Tài liệu Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước bằng vật liệu hydroxit lớp kép (mg-al ldh - pvaalginat) (tt)

  • Số trang: 12 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 118 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 27125 tài liệu

Mô tả:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC – MÔI TRƯỜNG  BÀI BÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITRAT TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU HYDROXIT LỚP KÉP (Mg-Al LDH - PVA/Alginat) TRẦN THỊ MINH HẠNH ĐỖ THỊ KIM LIÊN BIÊN HÒA, THÁNG 01/2014 NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITRAT TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU HYDROXIT LỚP KÉP (Mg-Al LDH - PVA/Alginat) RESEARCH NITRATE TREATMENT IN WATER BY LAYERED DOUBLE HYDROXIDE (Mg-Al LDH – PVA/Alginate) TS. Nguyễn Thị Kim Phượng1*, Th.S Lê Phú Đông2, Trần Thị Minh Hạnh2, Đỗ Thị Kim Liên2 Viện Công Nghệ Hóa Học Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện Hàn Lâm Khoa Học Và Công Nghệ Việt Nam, email: nguyenthikimp@yahoo.ca 2 Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Môi Trường, Trường Đại Học Lạc Hồng 1* ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- TÓM TẮT Hấp phụ là phương pháp xử lý nitrat rất hiệu quả và kinh tế. Do đó các nghiên cứu trong luận văn này hướng đến tìm một loại vật liệu có hiệu quả hấp phụ cao, không độc hại, có khả năng phân hủy sinh học và rẻ tiền đó là vật liệu hydroxit lớp kép (Mg-Al LDH – PVA/Algninat). Kết quả thực nghiệm cho thấy hạt Mg-Al LDH – PVA/Alginate có hiệu quả trong việc loại bỏ nitrat. Các thí nghiệm hấp phụ nitrat theo phương pháp tĩnh cho thấy khả năng loại bỏ nitrat của hạt 8% Mg-Al LDH – PVA/Alginat không bị ảnh hưởng hoặc bị ảnh hưởng không đáng kể khi thay đổi pH của dung dịch từ 5 – 9; thời gian hấp phụ tối ưu là 8 giờ; nồng độ ban đầu của nitrat càng thấp thì khả năng hấp phụ cúa vật liệu càng cao; sự có mặt của các anion cacbonat, clorua, sulphat, photphat trong dung dịch làm ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu, trong đó ảnh hưởng nhiều nhất là anion cacbonat. Nghiên cứu xử lý nitrat theo phương pháp dòng chảy liên tục cho thấy, thời gian để nồng độ nitrat trong nước đầu ra vẫn nằm trong giới hạn cho phép là 8 giờ và thời gian để vật liệu trong cột mất hết khả năng hấp phụ là 28 giờ. ABSTRACT Adsorption is the economic and effective treatment system. This research focus on looking for an adsorbent with a high adsorption capacity, non – toxic, biodegradable and cheap, that is Layer Double Hydroxide. (Mg-Al LDH – PVA/Algninate). Removal study of nitrate by batch experiment shows that it was high potential for nitrate removal of Mg-Al LDH – PVA/Algninate, no significant effect of pH on the nitrate adsorption was observed for the 8% Mg-Al LDH – PVA/Alginate beads for increase pH from 5 to 9, the nitrate removal was reached equilibrium in 480min. The presence of others anion such as carbonate, chloride, sulfate, phosphate reduced the adsorption of nitrate appreciably, carbonate had the highest effect on the nitrate removal by 8% Mg-Al LDH - PVA/Alginate beads. Column experiment for nitrate removal shows that the nitrat concentration in the eefluent was within permissible limit for first 8 hours and the column was completely