Nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) của vật liệu diatomite được biến tính bằng lưỡng oxide sắt và mangan
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 12, Số 2 (2018)
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ As(III) CỦA VẬT LIỆU DIATOMITE
ĐƯỢC BIẾN TÍNH BẰNG LƯỠNG OXIDE SẮT VÀ MANGAN
1
2
3
Huỳnh Trường Ngọ , Trần Thị Anh Thư , Trần Thanh Tâm Toàn ,
3
3*
Mai Xuân Tịnh , Đinh Quang Khiếu
1
Chi cục An to|n vệ sinh thực phẩm tỉnh Thừa Thiên Huế
2
Trường THPT Chuyên Hùng Vương, tỉnh Gia Lai
3
Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế
* Email: [email protected]
Ngày nhận bài: 17/4/2018; ngày hoàn thành phản biện: 14/5/2018; ngày duyệt đăng: 8/6/2018
TÓM TẮT
Trong b|i b{o n|y, trình b|y kết quả nghiên cứu tổng hợp v| khả năng hấp phụ
As(III) của vật liệu diatomite biến tính bằng c{c oxide sắt v| mangan (Fe-
Mn/diatomite). Kết quả cho thấy vật liệu n|y có khả năng hấp phụ/oxy hóa As(III)
rất cao. Ảnh hưởng của pH v| lực ion Na2CO3 và Na3PO4 cũng đã được khảo s{t.
Đ}y l| một loại vật liệu tiềm năng để xử lý asen trong môi trường nước.
Từ khóa: Asen, As(III), diatomite, biến tính.
1. MỞ ĐẦU
Ô nhiễm asen là vấn đề môi trường được nhiều nhà khoa học quan tâm bởi độc
tính và khả năng g}y ung thư của chúng. Tổ chức Y tế thế giới đã công bố tình trạng ô
nhiễm asen ở một số quốc gia như Trung Quốc, Mỹ, Bangladesh, Mexico, Đ|i Loan,
Chile, Argentina, Việt Nam… *1]. Asen có thể được tìm thấy trong nước dưới dạng
oxo-anion ở hai trạng th{i oxy hóa của nó l| As(III) v| As(V) ho c dạng kết hợp của
ch ng (asen h u cơ). Độc tính của asen phụ thuộc rất lớn v|o th|nh ph n hóa học của
ch ng v| theo chu i asen h u cơ As(V) As(III) *2-4].
C{c phương ph{p xử lý các kim loại n ng trong nước bao gồm phương ph{p
kết tủa, c{c phương ph{p động học điện hóa (electrokinetic methods), phương ph{p
trao đổi ion và một vài kỹ thuật kh{c đã được nghiên cứu chi tiết [5]. M i phương
ph{p có ưu điểm cũng như nhược điểm về hiệu quả cũng như chi phí. Phương ph{p
kết tủa có hiệu quả loại bỏ kim loại cao, nhưng nó tỏ ra không hiệu quả khi loại bỏ kim
loại ở nồng độ thấp. C{c phương ph{p điện hóa có hiệu quả khi loại bỏ các kim loại
n ng ở nồng độ thấp nhưng không hiệu quả về chi phí. Phương ph{p hấp phụ được
35
Nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) của vật liệu diatomite được biến tính bằng lưỡng oxide ...
cho là một phương ph{p đ y hứa hẹn với hiệu quả xử lý cao, dễ vận hành và chi phí
thấp. Do đó, việc tìm ra một chất hấp phụ phù hợp đang được các nhà khoa học đ c
biệt quan tâm. Nh ng yêu c u c n thiết đối với một chất hấp phụ là giá thành thấp, dễ
sử dụng, dung lượng hấp phụ cao và có khả năng t{i tạo.
Các vật liệu sử dụng để hấp phụ bao gồm các khoáng chất vô cơ đất sét, zeolit,
đ{ ong, than hoạt tính, diatomit; các chất h u cơ chitin/chitosan, alginat; c{c oxit vô cơ
hoạt tính: nano oxit sắt, nano oxit silictro bay… *6-7]. Các nghiên cứu về tìm kiếm, biến
tính các vật liệu tự nhiên làm chất hấp phụ kim loại n ng đã v| đang được các nhà
khoa học trong v| ngo|i nước quan tâm [8-10].
Trong nghiên cứu này chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu biến tính vật liệu
diatomite bằng lưỡng oxit sắt và mangan (Fe/Mn-diatomite) và khả năng hấp phụ
As(III) của vật liệu này. Ảnh hưởng các loại muối thường g p trong môi trường đến
khả năng hấp phụ của vật liệu cũng được thảo luận.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Hóa chất và thiết bị phân tích
Bột diatomit tự nhiên (Mỏ Tuy An, Tuy Hòa, tỉnh Ph Yên, Việt Nam). C{c
dung dịch As(V), As(III) nồng độ 1000 ppm được pha từ dung dịch gốc (Merck, Đức).
Phổ XPS được đo trên m|y Shimadzu Kratos AXISULTRA DLD spectrometer.
