Đề tài tiến hành 3 thí nghiệm, mỗi thí nghiệm với 3 lần nhắc lại được bố
trí hoàn toàn ngẫu nhiên.
Các thí nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm, khoa Tài nguyên và Môi trường - Trường Đại học Khoa học và Phòng thí nghiệm, khoa Môi trường, trường Đại học Nông Lâm.
Thí nghiệm 1: Nghiên cứu ảnh hưởng của giá trị pH trong môi trường nước ô nhiễm amoni đến khả năng hấp phụ amoni bằng vật liệu hấp phụ
Zeolite
Cố định nồng độ amoni đầu vào (C0=30 mg/l) (Nguyễn Văn Quang và cs, 2021), cố định lượng vật liệu hấp phụ Zeolite là 0,05g và cố định thời gian hấp phụ là 60 phút. Thực hiện thí nghiệm với 9 công thức (tương ứng với các môi trường pH= 3÷11), mỗi công thức lặp lại 3 lần.
Các bước tiến hành:
Bước 1. Cân 0,05 g zeolite vào bình tam giác dung tích 50 ml.
Bước 2. Sử dụng dung dịch làm việc đã pha nồng độ amoni điều chỉnh pH là 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 và 11 theo các lượng thể tích đủ cho thí nghiệm tương
ứng.
Bước 3. Hút 25 ml dung dịch amoni (với các giá trị pH đã điều chỉnh) vào mỗi bình tam giác trên.
Bước 4. Điều chỉnh máy lắc đến tốc độ 120 vòng/phút. Cho mẫu vào và tiến hành lắc trong 60 phút.
Bước 5. Sau khi lắc, tiến hành lọc mẫu và phân tích nồng độ amoni trước và sau hấp phụ.
Từ kết quả thu được, xác định được giá trị pH tối ưu đối với quá trình hấp phụ NH4+.
Thí nghiệm 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ
amoni bằng vật liệu hấp phụ Zeolite
Cố định nồng độ amoni đầu vào (C0=30 mg/l), cố định lượng vật liệu hấp phụ Zeolite là 0,05g và cốđịnh pH tối ưu đã xác định ở thí nghiệm trên. Thay đổi thời gian hấp phụ và thực hiện thí nghiệm với 10 công thức (Tương
ứng với các mốc thời gian t= 5, 10, 15, 30, 60, 90, 120, 150, 180 và 210 phút), mỗi công thức lặp lại 3 lần.
Các bước tiến hành:
Bước 1. Cân 0,05 g zeolite cho vào bình tam giác 50.
Bước 2. Hiệu chỉnh pH của dung dịch amoni về pH tối ưu đã xác định
được ở thí nghiệm 1. Hút 25 ml dung dịch amoni vừa hiệu chỉnh pH vào mỗi bình tam giác trên.
Bước 3. Điều chỉnh máy lắc đến tốc độ 120 vòng/phút. Cho mẫu vào và tiến hành lắc trong các khoảng thời gian t= 5, 10, 15, 30, 60, 90, 120, 150, 180 và 210 phút.
Bước 4: Sau khi lắc, tiến hành lọc mẫu và phân tích nồng độ amoni trước và sau hấp phụ.
Từ kết quả thu được, xác định được thời gian hấp phụ tối ưu đối với quá trình hấp phụ NH4+.
Thí nghiệm 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ amoni trong môi trường đến khả năng hấp phụ amoni bằng vật liệu hấp phụ Zeolite
Cốđịnh hàm lượng zeolite 0,05g, cố định giá trị pH và thời gian hấp phụ
tối ưu đã xác định ở hai thí nghiệm trên. Thay đổi nồng độ amoni đầu vào và thực hiện thí nghiệm với 8 công thức thí nghiệm, ở các mốc C0= 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80 mg/l, mỗi công thức lặp lại 3 lần.
Các bước tiến hành:
Bước 1. Cân 0,05 g zeolite cho vào bình tam giác 50ml.
Bước 2. Từ dung dịch gốc (C=1000 mg/l) pha loãng dung dịch ra các nồng độ khác nhau lần lượt là: C0= 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80 mg/l. Sau đó hiệu chỉnh pH của dung dịch amoni về pH tối ưu đã xác định được ở thí nghiệm 1. Hút 25 ml dung dịch amoni vừa hiệu chỉnh pH vào mỗi bình tam giác trên.
