- KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION CR(VI) CỦA VẬT LIỆU FE 3 O 4 @SIO 2 VỚI SIO 2 TỪ TRO TRẤU. - Nghiên cứu này nhằm đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Cr(VI) trong nước bằng hạt nano Fe 3 O 4 @SiO 2 với SiO 2 có nguồn góc từ tro trấu. - Vật liệu hấp phụ từ tính được tổng hợp ở các điều kiện đơn giản, kinh tế và thân thiện với môi trường. - Phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy hạt nano SiO 2 , hạt nano Fe 3 O 4 và vật liệu hấp phụ Fe 3 O 4 @SiO 2 có hình dạng gần hình cầu với đường kính lần lượt là 5 nm đến 10 nm, 30 nm đến 50 nm và 100 nm đến 500 nm. - Kết quả hấp phụ cho thấy Fe 3 O 4 @SiO 2 có thể loại bỏ 92,49%. - Cr(VI) tại pH 2,5, thời gian hấp phụ 30 phút, khối lượng Fe 3 O 4 @SiO 2 0,1 g và nồng độ Cr(VI) ban đầu 100 mg/L. - Đây là quá trình hấp phụ vật lý đơn lớp trên bề mặt không đồng nhất với dung lượng hấp phụ cực đại là 166,67 mg/g.. - Năng lượng liên kết giữa vật liệu hấp phụ và chất bị hấp phụ là E = 7,1795 kJ/mol và kết tủa Cr x Fe 1-x (OH) 3 bị hấp phụ trực tiếp trên bề mặt lỗ xốp của SiO 2 được xem là cơ chế chính của quá trình hấp phụ.. - Khả năng hấp phụ ion Cr(VI) của vật liệu Fe 3 O4@SiO 2 với SiO 2 từ tro trấu.. - Feng et al., 2018;. - Jiang et al., 2018). - Chính vì vậy, hấp phụ tuy là một phương pháp truyền thống nhưng vẫn được ưu tiên sử dụng như một giải pháp thực tế và kinh tế để xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng bởi tính linh hoạt và phù hợp đối với hầu hết quá trình xử lý nước thải thực tế hiện nay. - Ngoài các vật liệu hấp phụ truyền thống như than hoạt tính, kaolinite, lignin, zeolite (Lu et al., 2017;. - Rathnayake et al., 2017. - Feng et al., 2018. - Xiong et al., 2018), hiện nay với sự phát triển của công nghệ nano, vật liệu nano nói chung và vật liệu nano từ tính nói riêng đang dần thay thế các vật liệu hấp phụ truyền thống. - Trong nghiên cứu này, một quá trình xử lý sẽ được tiến hành để đánh giá khả năng loại bỏ ion Cr(VI) trong nước bằng phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu Fe 3 O 4 @SiO 2 được tổng hợp đơn giản với SiO 2 có nguồn gốc từ tro trấu mà không sử dụng bất kỳ tiền chất cũng như dung môi đắt tiền nào khác.. - Ngoài ra, quang phổ tử ngoại và nhìn thấy (UV-Vis) dùng để xác định nồng độ dung dịch Cr(VI) trước và sau khi hấp phụ bởi vật liệu Fe 3 O 4 @SiO 2. - 2.4 Tổng hợp Fe 3 O 4 @SiO 2. - 2.5 Hấp phụ. - Quá trình hấp phụ ion Cr(VI) được khảo sát ở điều kiện tĩnh, bằng cách sử dụng phương pháp luân phiên từng biến để xác định điều kiện tối ưu cho quá trình. - Yếu tố pH được thay đổi từ 2,0 đến 6,0 bằng cách sử dụng dung dịch KOH và HCl, nồng độ chất bị hấp phụ thay đổi từ 20 - 150 mg/L và lều hấp phụ g Fe 3 O 4 @SiO 2 trong thời gian từ 15 - 75 phút. - Nồng độ ion Cr(VI) sau hấp phụ được xác định bằng phương pháp UV-Vis sau khi được ly tâm nhiều lần để loại bỏ chất hấp phụ.. - Dung lượng hấp phụ q c (mg/g) và hiệu suất hấp phụ H. - của Cr(VI) bởi