Sử dụng nguồn ph{t tia X với bia Al, ống ph{t l|m việc ở 15 kV - 10 mA. C{c dải năng
lượng liên kết được hiệu chỉnh bằng c{ch chuẩn nội với pic C 1s (ở 284,6 eV) v| sử
dụng ph n mềm ph}n t{ch phổ CasaXPS. Asen được đo bằng phương ph{p quang
phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) trên máy trên máy AA6800, Shimazu, Nhật Bản.
2.2. Tổng hợp vật liệu
Tổng hợp vật liệu diatomite biến tính bằng oxit sắt (Fe/diatomite)
Biến tính diatomit bằng muối Fe(II) được thực hiện theo quy trình đơn giản
sử dụng diatomit với dung dịch FeSO như sau khuấy 2,5 gam diatomit trong 500
4
mL dung dịch FeSO
4
0,025 M ở nhiệt độ phòng cho tiếp x c với không khí trong 8
0
giờ. Mẫu sau đó được lọc, rửa bằng nước cất v| sấy khô qua đêm ở 60 C, bảo quản
v| sử dụng.
Tổng hợp vật liệu diatomite biến tính bằng oxit mangan (Mn/diatomite)
C}n h n hợp gồm 2,1 gam diatomit, 2,212 gam (NH
4
)
2
S
2
O8 và 1,85 gam
KMnO
4
cho v|o cốc 100 mL. Thêm v|o h n hợp trên 30 mL nước cất, lắc đều. Cho
h n hợp v|o bình teflon đ t trong bình thủy nhiệt (bình thép không gỉ để bảo vệ).
0
Thực hiện qu{ trình thủy nhiệt trong tủ sấy ở nhiệt độ 90 C trong thời gian 12 giờ.
36
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 12, Số 2 (2018)
Sau đó lấy ra, để nguội đến nhiệt độ phòng. Lọc rửa kết tủa cẩn thận nhiều l n
0
bằng nước cất. Mẫu sau lọc được sấy ở 60 C trong 24 giờ, bảo quản mẫu v| sử
dụng (ký hiệu l| Mn-diatomite)
Tổng hợp vật liệu diatomite biến tính bằng oxit sắt và mangan (Fe/Mn-diatomite)
Vật liệu Fe/Mn-diatomite) được tổng hợp với tỷ lệ nồng độ mol dung dịch hai
muối FeSO
4
:KMnO = 5:1, cố định pH của dung dịch phản ứng ở pH = 6 (dùng dung
4
dịch NaOH 0,1 M ho c HCl 0,01 M để điều chỉnh).
Chuẩn bị c{c dung dịch FeSO nồng độ 0,125 M v| dung dịch KMnO
trong NaOH (0,1 M): (i) lấy 7,5 mL dung dịch của FeSO l n lượt đã chuẩn bị trên
cho v|o c{c bình nón có sẵn 2,0 gam diatomit khô, khuấy h n hợp bằng m{y khuấy
từ trong 30 ph t. (ii) từ buret thêm từ từ 7,5 mL dung dịch KMnO (0,025 M) trong
4
4
0,025 M
4
4
NaOH (0,1 M) v|o h n hợp trên, điều chỉnh pH h n hợp đến pH = 6 bằng dung
dịch HCl v| dung dịch NaOH, tiếp tục khuấy h n hợp trong 30 ph t. (iii) gạn lọc
h n hợp lấy chất rắn (dung dịch sau rửa có môi trường trung tính), sấy khô chất
0
0
rắn ở 60 C trong 12 giờ, nung mẫu ở 350 C trong 3 giờ.
2.3. Nghiên cứu hấp phụ As(III)
Trong nghiên cứu, ch ng tôi sử dụng hai mô hình phổ biến để nghiên cứu đẳng
nhiệt hấp phụ đó l| Langmuir v| Freundlich. Ngoài ra, mô hình Freundlich biến đổi
(modified Freundlich) dạng phi tuyến cũng được sử dụng để tính toán.
qmKL
q
Phương trình đẳng nhiệt Langmuir phi tuyến có dạng
(1)
e
1 KLCe
1
1
1
và dạng tuyến tính [11]:
(2)
qe qm qmKLCe
trong đó, q
chất bị hấp phụ trong dung dịch tại thời điểm c}n bằng (mg/L); q
phụ cực đại đơn lớp (mg/g); K l| hằng số hấp phụ Langmuir.
e
l| dung lượng hấp phụ tại thời điểm c}n bằng (mg/g); C
e
l| nồng độ của
m
l| dung lượng hấp
L
Hồi qui tuyến tính 1/q với 1/C từ phương trình tuyến tính, từ c{c gi{ trị độ dốc
e
e
v| đoạn cắt với trục tung ta có thể tính được q và K
m
L
.
Phương trình đẳng nhiệt Freundlich phi tuyến có dạng:
(3)
(4)
1
lnq ln K lnC
và tuyến tính có dạng [11]:
e
F
e
n
trong đó, n l| hệ số dị thể v| K
F
l| hằng số Freundlich, n và K
theo phương trình trên từ gi{ trị của độ dốc v| đoạn cắt
với trục tung ta tính được c{c gi{ trị n và K
F
phụ thuộc nhiệt độ. Hồi
qui tuyến tính lnq
e
theo lnC
e
F.
