4. Bố cục luận văn
3.3.Ảnh hưởng của nồng độ Cr ban đầu đến khả năng xử lý của vi tảo C.vulgaris
độ tế bào sẽ làm tăng diện tích bề mặt hấp phụ các liên kết kim loại có sẵn trên tế bào. Tuy nhiên, hiệu suất xử lý tăng nhưng đối với hiệu quả hấp phụ Cr trên bề mặt của tảo sẽ giảm vì khi mật độ tảo nhiều đồng nghĩa với bề mặt liên kết cũng nhiều, các cation Cr6+ sẽ liên kết với bề mặt tảo nhưng với mật độ thưa hơn khiến cho khối lượng Cr trên một đơn vị diện tích bề mặt tảo giảm. Ngoài ra hiệu suất xử lý kim loại nặng Cr của vi tảo C.vulgaris sẽ giảm nếu mật độ tế bào tảo tăng lên quá cao. Điều này có thể giải thích là do khi mật độ tế bào quá cao làm giảm diện tích bề mặt cho sự hấp phụ là vì khoảng cách giữa các vị trí hấp phụ trên bề mặt vi tảo giảm trên cùng một đơn vị thể tích [23,] [70], [73].
So sánh với nghiên cứu của Bishnoi (2004) cho thấy hiệu suất xử lý kim loại Cu cao nhất đạt 85% khi sử dụng 0.5g/l sinh khối vi tảo. Tuy nhiên khi tăng khối lượng sinh khối vượt quá 0.5 g/l thì hiệu suất sẽ giảm từ 85% xuống 58% [73]. Vào năm 2003 Roy, Greenlaw và Shane trong nghiên cứu của mình đã chỉ ra rằng việc tăng sinh khối vi tảo Chlorella s.p dẫn đến giảm liên kết Cd trên mỗi đơn vị sinh khối tế bào. Kết quả cho thấy việc hấp thu Cd giảm 91% sau khi tăng sinh khối lên 12 lần [48]. Nghiên cứu của Gong (2005) cũng cho thấy hiệu suất loại bỏ Pb đạt từ 24% với sinh khối 0,1g g/l sẽ tăng đến 84% với sinh khối 2,0 g/l. Tuy nhiên khi sử dụng sinh khối vi tảo vượt quá 2,0 g/l để loại bỏ kim loại nặng thì hiệu suất xử lý bị giảm xuống [3].
3.3. Ảnh hưởng của nồng độ Cr ban đầu đến khả năng xử lý của vi tảo C.vulgaris C.vulgaris
Để đánh giá ảnh hưởng của nồng độ Cr ban đầu đến khả năng xử lý của vi tảo
C.vulgaris, thí nghiệm được tiến hành ở pH 6,0, mật độ tế bào ban đầu là 15x106 tế bào/ml. Nồng độ kim loại được sử dụng ở 03 mức là 50 mg/l, 60mg/l và 70 mg/l.
Bảng 3.7. Hiệu suất xử lý Cr ở các nồng độ ban đầu khác nhau
Thời gian (h) Hiệu suất xử lý Cr (%) 50 (mg/l) 60 (mg/l) 70 (mg/l) p-value 24 5,45 ± 1,21 57,39 ± 0,36 55,11 ± 5,61 9,22x10-09 < 0,01 48 6,61 ± 4,03 41,11 ± 3,70 43,10 ± 3,10 4,1x10-05 < 0,01 72 35,87 ± 2,42 70,56 ± 10,91 100 0,000186 < 0,01 96 32,21 ± 4,26 55,33 ± 0,58 54,98 ± 5,03 0,00026 < 0,01 120 0 35,87 ± 3,19 33,49 ± 4,43 3,26x10-06 < 0,01
Từ kết quả bảng 3.7 cho thấy có sự khác biệt có ý nghĩa về thống kê với p-value = 0,000186 < 0,01, khi đánh giá ảnh hưởng của các nồng độ kim loại nặng khác nhau đến khả năng xử lý của vi tảo C.vulgaris. Kết quả phân tích ANOVA với α=0,01 (bảng 3.8) cũng cho thấy 2 yếu tố là thời gian và nồng độ ban đầu Cr đều ảnh hưởng tới khả năng xử lý của vi tảo C.vulgaris.
