CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.4. Hấp phụ đẳng nhiệt
3.3.3. Khảo sát lượng vật liệu
Lượng vật liệu ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hấp phụ bởi vì nó ảnh hưởng đến tổng diện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ và số lượng mạng lưới mạng liên kết [38]. Trong thí nghiệm này lượng vật liệu thay đổi từ 0,5 đến 30mg/mL.
Bảng 3.4A. Kết quả khảo sát lượng vật liệu γ-Al2O3
Lượng vật liệu (mg/mL)
γ-Al2O3 biến tính với SDS (γ-M1) γ-Al2O3 (γ-M0) Ci
(10-6 M)
Ce (10-6 M)
H%
(%) SD Ci (10-6 M)
Ce (10-6 M)
H%
(%) SD
0,5 100 59,5 40,5 8,07 1 0,605 39,5 5,34
2,5 100 8,31 91,7 5,50 1 0,548 45,2 2,01
5 100 0 100,0 0,00 1 0,530 47,0 6,72
10 100 0 100,0 0,00 1 0,421 57,9 6,36
15 100 0 100,0 0,00 1 0,408 59,3 3,60
20 100 0 100,0 0,00 1 0,412 58,8 3,32
25 100 0 100,0 0,00 1 0,251 74,9 11,27
30 100 0 100,0 0,00 1 0,219 78,0 9,00
Bảng 3.4B. Kết quả khảo sát lượng vật liệu α-Al2O3
Lượng vật liệu (mg/mL)
α-Al2O3 biến tính với SDS (α-M1) α-Al2O3 (α-M0) Ci
(10-6 M)
Ce (10-6 M)
H%
(%) SD Ci (10-6 M)
Ce (10-6 M)
H%
(%) SD
0,5 100 58,3 41,7 3,22 5 4,52 9,5 2,70
2,5 100 0,80 99,2 0,39 5 4,13 17,5 1,20
5 100 0 100,0 0,00 5 3,71 25,9 3,50
10 100 0 100,0 0,00 5 2,97 40,5 0,50
15 100 0 100,0 0,00 5 1,95 61,0 1,70
20 100 0 100,0 0,00 5 1,17 76,6 1,70
25 100 0 100,0 0,00 5 1,01 79,8 0,80
30 100 0 100,0 0,00 5 0,65 87,0 4,30
Hình 3.14. Kết quả khảo sát lượng vật liệu. A. γ-Al2O3; B.α-Al2O3 0.0
20.0 40.0 60.0 80.0 100.0
0 10 20 30 40
H%
Lượng vật liệu (mg/mL)
(A)
γ-M1 γ-M0
0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0
0 10 20 30 40
H%
Lượng vật liệu (mg/mL)
(B)
α-M1 α-M0
Kết quả ở Bảng 3.4A,B và Hình 3.14.A,B cho thấy rằng ở cả hai pha vật liệu α,γ-Al2O3 hiệu suất xử lý RhB trên vật liệu nano Al2O3 không biến tính tăng khi lượng vật liệu tăng, trong khi lượng vật liệu biến tính cần ít hơn nhiều để đạt cân bằng hấp phụ. Kết quả cho thấy vật liệu biến tính có hiệu quả cao hơn nhiều so với vật liệu không biến tính bằng SDS mặc dù nồng độ thuộc nhuộm tăng lên tử 20 tới 100 lần. Lượng vật liệu biến tính với SDS tối ưu được tìm thấy là 5mg/mL đối với cả hai pha α,γ-M1.
3.3.4. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ
Thời gian hấp phụ ảnh hưởng đến cân bằng hấp phụ. Trong thí nghiệm này thời gian hấp phụ thay đổi từ 10 đến 240 phút.
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát thời gian cân bẳng hấp phụ Thời
gian (phút)
γ-Al2O3 biến tính với SDS (γ-M1) Thời gian (phút)
α-Al2O3 biến tính với SDS (α-M1)
Ci (10-6 M)
Ce (10-6 M)
H%
(%)
SD
Ci (10-6 M)
Ce (10-6 M)
H%
(%) SD
10 100 62,25 32,8 2,05 3 100 8,31 91,7 0,71
20 100 49,8 50,2 13,01 5 100 6,58 93,4 0,93
30 100 20,53 79,5 5,75 10 100 2,26 97,7 0,28
60 100 8,55 91,5 2,62 20 100 0,83 99,2 0,41
90 100 6,37 93,6 5,92 30 100 0,69 99,3 0,27
120 100 4,13 95,9 3,60 60 100 0,51 99,5 0,44
150 100 5,87 93,1 5,95 100 100 0,24 99,8 0,15
180 100 4,45 95,6 1,06 120 100 0,24 99,8 0,14
210 100 3,83 96,2 1,32 150 100 0,33 99,7 0,13
240 100 3,43 96,6 4,26 180 100 0,22 99,8 0,17
Hình 3.15. Kết quả khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ.
