdered waste sludge ( PWS ) for removal of textile dyestuffs from wastewater by adsorption, 81 (2006) 307–314 doi:10.1016/j.jenvman.2006.05.011 [18] Y Bulut, H Ayd, A kinetics and thermodynamics study of methylene blue adsorption on wheat shells, 194 (2006) 259–267 doi:10.1016/j.desal.2005.10.032 [19] M.T Sulak, E Demirbas, Removal of Astrazon Yellow 7GL from aqueous solutions by adsorption onto wheat bran, 98 (2007) 2590–2598 doi:10.1016/j.biortech.2006.09.010 [20] N Alizadeh, S Shariati, N Besharati, Adsorption of Crystal Violet and 55 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 [21] 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 [22] 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 [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] D Heger, J Jirkovský, P Klán, Aggregation of methylene blue in frozen aqueous solutions studied by absorption spectroscopy, J Phys Chem A 109 (2005) 6702–6709 doi:10.1021/jp050439j [25] 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 [26] J Yu, X Zhang, D Wang, P Li, Adsorption of methyl orange dye onto biochar adsorbent prepared from chicken manure, Water Sci Technol 77 (2018) 1303–1312 doi:10.2166/wst.2018.003 [27] 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 [28] 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 56 aqueous solution: Effects of production conditions and particle size, Chemosphere 145 (2016) 336–341 doi:10.1016/j.chemosphere.2015.11.050 [29] 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 [30] 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) [31] 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 [32] K.T Wong, N.C Eu, S Ibrahim, H Kim, Y Yoon, M Jang, Recyclable magnetite-loaded palm shell-waste based activated carbon for the effective removal of methylene blue from aqueous solution, J Clean Prod 115 (2016) 337–342 doi:10.1016/j.jclepro.2015.12.063 [33] H Shi, W Li, L Zhong, C Xu, Methylene blue adsorption from aqueous solution by magnetic cellulose/graphene oxide composite: Equilibrium, kinetics, and thermodynamics, Ind Eng Chem Res 53 (2014) 1108–1118 doi:10.1021/ie4027154 [34] R Bushra, A Ahmed, M Shahadat, CHAPTER 5: Mechanism of Adsorption on Nanomaterials, Elsevier Inc., 2017 doi:10.1039/9781782623625-00090 [35] 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 [36] A.O.F Gases, THE ADSORPTION OF GASES ON PLANE SURFACES OF, 345 (1918) [37] H Freundlich, Über die Adsorption in Lösungen, Zeitschrift Für Phys Chemie 57U (2017) doi:10.1515/zpch-1907-5723 57 [38] L.H Nguyen, T.M.P Nguyen, H.T Van, X.H Vu, T.L.A Ha, T.H.V 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 [39] X.Q Liu, H Ding, Y Wang, W Liu, H Jiang, Pyrolytic Temperature Dependent and Ash Catalyzed Formation of Sludge Char with Ultra-High Adsorption to 1-Naphthol, (2016) doi:10.1021/acs.est.5b04536 [40] L Cnrs, M Letort, G.D.S Mssbauer, D Sciences, CHLORIDECONTAINING AQUEOUS MEDIA AND P O U R B A I X D I A G R A M S OF G R E E N RUST ONE *, 34 (1993) 797–819 [41] V.G Pol, D.N Srivastava, O Palchik, V Palchik, M.A Slifkin, A.M Weiss, A Gedanken, Sonochemical Deposition of Silver Nanoparticles on Silica Spheres, (2002) 3352–3357 [42] 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, 2019 (2019) [43] E Siswoyo, A.R Adrian, S Tanaka, Bioadsorbent based on water hyacinth modified with citric acid for adsorption of methylene blue in water, 01012 (2018) 2–5 [44] J Yu, X Zhang, D Wang, P Li, Uncorrected Proof prepared from chicken manure Uncorrected Proof, (2018) 1–10 doi:10.2166/wst.2018.003 58 ... methylene vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4- Agthan sinh học - Cơ chế hấp phụ trình hấp phụ xanh methylene vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4- Ag- than sinh học Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo. .. hòa cấu trúc nano lõi/vỏ Fe3O4- Ag Fe3O 4Ag- than sinh học 37.55 31.52 emu/g Sự giảm từ độ bão hòa Fe3O 4Ag- than sinh học so với cấu trúc Fe3O4- Ag có lớp mạng than sinh học cấu trúc Fe3O4- Ag- than sinh. .. tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4- Ag- than sinh học - Khảo sát hình thái, thành phần vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4- Ag- than sinh học - Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ xanh