5. Những đóng góp mới của đề tài
2.5. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất
2.5.1. Thiết bị và dụng cụ:
Các thiết bị, dụng cụ và mục đích sử dụng trong nghiên cứu như sau:
Bảng 2.1. Thiết bị và dụng cụ
STT Thiết bị, dụng cụ Mục đích sử dụng
1 Máy Quang phổ tử ngoại khả kiến UV- VIS, Hitachi 2900
Xác định bước sóng đặc trưng, nồng độ Cr(VI)
2 Cân phân tích 6 số, BOECO, Đức Cân mẫu và hóa chất
3 Máy lắc HY-2A Lắc mẫu
4 Máy đo pH Xác định pH
5 Máy đo quang phổ hấp thụ nguyên tử ICP-OES
Xác định hàm lượng crom tổng
6 Máy khuấy từ PC - 420D Khuấy mẫu gia nhiệt
7 Tủ sấy Sấy mẫu
8 Máy cất nước 2 lần Cất nước
9 Cốc 100, 250..ml Đo pH..
2.5.2. Hóa chất
Bảng 2.2. Hóa chất
STT Hóa chất Mục đích sử dụng
1 Kali dicromat (K2Cr2O7) Pha dung dịch Cr(VI) với nồng độ cần thiết
2 Các dung dịch đệm ph=4.01; 6,86 và 9,18
Hiệu chỉnh máy pH
3 Natri hidroxit (NaOH) Điều chỉnh pH
4 Axit sunfuric (H2SO4) Điều chỉnh pH
5 Điphenyl cacbazit Chỉ thị màu dung dịch Cr
6 Ferric Chloride (FeCl3.6H2O) Tạo than thủy nhiệt biến tính
7 Nước cất Phân tích
2.6. Các Phương pháp phân tích 2.6.1. Xác định giá trị pH 2.6.1. Xác định giá trị pH
pH là đại lượng dùng để đánh giá nồng độ H+ và OH- có trong dung dịch. giá trị pH được xác định bởi máy đo pH để bàn HI 2212 của Hanna. Sau khi tiến hành hiệu chỉnh điện cực pH bằng các dung dịch chuẩn 4,01 ; 6,86 và 9,18. Tiến hành xác định giá trị pH bằng cách nhúng điện cực pH vào dung dịch mẫu đợi giá trị pH trên màn hình hiển thị ổn định.
2.6.2. Xác định hiệu quả xử lý Cr(VI) trong nước
Xác định hàm lượng Cr(VI) bằng phương pháp trắc quang ở bước sóng hấp thụ đặc trưng trên thiết bị UV-VIS Hitachi 2900 (của Nhật Bản), tại bước sóng 540 nm [10]
a. Nguyên tắc xác định
Trong môi trường acid, phản ứng oxy hóa khử giữa Cr(VI) và thuốc thử Diphenylcarbazide (DPC) xảy ra, ngay lập tức Cr(VI) chuyển về dạng Cr(III) còn thuốc thử chuyển về dạng oxy hóa Diphenylcarzon (DPCO). Sau đó hình thành tức thời phức màu đỏ tím đặc trưng có cực đại hấp phụ tại ƛ=540 nm.
b. Pha hóa chất
Dung dịch 1,5 diphenyl cacbazit 0,1% trong rượu etylic: hòa tan 0,2 g di phenyl cacbazit trong 100 ml cồn tuyệt đối + (40ml H2SO4 đặc trong 360 ml nước cất) → đựng trong lọ tối màu.
c. Cách xác định Cr(VI)
- Hút 5 ml dung dich chứa Cr(VI) cần phân tích đưa vào bình định mức 25 ml, thêm 0,5 ml dung dịch diphenyl cacbazit, cuối cùng định mức thành 25 ml.
- Lắc đều, để yên 5-10 phút rồi đem đi đo mật độ quang ở bước sóng 540 nm.
- Nồng độ Cr(VI) tính theo đường chuẩn được xác định trên máy quang phổ hấp phụ nguyên tử UV-VIS, hình 2.1.