37
Nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) của vật liệu diatomite được biến tính bằng lưỡng oxide ...
1
1
n
Mô hình Freundlich biến đổi phi tuyến có dạng [12]: qe KFCe
(5)
Đẳng nhiệt hấp phụ As(III) v| As(V) được thực hiện ở c{c pH kh{c nhau (từ
3,5 đến 9). Chuẩn bị 10 bình nón có khối lượng vật liệu hấp phụ tăng d n từ 0,01;
0,025; 0,04;... 0,13; 0,145 gam, thêm v|o m i bình dung dịch asen có nồng độ v| pH
x{c định. Lắc h n hợp trong 24 giờ ở tốc độ 240 vòng/ph t để đảm bảo sự hấp phụ
đạt c}n bằng. Dung dịch sau khi lắc được ly t}m loại bỏ ph n rắn v| x{c định nồng
độ của asen. Để nghiên cứu ảnh hưởng của lực ion Chuẩn bị dãy dung dịch có thể
tích 50 mL, chứa c{c muối c n khảo s{t ảnh hưởng có nồng độ từ 0 đến 100 mg/L và
nồng độ x{c định của asen. Cho v|o m i bình 0,1 gam vật liệu, lắc h n hợp trong 24
giờ với tốc độ 240 vòng/ph t. Dung dịch sau khi lắc được ly t}m loại bỏ ph n rắn
v| x{c định nồng độ của asen.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Đặc trưng thành phần vật liệu Fe-Mn/diatomite
Kết quả đo EDX của Fe-Mn/diatomite tổng hợp trong điều kiện tỷ lệ mol Fe/Mn
= 5 và pH = 6 cho thấy tỷ lệ mol Mn/Fe = 0,08.
Bảng 1. Phân tích nguyên tố bằng EDX của Fe-Mn/diatomite tổng hợp trong điều kiện pH = 6
và tỷ lệ mol Mn/Fe khác nhau
Ký hiệu mẫu
Fe-Mn/D65
Al (%)
9,33
Si(%)
75,41
Ti(%)
0,37
Mn(%)
0,95
Fe(%)
12,38
Tỷ lệ mol Mn Fe
0,08 ± 0,0
Trạng th{i oxy hóa của c{c oxit biến tính được nghiên cứu bằng phổ XPS (hình
3+
2+
4+
3+
1và Bảng 2). Kết quả cho thấy một h n hợp c{c axit Fe /Fe và Mn /Mn được hình
th|nh trên bề m t diatomite.
(a)
(b)
Hình 1. Phổ XPS lõi Fe2p3/2 (a) và Mn2p3/2 (b) của mẫu Fe-Mn/D tổng hợp
ở tỉ lệ mol Fe/Mn = 5 và pH = 6.
Bảng 2. Th|nh ph n trạng th{i oxy ho{ của sắt v| mangan trong Fe-Mn/diatomite
tổng hợp ở c{c tỉ lệ mol Fe/Mn = 5 và pH = 6
38
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 12, Số 2 (2018)
2+
3+
3+
4+
Tỷ lệ mol Fe/Mn
Fe-Mn/diatomite
Fe
25,64
Fe
74,36
Mn
23,64
Mn
76,36
3.1. Sự hấp phụ/oxy hóa As(III) thành As(V) trên vật liệu Fe-Mn/diatomite
Việc biến tính đã n}ng cao đ{ng kể khả năng hấp phụ As(III) của diatomite.
Trong cùng một điều kiện thí nghiệm, kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu Fe-
Mn/diatomite có hiệu suất hấp phụ (64%) lớn hơn 10 l n so với diatomit Phú Yên chưa
biến tính (6,0%) v| cao hơn nhiều so với các diatomit biến tính khác Fe-diatomite
(8,8%), Mn-diatomite (12,6%).
Vật liệu Fe-Mn/diatomite sau khi hấp phụ As(III) (để loại bỏ khả năng oxy hóa
của oxy không khí, các mẫu thí nghiệm được được sục khí nitơ liên tục trong quá trình
hấp phụ) được phân tích thành ph n bề m t bằng phổ XPS để x{c định trạng thái oxy
hóa của asen trước và sau khi hấp phụ. Hình 2 trình bày kết quả phổ XPS lõi của các
nguyên tố Fe, Mn và As.
Kết quả ở bảng 3 cho thấy bề m t Fe-Mn/diatomite sau khi hấp phụ As(III) tạo
ra hai dạng As(V) và As(III) với tỷ lệ tương đương nhau, trong khi đó, th|nh ph n của
các trạng thái của oxy hóa của Fe2p3/2 và Mn2p3/2 thay đổi so với ban đ u. Trong khi bề
m t Fe-Mn/diatomite sau khi hấp phụ As(V) dạng As(V) tồn tại chủ yếu. Điều này cho
thấy, As(III) đã bị oxy hóa thành As(V) trên vật liệu Fe-Mn/diatomite. Hiện tượng hấp
phụ/oxy hóa As(III) cũng đã được quan sát bởi một số tác giả khi nghiên cứu sự hấp
phụ As(III) bằng MnO
2
[13], Fe
2
O3-MnO2/diatomit [14], Fe
2
O3
-MnO /Zeolit [15].