vật liệu hấp phụ Fe 3 O 4 @SiO 2 được tính theo công thức (Kastner et al., 2015. - Chen et al., 2018. - Xiao et al., 2018):. - Với q c (mg/g) là dung lượng hấp phụ, C o (mg/L), C c (mg/L) lần lượt là nồng độ Cr(VI) trước và sau khi hấp phụ, V (mL) là thể tích dung dịch hấp phụ, m (g) là khối lượng chất hấp phụ.. - Wang et al., 2014). - Wang et al., 2014).. - (Abbas et al., 2014). - 3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ion Cr(VI) bởi Fe 3 O 4 @SiO 2. - Giá trị pH của dung dịch có sự ảnh hưởng đáng kể đến khả năng bị hấp phụ của các chất, do đó việc sử dụng vật liệu Fe 3 O 4 @SiO 2 hấp phụ ion Cr(VI) trong nước đã được tiến hành với sự thay đổi của pH từ 2,0 – 6,0. - Kết quả cho thấy hiệu suất của quá trình hấp phụ đã thay đổi lớn khi tiến hành hấp phụ Cr(VI) bằng Fe 3 O 4 @SiO 2 và tuân theo phương trình y = 0,797x 3 – 11,144x 2 + 40,708x + 44,965 (R . - Dung lượng hấp phụ cũng như hiệu suất hấp phụ đạt giá trị cực đại 45 mg/g và 90,1% tại pH 2,5, và giảm dần (88,11% xuống 60,08%) khi tăng dần pH từ 3,0 – 6,0). - Điều này là do trong khoảng pH tiến hành khảo xác quá trình hấp phụ ion Cr(VI) mang điện âm không những tích điện cùng dấu với Fe 3 O 4 @SiO 2 (Hình 6b) mà còn bị cạnh tranh bề mặt hấp phụ bởi ion OH - khi tăng pH dẫn đến hiệu suất của quá trình giảm. - là các anion có kích thước tương đối nhỏ và dễ dàng hấp phụ. - là một anhydride đa vòng có kích thước lớn và khó hấp phụ hơn (Zhu et al., 2017) do đó dung lượng hấp phụ ở giá trị pH này thấp hơn khi ở pH 2,5. - Nếu so sánh ion CrO 4 2- và Cr 2 O 7 2- thì cả hai đều mang giá trị điện tích là -2, nhưng ion dichromate có 2 nguyên tử chromium nên khi hấp phụ chromium thì vật liệu hấp phụ cần 2 tâm hấp phụ để loại bỏ 2 nguyên tử chromium dưới dạng dichromate, nhưng lại chỉ có thể loại bỏ 1 nguyên tử chromium dưới dạng CrO 4 2. - Vì thế, hiệu suất hấp phụ Cr(VI) có giá trị kém nhất trong khoảng pH 5,0 – 6,0.. - Hình 5: Đồ thị biển diễn sự ảnh hưởng của pH đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của Fe 3 O 4 @SiO 2 (a), sự phụ của pH = pH sau – pH đầu theo pH đầu (b) và sự phân bố các dạng ion của. - Cr(VI) theo pH (c) 3.4.2 Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ. - Hình 7 biểu diễn sự ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ (Fe 3 O 4 @SiO 2 ) đến hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ Cr(VI). - Khi tăng khối lượng chất hấp phụ từ 0,01 g – 0,2 g Fe 3 O 4 @SiO 2 thì hiệu suất hấp phụ tăng từ 24,50% đến 94,48% và dung lượng hấp phụ giảm từ 122,49 mg/g xuống còn 23,62 mg/g. - Khi lượng Fe 3 O 4 @SiO 2 là 0,1 g thì hiệu suất hấp phụ đạt 92,09% và giữ gần như không đổi khi tăng khối lượng vật liệu hấp phụ lên đến 0,2 g.. - Nguyên nhân được cho là khi lượng chất hấp phụ ít thì số lượng tâm hấp phụ không nhiều nên xảy ra. - hiện tượng hấp phụ đa lớp dẫn đến hiệu suất hấp phụ kém, nhưng dung lượng hấp phụ rất lớn. - Tuy nhiên, khi tăng dần chất hấp phụ thì hiệu suất tăng là