Để nghiờn cứu tớnh chất hấp phụ của cỏc vật liệu tổng hợp được, đầu tiờn chỳng tụi nghiờn cứu sự hấp phụ MB, ARS và phenol trờn ba vật liệu SBA-15n, nFe2O3-SBA-15 và xCO-SBA-15-t. Đối với nFe2O3-SBA-15 và xCO-SBA-15-t, qua khảo sỏt sơ bộ, chỳng tụi chọn hai vật liệu tương ứng là 2,7Fe2O3-SBA-15 và 10CO-SBA-15-1h. Cơ sở của sự lựa chọn này sẽ được chỳng tụi đề cập ở cỏc phần 3.1.2.3.1 và 3.1.2.4.1.
Đối với MB, kết quả khảo sỏt khả năng hấp phụ của 3 loại vật liệu trờn hỡnh 3.24 cho thấy dung lượng hấp phụ cõn bằng đối với SBA-15n; 2,7Fe2O3-SBA-15 và 10CO-SBA-15-1h tương ứng bằng 62,35; 45,14 và 63,26 mg/g. Như vậy, SBA-15n và 10CO-SBA-15-1h cú khả năng hấp phụ MB tốt hơn rất nhiều so với 2,7Fe2O3- SBA-15.
Hỡnh 3.24. Dung lượng hấp phụ theo thời gian đối với dung dịch MB cú nồng độ đầu 159,0 mg/L (pH = 5,7) của: 2,7Fe2O3-SBA-15 (a); SBA-15n (b);
10CO-SBA-15-1h (c).
Sự khỏc biệt rừ rệt của dung lượng hấp phụ MB trờn SBA-15n và 10CO- SBA-15-1h so với 2,7Fe2O3-SBA-15 cú thể được giải thớch dựa trờn điện tớch của ion MB và giỏ trị điểm đẳng điện của SBA-15n và 10CO-SBA-15-1h trong dung
72
dịch như đó khảo sỏt ở trờn. SBA-15n và 10CO-SBA-15-1h cú điểm đẳng điện tương ứng 3,9 và 4,4, vỡ thế điện tớch bề mặt của cỏc vật liệu này õm với cỏc giỏ trị pH của dung dịch lớn hơn 3,9 và 4,4 tương ứng và mật độ điện tớch õm tăng khi tăng pH. Trong khi đú, giỏ trị pH đầu của dung dịch MB thay đổi trong khoảng từ 5,6 đến 5,8. Như vậy, bề mặt điện tớch õm của SBA-15n và 10CO-SBA-15-1h thớch hợp cho việc hấp phụ cation MB trong khoảng pH này. Trong lỳc đú, ở khoảng pH từ 5,6 đến 5,8 bề mặt 2,7Fe2O3-SBA-15 vẫn cũn mang điện tớch dương, dẫn đến dung lượng hấp phụ kộm của vật liệu này. Chang và cộng sự [25] cũng đó chỉ ra rằng SBA-15 cú khả năng hấp phụ tốt cỏc hợp chất thuộc nhúm cation như MB và JGB (Janus Green B) nhưng hầu như khụng hấp phụ cỏc hợp chất thuộc nhúm anion (Reactive black 5) hay cỏc hợp chất trung hũa (dimethyl phthalate).
Hỡnh 3.25 trỡnh bày kết quả khảo sỏt sự hấp phụ ARS trờn cả 3 vật liệu cho thấy dung lượng hấp phụ ARS trờn cỏc vật liệu SBA-15n; 2,7Fe2O3-SBA-15 và 10CO-SBA-15-1h tương ứng bằng 2,98; 31,20 và 5,74 mg/g. Theo đú, dung lượng hấp phụ ARS trờn 2,7Fe2O3-SBA-15 cao hơn rất nhiều so với SBA-15n và 10CO- SBA-15-1h. Kết quả này cú thể được giải thớch như sau. Dung dịch ARS cú pH bằng 4,5. Ở giỏ trị pH này, SBA-15n và 10CO-SBA-15-1h cú bề mặt mang điện tớch õm, trong lỳc đú 2,7Fe2O3-SBA-15 cú bề mặt mang điện tớch dương. Vỡ thế, dung lượng hấp phụ của 2,7Fe2O3-SBA-15 cao hơn nhiều so với hai chất hấp phụ cũn lại. Tuy nhiờn, ngoài tương tỏc tĩnh điện, một tương tỏc khỏc cú thể đúng gúp vào việc tăng cường khả năng hấp phụ ARS trờn 2,7Fe2O3-SBA-15 là tương tỏc axit - bazơ Lewis giữa Fe2O3 và cỏc nguyờn tử O của ARS. Một tương tỏc tương tự cũng được thảo luận trong một số tài liệu khỏc [88]. Kết quả này cho phộp chỳng tụi khẳng định việc biến tớnh bề mặt SBA-15 bằng oxit sắt đó làm thay đổi tớnh chất bề mặt của vật liệu theo hướng tăng cường khả năng hấp phụ thuốc nhuộm thuộc nhúm anion là ARS.