Bảng 3.8. Kết quả phân tích ANOVA hai yếu tố (nồng độ, thời gian) đối với hiệu
suất xử lý kim loại nặng Cr trong vi tảo C.vulgaris
Source of
Variation SS df MS F P-value F crit
concentration 15219,11 8 1902,389 22,67797 4,01x10-11 3,126746 Time 11285,5 4 2821,375 33,63301 4,81x10-11 3,969477 Error 2684,387 32 83,88709
Total 29189 44
Một mô hình đáp ứng bề mặt được xây dựng tương tự đối với hiệu suất xử lý Cr của vi tảo C.vulgaris dựa trên sự thay đổi của của hai yếu tố là thời gian và nồng độ Cr đầu vào, mô hình có ý nghĩa với p-value= 0,99x10-9<0,001. Mô hình này cho thấy yếu tố thời gian và nồng độ Cr ban đầu đều có ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Cr của tảo
C.vulgaris.
Hình 3. 5. Ảnh hưởng của nồng độ Cr ban đầu đến hiệu suất xử lý của vi tảo
Có thể thấy hiệu suất hấp phụ đạt giá trị cực đại ở nồng độ 70mg/l với 100% và giảm dần còn 70,56% ở nồng độ 60mg/l, thấp nhất 35,87% ở nồng độ 50mg/l. Đối với nồng độ 70 mg/l, hiệu suất hấp phụ sau 24h đạt tỉ lệ 55,11%, giảm xuống 43,1% sau 48h và đạt giá trị cực đại với 100% tại 72h, tại thời gian 96h thì khả năng xử lý của vi tảo C.vulgaris giảm dần xuống còn 54,98%. Tương tự, khi nồng độ Cr ban đầu 60mg/l và 50mg/l khả năng hấp phụ ở 24h đạt 57,39%, 5,45% đạt giá trị cực đại 70,56% và 35,87% ở 72h, sau đó hiệu suất giảm lần ở các mức thời gian tiếp theo. Đến 120h hiệu xuất hấp thụ giảm còn 33,49% ở nồng độ 70mg/L; 35,87% ở nồng độ 60mg/L và 0% tại nồng độ 50mg/L. Cũng cho kết quả tương tự, ngưỡng thời gian 72h là thời gian tối ưu cho thử nghiệm khả năng xử lý Cr của vi tảo C.vulgaris với sự thay đổi của nồng độ Cr đầu vào.
Đối với kết quả về đánh giá ảnh hưởng đồng thời của hai yếu tố là nồng độ ban đầu Cr và thời gian (bảng 3.9) cũng cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa (p-value <0,01) về hiệu quả hấp thụ bề mặt ở các nồng độ Cr ban đầu khác nhau.
Bảng 3.9. Khối lượng Crom được hấp phụ trên 1dm2 bề mặt tảo tại các nồng độ Crom ban đầu khác nhau
Thời gian (h)
Khối lượng Crom được hấp thụ trên 1dm2 bề mặt tảo (mg/dm2)
70 mg/L 60 mg/L 50 mg/L p-value 24 9,06 ± 0,29 7,45 ± 0,05 0,61 ± 0,17 6,66x10-9< 0,01 48 7,09 ± 0,07 5,34 ± 0,58 0,75 ± 0,56 8,31x10-6< 0,01 72 17,3 ± 0,66 9,16 ± 1,73 4,06 ± 0,33 1,37x10-5< 0,01 96 9,04 ± 0,47 7,18 ± 0,09 3,65 ± 0,59 1,58x10-5< 0,01 120 5,5 ± 0,26 4,62 ± 0,5 0 1,85x10-6< 0,01
Kết quả nghiên cứu cho thấy cả hai yếu tố là thời gian và nồng độ cùng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vi tảo C.vulgaris theo mô hình đáp ứng bề mặt về ảnh hưởng của yếu tố nồng độ Cr ban đầu và thời gian đến hiệu quả hấp phụ Cr trên bề mặt vi tảo C.vulgaris (hình 3.6) (p-value=0,39x10-9<0,01). Tại nồng độ Cr ban đầu là 70mg/l khối lượng Cr được hấp phụ cao nhất (17,3 mg/dm2) tiếp đến là 60mg/l (9,16 mg/dm2) và thấp nhất là 50mg/l (4,06 mg/dm2) tại thời điểm 72h xử lý. Nhìn chung, tại tất cả các mức nồng độ đều tăng dần hiệu quả hấp phụ theo thời gian và đạt cực đại tại 72h xử lý, sau 7h khả năng hấp phụ bề mặt giảm dần. Đến 120h khối lượng Cr được hấp phụ chỉ còn lại 5,5mg/dm2 (70mg/l); 4,62mg/dm2 (60mg/l); 0mg/dm2 (50mg/l).
