Dung lượng hấp phụ cực đại của γ-FeOOH, α-FeOOH, γ-Fe₂O₃ và α-Fe₂O₃ dạng nano đối với As(V) và As(III)
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
DUNG LƯỢNG HẤP PHỤ CỰC ĐẠI CỦA γ-FeOOH, α-FeOOH, γ-
Fe2O3 VÀ α-Fe2O3 DẠNG NANO ĐỐI VỚI As(V) VÀ As(III)
Nguyễn Đức Thuậna, Trương Đông Phươnga, Nguyễn Đình Trunga*
aViện Nghiên cứu và Kiểm định, Trường Đại học Đà Lạt, Lâm Đồng, Việt Nam
*Tác giả liên hệ: Email: trungnd@dlu.edu.vn
Tóm tắt
γ-FeOOH, α-FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3 dạng nano dùng làm vật liệu hấp phụ As(V) và
As(III) đã được điều chế bằng phương pháp đồng kết tủa. Từ phổ XRD và ảnh chụp SEM đã
xác định được các dạng γ-FeOOH, α-FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3, và là vật liệu nano có
kích thước từ 15-30 nm. Tại pH = 6,0 dung lượng hấp phụ cực đại của α-FeOOH đối với
As(V) và As(III) lần lượt là 77,28 và 78,65 mg/g, còn của γ-FeOOH lần lượt là 63,75 và
88,99 mg/g một cách tương ứng, cao hơn so với γ-Fe2O3 và α-Fe2O3. Mô hình hấp phụ đẳng
nhiệt Langmuir và Freundlich phù hợp mô tả quá trình hấp phụ As(V) và As(III) bởi các
dạng vật liệu nano oxit sắt. Dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu, cũng như việc điều chế
dễ dàng, giá thành thấp của FeOOH, làm cho nó trở thành chất hấp phụ hấp dẫn và đầy hứa
hẹn trong việc xử lý asen trong nước ngầm.
Từ khóa: Asen; hấp phụ; γ-FeOOH, α-FeOOH, γ-Fe2O3, α-Fe2O3 nano
139
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
THE MAXIMUM SORPTION CAPACITY OF γ-FeOOH, α-FeOOH,
γ-Fe2O3 AND α-Fe2O3 NANOPARTICLE FOR As(V) AND As(III)
Nguyen Duc Thuana, Truong Dong Phuonga, Nguyen Dinh Trunga*
aDalat Univercity, Lamdong,Viet Nam
*Corresponding author: Email: trungnd@dlu.edu.vn
Abstract
γ-FeOOH, α-FeOOH, γ- Fe2O3 and α- Fe2O3 nanoparticle adsorbents for As(V) and As(III)
removal were prepared by a chemical co-precipitation method. These are evident from the
XRD diagrams, where the oxides appear in the form γ-FeOOH, α-FeOOH, γ- Fe2O3 and α-
Fe2O3. These typical SEM image of the prepared samples were shown, which reveal that the
nanoparticles were about 15 -30 nm. The maximum adsorption capacities of α-FeOOH for
As(V) and As(III) were 77.28 and 78.65 mg/g; and γ-FeOOH were 63.75 and 88.99 mg/g
respectively, higher than of γ- Fe2O3 and α- Fe2O3 at pH= 6.0. The adsorption data accorded
with Langmuir and Freundlich isotherms. The high adsorption capability and good
performance on other aspects make the FeOOH nano particle become a promising adsorbent
for the removal of As(V) and As(III) from groundwater.
Keywords: Arsen; sorption; γ-FeOOH, α-FeOOH, γ- Fe2O3, α- Fe2O3 nano
140
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
1.
MỞ ĐẦU
Ngày nay do biến đổi khí hậu, mùa nắng thường kéo dài dẫn đến thiếu nước tại
một số vùng của tỉnh Lâm Đồng. Để đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt, người dân tại khu
vực thiếu nước phải khoan giếng để khai thác nước ngầm. Trong đời sống, việc sử dụng
nguồn nước bị ô nhiễm asen có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng.
Với asen đã được chứng minh là có liên quan tới sự gia tăng tỉ lệ các bệnh như: ung thư
ở da, bàng quang, gan và phổi tại các khu vực có ô nhiễm (Tsai, Chou, The, Chen, &
Chen, 2003; Tseng et al., 2003; Tseng et al., 2000).
