V (ml) C (ppb) V (ml) C (ppb) V (ml) C (ppb) 50 2,50 400 10,0 750 45,0 100 7,50 450 9,50 800 45,0 150 7,50 500 11,0 850 47,5 200 9,50 550 18,0 900 50,0 250 9,50 600 30,5 950 50,0 300 8,50 650 35,0 350 9,50 700 37,5
Hình 3.10 Đường cong hấp phụ động
Kết quả chạy hấp phụ động trên cột cho thấy VL2 3% có thể sử dụng tốt cho q trình xử lý asen trong nƣớc cấp thơng qua cột hấp phụ. Từ đồ thị trên hình 3.10 có thể thấy rằng các phân đoạn từ một đến mƣời đều cho giá trị nồng độ asen ở ngƣỡng cho phép theo khuyến cáo của WHO về nồng độ asen trong nƣớc ăn uống (10 ppb). Thí nghiệm với 2 gam than trên cột đƣờng kính 1 cm và tốc độ dịng chảy là 2 ml/phút không thể cho ra những số liệu để đánh giá cho khả năng xử lý thực tế của vật liệu; song qua kết quả này có thể thấy khả năng ứng dụng của vật liệu.
3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ mangan của vật liệu
3.3.1. Thời gian cân bằng hấp phụ mangan của vật liệu VL1 3% và VL2 3%
Lấy 0,5g các VL1 và VL2 có hàm lƣợng Fe3O4/than bằng 3% cho vào bình nón dung tích 250 ml đã có sẵn 50ml dung dịch Mn2+ có nồng độ 1ppm. Tiến hành hấp phụ trên máy lắc trong thời gian từ 5 phút đến 240 phút. Sau mỗi khoảng thời gian nhất định mẫu dung dịch đƣợc lấy ra đem phân tích nồng độ mangan còn lại. Kết quả khảo sát đƣợc trình bày trên bảng 3.11 và hình 3.11; 3.12.
0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 C (p p b ) Số phân đoạn
Bảng 3.11 Kết quả khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ Mn2+ của VL1 3% và VL2 3% Thời gian (phút) VL1 3% VL2 3% Abs Ce (mg/L) qe (mg/g) Abs Ce (mg/L) qe (mg/g) 5 0,128 0,586 0,041 0,132 0,576 0,042 10 0,131 0,566 0,043 0,130 0,556 0,044 20 0,130 0,556 0,044 0,126 0,517 0,048 30 0,129 0,517 0,048 0,126 0,497 0,050 60 0,126 0,497 0,050 0,124 0,477 0,052 120 0,128 0,507 0,049 0,127 0,487 0,051 180 0,126 0,497 0,050 0,130 0,487 0,051 240 0,119 0,505 0,048 0,117 0,485 0,050
Hình 3.11 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ Mn2+ của VL1 3%
Hình 3.12 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ Mn2+ của VL2 3%
Kết quả khảo sát đối với cả hai vật liệu đều cho thấy tốc độ hấp phụ khá nhanh và gần nhƣ là tƣơng đƣơng nhau. Đồng thời thời gian để đạt cân bằng hấp phụ đối
0,48 0,5 0,52 0,54 0,56 0,58 0,6 0 50 100 150 200 250 300 Ce (m g/L) t (phút) 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0 50 100 150 200 250 300 Ce (m g/ L) t (phút)
với cả hai vật liệu đều là khoảng 60 phút. Vì vậy các nghiên cứu tiếp theo đều sẽ sử dụng thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 60 phút.
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Mn2+ của vật liệu VL1 3% và VL2 3%
Lấy 0,5g các VL1 và VL2 có hàm lƣợng Fe3O4/than bằng 3% cho vào 50ml dung dịch Mn2+ có nồng độ 1ppm ở các giá trị pH từ 4 - 10. Tiến hành lắc đến thời gian cân bằng. Dung dịch đƣợc lọc qua giấy băng xanh và đem phân tích nồng độ mangan cịn lại. Kết quả đƣợc trình bày trên bảng 3.12 và hình 3.13.
Bảng 3.12 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Mn2+ của VL1 3% và VL 2 3% pH VL1 3% Ce (mg/L) VL2 3% Ce (mg/L) 4 1,197 1,102 5 1,217 1,079 6 0,596 0,467 7 0,152 0,161 8 0,112 0,170 9 0,093 0,202 10 0,162 0,371
Hình 3.13 Khả năng hấp phụ Mn2+ của VL1 3% và VL2 3% ở các giá trị pH
Kết quả trên hình 3.13 cho thấy ở các giá trị pH nhỏ hơn 5 ion mangan hầu nhƣ không hấp phụ đƣợc trên cả hai vật liệu và ở giá trị pH = 7 thì nồng độ mangan cịn lại trong dung dịch sau hấp phụ là nhỏ nhất, chứng tỏ tại pH này các vật liệu hấp phụ rất tốt đối với ion mangan(II). Sau giá trị pH = 7 đến pH = 10, nồng độ mangan trong dung dịch đều có xu hƣớng tăng lên. Vì thế pH = 7 là giá trị tối ƣu để hấp phụ Mn2+.