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ Cr ban đầu đến hiệu quả hấp phụ Cr trên bề
mặt vi tảo C.vulgaris
Có thể giải thích kết quả thông qua nhận định của FCP de Abreu và PNM da Costa rằng nồng độ kim loại nặng cũng như nồng độ chất hấp thụ ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình hấp phụ. Đó là do sự có sẵn của các vị trí có khả năng liên kết với cation kim loại trên tế bào tảo [59]. Khi nồng độ đầu vào của kim loại Cr cao cũng đồng nghĩa với sự có mặt của các cation Cr6+ nhiều hơn dẫn đến tăng sự tiếp xúc giữa ion kim loại và bề mặt liên kết của tảo. Vì vậy, sự gia tăng nồng độ kim loại ban đầu đến một mức nhất định sẽ làm tăng khả năng hấp phụ do sự sẵn có của các vị trí liên kết trên bề mặt tảo và lượng kim loại nặng bị hấp thụ trên một đơn vị sinh khối tảo cũng cao hơn từ đó hiệu suất xử lý của tảo sẽ tăng [15].
Tuy nhiên, khi nồng độ kim loại quá cao thì hiệu suất xử lý của vi tảo
C.vulgaris sẽ giảm là do hàm lượng kim loại nặng đạt trạng thái bão hòa. Các ion Cr sẽ không thể liên kết được với bề mặt vi tảo. Mặt khác, khi bề mặt vi tảo liên kết với các kim loại nặng sẽ làm ức chế cũng như gây độc cho tế bào. Màng tế bào không thể trao đổi và hấp thụ dinh dưỡng từ môi trường, dẫn đến vi tảo bị chết hàng loạt, khiến các ion Cr được giải phóng trở lại môi trường [25]. Qua kết quả nghiên cứu cho thấy 70mg/L chưa phải là mức nồng độ mà tại đó bề mặt liên kết của các tế bào tảo trở nên bão hòa, có thể là do mật độ tảo được sử dụng trong thử nghiệm khá cao nên bề mặt để
liên kết các ion kim loại của tảo lớn, vì vậy các cation Cr6+ khó có thể lấp đầy hết các vị trí này khi ở nồng độ 70mg/L. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.4. Đánh giá đẳng nhiệt hấp phụ trên sinh khối của vi tảo C.vulgaris
Đẳng nhiệt hấp phụ là mô hình toán học mô tả sự phân bố của ion kim loại trong chất lỏng và chất hấp phụ ở đây là sinh khối tảo C.vulgaris, dựa trên một tập hợp các giả định liên quan đến sự đồng nhất/không đồng nhất của mật độ tảo hấp phụ, mức độ bao phủ và khả năng tương tác giữa các dạng của chất bị hấp phụ. Các số liệu thực nghiệm hấp phụ thường được mô tả bởi đẳng nhiệt hấp phụ như đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich. Những mô hình đẳng nhiệt hấp phụ này liên quan đến sự hấp phụ kim loại trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ và sự cân bằng của nồng độ chất bị hấp phụ trong pha lỏng.
Mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ Cr trên sinh khối tươi của vi tảo C.vulgaris. Khảo sát được tiến hành ở dải nồng độ ion kim loại trong dung dịch như sau: 30,50,70,90 mg/l ở pH 6 với mật độ tế bào đạt 5 triệu và trong khoảng thời gian 72 giờ. Đồ thị đường đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich được biểu diễn trên hình 3.7, 3.8 Các thông số động học Langmuir và Freundlich được thể hiện trong bảng 3.11 để kiểm tra số liệu thực nghiệm.
Hình 3.7. Đồ thị đẳng nhiệt hấp phụ Cr6+ theo mô hình Langmuir
y = -0.3638x + 20.275 R² = 0.9336 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 5 10 15 20 25 30 C cb/ q C cb Langmuir
Hình 3.8. Đồ thị đẳng nhiệt hấp phụ Cr6+ theo mô hình Freundlich
Từ đồ thị hình 3.7 và 3.8 có thể nhận thấy mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich phù hợp với các số liệu thực nghiệm tốt hơn so với mô hình đẳng nhiệt Langmuir. Kết quả hình 3.7 và bảng 3.11 cho thấy quá trình hấp phụ Cr6+ của vi tảo C.vulgaris phù hợp với phương trình đẳng nhiệt Frendlich khi mức độ tuyến tính đạt giá trị R² = 0,9818 và giá trị n (bảng 3.11) nhận thấy các giá trị n= 0.7 <1. Điều này có thể chứng minh mức độ tuyến tính giữa các sinh khối vi tảo và nồng độ kim loại là hấp phụ hóa học.
Bảng 3.11 cho thấy hằng số Kf tức là khả năng hấp phụ tương đối của sinh khối tảo đạt 5,65 mg/g và quá trình hấp phụ đơn lớp trên các tâm hấp phụ có năng lượng không đồng nhất. Theo nghiên cứu của F.A. Abu khả năng hấp thụ tối đa kim loại đồng của C.vulgaris chỉ đạt 1.30 mg/g [24], còn theo nghiên cứu của Indhumathi khả năng hấp thụ Cr tối đa chỉ đạt 1.14 mg/g [62], qua đó có thể nhận thấy nghiên cứu cho kết quả tốt hơn so với những nghiên cứu trước đó trong việc hấp phụ Cr6+.
Bên cạnh đó, phương trình đẳng nhiệt Langmuir chỉ có mức độ tuyến tính đạt giá trị R² = 0.9336. Mô hình Langmuir được cho là phù hợp khi mô hình hấp phụ đẳng nhiệt phù hợp với quá trình hấp phụ Cr6+ và giá trị RL nằm trong khoảng 0 - 1 [57]. Tuy nhiên, giá trị này chỉ nằm trong khoảng -0,0345 đến -0,0112 và dung lượng hấp phụ cực đại chỉ đạt 2,75 mg/g nên có thể xem là hoàn toàn không phù hợp.
Giá trị R2 của Frendlich > giá trị R2 của Langmuir chứng tỏ quá trình hấp phụ ion y = 1.4381x - 1.6731 R² = 0.9818 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 lo g q log Ccb Frendlich
Cr6+ trên vi tảo C.vulgaris tuân theo mô hình hấp phụ Frendlich với dung lượng hấp phụ cực đại 5,65 mg/g, nghĩa là quá trình này xảy ra là hấp phụ hóa học với mức năng lượng của các tâm hấp phụ trên bề mặt sinh khối vi tảo C.vulgaris là không đồng nhất.
Bảng 3.10. Giá trị tham số RL của quá trình hấp phụ ion kim loại Cr6+ trên tảo C.vulgaris ở các nồng độ ban đầu
Co (mg/l) 30 50 70 90
RL -0,0345 -0,0204 0,0145 -0,0112
Bảng 3.11. Thông số động học vi tảo C.vulgaris hấp phụ Cr6+ theo Langmuir và Freundlich
Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir Freundlich
q max(mg/g) KL R2 n Kf (mg/g) R2
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Cr6+ bởi sinh khối vi tảo C.vulgaris cho thấy ở pH= 6 thì hiệu suất hấp phụ tốt nhất đạt 72,98% và hiệu quả hấp phụ Cr trên bề mặt tảo tối đa 11,13 mg/dm2 trong nước thải dệt nhuộm.