Asen tồn tại trong nước ngầm phổ biến ở 2 dạng vô cơ và hữu cơ, dạng vô cơ của
asen có độc tính cao hơn dạng hữu cơ (Yokel, Lasley, & Dorman, 2006). Ngoài ra, As(III)
có độc tính cao hơn As(V) đồng thời nó cũng khó bị loại bỏ hoàn toàn khỏi nước ngầm
(Knowles & Benson, 1983; Korte & Fernando, 1991). Khi nước ngầm bị ô nhiễm asen
thì việc xử lý và loại bỏ asen ra khỏi nước ngầm là cần thiết cho mục đích sinh hoạt, ngày
nay có nhiều phương pháp được nghiên cứu như hấp phụ (Sperlich et al., 2005; Zhua, Jia,
Wua, & Wang, 2009), trao đổi ion (JaeshinKim & Benjamin, 2004; Wu, Wang, Chen,
Xu, & Wang, 2011), thẩm thấu ngược (Akin, Arslan, Tor, Cengeloglu, & Ersoz, 2011;
Y.Ning, 2002), keo tụ (Baskan & Pala, 2010; Zouboulis & Katsoyiannis, 2007) và xử lý
sinh học (Gihring, Druschel, McCleskey, Hamers, & Banfield, 2001; Omoregie et al.,
2013). Trong số đó, phương pháp hấp phụ được cho là phương pháp hiệu quả và kinh tế
nhất. Ngày nay nhiều loại vật liệu hấp phụ đã được nghiên cứu để loại bỏ asen như các
vật liệu hấp phụ sinh học, các khoáng oxit, than hoạt tính và các loại nhựa polymer
(Benjamin, Sletten, Bailey, & Bennett, 1996; Dambies, Vincent, & Guibal, 2002; Mohan
& Pittman, 2007).
Tính chất hấp phụ của vật liệu nano được ứng dụng để xử lý môi trường, ngày nay
rất được chú ý nghiên cứu sử dụng. Trong đó các công trình đã công bố tập trung chủ yếu
vào việc làm sạch asen (Hanson, Bates, Heil, & Chaudhuri, 2000; Hering, Chen, Wilkie,
& Elimelech, 1997). Cả hai dạng As(III) và As(V) bị hấp phụ rất mạnh bởi các vật liệu
nano (là các oxit của kim loại) do hấp dung lớn của các vật liệu nano đối với asen. Nano
oxit sắt là vật liệu dễ điều chế đồng thời nó có tính năng hấp phụ asen rất tốt, theo các
công trình nghiên cứu của Tang và các cộng sự (2011) thì hấp dung tối đa của α-Fe2O3
đối với As(III) là 95mg/g, đối với As(V) là 47mg/g. Theo công trình nghiên cứu của S.
R. Chowdhury và cộng sự (2010) hấp dung của hỗn hợp nano (Fe3O4 - α-Fe2O3) đối với
As(III) và As(V) là 80 µmol/g (Chowdhury & Yanful, 2010). Công trình nghiên cứu của
Mohammad Mosaferi và các cộng sự (2014) cho thấy hấp dung của nano sắt kim loại đối
với As(III) là 12,2 mg/g và đối với As(V) là 14 mg/g (Mosaferi, Nemati, Khataee, &
Hashemi, 2014). Hiện tại, trong nước có một vài công trình của nhóm tác giả Lưu Minh
Đại công bố ứng dụng nano oxit sắt dạng nano để hấp phụ asen (Đại & Loan, 2009, 2010a,
2010b). Tuy nhiên, nhóm công trình này tổng hợp nano oxit sắt bằng công nghệ đốt cháy
gel. Trong khuôn khổ bài báo cáo này, bổ sung thêm phương pháp tổng hợp các dạng
nano oxit sắt bằng phương pháp kết tủa - đồng kết tủa hóa học. Đây là phương pháp đơn
141
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
giản, chi phí thấp, dễ tiến hành và đồng thời cũng so sánh dung lượng hấp phụ cực đại
của các dạng nano oxit kim loại tổng hợp được đối với asen.
2.
2.1. Nguyên vật liệu
Dung dịch chuẩn gốc As(V) và As(III) 1000 mg/L (Merck), dung dịch dùng cho
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
nghiên cứu As(V) và As(III) được điều chế từ muối Na2HAsO4.7H2O và As2O3 (Merck),
HNO3 (0,01–0,5 N) và NaOH (0,01–1N) được dùng để chỉnh pH khi cần thiết. Na2CO3,
NH4OH, FeCl2.4H2O (P.A) Trung Quốc. Xác định asen trong dung dịch bằng thiết bị AA
7000 - HVG1 Shimadzu, phân tích, xử lý số liệu, vẽ đồ thị bằng phần mềm Originlab
8.5.1 Điều chế các oxit kim loại dạng nano (γ-FeOOH, α-FeOOH, γ-Fe2O3, α-Fe2O3 bằng
hệ thiết bị được mô tả như Hình 1. Trong suốt quá trình điều chế γ-FeOOH và α-FeOOH
nhiệt độ phản ứng duy trì ở 25OC, tốc độ khuấy 1200 vòng/phút, duy trì pH bằng dung
dịch tùy theo quy trình điều chế.
