Vật liệu hấp phụ % Hòa tan
SBC2-400 ≈15
SBC2-400-5S 5-10
SBC2-400-10S <2
SBC2-400-15S ≈10
SBC2-R-15S 1
3.2.3.3. Điểm điện tích khơng (pHPZC) của vật liệu hấp phụ
Điểm điện tích khơng của mẫu vật liệu hấp phụ SBC2-400, SBC2-400-5S, SBC2-400-10S, SBC2-400-15S và SBC2-R-15S tại pH lần lượt là: 5.6, 10.3, 10.5, 9.7 và 10.1 (Hình 3.22). Nếu giá trị PZC nhỏ hơn so với pH gọi là phía dưới PZC
(H+ > OH-), bề mặt chất hấp phụ mang điện tích dương sẽ hấp phụ anion (H2AsO4-,
HAsO42-) tốt hơn, ngược lại nếu giá trị PZC càng lớn hơn pH, bề mặt chất hấp phụ
mang điện tích âm sẽ hấp thụ tốt cation kim loại (Mn2+
, Zn2+, Cd2+, Pb2+) [70, 86].
Kết quả phân tích cho thấy, SBC2- 400 có khả năng hấp phụ tốt anion, ngược lại, với các vật liệu được chế tạo thủy tinh (5%, 10%, 15%), có khả năng hấp phụ tốt cation. Đây cũng là cơ sở định hướng cho việc ứng dụng các vật liệu hấp phụ.
Hình 3.22. Điểm điện tích khơng của vật liệu
3.2.3.4. Ảnh hưởng tỷ lệ trộn thủy tinh lỏng đến khả năng hấp phụ
Trong 5 tỷ lệ trộn, mẫu SBC-R-15S cho thấy khả năng hấp phụ các KLN là cao nhất so với các vật liệu, chỉ có giá trị Pb (985,5mg/kg, 98,55%) là thấp hơn so với mẫu SBC2-400-10S (989,5mg/kg, 98,95%). Điều này phù hợp với nghiên cứu điểm điện tích khơng của vật liệu hấp phụ kim loại [9, 70]. Ngồi ra, khơng có sự khác biệt đáng kể trong xử lý nồng độ Pb của chất hấp phụ ở cả 3 tỷ lệ trộn thủy tinh lỏng (5, 10, và 15%).
Việc bổ sung thủy tinh lỏng vào bùn thải mỏ sắt (Hình 3.23) đã nâng cao khả năng hấp phụ KLN. Đặc biệt khả năng hấp phụ kim loại Mn, Zn, Cd tăng theo tỷ lệ trộn thủy tinh lỏng, còn đối với Pb thì tương đối bằng nhau. Trong khi đó vật liệu SBC2-400, SBC2-R-15S thì khả năng hấp phụ As là cao nhất và mẫu vật liệu SBC2-400-5S, SBC2-400-10S, SBC2-400-15S hấp phụ As kém hơn, điều này có thể do tỷ lệ goethit thấp hơn (Bảng 3.8) và giá trị illit, PCD cao hơn (Bảng 3.9). Phản ứng thủy phân của thủy tinh lỏng dẫn đến sự gia tăng các nhóm chức hydroxyl trên bề mặt bùn thải mỏ sắt, quá trình này làm tăng khả năng hấp phụ và kết tủa các
ion KLN (Mn2+, Zn2+, Cd2+ và Pb2+) [70]. Tuy nhiên, sự gia tăng hydroxit thì lại làm
giảm các nhóm chức mang điện tích dương trên bề mặt nên làm giảm khả năng hấp phụ As [70]. Nhìn chung, vật liệu SBC2-R-15S có khả năng hấp phụ kim loại tốt nhất.
Hình 3.23. Dung lƣợng và hiệu suất hấp phụ của vật liệu biến tính
Tóm lại dựa vào đặc trưng của các vật liệu được nghiên cứu tại mục 3.2.2 như kết quả thí nghiệm khảo sát mức tan, pHPZC, ảnh hưởng của nồng độ KLN ban đầu 20mg/l tới khả năng hấp phụ của những vật liệu biến tính từ bùn thải mỏ sắt Bản Cuôn nung ở nhiệt độ khác nhau và những vật liệu có tỉ lệ trộn chất kết dính khác nhau và chi phí sản xuất cho thấy, trong số các vật liệu biến tính thì vật liệu SBC2-400 có khả năng xử lý hiệu quả As, vật liệu SBC2-400-10S, SBC2-R-15S có khả năng xử lý hiệu quả Mn, Cd, Pb, Zn. Do đó, nghiên cứu thực hiện những thí nghiệm nghiên cứu dạng mẻ (ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng vật liệu, thời gian hấp phụ, nồng độ kim loại ban đầu) và thí nghiệm hấp phụ cột đã được nghiên cứu chi tiết với 3 vật liệu biến tính gồm SBC2-R-15S, SBC2-400 và SBC2-400-10S.
