Ảnh hưởng của pH, khối lượng, thời gian và nồng độ nitrate lên khả năng hấp phụ nitrate của than tre trong nước thải biogas

- ẢNH HƯỞNG CỦA pH, KHỐI LƯỢNG, THỜI GIAN VÀ NỒNG ĐỘ NITRATE LÊN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ NITRATE CỦA THAN TRE.
- Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá khả năng hấp phụ nitrate trong nước thải biogas bằng than sinh học tre.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình hấp phụ nitrate đạt tối ưu khi pH dung dịch bằng 4, với khối lượng than là 1 g, thời gian hấp phụ đạt cân bằng sau 15 phút.
- Dữ liệu thí nghiệm phù hợp với các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt khác nhau (mô hình Langmuir, mô hình Freundlich).
- Dung lượng nitrate hấp phụ cực đại của than tre đạt 8,1 mg/g..
- Hiện nay, nhiều phương pháp đã được áp dụng nhằm loại bỏ lượng nitrate dư thừa ra khỏi nguồn nước, trong số đó phương pháp hấp phụ ngày càng được chú ý vì đơn giản, dễ áp dụng và phổ biến rộng rãi, giá thành rẻ (Mizuta et al., 2004).
- Nguồn vật liệu hấp phụ cũng rất đa dạng và phong phú, trong đó than sinh học đang là một vật liệu hấp phụ có tiềm năng lớn nhờ có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc xốp, giàu các nhóm chức và chứa các thành phần khoáng giúp cho nó có thể loại bỏ các chất ô nhiễm ra khỏi dung dịch nước (Amri et al., 2009)..
- Mặt khác, có thể sử dụng than sinh học sau khi hấp phụ nitrate như một nguồn dinh dưỡng dồi dào bổ sung cho đất, các chất dinh dưỡng có trong than sẽ thúc đẩy sự phát triển của cây trồng, than sinh học với cấu trúc như tổ ong trở thành nơi trú ẩn tốt cho hệ vi sinh vật đất (Shin et al., 2018)..
- chứa nhiều nguyên tố khoáng thích hợp sử dụng làm vật liệu hấp phụ (Nguyen et al., 2018).
- Do đó, nghiên cứu này được thực hiện nhằm để tiếp tục nghiên cứu khả năng hấp phụ nitrate của than tre trong nước thải biogas..
- Nước thải biogas sau khi thu về đã được bố trí thí nghiệm chuyển hoá NH4+ thành NO3- để làm tăng nồng độ NO3- có trong nước thải biogas nhằm đánh giá khả năng hấp phụ NO3- của than tre.
- Khảo sát khả năng hấp phụ nitrate của than tre.
- Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ nitrate của than tre như pH dung dịch, khối lượng than, thời gian hấp phụ và nồng độ nitrate ban đầu được xác định theo các phương pháp sau, với 5 lần lặp lại..
- Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch lên khả năng hấp phụ nitrate của than tre: Dung dịch biogas có nồng độ nitrate là 50 mg/L được cho vào các ống ly tâm có thể tích 50 mL.
- Lượng nitrate hấp phụ trên 1 gam than và hiệu suất hấp phụ được tính như sau:.
- Lượng nitrate hấp phụ trên 1 gam than: q e.
- Hiệu suất hấp phụ: H = (C 0 − C e )100%.
- C 0 (mg/L) nồng độ NO 3 - trước khi hấp phụ.
- sau khi hấp phụ.
- q e (mg/g) dung lượng NO 3 - hấp phụ trên 1 gam than.
- V (L) thể tích dung dịch hấp phụ;.
- hiệu suất hấp phụ..
- Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng than tre đến khả năng hấp phụ nitrate: Dung dịch biogas có nồng độ nitrate 50 mg/L được chuẩn bị, dùng dung dịch NaOH 0,1 M và HCl 0,1 M để chuẩn pH dung dịch về pH 4 (kết quả từ thí nghiệm pH).
- nitrate hấp phụ trên 1 gam than và hiệu suất hấp phụ được tính theo công thức (1), (2)..
- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên khả năng hấp phụ nitrate của than tre: Dung dịch biogas có nồng độ nitrate 50 mg/L được chuẩn bị, dùng dung dịch NaOH 0,1 M và HCl 0,1 M để chuẩn pH dung dịch về pH 4.
- Lượng nitrate hấp phụ trên 1 g than và hiệu suất hấp phụ được tính theo công thức (1), (2)..
- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch lên khả năng hấp phụ nitrate của than tre: Dung dịch biogas được chuẩn bị, dùng dung dịch NaOH 0,1 M và HCl 0,1 M để chuẩn pH dung dịch bằng 4.
- Mô hình Langmuir và Freundlich được sử dụng để phân tích dữ liệu thực nghiệm cho đường đẳng nhiệt hấp phụ (Tran et al., 2016).
- Trong đó: q e (mg/g) dung lượng hấp phụ ứng với nồng độ C e .
- q max (mg/g) dung lượng hấp phụ cực đại đơn lớp.
- C e (mg/L) nồng độ chất bị hấp phụ lúc cân bằng.
- b là hằng số cân bằng hấp phụ..
- trong trường hợp này than sinh học sẽ hấp phụ tốt các ion âm như NO 3.
- ngược lại khi pH của dung dịch lớn hơn pH pzc sẽ cho hấp phụ tốt đối với các ion dương như NH 4.
- Kích thước lỗ xốp có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng tiếp cận của bề mặt than sinh học và chất được hấp phụ.
- Vì vậy, khi bề mặt than chứa càng nhiều lỗ micro thì diện tích bề mặt càng lớn và khả năng tiếp cận các phân tử càng dễ dàng và quá trình hấp phụ diễn ra nhanh hơn.
- Than tre 700ºC .
- Diện tích bề mặt là một thông số rất quan trọng đối với than sinh học, cho biết khả năng hấp phụ của than..
- Than tre có BET cao cùng với số lượng lớn lỗ micro trên bề mặt có thể trở thành chất hấp phụ tiềm năng..
- Kết quả nghiên cứu hấp phụ nitrate của than tre.
- Lượng hấp phụ (mg/g).
- Hiệu suất hấp phụ.
- Hiệu suất Lượng hấp phụ.
- Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ nitrate của than tre Khi pH dung dịch tăng từ 2 đến 11 thì lượng.
- nitrate hấp phụ được giảm từ 3,3 mg/g xuống 1,08 mg/g tương ứng với hiệu suất hấp phụ giảm từ 60,7.
- Lượng nitrate hấp phụ cực đại đạt 3,41 mg/g tương ứng hiệu suất hấp phụ cao nhất đạt 63% tại pH 4..
- Tại pH 3 và pH 2 lượng nitrate hấp phụ giảm nhẹ còn 3,39 mg/g và 3,3 mg/g (khác biệt không có ý nghĩa thống kê so với pH 4).
- thích pH pzc của than tre là 6,67 cho nên khi pH dung dịch thấp hơn pH pzc của than tre thì có khả năng hấp phụ tốt các ion âm như ion NO 3.
- Mặt khác, ở pH cao thì khả năng hấp phụ nitrate của than tre giảm bởi sự cạnh tranh giữa các ion NO 3 - và ion OH - (Hafshejania et al., 2016).
- Nghiên cứu cho thấy pH là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ nitrate trong nước.
- và chi phối quá trình hấp phụ do nó có thể làm thay đổi điện tích bề mặt vật liệu (Peiyu et al., 2016)..
- Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ nitrate của than tre được trình bày ở Hình 4.
- Hiệu suất hấp phụ nitrate tăng khi tăng khối lượng than từ 0,05 g đến 1,5 g (p<0,05)..
- Nghiệm thức 1,5 g có hiệu suất hấp phụ cao nhất (92,42.
- hiệu suất hấp phụ thấp nhất ở nghiệm thức 0,05 g (25,8.
- Điều này có thể giải thích là do khi tăng khối lượng than đã làm tăng số lượng lớn vị trí hấp phụ trên bề mặt than sinh học, làm tăng.
