Cơ sở lý thuyết của phương phỏp:
Khi tiếp xỳc với dung dịch, bề mặt chất rắn cú xu hướng giữ lại cỏc chất tan trong dung dịch. Khả năng hấp phụ của mỗi chất phụ thuộc vào bản chất, diện tớch bề mặt riờng của chất hấp phụ, nhiệt độ, pH và bản chất của chất tan. Để đỏnh giỏ lực hấp phụ người ta dựa vào năng lượng tự do, những chất cú năng lượng tự do càng lớn thỡ càng cú khả năng hấp phụ mạnh. Năng lượng hấp phụ thường nhỏ hơn so với năng lượng liờn kết húa học nờn ở nhiệt độ thường hấp phụ là quỏ trỡnh thuận nghịch. Ban đầu quỏ trỡnh xảy ra nhanh sau đú giảm dần và đến một lỳc nào đú sẽ đạt tới trạng thỏi cõn bằng, ở trạng thỏi này tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp, nồng độ chất tan ở trạng thỏi này gọi là nồng độ cõn bằng.
Dung dịch hấp phụ phụ thuộc vào diện tớch tiếp xỳc. Diện tớch bề mặt tương ứng với 1 gam chất hấp phụ được gọi là bề mặt riờng. Cỏc chất rắn xốp cú cấu trỳc lỗ rỗng, cú bề mặt riờng càng lớn, thậm chớ cú thể đạt hàng nghỡn m2/gam thỡ cú dung tớch hấp phụ càng cao.
Cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu lớn của Gibbs, Langmuir, Polanyi, Brunauer, Shilov, Dubinin, Kiselev đó chỉ ra rằng cú 2 loại hấp phụ: Hấp phụ vật lý và hấp phụ húa học
Hấp phụ vật lý xảy ra do lực hỳt giữa cỏc phõn tử - lực hỳt vander Waals. Hấp phụ vật lý là quỏ trỡnh thuận nghịch. Chiều nghịch của sự hấp phụ là sự khử hấp phụ. Hấp phụ vật lý kốm theo hiệu ứng nhiệt nhỏ (từ 4 đến 25KJ/mol). Cỏc chất đó bị hấp phụ sẽ dễ bị khử hấp phụ.
Trong hấp phụ húa học, cỏc phõn tử của chất bị hấp phụ liờn kết với chất hấp phụ bởi cỏc lực húa học bền vững, tạo thành những hợp chất húa học bề mặt mới. Hấp phụ húa học là bất thuận nghịch va kốm theo một hiệu ứng nhiệt lớn (khoảng 40 – 400KJ/mol). Đõy là tiờu chuẩn để phõn biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ húa học.
Những quy luật định tớnh và định lượng của những quỏ trỡnh hấp phụ khỏc nhau đú là:
Hấp phụ bề mặt rắn – khớ
Hấp phụ bề mặt dung dịch - khớ Hấp phụ bề mặt rắn – dung dịch.
Phương trỡnh Freundlich là phương trỡnh thực nghiệm để ỏp dụng cho sự hấp phụ chất khớ hoặc chất tan trờn bề mặt hấp phụ rắn.
1
. n
e f e
Q K C
Cú thể đưa về hàm bậc nhất bằng cỏch lấy log 2 vế : 1
logQe logKf logCe n
Phương trỡnh trờn cú dạng y = ax + b Trong đú:
Qe: độ hấp phụ riờng, là số gam chất bị hấp phụ trờn 1 gam chất hấp phụ. Kf, n: hệ số thực nghiệm với n>1 Phương trỡnh hấp phụ Langmuir cú dạng: E E max max C 1 C = + q q .b q Trong đú: qe: độ hấp phụ riờng, là số mg chất bị hấp phụ trờn 1 gam chất hấp phụ ở thời điểm cõn bằng. (mg/g)
qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)
Ce: Nồng độ chất bị hấp phụ cũn lại trong dung dịch ở thời điểm cõn bằng (mg/l)
Nếu đặt: ax ax 1 1 . m m a q b K q Thỡ phương trỡnh trờn cú dạng y = ax + b
Từ thực nghiệm cú thể tớnh được hằng số K và suy ra dung tớch hấp phụ phụ cực đại (qmax)
Dựng đường thẳng biểu diễn quan hệ của hai đại lượng ( e e
C C
q ) ta được đường thẳng cắt trục tung tại O’. Khoảng cỏch OO’ chớnh là giỏ trị của
ax 1 . m b K q và ax 1 m a q
= tgα (α là gúc tạo bởi đường thẳng y = ax + b và trục hoành). Tỡm
được 2 giỏ trị a và b ta suy ra hằng số thực nghiệm K và qmax.