2
39
Nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) của vật liệu diatomite được biến tính bằng lưỡng oxide ...
(a) (b) (c)
(e)
(d)
(f)
Hình 2. Phổ XPS lõi Fe2p, Mn2p và As3d của vật liệu Fe-Mn/diatomite sau khi hấp phụ As(III)
và As(V), Điều kiện thí nghiệm (ĐKTN): m = 0,1 g, Vdd = 50 mL, thời gian lắc 24 h,
0
[As(V)]= 30 mg/L; [As(III)]= 30 mg/L, nhiệt độ = 25 C.
Bảng 3. Phổ XPS lõi Fe2p và Mn2p As3d của vật liệu sau khi hấp phụ As(III), As(V)
Fe2p3/2
Mn2p3/2
As3d5/2
2+
3+
3+
4+
3+
5+
Trạng th{i oxy hóa
Fe
Fe
Mn
Mn
As
-
As
Fe-Mn/diatomite
sau khi hấp phụ
As(V)
709,04 eV 710,78 eV 642,03 eV 645,74 eV
(17,78%) (82,22%) (78,14%) (21,86%)
45,10 eV
(100%)
Fe-Mn/diatomite
708,00 eV 710,04 eV 641,30 eV 644,04 eV 44,41 eV 45,36 eV
sau khi hấp As(III) (58,25%) (41,75%) (49,98%) (50,02%) (54,31%) (45,69%)
Một điều thú vị l| As(III) có độc tính hơn As(V) rất nhiều v| thông thường sự
hấp phụ As(V) dễ d|ng hơn sự hấp phụ As(III) trên các vật liệu [9], [14]. Sự tự oxy hóa
As(III) thành As(V) có thể đóng góp một ph n đến khả năng hấp phụ As(III) của vật
liệu n|y. T{c nh}n oxy hóa As(III) được cho là MnO [15], [16]. Các phản ứng tương tự
2
có thể xảy ra trên bề m t Fe-Mn/diatomite theo đề nghị của các tác giả [15], [16] như
sau:
40
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 12, Số 2 (2018)
MnO2 + H3AsO3 + 2H+ = Mn2+ + H3AsO4 + H2O
2Mn-OH + H3AsO4 = (MnO)2AsOOH + 2H2O
MnO2 + Mn2+ + H2O = 2MnOOH*
(6)
(7)
(8)
3.2 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ As(III)
của vật liệu
Fe-Mn/diatomite
Không nh ng điện tích bề m t và số lượng tâm hấp phụ đóng vai trò quan
trọng mà pH của dung dịch cũng ảnh hưởng đ{ng kể vào khả năng hấp phụ As(III) và
As(V) như trình b|y trong hình 3. Kết quả cho thấy rằng hiệu suất hấp phụ As(III) tăng
khi pH tăng.
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1.56 2.9 4.99
6
8.3 10.4
Hình 3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ As(III). ĐKTN: m = 0,1 g, Vdd = 50 mL,
0
[As(III)] = 30 mg/L, thời gian lắc 24 h, nhiệt độ = 25 C.
Điểm đẳng điện của vật liệu Fe-Mn/diatomite trong môi trường có chất điện ly
nền NaCl 0,1 M là ở pH = 4,5. Dạng tồn tại As(III) ở pH = 0 đến 9 chủ yếu là H
3
AsO ,
3
-
trong khi đó ở pH > 9 thì các dạng anion như H
2
AsO
3
chiếm ưu thế. Nghiên cứu g n
đ}y của Knoerr [20] cho thấy sự hấp phụ As(III) trên sắt (III) hydroxyt xảy ra do sự tạo
thành phức c u nội thông qua qu{ trình trao đổi phối tử liên quan đến nhóm -OH và
. Trên cơ sở d kiện nhiệt động học, Clifford và cộng sự [17] đã tính to{n hằng số
-OH2
FeHAsO
4
FeH2AsO3
phản ứng K
r
của các phức tạo thành
và
l n lượt là 10 và
3
4
2,2x10 . Các phản ứng như sau
FeOH + H
FeOH + H
3
AsO
3
FeH
2
AsO
3
+ H
2
O
O
(9)
-
2AsO
3
- FeHAsO
3
+ H
2
(10)
Hằng số phản ứng cao giải thích cho ái lực lớn của dạng anion As(III) với bề
m t âm bất kể lực đẩy tĩnh điện. Lý do này giải thích cho vật liệu Fe-Mn/diatomite có
khả năng hấp phụ As(III) tăng khi pH của môi trường tăng. Ảnh hưởng của pH đến sự
hấp phụ As(III) khác nhau tùy thuộc vào từng loại vật liệu. Xu v| cộng sự [18] đã
nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) trên c{c loại đất sét kh{c nhau. Kết quả cho thấy
41
Nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) của vật liệu diatomite được biến tính bằng lưỡng oxide ...
dung lượng hấp phụ tăng, khi pH tăng từ 2 đến 7. Trong khi đó, trên vật liệu lai
zirconium polyacryamide [19], thì dung lượng hấp phụ giảm khi pH tăng. Đối với oxit
sắt vô định hình v| goethit, dung lượng hấp phụ As(III) tăng đến pH = 8 sau đó giảm
khi pH tiếp tục tăng. Trong khi đó dung lượng hấp phụ As(III) lại tăng mạnh khi pH
tăng từ 2 đến 10.
