3.3.1. Xây dựng đường chuẩn thuốc nhuộm màu
Trên Hình 3.7 (a,b) trình bày phổ hấp thụ của dung dịch CV với các nồng độ ban đầu khác nhau: 1; 3; 5; 8; 10; 14 mg/L và đường chuẩn tương ứng. Phổ hấp thụ CV tương ứng với đỉnh hấp thụ tại bước sóng 540 nm. Đo độ hấp thụ quang của các dung dịch trên ở bước sóng 540 nm theo thứ tự: mẫu trắng, dung dịch có nồng độ từ thấp đến cao. Kết quả được ghi ở Bảng 3.2 và thể hiện trên Hình 3.7 (a,b) tương ứng là phổ hấp thụ của CV tại các nồng độ khác nhau và đường chuẩn của CV.
Bảng 3.2. Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch CV
với các nồng độ khác nhau.
C(mg/L) 0 1 3 5 8 10 14
Abs 0 0.021 0.081 0.151 0.26 0.338 0.486 Từ đường chuẩn trên Hình 3.7b, có thể xác định được nồng độ Cx dựa trên phương trình A = f (C), từ đó có thể đánh giá được khả năng hấp phụ CV từ các vật liệu hấp phụ khác nhau.
Hình 3.7. (a) Phổ hấp thụ của dung dịch CV tại các nồng độ khác nhau; (b) đường chuẩn của dung dịch CV.
3.3.2. So sánh khả năng hấp phụ thuốc nhuộm màu của than sinh học, Fe3O4- than sinh học than sinh học
Trong phần này, chúng tôi trình bày kết quả so sánh khả năng hấp phụ CV của 3 vật liệu hấp phụ khác nhau là: than sinh học gốc từ vỏ trấu được hydro cacbon hóa tại nhiệt độ 700oC trong vòng 4 giờ (kí hiệu RHB), than sinh học xử lý NaOH (0.5 mol/L, kí hiệu ATB) và Fe3O4-than sinh học (kí hiệu MBC). Chúng tôi đã khảo sát theo thời gian hấp phụ từ 5 phút đến 180 phút bằng cách rung lắc tại nhiệt độ 30oC, với nồng độ CV ban đầu 50 mg/L, khối lượng chất hấp phụ là 25 mg/25 mL. Kết quả tính toán hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV của RHB, ATB và MBC được chỉ ra trong Bảng 3.3; Bảng 3.4 và Bảng 3.5 tương ứng.
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của thời gian rung lắc đến hiệu suất và dung lượng
hấp phụ CV của RHB sử dụng nồng độ ban đầu CV = 50 mg/L, nhiệt độ 30oC, khối
lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL. Thời gian C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H(%) q (mg/g) 5 100.534626 56.6565097 43.64477999 43.87811634 15 100.534626 51.72576177 48.54930703 48.80886427 30 100.534626 50.78393352 49.4861268 49.75069252 60 100.534626 50.75623269 49.51368032 49.77839335 90 100.534626 50.9501385 49.32080567 49.58448753 120 100.534626 50.72853186 49.54123385 49.80609418 180 100.534626 50.75623269 49.51368032 49.77839335
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của thời gian rung lắc đến hiệu suất và dung lượng
hấp phụ CV của ATB sử dụng nồng độ ban đầu CV = 50 mg/L, nhiệt độ 30oC, khối
lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL. Thời gian C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H(%) q (mg/g) 5 100.534626 52.25207756 48.0257901 48.28254848 15 100.534626 48.48476454 51.77306919 52.0498615 30 100.534626 48.34626039 51.9108368 52.18836565 60 100.534626 48.48476454 51.77306919 52.0498615 90 100.534626 47.95844875 52.29658612 52.57617729 120 100.534626 48.12465374 52.13126498 52.4099723 180 100.534626 47.98614958 52.2690326 52.54847645
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của thời gian rung lắc đến hiệu suất và dung lượng
hấp phụ CV của MBC sử dụng nồng độ ban đầu CV = 50 mg/L, nhiệt độ 30oC,
khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL. Thời gian C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H(%) q (mg/g) 5 100.534626 31.36565097 68.80114623 69.16897507 15 100.534626 23.11080332 77.012096 77.42382271 30 100.534626 18.20775623 81.88906952 82.32686981 60 100.534626 12.44598338 87.62020224 88.08864266 90 100.534626 12.50138504 87.5650952 88.033241 120 100.534626 12.36288089 87.70286281 88.17174515 180 100.534626 12.39058172 87.67530929 88.14404432 Hình 3.8 (a,b) tương ứng trình bày kết quả so sánh hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ CV của 3 vật liệu hấp phụ RHB, ATB và MBC. Như có thể nhận thấy, quá trình hấp phụ CV của 3 chất hấp phụ RHB, ATB và MBC xảy ra nhanh sau thời gian rung lắc 15 phút. Tuy nhiên, hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV lớn nhất tại nồng độ CV ban đầu 50 mg/L của 3 chất hấp phụ RHB, ATB và MBC là khác nhau tương ứng là 49.5; 52.3; 87.7 % và 49.8; 52.5; 88.2 mg/g. Trong thực nghiệm của chúng tôi, than sinh học gốc được xử lý với NaOH (0.5 mol/L) để tạo pH =10, sau đó sản phẩm này được sử dụng để chế tạo MBC. Việc xử lý than sinh học với NaOH có thể làm tăng diện tích và thể tích của các lỗ xốp và dẫn đến làm tăng cường khả năng hấp phụ [18]. Trong trường hợp này chúng tôi suy đoán rằng, các vị trí hấp phụ trên than sinh học nhiều hơn sau khi xử lý với bazo là nguyên nhân dẫn đến làm tăng cường khả năng hấp phụ ATB so với RHB. Hơn nữa, kết quả trên Hình 3.8 chỉ ra rằng việc bao phủ một lớp than sinh học trên Fe3O4 dẫn đến tăng cường khả năng hấp phụ CV. Dựa trên kết quả nhận được, có thể thấy rằng, việc bao phủ than sinh học trên cấu trúc Fe3O4 có 2 chức năng: thứ nhất nó tạo ra một từ độ bão hòa 29.25 emu/g, điều này cho phép than sinh học có thể thu hồi bằng cách sử dụng một nam châm; thứ hai nó tăng cường đáng kể khả năng hấp phụ CV của than sinh học từ 52.5 đến 88.2 mg/g. Chúng tôi đoán nhận các nguyên nhân làm tăng cường khả năng hấp phụ CV của than sinh học phủ
Fe3O4 đó là: sự có mặt của các hạt nano Fe3O4 làm tăng đường kính các lỗ xốp của than sinh học và làm giảm thế zeta; hoặc cũng có thể sự tăng cường tương tác hút tĩnh điện giữa bề mặt tích điện âm của MBC và bề mặt tích điện dương của CV làm tăng cường khả năng hấp phụ [9]. Tuy nhiên, trong phần kết quả nghiên cứu này chúng tôi chưa khảo sát được thế zeta. Trong hướng nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi sẽ hoàn thiện các phép đo thế zeta để kiểm chứng nhận định này.
Hình 3.8. So sánh: (a) hiệu suất hấp phụ và (b) dung lượng hấp phụ CV của RHB, ATB và MBC vào thời gian rung lắc: nồng độ ban đầu CV là 50 mg/L;
khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL; nhiệt độ 30oC
Dựa trên kết quả khảo sát đánh giá hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV theo thời gian của 3 loại chất hấp phụ khác nhau: RHB, ATB và MBC, chúng tôi lựa chọn chất hấp phụ là MBC để tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của các thông số như: độ pH, nồng độ CV ban đầu, thời gian rung lắc, khối lượng chất hấp phụ đến khả năng loại bỏ CV. Trong Mục 3.4 chúng tôi sẽ trình bày các kết quả đánh giá này.
3.4. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến khả năng hấp phụ thuốc nhuộm màu của Fe3O4-than sinh học theo phương pháp hấp phụ tĩnh nhuộm màu của Fe3O4-than sinh học theo phương pháp hấp phụ tĩnh
3.4.1. Ảnh hưởng của độ pH
pH của dung dịch CV đóng vai trò quan trọng đến khả năng hấp phụ bởi vì nó ảnh hưởng đến mức độ ion hóa của thuốc nhuộm màu, cũng như đặc tính bề mặt của chất hấp phụ. Để khảo sát ảnh hưởng của dung dịch pH đến sự hấp phụ
CV, thí nghiệm được thực hiện khi thay đổi pH dung dịch CV từ 1 đến 12, thực nghiệm được thực hiện bằng cách thêm vào một lượng NaOH (0.5 mol/L) hoặc HCl (0.5 mol/L). Các thông số khác được cố định: nồng độ CV ban đầu = 25 mg/L, nhiệt độ 30oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, thời gian rung lắc 60 phút, tốc độ rung lắc 200 vòng/phút. Bảng 3.6 chỉ ra các thông số tính toán khi thay đổi pH của dung dịch CV.
