hình khác nhau
Để giải thích cơ chế hấp phụ CV của MBC, thực nghiệm đã được tiến hành bằng cách thay đổi các nồng độ CV ban đầu khác nhau từ 25 mg/L đến 125 mg/L, sự hấp phụ được thực hiện tại thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng MBC = 25 mg/25 mL, pH = 10, nhiệt độ 30oC. Hình 3.13 chỉ ra đồ thị nhiệt học hấp phụ CV của qe theo Ce. Trong luận văn này chúng tôi sử dụng 3 mô hình nhiệt học hấp phụ chung nhất để mô tả sự hấp phụ CV của MBC. Đó là các mô hình Langmuir (phương trình 1.14), mô hình Freundlich (phương trình 1.15) và mô hình Temkin (phương trình 1.17).
Các thông số tương ứng của các mô hình này được chỉ ra trong Bảng 3.10. Dữ liệu hấp phụ CV của MBC cho thấy hệ số tương quan khi làm khớp theo 3 mô hình Langmuir, Freundlich và Temkin có giá trị tương ứng lần lượt là R2= 0.99; 0.93; 0.97. Có nhận xét là mô hình Langmuir là mô hình tốt nhất để miêu tả cân bằng nhiệt học hấp phụ CV của MBC. Dung lượng hấp phụ lớn nhất qm được tính toán có giá trị 95.43 mg/g theo mô hình Langmuir. Bên cạnh đó, giá trị của thành phần (1/n) = 0.27 theo mô hình Freundlich là nhỏ hơn 1, điều này cho thấy cân bằng nhiệt học hấp phụ CV của MBC là thuận lợi. Từ các kết quả trên có thể giả định rằng, sự hấp phụ xảy ra chính trong các đơn lớp hoặc thông qua một số lượng các vị trí xác định trên bề mặt của MBC [29].
Hình 3.13. Nhiệt học hấp phụCV của MBC tại thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH = 10, nhiệt độ 30oC.
Bảng 3.10. Các thông số nhiệt học hấp phụ và các hệ số tương quan của các
mô hình Langmuir, Freundlich và Temkin.
Mô hình Langmuir Mô hình Freundlich Mô hình Temkin
qm KL R2 KF 1/n R2 AT bT R2
95.43 0.15 0.99 28.15 0.27 0.93 2.16 137.43 0.97 Để nghiên cứu quá trình hấp phụ, thực nghiệm hấp phụ CV của MBC như một hàm của thời gian đã được chứng minh tại nồng độ CV ban đầu là 50 mg/L, khối lượng 25 mg/mL, pH= 10, nhiệt độ 30oC. Trong luận văn này, 3 mô hình động học hấp phụ khác nhau đã được sử dụng để miêu tả quá trình hấp phụ CV của MBC bao gồm: mô hình giả bậc 1 (phương trình 1.6), mô hình giả bậc 2 (phương trình 1.8) và mô hình Elovich (phương trình 1.13). Hình 3.14 mô tả động học hấp phụ CV của MBC theo các mô hình trên.
Hình 3.14. Mô hình động học hấp phụ CV của MBC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH =10, nồng độ CV ban đầu = 50 mg/L, nhiệt độ 30oC.
Các thông số làm khớp sự hấp phụ CV của vật liệu MBC theo 3 mô hình giả bậc 1, giả bậc 2 và Elovich được chỉ ra trong Bảng 3.11.
Bảng 3.11. Các thông số động học hấp phụ và các hệ số tương quan của các
mô hình giả bậc 1, giả bậc 2 và mô hình Elovich.
Mô hình giả bậc nhất Mô hình giả bậc hai Mô hình Elovich qcal(mg/g) k1 R2 qcal(mg/g) k2 R2 α β R2
87.63 0.2 0.960 87.9 0.0073 0.997 11367 5.6 0.995 Theo hệ số tương quan R2 thì động học hấp phụ CV được làm khớp tốt với cả 3 mô hình giả bậc 1, giả bậc 2 và Elovich với R2 có giá trị lần lượt là: 0.96; 0.997 và 0.995. Tuy nhiên, theo mô hình giả bậc 2 và mô hình Elovich phù hợp với dữ liệu thực nghiệm hơn so với mô hình giả bậc 1. Kết quả tính toán dung lượng hấp phụ theo mô hình giả bậc 1 và bậc 2 tương ứng là 87.63 và 87.9 mg/g, dữ liệu nhận được giá trị thực nghiệm (qe, thực nghiệm khoảng 88.2 mg/g). Từ các kết quả tính toán chúng tôi đề xuất sự hấp phụ CV của vật liệu MBC được điều khiển bởi quá trình hấp phụ hóa học mà liên quan đến các lực hóa trị thông qua việc trao đổi hay tương tác các điện tử. Đề xuất quá trình hấp phụ hóa học này cũng đã được giải thích trong các nghiên cứu trước đó [29,33,35] khi khảo sát động học hấp phụ theo các mô hình khác nhau.