A. γ-Al2O3 và B. α-Al2O3
Kết quả ở Bảng 3.5 và Hình 3.15.A,B cho thấy, đối với cả hai pha vật liệu γ,α-M1 sự hấp phụ tăng khi thời gian tăng. Hiệu suất hấp phụ tăng từ 5 phút đến 120 phút. Sau 120 phút hiệu suất thay đổi không đáng kể do quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng.
Như vậy, thời gian cân bằng hấp phụ của cả hai pha vật liệu γ,α-M1 là 120 phút.
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
0 30 60 90 120 150 180 210 240
H%
Thời gian (phút)
(A)
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
H%
Thời gian (phút)
(B)
3.4. Hấp phụ đẳng nhiệt
Ảnh hưởng của lực ion đến sự hấp phụ RhB bằng vật liệu nano γ-Al2O3 biến tính với SDS được chứng minh bằng đường hấp phụ đẳng nhiệt (Bảng 3.6, 3.7,3.8 và Hình 3.16.A,B).
Bảng 3.6. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ RhB ban đầu tới khả năng hấp phụ của vật liệu γ-M1 ở các nồng độ muối NaCl
Ci (M)
NaCl 1mM NaCl 100mM
Ce (M)
Γ
(mg/g) SD Ce (M)
Γ
(mg/g) SD
10-6 0 0,096 0,00 0 0,096 0,00
5.10-6 0 0,476 0,00 0 0,476 0,00
10-5 0 0,958 0,00 0 0,958 0,00
5.10-5 0 4,79 0,00 0 4,79 0,00
10-4 0 9,58 0,00 0 9,58 0,00
2.10-4 1,4x10-7 19,15 0,00 6,36x10-7 19,10 0,06 4.10-4 2,09x10-5 36,32 0,06 3,62x10-5 34,85 3,04 6.10-4 9,68x10-5 48,21 0,94 1,55x10-5 42,67 0,22 8.10-4 1,34x10-4 63,76 3,19 2,28x10-4 54,76 10,0
10-3 2,44x10-4 72,45 4,05
1,5.10-3 5,95x10-4 86,70 10,1 2,10x10-4 123,58 14,23 2.10-3 1,00x10-3 95,52 1,05 3,40x10-4 159,03 8,16 3.10-3 1,80x10-3 114,97 6,706 1,35x10-3 158,55 20,89
Bảng 3.7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ RhB ban đầu tới khả năng hấp phụ của vật liệu α-M1 ở các nồng độ muối NaCl
Ci (M)
NaCl 1mM NaCl 100mM
Ce (M)
Γ
(mg/g) SD Ce (M)
Γ
(mg/g) SD
10-6 0 0,096 0,00 0 0,096 0,00
5.10-6 0 0,479 0,00 0 0,479 0,00
10-5 0 0,958 0,00 0 0,958 0,00
5.10-5 0 4,726 0,00 3,47x10-6 4,457 0,45
10-4 6,74x10-6 8,936 0,15 1,11x10-5 8,520 0,66 2.10-4 6,30x105 13,13 0,53 7,13x105 12,33 1,68 4.10-4 1,74x10-4 21,64 1,88 1,97x10-4 19,45 1,04 6.10-4 3,07x10-4 28,023 3,14 3,58x10-4 23,16 1,31 8.10-4 4,72x10-4 31,45 2,14 5,11x10-4 27,70 2,20 10-3 6,37x10-4 34,75 3,89 6,83x10-4 30,33 0,97 1,5.10-3 1,06x10-3 42,44 3,45 1,14x10-3 34,33 0,95 2.10-3 1,50x10-3 47,67 1,52 1,61x10-3 37,51 2,09 3.10-3 2,46x103 51,98 3,99 2,58x103 40,10 1,84
(A)
(B)
Hình 3.16. Đường đẳng nhiệt hấp phụ RhB trên vật liệu nano Al2O3 biến tính với SDS tại các nồng độ muối khác nhau. Các điểm là thực nghiệm, đường là kết quả
thu được từ mô hình 2 bước hấp phụ. A. Vật liệu γ-M1; B. α-M1
0 10 20 30 40 50 60
0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 1 mM
100 mM
CRhB(mol/L) ΓRhB (mg/g)
Hình 3.16 cho thấy ở nồng độ NaCl khác nhau, dung lượng hấp phụ RhB lên cả 2 pha vật liệu α, γ-Al2O3 được mô tả phù hợp với mô hình hai bước hấp phụ sử dụng (phương trình 1.3) với các thông số trong Bảng 3.8 tại các nồng độ muối khác nhau.
