VẬT LIỆU MANG THAN HOẠT TÍNH

1.3.1. Tính chất của than hoạt tính

Than hoạt tính là vật liệu xốp, có diện tích bề mặt riêng lớn 800 – 1500m2/g, thể tích lỗ xốp 0,2 – 0,8 cm3/g, không tan trong nƣớc, phổ biến, dễ sản xuất, giá thành thấp. Nhờ đó, than hoạt tính trở thành chất mang tiềm năng trong lĩnh vực hấp phụ kim loại nặng và các hợp chất của kim loại nặng.

Diện tích bề mặt than hoạt tính lớn do lỗ xốp nhỏ, có bán kính < 2 nm. Khoảng cách (k ch thƣớc nguyên tử) đƣợc mở ra bởi sự thoát ra của các nguyên tử khác, sự di trú của nguyên tử cacbon và các liên kết tạo ra mạng xốp. Q trình hoạt hóa làm tăng thể t ch, đƣờng kính lỗ xốp.

Tính axit bề mặt của than hoạt tính ảnh hƣởng mạnh đến khả năng hấp phụ và phụ thuộc vào sự có mặt của nhóm chức bề mặt cacbon-oxi, những nhóm này ảnh hƣởng mạnh nhất đến đặc trƣng bề mặt nhƣ t nh ƣa nƣớc, độ phân cực, tính axit, và đặc t nh hóa lý nhƣ khả năng xúc tác, dẫn điện, khả năng phản ứng của các vật liệu. Dạng nhóm cacbon–oxi bề mặt (axit, bazơ và trung t nh) đƣợc tạo thành

khi than đƣợc xử lý với oxi ở nhiệt độ trên 400oC hoặc bằng phản ứng với dung dịch oxi hóa ở nhiệt độ phịng. Các nhóm chức này là cacboxylic, lacton và phenol làm cho bề mặt than ƣa nƣớc và phân cực.

Một dạng bề mặt than hoạt t nh đã oxy hóa đƣợc mơ tả ở hình dƣới đây[11]:

Hình 1.10. Bề mặt than hoạt t nh đã đƣợc oxi hóa 1.3.2. Ứng dụng của than hoạt tính 1.3.2. Ứng dụng của than hoạt tính

Than hoạt tính là vật liệu hấp phụ asen phổ biến. Eguez H.E. và Cho E.H. đã nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III), As(V) của than hoạt tính ở các pH khác nhau, ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sự hấp phụ có thể xác định đƣợc nhờ đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ[36].

Một số các nghiên cứu cố định cacbon với sắt oxit để cải thiện khả năng hấp phụ asen của vật liệu. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu có khả năng hấp phụ As(III), As(V) cao hơn so với sắt oxit và than ban đầu[55].

Rajakovic và Mitrovic đã chứng minh đƣợc hoạt hóa than hoạt tính sẽ làm tăng dung lƣợng hấp phụ asen[81]. Lorenzen cùng các cộng sự đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến cơ chế hấp phụ asen của than hoạt t nh nhƣ: pH của dung dịch, dạng thù hình của than hoạt tính, phƣơng pháp xử lí than hoạt tính và các chất cố định trên than hoạt tính.

Một số kết quả nghiên cứu cho thấy các oxit kim loại nhƣ sắt oxit hoặc nhôm oxit khi kết hợp với than hoạt tính có khả năng xử lý selen tốt hơn do sự tạo phức chất bề mặt giữa selen với các trung tâm phản ứng trên bề mặt vật liệu. Yiqiang Zhang cùng các cộng sự[109] đã cố định sắt oxit trên than hoạt tính dạng hạt cho hiệu quả xử lí cao Se(IV) ra khỏi nguồn nƣớc thải. Tuy nhiên, dung lƣợng hấp phụ Se(IV) và khả năng hấp phụ chọn lọc của vật liệu tƣơng đối thấp. Vì vậy, các tác giả

đã nghiên cứu hấp phụ Se(IV) ở trên vật liệu than hoạt tính dạng hạt và than hoạt tính dạng bột cố định với dung dịch FeCl3 0,1 M. Kết quả nghiên cứu cho thấy sau khi cố định Fe(III) lên trên bề mặt than hoạt t nh đã làm tăng khả năng hấp phụ Se(IV) của vật liệu. Mặt khác than hoạt tính cố định các kim loại khác để hấp phụ các hợp chất hữu cơ và vô cơ của selen cũng đã đƣợc các tác giả này nghiên cứu.