- sự liên kết với ion NO 3 - dẫn đến hiệu suất hấp phụ nitrate tăng, điều này có thể kết luận rằng khối lượng vật liệu hấp phụ tỷ lệ thuận với hiệu suất hấp phụ..
- Tuy nhiên, lượng nitrate hấp phụ được trên 1 g than lại có xu hướng giảm khi tăng khối lượng than sinh học từ 0,05 g đến 1,5 g.
- Lượng nitrate hấp phụ cực đại với 14,7 mg/g ở nghiệm thức 0,05 g và đạt thấp nhất với 1,75 mg/g ở nghiệm thức 1,5 g (p<0,05).
- Trong khi đó, ở nghiệm thức 1 g, lượng nitrate hấp phụ được là 2,5 mg/g (khác biệt không ý nghĩa thống kê với nghiệm thức 1 g)..
- Ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ nitrate của than tre Từ kết quả trên, mức khối lượng 1 g sẽ được.
- Khi lượng than tăng lên quá nhiều sẽ thúc đẩy sự cạnh tranh hấp phụ nitrate trên bề mặt than.
- Đây là nguyên nhân dẫn đến lượng nitrate hấp phụ trên một đơn vị diện tích lại giảm (Peiyu et al., 2016).
- Kết quả nghiên cứu cho thấy khối lượng than cũng là nhân tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của than sinh học (Hafshejania et al., 2016)..
- Thời gian cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của than sinh học, xác định được thời gian hấp phụ tốt nhất có thể giúp nâng cao hiệu suất hấp phụ và tránh lãng phí.
- Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ nitrate của than tre được trình bày ở Hình 5..
- Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ nitrate của than tre.
- Hiệu suất hấp phụ nitrate tăng khi thời gian hấp phụ tăng (Hình 5).
- Lượng ion NO 3 - hấp phụ trên bề mặt than sinh học tre tăng nhanh từ 2,04 mg/g lên 2,22 mg/g trong 15 phút đầu tiên tiếp xúc, tương ứng với hiệu suất hấp phụ từ 85,78 % đến 93,58 % (p<0,05).
- Giai đoạn từ 15 phút - 360 phút, lượng nitrate hấp phụ và hiệu suất hấp phụ có sự dao động nhẹ nhưng khác biệt không có ý nghĩa thống kê.
- Như vậy, quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng sau 15 phút.
- Điều này có thể được giải thích là do trong giai đoạn đầu trên bề mặt than sinh học có một lượng lớn các điểm hoạt động nên tốc độ hấp phụ các ion nitrate tăng nhanh và sau khi đạt trạng thái cân bằng thì ở giai đoạn sau thời gian hấp phụ càng dài thì tốc độ hấp phụ giảm do số điểm hoạt động trên bề mặt than đã giảm đáng kể (Hafshejania et al., 2016).
- từ đó thúc đẩy quá trình hấp phụ diễn ra nhanh hơn, và đạt trạng thái cân bằng chỉ sau 15 phút.
- sánh với kết quả nghiên cứu với một số tác giả trước có thể nhận thấy than sinh học tre ở 700ºC có khả năng hấp phụ nitrate rất nhanh.
- Trong khi đó, một số loại than sinh học khác như than bã mía (600ºC), than rơm (500ºC), than trấu (400ºC) có thời gian hấp phụ đạt trạng thái cân bằng lần lượt là 60 phút, 120 phút và 12 giờ (Ahmadvand et al., 2018;.
- Điều này có thể giải thích là do thời gian hấp phụ nitrate đạt cân bằng nhanh hay chậm phụ thuộc vào nguyên liệu tạo than sinh học và đặc biệt là nhiệt độ nung than (Kameyama et al., 2016, Mohan et al., 2014, Tan et al., 2015).
- Than tre nung ở 700ºC có thời gian hấp phụ nitrate nhanh hơn các loại than nung ở nhiệt độ thấp từ 400ºC- 600ºC, điều này hoàn toàn phù hợp với kết luận của (Clough et al., 2013)..
- Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến khả năng hấp phụ nitrate của than tre được trình bày ở Hình 6..