Bảng 3.6. Ảnh hưởng pH của dung dịch CV đến hiệu suất và dung lượng
hấp phụ CV của MBC sử dụng nồng độ ban đầu CV = 25 mg/L, nhiệt độ 30oC,
khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, thời gian rung lắc 60 phút.
pH C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H(%) q (mg/g) 1 44.06925208 27.00554017 38.72022126 17.06371191 2 44.06925208 25.95290859 41.10880634 18.11634349 3 44.06925208 22.13019391 49.78314162 21.93905817 4 44.06925208 17.28254848 60.78320448 26.7867036 5 44.06925208 16.20221607 63.23464706 27.86703601 6 44.06925208 13.98614958 68.26324722 30.08310249 7 44.06925208 12.85041551 70.8404048 31.21883657 8 44.06925208 12.01939058 72.72612986 32.0498615 9 44.06925208 10.93905817 75.17757244 33.13019391 10 44.06925208 4.235457064 90.38908794 39.83379501 11 44.06925208 7.005540166 84.10333773 37.06371191 12 44.06925208 6.728531856 84.73191275 37.34072022
Hình 3.9 chỉ ra ảnh hưởng pH của dung dịch CV đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ. Kết quả chỉ ra rằng, khả năng hấp phụ CV của MBC phụ thuộc mạnh vào pH của dung dịch. Khi pH của dung dịch tăng từ 1 đến 10 thì hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV tăng. Hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV lớn nhất tương ứng khoảng 90.4 % và 39.8 mg/g khi pH của dung dịch có giá trị bằng 10. Khi pH trong khoảng 11 đến 12, thì hiệu suất và dung lượng hấp phụ giảm nhẹ khoảng 84.7 % và 37.3 mg/g tương ứng. Điều này có thể được lý giải, trong quá trình hấp phụ tại pH thấp thì bề mặt của chất hấp phụ tích điện dương, sự hấp phụ
các thành phần tích điện âm sẽ chiếm ưu thế, tuy nhiên bề mặt của CV tích điện dương, các điện tích dương mà chiếm giữ các vị trí hấp phụ khả thi cạnh tranh với các phân tử chất màu kết quả là giảm khả năng hấp phụ. Tại pH cao hơn, bề mặt của chất hấp phụ tích điện âm, tương tác hút tĩnh điện là nguyên nhân làm tăng cường khả năng hấp phụ. Các kết quả tương tự cũng đã được tìm thấy trong các công bố trước đây [19,26].
Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV của MBC, sử dụng nồng độ ban đầu CV = 25 mg/L, thời gian rung lắc 60 phút,
khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC.
3.4.2. Ảnh hưởng của thời gian rung lắc
Việc xác định thời gian cân bằng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình xử lý hấp phụ. Ảnh hưởng của thời gian rung lắc đến khả năng loại bỏ CV của MBC được xác định trong khoảng thời gian từ 5 phút đến 180 phút, tại pH = 10, nồng độ ban đầu CV = 25 mg/L, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC đã được khảo sát để xác định thời gian cân bằng. Bảng 3.7 chỉ ra các thông số tính toán và Hình 3.10 thể hiện phụ thuộc hiệu suất và dung lượng hấp phụ vào thời gian rung lắc.
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của thời gian rung lắc đến hiệu suất và dung lượng
hấp phụ CV của MBC sử dụng nồng độ ban đầu CV = 25 mg/L, nhiệt độ 30oC,
khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH = 10. Thời gian C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H(%) q (mg/g) 5 31.97506925 6.056232687 81.05951659 25.91883657 15 31.97506925 5.511634349 82.76271333 26.4634349 30 31.97506925 5.08365651 84.10118687 26.89141274 60 31.97506925 4.877562327 84.74573334 27.09750693 90 31.97506925 4.825207756 84.90946894 27.1498615 120 31.97506925 4.788365651 85.02469029 27.1867036 180 31.97506925 4.788365651 85.02469029 27.1867036
Hình 3.10 cho thấy sự hấp phụ xảy ra nhanh trong giai đoạn đầu tiên từ 5 đến 30 phút. Hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV tương ứng khoảng 81.1% và 25.9 mg/g tại phút thứ 5, sau đó tăng nhanh lên 84.1 % và 26.9 mg/g sau 30 phút. Điều này có thể được giải thích, trong giai đoạn đầu tiên do có mặt một số lượng lớn các vị trí bề mặt của MBC trong quá trình hấp phụ CV. Tuy nhiên, quá trình hấp phụ tiếp tục tăng chậm cho đến khi đạt giá trị cân bằng sau khoảng 120 phút (hiệu suất và dung lượng đạt được tương ứng khoảng 85 % và 27.2 mg/g), từ 120 phút đến 180 phút quá trình hấp phụ gần như không đổi. Rõ ràng là, ban đầu vị trí mao quản của MBC lớn, quá trình hấp phụ xảy ra nhanh chóng. Trong khoảng thời gian tiếp theo, quá trình hấp phụ đạt đến trạng thái bão hòa do không có hoặc thiếu sự có mặt của các vị trí kích hoạt khả dụng trên bề mặt chất hấp phụ [32], kết quả hiệu suất hiệu phụ trở nên ổn định. Xu hướng tương tự cũng được quan sát thấy trong các nghiên cứu trước đây [32–34].
