zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

» Môi trường

Nghiên cứu chế tạo vật liệu than sinh học vỏ trấu gắn kết các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@ graphen, ứng dụng xử lý nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Báo xấu

11
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu chế tạo vật liệu than sinh học vỏ trấu gắn kết các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@ graphen, ứng dụng xử lý nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm nghiên cứu tạo các vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu gắn kết với các các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen tạo các vật liệu thân thiện với môi trường do các vật liệu được tạo ra từ phế phụ phẩm nông nghiệp và gắn kết với các nano có chi phí thấp và xử lý hiệu quả các chất hữu cơ trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu chế tạo vật liệu than sinh học vỏ trấu gắn kết các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@ graphen, ứng dụng xử lý nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm

KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC TRÁI ĐẤT, MỎ, MÔI TRƯỜNG BỀN VỮNG LẦN THỨ V Doi: 10.15625/vap.2022.0166 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU THAN SINH HỌC VỎ TRẤU GẮN KẾT CÁC NANO Fe3O4, Fe3O4@ZnO VÀ Fe3O4@ZnO@GRAPHEN, ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẤY VÀ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM Văn Hữu Tập1*, Nguyễn Thu Hường1, Nguyễn Thị Bích Liên1, Đặng Văn Thành2, Phạm Hoài Linh3, Nguyễn Văn Đăng1, Lương Thị Quỳnh Nga2, Vũ Thị Mai4 1 Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên, Tân Thịnh, thành phố Thái Nguyên, Thái Nguyên 2 Trường Đại học Y Dược, Đại học Thái Nguyên, 284 Lương Ngọc Quyến, Quang Trung, thành phố Thái Nguyên, Thái Nguyên 3 Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội 4 Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, 41A Phú Diễn, Bắc Từ Liêm, Hà Nội TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, than sinh học (THT) vỏ trấu gắn kết các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen đã được tổng hợp bằng phương pháp tẩm ướt. Sau đó, các vật liệu tạo thành được sử dụng để xử lý các chất hữu cơ trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm. Các thí nghiệm đã được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ gắn kết nano với THT vỏ trấu và pH dung dịch đến khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm của Fe3O4/THT vỏ trấu, Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu và Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu. Kết quả cho thấy dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ COD và hiệu suất hấp phụ màu nước thải giấy đạt tương ứng là 161 mg/g, 50 %, 36 % (THT vỏ trấu); 171 mg/g, 53 %, 42 % (Fe3O4/THT vỏ trấu); 181 mg/g, 56 %, 54 % (Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu); và 199 mg/g, 62 %, 67 % (Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu). Đồng thời, dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ COD và hiệu suất hấp phụ màu nước thải dệt nhuộm đạt được là 63 mg/g, 23 %, 22 % (THT vỏ trấu); 79 mg/g, 28 %, 33 % (Fe3O4/THT vỏ trấu); 86 mg/g, 31 %, 38 % (Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu), và 90 mg/g, 32 %, 44 % (Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu). Các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ đạt được ở tỉ lệ gắn kết nano 20 %, pH dung dịch là 7 đối với hấp phụ nước thải giấy và 6 đối với nước thải dệt nhuộm. Từ khóa: Hấp phụ, nano, nước thải giấy, nước thải dệt nhuộm, than sinh học vỏ trấu. 1. MỞ ĐẦU Một trong những vấn đề đặt ra cho các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam là cải thiện 0F 1 môi trường ô nhiễm từ các chất độc hại do nền