exhausted after 28 hours. Key words: Adsorption, effect, Mg-Al LDH – PVA/Alginate, nitrate, research 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nitrat là thành phần dinh dưỡng cần thiết cho sinh vật, tuy nhiên, quá nhiều nitrat trong nước sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng làm rong rêu phát triển quá mức, giảm hàm lượng oxy tan trong nước, phá hủy hệ động vật thủy sinh, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe môi trường và chất lượng nước mặt. Nitrat cũng là nguyên nhân của bệnh methemoglobin, hết sức có hại cho trẻ em và các bà mẹ đang nuôi con nhỏ. Có rất nhiều phương pháp xử lý nước ô nhiễm nitrat như phương pháp thẩm thấu ngược, trao đổi anion, hấp phụ, xử lý sinh học…[1] Tuy nhiên các phương pháp này có nhiều hạn chế như tạo ra nhiều bùn thải, không xử lý triệt để và chi phí xử lý 1 quá lớn. Hấp phụ là phương pháp xử lý nitrat rất hiệu quả và kinh tế. Vật liệu hấp phụ được sử dụng phổ biến đó là than hoạt tính nhưng chi phí xử lý quá cao. Hydroxit lớp kép (Layered Double Hydroxide - LDH) là nhóm vật liệu khoáng sét anion cấu trúc nano. LDH có công thức chung là [M2+1-xM3+x(OH)2]x+[(Am-)x/m.nH2O]x-. Trong đó M2+ là cation hóa trị 2, M3+ là cation hóa trị 3, x là tỷ lệ mol M3+/(M2++M3+), và A là anion xen của hóa trị m[3]. Cơ chế xử lý độc chất oxyanion trong nước bằng LDH chủ yếu là hấp phụ và trao đổi anion. Do độ thấm thấp và lượng bùn sinh ra quá lớn, nên vật liệu LDH dạng bột không phù hợp ứng dụng trong hệ thống lọc của các quy trình xử lý nước và nước thải. Để cải thiện hạn chế trên, LDH dạng hạt được đề nghị sử dụng. Ngậm “vật liệu chức năng (functional materials)” trong canxi alginat, ứng dụng xử lý chất ô nhiễm trong nước và nước thải đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm do tính đơn giản và hiệu quả [5,6]. Độ xốp của Ca-alginat cho phép chất ô nhiễm khuếch tán vào bên trong các hạt và tiếp xúc với các vật liệu chức năng [7]. Thêm vào đó, alginat là chất không độc, phân hủy sinh học và gel không tan trong nước [8]. Tuy nhiên, do độ bền cơ học và độ ổn định hóa học của canxi alginat trong nước kém, nên nhanh chóng bị biến dạng, để cải thiện yếu điểm này canxi alginat được phối trộn với polyvinyl alcol (PVA)[9]. Bột LDH sẽ được ngậm trong canxi alginat pha trộn với PVA tạo thành các hạt LDH-PVA/alginat. Nghiên cứu được thực hiện nhằm tìm kiếm loại vật liệu hấp phụ thật rẻ tiền, dễ vận hành để ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm nitrat. Các thí nghiệm hấp phụ nitrat theo phương pháp tĩnh và phương pháp dòng chảy liên tục cũng được thực hiện để đánh giá hiệu quả xử lý nitrat của vật liệu tìm được. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1.Vật liệu hấp phụ Vật liệu hấp phụ được chọn cho nghiên cứu này là hạt Mg-Al LDH-PVA/alginat do phòng thí nghiệm Hóa lý Phân tích tổng hợp (XEM HÌNH) Hình 1: Vật liệu hấp phụ (hạt Mg-Al LDH-PVA/alginat) Vật liệu x% Mg-Al LDH-PVA/alginat (với x = 0%, 2%, 4%, 6%, 8% và 10%) còn gọi là hạt 0%, 2%, 4%, 6%, 8% và 10% Mg-Al LDH-PVA/alginat. Hạt 2% Mg-Al LDH-PVA/alginat có nghĩa là hạt có chứa 2% Mg-Al LDH hay có 2 gam Mg-Al LDH chứa trong 100ml dung dịch PVA/alginat. 