3.3.3. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của Mn2+ trên vật liệu VL1 3% và VL2 3%
Khảo sát đƣợc tiến hành với các điều kiện nhƣ trình bày ở mục 3.3.2. nhƣng pH đƣợc xác định bằng 7 và nồng độ mangan trong dung dịch tăng dần từ 1 đến 50 mg/L. Kết quả khảo sát đƣợc trình bày trên bảng 3.13 (VL1 3%) và bảng 3.14 (VL2 3%) và hình 3.14; hình 3.15. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 4 5 6 7 8 9 10 Ce (m g/ L) pH VL1 (3%) VL2 (3%)
Bảng 3.13 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Mn2+của VL1 3% C0 (ppm) Ce (ppm) qe Ce/qe 1 0,497 0,050 9,881 2 0,904 0,11 8,248 5 2,301 0,27 8,525 10 6,205 0,380 16,35 20 15,6 0,44 35,455 30 25,512 0,449 56,845 50 45,05 0,495 91,01
Hình 3.14 Đường đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Mn2+ của VL1 3%
y = 1,897x + 6,291 R² = 0,996 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 Ce /q e Ce(mg/L) VL1 3%
Dựa vào đồ thị ta thấy phƣơng trình Langmuir có dạng: y = 1,897x + 6,291, R² = 0,996
Qua đó ta có thể xác định đƣợc tải trọng hấp phụ cực đại của VL1 3% đối với Mn2+ là: qmax = 1 1,897 = 0,527 (mg/g) Hằng số hấp phụ : b = 1,897 6,291 = 0,302 (l/mg)
Bảng 3.14 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Mn2+ của VL2 3%
C0 (ppm) Ce (ppm) qe (mg/g) Ce/qe 1 0,458 0,054 8,450 2 0,703 0,130 5,420 5 1,712 0,329 5,207 10 6,012 0,399 15,075 20 14,3 0,57 25,088 30 24,62 0,538 45,762 50 44,5 0,55 80,909
Hình 3.15 Đường đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Mn2+ của VL2 3%
Phƣơng trình Langmuir có dạng:
y = 1,699x + 4,152 , R² = 0,993
Qua đó ta có thể xác định đƣợc tải trọng hấp phụ cực đại của VL2 3% đối với Mn2+ là: 𝑞𝑚𝑎𝑥 = 1 1,699 = 0,589(mg/g) Hằng số hấp phụ : 𝑏 = 1,699 4,152 =0,409(l/mg)
Từ các kết quả trên cho thấy khả năng hấp phụ của vật liệu đối với ion Mn(II) là khơng tốt. Vì ở các giá trị pH nhỏ hơn pHpzc khi bề mặt vật liệu mang hiệu ứng điện tích dƣơng mà mangan lại ở dạng ion Mn2+ cho nên cơ chế hấp phụ tĩnh điện là không thể xảy ra. Phần nhỏ mangan bị hấp phụ có thể là do cơ chế trao đổi ion với các nhóm chức carboxylic trên than hoạt tính oxi hóa hoặc cơ chế hấp phụ Mn(II) qua cầu O với sắt từ trên bề mặt than (Fe-O-Mn). Khả năng hấp phụ theo cơ chế này thấp, dẫn đến khả năng hấp phụ Mn thấp. y = 1,699x + 4,152 R² = 0,993 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 Ce /q e Ce(ppm)
KẾT LUẬN
Sau quá trình làm luận văn, chúng tơi rút ra một số kết luận chính về khả năng biến tính than hoạt tính làm vật liệu xử lý asen và kim loại nặng trong nƣớc sinh hoạt nhƣ sau:
1. Đã điều chế thành công vật liệu oxit sắt từ gắn lên bề mặt than hoạt tính bằng hai quy trình: (1) là lợi dụng tính chất khử của bề mặt than hoạt tính khử một phần Fe(III) về Fe(II) để tạo oxit sắt từ và (2) là trộn tỷ lệ Fe(III) và Fe(II) theo công thức sắt từ và thủy phân tạo kết tủa ngay trên bề mặt than với các tỷ lệ sắt từ/than khác nhau làm vật liệu hấp phụ asen và kim loại nặng (đại diện là Mn) trong nƣớc cấp sinh hoạt.
