Theo tác giả Nguyễn Thị Kim Dung [2] đã nghiên cứu trong môi trường trung tính (pH ≈ 7), khi có mặt oxi không khí, sắt(II) sẽ bị oxi hoá lên sắt(III) và tiếp theo sắt(III) sẽ bị thuỷ phân tạo thành sắt(III) hydroxit kết tủa. Kết quả cho thấy, sau thời gian sục khí 30 phút với giá trị DO không nhỏ hơn 8 mg/L thì sắt(II) bị oxi hoá gần nhƣ hoàn toàn lên sắt(III) hydroxit.
Mặt khác, sắt(III) hydroxit mới sinh thường tồn tại ở dạng keo hay các hạt vô định hình rất hoạt động. Sau đó, chúng chuyển dần sang dạng vi tinh thể bền vững hơn. Hàm lƣợng sắt(III) hydroxit dạng tinh thể (không tan trong dung dịch axit ascorbic) tăng dần theo thời gian làm muồi (dạng vô định hình giảm dần) và hầu nhƣ không thay đổi sau 90 phút. Sự chuyển hoá này làm thay đổi tính chất lý hoá của sắt(III) hydroxit và ảnh hưởng đến khả năng cộng kết - hấp phụ của chúng.
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion sắt(II) đến khả năng cố định một số kim loại nặng Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn
Kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ Fe(II) đến khả năng tách loại một số kim loại nặng đƣợc thể hiện trên bảng 4 và hình 2.
Các điều kiện nghiên cứu nhƣ sau:
- Nồng độ Fe(II) ban đầu: 10, 15, 20 và 25 mg/L, - Nồng độ Cu, Zn và Pb là 10 mg/L,
- Nồng độ Cd, As là 1 mg/L và nồng độ Mn là 4 mg/L.
Bảng 4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ Fe(II) đến khả năng cố định các kim loại Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn.
[Fe2+] ban đầu (ppm)
% Zn(II) đƣợc cố
định
% Cu(II) đƣợc cố
định
% Pb(II) đƣợc cố
định
% As(V) đƣợc cố định
%Cd(II) đƣợc cố định
%Mn(II) đƣợc cố
định
10 82,12 97,8 99,45 94,62 61,63 60,5
15 84,67 98,9 99,64 95,34 62,32 60,7
20 85,87 99,5 99,69 97,8 63,58 60,6
25 88,94 99,8 99,73 98,7 65,73 60,3
Kết quả trên bảng 4 và hình 2 cho thấy: khi nồng độ sắt(II) ban đầu tăng, lƣợng Fe(OH)3 tạo thành nhiều hơn thì hầu hết các ion kim loại đƣợc hấp phụ và cộng kết cùng Fe(OH)3 cũng tăng lên. Với nồng độ của Fe(II) là 10 mg/l thì hiệu suất tách loại của Zn(II) là 82,12%; Pb(II) là 99,45%; As(V) là 94,62%; Cd(II) là 61,63%, Cu(II) là 97,8%. Khi nồng độ của Fe(II) càng tăng thi hiệu suất tách loại các kim loại càng lớn.
Khi nồng độ Fe(II) tăng lên 25 mg/l thì hiệu suất tách loại của Zn(II) là 88,94%; Pb(II) là 99,73%; As(V) là 98,7%; Cd(II) là 67,73%, Cu đã bị tách loại đến 99,8%.
0 20 40 60 80 100 120
10 15 20 25
Nồng độ Fe(II) ban đầu
Hiệu suất tách loại
Zn Cu Pb As Cd Mn
Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ Fe(II) đến hiệu suất tách loại ion của các kim loại Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn
Đối với Mn(II) khả năng tách loại dường như không đổi khi nồng độ Fe(II) thay đổi. Điều này chứng tỏ khả năng cộng kết hay kết tủa của Mn(II) với sắt(III)hydroxit chỉ xảy ra ở một giới hạn nhất định.
Quá trình cộng kết – hấp phụ asen cùng sắt(III) hydroxit có thể giải thích dựa vào cơ chế sau:
+ Cơ chế thứ nhất xảy ra do As(V) có khả năng tạo với Fe(OH)3 mới sinh theo phương trình:
Fe(OH)3 + H3AsO4 → [FeAsO4] + 3H2O
+ Cơ chế thứ hai là do Fe(OH)3 có khả năng hấp phụ ion đồng hình là Fe3+ tạo thành các hạt keo dương có công thức: Fe(OH)3. nFe3+. H2O. Do đó các ion AsO4
3-, HAsO42-
, H2AsO4-
có khả năng bị giữ lại trên bề mặt các hạt keo đó.
Đối với các nguyên tố khác, khả năng bị hấp phụ lên sắt(III) hydroxit tăng khi nồng độ của sắt(II) tăng. Trong đó, khả năng Cu(II), Pb(II) bị hấp phụ tương đối lớn.