công nghiệp gây ra. Điển hình như các chế biến cao su, hóa chất, công nghiệp thực phẩm, thuốc bảo vệ thực vật, y dược, luyện kim, mạ, giấy, đặc biệt là ngành dệt nhuộm đang phát triển mạnh mẽ và chiếm kim ngạch xuất khẩu cao của Việt Nam. Hoạt động sản xuất của ngành dệt nhuộm phát sinh ra nhiều dạng ô nhiễm như: bụi, tiếng ổn, nhiệt dư, chất thải rắn, khí thải và nước thải,… Những đặc trưng của loại nước thải này có pH, nhiệt độ, COD và độ màu cao. Lượng nước sử dụng trong quá trình nhuộm khoảng 16 – 900 m3/tấn sản phẩm [1]. Ngoài ra, Công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy cũng phát sinh nhiều vấn đề về môi trường đáng quan tâm cần phải giải quyết. Đặc biệt là nước thải phát sinh trong quá trình sản xuất * Tác giả liên hệ, địa chỉ email: tapvh@tnus.edu.vn 120
Nghiên cứu chế tạo vật liệu than sinh học vỏ trấu gắn kết các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và… giấy - bột giấy, đây là một trong những loại nước thải rất khó xử lý và tốn kém chi phí. Tại Việt Nam có khoảng 300 nhà máy và xưởng sản xuất giấy và bột giấy với tổng sản lượng 332.000 tấn bột và 1.513.000 tấn giấy/năm [2]. Để sản xuất ra một tấn giấy thành phẩm, cần khoảng 2 tấn gỗ và 100 - 350 m3 nước [3], trong khi các nhà máy giấy hiện đại của thế giới chỉ sử dụng 10-60 m3/tấn giấy [4]. Nước thải từ sản xuất bột giấy với đặc trưng bởi hàm lượng BOD, COD, độ màu và pH cao, nếu không được xử lý triệt để trước khi xả thải sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường. Trong thời gian gần đây, nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm và đầu tư cho phát triển công nghệ xử lý các chất hữu cơ trong nước thải trên cơ sở tập trung nghiên cứu phát triển các loại vật liệu có khả năng hấp phụ, trao đổi ion, sinh học và màng lọc... Xu hướng chung trong kỹ thuật phát triển các loại vật liệu này đều tập trung vào nghiên cứu các thành phần và cấu trúc của cacbon. Các cấu trúc này có thể được xử lý và tăng cường hoạt tính bằng một số phương pháp như phương pháp nhiệt, hóa chất xúc tác... Trong số các kỹ thuật có thể sử dụng để xử lý nước, quá trình hấp phụ là một trong những phương pháp hiệu quả để xử lý và loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ trong xử lý nước thải. Quá trình hấp phụ có những ưu điểm so với các quá trình khác vì thiết kế đơn giản và đầu tư thấp về cả chi phí đầu tư và diện tích đất. Hiện nay, trên thế giới có nhiều nghiên cứu về ứng dụng phế phẩm nông nghiệp và công nghiệp làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng và các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước và nước thải. Đồng thời, các nghiên cứu biến tính vật liệu đó bằng các chất hóa học như HNO3, H3PO4, NaOH, ZnCl2, H2SO4… nhằm tăng khả năng hấp phụ cho các vật liệu đó. Dung lượng hấp phụ cao hơn so với vật liệu chưa biến tính. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu mới chỉ là những nghiên cứu cơ bản và chỉ dừng lại ở việc biến tính bằng một hoặc vài loại hóa chất thông thường. Hiệu suất xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm hoặc các chất kim loại chưa thực sự cao và giảm nhiều chi phí. Đặc biệt, các nghiên cứu gắn kết các vật liệu nano gắn kết graphen với vật liệu hấp phụ từ than sinh học từ vỏ trấu vẫn chưa nghiên cứu đầy đủ. Đặc biệt là việc gắn kết than hoạt tính với các vật liệu với nano ferrite spinel và graphen để tạo vật liệu biến tính nano và gắn kết với than sinh học xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải dệt nhuộm và nước thải giấy. Vì thế, mục tiêu của bài báo này là nghiên cứu tạo các vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu gắn kết với các các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen tạo các vật liệu thân thiện với môi trường do các vật liệu được tạo ra từ phế phụ phẩm nông nghiệp và gắn kết với các nano có chi phí thấp và xử lý hiệu quả các chất hữu cơ trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu - Vật liệu hấp phụ: các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen được tổng hợp tại phòng thí nghiệm; vỏ trấu thải được thu gom tại vùng nông nghiệp xã Quyết Thắng, thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên. - Đối tượng xử lý: Nước thải giấy được lấy tại nhà máy giấy An Hoà, thành phố Tuyên Quang, tỉnh Tuyên Quang và nước thải dệt nhuộm được lấy tại làng nghề Nha Xá, tỉnh Hà Nam. