- TỔNG HỢP VẬT LIỆU Fe x Mn y O z /TRO TRẤU. - VỚI HÀM LƯỢNG SẮT TẨM CAO HẤP PHỤ ASEN TRONG NƯỚC NGẦM Nguyễn Trung Thành 1. - Hấp phụ asen, Nano oxit sắt- mangan, Nước ngầm, Tro trấu. - và các vật liệu oxit sắt có khả năng hấp phụ tốt asen. - Trong nghiên cứu này, vật liệu Fe x Mn y O z /tro trấu (RHA) được giới thiệu như một loại vật liệu hấp phụ mới đầy tiềm năng và có nhiều ưu điểm so với vật liệu Fe x O y /RHA trong xử lý asen trong nước ngầm bằng kỹ thuật hấp phụ;. - cụ thể là vật liệu 10 KL.% (FeCl 3 + MnCl 2 ) Fe 7 Mn 3 O x /RHA cho hiệu quả hấp phụ asen cao gấp 1,1 và 1,3 lần so sánh tương ứng với vật liệu 10 KL.% Fe x O y /RHA và 10 KL.% (MnCl 2 ) MnO x /RHA tính trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ. - Việc nâng cao hiệu quả hấp phụ asen của vật liệu Fe x Mn y O z /tro trấu (RHA) có thể là sự hiện diện đồng thời của mangan oxit và silic oxit (trong chất mang) có thể làm tăng điện tích dương trên bề mặt oxit sắt.. - Trong đó, phương pháp hấp phụ được đánh giá cao và sử dụng phổ biến để loại bỏ asen. - bởi chi phí thực hiện thấp (bao gồm chi phí đầu tư và vận hành), có khả năng loại bỏ asen ở nồng độ cao (tùy thuộc vào kỹ thuật chế tạo vật liệu hấp phụ), chất hấp phụ có thể tái sử dụng nhiều lần và ít tạo ra chất độc hại sau quá trình xử lý (Addo Ntim and Mitra, 2011;. - Tuy nhiên, đối với phương pháp hấp phụ asen, hiệu quả của quá trình phụ thuộc rất lớn vào kỹ thuật chế tạo vật liệu và kinh nghiệm của người tổng hợp vật liệu. - Ngoài ra, thời gian cho quá trình hấp phụ hóa học asen đạt cân bằng được diễn ra rất chậm(Cao, Qu et al., 2012). - Do đó, tìm kiếm vật liệu tiên tiến trong hấp phụ asen vẫn còn là một thách lớn đối với nhân loại.. - Gần đây, các vật liệu nano trên cơ sở oxit sắt (ví dụ, -Fe 2 O 3 . - cho thấy hiệu quả hấp phụ asen rất tốt (Addo Ntim and Mitra, 2011. - Tuy nhiên, ở Việt Nam các vật liệu này vẫn chưa được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trong thực tế. - Nhìn chung, các vật liệu hấp phụ thường được chế tạo thành các hạt có kích thước nano hoặc các hạt nano được gắn trên bề mặt của chất mang. - Mục đích của việc này là làm tăng diện tích tiếp xúc và tăng độ bền của các hạt hấp phụ. - Kết quả của việc này là hiệu quả hấp phụ asen của vật liệu tăng lên đáng kể.. - Gần đây, nhóm nghiên cứu chúng tôi phát triển vật liệu hấp phụ Fe x O y /tro trấu như một loại vật liệu mới cho xử lý asen trong nước. - Trong nghiên cứu, vật liệu tro trấu sau hoạt hóa được đánh giá như một chất mang có nhiều ưu điểm hỗ trợ nâng cao hoạt tính hấp phụ asen đối với các hạt nano oxit sắt như: diện tích bề mặt riêng lớn, tích điện dương trên bề mặt của các hạt nano oxit sắt nhờ vào tương tác mạnh giữa chất hấp phụ và chất mang. - Tuy nhiên, nghiên cứu cũng nhận thấy rằng hoạt tính hấp phụ của Fe x O y /RHA sẽ giảm khi hàm lượng Fe x O y tẩm cao. - Như đã biết, quá trình hấp phụ asen bởi các hạt oxit sắt là quá trình hấp phụ hóa học. - Đối với quá trình hấp phụ hóa học, quá trình hấp phụ thường được diễn ra đơn lớp vì vậy việc tăng hàm lượng tẩm là tương