2. Đã nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ asen(V) và mangan(II) của các vật liệu điều chế theo hai phƣơng pháp nói trên. Hàm lƣợng oxit sắt từ/than cho khả năng xử lý tốt từ 3% đến 5%. Với hàm lƣợng thấp hơn hoặc cao hơn đều cho khả năng xử lý không cao.
3. Để xử lý asen, thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 60 phút tại pH = 6 và khả năng xử lý asen của VL2 3% tốt hơn VL1 3%. Tải trọng hấp phụ asen của VL1 3% là 1,681 (mg/g), VL2 1% là 2,212 (mg/g), VL2 3% là 2,506 (mg/g) và VL2 5% là 2,898 (mg/g).
4. Bƣớc đầu nghiên cứu khả năng hấp phụ động asen của VL2 3% cho thấy VL2 3% có khả năng xử lý asen bằng hấp phụ động với mẫu nƣớc tại tổ 4, Phúc Lợi, Long Biên.
5. Nghiên cứu xử lý Mn2+ cho thấy thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 60 phút tại pH = 7. Tuy khả năng xử lý Mn2+ của VL2 3% tốt hơn VL1 3% nhƣng tải trọng hấp phụ Mn2+ của VL1 3% và VL2 3% đều rất thấp (tƣơng ứng là 0,527 mg/g và 0,589 mg/g). Nguyên nhân đƣợc lý giải chủ yếu là do hiệu ứng điện tích bề mặt vật liệu trƣớc và sau giá trị pHpzc.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng việt
1. Hồng Ngọc Cang (1963), Hóa vơ cơ, NXB Giáo dục, Hà Nội.
2. Hoàng Ngọc Cang (2001), Hồng Nhâm, Hóa vơ cơ (tập 2), NXB Giáo dục. 3. Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong kĩ thuật xử lí nước và
nước thải, NXB Thống kê, Hà Nội.
4. Vũ Đình Cự, Từ học, NXB Khoa học Kỹ thuật.
5. Đặng Văn Can, Đ.T Sự, H.V Bính, Đ.N Phong và Đ.T.N Huyền (2008), “Nguy cơ ô nhiễm asen trong môi trƣờng tự nhiên ở Việt Nam và giải pháp phịng ngừa”,
Tạp chí địa chất, 308.
6. Vũ Đăng Độ (1999), Hóa học và sự ơ nhiễm môi trường , NXB Giáo dục, Hà Nội.
7. Trần Hồng Côn, Đặng Kim Loan (2005), Động học xúc tác, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Hà Nội.
8. Trần Tứ Hiếu, Lâm Ngọc Thụ (2000), Phân tích định tính, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Hà Nội.
9. Trịnh Lê Hùng (2006), Kỹ thuật xử lý nước thải, NXB Giáo dục, Hà Nội.
10. Đỗ Ngọc Khê, Tô Văn Thiệp, Nguyễn Văn Hồng, Đỗ Bình Minh (2007), “Nghiên cứu đặc điểm đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ nitroglyxerin từ pha lỏng bằng một số loại than hoạt tính”, Tạp chí Hóa Học, 45(5), tr.619-623.
11. ILGLINK (1997), Hóa đại cương (tập 2 ), Lê Mậu Quyền dịch.
12. Trƣờng đại học Mỏ - Địa chất (2008), Báo cáo kết quả đề tài khoa học công nghệ năm 2007 – 2008: Nguồn gốc và sự phân bố Amoni và Asen trong các tầng chứa nước đồng bằng sông Hồng, Hà Nội.
13. Đặng Thị Quỳnh Lan (2015), Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng của một số vật
14. Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế (1998), Hóa lí Tập 2,
NXB Giáo dục, Hải Phịng.
15. Nguyễn Trọng Uyển (2003), Hóa học vô cơ , NXB ĐH sƣ phạm Hà Nội.
16. Trịnh Thị Thanh (2008), Độc học, môi trường và sức khỏe con người, NXB ĐHQGHN.
17. Vũ Minh Thắng (2012), Nghiên cứu xử lý Asen trong nước ngầm bằng vật liệu Zeolit biến tính đioxit mangan (MnO2), Luận văn thạc sỹ khoa học Môi
trƣờng, Đại học Khoa học Tự nhiên, Hà Nội.
18. Nguyễn Lê Thanh Vân (2012), Nghiên cứu phương pháp trắc quang xác định asen bằng thuốc thử Safranine, Luận văn thạc sĩ, Đại học khoa học Tự nhiên, Đại
học Quốc gia Hà Nội.