Cd(II) bị hấp phụ trên sắt(III) hydroxit không cao lắm, khi nồng độ sắt(II) là 25 mg/L thì khả năng tách loại của Cd(II) cũng chỉ có 65.73%.
3.1.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng kết tủa hydroxit Fe(III) và cộng kết một số kim loại nặng
Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ và cộng kết các ion Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn lên hydroxit Fe(III) đƣợc tiến hành trong điều kiện:
- Nồng độ ion sắt(II) là 20 mg/L, - Nồng độ Cu, Zn và Pb là 10 mg/L,
- Nồng độ Cd, As là 1 mg/L và nồng độ Mn là 4 mg/L,
Điều chỉnh pH ở các mức 3,0; 4,0; 5,5 và 7,0 bằng axit HNO3, kết quả thu đƣợc thể hiện trên bảng 5 và hình 3.
Bảng 5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng cố định Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn.
pH Nồng độ Fe2+ ppm
%Zn(II)
đƣợc cố định %Cu(II)
đƣợc cố định %Pb(II)
đƣợc cố định %As(V)
đƣợc cố định %Cd(II)
đƣợc cố định %Mn(II) đƣợc cố định
3,0 11,19 6,420 19,64 38,30 34,15 11,84 5,62
4,0 8,73 28,94 40,58 58,63 45,30 35,74 15,8
5,5 0,325 85,87 99,5 99,69 97,80 63,58 60,1
7,0 0,12 97,42 100 99,98 98,90 99,60 83,2
Từ những kết quả trên cho thấy khi pH trong khoảng 3 – 5.5 vẫn còn Fe(II) trong dung dịch (tức là lƣợng sắt(III) hydroxit tạo thành còn ít) và do pKa của H3AsO4
là pK1 = 2,3; pK2 = 6,8; pK3 = 11,6 nên As(V) tồn tại chủ yếu ở dạng H2AsO4- và khả năng tan của muối asenat cao, do vậy lƣợng asen đƣợc loại bỏ khỏi dung dịch còn thấp. Khi pH tăng lên ~ 7 thì lƣợng sắt(II) hầu hết đã đi vào kết tủa và lƣợng Fe(OH)3
tăng và khi đó trên bề mặt Fe(OH)3 tích điện dương nhiều hơn. Mặt khác, ở pH này thì As(V) tồn tại chủ yếu ở dạng H2AsO4-
và HAsO42-. Do đó As(V) bị hấp phụ nhiều hơn theo hai cơ chế đã đƣợc trình bày ở mục 3.1.2.
0 20 40 60 80 100 120
3 4 5.5 7
pH
Hiệu suất loại bỏ ion (%)
0 20 40 60 80 100 120
Nồng độ Fe(II)
Fe Zn Cu Pb As Cd Mn
Hình 3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng cố định Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn
Cu(II) có khả năng bị hấp phụ lên Fe(OH)3 rất mạnh. Khả năng hấp phụ này còn phụ thuộc vào lƣợng Fe(OH)3 tạo thành. Khi pH càng tăng, lƣợng Fe(OH)3 càng tăng thì lƣợng Cu(II) bị hấp phụ càng nhiều. Đồng thời khi pH tăng đến 7 thì đã xuất hiện kết tủa Cu(OH)2 (T = 10-19,7), lƣợng Cu(II) còn lại bị hấp phụ lên Fe(OH)3 nên đã bị tách loại hoàn toàn.
Đối với mangan, khi ở pH thấp thì khả năng oxi hoá Mn(II) lên Mn(IV) bằng oxi không khí là không thể, do đó khả năng tách loại thấp. Khi pH càng tăng thì khả năng Mn(II) bị oxi không khí oxi hoá lên dạng kết tủa Mn(OH)4
hoặc MnO2 là đáng kể. Vì vậy khả năng tách loại Mangan tăng lên rất nhiều. Khi pH tăng lên ~ 7 thì lƣợng mangan bị tách loại lên đến 83,2%.
Đối với Cd(II), khả năng bị hấp phụ tương đối nhỏ và cũng tăng theo chiều tăng của pH. Tuy nhiên, ở pH ~ 7 thì cũng chƣa xuất hiện kết tủa Cd(OH)2
nên khả năng bị tách loại chỉ có thể là do bị hấp phụ lên sắt(III)hydroxit.
Đối với chì và kẽm khả năng hấp phụ lên sắt(III)hydroxit tương đối mạnh và tăng dần theo chiều tăng của pH. Khi đến pH = 7, Pb(II) hầu nhƣ đã bị thuỷ phân và kết tủa hoàn toàn; đối với Zn(II) thì ngƣợc lại, khả năng loại bỏ khỏi dung dịch chủ yếu do hấp phụ - cộng kết.