đương với việc tăng số lượng tâm hấp phụ hóa học.. - Do đó, tẩm các chất có hoạt tính hấp phụ ở nồng độ thấp. - hoặc giảm tương tác giữa chất hấp phụ và chất mang là hoàn toàn bất lợi đối các quá trình hấp phụ hóa học.. - Vì thế, trong nghiên cứu này, vật liệu Fe x Mn y O z /RHA với hàm lượng sắt được tẩm cao được xem như một giải pháp để khắc phục các nhược điểm khi hàm lượng chất hấp phụ được tẩm với hàm lượng cao trên bề mặt chất mang.. - và nước khử ion (DI water) được sử dụng trong quá trình tổng hợp chất hấp phụ. - của vật liệu. - 2.3 Tổng hợp vật liệu Fe x Mn y O z /RHA 2.3.1 Điều chế chất mang từ tro trấu. - 2.3.2 Tổng hợp vật liệu Fe x Mn y O z /RHA Các hạt nano oxit sắt được gắn lên bề mặt của RHA (hoặc AC) bằng phương pháp tẩm. - Cuối cùng vật liệu Fe x Mn y O z /RHA thu được sau quá trình nung 4 giờ ở 450 o C. - Các vật liệu Fe x Mn y O z /RHA được lưu giữ trong bình hút ẩm và chuẩn bị cho các phân tích vật liệu sau này.. - 2.4 Thực nghiệm hấp phụ asen từ nước ngầm Đối với các thí nghiệm nghiên cứu khả năng loại bỏ asen từ nước ngầm, các mẫu vật liệu Fe x Mn y O z /RHA được khảo sát trên mẫu nước ngầm thực tế (có nồng độ ban đầu 100 µg/L) ở. - các điều kiện cố định như: thể tích nước ngầm 50 mL và lượng chất hấp phụ là 50 mg (đối với các thí nghiệm xác định điều kiện pH và thời gian lấy mẫu thích hợp) hoặc 10 mg (đối với các thí nghiệm xác định dung lượng hấp phụ asen). - Sau thời gian hấp phụ asen, chất hấp phụ được tách ra bằng cách lọc với giấy lọc Whatman 41 và dung dịch chiết sau lọc được tiến hành phân tích hàm lượng asen để đánh giá hiệu quả hấp phụ.. - 2.5 Xác định hàm lượng asen, sắt và mangan Nồng độ asen trong các thí nghiệm hấp phụ asen và hàm lượng sắt, mangan trong các mẫu Fe x Mn y O z /RHA được xác định bằng phương pháp phát xạ ngọn lửa với máy ICP (Industively coupled plasma. - 2.7 Tính toán hiệu quả hấp phụ asen của chất hấp phụ. - Xác định khả năng hấp phụ asen từ nước ngầm của vật liệu:. - m là khối lượng của vật liệu hấp phụ được sử dụng (10 mg).. - 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các đặc trưng của vật liệu Fe x Mn y O z /RHA. - 3.1.1 Đặc trưng FTIR của vật liệu. - Tro trấu tươi được thu gom từ các lò đốt trấu (lò đốt sản xuất gạch thủ công) làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất chất hấp phụ. - Ở đây chất hấp phụ được sản xuất bằng phương pháp ăn mòn hóa học dựa vào phản ứng cơ bản giữa HF-10% và SiO 2 như đã được trình bày trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi (Nguyễn Trung Thành, 2010).. - Fe 7 Mn 3 O z /RHA. - Thành phần hóa học trên bề mặt của chất mang ảnh hưởng rất lớn đến hoạt tính hấp phụ và xúc tác của vật liệu (Comotti, Li et al., 2005). - Quy trình tổng hợp vật liệu 10 KL.