Hình 3.10. Ảnh hưởng của thời gian rung lắc đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV của MBC tại nồng độ ban đầu CV = 25 mg/L, pH = 10, khối lượng chất hấp phụ MBC là 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC.
3.4.3. Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ
Khối lượng chất hấp phụ là một trong các thông số quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ tại nồng độ ban đầu nhất định của chất bị hấp phụ. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ từ 10 mg đến 100 mg trong 25 mL dung dịch CV tại nồng độ ban đầu 50 mg/L, pH = 10 và nhiệt độ 30oC được chỉ ra trong Bảng 3.8 và trên Hình 3.11.
Bảng 3.8. Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV của MBC, sử dụng nồng độ ban đầu CV = 50 mg/L, pH = 10, nhiệt độ 30oC, thời gian rung lắc 60 phút.
Khối lượng (mg/25 mL) C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H (%) q (mg/g) 10 99.69252078 25.24376731 74.67837395 74.44875346 25 99.69252078 11.47645429 88.48814916 88.21606648 50 99.69252078 3.387811634 96.60173942 96.30470914 75 99.69252078 3.470914127 96.51838062 96.22160665 100 99.69252078 4.412742382 95.5736475 95.27977839
Từ Hình 3.11 có thể nhận thấy rằng, khối lượng chất hấp phụ ảnh hưởng đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV.
Hình 3.11. Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ MBC đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV tại nồng độ ban đầu CV = 50 mg/L, pH = 10,
nhiệt độ 30oC, thời gian rung lắc 60 phút.
Kết quả chỉ ra rằng, khi khối lượng chất hấp phụ tăng từ 10 đến 50 mg/25 mL thì hiệu suất và dung lượng hấp phụ tăng từ 74.7 % đến 96.6 % và 74.4 mg/g đến 96.3 mg/g tương ứng. Điều này có thể là do sự có mặt của các vị trí chất hấp phụ nhiều hơn cũng như sự có mặt của các bề mặt đặc biệt của chất hấp phụ. Tuy nhiên, khi khối lượng tăng từ 50 đến 100 mg/25 mL sự thay đổi hiệu suất và dung lượng hấp phụ không đáng kể. Nguyên nhân có thể là do có sự kết tụ của các hạt chất hấp phụ, do đó mà không có sự tăng diện tích bề mặt của của chất hấp phụ. Kết quả tương tự cũng được quan sát thấy trong công bố trước đây [32].
3.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ CV ban đầu
Ảnh hưởng của nồng độ CV ban đầu từ 25 đến 100 mg/L đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV của vật liệu MBC được thực hiện tại nhiệt độ 30oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, thời gian rung lắc 60 phút, pH = 10. Các thông số tính toán được chỉ ra trong Bảng 3.9.
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ CV ban đầu đến hiệu suất và dung lượng
hấp phụ CV của MBC tại nhiệt độ 30oC, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL,
thời gian rung lắc 60 phút, pH = 10.
[CV] (mg/L) C0 (mg/L) Ccb (mg/L) H(%) q (mg/g) 25 37.51523546 3.581717452 90.45263236 33.93351801 50 99.84210526 24.91135734 75.04924673 74.93074792 75 126.8504155 44.13573407 65.2064726 82.71468144 100 151.7811634 66.60110803 56.12030734 85.1800554 125 181.5595568 90.83933518 49.96719711 90.72022161
Hình 3.12 chỉ ra ảnh hưởng của nồng độ CV ban đầu đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV của MBC. Kết quả cho thấy, khi tăng nồng độ CV từ 25 đến 100 mg/L thì hiệu suất hấp phụ CV giảm từ 90.5 xuống 50 %, trong khi đó dung lượng hấp phụ CV tăng từ 34 đến 91 mg/g tương ứng. Sự giảm hiệu suất hấp phụ khi tăng nồng độ có thể được giải thích là lượng CV tăng, trong khi lượng chất hấp phụ MBC không thay đổi, do đó các vị trí kích hoạt hấp phụ trên bề mặt của MBC bị giới hạn. Các kết quả nghiên cứu tương tự cũng đã được quan sát thấy trong các công bố trước đó [9,26].
Hình 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ CV ban đầu đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV của MBC, thời gian rung lắc 60 phút,
3.5. Nghiên cứu cơ chế và quá trình hấp phụ thuốc nhuộm màu theo các mô hình khác nhau 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