do số tâm hấp phụ đã đủ, do đó quá trình hấp phụ đơn lớp dần chiếm ưu thế hơn quá trình đa lớp, nhưng lại làm giảm dung lượng hấp phụ. - Thêm vào đó, khi số tâm hấp phụ đã đủ cũng như quá trình cân bằng hấp phụ diễn ra thì hiệu suất sẽ ít bị biến đổi vì thế khi khối lượng vật liệu hấp phụ tăng từ 0,1 g lên 0,2 g thì sự chênh lệch hiệu suất hấp phụ chỉ là 1%. - Vì vậy, khối lượng 0,1 g Fe 3 O 4 @SiO 2 là tối ưu trong khoảng khảo sát trên và được giữ để tiến hành khảo sát ảnh hưởng nồng độ chất bị hấp phụ.. - Hình 6: Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của Fe 3 O 4 @SiO 2. - 3.4.3 Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ. - Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ Cr(VI) bằng Fe 3 O 4 @SiO 2 bởi nồng độ ban đầu Cr(VI) được thể hiện qua Hình 8. - Khi tăng nồng độ từ 25 mg/L đến 100 mg/L, hiệu suất hấp phụ giảm từ 95,01% xuống 91,5%, từ đó nhận thấy sự thay đổi không đáng kể và quá trình trở nên ổn định do lượng chất hấp phụ sử dụng đã đáp ứng đủ số tâm hấp phụ.. - Khi tăng nồng độ từ 100 mg/L lên 200 mg/L quá trình hấp phụ đa lớp diễn ra, mặt khác sự có mặt. - Bên cạnh đó, dung lượng hấp phụ tăng 33,87 mg/g tại C o. - Từ kết quả trên chọn nồng độ ban đầu Cr(VI) 100 mg/L là tối ưu cho quá trình nhằm đảm bảo cân bằng giữa hiệu suất và dung lượng hấp phụ.. - Hình 7: Đồ thị biển diễn sự ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của Fe 3 O 4 @SiO 2. - 3.4.4 Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ Hình 9 biểu diễn sự ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của Fe 3 O 4 @SiO 2 . - Kết quả trên cho thấy rằng 15 phút là chưa đủ để Fe 3 O 4 @SiO 2 có thể hấp phụ tối ưu Cr(VI) do chất bị hấp phụ chưa đủ thời gian để khuếch tán đến bề mặt hấp phụ. - Điều này được thể hiện qua hiệu suất hấp phụ (58,30%) và dung lượng. - hấp phụ (29,15 mg/g) thấp hơn rất nhiều so với ở 30 phút. - Ở 30 phút, hiệu suất và dung lượng hấp phụ lần lượt đạt 92,49% và 46,25 mg/g và gần như ổn định cho khoảng thời gian tiếp theo của quá trình hấp phụ. - Điều này là do 30 phút đã đủ để cho quá trình xảy ra gần như hoàn toàn, lúc này quá trình hấp phụ gần như tiến đến trạng thái cân bằng nên hiệu suất tăng rất ít, chỉ tăng 1,79% khi tiếp tục tăng thời gian hấp phụ thêm 30 phút.. - Hình 8: Đồ thị biển diễn sự ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của Fe 3 O 4 @SiO 2. - 3.4.5 Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ. - Bảng 1, quá trình hấp phụ Cr(VI) bằng vật liệu hấp phụ Fe 3 O 4 @SiO 2 tuân theo phương trình Freundlich với giá trị R 2 = 0,9770. - Điều này một phần có thể giải thích là do sự bao phủ bề mặt các lõi từ bằng SiO 2 là chưa thật sự đồng đều làm cho bề mặt hấp phụ không đồng nhất dẫn đến các tâm hấp phụ mạnh yếu khác nhau. - Các tâm hấp phụ mạnh có nhiệt hấp phụ lớn và liên kết với các tiểu phân xảy ra trước dẫn đến một trung tâm hoạt động có thể liên kết một lúc nhiều tiểu phân. - mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân. - bề