Hình 3.5. Phổ FT-IR của mẫu Fe0 nano được bọc bởi PAA và mẫu PAA
PAA là một polyme tan trong nƣớc đƣợc hình thành từ acrylamide. PAA thƣờng đƣợc sử dụng để tăng độ nhớt của nƣớc hoặc để khuyến khích keo tụ của các hạt có trong nƣớc thải. Sự ra đời của PAA nhƣ một chất kết tủa hóa học để xử lý các hạt rắn lơ lửng trong nƣớc thải và nƣớc uống. Ngoài ra, các sản phẩm PAA phản ứng với nƣớc để tạo thành hydroxit không tan và khi kết tủa, liên kết với nhau để tạo thành các mắt lƣới, chất bẫy các hạt nhỏ lại tạo thành các bông tủa lớn hơn. PAA đƣợc ứng dụng làm chất keo tụ trong xử lý rất nhiều loại nƣớc thải cơng nghiệp khác nhau nhƣ: sản xuất giấy, hóa dầu, xi mạ điện, dệt may, dầu mỏ, thực phẩm, hóa chất, dƣợc phẩm, da, nhà máy bia rƣợu và lị giết mổ. PAA cũng có thể thể dùng để xử lý nƣớc từ q trình khai thác khống sản, bao gồm cả sản xuất than, chì, đioxit, titan, vàng, kẽm, sắt, cát, axit Pric, bạc, niken, đồng, thép, sỏi, uranium nhơm cũng nhƣ chế biến kali. Gần đây, nó đã đƣợc sử dụng nhƣ một chất làm đầy dƣới da để phẫu thuật thẩm mỹ khuôn mặt [54, 55, 68]. Với liều lƣợng PAA sử dụng trong điều chế vật liệu Fe0
nano là rất nhỏ (0,01%) và so với các vai trò và ứng dụng của PAA nhƣ trên thì việc sử dụng PAA làm chất màng bao phủ Fe0 nano sẽ không gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng khi ứng dụng trong kết hợp xử lý nitrat và photphat trong nƣớc. Mẫu Fe0 nano đƣợc bọc bởi PAA Mẫu PAA
3.1.3. Kết quả xác định diện tích bề mặt
Diện tích bề mặt riêng có nhiều ý nghĩa khác nhau đối với chất rắn xốp hay không xốp. Đối với chất rắn khơng xốp thì diện tích bề mặt riêng là bề mặt ngoài, cịn đối với chất rắn xốp thì diện tích bề mặt riêng là tổng diện tích bề mặt ngồi và bề mặt bên trong, Diện tích bề mặt bên trong là tổng diện tích của nhiều lỗ xốp và nó lớn hơn nhiều so với bề mặt bên ngồi. Phƣơng pháp BET sử dụng hấp phụ, giải hấp phụ vật lý khí N2 ở nhiệt độ 77oK. Bề mặt riêng xác định theo phƣơng pháp BET là tích số của số phân tử bị hấp phụ với tiết diện ngang của một phân tử chiếm chỗ trên bề mặt chất rắn. Diện tích bề mặt có ảnh hƣởng rất lớn tới hiệu quả xử lý, diện tích bề mặt càng lớn khả năng tiếp xúc càng cao do vậy hiệu quả xử lý càng cao. Kết quả xác định diện tích bề mặt của vật liệu Fe0 nano đƣợc thể hiện ở Hình 3.6.
Hình 3.6. Kết quả phân tích diện tích bề mặt Fe0 nano bằng phương pháp BET
Kết quả đo diện tích bề mặt của vật liệu Fe0 nano theo phƣơng pháp Brunauer Emmett Teillor (BET) là 60 m2/g. So với phƣơng pháp chế tạo sắt nano của Yuan-Pang Sun và cộng sự (2006) thì diện tích bề mặt là 12,82 m2/g [106] và theo phƣơng pháp điều chế của Yu-Hoon Hwang và cộng sự (2011) là 46,27 m2/g [107] thì phƣơng pháp điều chế này cho kết quả diện tích bề mặt của hạt Fe0 nano cao hơn từ 1,3 đến 4,7 lần.