- Nồng độ nitrat (mg/L) Hiệu suất Lượng hấp phụ.
- Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến khả năng hấp phụ nitrate của than tre Lượng nitrate hấp phụ tỉ lệ thuận với nồng độ.
- dung dịch, khi nồng độ nitrate tăng từ 1 mg/L đến 400 mg/L, lượng nitrate hấp phụ tăng từ 0,04 mg/g đến 5,69 mg/g.
- Nồng độ trong khoảng 1 mg/L-20 mg/L có hiệu suất hấp phụ tăng mạnh (tăng từ 74,3.
- và lượng ion nitrate hấp phụ trên bề mặt than sinh học tre tăng mạnh (tăng từ 0,04 mg/g đến 1,04 mg/g).
- Trong khoảng nồng độ 50 mg/L- 400 mg/L, hiệu suất hấp phụ giảm dần và chỉ còn 27% ở nồng độ 400 mg/L.
- Khi tăng nồng độ nitrate thì lượng hấp phụ tăng vì nồng độ nitrate cao nên khả năng tiếp xúc giữa ion NO 3 - và bề mặt than sinh học tre tăng làm cho lượng hấp phụ tăng.
- sau nồng độ nitrate càng tăng thì hiệu suất hấp phụ giảm do bề mặt than sinh học tre đã đạt trạng thái bão hòa, bên cạnh đó nồng độ nitrate quá lớn sẽ gây ra sự cạnh tranh hấp phụ giữa các ion NO 3.
- vì vậy hiệu suất hấp phụ sẽ giảm nếu nồng độ nitrate quá lớn.
- Dữ liệu thực nghiệm và các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt gồm Langmuir và Freundlich trình bày ở Hình 7.
- Điều này cho thấy rằng mô hình Langmuir phù hợp hơn với dữ liệu hấp phụ nitrate của than tre.
- Dung lượng hấp phụ cực đại theo Langmuir là 8,1 mg/g..
- Mô hình Langmuir mô tả về mặt lý thuyết rằng bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, và giả định rằng tất cả các vị trí hấp phụ đều có ái lực hấp phụ bằng nhau và sự hấp phụ tại một vị trí sẽ không ảnh hưởng đến sự hấp phụ ở những vị trí khác (Kołodyńska et al., 2012).
- Đẳng nhiệt hấp phụ theo mô hình Langmuir, Freundlich và thực nghiệm Các nghiên cứu trước chủ yếu trình bày khả năng.
- hấp phụ nitrate trong dung dịch nước chỉ tồn tại ion NO 3 - với kết quả: một số loại than không có khả năng hấp phụ nitrate, một số loại than khác có dung lượng hấp phụ cực đại từ 1,5-28,1 mg/g (Fidel et al., 2018, Gai et al., 2014, Hafshejania et al., 2016, Tan et al., 2015, Viglašová et al., 2018, Zhao et al., 2018).
- Tuy nhiên, hiện vẫn rất ít thông tin về khả năng hấp phụ nitrate trong nước thải.
- Kết quả nghiên cứu này cho thấy than tre có khả năng hấp phụ tốt nitrate trong biogas dung dịch tồn tại nhiều thành phần (NO 3.
- chất hữu cơ), cho thấy rằng than tre có thể trở thành một chất hấp phụ nitrate tiềm năng, có tính ứng dụng cao trong xử lý môi trường..
- Than tre có pH pzc = 6,67, quá trình hấp phụ nitrate của than tre diễn ra tốt ở pH = 4 với khối.
- lượng than bằng 1 g, sau 15 phút quá trình hấp phụ đạt cân bằng..
- Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ chứng tỏ quá trình hấp phụ nitrate trên bề mặt than tre tuân theo mô hình Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại đạt khá cao 8,1 mg/g..
- Tiến hành các nghiên cứu tiếp theo để đánh giá khả năng đáp ứng của cây trồng đối với than tre sau khi hấp phụ nitrate giúp tăng năng suất cây trồng và hạn chế được lượng phân bón hóa học thải vào môi trường.