Hình 1. Thiết bị điều chế nano oxit sắt
1. Máy đo pH với điện cực thủy tinh để kiểm soát pH,
2. Bình phản ứng
3. Máy khuấy từ gia nhiệt
4. Thiết bị nhỏ giọt để điều chỉnh pH
5. Thiết bị sục không khí (với tốc độ sục khí điều chỉnh được)
6. Bình rửa khí dung dịch rửa khí NaOH 40%
142
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
Điều chế γ-FeOOH: Hòa tan 12g FeCl2.4H2O trong 300ml nước cất (lọc qua giấy
lọc nếu có kết tủa), sục khí ni tơ 10 phút để đuổi sạch oxy không khí có trong dung dịch,
chỉnh pH của hệ phản ứng đến giá trị 6,5-6,8 có kết tủa màu xanh đen.
Dùng NH4OH hay NaOH (1N) từ thiết bị nhỏ giọt để ổn định pH của hệ thống
6,5-6,8 trong suốt quá trình vừa sục khí tốc độ dòng 2L/phút, vừa khuấy tốc độ 1200
vòng/phút nhiệt phản ứng 25OC. Tủa màu xanh đen trong bình phản ứng chuyển sang
màu vàng cam sau thời gian phản ứng, kết thúc quá trình phản ứng trong khoảng 20 phút,
ly tâm 10 phút tốc độ 10.000 vòng/phút, rửa sấy sản phẩm (γ-FeOOH ) dùng cho nghiên
cứu tiếp theo.
Điều chế γ-Fe2O3: vẫn dùng quy trình trên đến giai đoạn kết thúc phản ứng (sau
20 phút) bổ sung vào bình phản ứng 50 ml CH3CH2OH sau đó chỉnh pH đến 7 khuấy
O
thêm 15 phút, và chỉnh nhiệt độ của bình phản ứng lên 90 C vẫn tiếp tục khuấy trong
vòng 4h. Lúc này hỗn hợp phản ứng chuyển từ màu vàng cam sang màu đen, kết thúc
phản ứng, ly tâm với thời gian 10 phút tốc độ 10.000 vòng/phút, rửa sấy sản phẩm (γ-
Fe2O3) dùng cho nghiên cứu tiếp theo.
Điều chế α-FeOOH: Hòa tan 3g FeCl2.4H2O trong 300ml nước cất (lọc qua giấy
lọc nếu có kết tủa) sau đó thêm vào bình phản ứng 33ml dung dịch NaHCO3 1N, pH 7,5
trong hệ phản ứng được duy trì trong suốt quá trình vừa sục khí với tốc độ dòng 2L/phút,
vừa khuấy tốc độ 1.200 vòng/phút nhiệt độ phản ứng 25OC, phản ứng kết thúc sau 30
phút kết tủa màu xanh đen chuyển thành màu vàng lợt, ly tâm 10 phút tốc độ 10.000
vòng/phút, rửa sấy sản phẩm α-FeOOH) dùng cho nghiên cứu tiếp theo.
Điều chế α-Fe2O3: Theo phương pháp điều chế α-FeOOH, tuy nhiên đến khi kết
thúc quá trình (30 phút) bổ sung 50ml CH3CH2OH vừa khuấy vừa đun hỗn hợp trên đồng
thời tiếp tục sục khí 4h nhiệt độ 90OC hỗn hợp phản ứng chuyển từ màu vàng nhạt sang
màu đỏ sậm (ly tâm 10 phút tốc độ 10.000 vòng/phút, rửa sấy hỗn hợp sản phẩm α-Fe2O3
và Fe3O4) dùng cho nghiên cứu tiếp theo. Tách loại Fe3O4 ra khỏi hỗn hợp (α-Fe2O3 và
Fe3O4) bằng nam châm.
Xác định phổ XRD của vật liệu được chụp trên thiết bị nhiễu xạ Scintag-XDS-
O
2000 với bước sóng Cu Kα (λ=1.54059) và góc độ quét 2θ ở 44.9 C. Hình thái của vật
liệu (SEM) được chụp trên máy Hitachi H-7500.
Nghiên cứu hấp dung cực đại của từng vật liệu: Để xác định dung lượng hấp phụ
cực đại của từng loại vật liệu nghiên cứu trong điều kiện pH 6.0 đối với asen (vì nguồn
nước ngầm tại Lâm Đồng nằm trong dãy 5,8-7,5) được tiến hành như sau;
Cân 0,1g chất hấp phụ cho vào bình tam giác 250ml thêm vào đó 100 ml dung
dịch As(V) hay As(III) với dãy nồng độ từ 40 đến 1000mg/L tùy theo điều kiện nghiên
cứu. Nồng độ các ion trong thiết bị nghiên cứu không được điều chỉnh trong suốt quá
trình hấp phụ. Bình hấp phụ được đậy kín và lắc trên máy lắc (IKA HS 260 basic USA)
143
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
với tốc độ 180 vòng/ phút, liên tục 24 giờ để đảm bảo quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân
bằng, nhiệt độ thực hiện quá trình hấp phụ ở nhiệt độ phòng (25OC), pH được duy trì ở
pH= 6.0.