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu - Các hoá chất sử dụng: NaOH, HNO3, H3PO4 85 %, H2SO4 98 % và K2CrO4 là các hoá chất tinh khiết (Merck, Đức). Fe3O4 và ZnO có xuất xứ từ Đức. 121
Văn Hữu Tập, Nguyễn Thu Hường, Nguyễn Thị Bích Liên, Đặng Văn Thành, ... Chế tạo nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen bằng phương pháp một bước và 2 bước trên cơ sở các phương pháp đồng kết tủa hỗ trợ sóng viba, thủy nhiệt, solvothermal, sol-gel nhằm thu được vật liệu có kích thước, hình dạng mong muốn. Phương pháp chế tạo vật liệu hấp phụ: than sinh học vỏ trấu được chế tạo bằng phương pháp nhiệt phân trong môi trường yếm khí ở điều kiện nhiệt độ 400 oC. Than sinh học vỏ trấu gắn kết nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen được chế tạo bằng phương pháp tẩm ướt kết hợp nhiệt ở 60 oC để gắn các hạt nano lên than sinh học vỏ trấu. Trong quá trình này, các hạt nano Fe3O4 hoặc Fe3O4@ZnO được trộn với 70 ml dung dịch etanol và siêu âm trong thời gian 60 phút. Sau đó bổ sung than sinh học vỏ trấu (với tỷ lệ khối lượng nano/than: 10-30 %). Các dung dịch hỗn hợp sau đó được chuyển sang máy khuấy từ gia nhiệt 60 o C trong 2 h với tốc độ khuấy 120 v/phút [5]. Sau đó, hỗn hợp được lọc và làm khô trong 2 giờ ở 105 0C để thu được than sinh học vỏ trấu gắn kết nano (được ký hiệu là Fe3O4/THT vỏ trấu, Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu và Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu). 2.2.2. Phương pháp đánh giá đặc điểm của vật liệu Thể tích lỗ rỗng và diện tích bề mặt của Fe3O4/THT vỏ trấu, Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu và Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu được xác định bằng phương pháp Brunauer – Emmett – Teller (BET) sử dụng thiết bị SA 3000 (Coulter, USA). Các nhóm chức bề mặt của vật liệu được xác định bằng cách sử dụng máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR-6300 hoạt động trong dải số sóng 4000–500 cm-1. Tính chất hóa lý của vật liệu được xác định bởi máy quang phổ tán xạ năng lượng tia X (S-4800 - Hitachi, Nhật Bản) với kính hiển vi điện tử quét (SEM). Điểm đẳng điện (pHPZC) thu được từ điểm giao cắt của đường cong ΔpH với pHi tại trục hoành. 2.2.3. Phương pháp thí nghiệm hấp phụ Các thí nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm của các vật liệu Fe3O4/THT vỏ trấu, Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu và Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu. Các thí nghiệm được tiến hành trong quy mô phòng thí nghiệm với nồng độ các chất hữu cơ (đánh giá thông qua thông số COD và độ mầu của nước thải giấy tương ứng là 1292 mg/L và 1499 Pt-Co, nước thải dệt nhuộm được pha loãng 3 lần và đạt giá trị COD là 1044 mg/L, độ màu là 1804 Pt-Co. Sau đó tiến hành khảo sát với hàng loạt thí nghiệm hấp phụ theo mẻ được thực hiện trong bình tam giác 50 mL ở nhiệt độ phòng (dao động 25 ± 2 °C). Tiến hành khảo sát khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm ở các điều kiện ảnh hưởng của tỉ lệ gắn kết và pH dung dịch, các giá trị khác cố định với hàm lượng chất hấp phụ 0,1 g/25 mL dung dịch nước thải giấy hoặc nước thải dệt nhuộm, thời gian hấp phụ là 120 phút. Các điều kiện khảo sát bao gồm: ảnh hưởng tỉ lệ nano gắn kết