Bertolino F.A. và các cộng sự (2006)[21] đã sử dụng than hoạt tính kết hợp với axit L-Ascorbic để hấp phụ Se(IV) và khử Se(IV) về Se nguyên tố. Sau đó toàn bộ lƣợng selen bị hấp phụ đƣợc oxi hóa bằng dung dịch bromat trong môi trƣờng axit. Hiện nay, trên thế giới đã có một số cơng trình nghiên cứu cố định Zr(IV) trên than hoạt t nh để ứng dụng trong lĩnh vực hấp phụ[40, 101].

Sirpa P. và các cộng sự (1994)[90] đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ zirconi cố định trên than gỗ hoạt t nh để hấp phụ asen, selen và thủy ngân trong nƣớc. Các tác giả này đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng tới khả năng hấp phụ của vật liệu nhƣ: thời gian hấp phụ, lƣợng chất hấp phụ, pH, nồng độ của chất bị hấp phụ, thể tích mẫu và trạng thái oxi hóa của chất hấp phụ.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở pH 2-8 As(III) không bị hấp phụ trên than gỗ hoạt t nh nhƣng As(V) bị hấp phụ nhiều. Đối với selen thì cả selenit và selenat hầu nhƣ không bị hấp phụ chỉ sau khi Se(IV) và Se(VI) bị khử về selen nguyên tố bằng axit L-Ascobic thì selen nguyên tố mới bị hấp phụ.

Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng hấp phụ của vật liệu Zr/C giảm theo thứ tự As(V) > Se(IV) > Se(VI) >> As(III).

Vật liệu zirconi cố định trên than gỗ hoạt tính có khả năng hấp phụ tốt hơn hai vật liệu riêng rẽ ban đầu. Nhƣ vậy bằng cách cố định Zr(IV) trên than gỗ hoạt tính đã cải thiện đáng kể khả năng hấp phụ asen, selen của than gỗ. Trạng thái oxi hóa của selen ảnh hƣởng rất ít đến sự hấp phụ của vật liệu. Đối với asen thì As(V) bị hấp phụ tốt hơn As(III). Sự thay đổi pH trong khoảng pH < 10 không ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ asen, selen của vật liệu. Sự hấp phụ asen và selen ở trên vật liệu Zr/C có thể là do phản ứng giữa các ion Zr4+ với các kim loại này và một phần với than gỗ hoạt tính. Zr/C là vật liệu hấp phụ đầy hứa hẹn để loại bỏ As(V), Se(IV)

và Se(VI) trong nƣớc. Hoạt hóa bề mặt sẽ làm tăng hoạt tính bề mặt của than. Các tác giả đã sử dụng vật liệu Zr-C để hấp phụ asen, selen hữu cơ[80].

Đỗ Quang Trung cùng các cộng sự[14] đã tổng hợp thành công vật liệu hấp phụ, Zr(IV) cố định trên than hoạt tính Trà Bắc ở các điều kiện khác nhau theo phƣơng pháp kết tủa, ở dạng vơ định hình, pH hấp phụ asen tối ƣu 4 - 8, thời gian đạt cân bằng hấp phụ 5 giờ, dung lƣợng hấp phụ asen cực đại của vật liệu 35,09 mg/g. Các tác giả cũng chỉ ra ion NO3- và PO43- ảnh hƣởng mạnh, cịn các ion Cl-, F- , CO32- ít ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu. Vật liệu có thể đƣợc tái sinh bởi dung dịch NaOH 0,5 M.

Từ các tài liệu đã đƣợc công bố, chúng tơi có thể đƣa ra một số nhận xét sau: +) Vật liệu zirconi hyđroxit đã đƣợc tổng hợp trong môi trƣờng kiềm, chƣa sử dụng môi trƣờng H2O2.

+) Vật liệu ZrO2 đã đƣợc tổng hợp theo phƣơng pháp kết tủa, thủy nhiệt và ứng dụng để xử lý asen. Tuy nhiên nghiên cứu khả năng hấp phụ selen của vật liệu này chƣa đƣợc đề cập.

+) Vật liệu Zr(IV) cố định trên than hoạt tính theo phƣơng pháp kết tủa trong môi trƣờng kiềm đã đƣợc tổng hợp. Nhƣng Zr(IV) cố định trên than hoạt tính Trà Bắc theo phƣơng pháp thủy nhiệt trong môi trƣờng H2O2 và NH3 cịn chƣa đƣợc cơng bố.

Vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu tổng hợp, đặc trƣng cấu trúc hợp chất Zr(IV) cố định trên các chất mang và khả năng hấp phụ asen, selen trong môi trƣờng nƣớc”. Với nhiệm vụ là tổng hợp vật liệu Zr(IV) cố định trên các chất mang, đặc biệt là than hoạt tính Trà Bắc theo phƣơng pháp thủy nhiệt. Sau đó, nghiên cứu khả năng hấp phụ asen, selen trong nƣớc của vật liệu.