pH ban đầu đã được điều chỉnh đến giá trị pH=6.0 bằng dung dịch HNO3 và NaOH
(0,01 N) và sau đó được kiểm tra và điều chỉnh sau một khoảng thời gian là 2 giờ. Sau 24
h phản ứng, tất cả các mẫu được ly tâm 5 phút (Universal 320- Germany) ở 10.000 vòng/
phút sau đó được lọc qua màng lọc 0,45 µm và dịch lọc được phân tích asen bằng AA
7000 - HVG1 Shimadzu. Quy trình này được thực hiện để nghiên cứu hấp dung cực đại
của các vật liệu hấp phụ nghiên cứu. Hàm lượng asen hấp phụ được tính bởi sự thay đổi
nồng độ ban đầu và hàm lượng còn lại của asen trong trong dung dịch trên khối lượng
của vật liệu hấp phụ.
Hàm lượng asen bị hấp phụ được tính theo công thức sau:
퐕(퐂퐢ꢀ퐂퐞)
q =
(1)
퐁
Trong đó q là hàm lượng asen bị hấp phụ, hay dung lượng hấp phụ của vật liệu
(mg /g chất hấp phụ); Ci và Ce là nồng độ kim loại trước và sau khi hấp phụ tương ứng,
V thể tích dung dịch, B là khối lượng của vật liệu hấp phụ được sử dụng.
Nghiên cứu mô hình hấp phụ: Để nghiên cứu mô hình hấp phụ đẳng nhiệt của các
vật liệu hấp phụ, điều kiện được thực hiện ở 25OC và pH=6.0 và một dãy nồng độ đầu
của As(III) và As(V) (40–1000 mg/L) theo quy trình mô tả ở trên.
Phương trình hấp phụ Langmuir:
ꢁ
ꢃꢄ
ꢅ
ꢂ
qe =
(2)
ꢆꢇꢃꢄ
ꢅ
Trong đó qe là lượng As(V) và As(III) bị hấp phụ bởi vật liệu (mg/g), qm dung
lượng hấp phụ cực đại của As(V) và As(III) Ce nồng độ đầu của 1 quá trình hấp phụ đạt
cân bằng (mg/L) b hằng số tỷ lệ: hấp phụ/giải hấp.
Phương trình hấp phụ Freunlich:
qꢈ = KCꢆ/ꢉ
(3)
ꢈ
Với qe là lượng As(V) và As(III) bị hấp phụ bởi vật liệu (mg/g), K, n là hằng số
hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng.
144
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
3.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tính chất của vật liệu hấp phụ
Tính chất của vật liệu hấp phụ: Để xác định tính chất vật liệu dùng cho nghiên
cứu các phổ XRD và SEM của các loại vật liệu được thể hiện ở các hình sau:
Khi nghiên cứu phổ XRD của γ-FeOOH (Hình 2) thì thấy có xuất hiện những pick
(*) đó là những pick tạp của γ-Fe2O3, khi đối chiếu với phổ XRD của γ-Fe2O3. Trong quá
trình tổng hợp γ-FeOOH thì có sự chuyển hóa từ dạng γ-FeOOH sang dạng γ-Fe2O3 với
hàm lượng rất nhỏ. Từ hình 3 cho thấy dạng nano hình que (nano-rod) của γ-FeOOH và
γ-Fe2O3 trong cùng 1 điều kiện chụp, kích thước dạng nano của γ-Fe2O3 nhỏ hơn γ-
FeOOH có thể do bán kính phân tử của γ-FeOOH lớn hơn. Dạng nano hình que được tổng
hợp khi dùng NH4OH để tổng hợp, nếu như trong dung dịch phản ứng bổ sung 0,1N dung
dịch NaCl và điều chỉnh pH bằng NaOH thì chúng có dạng hình lập phương.
Để điều chế dạng γ-FeOOH tinh khiết, khí sục vào bình phản ứng nhất định phải
được lọc qua bình rửa khí để loại bỏ CO2.