2.2. Xử lý nitrat theo phương pháp tĩnh (batch experiment) Các thí nghiệm hấp phụ N-NO3- của các hạt Mg-Al LDH-PVA/Alginat được thực hiện trong các bình tam giác 250ml, có nút đậy ở nhiệt độ phòng 28±20C, hỗn hợp dung dịch được lắc liên tục ở tốc độ 250 vòng/phút. Phân tích hàm lượng N-NO3- bằng phương pháp natri salicylat đo ở bước sóng 420nm trên thiết bị quang phổ so màu của hãng HACH (Mỹ). 2.2.1. Ảnh hưởng của lượng Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat: Ngâm 3 gam vật liệu x% Mg-Al LDH-PVA/alginat (với x = 0%, 2%, 4%, 6%, 8% và 10%) vào trong 50ml dung dịch N-NO3- có 2 nồng độ 10 mg/L và 25 mg/L, pH dung dịch bằng 6,8. Lắc hỗn hợp dung dịch trong 8 giờ, lọc và phân tích hàm lượng nitrat trong dịch lọc. 2.2.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch: Ngâm 3 gam vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat vào 50ml dung dịch nitrat có nồng độ ban đầu là 10 mg/L và 25 mg /L. Dùng dung dịch HCl 0,01N và NaOH 0,01N để điều chỉnh pH dung dịch từ 5 đến 9 (5; 6; 6,8; 7; 8 và 9). Độ pH của dung dịch được đo bằng thiết bị đo pH (Hanna, Trung Quốc). Lắc hỗn hợp dung dịch trong 8 giờ, lọc và phân tích hàm lượng nitrat trong dịch lọc. 2.2.3. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ: Ngâm 3 gam vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat vào 50ml dung dịch nitrat có nồng độ ban đầu là 10 mg/L và 25 mg/L, pH của dung dịch 6,8. Lắc hỗn hợp dung dịch liên tục, lấy mẫu trong 30, 60, 120, 180, 240, 300, 360, 420, 480, 720 và 1440 phút, lọc và phân tích hàm lượng nitrat trong dịch lọc. 2.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ nitrat ban đầu trong dung dịch: Ngâm 3 gam vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat vào 50ml dung dịch nitrat có nồng độ ban đầu là 10, 20, 25, 50, 60, 80 và 100 mg/L, pH của dung dịch 6,8. Lắc hỗn hợp dung dịch trong 8 giờ, lọc và phân tích hàm lượng nitrat trong dịch lọc. 2.2.5. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh: Ngâm 3 gam vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat vào 50ml dung dịch nitrat có nồng độ ban đầu là 10 mg/L và 25 mg/L, pH của dung dịch 6,8. Nồng độ của các anion (PO43-, Cl-, CO32-, SO42-) trong dung dịch lần lượt là: 50 mg/L, 80 mg/L và 100 mg/L. Lắc hỗn hợp dung dịch trong 8 giờ, lọc và phân tích hàm lượng nitrat trong dịch lọc. 2.3. Xử lý nitrat theo phương pháp dòng chảy liên tục (column experiment) Đánh giá hiệu quả xử lý nitrat của vật liệu theo kiểu dòng chảy liên tục bằng cách cho vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat bố trí trong cột thủy tinh dài 35cm, đường kính cột 2cm, chiều cao của lớp vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat là 15cm (khối lượng của lớp vật liệu là 22,8 gam). Nồng độ nitrat trong dung dịch là 25 mg/L được bơm vào trong cột chảy ngược từ dưới lên trên (upflow) với tốc độ dòng đầu vào cố định 1,3ml/phút (tương đương 24,84 cm/giờ). Lấy mẫu sau mỗi 30 phút và phân tích hàm lượng nitrat còn lại trong mẫu xử lý. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc trưng cấu trúc của hạt Mg-Al LDH–PVA/Alginat Kết quả phân tích phổ XRD xác định cấu trúc của mẫu vật liệu Mg-AL LDHPVA/Alginat (tỷ lệ mol Mg/Al = 3:1) được trình bày trong hình 2 Hình 2: Phổ XRD của vật liệu hydroxit cấu trúc lớp kép: (a) bột LDH, (b) 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat và (c) 0% Mg-Al LDH-PVA/alginat Phổ XRD cho thấy hạt vật liệu có các pic phản xạ đặc trưng của vật liệu hydroxit cấu trúc lớp kép tại các góc 2θ: 11, 50 (003), 230 (009), 34, 70 (009), 60, 50 (110) phù hợp với kết quả của các công bố trước đây của các tác giả về cấu trúc tương đồng của vật liệu hydroxit cấu trúc lớp kép [4, 10-11] 3 Đặc trưng hình thái của các hạt Mg-Al LDH-PVA/Alginat được xác định bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và được trình bày trong hình 3, kết quả cho thấy bề mặt của các hạt 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat không đồng nhất nếu so sánh với bề mặt của các hạt 0% MgAl LDH-PVA/Alginat điều này chứng tỏ bột Mg-Al LDH đã trộn lẫn (intermingled) vào PVA/Alginat. (a) (b) Hình 3: Ảnh SEM (a) của các hạt 0% Mg-Al LDH-PVA/Alginat bar 1µm; (b) của các hạt 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat bar 1µm 3.2. Nghiên cứu hấp phụ nitrat bằng phương pháp tĩnh 3.2.1. Ảnh hưởng của lượng Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat Ảnh hưởng của lượng Mg-Al LDH đến quá trình hấp phụ nitrat của vật liệu hấp phụ được trình bày trên hình 4. Phần trăm hấp phụ 100 80 60 C = 25 mg/l 40 C = 10 mg/l 20 0 0% 2% 4% 6% Loại hạt 8% 10% 12% Hình 4. Ảnh hưởng của lượng Mg-Al LDH trong hạt PVA/alginat đến quá trình hấp phụ nitrat Kết quả trên hình 4 cho thấy, không xảy ra quá trình hấp phụ nitrat đối với hạt 0% Mg-Al LDH-PVA/alginat, trong khi đó, quá trình hấp phụ nitrat trên hạt 2% Mg-Al LDH-PVA/alginat đạt 73,60 % và 61,87 % tương ứng với nồng độ nitrat ban đầu là 10mg/L và 25mg/L, điều này cho thấy tiềm năng xử lý nitrat của Mg-Al LDH. Khi tăng lượng Mg-Al LDH trong hạt PVA/alginat thì tăng hấp phụ nitrat, tuy nhiên, quá trình hấp phụ nitrat của các hạt Mg-Al LDHPVA/alginat không tăng tuyến tính và phụ thuộc vào khối lượng Mg-Al LDH chứa trong hạt. Hạt 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat hấp phụ nitrat đạt 92,48 % và 90,57 % tương ứng với nồng độ nitrat ban đầu là 10 mg/L và 25 mg/L. Vì vậy, hạt 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat sẽ được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo. 3.2.2. Ảnh hưởng của pH Quá trình hấp phụ nitrat trên hạt 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat được khảo sát tại các giá trị pH khác nhau từ 5 đến 9. Quá trình khảo sát không thực hiện ở pH thấp hơn 5 vì LDH thường 4 không ổn định trong môi trường quá axit. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ N-NO3- trên hạt 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat được trình bày trên hình 5. phần trăm hấp phụ 100 80 60 C=10mg/L 40 C=25mg/L 20 0 4 5 6 7 8 9 pH Hình 5. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDHPVA/alginat Từ những kết quả trình bày trên hình 5 cho thấy, pH của dung dịch ảnh hưởng không đáng kể đến quá trình hấp phụ nitrat của vật liệu. Hấp phụ nitrat giảm nhưng không đáng kể khi tăng pH từ 5 đến 9. Để giải thích cho sự giảm nhẹ hấp phụ nitrat khi pH dung dịch tăng từ 5-9 như sau: khi tăng pH dung dịch, nồng độ OH- trong dung dịch sẽ tăng, các nhóm OH- này sẽ cạnh tranh với ion nitrat, tuy nhiên cạnh tranh không đáng kể. Điều này cho thấy có thể sử dụng vật liệu này để xử lý nitrat trong nước có độ pH thay đổi từ 5-9. Do vậy, các thí nghiệm tiếp theo sẽ được thực hiện ở môi trường pH 6,8. 