Hấp phụ là những phương phỏp xử lý Asen rất cú triển vọng, để thu hồi Asen một cỏch chọn lọc, thu hồi lại từ dung dịch tỏi sinh và tỏi sử dụng.
Để loại bỏ Asen theo phương phỏp hấp phụ người ta cú thể cho Asen hấp phụ lờn bề mặt của cỏc vật liệu hấp phụ như: cỏc hợp chất oxyt sắt, oxyt titan, oxyt silic; khoỏng sột(caolanh, bentonite ...), boxit, hematite, chitin và chitosan; quặng oxit mangan, cỏt bọc một lớp oxyt sắt hoặc dioxit mangan MnO2; cỏc vật liệu xellulo (mựn cưa, bột giấy bỏo)...
Mỗi loại vật liệu cú những đặc tớnh và yờu cầu chi phớ khỏc nhau. Một số loại đó được sản xuất riờng để xử lý nước nhiễm Asen. Hiệu suất xử lý của từng loại vật liệu phụ thuộc vào việc sử dụng cỏc chất oxy hoỏ hỗ trợ quỏ trỡnh hấp phụ Asen.[2,7,11,14,46]
Những vật liệu như: mạt sắt (sắt kim loại), sắt hydroxide, cỏc vật liệu phủ sắt, oxit sắt là những vật liệu được sử dụng cho qỳa trỡnh hấp phụ Asen từ nước ngầm.
Quỏ trỡnh loại bỏ Asen bằng cỏch hấp phụ lờn mạt sắt kim loại đó được nghiờn cứu ở trong phũng thớ nghiệm và ỏp dụng ngoài hiện trường. Hiệu quả loại bỏ Asen vụ cơ ra khỏi dung dịch của sắt đến 95%. Asen được hấp phụ lờn bề mặt sắt ở trạng thỏi oxi hoỏ V. Phổ nhiễu xạ tia X cũng cho thấy trờn bề mặt của mạt sắt cú sự hiện diện của cả sắt kim loại, Fe3O4, Fe2O3 và cả sắt hydroxide [46].
Hydroxyt sắt dạng hạt cũng được sử dụng trong hấp phụ . Cụng nghệ này kết hợp những ưu điểm của phương phỏp keo tụ - lọc, cú hiệu suất xử lý cao và lượng cặn sinh ra ớt. Hạt hydroxit sắt được sản xuất từ dung dịch FeCl3 bằng cỏch cho phản ứng với dung dịch NaOH. Kết tủa tạo thành được rửa sạch, tỏch nước bằng quay ly tõm và tạo hạt dưới ỏp suất cao. Vật liệu này cú khả năng hấp phụ cao. Cột lọc hấp phụ hoạt động tương tự như lọc hấp phụ bằng cỏcbon hoạt tớnh dạng hạt. Với nước cú nồng độ Asen 100 - 180 ppb, sau xử lý cú thể đạt đến 10 ppb.[2]
Tại Đài Loan, cỏc nhà khoa học đó chế tạo vật liệu sắt nano để hấp phụ Asen, kết quả cho thấy vật liệu hấp phụ 43,62mgAs/g sắt ở pH=4; 42,73mgAs/g sắt ở pH=7; 37,48mgAs/g sắt ở pH=9.[14]
* Hấp phụ lờn vật liệu cú thành phần mangan oxide
Cơ chế của việc loại bỏ Asen bởi MnO2 bước đầu đó được nghiờn cứu trờn cỏc tinh thể MnO2 tổng hợp trong phũng thớ nghiệm.
Phản ứng oxi hoỏ As (III) bởi MnO2 xảy ra theo 2 bước sau:
2MnO2 + H3AsO3 + H2O → 2MnOOH + H2AsO4-
+ H+ 2MnOOH + H3AsO3 + 3H+ → 2Mn2+ + H2AsO4- + 2H2O
Sử dụng quặng mangan dioxit tự nhiờn và diatomit tự nhiờn cho hiệu quả