Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời gian đến khả năng xử lý amoni trên vật liệu điều chế với điều kiện: nồng độ NH4+ 30 mg/L, lượng chất hấp phụ 2,0 g/L, nhiệt độ 30oC trong thời gian 180 phút. Kết quả tính toán dung lượng hấp phụ cực đại, qe, trên vật liệu được chỉ ra trong Hình 3.7 cho thấy rằng, đối với mẫu Zeo là 90 phút, còn mẫu Na-Zeo là 30 phút.
Hình 3.7. Dung lượng xử lý amoni bằng Zeo và Na-Zeo phụ thuộc theo thời gian.
Từ Hình 3.7 cho thấy, tốc độ trao đổi xảy ra nhanh trong thời gian đầu, sau 30 phút thì dung lượng hấp phụ của Zeo và Na-Zeo lần lượt là 2,74 và 7,63 mg/g; sau 90 phút mẫu Zeo đạt cân bằng với dung lượng hấp phụ là 4,09 mg/g. Điều này cho thấy, vật liệu Na-Zeo có số lượng tâm xử lý sẵn có lớn hơn mẫu Zeo dẫn đến khả năng khuếch tán và đạt cân bằng nhanh. Quá trình xử lý amoni lúc đầu xảy ra trên bề mặt ngoài của vật liệu đến khi đạt bão hòa tâm hấp phụ, NH4+ di chuyển vào các lỗ xốp hấp phụ bên trong và được hấp phụ bởi bề mặt bên trong của các hạt zeolite. Do vậy, thời gian cần thiết đạt cân bằng xử lý amoni bằng vật liệu Zeo và Na-Zeo lần lượt là 90 phút và 30 phút cho các nghiên cứu tiếp theo.
Động học hấp phụ là một yếu tố quan trọng để hiểu được cơ chế hấp phụ và đánh giá hiệu quả của chất hấp phụ. Một số mô hình động học khác nhau là phương trình động học biểu kiến bậc 1 (1.6), động học biểu kiến bậc 2 (1.7) và mô hình khuếch tán nội hạt (1.8) được áp dụng để đánh giá sự phù hợp của các dữ kiện hấp phụ amoni của vật liệu Zeo và Na-Zeo để dự đoán động học hấp phụ. Đường vẽ tuyến tính của 3 mô hình này được trình bày trong Hình 3.8.
Hình 3.8. Dạng tuyến tính của: (a) phương trình động học biểu kiến bậc 1 (1.6), (b) động học biểu kiến bậc 2 (1.7) và (c) phương trình khuếch tán nội hạt (1.8).
Hình vẽ ln(qe–qt) qua t được chỉ ra trong Hình 3.8a và các thông số hằng số tốc độ của phương trình động học biểu kiến bậc 1, k1 và giá trị qe(tt) được trình bày trong Bảng 3.4. Hệ số tương quan (R2) thấp cho thấy phương trình phù hợp kém với giá trị thực nghiệm, ngoài ra giá trị qe xác định theo mô hình này nhỏ hơn nhiều so với qe(tt) (với qe của Zeo là 2,412 mg/g < qe(tt) là 4,125 mg/g; và qe
của Na-Zeo là 0,313 mg/g < qe(tt) là 7,645 mg/g). Do vậy, sự hấp phụ amoni lên Zeo và Na-Zeo phù hợp kém với phương trình động học biểu kiến bậc 1.
Bảng 3.4. Thông số động học của phương trình động học biểu kiến bậc 1, động học biểu kiến bậc 2 và phương trình khuếch tán nội hạt.
qe(tt) (mg/g)
Phương trình động học biểu kiến bậc 1: lnqeqtlnqek t1
k1 (phút-1) qe (mg/g) R2
Zeo y = -0,0324x + 0,8803
4,125 0,0324 2,412 0,7636
Na-Zeo y = -0,0219x - 1,1612
7,645 0,0219 0,313 0,6445
Phương trình động học biểu kiến bậc 2: 2
2 1 . t e e t t q k q q k2 (g/mg.phút-1) qe (mg/g) R2 Zeo y = 0,226x + 2,5826 4,125 0,0198 4,425 0,995 Na-Zeo y = 0,1291x + 0,2111 7,645 0,0789 7,746 0,999
Mô hình khuếch tán nội hạt: 1/ 2
t id q k t c kid (mg/g.phút-1) C (mg/g) R2 Zeo y = 0,2914x + 0,8464 4,125 0,2914 0,846 0,606 Na-Zeo y = 0,1485x + 44,116 7,645 0,1485 6,596 0,394
Các thông số chỉ ra trong Bảng 3.4 cũng cho thấy rằng, giá trị c thu được từ phương trình khuếch tán nội hạt (1.8) và hệ số tương quan (R2) rất thấp, ngoài ra
đường thẳng tuyến tính không đi qua gốc tọa độ; do vậy mô hình khuếch tán nội hạt không dùng để xác định động học của quá trình hấp phụ amoni lên vật liệu zeolite (Hình 3.8c). Hình vẽ tuyến tính của t/qt qua t đối với mô hình động học biểu kiến bậc 2 được thể hiện trong Hình 3.8b. Hằng số tốc độ bậc 2, k2 và giá trị
qe xác định từ hình vẽ t/qt qua t và kết quả được chỉ ra trong Bảng 3.4. Giá trị tương quan (R2) rất cao và giá trị qe(tt) gần với giá trị qe(tn). Do vậy mô hình giả động học bậc 2 mô tả động học hấp phụ amoni lên Zeo và Na-Zeo phù hợp hơn mô hình giả động học bậc 1 và mô hình khuếch tán nội hạt.
Sự khác biệt về nồng độ chất hấp phụ tại vị trí cân bằng qe và ở thời gian t
(qt) là động lực chính của quá trình trao đổi ion và dung lượng trao đổi ion tỷ lệ thuận với số lượng vị trí tâm hoạt động trên chất hấp phụ [2, 5]. Mô hình động học biểu kiến bậc 2 thường xảy ra theo ba bước: (i) các ion amoni khuếch tán từ pha lỏng sang bề mặt lỏng – rắn; (ii) ion amoni chuyển từ bề mặt lỏng – rắn đến bề mặt rắn và (iii) ion amoni khuếch tán vào trong lỗ xốp bên trong vật liệu [2]. Ở đây, quá trình khuếch tán NH4+ từ pha lỏng nhanh hơn khuếch tán bề mặt và sự di chuyển vào bên trong chất rắn bởi vì quá trình trao đổi ion được thực hiện dưới điều kiện khuấy. Kết quả này phù hợp với một số công bố trước đây [2, 5, 7].