5500
7000
5000
4500
4000
3500
3000
6500
6000
5500
5000
4500
4000
3500
3000
119
Fe2O3
*
FeOOH
206
412
*
115
*
200
012
120
111
*
231
220
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
10
20
30
40
50
60
70
80
2 Theta (coupled Two Theta/Theta) WL=1.54060
2 Theta (coupled Two Theta/Theta) WL=1.54060
Hình 2. Phổ XRD của γ-FeOOH và γ-Fe2O3
Ảnh SEM của γ-FeOOH
Ảnh SEM của γ-Fe2O3
Hình 3. Ảnh SEM của γ-FeOOH và γ-Fe2O3
145
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
Khi nghiên cứu phổ XRD của α -FeOOH (hình 4) thì thấy có xuất hiện những pick
(*) đó là những pick tạp của α-Fe2O3, khi đối chiếu với phổ XRD của α-Fe2O3. Trong quá
trình tổng hợp α-FeOOH thì có sự chuyển hóa từ dạng α-FeOOH sang dạng α-Fe2O3 trong
quá trình oxy hóa với hàm lượng rất nhỏ. Từ hình 5 cho thấy dạng nano của α-FeOOH và
α-Fe2O3 trong cùng 1 điều kiện chụp, kích thước của vật liệu là kích thước nano. Kích
thước của α-Fe2O3 nhỏ hơn α-FeOOH.
Khi tổng hợp α-FeOOH trong suốt quá trình sục khí không cần phải rửa khí để
loại bỏ CO2.
6000
5500
5000
4500
4000
3500
3000
2500
6500
6000
5500
5000
4500
4000
3500
3000
2500
104
111
110
FeOOH
-Fe2O3
*
*
110
116
151
130
024
*
*
214
300
012
221
113
018
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
10
20
30
40
50
60
70
80
2 Theta (coupled Two Theta/Theta) WL=1.54060
2 (coupled Two Theta/Theta) WL=1.54060
\
Hình 4. Phổ XRD của α -FeOOH và α -Fe2O3
Ảnh SEM của α -FeOOH
Ảnh SEM của α -Fe2O3
Hình 5. Ảnh SEM của α -FeOOH và α -Fe2O3
Qua kết quả nghiên cứu cho thấy các sản phẩm tổng hợp được là dạng vật liệu có
kích thước nano (Hình 3 và Hình 5), kích thước trung bình 30 nm, riêng với hai dạng γ-
Fe2O3 và α-Fe2O3 có kích thước nhỏ hơn từ 15-20 nm. Từ các phổ XRD cho thấy khi tổng
hợp các dạng FeOOH có lẫn tạp chất xuất hiện các pick tạp của γ -Fe2O3 khi tổng hợp γ
-FeOOH và lẫn tạp α-Fe2O3 khi tổng hợp α-FeOOH, nguyên nhân do trong quá trình tổng
hợp pH trong dung dịch có xu hướng giảm trong suốt quá trình cho nên phải có sự điều
chỉnh pH liên tục, trong thời điểm thêm dung dịch kiềm vào để ổn định pH của dung dịch
146
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
thì điều kiện phản ứng có thay đổi cục bộ tại bề mặt tiếp xúc, từ phổ XRD cho thấy γ-
Fe2O3 và α-Fe2O3 sản phẩm tương đối tinh khiết.
Hấp dung cực đại của các vật liệu: Từ số liệu thực nghiệm, dùng phần mềm
Originlab 8.5.1 xử lý, phân tích số liệu, xây dựng đồ thị. Các phương trình hấp phụ đẳng
nhiệt của các vật liệu hấp phụ γ-FeOOH, α-FeOOH, γ-Fe2O3, α-Fe2O3 đối với As(V) và
As(III) được thể hiện theo các hình sau:
100
90
80
60
55
50
70
60
50
40
30
20
45
40
35
30
25
20
qe sorption As(III) capacity of -FeOOH
Langmuir isotherm
Freudlich isotherm
qe sorption As(V) capacity of FeOOH
Langmuir isotherm
Freundlich isotherm
0
200
400
600
800
1000
0
100
200
300
400
500
600
700
800
C (mg/L)
(A)
Ce(mg/L)
(B)
e
Hình 6. Mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich của As(V) (A) và của As(III)
(B) lên chất hấp phụ γ-FeOOH
45
55
50
40
45
35
40
30
25
20
35
30
25
20
qe sorption As(V) capacity of -Fe2O3
qe sorption As(III) capacity of -Fe2O3
Langmuir isotherm
Freundlich isotherm
Langmuir isotherm
Freudlich isotherm
0
200
400
600
800
1000
(A) Ce (mg/L)
0
200
400
600
800
1000
(B) Ce (mg/L)
Hình 7. Mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich của As(V) (A) và của As(III)
(B) lên chất hấp phụ γ-Fe2O3
Thông qua các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả tại hình 6 và 7 từ dữ
liệu phân tích thông qua các mô hình thực nghiệm, các thông số của quá trình hấp phụ
theo mô hình Langmuir và Freundlich đối với As(V) và As(III) trên vật liệu hấp phụ γ-
FeOOH và γ-Fe2O3 ở pH= 6,0 được thể hiện ở Bảng 1.