Tài liệu tiếng anh
19. Arsenic Contamination in Asia (2005), Aworld bank and water and sanitationprogram report, Mar.
20. Ajay Kumar Gupta, Mona Gupta (2005), Biomaterials 26 3995–4021
21. Bansal R.C., Goyal M.(2005), Activated Carbon Adsorption, Taylor & Francis Group, USA.
22. Chowdhury T.R., Basu G.K, Mandal B.K, Biswas B.K, Samanta G, ChowdhuryU.K, Chandra C.R, Lohd D, Roy S.L, Saha K.C, Roy S, Kabir S,Quamruzzaman Q and Chakraborti D (1999), “Arsenic poisoning in theGanges delta”, Nature, 401, 545-546.
23. Dinesh Mohan, Pittman Jr. (2007), “Arsenic Removal from Water/Wastewater Using Adsorbent-A Critical Review”, J.Hazard Mater, 142.
24. Dion E.Gile, Mamata Mohapatra, Touma B.Issa, Shashi Anand, Pritam Singh (2011), “Iron and aluminium based adsorption strategies for removing arsenic from water”, Journal of Environmental Management, 92, pp. 3011-
3022.
25. Ernest O. Kartinen Jr, Christopher J. Martin (1995), “An overview of arsenic removal processes”, Desalination, 103, pp. 79-88.
26. Eid I.Brima, Parvez I.Haris, Richard O.Jenkins, Dave A.Polya, Andrew G.Gault, Chris F.Harrington (2006), “Understanding arsenic metabolism through a comparative study of arsenic levels in the urine, hair and fingernails of healthy volunteers from three unexposed ethnic groups in the United Kingdom”, Toxicology and Applied Pharmacology, 216, pp.
122 - 130.
27. Ilker Akin, Gulsin Arslan, Ali Tor, Mustafa Ersoz, Yunus Cengeloglu (2012), “Asenic (V) removal from underground water by magnetic nanoparticles synthesized fromwaste red mud”, Journal of Hazardous Materials, 235, pp. 62-68.
28. Moseley, H. G. J. (1913), “The high frequency spectra of the elements”, Phil. Mag, pp. 1024.
29. Marek Kosmulski (2002), “The pH-Dependent Surface Charging and the Points of Zero Charge”, Journal of Colloid and Interface Science, 253, pp. 77-87.
30. Monique Bissen, Fritz H Frmmel (2003), “Arsenic –a review. Part II: Oxidationof Arsenic and its Removal in Water Treatment”, Acta Hydrochim,
32(2), pp.81-1.
31. Marek Kosmulski (2004), “The pH-Dependent Surface Charging and the Points of Zero Charge II update”, Journal of Colloid and Interface Science, 275, pp. 214-224.
32. Marsh Harry, Rodriguez-Reinoso Francisco (2006), Activated Carbon, Elsevier, Spain.
33. Marek Kosmulski (2006), “The pH-Dependent Surface Charging and the Points of Zero Charge III update”, Journal of Colloid and Interface Science, 298, pp. 730-741.
34. Matthew Polizzoto, Benjamin D.Kocar, Shawn G. Benner, Michael Sampson and Scott Fredorf (2008),“Near Surface Wetland Sediments as a Source of Arsenic Release to Ground Water in Asia”, Nature, 454, pp. 505-508.
35. Massart, R. (1981). "Preparation of aqueous magnetic liquids in alkaline and acidic media", IEEE Transactions on Magnetics. 17 (2): 1247–1248.
36. Murday, J.S. (2002), AMPTIAC Newsletter , 6 (1), 5. 37. Massart R and Cabuil V 1987 J. Chem. Phys. 84 967.
38. Pradyot Patnaik. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0-07-049439-8
39. Paola Castaldi, Margherita Silvetti, Stefano Enzo, Pietro Melis (2010), “Study of sorption processes and FT-IR analysis of arsenate sorbed onto red muds (a bauxite ore processing waste”), Journal of Hazardous Materials,
175, pp. 172-178.
40. HuJ, LoIM, Chen G (2004), “Removal of Cr(VI) by Magnetite (Fe3O4) nanoparticles” Water Sci Technol, 50(12), pp. 139 - 46.
41. Sonia Aredes, Bern Klein, Marlk Pawlik (2013), “The removal of Arsenic fromwater using natural iron oxide minerals”, Journal of cleaner Production,
29-30, pp. 208-213.
42. Sugimoto T and Matijevic E 1980 J. Colloid Interface Sci. 74 227.
43. Yin Chun Yang, Aroua Mohd Kheireddine (2007), “Review of modifications of activated carbon for enhancing contaminant uptakes from aqueous solutions”,
Separation and Purification Technology, 52, pp. 403–415.
44. Virender K. Sharma, Mary Sohn (2009), “Aquatic arsenic: Toxicity,speciation, transformations, and remediation”, Environment International, 35, tr 743-759. 45. Rayner-Canham, Geoffrey and Overton (2003), “Tina Descriptive