Hình 2.1. Đường chuẩn xác định nồng độ Cr(VI)
2.6.3. Phương pháp xác định pHpzc (pH điểm đẳng điện)
- Tiến hành pha dung dịch KCl với nồng độ 0,1M. Chuẩn bị các bình tam giác và hút lấy 100ml dung dịch chứa KCl
- Điều chỉnh pH mỗi bình bằng dung dịch H2SO4 0,1M hoặc NaOH 0,1M với các giá trị tương ứng là: 2, 4, 6, 8, 10, 12 (pHi )
0.002 0.013 0.088 0.203 0.504 y = 0.5138x - 0.0086 R² = 0.9995 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 A B S Cr(VI) mg/l
- Cân 1 gam vật liệu hấp phụ vào các bình tam giác rồi đậy kín đem lắc trong 24h và đưa đi lọc, tiến hành đo pH thu được là pHj.
Vẽ đồ thị ∆pH = pHi – pHj đồ thị này cắt trục hoành tại ∆pH = 0 thì chính là pHpzc.
2.7. Các công thức tính toán
a. Xác định nồng độ Cr(VI)
Nồng độ Cr(VI) được tính theo đường chuẩn: x = (y+0,006)/0,042)*(V1/V2) (1.14) R2 =0,995
Trong đó : x là nồng độ Cr(VI) trong nước, y là Abs đo được V1 thể tích dung dịch định mức đưa đi đo (25 ml)
V2 thể tích mẫu nước chứa Cr(VI) được hút (5 ml)
b. Xác định hiệu suất xử lý Cr(VI) của vật liệu hấp phụ
H = Co−Ce
Co . 100% (1.15) Trong đó: H là hiệu suất xử lý (%)
C0 là nồng độ Cr(VI) trước hấp phụ (mg/l) Ce là nồng độ Cr(VI) sau hấp phụ (mg/l).
c. Xác định dung lượng hấp phụ Cr(VI)
Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức: q = m (Ci − Ct ).V (1.16) Trong đó:
q: là dung lượng hấp phụ (mg/g hoặc mmol/g);
Ci: là nồng độ Cr(VI)trong dung dịch ban đầu (mg/l hoặc mmol/l);
Ct: là nồng độ Cr(VI) trong dung dịch sau khi hấp phụ (mg/l hoặc mmol/l); m: là khối lượng chất hấp phụ đã dùng (g);
V: là thể tích dung dịch (l).
2.8. Phương pháp tiếp cận
Cách tiếp cận trong quá trình nghiên cứu của chúng tôi là dựa trên nền tảng khả năng về thiết bị và nhân lực của tập thể nghiên cứu; cập nhật thông tin các kết quả thực nghiệm và mô hình lý thuyết đã công bố của các tác giả khác, tính toán
tối ưu hoá thí nghiệm và phân tích đánh giá kết quả thực nghiệm thu được nhằm đưa ra những kết luận chuẩn xác nhất. Cụ thể là:
Kế thừa và tiếp thu các tiến bộ khoa học và công nghệ của thế giới thông qua việc tìm hiểu tài liệu, tạp chí, sách, báo... liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu để phân tích, đánh giá, định hướng cụ thể cho đề tài.
Sử dụng phương pháp logic hệ thống, giải quyết vấn đề một cách triệt để và toàn diện.
Từ kết quả nghiên cứu thu được, xây dựng quy trình xử lý hiệu quả Cr(VI) trong nguồn nước ô nhiễm, từ đó là tiền đề cho việc phát triển các công nghệ xử lý ô nhiễm Cr(VI)trong thực tế.
2.9. Phương pháp xử lý số liệu
Các số liệu thí nghiệm sẽ được xử lý bằng phương pháp sử dụng các phần mềm như EXCEL, so sánh ANOVA trong phần mềm chuyên dụng SPSS và xử lý đồ thị bằng phần mềm Origin.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Chế tạo vật liệu hấp phụ
3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu bùn giấy liệu bùn giấy
Than thủy nhiệt bùn giấy thu được sau nung ở các nhiệt độ khác nhau được sử dụng để đánh giá khả năng hấp phụ Cr(VI) với nồng độ ban đầu là 30 mg/l. Kết quả cụ thể được thể hiện trong ở hình 3.1.