KẾT LUẬN
Đã chế tạo thành công than sinh học bằng phương pháp hydro cacbon hóa, các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa và cấu trúc nano Fe3O4-than sinh học bằng phương pháp biến đổi đồng kết tủa. Fe3O4-than sinh học là VLHP với than sinh học sử dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp là vỏ trấu, đây là nguồn nguyên liệu dồi dào, sẵn có và có giá thành thấp.
Đã khảo sát hình thái, cấu trúc tinh thể, cấu trúc dao động của cấu trúc nano oxit sắt từ khi thay đổi nhiệt độ phản ứng từ 30 đến 90oC và nồng độ NH4OH. Các hạt nano oxit sắt từ nhận được có kích thước nano khoảng 6 đến 15 nm, tại nhiệt độ 90oC có sự phân tán tốt hơn, cấu trúc nano nhận được là Fe3O4.
So sánh hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV của than sinh học và MBC cho thấy hiệu suất và dung lượng hấp phụ đạt giá trị cao hơn khi hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 kết hợp với than sinh học.
Ảnh hưởng của các thông số như: pH của dung dịch CV, nồng độ CV ban đầu, khối lượng chất hấp phụ và thời gian rung lắc cho thấy hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV đạt giá trị lớn nhất tương ứng 96.6 % và 96.3 mg/g khi pH = 10, nồng độ CV ban đầu = 50 mg/L, khối lượng chất hấp phụ 50 mg/25 mL và thời gian rung lắc 60 phút.
Nghiên cứu cơ chế và quá trình hấp phụ CV thông qua các mô hình khác nhau và chúng tôi đề xuất cơ chế hấp phụ CV xảy ra chính trong các đơn lớp hoặc thông qua một số lượng các vị trí xác định trên bề mặt của MBC. Quá trình hấp phụ CV của vật liệu hấp phụ MBC là quá trình hấp phụ hóa học.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] C. Chen, S. Mi, D. Lao, P. Shi, Z. Tong, Z. Li, H. Hu, Single-step synthesis of eucalyptus sawdust magnetic activated carbon and its adsorption behavior for methylene blue, RSC Adv. 9 (2019) 22248–22262. doi:10.1039/c9ra03490k.
[2] E. Section, Selective Removal of Cu ( II ) Ions by Using Cation-exchange Resin-Supported Polyethyleneimine ( PEI ) Nanoclusters, 44 (2010) 3508– 3513.
[3] J. Schulte, J. Dutta, Nanotechnology in environmental protection and pollution, Sci. Technol. Adv. Mater. 6 (2005) 219–220. doi:10.1016/j.stam.2005.03.009.
[4] M. Auffan, J. Rose, J.Y. Bottero, G. V. Lowry, J.P. Jolivet, M.R. Wiesner, Towards a definition of inorganic nanoparticles from an environmental, health and safety perspective, Nat. Nanotechnol. 4 (2009) 634–641. doi:10.1038/nnano.2009.242.
[5] J. Kudr, Y. Haddad, L. Richtera, Z. Heger, M. Cernak, V. Adam, O. Zitka, Magnetic nanoparticles: From design and synthesis to real world applications, Nanomaterials. 7 (2017). doi:10.3390/nano7090243.
[6] D. Maity, D.C. Agrawal, Synthesis of iron oxide nanoparticles under oxidizing environment and their stabilization in aqueous and non-aqueous media, J. Magn. Magn. Mater. 308 (2007) 46–55. doi:10.1016/j.jmmm.2006.05.001.
[7] 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.
[8] S.R. Chowdhury, E.K. Yanful, Arsenic and chromium removal by mixed magnetite-maghemite nanoparticles and the effect of phosphate on removal, J. Environ. Manage. 91 (2010) 2238–2247. doi:10.1016/j.jenvman.2010.06.003.