nano (10, 20 và 30%) và pH dung dịch (3÷10) đến khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm. Các thí nghiệm hấp phụ thực hiện trên máy lắc với tốc độ 120 v/phút. Sau khi hấp phụ, lắng, lọc và xác định nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm (thông qua thông số COD) bằng phương pháp oxi hoá pemanganat (phương pháp oxi hoá hồi lưu đóng) và độ màu trên thiết bị UV-vis tại Phòng thí nghiệm Khoa Tài nguyên và Môi trường – Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên. Từ đó tính dung lượng hấp phụ theo phương trình (1) và hiệu suất hấp phụ theo phương trình (2). Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần, lấy kết quả trung bình để đánh giá. Số liệu được phân tích bằng phần mềm Exel, đồ thị hấp phụ được thực hiện bằng phần mềm Origin 2021. 122
Nghiên cứu chế tạo vật liệu than sinh học vỏ trấu gắn kết các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và… q= (1); H= 100% (2) Trong đó: q: dung lượng hấp phụ của vật liệu (mg/g); Co: nồng độ chất hữu cơ ban đầu nước thải giấy hoặc nước thải dệt nhuộm (mg/L); Ce: nồng độ của chất hữu cơ còn lại sau khi hấp phụ (mg/L); m: khối lượng chất hấp phụ (g); V: thể tích nước thải thí nghiệm (L). 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc điểm của vật liệu Đặc điểm của than sinh học (THT) vỏ trấu và than sinh học vỏ trấu gắn kết nano được thể hiện về diện tích bề mặt, độ rỗng và độ xốp (Bảng 1). Kết quả cho thấy diện tích bề mặt của các vật liệu THT vỏ trấu, Fe3O4/THT vỏ trấu, Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu và Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu tương ứng là 4,007, 61,62, 73,27 và 91,48 m2/g. Như vậy, THT vỏ trấu ban đầu có diện tích bề mặt rất thấp nhưng sau khi được gắn kết với các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen thì diện tích bề mặt tăng lên lần lượt là 15, 18 và 23 lần so với THT vỏ trấu ban đầu. Tương tự như vậy thể tích lỗ rỗng của vật liệu THT vỏ trấu gắn kết nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen cũng đã tăng lên đáng kể so với THT vỏ trấu ban đầu. Như vậy, có thể thấy quá trình gắn kết các nano vào THT vỏ trấu đã làm cho vật liệu xốp hơn tạo thuận lợi cho quá trình ứng dụng hấp phụ các chất ô nhiễm. Thông thường các thông số diện tích bề mặt, thể tích lỗ rồng và kích thước lỗ rỗng có thể có ảnh hưởng lẫn nhau nhưng cũng không theo quy luật mà bị chi phối bởi kích thước hạt. Khi kích thước lỗ rỗng lớn làm cho thể tích lỗ rỗng lớn và làm cho một phần diện tích bề mặt có thế cũng lớn. Tuy nhiên, diện tích bề mặt phụ thuộc lớn hơn vào kích thước hạt. Đối với THT vỏ trấu, khi kích thước lỗ rỗng trung bình là 10,31 nm tương ứng thể tích lỗ rỗng trung bình là 0,011 cm3/g và diện tích bề mặt là 4,007 m2/g. Khi THT vỏ trấu được gắn kết với các hạt nano Fe3O4 và Fe3O4@ZnO đã làm tăng thể tích và kích thước lỗ rỗng cũng như diện tích bề mặt nhưng kích thước lỗ rỗng lại giảm một chút khi gắn kết với nano Fe3O4@ZnO@graphen. Nguyên nhân có thể là do các hạt nano có kích thước nhỏ hơn đã gắn kết lên các hạt THT vỏ trấu và có tác động vào cấu trúc các hạt THT trong quá trình gắn kết làm các hạt bị vỡ vụn nhỏ hơn làm tăng diện tích bề mặt cũng như kích thước lỗ rỗng. Tuy nhiên, có thể do sự tác động không như nhau bởi các hạt nano khác nhau nên việc tăng kích thước và thể tích lỗ rỗng là không như nhau. Ở nano Fe3O4@ZnO có 2 thành phần tác động nên kích thước lỗ rỗng lớn hơn so với vật liệu chỉ có 1 thành phần nano Fe3O4. Tương tự như vậy, khi có mặt của graphen ở nano thứ 3 cũng làm cho kích thước lỗ rỗng giảm nhưng có tác động làm các hạt mịn và nhỏ hơn nên diện tích bề mặt lớn hơn. Bảng 1. Đặc trưng vật lý của vật liệu THT vỏ trấu gắn kết nano Vật liệu Diện tích bề Thể tích lỗ rỗng Kích thước trung mặt (m2/g) trung bình (cm3/g) bình lỗ rỗng (nm) THT vỏ trấu 4,007 0,011 10,31 Fe3O4/THT vỏ trấu 61,62 0,068 13,31 Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu 73,27 0,026 25,97 Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu 91,48 0,053 8,50 123