73
Hỡnh 3.25. Dung lượng hấp phụ theo thời gian đối với dung dịch ARS cú
nồng độ đầu 76,8 mg/L (pH = 4,6) của: SBA-15n (a); 10CO-SBA-15-1h (b); 2,7Fe2O3-SBA-15 (c).
Hỡnh 3.26. Dung lượng hấp phụ theo thời gian đối với dung dịch phenol cú
nồng độ đầu 99,6 mg/L (pH = 5,6) của: SBA-15n (a); 2,7Fe2O3-SBA-15 (b); 10CO-SBA-15-1h (c).
Hỡnh 3.26 trỡnh bày kết quả khảo sỏt sự hấp phụ phenol trờn 3 loại vật liệu. Từ cỏc kết quả này, dung lượng hấp phụ phenol ở trạng thỏi cõn bằng của cỏc vật liệu SBA-15n; 2,7Fe2O3-SBA-15 và 10CO-SBA-15-1h tương ứng bằng 3,52; 9,55 và 11,29 mg/g. Một nhận xột cú thể dễ dàng được rỳt ra là khả năng hấp phụ phenol
74
của 2,7Fe2O3-SBA-15, đặc biệt là 10CO-SBA-15 cao hơn rất nhiều so với SBA- 15n. Như vậy, kết quả khảo sỏt sơ bộ cho thấy việc đưa nhúm cacbonyl lờn bề mặt SBA-15 đó cải thiện rừ rệt khả năng hấp phụ phenol. Sự cải thiện khả năng hấp phụ phenol của vật liệu SBA-15 biến tớnh bằng nhúm cacbonyl cú thể được giải thớch bởi sự hỡnh thành cỏc tương tỏc hydro giữa chỳng. Điều này sẽ được chỳng tụi thảo luận kĩ hơn trong phần nghiờn cứu chi tiết ở mục 3.4.4. Khả năng hấp phụ của ba vật liệu SBA-15n; 2,7Fe2O3-SBA-15 và 10CO-SBA-15-1h đối với cỏc chất hữu cơ MB, ARS và phenol được tổng kết trong bảng 3.5.
Bảng 3.5. Kết quả khảo sỏt hấp phụ MB, ARS, phenol trờn 3 loại vật liệu. Vật liệu hấp
phụ
Chất bị hấp phụ
SBA-15n 2,7Fe2O3-SBA-15 10CO-SBA-15-1h qe (mg/g)
MB 62,35 45,14 63,26
ARS 2,98 31,20 5,74
phenol 3,52 9,55 11,29
Bảng 3.5 chỉ ra rằng đối với MB, khả năng hấp phụ của SBA-15n và 10CO- SBA-15-1h gần như nhau và lớn hơn nhiều so với 2,7Fe2O3-SBA-15. Đối với ARS, 2,7Fe2O3-SBA-15 cú dung lượng hấp phụ lớn hơn nhiều so với hai vật liệu cũn lại. Trong khi đú, với phenol thỡ 10CO-SBA-15-1h cú dung lượng hấp phụ lớn nhất sau đú đến 2,7Fe2O3-SBA-15 và cuối cựng là SBA-15n.
Kết quả trờn một lần nữa khẳng định rằng diện tớch bề mặt khụng phải là yếu tố duy nhất quyết định khả năng hấp phụ của vật liệu mà mật độ tõm hấp phụ và ỏi lực của chỳng cũng đúng vai trũ quan trọng. Một số lực tương tỏc cú thể dẫn đến khả năng hấp phụ của cỏc vật liệu đối với cỏc chất bị hấp phụ cụ thể được trỡnh bày trong bảng 3.6.
75
Bảng 3.6. Một số giả thiết về cỏc tương tỏc giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ tương ứng Vật liệu Tớnh chất bề mặt Chất bị hấp phụ thớch hợp Lực hấp phụ cú thể xảy ra SBET (m2/g) Điểm đẳng điện SBA-15n 600 3,9 MB (cation) - - Lực tĩnh điện 2,7Fe2O3- SBA-15 461 5,9 ARS (anion) - - Lực tĩnh điện - - Tương tỏc axit-bazơ Lewis 10CO- SBA-15-1h 397 4,4 Phõn tử trung hũa - Liờn kết hidro -Lực tĩnh điện
Trờn cơ sở kết quả phõn tớch sơ bộ khả năng hấp phụ của 3 loại vật liệu với MB, ARS và phenol, để nghiờn cứu chi tiết quỏ trỡnh hấp phụ trờn cỏc vật liệu, chỳng tụi chọn cỏc cặp cú dung lượng hấp phụ cao để khảo sỏt. Trong phần sau chỳng tụi tập trung nghiờn cứu quỏ trỡnh hấp phụ MB trờn vật liệu SBA-15n, ARS trờn 2,7Fe2O3-SBA-15 và phenol trờn 10CO-SBA-15-1h.