Hình 3.1: Biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt độ nung tạo than thủy nhiệt đối với hiệu
suất và dung lượng hấp phụ Cr(VI) (q: dung lượng hấp phụ (mg/g), H: hiệu suất xử lý (%), T: nhiệt độ)
Kết quả cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ tạo than thủy nhiệt đến dung lượng hấp phụ và hiệu suất xử lý Cr(VI) trong môi trường nước. Khi nhiệt độ tạo than thủy nhiệt là 200oC, khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu hấp phụ là 4,6 mg/g và hiệu suất tương ứng đạt 30,72%. Ở điều kiện này khả năng hấp phụ và hiệu quả xử lý Cr(VI)trong môi trường nước của vật liệu hấp phụ là cao nhất và giảm khi nhiệt độ gia nhiệt tăng. Dung lượng hấp phụ giảm xuống còn 3,84 mg/g dẫn
đến giảm hiệu suất 5,13% (25,59%) ở nhiệt độ tạo than thủy nhiệt là 225oC. Ở nhiệt độ cao nhất là 250oC, dung lượng hấp phụ Cr(VI)của vật liệu hấp phụ giảm xuống mức thấp nhất là 2,13 mg/g ứng với hiệu suất hấp phụ giảm còn 14,21%. Do đó, có thể thấy rằng ở 200oC là nhiệt độ phù hợp nhất để chế tạo vật liệu hấp phụ Cr(VI) vì ở nhiệt độ này cho các kết quả cao nhất về khả năng hấp phụ và hiệu quả xử lý Cr(VI) trong môi trường nước. Nhiệt độ tạo than thủy nhiệt này được sử dụng để chế tạo hydrochar bùn giấy và tiến hành cho các thí nghiệm tiếp theo.
3.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ biến tính
Như vậy,các thí nghiệm ở phần trên đã chọn được điều kiện nung vật liệu thích hợp là ở 200ºC để chế tạo than thủy nhiệt từ bùn thải giấy. Nội dung này thực hiện để biến tính vật liệu với FeCl3.6H2O ở các tỷ lệ % về khối lượng khác nhau, mục đích nâng hiệu suất hấp phụ Cr(VI). Sau đó, than thuỷ nhiệt biến tính được sử dụng để đánh giá khả năng hấp phụ Cr(VI). Kết quả hấp phụ sau biến tính được thể hiện tại bảng 3.3, 3.4 - phụ lục 1 và hình 3.2.
Hình 3.2: Biểu đồ ảnh hưởng của tỷ lệ biến tính vật liệu với FeCl3.6H2O đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ Cr(VI) (q: dung lượng hấp phụ (mg/g), H: hiệu
suất xử lý (%))
Qua kết quả thể hiện ở hình 3.2 ta thấy khi cho than thủy nhiệt bùn giấy biến tính với FeCl3.6H2O ở các tỷ lệ khác nhau theo khối lượng của Fe và than thuỷ nhiệt thì hiệu suất và dung lượng hấp phụ cũng khác nhau. Việc biến tính với FeCl3.6H2O đã gắn ion Fe3+ vào vật liệu hấp phụ làm cho vật liệu hấp phụ có khả năng hấp phụ Cr(VI)tốt hơn. Khi tỷ lệ biến tính tăng từ 5% lên 10% và 15% thì hiệu suất và dung lượng hấp phụ cũng tăng dần, cụ thể ở cùng thời gian hấp phụ là 60 phút hiệu suất tăng từ 43,67% ở tỷ lệ 5% lên 74,08% ở tỷ lệ 15% và dung lượng hấp phụ cũng tăng từ 6,55 – 11,11 mg/g. Qua biểu đồ ta thấy hiệu suất và dung lượng hấp phụ Cr(VI) ở thời gian 60 phút có tỷ lệ biến tính FeCl3.6H2O theo tỷ lệ 15% là hợp lý và cho hiệu quả hấp phụ tốt nhất.