Văn Hữu Tập, Nguyễn Thu Hường, Nguyễn Thị Bích Liên, Đặng Văn Thành, ... Hình 1. Ảnh SEM của THT vỏ trấu (a) và THT vỏ trấu gắn kết nano: Fe3O4/THT vỏ trấu (b), Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu (c) và Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu (d) Kết quả phân tích ảnh SEM về trạng thái bề mặt của vật liệu THT vỏ trấu và THT vỏ trấu gắn kết nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen đã cho thấy cấu trúc vô định hình. Đối với các vật liệu Fe3O4/THT vỏ trấu (Hình 1b), Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu (Hình 1c) và Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu (Hình 1d) đã có sự hiện diện của các hạt hình cầu trên bề mặt. Đây có thể là sự hiện diện của các hạt nano Fe3O4 và ZnO đã gắn kết với THT vỏ trấu. Các khối với các hạt hình cầu thường liên kết thành các cụm và gắn chặt trên bề mặt của THT vỏ trấu. Kết quả thể hiện sự thành công trong việc gắn kết các vật liệu nano 1, 2 và 3 thành phần với than hoạt tính vỏ trấu. Trong đó, các hạt nano dạng cầu rất rõ nét ở các vật liệu đã gắn kết. Kết quả đó càng khẳng định rõ ràng hơn nữa về sự phù hợp của phương pháp gắn kết và tạo ra các đặc điểm lý thú của vật liệu. Kết quả phổ FTIR của THT vỏ trấu và THT vỏ trấu gắn kết nano được trình bày ở Hình 2. Kết quả cho thấy THT vỏ trấu có mặt của nhóm chức -OH có thể được giữ lại trong mẫu hoặc khoáng chất khác có nguồn gốc từ nhóm hydroxyl ở các đỉnh 3416, 3746 và 3792 cm-1. Nhóm thơm từ lignin tạo ra C=C ở đỉnh 1628 cm-1, tương ứng với liên kết của các nguyên tử cacbon. Nhóm chức - CH xuất hiện ở các đỉnh 758, 824, 2853 và 2924 cm-1. Các nhóm chức CO hiện diện ở các số sóng 1102, 1207, 1382 và 1713 cm-1. Trên than hoạt tính vỏ trấu cũng xuất hiện nhóm chức C≡C ở số sóng 2342 và 2364 cm-1. Kết quả FTIR cũng chỉ ra sự có mặt của SiO2 trong than hoạt tính vỏ trấu 124
Nghiên cứu chế tạo vật liệu than sinh học vỏ trấu gắn kết các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và… ở số sóng 824 và 1102 cm-1[6]. Khi gắn kết với nano 1 thành phần (Fe3O4@THT vỏ trấu) thì còn lại các nhóm chức -CH (550 cm-1), CO (1046 và 1350 cm-1) và -OH (3652 và 3704 cm-1) và đã có sự dịch chuyển đỉnh sóng so với THT vỏ trấu. Một số nhóm chức đã không phát hiện ở vật liệu này như nhóm C=C và C≡C có thể do tác động của nano Fe3O4 trong quá trình gắn kết đã làm biến đổi đặc điểm của các thành phần trong THT vỏ trấu. Tương tự như vậy, đối với vật liệu Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu thì các nhóm chức -CH (676, 786 cm-1), CO (1056, 1382 cm-1) và nhóm C=O (1896, 2068 và 2202 cm-1). Tuy nhiên đối với Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu thì có sự hiện diện của các nhóm chức: CO (1040, 1344 cm-1), C=O (1878, 2052 và 2196 cm-1), -CH (2652 cm-1) và -OH (3516 cm-1). SiO2 cũng hiện diện ở đỉnh sóng 1056 cm-1 (Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu), 1040 cm-1 (Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu). Kết quả phân tích điểm đẳng điện cũng cho thấy pHPZC của THT vỏ trấu là 7,85. Điểm đẳng điện của các vật liệu gắn kết nano Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu, Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu và Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu tăng lên một chút tương ứng là 7,92; 7,96 và 8,0. Hình 2. Phổ FTIR và giá trị pHPZC của vật liệu hấp phụ THT vỏ trấu gắn kết nano: Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen 125
