Mẫu bùn thải sau khi lấy được vận chuyển về phịng thí nghiệm đem sấy khơ bằng máy NIIVE OVER KD200 ở nhiệt độ 80 - 1050C và được nghiền mịn và rây với kích thước 0,2 - 0,5 mm (SBC2-BR) (Hình 2) bằng máy MRC tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN. Sau đó, mẫu vật liệu được rửa lại bằng nước cất và được sấy khố ở nhiệt độ 105oC trước khi tiến hành thí nghiệm.
2.3. Thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn chế biến sắt Bản Cn
2.3.1. Hóa chất
Hóa chất sử dụng trong các thí nghiệm bao gồm các muối Mn(NO3)2; Cd(NO3)2.4H2O; Pb(NO3)2; Zn(NO3)2; Na2HAsO4.7H2O, NaNO3, NaOH, dung dịch HNO3. Nước thải dùng cho các thí nghiệm đều là nước thải chế tạo trong phịng thí nghiệm. Các mẫu đều được pha từ nước cất 2 lần.
2.3.2. Thí nghiệm xác định điểm điện tích khơng pHPZC
Điểm điện tích khơng (Point of zero charge - PZC) của bề mặt một chất là giá trị pH tại đó bề mặt vật liệu trung hịa về điện. Giá trị pHPZC có ý nghĩa lớn trong quá trình nghiên cứu hiện tượng hấp phụ. Phương pháp xác định dựa trên giả thiết là các proton H+ và các nhóm hydroxyl OH- là các ion quyết định điện tích, các hạt vật liệu trong dung dịch sẽ hấp thụ H+ hoặc OH-. Điện tích bề mặt của vật liệu phụ thuộc vào pH của dung dịch. Các nhóm chức trên bề mặt hạt vật liệu có thể liên kết hoặc không liên kết với proton, phụ thuộc vào đặc điểm của than hoạt tính và pH của dung dịch. Do đó, bề mặt của vật liệu sẽ tích điện dương khi kết hợp với proton của dung dịch trong môi trường axit và sẽ tích điện âm khi mất proton trong môi trường kiềm. Khi mơi trường có pH lớn hơn giá trị pHPZC thì tạo điều kiện thuận lợi để hấp phụ cation và ngược lại, khi mơi trường có pH nhỏ hơn giá trị pHPZC thì là điều kiện thuận lợi để hấp phụ cation.
Để xác định điểm điện tích khơng hút 100ml dung dịch NaNO3 0,01M vào các lọ sạch và điều chỉnh pH(1) dung dịch bằng NaOH hoặc HNO3 về các mức pH(1) = 3, 4, 5, 6, 7, 8. Cân 2g mẫu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn cho vào các
lọ chứa dung dịch đã được chỉnh pH ở trên. Đậy kín nắp, dán nhãn và đưa vào lắc trong vòng 24 giờ, với tốc độ 120 vòng/phút. Đo lại các giá trị pH(2) sau khi lắc. Thực hiện thí nghiệm lặp để đảm bảo độ tin cậy.
Kết quả và nhận xét: Xác định sự biến đổi pH trước và sau khi kết thúc thí nghiệm:
∆pH= pH(1) - pH(2) (8)
Ghi chú: pH(1): pH trước khi thực hiện thí nghiệm; pH(2): là pH sau khi thực hiện thí nghiệm.
2.3.3. Thí nghiệm ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ kim loại nặng
Pha các dung dịch Mn, Pb, Zn, Cd, As có nồng độ 20mg/l trong nồng độ chất điện phân NaNO3 0,01M. Điều chỉnh pH các dung dịch vừa pha tại các giá trị pH lần lượt 1; 3; 5,5; 7; 8; 10; 12. Đong 100ml dung dịch trên vào những lọ được ghi nhãn, giá trị pH khác nhau và có chứa 2g chất hấp phụ. Đậy kín nắp, dán nhãn và đưa vào lắc trong vòng 24 giờ, với tốc độ 120 vịng/phút, chú ý kiểm sốt pH ~5,5.
2.3.4. Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng hạt vật liệu đến khả năng hấp phụ kim loại nặng phụ kim loại nặng
Pha dung dịch Mn, Pb, Zn, Cd, As có nồng độ 20 mg/l từ dung dịch chuẩn Merck 1000 mg/l trong dung môi NaNO3 0,01 M, điều chỉnh pH mẫu ~ 5,5. Cân vật liệu với các khối lượng khác nhau 1 g, 2 g, 4 g, 8 g bằng cân phân tích, sau đó bỏ vào các lọ mẫu. Ghi nhãn tên mẫu và khối lượng tương ứng. Định mức các lọ mẫu có chứa các vật liệu với khối lượng (g) khác nhau lên 100 ml bởi dung dịch Mn, Pb, Zn, Cd, As có nồng độ 20 mg/l. Ghi nhãn và đem đi lắc với tốc độ 120 vòng/phút trong vịng 24h. Chú ý kiểm sốt pH ~ 5,5.