Khi tăng thời gian hấp phụ lên 90 phút ở cùng tỷ lệ biến tính theo khối lượng giữa than thủy nhiệt và FeCl3.6H2O là 15% thì hiệu suất và dung lượng hấp phụ của vật liệu hấp phụ biến tính đối với Cr(VI) không tăng thêm và có xu hướng giảm dần với hiệu suất hấp phụ là 73,75%, dung lượng hấp phụ là 11,06 mg/g. Điều này cho thấy, bề mặt vật liệu hấp phụ gắn các ion Fe3+ đã đạt đến trạng thái bão hòa không có khả năng hấp phụ thêm các ion Cr(VI)trong dung dịch. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu về hấp phụ Cr(VI) trong nước bằng than sinh học biến tính từ lõi ngô của tác giả Lê Hoàng Phương và cộng sự (2019) [17]. Nghiên cứu tiến hành biến tính vật liệu hấp phụ với FeCl3.6H2O theo các tỷ lệ từ 5%, 10%, 15%, 20% và 25%. Kết quả cho thấy hiệu suất và dung lượng hấp phụ đối với Cr(VI)đạt tốt nhất ở tỷ lệ biến tính là 20%.
Như vậy, trong thí nghiệm trên ta chọn tỷ lệ biến tính giữa than thủy nhiệt bùn giấy và FeCl3. 6H2O là 15% cho các thí nghiệm tiếp theo.
3.2. Đánh giá khả năng hấp phụ Cr(VI) trong nước của than thủy nhiệt bùn giấy biến tính
3.2.1. Đặc điểm của vật liệu hấp phụ
Đặc điểm về cấu trúc và thành phần than thủy nhiệt bùn giấy (VLHP) và than thủy nhiệt bùn giấy biến tính (Fe/ VLHP) được thể hiện qua ảnh SEM và EDX.
Hình 3.3. Đặc điểm than thuỷ nhiệt bùn giấy: ảnh SEM và EDX của than thuỷ
nhiệt (a, b) và than thuỷ nhiệt biến tính FeCl3.6H2O (c, d)
- Hình (a) cho thấy được các đặc tính của VLHPsau khi xử lý bằng NaOH 0,25M ở nhiệt độ 2000C . Hình thái học bề mặt của VLHPđã được thể hiện trong kết quả phân tích SEM. Than thủy nhiệt từ bùn giấy có cấu trúc xốp, cứng và các thành phần liên kết với nhau chặt chẽ.
- Hình (c) thể hiện về mặt hình thái cấu trúc (Fe/ VLHP): sau khi được biến tính bởi FeCl3.6H2O, về mặt hình thái và cấu trúc vật liệu có sự thay đổi rõ rệt, bề mặt vật liệu giãn ra, thể tích các lỗ rỗng lớn hơn. Đó cũng là nguyên nhân làm cho khả năng hấp phụ của vật liệu tốt hơn.
- Hình (b) và (d) biểu thị bằng ảnh EDX lần lượt thể hiện thành phần hóa học của VLHP và (Fe/ VLHP) . Hình ảnh cho thấy những nguyên tố trong cấu
trúc vật liệu ban đầu như: Ca, C, Al..làm trung tâm hấp phụ của vật liệu. Đối với VLHP biến tính được bổ sung nguyên tố Fe phân bố đều trong cấu trúc vật liệu và chiếm ưu thế làm trung tâm hấp phụ của VLHP.
3.2.2. Xác định điểm đẳng điện của than thủy nhiệt bùn giấy biến tính
Xác định pHpzc (điểm đẳng điện) của than thủy nhiệt bùn giấy biến tính (Fe/ VLHP) nhằm tìm ra giá trị pH mà ở đó các hạt trung hoà về điện gọi là điểm trung hoà điện tích. Tại pH > pHpzc phương trình: M-OH + OH-→ MO- + H2O chiếm ưu thế và bề mặt các hạt mang điện tích âm, kết quả hấp phụ các cation tốt hơn. Trong khi đó, tại pH < pHpzc, phương trình: M-OH + H+ → M-OH2+ chiếm ưu thế, tạo các hạt mang điện tích dương, kết quả hấp phụ các anion tốt hơn.