Từ kết quả phân tích tại Bảng 1 cho thấy hai mô hình Langmuir và Freundlich phù
hợp để mô tả quá trình hấp phụ As(V) và As(III) trên vật liệu hấp phụ γ-FeOOH và γ-
147
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
Fe2O3, giá trị R2 của mô hình Langmuir dao động từ 0,88 đến 0,92, khi đạt trạng thái cân
bằng, giá trị (b) là tỷ lệ hấp phụ/giải hấp của quá trình rất nhỏ dao động từ 0,02-0,03
chứng tỏ quá trình đã đạt trạng thái cân bằng, dung lượng hấp phụ cực đại của γ-FeOOH
ở pH= 6,0 đối với As(V) và As(III) là 63,75 và 88,99 mg/g và của γ-Fe2O3 đối với As(V)
và As(III) là 44,41 và 54,39 mg/g một cách tương ứng. Giá trị R2 của mô hình Freudlich
từ 0,85 đến 0,98, giá trị 1/n trong mô hình Freudlich luôn nhỏ hơn 1 là phù hợp (bảng 1).
Hình thái của γ-FeOOH và γ-Fe2O3 đều ở dạng hình que (Hình 3) và đều có kích
thước nano. Kích thước của γ-Fe2O3 nhỏ hơn γ-FeOOH tuy nhiên hấp dung cực đại đối
với cả hai dạng As(V) và As(III) của vật liệu γ-FeOOH cao hơn γ-Fe2O3, đồng thời dung
lượng hấp phụ cực đại của γ-FeOOH đối với As(III) cao hơn so với As(V).
Bảng 1. Các thông số của phương trình hấp phụ Langmuir và Freundlich đối với
As(V) và As(III) trên vật liệu hấp phụ γ-FeOOH và γ-Fe2O3 ở pH= 6,0
Vật liệu hấp phụ γ-FeOOH ở pH= 6,0
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Dạng asen
As(V)
qm (mg/g)
63,75
b (L/mg)
0,02
R2
0,92
0,89
As(III)
88,99
0,02
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich
Dạng asen
As(V)
KF (L/mg)
9,88
1/n
R2
0, 27
0,26
0,93
0,98
As(III)
16,95
Vật liệu hấp phụ γ-Fe2O3 ở pH= 6,0
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Dạng asen
As(V)
qm (mg/g)
44,41
b (L/mg)
0,03
R2
0,88
0,91
As(III)
54,39
0,02
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich
Dạng asen
As(V)
KF (L/mg)
14,48
1/n
R2
0,17
0,23
0,85
0,89
As(III)
11,75
Quá trình hấp phụ đẳng nhiệt của chất hấp phụ là α -FeOOH, α -Fe2O3 đối với
As(V) và As(III) ở pH=6,0 được thể hiện qua hình 8A, 8B, 9A và 9B
148
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
80
70
60
50
40
30
90
80
70
60
50
qe sorption As(V) capacity of -FeOOH
qe sorption As(III) capacity of -FeOOH
40
30
Langmuir isotherm
Freudlich isotherm
Langmuir isotherm
freundlich isotherm
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
(A) Ce (mg/L)
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
(B) Ce (mg/L)
Hình 8. Mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich của As(V) (A) và của As(III)
(B) lên chất hấp phụ α-FeOOH
45
40
35
30
25
20
45
40
35
30
25
20
qe sorption As(V) capacity of -Fe2O3
qe sorption As(III) capacity of -Fe2O3
Langmuir isotherm
Freudlich isotherm
Langmuir isotherm
Freudlich isotherm
0
200
400
600
800
1000
0
200
400
600
800
1000
(A) Ce (mg/L)
(B) Ce (mg/L)
Hình 9. Mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich của As(V) (A) và của As(III)
(B) lên chất hấp phụ α-Fe2O3
Từ các thông số của quá trình hấp phụ theo mô hình Langmuir và Freundlich đối
với As(V) và As(III) trên vật liệu hấp phụ α-FeOOH và α-Fe2O3 ở pH= 6,0 được thể hiện
ở Bảng 2. Thông qua các số liệu phân tích tại thể hiện tại Bảng 2, hai mô hình Langmuir
và Freundlich phù hợp để mô tả quá trình hấp phụ As(V) và As(III) trên vật liệu hấp phụ
α-FeOOH và α-Fe2O3.
Giá trị R2 của mô hình Langmuir dao động từ 0,89 đến 0,95, khi đạt trạng thái cân
bằng, giá trị (b) là tỷ lệ hấp phụ/giải hấp của quá trình rất nhỏ dao động từ 0,03-0,04
chứng tỏ quá trình đã đạt trạng thái cân bằng, dung lượng hấp phụ cực đại của α-FeOOH
ở pH= 6,0 đối với As(V) và As(III) là 77,28 và 78,65 mg/g và của γ-Fe2O3 đối với As(V)
và As(III) là 44,54 và 44,35 mg/g một cách tương ứng. Giá trị R2 của mô hình Freudlich
từ 0,82 đến 0,93, giá trị 1/n trong mô hình Freudlich luôn nhỏ hơn 1 là phù hợp (bảng 2).