Nhận xét kết quả:
Tính dung lượng hấp phụ của vật liệu theo công thức:
Ghi chú: qe: Dung lượng hấp phụ của vật liệu (mg/kg); Co: Nồng độ ion kim
loại ban đầu (mg/l); Ce: Nồng độ ion kim loại ở trạng thái cân bằng hấp phụ được thiết lập (mg/l); m: khối lượng vật liệu (g); V: Thể tích dung dịch (ml).
Xây dựng đường biểu diễn mối quan hệ giữa qe và tỷ lệ khối lượng vật liệu để lựa chọn được khối lượng vật liệu phù hợp cho việc thiết kế thí nghiệm.
Tính hiệu suất hấp phụ của vật liệu với từng kim loại theo công thức sau:
(10)
2.3.5. Thí nghiệm ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tới khả năng hấp phụ kim loại nặng loại nặng
Pha các dung dịch Mn, Pb, Zn, Cd, As có nồng độ 20mg/l trong nồng độ chất điện phân NaNO3 0,01M. Đong 100ml dung dịch trên đã chuẩn bị vào những lọ được ghi nhãn, thời gian khác nhau và có chứa 2g chất hấp phụ. Tiến hành lắc trong 10 phút, 30 phút, 1, 3, 6, 12 và 24 giờ với tốc độ 120 vịng/phút, chú ý kiểm sốt pH ~5,5.
Dựa vào nồng độ kim loại cịn lại sau hấp phụ, tính dung lượng hấp phụ của
chất hấp phụ theo cơng thức 9 và tính hiệu suất hấp phụ theo cơng thức 10.
Vẽ phương trình động học và tính tốn các thơng số mơ hình động học hấp phụ bậc 1 và bậc 2 dựa vào các công thức 4, 5, 6, và 7.
2.3.6. Thí nghiệm ảnh hưởng của nồng độ tới khả năng hấp phụ kim loại nặng
Pha các dung dich Mn, Pb, Zn, Cd, As với các nồng độ ban đầu (Co) khác nhau: 2,5; 5; 10; 20 và 50 mg/l, nồng độ chất điện phân NaNO3 0,01 M, chỉnh pH 5,5. Cân 2g khối lương bùn thải, cho các lọ sạch đã đựng dung dịch phía trên. Đong 100ml dung dịch dung dịch kim loại với nồng độ Co khác nhau đã chuẩn bị vào những lọ sạch đã chứa bùn thải, lắc trong 24h với tốc độ 120 vịng/phút, trong q trình lắc chú ý kiểm sốt pH ~ 5,5.
Dựa vào nồng độ kim loại cịn lại sau hấp phụ, tính dung lượng hấp phụ của chất hấp phụ theo cơng thức 9 và tính hiệu suất hấp phụ theo công thức 10.
Vẽ đường hấp phụ đẳng nhiệt Langnuir và Freundlich và tính tốn các thơng số mơ hình động học hấp phụ bậc 1 và bậc 2 dựa vào các công thức 1, 2 và 3.
2.4. Phƣơng pháp xử lý và phân tích mẫu
2.4.1. Nhóm phương pháp xác định đặc trưng khả năng hấp phụ của vật liệu
Thành phần khoáng vật của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X đối với mẫu bột (X-ray Diffraction - XRD) (D5005, Siemens) sử dụng bức xạ Cu (Kα1,2) ở hiệu điện thế 40 kV, dòng điện 30 mA (khoảng đo: 3,0-70,0 °2θ; bước đo: 0,02 °2θ). Điện tích bề mặt và các nhóm chức hoạt động của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn lần lượt được xác định bằng phương pháp phân tích thế điện động của dung dịch khi có dịng chuyển động (PCD - Mütek 05) và phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (Fourier Transform Infrared Spectroscopy -FTIR) (FTIR Spectrometer - Nicolet iS5, Thermo Scientific). Hình thái cấu trúc bề mặt vật liệu được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các phân tích trên được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Diện tích bề mặt bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn được xác định bằng phương pháp phân tích Brunauer-Emmet- Teller (BET) (Gemini VII 2390 Surface Area Analyzer, Micromeritics) tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
2.4.2. Phương pháp xác định hàm lượng kim loại nặng trong nước và vật liệu
Quy trình phá mẫu vật liệu: Sau thí nghiệm hấp phụ, mẫu vật liệu còn lại
được đem sấy khơ ở nhiệt độ 60oC trong 24h. Sau đó tiến hành phá mẫu 4 mẫu vật liệu trước và sau khi hấp phụ được phá bằng lị vi sóng (Hình 3).
Mẫu nước trước khi phân tích mẫu nước được lọc qua giấy lọc 0,45µm. Hàm lượng các KLN trong mẫu nước, vật liệu trước và sau thí nghiệm được xác định bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) (240FS, VGA77, Agilent) tại Phịng thí nghiệm trọng điểm Địa môi trường và Ứng phó biến đổi khí hậu,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Tổng số mẫu phân tích (chưa tính thí nghiệp lặp) được thể hiện trong bảng 2. Các mẫu trắng và mẫu chuẩn được sử dụng nhằm kiểm soát kết quả phân tích.