% (FeCl 3 và MnCl 2. - Các phổ FTIR của các vật liệu Fe x Mn y O z /RHA được thể hiện trong Hình 1. - 3.1.2 Đặc trưng XRD của vật liệu. - Điều này đúng theo ý tưởng thiết kế cấu trúc vật liệu như đã đặt ra ban đầu. - và mong đợi đây là một vật liệu có hiệu quả cao trong ứng dụng vật liệu trong hấp phụ các cấu tử điện ly có điện tích âm. - MnO x /RHA 3.1.3 Đặc trưng phổ XANES của vật liệu Kỹ thuật XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) có thể cho thấy được cấu trúc điện tử của vật liệu. - Các phổ XANES của mẫu Fe 7 Mn 3 O z /RHA;. - Ở đây thanh sắt kim loại được sử dụng như một vật chuẩn để so sánh với các mẫu vật liệu oxit sắt. - của các mẫu Fe 7 Mn 3 O z /RHA. - Chính sự dịch chuyển electron này làm sắt trong mẫu Fe 7 Mn 3 O z /RHA tích một phần điện tích dương và dễ dàng hấp phụ các cấu tử tích điện âm.. - Hình 4: Phổ XANES của Fe 7 Mn 3 O z /RHA;. - Fe x O y /RHA và sắt kim loại (chất so sánh) 3.2 Hoạt tính hấp phụ asen của vật liệu Tiếp theo các vật liệu được kiểm tra hoạt tính hấp phụ asen từ nước ngầm. - Các điều kiện ảnh hưởng như pH, thời gian và loại chất hấp phụ sẽ được khảo sát, cũng như xác định hàm lượng asen được hấp phụ. - điều này sẽ giúp đánh giá khả năng thật sự của vật liệu và đây là tiền đề có ý nghĩa rất lớn khi triển khai ứng dụng vật liệu trong thực tiễn.. - Thực nghiệm khảo sát hoạt tính hấp phụ asen từ nước ngầm được tiến hành trong điều kiện tĩnh.. - 3.2.1 Ảnh hưởng giá trị pH ban đầu đến hiệu quả hấp phụ của vật liệu. - Kết quả cho thấy ảnh hưởng của giá trị pH ban đầu của nước ngầm đến hiệu quả xử lý asen từ nước ngầm của vật liệu sau 30 phút tiếp xúc với nước ngầm được thể hiện trong Hình 5. - Lưu ý rằng các điều kiện thí nghiệm như nồng độ asen trong nước ngầm, thể tích nước ngầm, khối lượng chất hấp phụ được giữ không đổi (xin xem thêm phần thực nghiệm). - Từ Hình 5 cho thấy rằng tất cả các vật liệu đều cho khả năng hấp phụ cao đối với các ion asen trong nước ngầm. - trong đó, khoảng pH cho hiệu quả hấp phụ asen cao nhất là 6. - Điều này rất thuận lợi cho quá trình triển khai ứng dụng vật liệu vào thực tiễn trong quá trình xử lý nước nhiễm asen. - Hình 5: Ảnh hưởng của giá trị pH ban đầu đến hiệu quả hấp phụ asen của các vật liệu. - (2)- Fe 7 Mn 3 O z /RHA. - Hình 6 cho thấy ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc giữa vật liệu hấp phụ và nước ngầm. - Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng các vật liệu hấp phụ đạt đến trạng thái cân bằng trong một khoảng thời gian rất ngắn (khoảng 20 phút). - Khi so sánh với các vật liệu nano oxit sắt hấp phụ asen trước đây (Wu, Li et al., 2012), vật liệu hấp phụ Fe x Mn y O z /RHA cho thấy khả năng đạt trạng thái cân bằng hấp phụ nhanh. - hay nói một cách khác sự cải tiến về tốc độ truyền vận đã được quan sát đối với vật liệu này.. - Sự tiến nhanh đến trạng thái cân bằng cho quá trình hấp phụ hóa học asen lên bề mặt nano oxit sắt có thể là do sự hỗ trợ qua lại giữa các tâm hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học nằm gần nhau và tồn tại đồng thời trong cùng một vật liệu. - Tóm lại, sự tiến nhanh đến trạng thái cân bằng có thể là do sự kết hợp các tác động hỗ trợ của sự tồn tại các tâm hấp phụ vật lý- hoá học gần kề nhau và tích điện tích dương trên bề mặt tâm hấp phụ oxit sắt bởi tương tác mạnh giữa RHA và oxit sắt. - Sự tiến nhanh đến trạng thái hấp phụ cân bằng có thể rút ngắn thời