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ Khả năng loại bỏ nitrat phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc của nó với vật liệu hấp phụ. Với điều kiện pH dung dịch 6,8 và sử dụng vật liệu hấp phụ là hạt 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat, nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ nitrat được thực hiện. Phần trăm hấp phụ 100 80 60 40 C=10mg/L 20 C=25mg/L 0 0 200 400 600 800 1000 t (phút) 1200 1400 1600 Hình 6. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDHPVA/alginat Kết quả nghiên cứu trình bày trên hình 6 cho thấy, hấp phụ nitrat tăng nhanh trong 30 phút đầu tiên, đạt 62,15% và 55,85% tương ứng với nồng độ nitrat ban đầu là 10 mg/L và 25mg/L. Trong vòng 480 phút thí nghiệm, hấp phụ N-NO3- trên hạt 8% Mg-Al LDHPVA/Alginat đạt khoảng 91,82% và 90,57% tương ứng với nồng độ ban đầu 10mg/L và 25mg/L. 5 Từ 480 phút đến 1440 phút, lượng N-NO3- hấp phụ trên hạt 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat không tăng hoặc tăng không đáng kể. Giải thích cho hiện tượng quá trình hấp phụ nitrat tăng từ 0 đến 480 phút và không tăng hoặc tăng không đáng kể từ 480 đến 1440 phút như sau: thời gian đầu các tâm hoạt động (active sites) trong vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat có mang nhiều ion clorua nên dễ dàng trao đổi với ion nitrat trong dung dịch, do đó quá trình hấp phụ xảy ra nhanh. Theo thời gian, đa số tâm hoạt động và ion nitrat trong dung dịch giảm, do đó quá trình hấp phụ giảm dần. Càng kéo dài thời gian phản ứng, quá trình hấp phụ càng giảm, lúc này hầu hết các tâm hoạt động của vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat được lấp đầy bởi các ion NO3-. Ở trạng thái cân bằng, thì tỷ lệ trao đổi clorua bởi nitrat bằng với tỷ lệ trao đổi nitrat bởi clorua. Vì vậy, sau khi đạt trạng thái cân bằng, không có bất kỳ sự gia tăng nào trong việc loại bỏ nitrat khi kéo dài thời gian tiếp xúc [13]. Như vậy, thời gian để hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat đạt cân bằng là 480 phút (8 giờ) 3.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ nitrat ban đầu trong dung dịch Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ ban đầu đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-AL LDH-PVA/alginat được trình bày trên hình 7. Phần trăm hấp phụ 100 91,16 93,29 80 90,69 68,78 60,18 60 52,06 38,98 40 20 0 0 20 40 60 80 Nồng độ (mg/L) 100 120 Hình 7. Ảnh hưởng của nồng độ nitrat ban đầu đến quá trình hấp phụ trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat Kết quả trên hình 7 cho thấy, hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat giảm từ 93,29 % đến 38,98 % khi tăng nồng độ nitrat từ 10 mg/L đến 100mg/L. Khi nồng độ nitrat trong dung dịch tăng 5 lần (tăng từ 10 mg/L lên 50 mg/L) hấp phụ nitrat giảm khoảng 24,51 % và nồng độ nitrat trong dung dịch tăng 10 lần (tăng từ 10 mg/L lên 100 mg/L) hấp phụ nitrat giảm khoảng 54,31 %. Điều này có thể giải thích như sau: khi nồng độ nitrat trong dung dịch cao, đã xảy ra hiện tượng vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat thiếu các tâm hoạt động để trao đổi với nitrat trong dung dịch dẫn đến hiệu suất hấp phụ giảm. Khi nồng độ nitrat trong dung dịch thấp, vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat luôn còn nhiều các tâm hoạt động sẵn sàng trao đổi với anion nitrat có trong dung dịch dẫn đến hiệu suất hấp phụ tăng cao [13]. Đẳng nhiệt hấp phụ Phân tích đẳng nhiệt hấp phụ rất quan trọng để biết dung lượng và cơ chế hấp phụ của vật liệu. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir (1) hoặc Freundlich (2) được sử dụng để tính toán dung lượng hấp phụ nitrat tối đa của vật liệu 8 % Mg-Al LDH-PVA/alginat. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir [11] dạng tuyến tính được mô tả như sau: 𝐶𝑒 1 𝐶𝑒 = + (1) 𝑞𝑒 𝑞𝑚𝑎𝑥 𝐾𝐿 𝑞𝑚𝑎𝑥 6 Phương trình đẳng nhiệt Freundlich [12] dạng tuyến tính được mô tả như sau: 1 𝑙𝑜𝑔 𝑞𝑒 = 𝑙𝑜𝑔𝐾𝐹 + 𝑙𝑜𝑔𝐶𝑒 𝑛 (2) Trong đó: qe là dung lượng hấp phụ cân bằng (mg.g-1), Ce là nồng độ cân bằng của nitrat (mg.L ), qmax là lượng nitrat bị hấp phụ cực đại (mg.g-1), KL là hằng số Langmuir (L.mg-1), KF là hằng số Freundlich (mg.L-1.g-1) và n là hằng số chỉ cường độ hấp phụ. Dung lượng hấp phụ cân bằng qe (mg.g-1) của vật liệu hấp phụ (hạt 8 % Mg-Al LDHPVA/Alginat) được tính như sau: -1 𝑞𝑒 = (𝐶0 − 𝐶𝑒 )𝑉 𝑚 (3) Trong đó: C0 là nồng độ N-NO3- trong dung dịch ban đầu (mg.L-1), Ce là nồng độ N-NO3trong dung dịch tại thời cân bằng (mg.L-1), V là thể tích dung dịch (L) và m là khối lượng vật liệu Mg-Al LDH-PVA/Alginat (g) Từ phương trình (1), vẽ đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa Ce/qe và Ce theo các giá trị thực nghiệm để tìm các tham số qmax và KL. Phương trình tuyến tính hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat thu được như sau: Ce/qe = 1,4563 Ce + 3,257 với R2 = 0,9968. Từ phương trình (2), vẽ đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa log qe và log Ce theo các giá trị thực nghiệm để tìm các tham số 1/n và KF. Phương trình tuyến tính đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat thu được như sau: log qe = 0,2953 log Ce – 0,6345 với R2 = 0,896. Các giá trị R2 cho thấy, phương trình Langmuir thích hợp để mô tả quá trình hấp phụ nitrat trên hạt vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat hơn phương trình Freundlich, cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu là hấp phụ vật lý, quá trình hấp phụ hóa học xảy ra kém hơn. Tải trọng hấp phụ nitrat cực đại của vật liệu là 0,6867 (mg.g-1). Đồ thị tuyến tính và các tham số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich được trình bày trên hình 8 và bảng 1. 100 60 0.2 0.6 1 1.4 1.8 -0.3 40 logqe Ce/qe 0.0 -0.2 y = 1,4563x + 3,257 R² = 0,9968 80 20 y = 0,2953x - 0,6345 R² = 0,896 -0.6 0 0 20 40 Ce 60 80 -0.9 logCe (b) (a) Hình 8. Đồ thị tuyến tính đẳng nhiệt hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat: (a) Langmuir và (b) Freundlich Bảng 1. Các tham số đẳng nhiệt hấp phụ của hạt 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat Phương trình Langmuir Phương trình Freundlich Tham số qmax (mg.g-1) KL (L.mg-1) R2 KF (mg.L-1.g-1) 1/n R2 Giá trị 0,6867 0,4471 0,9968 0,232 0,2953 0,896 7 100 100 80 80 Phần trăm hấp phụ Phần trăm hấp phụ 3.2.5. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các anion cạnh tranh trong quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat được trình bày trên hình 3.8. 60 Clorua Sulphat 40 Photphat 60 Clorua Sulphat 40 Photphat Cacbonat Cacbonat 20 20 0 0 0 20 40 60 80 100 0 20 Nồng độ anion cạnh tranh (mg/L) 40 60 80 100 Nồng độ anion cạnh tranh (mg/L) (a) (b) Hình 9. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% MgAl LDH-PVA/alginat nồng độ nitrat ban đầu (a) 10 mg/L, (b) 25 mg/L Kết quả trên hình 9 cho thấy, với sự có mặt của các anion cạnh tranh làm cho khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu giảm đáng kể. Các anion gây ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ nitrat được xếp theo thứ tự như sau: cacbonat > clorua > sulphat > photphat. Anion cacbonat gây ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hấp phụ nitrat của vật liệu. 1.2 2.5 1.0 2.0 ln(C/(C0-C)) C/C0 3.3. Nghiên cứu xử lý nitrat theo phương pháp dòng chảy liên tục Dung dịch nitrat nồng độ 25 mg/L được bơm ngược dòng từ dưới lên trên cột với tốc độ dòng vào cố định 1,3 ml/phút (tương đương 24,84 cm/giờ). Lấy mẫu nước liên tục sau mỗi 30 phút. Đường cong hấp phụ nitrat được trình bày trong hình 3.9. Thời gian để nồng độ nitrat trong nước đầu ra vẫn nằm trong giới hạn cho phép là 8 giờ (ứng với C/C0 = 0,3922) và thời gian để vật liệu trong cột mất hết khả năng hấp phụ là 28 giờ (ứng với C/C0 = 0,9095) [2]. 0.8 y = 0,1107x - 1,2806 R² = 0,9374 1.5 0.6 1.0 0.4 0.5 0.2 0.0 0.0 0 0 10 20 30 t (giờ) 40 -0.5 Hình 10. Đường cong hấp phụ nitrat trên vật liệu 8 % Mg-Al LDHPVA/Alginat theo phương pháp dòng chảy liên tục 10 20 t (giờ) Hình 11. Đồ thị tuyến tính hấp phụ nitrat trên vật liệu 8 % Mg-Al LDHPVA/Alginat theo phương pháp dòng chảy liên tục 8 30 Sử dụng phương trình hấp phụ tuyến tính của tác giả Oulman (1980) để phân tích kết quả thực nghiệm, phương trình hấp phụ tuyến tính được biểu diễn như sau: 𝑙𝑛 𝐶 𝐾𝑁𝑥 =− + 𝐾𝐶𝑂 𝑡 𝐶𝑂 − 𝐶 𝑉 (4) Trong đó: C0 là nồng độ ban đầu của nitrat (mg/L), C là nồng độ nitrat tại thời gian t (mg/L), K là hằng số hấp phụ (L/mg.giờ), N là dung lượng hấp phụ (mg/L), V là vận tốc (cm/giờ), x là chiều cao lớp vật liệu hấp phụ (cm) Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa ln[C/(C0-C)] và thời gian t theo các giá trị thực nghiệm được trình bày ở hình 11 Bảng 2. Tham số hấp phụ của vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat theo phương pháp dòng chảy liên tục. Nồng độ ban đầu C0 (mg/L) Chiều cao lớp vật liệu x (cm) Vận tốc V (cm/giờ) Dung lượng hấp phụ N (mg/l) Hằng số hấp phụ K (L/mg.giờ) R2 25 15 24,84 475,49 0,0045 0,9374 - Thời gian tiếp xúc (ttx) giữa vật liệu và nitrat được tính như sau: 𝑡𝑡𝑥 Trong đó 𝑉𝑟 𝜋𝐷 2 ℎ 3,14 × 4 × 15 = = = = 36,23 𝑝ℎú𝑡 𝑄 4𝑄 4 × 1,3 Vr: thể tích cột hấp phụ (cm3) Q: lưu lượng dòng vào (ml/phút) - Tổng lượng nitrat được đưa vào cột (M tổng): 𝑀𝑡ổ𝑛𝑔 = Trong đó 𝐶0 𝑄𝑡𝑡ổ𝑛𝑔 24,83 × 1,3 × 1680 = = 54,23 (𝑚𝑔𝑁) 1000 1000 C0: nồng độ đầu vào của nitrat (mgN/L) ttổng: tổng thời gian hấp phụ (phút) - Tổng lượng nitrat được hấp phụ bởi cột (qtổng): 𝑞𝑡ổ𝑛𝑔 𝑡=1680 𝑄 (𝐶0 − 𝐶 )𝑑𝑡 = 38,15 (𝑚𝑔𝑁) ∫ = 1000 𝑡=0 - Dung lượng hấp phụ cân bằng của vật liệu trong cột (qe): 𝑞𝑒 = 𝑞𝑡ổ𝑛𝑔 38,15 = = 1,67 (𝑚𝑔𝑁/𝑔) 𝑀ℎạ𝑡 22,80 - Hiệu suất hấp phụ nitrat (%H): %𝐻 = 𝑞𝑡ổ𝑛𝑔 38,15 × 100% = × 100% = 70,35 % 𝑀𝑡ổ𝑛𝑔 54,23 9 4. KẾT LUẬN Từ những kết quả nghiên cứu trên, rút ra được một số kết luận sau: 1. Đã xác định được vật liệu tối ưu cho quá trình hấp phụ nitrat là hạt 8% Mg-Al LDHPVA/alginat. Xử lý nitrat bằng phương pháp tĩnh cho kết quả như sau: Độ pH của dung dịch không làm ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng không đáng kể đến khả năng hấp phụ của vật liệu. Cho thấy có thể ứng dụng rộng rãi để xử lý nitrat trong nước có độ pH thay đổi từ 59. Thời gian hấp phụ tối ưu là 8 giờ. Nồng độ NO3- trong dung dịch càng cao khả năng hấp phụ của vật liệu càng giảm. Ảnh hưởng của các anion trong dung dịch đến khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu theo thứ tự: cacbonat > clorua > sulphat > photphat. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir thích hợp để mô tả quá trình hấp phụ nitrat trên hạt vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat hơn phương trình Freundlich. 2. Xử lý nitrat bằng phương pháp dòng chảy liên tục cho thấy, với chiều cao và đường kính của lớp vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat tương ứng là 15cm và 2cm thì thời gian để nồng độ nitrat trong nước đầu ra vẫn nằm trong khoảng giới hạn cho phép (2 - 10mg/L) là 8 giờ và thời gian vật liệu không còn khả năng hấp phụ là 28 giờ. 3. Vật liệu hydroxit lớp kép (8% Mg-Al LDH-PVA/alginat) là loại vật liệu hấp phụ dễ dàng ứng dụng trong thực tế để xử lý nước ô nhiễm nitrat, đây là loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền, cho hiệu quả xử lý cao và không độc hại do dễ phân hủy sinh học. 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lê Văn Cát, (11/2007), Xử lý nước thải giàu hợp chất Nitơ và Photpho, NXB Khoa Học Tự Nhiên và Công Nghệ. 2. QCVN 08:2008/BTNMT, Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, ngày 31 tháng 12 năm 2008. 3. Nguyễn Thị Ngân Hà, (2011), Chế tạo vật liệu khoáng sét anion (anionic clay – hydrotalcite) làm phụ gia bền nhiệt, Luận văn thạc sỹ hóa học, Đại học Cần Thơ. 4. F. Cavani, F. Trifirò and A. Vaccari, (1991), “Hydrotalcite-type anionic clays: preparation, properties and applications”, Catal. Today, 11, 173–301. 5. Bezbaruah AN, Krajangpan S, Chisholm BJ, Khan E, Bermudez JJ, (2009), “Entrapment iron nanoparticles in calcium alginate beads for ground water remediation application”. J. Hazard. Mater, 166, 1339-1343 6. Escudero C, Fiol N, Villlaescusa I, Bollinger JC, (2009), “Arsenic removal by waste metal (hydr) oxide entrapped into calcium alginate beads”. J. Hazard. Mater, 164, 533541 7. G.-L. Huang, S. Zhihui, (2002), “Immobilization of Spirulina subsalsa for removal of triphenyltin from water”, Artif. Cell. Blood. Sub, 30, 293–305. 8. N.M. Velings, M.M. Mestdagh, (1995), “Physicochemical properties of alginate gel beads”, Polym. Gels Netw, 3, 311–330. 9. Yong-Un Han, Chang-Gu Lee, Jeong-Ann Park, Jin-Kyu Kang, In Lee, Song-Bae Kim, (2012), “Immobilization of layered double hydroxide into polyvinyl alcohol/alginate hydrogel beads for phosphate removal”, Envi. Eng. Res, 17(3), 133-138. 10. M. Bellotto, B. Rebours, O. Clause, J. Lynch, D. Bazin, and E. Elkaïm, (1996), “A reexamination of hydrotalcite crystal chemistry”, J. Phys. Chem, 100 (20), 8527–8534. 11. Langmuir I, (1918), “The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum”, J. Am. Chem Soc, 40(9), 1361-1403. 12. Freundlich H M F (1906), “Over the adsorption in solution”, J. Physics and Chem, 57, 385-470. 13. Mahamudua IsLam, (07/2008), “Development Of Adsorption media for removal of lead nitrate from water”, department of chemistry national institute of technology Rourkela – 769008. 11
- Xem thêm -