3.3. Đẳng nhiệt hấp phụ
Đẳng nhiệt hấp phụ được nghiên cứu ở nhiệt độ phòng và ở các pH khác nhau.
Ba mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich, Freundlich biến đổi ở dạng phi
tuyến được sử dụng nghiên cứu. pH ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp phụ asen, do
vậy nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ được thực hiện ở các pH khác nhau từ 3,5-9,5. Kết
2
quả trình bày ở Bảng 4 cho thấy mô hình Freundlich biến đổi có hệ số x{c định R cao,
mô hình này mô tả tốt kết quả thực nghiệm. Số liệu thực nghiệm tuân theo mô hình
Freundlich chỉ ra rằng bề m t vật liệu Fe-Mn/diatomite gồ ghề, và có nh ng t}m năng
lượng bề m t khác nhau.
Bảng 4. Các tham số của các mô hình hấp phụ As(III) khác nhau theo pH
Langmuir phi tuyến
Thông số
As(III)
pH
3,5
5,0
6,8
9,5
q
m
(mg/g)
6,31
20,69
0,027
2,520
0,809
21,04
0,064
13,717
0,802
29,30
0,029
15,45
0,636
KL
0,506
5,636
0,846
SSE
2
R
Freundlich phi tuyến
Thông số
As(III)
pH
3,5
5,0
6,8
9,5
K
N
(mg/g)
SSE
R
F
0,025
0,537
11,42
7,332
0,800
0,175
0,784
12,15
0,138
0,990
2,756
2,078
13,44
10,697
0,802
0,082
0,574
25,18
1,052
0,975
q
m
2
Freundlich biến đổi
Thông số
As(III)
5,0
pH
3,5
6,8
9,5
K
N
(mg/g)
SSE
R
F
0,025
0,349
11,42
7,332
0,800
0,170
0,437
12,22
0,139
2,756
0,675
14,87
10,697
0,960
0,021
0,310
31,40
8,001
0,973
q
m
2
0,996
42
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 12, Số 2 (2018)
Các công bố nghiên cứu về đẳng nhiệt theo pH không nhiều. Jeppu và cộng sự
[21] đã sử dụng mô hình đẳng nhiệt Langmuir-Freundlich biến đổi để nghiên cứu sự
ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ As(V). Chúng tôi thử vận dụng mô hình
n|y, nhưng số liệu thực nghiệm của nghiên cứu n|y không tương thích với mô hình
2
Langmuir-Freundlich (R < 0,4). Tuy vậy, kết quả thực nghiệm khá phù hợp với nghiên
cứu của Jeppu [21], trong đó đối với trường hợp As(III) khi pH tăng thì dung lượng
hấp phụ cũng tăng. Điều này do n|y đã được giải thích trong ph n nghiên cứu ảnh
hưởng của pH.
3.4. Ảnh hưởng của lực ion
Trong nghiên cứu n|y c{c muối điện ly phổ biến có thể cùng tồn tại với As(III)
và As(V) trong dung dịch nghiên cứu bao gồm Na
2
CO
3
và Na
3
PO sẽ được nghiên cứu.
4
-- Ảnh hưởng của lực ion Na
2CO
3
As(III)
pH đ u pH sau ΔpH
80
70
60
50
40
30
20
10
0
2-
Nồng độ CO
3
(mg/L)
0
10
20
40
60
4,65
3,92
0,73
6,90
8,38
9,14
9,36
9,66
9,81
4,43
4,99
6,58
7,27
7,80
7,99
2,47
3,39
2,56
2,09
1,86
1,82
0
10 20 40 60 80 100
Nồng độ Na2CO3 (mg/L)
80
100
Hình 4. Ảnh hưởng của lực ion Na2CO3 đến qu{ trình hấp phụ As(III).
Lực ion của Na
2
CO
3
ảnh hưởng nhiều đến độ chuyển hóa hấp phụ asen. Độ
CO tăng từ 0 đến
chuyển hóa hấp phụ As(III) tăng từ 31% đến 71% khi nồng độ Na
2
3
100 mg/L như trình b|y ở hình 4. Trong trường hợp n|y, lực ion có t{c động mạnh đến
2-
khả năng hấp phụ. Ion CO
3
có thể sự hấp phụ cạnh tranh v| thay đổi đ{ng kể pH khi
2-
nồng độ Na CO
2
3
thay đổi (Hình 4). Khi tăng nồng độ CO
3
từ 0 đến 100 mg/L, pH tăng
từ 4,65 đến 9,81 (bảng 4) v| khuynh hướng hấp phụ xảy ra như trường hợp ảnh hưởng
của pH. Trong trường hợp n|y có thể việc tăng lực ion dẫn đến tăng pH của môi
trường và sự tăng khả năng hấp phụ có thể do sự tạo phức c u nội như phương trình
(9 và 10).