Hình 3.16.A cho thấy tại pH = 4,0, ở nồng độ RhB thấp khả năng hấp phụ RhB lên γ-M1 giảm nhẹ khi tăng nồng độ muối NaCl. Tuy nhiên, ở nồng độ RhB cao, khả năng hấp phụ RhB tăng đáng kể khi tăng nồng độ muối NaCl. Điều này là do, ở nồng độ RhB thấp, khi tăng nồng độ muối làm tăng số cation Na+ trên lớp điện tích âm của γ-M1, dẫn đến làm giảm lực hút tĩnh điện giữa RhB mang điện dương và γ-M1 mang điện âm. Ở nồng độ RhB cao hơn, hiệu ứng tĩnh điện của RhB và γ- M1 giảm do lớp tích điện kép giảm. Tuy nhiên, các tương tác khác như Van der Waals, liên kết hidro và có trình tạo phức trên bề mặt có thể thúc đẩy sự hấp phụ.
Do đó, sự hấp phụ RhB lên γ-M1 chịu tác động của cả tương tác tĩnh điện và không tĩnh điện [49].
Ngược lại, Hình 3.16.B cho thấy dung lượng hấp phụ RhB lên α-M1 giảm khi tăng nồng độ NaCl từ 1 đến 100mM. Điều này là do khi tăng nồng độ muối, số lượng Na+ tăng và sự hấp phụ cạnh tranh giữa Na+ và thuốc nhuộm mang điện dương RhB lên bề mặt vật liệu α-M1cũng tăng [48]. Bên cạnh đó, lực hút tĩnh điện cũng giảm khi tăng nồng độ muối, có thể được giải thích là ở nồng độ muối cao, SDS bị giải hấp ra khỏi bề mặt của α-Al2O3 [49]. Kết quả này cho thấy rằng, quá trình hấp phụ RhB+ trên vật liệu α-M1 chủ yếu do lực tương tác tĩnh điện.
Bảng 3.8 cũng cho thấy, giá trị của k1 ở các nồng độ muối khác nhau có sự thay đổi (với γ-M1 k1 giảm khi tăng nồng độ muối NaCl, trái lại với α-M1 k1 tăng khi tăng nồng độ muối NaCl) trong khi các thông số k2 và n là không thay đổi.
Điều này chứng tỏ k1 là tham số đánh giá tương tác tĩnh điện ở cả 2 pha vật liệu α,γ M1. Trong khi, các tham số k2 và n không phụ thuộc vào nồng độ muối. Nói cách khác, sự hấp phụ RhB lên vật liệu nano Al2O3 ở nồng độ RhB thấp chủ yếu gây ra do lực hút tĩnh điện.
Bảng 3.8 cũng cho thấy dung lượng hấp phụ RhB cực đại của γ-M1tại nồng
độ muối NaCl 100 mM lên tới 165 mg/g, trong khi của α-M1 là 52 mg/g. Điều này chứng tỏ rằng, khả năng hấp phụ xử lý RhB của γ-M1 tốt hơn α-M1 khi ở nồng độ RhB rất cao. Nhưng trong thực tế nồng độ RhB trong nước thải không quá cao nên hiệu quả xử lý RhB bằng vật liệu γ-M1 và α-M1 đều rất tốt.
Bảng 3.8. Các thông số sử dụng trong mô hình 2 bước hấp phụ mô tả hấp phụ RhB trên vật liệu nano Al2O3 biến tính bằng SDS
CNaCl (mM)
Γ
(mg/g)
k1
(104 g/mg)
k2
(103 g/mg)n-1 n Vật liệu γ-M1
100 165 10 20 2,2
1 120 100 20 2,2
Vật liệu α-M1
100 42 6 2000 2,9
1 52 3 2000 2,9