3.2.4. Nghiên cứu hấp phụ dạng mẻ của vật liệu biến tính
3.2.4.1. Ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng vật liệu dạng hạt đến khả năng hấp phụ
Tỷ lệ giữa thể tích dung dịch các KLN bị hấp phụ và khối lượng vật liệu hấp phụ rất quan trọng, nếu tỷ lệ phù hợp thì khả năng hấp phụ KLN cao và kinh tế. Khối lượng các vật liệu được sử dụng lần lượt là 1, 2, 4, 8g tương ứng với tỷ lệ khối lượng vật liệu trên thể tích dung dịch đạt: 10, 20, 40, 80 g/l. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng cho thấy, khi khối lượng vật liệu tăng thì khả năng hấp phụ kim loại Mn, Zn, Cd, Pb và As tăng lên, đồng thời dung lượng hấp phụ giảm. Tỷ lệ khối lượng các vật liệu được chọn là 20g/l, do dung lượng hấp phụ cao và hiệu suất hấp phụ đạt được chênh lệch không đáng kể so với các tỷ lệ khối lượng vật liệu 40, 80g/l. Kết quả thực nghiệm tương tự với nghiên cứu của các Nguyễn Trung Minh (2011) và Dỗn Đình Hùng (VAST05.04/12-13).
Kết quả thí nghiệm khả năng hấp phụ Zn theo khối lượng của vật liệu, cho thấy, khi khối lượng vật liệu tăng thì khả năng loại Zn tăng lên. Khi tỷ lệ khối lượng
đạt 80g/l thì phần trăm hấp phụ là lớn nhất, tuy nhiên dung lượng hấp phụ lại giảm đi. Trong 3 vật liệu nghiên cứu thì SBC2-400-10S và SBC2-R-15S có khả năng xử lý Zn gần như nhau, cao hơn vật liệu SBC2-400 (Hình 3.24).
Hình 3.24. Diễn biến theo khối lƣợng đến khả năng hấp phụ Zn của vật liệu
Kết quả thí nghiệm khả năng hấp phụ Cd theo khối lượng của vật liệu, cho thấy, khi khối lượng vật liệu tăng thì khả năng loại Cd tăng lên. Khi tỷ lệ khối lượng đạt 40g/l thì phần trăm hấp phụ thay đổi khơng đáng kể, đồng thời dung lượng hấp phụ lại giảm đi khi tăng tỷ lệ khối lượng. Với vật liệu SBC2-400-10S và SBC2-R- 10S thì khả năng xử lý Cd gần như nhau, vật liệu SBC2-400 có khả năng xử lý Cd là thấp nhất (Hình 3.25).
Hình 3.25. Diễn biến theo khối lƣợng đến khả năng hấp phụ Cd của vật liệu
Kết quả thí nghiệm khả năng hấp phụ Mn theo khối lượng của vật liệu cho thấy, khi tỷ lệ khối lượng đạt 80g/l thì phần trăm hấp phụ Mn là lớn nhất, đối với vật liệu SBC2-400-10S và có chiều tăng lên khi tăng khối lượng. Vật liệu SBC2- 400 và SBC2-R-15S khi tăng khối lượng lên 40g/l thì phần trăm hấp phụ gần như khơng đổi và có chiều giảm xuống. Cả 3 vật liệu đều có dung lượng hấp phụ giảm khi tăng khối lượng (Hình 3.26).
Hình 3.26. Diễn biến theo khối lƣợng đến khả năng hấp phụ Mn của vật liệu
Thí nghiệm khả năng hấp phụ Pb theo khối lượng của vật liệu cho thấy, khi khối lượng vật liệu tăng thì khả năng loại Pb tăng lên. Khi tỷ lệ khối lượng đạt 80g/l thì phần trăm hấp phụ là lớn nhất, tuy nhiên dung lượng hấp phụ lại giảm đi. Vật liệu SBC2-400-10S có khả năng loại Pb cao hơn 2 vật liệu cịn lại (Hình 3.27).
Hình 3.27. Diễn biến theo khối lƣợng đến khả năng hấp phụ Pb của vật liệu
Kết quả thí nghiệm khả năng hấp phụ As theo khối lượng của vật liệu, cho thấy, khi tỷ lệ khối lượng đạt 80g/l thì phần trăm hấp phụ As là lớn nhất đối với 2 vật liệu SBC2-400 và SBC2-400-10S. Vật liệu SBC2-R-15S khả năng loại As gần như không đổi khi tăng khối lượng lên 40g/l. Cả 3 vật liệu đều có dung lượng giảm dần khi tăng khối lượng. Vật liệu SBC2-400 có khả năng loại As là cao nhất rồi đến vật liệu SBC2-400-10S (Hình 3.28).