- Ảnh hưởng của lực ion Na
3PO
4
Lực ion Na PO ít ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ As(III), độ chuyển hóa hấp
3
4
phụ chỉ tăng từ 30% đến 39% khi h|m lượng phosphat tăng từ 0 đến 100 mg/L (Hình
5).
43
Nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) của vật liệu diatomite được biến tính bằng lưỡng oxide ...
As(III)
50
3-
Nồng độ PO
4
pH đ u pH sau ΔpH
40
30
20
10
0
(mg/L)
0
10
20
40
60
3,30
3,88
3,96
4,74
6,05
6,50
6,72
3,63
3,72
4,08
4,26
4,65
4,77
4,85
0,33
-0,16
0,12
-0,48
-1,40
-1,73
-1,87
0
10 20 40 60 80 100
80
100
Nồng độ Na3PO4 (mg/L)
Hình 5. Ảnh hưởng của lực ion Na3PO4 đến qu{ trình hấp phụ asen.
3-
Khi nồng độ muối Na
3
PO
4
tăng thì pH cũng tăng do ion PO
4
có tính kiềm
(Hình 5). Đa số c{c trường hợp pH của dung dịch giảm sau khi hấp phụ. Lý do tại sao
lực ion Na PO và Na CO ảnh hưởng v| có t{c động tăng khả năng hấp phụ đối với
3
4
2
3
As(III), ch ng tôi vẫn chưa rõ. Tuy nhiên, ch ng tôi đồng ý với c{c t{c giả [22-23], cho
rằng có thể có nhiều t}m Fe-OHvà Mn-OHcó sự chọn lọc hấp phụ kh{c nhau.
Như vậy, có thể hiểu trong trường hợp n|y các t}m hấp phụ không chọn lọc đối với
các ion (As(III)) đang nghiên cứu. Theo mô hình này sự hấp phụ chọn lọc một loại
anion (specific adsorption) được cho là xảy ra trên một m t phẳng hấp phụ (adsorption
plane) nằm gi a lớp Sterm và lớp khuếch tán trên bề m t vật liệu. Sự biến đổi số ion
trên bề m t khuếch tán sẽ ảnh hưởng đến thế của bề m t hấp phụ và vì thế ảnh hưởng
đến đến sự hấp phụ của anion. Khi tăng pH, thì bề m t điện tích âm và thế bề m t
cũng như thế trong m t phẳng hấp phụ sẽ tích điện t}m. Điện tích bề m t của Fe-
Mn/diatomite sẽ tăng khi ion }m tăng, trong điều kiện n|y ion đối trong lớp khuếch
+
tán (ion Na ) và cation sẽ tăng theo sự giảm khoảng cách gi a bề m t vật liệu v| tăng
nồng độ chất điện ly. Do số cation trong m t phẳng hấp phụ tăng nên thế tại bề m t
hấp phụ ít âm và vì thế tăng khả năng hấp phụ As(III).
So s{nh khả năng hấp phụ asen của vật liệu đang nghiên cứu với một số vật
liệu đã công bố trước đ}y *24-25] cho thấy vật liệu Fe-Mn/diatomite có khả năng hấp
phụ cao As(III), đ c biệt khả năng hấp phụ/oxy hóa chuyển hóa đối với As(III) có độc
tính cao th|nh As(V) có độc tính thấp hơn, l|m cho vật liệu n|y có nhiều tiềm năng
ứng dụng trong công nghệ xử lý nước.
4. KẾT LUẬN
Tóm lại, vật liệu Fe-Mn/diatomite có khả năng hấp phụ cao đối với As(III).
Trong qu{ trình hấp phụ As(III) xảy ra sự oxy hóa As(III) th|nh As(V) do Mn(IV). Khả
năng hấp phụ asen tu}n theo cả hai cơ chế tạo phức c u nội v| c u ngoại gi a c{c
anion và các nhóm hydroxyl (Mn-OH, Fe-OH). Khả năng hấp phụ As(III) tăng khi pH
44
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 12, Số 2 (2018)
dung dịch tăng, ngược lại khả năng hấp phụ As(V) lại giảm khi pH dung dịch tăng.
Lực ion Na
2
CO
3
và Na
3
PO
4
tăng khả năng hấp phụ As(III) .
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Mandal B.K., Suzuki K.T. (2002), Arsenic round the world: a review, Talanta, 58, pp.
201-235.
[2]. Cullen W.R., Reimer K.J. (1989), Arsenic speciation in the environment, Chem. Rev, 89, pp.
713-764.