3.1.4. Xác định thế zeta của Fe0 nano
Thế Zeta (ζ) là một thuật ngữ khoa học dùng để xác định thế điện động trong các hệ thống chất keo. Thế zeta là một điện thế trong lớp kép phân ly/tiếp xúc tại vị trí của một mặt phẳng trƣợt so với một khối chất dịch tách phần tiếp xúc/giao diện. Do đó đƣợc sử dụng rộng rãi để định lƣợng độ lớn của điện tích. Ý nghĩa của thế zeta là ở chỗ giá trị của nó có thể liên quan đến tính ổn định của những chất phân tán keo, thế zeta chỉ ra mức độ lực đẩy giữa các phân tử có điện tích tƣơng tự, tiếp giáp. Đối với những phân tử và các hạt vừa đủ nhỏ thì thế zeta cao sẽ đảm bảo tính ổn định, nghĩa là dung dịch hoặc chất phân tán sẽ kìm hãm lực kết dính và ngƣợc lại. Điện thế Zeta, còn đƣợc gọi là thế điện động, đƣợc đo bằng millivolts (mV). Trong chất keo, điện thế zeta là hiệu điện thế trên lớp ion xung quanh ion keo tích điện. Điện thế Zeta khơng thể đo lƣờng trực tiếp. Nó đƣợc tính tốn từ các mơ hình lý thuyết hoặc ƣớc tính bằng thực nghiệm, thƣờng dựa trên tính di động điện di. Về cơ bản, để xác định điện thế zeta, ngƣời ta theo dõi tốc độ mà hạt tích điện di chuyển theo điện trƣờng. Các hạt có tiềm năng zeta sẽ di chuyển về phía điện cực tích điện trái dấu . Tỷ lệ di chuyển tỷ lệ thuận với tiềm năng zeta. Vận tốc thƣờng đƣợc đo bằng Máy đo tốc độ Doppler Laser. Tính tốn này dựa trên một lý thuyết đƣợc mô tả vào năm 1903 bởi Marian Smoluchowski. Lý thuyết của Smoluchowski có giá trị đối với bất kỳ nồng độ hoặc hình dạng của các hạt phân tán. Tuy nhiên, nó giả định một lớp kép đủ mỏng và nó bỏ qua mọi đóng góp của độ dẫn bề mặt. Điện tích bề mặt đóng vai trị là một chỉ số quan trọng của phản ứng và tính ổn định của Fe0 nano. Điện tích bề mặt ảnh hƣởng đến ái lực giữa các ion tích điện dƣơng và âm trong dung dịch. Nếu hai hạt có cùng điện tích bề mặt trong mơi trƣờng nƣớc, các lực đẩy sẽ ngăn chúng tiếp cận và liên kết bền với nhau. Ngƣợc lại, nếu hai hạt có điện tích trái dấu, lực hút sẽ xảy ra hai hạt sẽ dễ dàng tiếp cận và liên kết bền với nhau hơn. Nếu điện tích bề mặt của Fe0 nano là âm thì có nghĩa là bề mặt của Fe0 nano có thể để hấp phụ các ion tích điện dƣơng và ngƣợc lại điện tích bề mặt của Fe0 nano là dƣơng thì có nghĩa là bề mặt của Fe0 nano có thể để hấp phụ các ion tích điện âm. Do đó, việc xác định điện tích bề mặt cũng nhƣ thế zeta bề mặt là rất cần
thiết để dự đốn các phản ứng có thể xảy ra trên bề mặt để hình thành các phức chất hấp phụ. Để nghiên cứu tính chất điện hóa của Fe0
nano, nghiên cứu này đã khảo sát sự thay đổi thế zeta của Fe0
nano theo pH. Kết quả đƣợc thể hiện tại Hình 3.7.
Hình 3.7. Thế zeta của Fe0 nano theo pH
Kết quả tại Hình 3.7 cho thấy, Fe0 nano có thế zeta thay đổi theo pH. pH tăng từ 2-7 thì thế zeta giảm dần từ 40,5 xuống 4,5 mV. Nếu pH tăng tiếp từ 7-12 thì thế zeta giảm mạnh từ 4,5 xuống-48,7 mV. Kết quả này cho thấy, với pH < 7 (trong mơi trƣờng axit) thì Fe0
nano có điện thế dƣơng và ngƣợc lại trong mơi trƣờng kiềm (pH > 7) thì Fe0 nano có điện thế âm. Từ kết quả về thế zeta và đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của thế zeta vào pH có thể xác định đƣợc điểm đẳng điện (điểm có điện tích bằng 0) của Fe0
nano đạt đƣợc tại pH 7. Kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu Fe0 nano đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp này có thể ứng dụng xử lý tốt với các anion trong điều kiện môi trƣờng axit và cation trong điều kiện môi trƣờng kiềm.
Tóm tắt kết quả mục 3.1
Fe0 nano đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp sử dụng NaBH4 khử muối sắt (II) pha trong cồn có sử dụng chất phân tán là PAA, sản phẩm tạo thành rất thuần nhất (hồn tồn là Fe0), có kích thƣớc tƣơng đối nhỏ (10-18,6 nm), có diện tích bề mặt lớn (60 m2/g), có điểm đẳng điện (IEP) bằng 7. Vật liệu Fe0 nano chế tạo đƣợc bao
-60 -40 -20 0 20 40 60 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 pH T hế z eta (ζ), mV
bọc bởi 1 lớp mảng mỏng PAA đã ngăn cản đƣợc tiếp xúc trực tiếp với oxy trong khơng khí nên có thể làm khơ và bảo quản ở nhiệt độ phòng, thuận lợi hơn trong ứng dụng và nâng cao hiệu quả xử lý.
3.2. HIỆU QUẢ XỬ LÝ RIÊNG NITRAT, PHOTPHAT BẰNG VẬT LIỆU Fe0 NANO
3.2.1. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu quả xử lý riêng nitrat
Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu quả xử lý riêng nitrat bằng Fe0
nano đƣợc thể hiện ở Hình 3.8.
Hình 3.8. Nồng độ nitrat sau xử lý và hiệu suất xử lý ở các thời gian khác nhau (tại pH 2, nồng độ nitrat 50 mg N/L và Fe0 nano 1 g/L)