CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.3. Tổng quan về vật liệu zeolit biến tính bởi Fe
1.3.3. Vật liệu zeolit biến tính bởi Fe
Một số lượng lớn các nghiên cứu đã được tiến hành để nghiên cứu về cơ chế hấp phụ As bởi các khoáng sét, oxit kim loại,... Cả hai loại zeolit tự nhiên và tổng hợp đã được nghiên cứu để hấp phụ của As. Clinoptilolite tự nhiên có dung lượng hấp thụ lên đến 25 mg/kg As (V). Với nồng độ ban đầu là 100 µg/L, vật liệu thơ chứa chabazite-phillipsite đạt hiệu quả hấp thụ As lên tới 60 - 80%.
Zeolit cũng được sử dụng như một chất nền với Fe biến tính. Phương pháp kiềm hóa có thể làm tăng đáng kể sự hấp thu của Fe trên zeolite ZSM5. Zeolit tự nhiên biến tính bởi Fe (II) đã tăng đáng kể sự hấp phụ chọn lọc đối với As (V). Sự gia tăng đáng kể của Fe (III) chủ yếu là do sự tích tụ của FeOOH và Fe (III) oxit trong quá trình biến tính. Fe (II) nano dạng hạt cũng được sử dụng để biến tính kaolinit và zeolite để tăng cường hấp phụ As (V).
Có nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để đánh giá sự hấp phụ As (III) và As(V) của zeolit biến tính với Fe (III), tỉ lệ ban đầu của Fe (III) được sử dụng để biến tính zeolit thay đổi từ 0,02 mol/kg đến 4 mol/kg. pH dung dịch khi thực hiện biến tính Fe thay đổi từ pH3,6 đến pH10, trong khi nhiệt độ dung dịch dao động từ nhiệt độ phòng đến 1500C.
Zhaohui Li (2011) và các cộng sự đã biến tính zeolit clinoptilolite với Fe(III) để hấp phụ As cho kết quả rất tốt. Dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu này với As(III) là 100 mg/kg và với As(V) là 50 mg/kg.
Elvis Anup Shukla (2013) và các cộng sự đã chế tạo vật liệu hấp phụ As(III) là zeolit biến tính bằng sắt nhân tạo tổng hợp từ tro bay. Dung dịch Fe sử dụng để biến tính là Fe(NO3)3. Dung lượng hấp phụ cực đại đạt được là 40,48 µmol/g.
Cơ chế hấp phụ As của zeolit là quá trình trao đổi ion giữa các gốc hydroxyl aluminol với các dạng tồn tại của anion As trong dung dịch. Khi zeolit tiếp xúc với dung dịch, các gốc hydroxyl aluminol và silanol sẽ gia tăng trên rìa tinh thể zeolit.
Quá trình hấp phụ As bằng vật liệu zeolit phụ thuộc vào trạng thái proton chiếm ưu thế trên bề mặt gốc aluminol và dạng anion của asenat trong dung dịch.
Các gốc aluminol là các tâm phản ứng của quá trình hấp phụ. Trong khi đó, gốc silanol xuất hiện trên rìa tinh thể zeolit sẽ làm giảm khả năng hấp phụ của zeolit.
Theo Zhaohui Li, trong điều kiện có tính axit, sự biến tính clinoptilolite bởi Fe (III) là do trao đổi cation và bị ảnh hưởng bởi hóa trị, năng lượng tự do hydrat hóa, và khả năng ngậm nước của Fe (III). Sự tăng của pH dung dịch sau khi Fe (III) hấp phụ trong q trình biến tính có thể dẫn đến sự hình thành Fe(OH)3. Dưới các điều kiện thí nghiệm, các hợp chất As có trong dung dịch là H2AsO4 -, HAsO4 2- và H3AsO3. Các phản ứng phức tạp tại bề mặt cho sự hấp phụ asenat và asenit như sau:
Z–[Fe–OH](s)+H2AsO4−→Z–Fe–HAsO4−(s) +H2O (1) Z–[Fe–OH](s)+HAsO42−→Z–Fe–AsO42−(s) +H2O (2) Z–[Fe–OH](s)+H3AsO3→Z–Fe–H2AsO3(s) +H2O (3)
Ở một trường hợp khác, Carrillo and Drever (1998) giải thích cơ chế hấp phụ như sau: sắt có thể tạo phức với arsenic như FeH2AsO4 và FeH2AsO3. Khi zeolit biến tính với sắt tạo ra phức ZFeH2AsO4 và ZFeH2AsO3.
Fe(s)-OH + H+ ⇆ Fe(s)-OH2+ Fe(s)-OH + H+ ⇆ H+ + Fe(s)-O-
Phức hình thành trong vật liệu zeolit biến tính Fe là ZFe-OH + H+ ⇆ ZFe-OH2+
ZFe(s)-OH + H+ ⇆ H+ + ZFe-O-
Trong trường hợp hấp phụ As(V) như anion như H2AsO42- có thể được hấp thụ thơng qua tương tác tĩnh điện (lực Cu-lơng) khơng rõ ràng, hoặc có thể phải trải qua các phản ứng trao đổi phối tử trực tiếp:
ZFe-OH + H2AsO4- ⇆ ZFe-OAsO3H + OH- ZFe-OH + H2AsO42- ⇆ ZFe-OAsO3H- + OH- 2ZFe-OH + H2AsO4- ⇆ 2ZFe-O-AsO2H + 2OH-
Với hấp phụ As(III) phản ứng xảy ra như sau:
ZFe-OH + H3AsO3 ⇆ ZFe-OAsO2H2 + H2O
Do tính chất khơng đồng nhất của zeolit tự nhiên, các đường đẳng nhiệt Freundlich Langmuir được coi là một mơ hình thích hợp hơn cho mơ hình hấp phụ As (III) và As (V).
Zeolit biến tính bởi Fe đã được biết đến là một chất hấp phụ hiệu quả đối với kim loại nặng do các điện tích âm trên bề mặt hoặc có dung lượng trao đổi cation (CEC). Việc nghiên cứu hấp phụ As trong nước trên Zeolit biến tính bởi Fe được thực hiện nhiều nhất bởi độc tính của As và ảnh hưởng của nó đến người dân nhiều nước trên thế giới. Vật liệu này có thể kết hợp với các loại vật liệu khác để tăng tính
hiệu quả trong xử lý asen trong nước. Điều này mở ra hướng sử dụng hợp lý nguồn tro bay phát thải để chế tạo vật liệu mới với chi phí thấp trong xử lý mơi trường.