Bước 3. Điều chỉnh máy lắc đến tốc độ 120 vòng/phút. Cho mẫu vào và tiến hành lắc trong các khoảng thời gian tối ưu được xác định tại thí nghiệm 2.
Bước 4: Sau khi lắc, tiến hành lọc mẫu và phân tích nồng độ amoni trước và sau hấp phụ.
Từ kết quả thu được, xác định được nồng độ đầu vào tối ưu đối với quá trình hấp phụ NH4+.
2.4.3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích
- Phương pháp lấy mẫu: Mẫu sau khi thí nghiệm được lọc qua giấy lọc và mang đi phân tích.
- Phương pháp phân tích: Đề tài sử dụng phương pháp so màu để xác định hàm lượng amoni. Mẫu được lên màu trực tiếp với thuốc thử Nesler sau đó đem so màu trên máy quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-VIS) ở bước sóng 450 nm.
2.4.4. Phương pháp nghiên cứu đặc điểm của vật liệu
- Các nhóm chức của vật liệu hấp phụ Zeolite được xác định bằng quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier transform infrared spectroscopy (JASCO FT/IR-4600, JASCO International Co., Ltd., Japan) trong dải bước sóng 4000 - 400 cm−1.
- Để đánh giá cấu trúc hiển vi và đặc điểm của vật liệu, Zeolite được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FEI Nano SEM 230 (STEM) và phân tích các nguyên tố trong Zeolite được thực hiện bằng cách sử dụng phổ kế quang phổ phân tán năng lượng Bruker (EDS). Ảnh chụp qua kính hiển vi truyền dẫn hiệu chỉnh quang JEOL ARM200F kết hợp máy đo phổ JEOL EDS được sử dụng để kiểm tra cấu trúc nano của các hạt Zeolite. Phân tích hóa học không gian của Zeolite được thực hiện bằng phép đo phổ khối liên kết cắt laser (LA-ICP-MS).
2.4.5. Phương pháp tổng hợp, xử lý số liệu
Sử dụng phần mềm SPSS để tính giá trị trung bình, độ lệch chuẩn từ số
liệu thô thu được từ kết quả của các thí nghiệm, sau đó tính dung lượng hấp phụ và hiệu suất xử lý.
* Tính toán dung lượng hấp phụ amoni:
Dung lượng hấp phụ (q) là lượng chất bị hấp phụ (độ hấp phụ) bởi 1 gam vật liệu hấp phụ được tính theo công thức (Lê Văn Cát, 1999) (Lê Văn Cát, 2002) (Hoàng Nhâm, 2002):
q =
Trong đó: q là lượng chất bị hấp phụ (mg/g). C0 là nồng độ amoni ban đầu (mg/L)
V là thể tích dung dịch (L).
m là khối lượng vật liệu hấp phụ (g).
* Tính hiệu suất xử lý amoni (Fathy NA và cs, 2013) (Reza Ansari, 2006):
(%)
Trong đó:
C0: Nồng độ amoni ban đầu (mg/l)
C: Nồng độ amoni sau thí nghiệm (mg/l)
Đề tài sử dụng phần mềm origin 19 để vẽ đồ thị và chạy các mô hình
động học, mô hình đẳng nhiệt hấp phụ. * Các mô hình động học hấp phụ
- Mô hình động học bậc nhất được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ
chất lỏng rắn (Lagergren S, 1898) (Simonin JP, 2016). Theo mô hình này, sự
hấp phụ vật lý là chủ yếu do sự tương tác yếu giữa bề mặt chất hấp phụ và chất hấp phụ. Phương trình của mô hình động học bậc một là:
qt = qe(1 - e-k1t )
Trong đó, qe và qt (mg/g) lần lượt là khả năng hấp phụ ở trạng thái cân bằng và thời gian t; k1 (1/phút) là hằng số tốc độ của mô hình.