mặt hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên. - các trung tâm là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.. - Bảng 1: Các thông số của mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich cho quá trình hấp phụ Cr(VI) trên vật liệu Fe 3 O 4 @SiO 2. - Vật liệu hấp phụ pH q max (mg/g) Tài liệu tham khảo. - Từ Bảng 2, dung lượng hấp phụ cực đại (166,67 mg/g) ion Cr(VI) của Fe 3 O 4 @SiO 2 là khá cao so với hạt nano Fe 3 O 4 (20,163 mg/g), silica gelatin (56,15 mg/g), ethylenediamine- Fe 3 O 4 (81,5 mg/g), hạt nano polyethylenimine/magnetic (83,33 mg/g), và polydopamine/chitosan/ Fe 3 O 4 (151,51 mg/g). - Với các vật liệu hấp phụ dựa trên nền từ tính (Fe 3 O 4. - quá trình biến tính với SiO 2 trong nghiên cứu này đã cho thấy tính vượt trội trong việc hấp phụ ion kim loại nặng Cr(VI) trong nước. - Ngoài ra, khả năng hấp phụ cực đại của Fe 3 O 4 @SiO 2 cũng cho thấy khả năng hấp phụ vượt trội so với ống nano Titanate được chắc năng hóa với nhóm amino (153,85 mg/g), và khá tương đồng so với MSCGE (171,5 mg/g), nhưng lại kém xa so với EDA-MPMs (253 mg/g) và 1:1 Fe 3 O 4 -NH 2 @PmPDs (508 mg/g). - Nói tóm lại, việc biến tính SiO 2 trên vật liệu Fe 3 O 4 cho thấy việc cải tiến khả năng hấp phụ ion Cr(VI) của các vật hấp phụ trên nền Fe 3 O 4 đã được công bố.. - là quá trình hấp phụ vật lý với giá trị năng lượng liên kết E = 7,1795 kJ/mol. - Quá trình hấp phụ diễn ra chủ yếu trên bề mặt của SiO 2 bao quanh các lõi từ.. - Với cấu trúc lỗ xốp đặc trưng của mình SiO 2 cho phép các ion Cr(VI) khuếch tán vào các lỗ xốp và được giữ ở đây, ngoài ra còn lực liên kết tĩnh điện, lực Van der Walls cũng là nguyên nhân giúp các phân tử ion Cr(VI) bị giữ lại trên bề mặt vật liệu hấp phụ (Wang et al., 2010).. - Hình 9: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Dubinin- Radushkevich. - 1) là do quá trình hấp phụ có thể đã diễn ra thông qua việc trao đổi ion, ngoài ra với bề mặt hấp phụ không đồng nhất các lõi. - 1 ngoài quá trình hấp phụ vật lý chiếm ưu thế trong quá trình xử lý Cr(VI) bằng Fe 3 O 4 @SiO 2 còn có quá trình hấp phụ hóa học và sự khử một phần Cr(VI) thành Cr(III).. - Hình 10: Mô tả quá trình hấp phụ ion Cr(VI) bởi Fe 3 O 4 @SiO 2. - Tất cả các kết tủa này sẽ bị hấp phụ trực tiếp trên bề mặt lỗ xốp của SiO 2. - Vật liệu hấp phụ Fe 3 O 4 @SiO 2 đã được tổng hợp thành công với nguồn SiO 2 được thu hồi từ tro trấu bằng phương pháp đơn giản mà không sử dụng dung môi hay tiền chất đắt tiền. - Cr(VI) từ dung dịch ban đầu có nồng độ 100 mg/L đã bị hấp phụ bằng 0,1 g vật liệu Fe 3 O 4 @SiO 2 trong thời gian 30 phút ở pH 2,5. - Cơ chế chính của quá trình hấp phụ Cr(VI) bằng Fe 3 O 4 @SiO 2 là quá trình hấp phụ vật lý với q max = 166,67 mg/g. - Stevens et al., 2007.. - Gionnet et al., 2008.. - Tang et al., 2011. - Mohseni et al., 2018. - Wu et al., 2015a. - Hu et al., 2016b. - Li et al., 2018. - Wang et al., 2018.. - Yu et al., 2012. - Fang et al., 2017