Văn Hữu Tập, Nguyễn Thu Hường, Nguyễn Thị Bích Liên, Đặng Văn Thành, ... 3.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ gắn kết nano với than sinh học vỏ trấu đến khả năng hấp phụ nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm Hình 3. Ảnh hưởng của tỉ lệ gắn kết nano 1, 2 và 3 thành phần với than hoạt tính vỏ trấu đến hiệu quả hấp phụ nước thải giấy (a1, a2, a3) và nước thải dệt nhuộm (b1, b2, b3) Hàm lượng TSS của nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm tương ứng là 958 mg/L và 862 mg/L. Do các nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm được lắng và lọc sơ bộ bằng cát thạch anh để loại bỏ chất rắn lơ lửng trước khi xử lý bằng quá trình hấp phụ. Kết quả hấp phụ của THT vỏ trấu và THT vỏ trấu gắn kết với nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen ở các tỉ lệ gắn kết khác nhau (10-30 %) được thể hiện tại hình 3a1, a2, a3 (nước thải giấy) và hình 3b1, b2, b3 (nước thải dệt nhuộm). Kết quả cho thấy, xu hướng hấp phụ nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm bằng THT vỏ trấu gắn kết nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen là tăng dần khi tăng tỉ lệ gắn kết nano. Dung lượng hấp phụ, hiệu suất xử lý COD và độ màu của THT vỏ trấu ban đầu là nhỏ hơn nhiều so với THT vỏ trấu gắn kết nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen theo tỉ lệ gắn kết về khối lượng nano 10 %, 20 %, 30 %. Đồng thời, khả năng hấp phụ cả nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm cũng không có nhiều thay đổi ở các tỉ lệ gắn kết 10-30 %. Tuy nhiên, ở tỉ lệ gắn kết nano 20 % (khối lượng từng vật liệu nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen so với tổng khối lượng của THT vỏ trấu và từng loại nano) có cao hơn so với tỉ lệ 10 % và không tăng thêm khi tăng tỉ lệ gắn kết lên 30 %. Với tỉ lệ gắn kết nano 20 %, dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ các chất hữu cơ (COD) và độ màu nước thải giấy đạt được tương ứng là 147 mg/g, 45 %, 33 % (Fe3O4/THT vỏ trấu); 163 mg/g, 50 %, 37 % (Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu) và 180 mg/g, 56 %, 43 % (Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu). Tương tự, đối với hấp phụ nước thải dệt nhuộm, ở điều kiện 126
Nghiên cứu chế tạo vật liệu than sinh học vỏ trấu gắn kết các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và… như trên thì dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ các chất hữu cơ (COD) và độ màu đạt tương ứng là 76 mg/g, 26 %, 21 % (Fe3O4/THT vỏ trấu); 82 mg/g, 32 %, 21 % (Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu) và 90 mg/g, 38 %, 22 % (Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu). Kết quả này cũng đã cho thấy quá trình gắn kết than sinh học vỏ trấu với nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen thành phần đã làm tăng hiệu suất hấp phụ nước thải giấy đáng kể. Trong đó, tỉ lệ gắn kết 20 % nano và với nano 3 thành phần mang hiệu hiệu quả tốt hơn so với các chế độ gắn kết khác. Kết quả đó một lần nữa cho thấy tỉ lệ gắn kết 20 % nano là phù hợp trong chế tạo vật liệu. Nguyên nhân là do các nano gắn kết vào các vật liệu trên làm cho vật liệu có được đặc tính cả của vật liệu than sinh học vỏ trấu và các THT ban đầu gắn kết các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen. Kết quả phân tích vật liệu ở Bảng 1 đã cho thấy, trong các vật liệu gắn kết nano cũng đã thay đổi đặc tính so với vật liệu THT vỏ trấu ban đầu như tăng diện tích bề mặt, tăng độ rỗng xốp và giảm kích thước các hạt do sự có mặt của các hạt nano có kích thước nhỏ gắn kết vào THT vỏ trấu, đồng thời các hạt nano cũng có tác động xảy ra làm giảm kích thước các hạt THT. Như vậy, các vật liệu được gắn kết cũng cung cấp nhiều vị trí hoạt động trên bề mặt hơn so với vật liệu ban đầu. Điều đó cũng có nghĩa là khả năng hấp phụ các chất hữu cơ của các vật liệu tốt hơn. Xu hướng tương tự giữa tỉ lệ gắn