1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ vi tảo C.vulgaris đến khả năng hấp phụ Cr6+ đạt hiệu suất xử lý 93,59% ở mật độ tảo 15x106 tế bào/ml. Tuy nhiên, hiệu quả hấp phụ cao nhất đạt 31,22mg/dm2 ở mật độ tảo 5x106 tế bào/ml trong nước thải dệt nhuộm.
1.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ ban đầu Crom cho thấy vi tảo có khả năng loại bỏ Cr6+ trong nước thải dệt nhuộm ở nồng độ Crom ban đầu 70mg/l đạt hiệu suất cao nhất 100% và hiệu quả hấp phụ bề mặt đạt 17,3mg/dm2.
1.4. Quá trình hấp phụ Cr trên bề mặt vi tảo C.vulgaris tuân theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Frendlich với khả năng hấp phụ tương đối của sinh khối tảo đạt 5,65 mg/g và quá trình hấp phụ đơn lớp trên các tâm hấp phụ có năng lượng không đồng nhất.
2. Kiến nghị
2.1. Đánh giá khả năng xử lý các kim loại khác bằng sinh khối của vi tảo
C.vulgaris
2.2. Ứng dụng vi tảo C.vulgaris để xử lý các dạng nước thải khác đặc biệt là các loại nước thải công nghiệp chứa nhiều kim loại nặng khác nhau.
2.3. Nghiên cứu động học hấp phụ ở các kim loại khác để so sánh mức độ hấp phụ của vi tảo C.vulgaris trong nước thải. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt
[1]. Phạm Thanh Duy, "Loại bỏ kim loại nặng (Pb, Zn) từ môi trường nước sử dụng tảo Spirulina platensis", researchgate, 2020.
[2]. H. N. Hà, “Ô nhiễm kim loại nặng từ bãi chôn lấp rác thải đến môi trường đất : Bãi chôn lấp Kiêu Kỵ - Gia Lâm - Hà Nội,” vol. 2, pp. 86–94, 2018.
[3]. Nguyễn Mạnh Hà, “Đánh giá sự phân bố và xu hướng ô nhiễm của các kim loại nặng trong trầm tích ở một số địa điểm thuộc vùng biển từ Nghệ An đến Quảng Trị, Việt Nam,” Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, vol. 32, no. 4, pp. 184–191, 2016.
[4]. V. V. Minh, N. V. Khánh, K. T. Kính, and V. T. P. Anh, “HÀM L ƯỢ NG Cd , Pb , Cr và Hg TRONG TR Ầ M TÍCH VÀ TRONG LOÀI H Ế N ( Corbicula subsulcata ) Ở M Ộ T S Ố C Ử A SÔNG KHU V Ự C MI Ề N TRUNG , VI Ệ T NAM,” vol. 36, no. 3, pp. 378–384, 2014.
[5]. Trần Ngọc Sơn," Nghiên cứu loại bỏ ion Mangan (Mn) bằng tảo Chlorella Vulgaris",tạp chí môi trường, 2020.
[6]. Nguyễn Viết Thành, “Nghiên cứu hàm lượng một số kim loại nặng trong đất nông nghiệp do ảnh hưởng của nước tưới sông Nhuệ,” pp. 1–42, 2012.
Tài liệu nước ngoài
[7]. A. A. Hamdy, “Biosorption of heavy metals by marine algae,” Curr. Microbiol., vol. 41, no. 4, pp. 232–238, 2000.
[8]. A. Ahmad, A. H. Bhat, and A. Buang, “Biosorption of transition metals by freely suspended and Ca-alginate immobilised with C.vulgaris: Kinetic and equilibrium modeling,” J. Clean. Prod., vol. 171, pp. 1361–1375, 2018. [9]. A. Bagus Pradana, L. Buchori, and C. Sri Budiyati, “Biosorption of Heavy Metal
Cu 2+ and Cr 2+ in Textile Wastewater by Using Immobilized Algae,” Res. J. Appl. Sci. Eng. Technol., vol. 7, no. 17, pp. 3539–3543, 2014.