[9] P. Sun, C. Hui, R.A. Khan, J. Du, Q. Zhang, Y.H. Zhao, Efficient removal of crystal violet using Fe3O4-coated biochar: The role of the nanoparticles Fe3O4 and modeling study their adsorption behavior, Sci. Rep. 5 (2015) 1–12. doi:10.1038/srep12638.
[10] Z.H. Ruan, J.H. Wu, J.F. Huang, Z.T. Lin, Y.F. Li, Y.L. Liu, P.Y. Cao, Y.P. Fang, J. Xie, G.B. Jiang, Facile preparation of rosin-based biochar coated bentonite for supporting α-Fe 2 O 3 nanoparticles and its application for Cr(vi) adsorption, J. Mater. Chem. A. 3 (2015) 4595–4603. doi:10.1039/c4ta06491g.
[11] H. Gao, S. Lv, J. Dou, M. Kong, D. Dai, C. Si, G. Liu, The efficient adsorption removal of Cr(vi) by using Fe3O4 nanoparticles hybridized with carbonaceous materials, RSC Adv. 5 (2015) 60033–60040. doi:10.1039/c5ra10236g.
[12] S. Farooq, A. Saeed, M. Sharif, J. Hussain, F. Mabood, M. Iftekhar, Process optimization studies of crystal violet dye adsorption onto novel, mixed metal Ni0.5Co0.5Fe2O4 ferrospinel nanoparticles using factorial design, J. Water Process Eng. 16 (2017) 132–141. doi:10.1016/j.jwpe.2017.01.001.
[13] 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.
[14] 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.
[15] I.O. Wulandari, D.J.D.H. Santjojo, R.A. Shobirin, A. Sabarudin, Characteristics and magnetic properties of chitosan-coated Fe3O4 nanoparticles prepared by ex-situ co-precipitation method, Rasayan J. Chem. 10 (2017) 1348–1358. doi:10.7324/RJC.2017.1041907.
[16] 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 aqueous solution: Effects of production conditions and particle size, Chemosphere. 145 (2016) 336–341. doi:10.1016/j.chemosphere.2015.11.050. [17] 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.
[18] 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.
[19] N. Alizadeh, S. Shariati, N. Besharati, Adsorption of Crystal Violet and 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.
[20] 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.
[21] G. Bharath, E. Alhseinat, N. Ponpandian, M.A. Khan, M.R. Siddiqui, F. Ahmed, E.H. Alsharaeh, Development of adsorption and electrosorption techniques for removal of organic and inorganic pollutants from wastewater using novel magnetite/porous graphene-based nanocomposites, Sep. Purif. Technol. 188 (2017) 206–218. doi:10.1016/j.seppur.2017.07.024.
[22] Y. Ren, Y. Chen, M. Sun, H. Peng, K. Huang, Rapid and Efficient Removal of Cationic Dyes by Magnetic Chitosan Adsorbent Modified with EDTA, Sep. Sci. Technol. 49 (2014) 2049–2059. doi:10.1080/01496395.2014.903972.
[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] 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. [25] R. Bushra, A. Ahmed, M. Shahadat, CHAPTER 5: Mechanism of Adsorption
on Nanomaterials, Elsevier Inc., 2017. doi:10.1039/9781782623625-00090. [26] 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.
[27] A.O.F. Gases, THE ADSORPTION OF GASES ON PLANE SURFACES OF, 345 (1918).
[28] H. Freundlich, Über die Adsorption in Lösungen, Zeitschrift Für Phys. Chemie. 57U (2017). doi:10.1515/zpch-1907-5723.
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.
[30] I. Chamritski, G. Burns, Infrared- And raman-active phonons of magnetite, maghemite, and hematite: A computer simulation and spectroscopic study, J. Phys. Chem. B. 109 (2005) 4965–4968. doi:10.1021/jp048748h.
[31] I. Chourpa, L. Douziech-Eyrolles, L. Ngaboni-Okassa, J.F. Fouquenet, S. Cohen-Jonathan, M. Soucé, H. Marchais, P. Dubois, Molecular composition of iron oxide nanoparticles, precursors for magnetic drug targeting, as characterized by confocal Raman microspectroscopy, Analyst. 130 (2005) 1395–1403. doi:10.1039/b419004a.
[32] D. Pathania, S. Sharma, P. Singh, Removal of methylene blue by adsorption onto activated carbon developed from Ficus carica bast, Arab. J. Chem. 10 (2017) S1445–S1451. doi:10.1016/j.arabjc.2013.04.021.
[33] 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).
[34] 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, J. Chem. 2019 (2019). doi:10.1155/2019/4212901.
[35] 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.