- Mô hình động học bậc hai liên quan đến quá trình hấp phụ hóa học (Simonin JP, 2016) (Ys H và cs, 1999) và được biểu diễn bằng phương trình:
Trong đó k2 (g/mg.min) là hằng số tốc độ của mô hình động học bậc hai. - Mô hình động học Elovich (Aharoni C và cs, 1970) đã được sử dụng để
nghiên cứu quá trình hấp phụ các chất ô nhiễm như kim loại nặng, phốt phát và thuốc nhuộm trong dung dịch nước (Bulgariu L và cs, 2019) (Wan S và cs, 2017). Phương trình của mô hình này là:
Trong đó α (mg/g.min) và β (m/mg) là các hàng số của mô hình Elovich, chúng có liên quan đến mức độ bao phủ bề mặt và biểu thị năng lượng hoạt hóa của quá trình hấp phụ
* Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ
- Mô hình Langmuir: Khi nghiên cứu hấp phụ giữa pha khí và pha rắn ta sử dụng mô hình Langmuir, tuy nhiên, mô hình này cũng có thể áp dụng cho hấp phụ trong môi trường nước để phân tích các số liệu thực nghiệm từ đó mô tả sự hấp phụđơn lớp, trong đó tất cả các vị trí hấp phụđều tương đương nhau, mỗi phân tử của chất hấp phụ chỉ được gắn vào một vị trí. Trong pha lỏng, mô hình Langmuir có phương trình như sau (Asari R, 2008) (Pradhan N và cs, 2002):
Trong đó:
KL là hằng số (cân bằng) hấp phụ Langmuir (L/mg) q là dung lượng hấp phụ
qmax là dung lượng hấp phụ tối đa của chất hấp phụ C là nồng độ dung dịch hấp phụ
- Mô hình Freundlich: sử dụng để dự đoán sự hấp phụđa lớp trên bề mặt không đồng nhất, Freundlich thiết lập được phương trình đẳng nhiệt trên cơ sở
số liệu thực nghiệm (Trần Văn Nhân, 1998). Trong đó: KF là hằng số hấp phụ Freundlich C là nồng độ dung dịch hấp phụ là bậc mũ của C, chỉ ra cường độ của sự hấp phụ
Chương 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đặc điểm của vật liệu Zeolite
Để đánh giá đặc điểm của vật liệu, trong quá trình nghiên cứu, đề tài đã tiến hành phân tích diện tích bề mặt SEM, EDX và IR của Zeolite, kết quả thể
hiện tại hình 3.1 và hình 3.2.
Hình 3.1a trình bày hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) bề mặt của Zeolite, cho thấy bề mặt của Zeolite có nhiều tinh thể hình que, có nhiều khe hở, lỗ hổng, tương đối xốp. Mô tả này hoàn toàn phù hợp với báo cáo của Bekkum và cộng sự về bề mặt của Zeolite. Zeolite có diện tích bề mặt: 26.1541 m²/g, thể tích lỗ rỗng: 0.252342 cm³/g, kích thước hạt trung bình: 38.3594 nm,
điểm đẳng điện (pHpzc): 5.05
Hình 3.1b cung cấp thành phần các nguyên tố hóa học của Zeolite. Có 8 thành phần nguyên tốđược phát hiện bằng phương pháp hiển vi tia X phân tán năng lượng (EDX), đó là cacbon, oxy, natri, nhôm, silic, kali, canxi và sắt. Phần lớn chất hấp phụ được cấu tạo bởi oxy khi oxy chiếm 56,85% tổng khối lượng và 59,81% tổng số nguyên tử. Cacbon là thành phần dồi dào thứ hai, cacbon chiếm 18,18% tổng khối lượng và 25,47% tổng số nguyên tử. Đứng thứ ba là silic, chiếm 17,51% tổng khối lượng và 10,49% tổng số nguyên tử.
Đứng thứ tư là nhôm khi nhôm chiếm 3,91% tổng khối lượng và 2,44% tổng số nguyên tử. Đứng thứ năm là natri, chiếm 1,25% tổng khối lượng và 0,92% tổng số nguyên tử. Ba nguyên tử kali, canxi và sắt chiếm tỷ lệ % tổng khối lượng và % tổng số nguyên tử rất nhỏ.
Hình 3.2 thể hiện kết quả phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR) của zeolite trước hấp phụ và sau hấp phụ amoni. Kết quả chỉ ra các nhóm chức có sẵn trên bề mặt của chất hấp phụ zeolite gồm C-H, C-O và C=C. Có thể thấy nhóm chức C-H được phát hiện nhiều nhất với 5 đỉnh đại diện cho sự phát hiện của nhóm chức này, bao gồm: 525 cm-1, 629 cm-1, 686 cm-1, 783 cm-1 và 2932 cm- 1. Bên cạnh đó, ta cũng thấy sự xuất hiện của nhóm chức C-O được tìm thấy ở
số sóng 1015 cm-1 và 1216 cm-1. Ngoài ra, còn một đỉnh biểu hiện cho nhóm chức C=C ở số sóng 1636 cm-1.