[3]. Kartinen E.O., Jr, Martin C.J. (1995), An overview of arsenic removal processes,
Desalination, 103, pp. 79-88.
[4]. Raven K.P., Jain A., Loeppert R.H. (1998), Arsenite and Arsenate Adsorption on
Ferrihydrite: Kinetics, Equilibrium, and Adsorption Envelopes, Environ. Sci. Technol., 32,
pp. 344-349.
[5]. Barakat M.A. (2011), New trends in removing heavy metals from industrial wastewater,
Arabian Journal of Chemistry, 4 (4), pp. 361-377.
[6]. Fogg A.G. (1994), Adsorptive stripping voltammetry or cathodic stripping voltammetry
methods of accumulation and determination in stripping voltammetry, Analytical
Proceeding Including Analytical Communication, 31, pp. 313-317.
[7]. Jang J.H., Dempsey B.A. (2008), Coadsorption of arsenic (III) and arsenic (V) onto
hydrous ferric oxide: effects on abiotic oxidation of arsenic (III), extraction efficiency, and
model accuracy, Environmental Science & Technology, 42 (8), pp. 2893-2898.
[8]. Bakr H.E.G.M.M. (2010), Diatomite: Its Characterization, Modifications and Applications,
Asian Journal of Materials Science, 2 (3), pp. 121-136.
[9]. Chang F., Qu J., Liu H., Liu R., Zhao X. (2009), Fe–Mn binary oxide incorporated into
diatomite as an adsorbent for arsenite removal: Preparation and evaluation, Journal of
Colloid and Interface Science, 338, pp. 353-358.
[10]. Wu C.-C., Wang Y.-C., Lin T.-F., Tsao H.-L., Chen P.-C. (2005), Removal of arsenic from
waste water using surface modified diatomite, Chin. Inst. Environ. Eng., 15 (4), pp. 255-
261.
[11]. Tosun I. (2012), Ammonium removal from aqueous solutions by clinoptilolite:
determination of isotherm and thermodynamic parameters and comparison of kinetics by
the double exponential model and conventional kinetic models, Int J Environ Res Public
Health, 9 (3), pp. 970-84.
[12]. A.S., Sakaria P.L., Vasudevan M., Pawar R.R., Sudheesh N., Bajaj H.C., Mody H.M.
(2012), Adsorption of an anionic dye from aqueous medium by organoclays: equilibrium
modeling, kinetic and thermodynamic exploration, RSC Advances, 2 (23), pp. 8663.
[13]. Du Y., Zheng G., Wang J., Wang L., Wu J., Dai H. (2014), MnO2 nanowires in situ grown
on diatomite Highly efficient absorbents for the removal of Cr(VI) and As(V),
Microporous and Mesoporous Materials, 200, pp. 27-34.
45
Nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) của vật liệu diatomite được biến tính bằng lưỡng oxide ...
[14]. Kong S., Wang Y., Zhan H., Yuan S., Yu M., Liu M. (2014), Adsorption/Oxidation of
Arsenic in Groundwater by Nanoscale Fe-Mn Binary Oxides Loaded on Zeolite, Water
Environment Research, 86 (2), pp. 147-155.
[15]. Manning B.A., Fendorf S.E., Bostick B., Suarez D.L. (2002), Arsenic(III) Oxidation and
Arsenic(V) Adsorption Reactions on Synthetic Birnessite, Environ. Sci. Technol., 36, pp.
976-981.
[16]. Nesbitt H.W., Canning G.W., Bancroft G.M. (1998), XPS study of reductive dissolution of
7Å-birnessite by H3AsO3, with constraints on reaction mechanism, Geochimica et
Cosmochimica Acta, 62 (12), pp. 2097-2110.
[17]. Clifford D.A., Lin C.C. (1991), Arsenic (III) and arsenic(V) Removal from drinking water
in San Ysidro, New Mexico, USEPA Project Summary, EPA/600/S2-91/011.
[18]. Xu R., Wang Y., Tiwari D., Wang H. (2009), Effect of ionic strength on adsorption of
As(III) and As(V) on variable charge soils, Journal of Environmental Sciences, 21 (7), pp.
927-932.
[19]. Mandal S., Sahu M.K., Patel R.K. (2013), Adsorption studies of arsenic(III) removal from
water by zirconium polyacrylamide hybrid material (ZrPACM-43), Water Resources and
Industry, 4, pp. 51-67.
[20]. Knoerr R., Brendlé J., Lebeau B., Demais H. (2013), Preparation of ferric oxide modified
diatomite and its application in the remediation of As(III) species from solution,
Microporous and Mesoporous Materials, 169, pp. 185-191.
[21]. Jeppu G.P., Clement T.P. (2012), A modified Langmuir-Freundlich isotherm model for
simulating pH-dependent adsorption effects, J Contam Hydrol, 129-130, pp. 46-53.
[22]. Hiemstra H., Van Riemsdijk W.H. (1999), Surface Structural Ion Adsorption Modeling of
Competitive Binding of Oxyanions by Metal (Hydr)oxides, Journal of Colloid and Interface
Science, 210, pp. 182-193.