kết giữa các vật liệu và đánh giá hiệu suất hấp phụ đối với các chất hữu cơ khó phân huỷ đã được ghi nhận trong một số công trình đã công bố [7, 8, 9]. Như vậy, trong nghiên cứu này, tỉ lệ gắn kết các nano Fe3O4 và Fe3O4@ZnO với các vật liệu THT vỏ trấu đạt tối ứu là 20% cho nghiên cứu hấp phụ nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm. Tỉ lệ này được sử dụng cho nghiên cứu các điều kiện ảnh hưởng tiếp theo. 3.3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý các chất hữu cơ trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm bằng than sinh học vỏ trấu gắn kết các nano Các điều kiện thực nghiệm của THT vỏ trấu gắn kết nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen đối với nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm được thực hiện ở điều kiện hàm lượng vật liệu là 0,1 g/25 mL, thời gian hấp phụ là 120 phút và thay đổi giá trị pH nước thải từ 3 đến 10. Hiệu quả hấp phụ nước thải giấy được thể hiện ở hình 4a1, a2, a3 và nước thải dệt nhuộm được minh hoạ ở Hình 4b1, b2 và b3. Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ (thông qua phân tích COD) và độ màu của THT vỏ trấu gắn kết nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen cho thấy dung lượng và hiệu suất hấp phụ cũng có xu hướng tăng dần khi pH tăng từ 3 đến 7 đối với nước thải giấy và 3-6 đối với nước thải dệt nhuộm. Sau đó, dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ giảm dần khi tăng giá trị pH của nước thải giấy lên 9 và 10. Mặc dù hiệu quả hấp phụ nước thải dệt nhuộm không thật rõ rệt như nước thải giấy nhưng xu hướng trên vẫn xảy ra. Dung lượng hấp phụ của THT vỏ trấu gắn kết nano đều có hiệu quả cao hơn nhiều so với than sinh học ban đầu. Ở điều kiện pH nước thải giấy là 7, dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ COD và hiệu suất hấp phụ độ màu đạt tương ứng là 161 mg/g, 50 %, 36 % (THT vỏ trấu); 171 mg/g, 53 %, 42 % (Fe3O4/THT vỏ trấu); 181 mg/g, 56 %, 54 % (Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu); và 199 mg/g, 62 %, 67 % (Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu). Ở môi trường pH nước thải dệt nhuộm là 6, dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ COD và hiệu suất hấp phụ màu đạt được là 63 mg/g, 23 %, 22 % (THT vỏ trấu); 79 mg/g, 28 %, 33 % (Fe3O4/THT vỏ trấu); 86 mg/g, 31 %, 38 % (Fe3O4@ZnO/THT vỏ trấu); và 90 mg/g, 32 %, 44 % (Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu). Như vậy, kết quả cũng chỉ ra giá trị pH của nước thải giấy ở 7 và nước thải dệt nhuộm là 6 mang lại hiệu quả tốt hơn so với các giá trị pH khác trong quá trình hấp phụ nước thải giấy bằng than hoạt tính vỏ trấu và than hoạt tính vỏ trấu gắn kết nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và 127
Văn Hữu Tập, Nguyễn Thu Hường, Nguyễn Thị Bích Liên, Đặng Văn Thành, ... Fe3O4@ZnO@graphen. So với giá trị pH ban đầu của nước thải giấy là 6,9 và nước thải dệt nhuộm là 8,9 thì nước thải dệt nhuộm cần điều chỉnh pH để đưa về điều kiện tối ưu, trong khi đó nước thải giấy có giá trị pH gần với giá trị tối ưu nên không cần điều chỉnh. Trong 3 loại nano sử dụng thì nano Fe3O4@ZnO@graphen vẫn cho hiệu quả hấp phụ cao hơn so với 2 nano còn lại. Các thành phần hữu cơ chính trong nước thải giấy (nước thải chứa axit béo, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC; tức là rượu terpene, phenol, metanol, axeton và chloroform, axeton, metylen clorua, cacbon disunfua, chloroform, chloromethanes, trichloroethanes,…), lignin hòa tan...) và nước thải dệt nhuộm (các thành phần chất hữu cơ của các chất màu azo (chất màu axit dạng violet, cam, đỏ, vàng, đen,...; direct xanh, đỏ, vàng, cam, chất mytyl vàng, đỏ, cam, nâu...). Kết quả xử lý ở trên có thể được giải thích ở pH thấp, các nhóm chức trên bề mặt của chất hấp phụ trên tích điện âm