149
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
Hình thái của α-FeOOH và α-Fe2O3 đều ở dạng lập phương (hình 5) và đều có
kích thước nano. Kích thước của α-Fe2O3 nhỏ hơn α-FeOOH tuy nhiên hấp dung cực đại
đối với cả hai dạng As(V) và As(III) của vật liệu α-FeOOH cao hơn α-Fe2O3, dung lượng
hấp phụ cực đại của α-FeOOH đối với As(III) và As(V) không khác biệt nhiều.
Bảng 2. Các thông số của phương trình hấp phụ Langmuir và Freundlich đối với
As(V) và As(III) trên vật liệu hấp phụ α-FeOOH và α-Fe2O3 ở pH= 6,0
Vật liệu hấp phụ α -FeOOH ở pH= 6.0
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Dạng asen
As(V)
qm (mg/g)
77,28
b (L/mg)
0,04
R2
0,95
0,93
As(III)
78,65
0,03
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich
Dạng asen
As(V)
KF (L/mg)
23,15
1/n
R2
0,19
0,22
0,87
0,93
As(III)
20,29
Vật liệu hấp phụ α-Fe2O3 ở pH= 6.0
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Dạng asen
As(V)
qm (mg/g)
44,54
b (L/mg)
0,03
R2
0,89
0,90
As(III)
44,35
0,03
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich
Dạng asen
As(V)
KF (L/mg)
15,02
1/n
R2
0,17
0,18
0,82
0,84
As(III)
13,90
Qua kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ của các vật liệu hấp phụ γ-FeOOH, α-
FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3 đối với As(V) và As(III), quá trình hấp phụ tuân theo mô
hình hấp phụ Langmuir và Freundlich.
Dung lượng hấp phụ cực đại đối với As(V) và As(III) của dạng FeOOH cao hơn
so với dạng Fe2O3 trong cùng điều kiện nghiên cứu, dung lượng hấp phụ cực đại đối với
As(III) của dạng γ-FeOOH cao hơn α-FeOOH.
4.
KẾT LUẬN
Đã tổng hợp được γ-FeOOH, α-FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3 với kích thước từ
15-30 nm làm vật liệu hấp phụ. Quá trình hấp phụ As(V) và As(III) trên 4 loại vật liệu,
tuân theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich. Dung lượng hấp phụ cực
150
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
đại đối với As(V) và As(III) của các dạng FeOOH cao hơn so với dạng Fe2O3 trong cùng
điều kiện nghiên cứu. Dung lượng hấp phụ cực đại của α-FeOOH đối với As(V) và As(III)
là 77,28 và 78,65 mg/g; còn của γ-FeOOH là 63,75 và 88,99 mg/g một cách tương ứng.
Vậy loại vật liệu nano dạng FeOOH là loại vật liệu rất tiềm năng trong việc xử lý
nước bị nhiễm bẩn asen.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Lưu Minh Đại và Nguyễn Thị Tố Loan (2009), "Tổng hợp γ-Fe2O3 kích thước nanomet
bằng phương pháp đốt cháy gel và nghiên cứu khả năng hấp phụ sắt, mangan,
asen", Tạp chí Hoá học. 47(6A), tr. 260-264.
Lưu Minh Đại và Nguyễn Thị Tố Loan (2010), "Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano γ-
Fe2O3 hấp phụ asen, sắt và mangan", Tạp chí Hoá học. 48(4A), tr. 180-184.
Lưu Minh Đại và Nguyễn Thị Tố Loan (2010), "Nghiên cứu khả năng hấp phụ asen của
vật liệu nano γ-Fe2O3", Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học. 14(4), tr. 155-
159.
Akin, I., Arslan, G., Tor, A., Cengeloglu, Y., & Ersoz, M. (2011). Removal of arsenate
[As(V)] and arsenite [As(III)] from water by SWHR and BW-30 reverse osmosis.
Desalination, 281, 88-92.
Baskan, M. B., & Pala, A. (2010). A statistical experiment design approach for arsenic
removal by coagulation process using aluminum sulfate. Desalination, 254(1-3),
42-48.
Benjamin, M. M., Sletten, R. S., Bailey, R. P., & Bennett, T. (1996). Sorption and
filtration of metals using iron-oxide-coated sand. Water Research, 30(11), 2609-
2620.
Chowdhury, S. R., & Yanful, E. K. (2010). Arsenic and chromium removal by mixed
magnetiteemaghemite nanoparticles and the effect of phosphate on removal.
Journal of Environmental Management, 91(11), 2238-2247.
Dambies, L., Vincent, T., & Guibal, E. (2002). Treatment of arsenic-containing solutions
using chitosan derivatives: uptake mechanism and sorption performances. Water
Research, 36(15), 3699-3710.