gian lưu nước và tăng lưu lượng nước xử lý (hoặc tăng hiệu xuất xử lý) điều này có nghĩa rất lớn khi triển khai ứng dụng vật. - Do đó, các thí nghiệm so sánh/đánh giá hiệu quả hấp phụ asen cho các vật liệu khác sẽ được thực hiện tại mốc thời gian lưu 20 phút.. - Hình 6: Ảnh hưởng thời gian hấp phụ đến hiệu quả hấp phụ asen của các vật liệu. - 3.2.3 Dung lượng hấp phụ asen của vật liệu Trong quá trình sản xuất chất hấp phụ, việc xác định tỷ lệ Fe:Mn thích hợp được tẩm trên bề mặt chất mang RHA là rất quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hấp phụ asen trong nước.. - Trong những nghiên cứu sơ bộ, thực nghiệm đã xác nhận tỷ lệ mol Fe:Mn = 7:3 sẽ cho hiệu quả hấp phụ asen cao hơn so với các tỷ lệ Fe:Mn khác.. - Fe 7 Mn 3 O x /RHA. - MnO x /RHA được chọn cho thực nghiệm với mục đích thấy ảnh hưởng của oxit mangan trong cấu trúc oxit sắt đến khả năng hấp phụ hoá học đối với asen của oxit sắt.. - Trong nghiên cứu này, khái niệm "dung lượng hấp phụ asen". - được sử dụng để thể hiện hàm lượng asen bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng vật liệu. - Ngoài ra, để xác định dung lượng asen bị hấp phụ, các thí nghiệm được tiến hành với điều kiện sử dụng lượng vật liệu hấp phụ nhỏ (trong đây lượng vật liệu được sử dụng 10 mg) để hàm lượng As bị loại bỏ khỏi dung dịch <. - Cách tính dung lượng hấp phụ asen của vật liệu được trình bày chi tiết trong phần thực nghiệm.. - Hình 7: Dung lượng hấp phụ asen của các vật liệu Kết quả tính toán dung lượng hấp phụ asen của các vật liệu được thể hiện trong Hình 7. - Trật tự dung lượng hấp phụ có thể thu được như sau:. - Fe 7 Mn 3 O x /RHA >. - Trong trật tự dung lượng này thì vật liệu Fe 7 Mn 3 O x /RHA cho hoạt tính hấp phụ asen cao nhất và cao hơn gấp ~ 1,1 lần so với Fe x O y /RHA và cao ~1,3 lần so với MnO x /RHA. - Ngoài ra, vật liệu RHA (đóng vai trò là chất mang trong nghiên cứu này) cũng cho hoạt tính hấp phụ asen tương đối tốt;. - điều này sẽ hỗ trợ rất nhiều cho hấp phụ asen của các vật liệu Fe x Mn y O z /RHA. - Dung lượng hấp phụ của vật liệu Fe 7 Mn 3 O x /RHA cao nhất có thể là do sự tồn tại đồng thời và liền kề các tâm hấp phụ vật lý và tâm hấp phụ hoá học (điều này do sử dụng RHA (có cấu trúc composite) mang lại). - Tổ hợp các tương tác có thể hỗ trợ khả năng hấp phụ asen đối với vật liệu Fe x Mn y O z /RHA được mô tả trong Hình 9.. - Hình 9: Tổ hợp các tương tác có thể hỗ trợ quá trình hấp phụ asen đối với vật liệu. - Fe x Mn y O z /RHA 4 KẾT LUẬN. - Các vật liệu Fe x Mn y O z /RHA đã tổng hợp thành công và cũng được đặc trưng bằng các phân tích hiện đại như FTIR, XRD và XANES. - Các vật liệu Fe x Mn y O z /RHA cho hiệu quả hấp phụ cao đối với asen từ nước ngầm. - Fe 7 Mn 3 O x /RHA cho hiệu quả hấp phụ asen cao nhất. - Ở đây, dung lượng hấp phụ asen của vật liệu Fe 7 Mn 3 O x /RHA cao nhất có thể là do sự tồn tại đồng thời và liền kề các tâm hấp phụ vật lý và tâm hấp phụ hoá học (điều này do sử dụng RHA (có cấu trúc composite) mang lại). - Nghiên cứu ứng dụng tro trấu từ lò đốt gạch thủ công làm chất hấp phụ metyl da cam.