Hình 3.28. Diễn biến theo khối lƣợng đến khả năng hấp phụ As của vật liệu
3.2.4.2. Ảnh hưởng thời gian đến khả năng hấp phụ
Kết quả khảo sát cho thấy khi thời gian tiếp xúc tăng thì hiệu suất hấp phụ tăng, đồng thời dung lượng hấp phụ tăng. Hiệu suất hấp phụ tăng nhanh khi từ 0- 12h, sau 12h tiếp xúc thì hiệu suất hấp phụ các kim loại và As dần ổn định và tăng không đáng kể. Do vậy lựa chọn thời gian hấp phụ các KLN trong các thí nghiệm mẻ là 24 giờ. Nghiên cứu cụ thể với từng kim loại như sau:
Khả năng hấp phụ Zn cho thấy, 2 vật liệu SBC2-400-10S và SBC2-R-15S khi thời gian tăng thì khả năng loại Zn tăng, khả năng loại Zn vẫn tăng sau 24h nhưng không đáng kể. Với vật liệu SBC2-400 khi thời gian tăng thì khả năng loại Zn tăng, dung lượng hấp phụ đạt ổn định sau 12h nhưng hiệu suất hấp phụ vẫn tăng và đạt ổn định sau 24h (Hình 3.29).
Hình 3.29. Diễn biến theo thời gian đến khả năng hấp phụ Zn của vật liệu
Khả năng hấp phụ Cd theo thời gian của vật liệu cho thấy khi thời gian tăng thì khả năng loại Cd tăng. Với vật liệu SBC2-400-10S sau 24h thì khả năng loại Cd vẫn tăng. Vật liệu SBC2-400 và SBC2-R-13S thì dung lượng hấp phụ Cd đạt ổn định sau 12h nhưng hiệu suất hấp phụ vẫn tăng nhưng không đáng kể và đạt ổn định sau 24h (Hình 3.30).
Hình 3.30. Diễn biến theo thời gian đến khả năng hấp phụ Cd của vật liệu
Khả năng hấp phụ Mn theo thời gian của vật liệu cho thấy khi thời gian tăng thì khả năng loại Mn tăng. Vật liệu SBC2-400-10S có khả năng loại Mn tăng sau 24h. Vật liệu SBC2-400 và SBC-R-15S đều đạt ổn định sau 24h (Hình 3.31).
Hình 3.31. Diễn biến theo thời gian đến khả năng hấp phụ Mn của vật liệu
Khả năng hấp phụ Pb theo thời gian của 3 vật liệu cho thấy khi thời gian tăng thì khả năng loại Pb tăng, khả năng loại Pb vẫn tăng sau 24h. Vật liệu SBC2-400- 10S có khả năng loại Pb cao nhất so với 2 vật liệu cịn lại (Hình 3.32).
Khả năng hấp phụ As theo thời gian của 3 vật liệu cho thấy khi thời gian tăng thì khả năng loại As tăng, khả năng loại As vẫn tăng sau 24h. Vật liệu SBC2-400 có khả năng loại As là cao nhất, thấp nhất là SBC2-R-15S (Hình 3.33).
Hình 3.33. Diễn biến theo thời gian đến khả năng hấp phụ As của vật liệu
Nghiên cứu tốc độ hấp phụ các KLN trên 3 mẫu bùn thải mỏ sắt biến tính SBC2-400, SBC2-R-15S và SBC2-400-10dựa vào động học hấp phụ, được biểu diễn trên mơ hình động học hấp phụ bậc nhất và mơ hình động học bậc hai. Sự phù hợp giữa số liệu thực nghiệm và các mơ hình động học được thể hiện bởi giá trị
tương quan R2
.
Hằng số tốc độ K1, K2 và hệ số tương quan R12, R22 tương ứng của mơ hình
động học hấp phụ bậc nhất và bậc hai được tính tốn và trình bày trong bảng 3.12. Đối với 3vật liệu SBC2-400, SBC2-R-15S và SBC2-400-10S đánh giá khảo sát hấp phụ với các KLN(Mn, Zn, Cd, Pb và As) đều cho thấy, hệ số tương quan trong mơ
hình động học hấp phụ bậc 1 R12
không ổn định (R12 dao động trong 0,17 – 0,99),
trong khi đó giá trị hệ số tương quan R22
trong mơ hình động học hấp phụ bậc 2 cho
kết quả rất cao (R22 dao động 0,95 – 0,99). Điều đó cho thấy, các dữ liệu ghi nhận
từ thực nghiệm khơng phù hợp với mơ hình động học bậc nhất nhưng phù hợp với mơ hình động học bậc 2. Kết quả chỉ ra rằng, hấp phụ hóa học có thể giới hạn tốc độ hấp phụ, điều này liên quan đến lực hóa trị thơng qua sự trao đổi electron giữa chất bị hấp phụ và vật liệu hấp phụ.