Gihring, T. M., Druschel, G. K., McCleskey, R. B., Hamers, R. J., & Banfield, J. F.
(2001). Rapid arsenite oxidation by Thermus aquaticus and Thermus
thermophilus: field and laboratory investigations. Environmental Science and
Technology, 35(19), 3857–3862.
Hanson, A., Bates, J., Heil, D. M., & Chaudhuri, M. (2000). Removal of arsenic from
ground water by mangnese dioxide- coated sand. Journal of Environmental
Engineering, 126(12), 1160-1172.
151
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
Hering, J., Chen, P. Y., Wilkie, J. A., & Elimelech, M. (1997). Arsenic removal from
drinking water during coagulation. Journal of Environmental Engineering,
123(8), 800- 807.
JaeshinKim, & Benjamin, M. M. (2004). Modeling a novel ion exchange process for
arsenic and nitrate removal. Water Research, 38(8), 2053-2062.
Knowles, F. C., & Benson, A. A. (1983). The biochemistry of arsenic. Trends in
Biochemical Sciences, 8(5), 178-180.
Korte, N. E., & Fernando, Q. (1991). A review of arsenic (III) in groundwater. Critical
Reviews Environmental Science and Technology, 21(1), 1-39.
Mohan, D., & Pittman, C. U. (2007). Arsenic removal from water/wastewater using
adsorbents, critical review, Journal of Hazardous Materials. Journal of Hazardous
Materials, 142(1-2), 1-53.
Mosaferi, M., Nemati, S., Khataee, A., & Hashemi, A. A. (2014). Removal of Arsenic
(III, V) from aqueous solution by nanoscale zero-valent iron stabilized with starch
and carboxymethyl cellulose. Journal of Environmental Health Science and
Engineering, 12(74), 2-10.
Omoregie, E. O., Couture, R.-M., Cappellen, P. V., Corkhill, C. L., Charnock, J. M.,
Polya, D. A., . . . Lloyd, J. R. (2013). Arsenic bioremediation by biogenic iron
oxides and sulfides. Applied and Environmental Microbiology, 79(14), 4325-
4335.
Sperlich, A., Werner, A., Genz, A., Amy, G., Worch, E., & Jekel, M. (2005).
Breakthrough behavior of granular ferric hydroxide (GFH) fixed-bed adsorption
filters: modeling and experimental approaches. Water Research, 39(6), 1190-
1198.
Tsai, S. Y., Chou, H. Y., The, H. W., Chen, C. M., & Chen, C. J. (2003). The effects of
chronic arsenic exposure from drinking water on the neurobehavioral
development in adolescence. Neuro Toxicology, 24(4-5), 747-753.
Tseng, C. H., Chong, C. K., Tseng, C. P., Hsue, Y. M., Chiou, H. Y., Tseng, C. C., &
Chen, C. J. (2003). Long-term arsenic exposure and ischemic heart disease in
arseniasis-hyperendemic villages in Taiwan. Toxicology Letters, 137(1-2), 15-21.
Tseng, C. H., Tai, T. Y., Chong, C. K., Tseng, C. P., Lai, M. S., Lin, B. J., . . . Chen, C.
J. (2000). Long-term arsenic exposure and incidence of non-insulin-dependent
diabetes mellitus: a cohort study in arseniasis-hyperendemic villages in Taiwan.
Environmental Health Perspectives, 108(9), 847-851.
Wu, X. L., Wang, L., Chen, C. L., Xu, A. W., & Wang, X. K. (2011). Water-dispersible
magnetite-graphene-LDH composites for efficient arsenate removal. Journal of
Materials Chemistry, 21(43), 17353–17359.
Y.Ning, R. (2002). Arsenic removal by reverse osmosis. Desalination, 143(3), 237-241.
152
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC THƯỜNG NIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
Yokel, R. A., Lasley, S. M., & Dorman, D. C. (2006). The speciation of metals in
mammals influences their toxico kinetics and toxico dynamics and therefore
human health risk assessment. Journal of Toxicology and Environmental Health,
9(1), 63-85.
Zhua, H., Jia, Y., Wua, X., & Wang, H. (2009). Removal of arsenic from water by
supported nano zero-valent iron on activated carbon. Journal of Hazardous
Materials, 172(2-3), 1591-1596.
Zouboulis, A., & Katsoyiannis, I. A. (2007). Removal of arsenates from contaminated
waterby coagulation-direct filtration. Separation Science and Technology, 37(12),
2859-2873.
153
Bạn đang xem tài liệu "Dung lượng hấp phụ cực đại của γ-FeOOH, α-FeOOH, γ-Fe₂O₃ và α-Fe₂O₃ dạng nano đối với As(V) và As(III)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- dung_luong_hap_phu_cuc_dai_cua_feooh_feooh_feo_va_feo_dang_n.pdf