Từ các thí nghiệm trên, tải trọng hấp phụ asen cực đại của các vật liệu được thể hiện trong bảng 3.18 và hình 3.31
Bảng 3.18 Tải trọng hấp phụ của các vật liệu
Vật liệu Qmax PO4 3- (mg/g) Qmax As (mg/g) AC-0 21,88 17,54 AC-1 28,9 27,78 AC-2 35,84 35,09 XAD7-Zr 107,53 102,04
Hình 3.31 Khả năng hấp phụ photphat và Asen của các vật liệu
Kết quả hấp phụ asen và photphat của các vật liệu cho thấy, quá trình chế tạo vật liệu đạt hiệu quả cao. Trước khi xử lý với axit, vật liệu than hoạt tính cố định Zr (AC-0) có tải trọng hấp phụ As, PO43-
là 17,54 mg/g và 21,88 mg/g. Khi được xử lý với dung dịch HCl 0,01M (AC-1) cho khả năng hấp phụ tốt hơn lên 27,78 mg/g và 28,9 mg/g. Xử lý vật liệu với dung dịch HCl 0,01M có sử dụng
0 20 40 60 80 100 120
AC-0 AC-1 AC-2 XAD7-Zr
Tải trọng hấp phụ PO4 và As của các vật liệu
PO4 As mg/g
77
nhiệt độ ở 150oC (AC-2) cho khả năng hấp phụ cao nhất, với As và PO43- là 35,09 mg/g và 35,84 mg/g.
Nguyên nhân vật liệu AC-1 hấp phụ tốt hơn AC-0, theo chúng tôi khi được xử lý với axit, bề mặt vật liệu mang nhiều điện tích dương hơn: Zr-OH + H+ ZrOH2+, mặt khác các phân tử Asen và photphat trong nước ở điều kiện khảo sát một phần tồn tại ở dạng mang điện tích âm, do vậy vật liệu AC-1 hấp phụ tốt hơn AC-0, điều này được khẳng định bằng kết quả xác định pHpzc (hình 3.3) cho thấy vật liệu AC-1 bề mặt có tính axit hơn vật liệu AC-0.
Mặc dù lượng Zr cố định trên vật liệu AC-2 nhỏ hơn trên AC-1 (thành phần Zr trên AC-2 là 1,84%, trên AC-1 là 2,34% - bảng 3.3) tuy nhiên kết quả chụp SEM (hình 3.4-3.5) cho thấy các hạt Zr trên bề mặt vật liệu AC-2 có kích thước nhỏ hơn, phân bố đồng đều hơn trên vật liệu AC-1 do đó vật liệu AC-2 hấp phụ tốt hơn AC-1. Đây là một hướng nghiên cứu mới mà chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu trong thời gian tới, nhắm chế tạo được vật liệu cố định các hạt Zr có kích thước nano, giúp tăng khả năng hấp phụ và giảm bớt lượng Zr sử dụng, đạt hiệu cao.
Kết quả cũng cho thấy vật liệu XAD7-Zr cho tải trọng hấp phụ rất cao với As, PO43- là: 102,04 và 107,53 mg/g. Kết quả này phù hợp với kết quả mà tác giả M. Suzuki [9] đã nghiên cứu trước 112,5 mg As/g. Nguyên nhân khiến vật liệu XAD7-Zr hấp phụ tốt hơn vật liệu Zr trên than hoạt tính, theo chúng tôi là do XAD7 có kích thước hạt nhỏ hơn, diện tích bề mặt lớn hơn, mật độ lỗ xốp nhiều hơn của than hoạt tính. Do lượng Zr mang trên nhựa được nhiều hơn than, làm cho khả năng hấp phụ của vật liệu XAD7-Zr cao hơn của vật liệu nền than hoạt tính (thành phần Zr trên AC-2 là 1,84%, trên XAD7-Zr là 15,39% - bảng 3.3). Tuy nhiên nhựa XAD7 là sản phẩm nhập khẩu, không phù hợp với điều kiện trong nước. Việc sử dụng các vật liệu có nguồn gốc từ nhựa còn gặp nhiều khó khăn, do lo sợ các monome thôi ra trong quá trình sử dụng gây độc hại cho người sử dụng. Trong điều kiện Việt Nam việc sử dụng than hoạt tính chế tạo trong
78
nước ví dụ than hoạt tính Trà Bắc có tính khả thi cao. Theo các kết quả phân tích ở trên chúng tôi chọn vật liệu AC-2 để tiến hành các thí nghiệm tiếp theo.
Từ kết quả khảo sát pH hấp phụ tối ưu của vật liệu với As, chúng tôi nhận thấy vật liệu hấp phụ tốt As ở pH từ 4-8, mà ở vùng pH này As (III) tồn tại chủ yếu ở dạng phân tử không mang điện H3AsO3 và một phần nhỏ (<10%) ở dạng tích điện âm H2AsO3-, do đó chúng tôi giải thiết vật liệu hấp phụ loại bỏ asen theo 3 cơ chế như sau:
Trao đổi ion: giữa ion OH- trên bề mặt vật liệu và ion H2AsO3- (hình 3.32)
H3AsO3 tham gia phối trí với Zr (do Zr có số phối trí cao) hình 3.32
3.32 Cơ chế hấp phụ của Asen trên vật liệu
Ở pH thấp bề mặt vật liệu bị proton hóa, các nhóm OH trên bề mặt vật liệu được tích điện dương, và tham gia liên kết với ion H2AsO3- bằng lực hút tĩnh điện.
Zr-OH + H+ Zr-OH2+ H2AsO3 (Zr-OH2)+( H2AsO3)-
79
Với photphat vật liệu hấp phụ tốt ở pH thấp, khi tăng pH khả năng hấp phụ của vật liệu giảm rõ rệt. Theo chúng tôi khi ở pH thấp các nhóm OH trên bề mặt vật liêu (Zr-OH), bị proton hóa chuyện về dạng có điện tích dương Zr-OH2+, trong khi đó photphat ở vùng pH thấp tồn tại chủ yếu ở dạng H2PO4- và HPO42-, do vậy chúng liên kết với nhau bởi lực hút tĩnh điện.
Zr-OH + H+ = Zr-OH2+
Zr-OH2+ + H2PO4- = (Zr-OH2)+(H2PO4)- 2Zr-OH2+ + HPO42- = (Zr-OH2)22+(HPO4)2-
Khi ở pH cao, cơ chế loại bỏ photphat theo cơ chế trao đổi ion của các dạng H2PO4- và HPO42- với nhóm OH- trên bề mặt vật liệu theo các phản ứng:
Zr-OH + H2PO4- = Zr(H2PO4) + OH- 2Zr-OH + HPO42- = Zr2(HPO4) + 2OH-