[23]. Zeng H., Fisher B., Giammar D.E. (2008), Individual and Competitive Adsorption of
Arsenate and Phosphate To a High-Surface-Area Iron Oxide-Based Sorbent, Environ. Sci.
Technol., 42, pp. 147-152.
[24]. Chammui Y., Sooksamiti P., Naksata W., Thiansem S., Arqueropanyo O.-a. (2014),
Removal of arsenic from aqueous solution by adsorption on Leonardite, Chemical
Engineering Journal, 240, pp. 202-210.
[25]. Samsuri A.W., Sadegh-Zadeh F., Seh-Bardan B.J. (2013), Adsorption of As(III) and As(V)
by Fe coated biochars and biochars produced from empty fruit bunch and rice husk,
Journal of Environmental Chemical Engineering, 1 (4), pp. 981-988.
46
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 12, Số 2 (2018)
THE REMOVAL OF ARSENITE FROM AQUEOUS SOLUTION USING IRON
AND MAGANESE BINARY OXIDE MODIFIED DIATOMITE
1
2
3
Huynh Truong Ngo , Tran Thi Anh Thu , Tran Thanh Tam Toan ,
3
3
Mai Xuan Tinh , Dinh Quang Khieu *
1
Sub-Department of Food Hygiene and Safety, Thua Thien Hue province
2
Hùng Vương Gifted High School, Gia Lai Province
3
Faculty of Chemistry, University of Sciences, Hue University
* Email: [email protected]
ABSTRACT
In the present paper, the synthesis and the arsenite adsorption onto the iron and
manganese binary oxide modified diatomite (Fe-Mn/diatomite) were
demonstrated. The results showed that these materials exhibited the high
oxidation/adsorption efficiency of arsenite. The effect of ion strength such as
Na2CO3 and Na3PO4, and pH on the arsenite adorption was addressed. Fe-
Mn/diatiomite is as a potential adsorbent for removal of arsenite from aqueous
solution.
Keywords: Aarsenite, As(III), diatomite, modified.
Huỳnh Trường Ngọ sinh ngày 01/6/1978 tại Th|nh phố Huế. Năm 2000,
ông tốt nghiệp cử nh}n chuyên ng|nh Hóa học tại Trường Đại học Khoa
học, Đại học Huế. Năm 2005, tốt nghiệp cử nh}n tiếng Anh (hệ tại chức
bằng thứ hai) tại Trường Đại học sư phạm, Đại học Huế. Năm 2008, tốt
nghiệp thạc sĩ chuyên ng|nh Hóa học tại Trường Đại học Khoa học, Đại
học Huế. Từ năm 2009 đến nay, công t{c tại Chi cục An to|n vệ sinh thực
phẩm Thừa Thiên Huế.
Lĩnh vực nghiên cứu vệ sinh an to|n thực phẩm, hóa học.
Trần Thị Anh Thư sinh ngày 08/12/1982 tại Th|nh phố Huế. Bà tốt
nghiệp cử nh}n chuyên ng|nh Hóa học tại Trường Đại học Sư phạm, Đại
học Huế; tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ng|nh Hóa lý thuyết v| Hóa lý tại
Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế. Hiện nay, bà công t{c tại Trường
Trung học Phổ thông Chuyên Hùng Vương, tỉnh Gia Lai.
47
Nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) của vật liệu diatomite được biến tính bằng lưỡng oxide ...
Trần Thanh Tâm Toàn sinh ngày 25/04/1991 tại tỉnh Thừa Thiên Huế.
Năm 2013, ông tốt nghiệp cử nh}n chuyên ng|nh Hóa học tại Trường Đại
học Khoa học, Đại học Huế. Năm 2015, tốt nghiệp Thạc sĩ Hóa học tại
Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế. Từ năm 2016, ông l| Nghiên cứu
sinh ng|nh Hóa học tại Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế.
Mai Xuân Tịnh sinh ngày 27/07/1963 tại Thành phố H| Tĩnh. Ông tốt
nghiệp Cử nhân – Kỹ Sư – Công nghệ chuyên ngành Hóa học năm 1987
tại Trường Đại học Hóa Công nghệ Tinh vi Lomonosov, Maxcơva, Liên
Bang Nga, tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ng|nh Hóa học năm 1997 tại Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội. Hiện ông là Giảng
viên tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế.
Lĩnh vực nghiên cứu: sản phẩm thiên nhiên & vật liệu chức năng.
Đinh Quang Khiếu hiện đang giảng dạy v| nghiên cứu tại Trường Đại
học Khoa học, Đại học Huế. Ông được phong học h|m Phó gi{o sư năm
2015.
Lĩnh vực nghiên cứu: tổng hợp vật liệu tiên tiến v| ứng dụng trong x c t{c,
hấp phụ, cảm biến khí v| cảm biến điện hóa.
48
14 trang
18680
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) của vật liệu diatomite được biến tính bằng lưỡng oxide sắt và mangan", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_kha_nang_hap_phu_asiii_cua_vat_lieu_diatomite_duo.pdf