Kết quả xác định pHpzc đối với than thủy nhiệt bùn giấy biến tính với FeCl3.6H2O ở tỷ lệ 15% được thể hiện ở hình 3.3:
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn đường đẳng điện của than thủy nhiệt bùn giấy biến
tính (Fe/ VLHP)
Qua đồ thị hình 3.4, có thể thấy pHi - pHj = 0 khi pH là 4,2 cho thấy điểm đẳng điện của của than thủy nhiệt bùn giấy biến tính (Fe/ VLHP) là 4,2. Điều này cho thấy ở pH < 4,2 thì bề mặt (Fe/ VLHP) mang điện tích dương, ở pH > 4,2 thì bề mặt (Fe/ VLHP) mang điện tích âm và tại điểm đẳng điện thì bề mặt (Fe/
-1.56 0.5 1.5 3.21 4.8 6.5 y = 0.8189x - 3.4387 R² = 0.9911 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 2 4 6 8 10 12 14 p Hi - p Hj pHi
VLHP) không mang điện tích. Việc xác định pHpzc giúp dự đoán được cơ chế hấp phụ Cr(VI) của vật liệu (Fe/ VLHP).
3.2.3. Ảnh hưởng của pH
Quá trình hấp phụ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi pH của môi trường. Sự thay đổi pH của môi trường dẫn đến sự thay đổi bản chất của chất bị hấp phụ, các nhóm chức bề mặt, thế oxy hóa khử, dạng tồn tại của hợp chất đó. Vì vậy, pH luôn là yếu tố đầu tiên và quan trọng ảnh hưởng tới tất cả các quá trình xử lý. Việc xác định được giá trị pH tối ưu cho quá trình này là không thể thiếu. Kết quả thực nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của than thủy nhiệt bùn giấy biến tính được trình bày ở bảng 3.5 – phụ lục 1 và hình 3.5. Điều kiện thí nghiệm: nồng độ ban đầu Cr(VI): 30mg/l, liều hấp phụ: 0,1g/ 25ml, thời gian hấp phụ: 60 phút, (q: dung lượng hấp phụ (mg/g), H: hiệu suất xử lý (%))
Hình 3.5.Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp
Từ kết quả thể hiện ở hình 3.5 ta thấy pH có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp phụ Cr(VI)của vật liệu. Ở giá trị pH = 3 cho thấy hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ là cao nhất, đối với vật liệu Fe/VLHP 15% hiệu suất hấp phụ đạt tới 83,17% và dung lượng hấp phụ đạt 12,48 mg/g. Hiệu suất và dung lượng hấp phụ giảm dần khi tăng pH từ 3 đến 9. Điều này cho thấy:
Trong khoảng pH thấp bề mặt Fe/VLHP tích điện dương, khi giá trị pH tăng nồng độ ion OH- cũng tăng dần, trong dung dịch lúc này sẽ xảy ra sự hấp phụ cạnh tranh giữa ion Cr(VI) mang điện tích âm và ion OH-. Mặt khác giá trị năng lượng tự do quá trình hấp phụ các dạng tồn tại của ion Cr(VI) (HCrO4-, CrO42-) tại gía trị pH khác nhau là khác nhau. Trong khoảng pH = 1- 6, Cr(VI) tồn tại chủ yếu ở dạng HCrO4- sau đó chuyển dần sang dạng CrO42- khi pH tăng. Vì vậy sự hấp phụ dạng HCrO4- thuận lợi hơn dạng CrO42- khi ở cùng nồng độ hay việc loại bỏ Cr(VI) tại các giá trị pH thấp chủ yếu là do sự hấp phụ của HCrO4- (19).
Trong môi trường pH thấp, bề mặt của vật liệu hấp phụ bị proton hóa dẫn đến tích điện dương, trong khi dạng tồn tại Cr(VI) chủ yếu là các anion HCrO4-
do đó xảy ra lực hấp dẫn tĩnh điện giữa bề mặt chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Sự hấp phụ ở môi trường pH thấp còn được giải thích bởi cơ chế khử trực tiếp Cr(VI)thành Cr(III) theo phương trình:
HCrO4- + 7H+ + 3e → Cr3- + 4H2O (3.1)
Khi pH tăng, sự có mặt của ion OH- gây ra tương tác tĩnh điện đẩy giữa chúng với các ion cromat và dicromat, làm cản trở quá trình hấp phụ các ion này