nên tương tác với các chất hữu cơ trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm bằng lực đẩy tĩnh điện. Hơn nữa, trong điều kiện pH thấp, các ion H+ chiếm ưu thế và phản ứng với các nhóm chức (nhóm amino và hydroxyl) có thể tạo ra lực đẩy tĩnh điện với các chất hữu cơ do đó làm giảm hiệu suất hấp phụ. Khi tăng pH sẽ có sự cạnh tranh trong hấp phụ với anion OH- dẫn đến giảm hiệu quả hấp phụ. Trong khi ở pH 5-7, hiệu suất hấp phụ tăng lên đáng kể đối với nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm do giảm nồng độ ion hydro làm giảm sự cạnh tranh của H+ với các chất hữu cơ ở các vị trí hấp phụ cùng với tăng lực hút tĩnh điện, làm tăng hiệu suất hấp phụ. Sau đó ở pH cao hơn, điện tích âm trên bề mặt chất hấp phụ tăng lên làm giảm lực hút đối với các chất hữu cơ, dẫn đến giảm hiệu suất hấp phụ [10]. Hình 4. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả hấp phụ nước thải giấy (a1, a2, a3) và nước thải dệt nhuộm (b1, b2, b3) bằng than hoạt tinh vỏ trấu gắn kết nano 128
Nghiên cứu chế tạo vật liệu than sinh học vỏ trấu gắn kết các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và… Hơn nữa, trong các trường hợp trên, hiệu quả hấp phụ đều xảy ra tốt hơn ở môi trường nước thải có giá trị pH thấp hơn so với giá trị điểm đẳng điện của các vật liệu (pHPZC), giá trị này đều nhỏ hơn 8 đối với tất cả các vật liệu sử dụng. Trong điều kiện này, bề mặt các vật liệu tích điện dương khi pH của nước thải nhỏ hơn 8 vì thế bề mặt các vật liệu đều có xu hướng hấp phụ các chất hữu cơ trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm. Khi pH của nước thải cao (trong môi trường kiềm) thì bề mặt các vật liệu tích điện âm nên giảm khả năng hút dính các chất hữu cơ trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm. Một số nghiên cứu cũng chỉ ra rằng do sự cạnh tranh giữa anion SO3- của các chất hữu cơ nước thải dệt nhuộm và gốc OH- trong dung dịch, dẫn đến giảm cường độ tương tác giữa anion –SO3- và các ion tích điện dương trên bề mặt của vật liệu và có thể xảy ra lực đẩy tĩnh điện giữa các chất hữu cơ trong nước thải và gốc OH- [11, 12]. Sự giảm khả năng hấp phụ của vật liệu với nước thải dệt nhuộm khi tăng pH dung dịch từ axit sang kiềm tương tự cũng được ghi nhận trong các nghiên cứu khác [12, 13, 14]. Trong các trường hợp trên, diện tích bề mặt, độ rỗng của các vật liệu gắn kết nano Fe3O4@ZnO@graphen cao hơn các vật liệu gắn kết nano Fe3O4@ZnO và nano Fe3O4. Vì thế, dung lượng và hiệu suất hấp phụ các chất hữu cơ trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm của các vật liệu gắn kết nano Fe3O4@ZnO@graphen đều cao hơn so với các vật liệu gắn kết nano Fe3O4@ZnO và nano Fe3O4. Kết quả này cũng tương tự như các nghiên cứu đã công bố của [10] cũng cho hiệu quả hấp phụ metylene xanh ở pH 6 và 7 khi hấp phụ bằng chitosan. Kết quả hấp phụ thuốc nhuộm metylen xanh khác cũng cho kết quả tương tự [15]. 4. KẾT LUẬN Qua quá trình hấp phụ tĩnh xử lý các chất hữu cơ (đánh giá thông qua thông số COD) và độ màu trong nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm của than sinh học vỏ trấu gắn kết nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen cho thấy đều có hiệu quả tốt. Dung lượng và hiệu suất hấp phụ các chất hữu cơ (COD) và độ mầu nước thải giấy và nước thải dệt nhuộm đạt tối ưu với các vật liệu gắn kết ở tỉ lệ % khối lượng nano 20 %. Dung lượng và hiệu suất hấp phụ đạt tối ưu ở các khoảng pH 6-7 đối với THT vỏ trấu gắn kết nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và Fe3O4@ZnO@graphen. Vật liệu Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu mang lại hiệu quả hấp phụ cao hơn so với các vật liệu còn lại. Ở điều kiện tối ưu, dung lượng hấp phụ, hiệu suất xử lý COD và độ màu bằng Fe3O4@ZnO@graphen/THT vỏ trấu đạt được tương ứng là 199 mg/g, 62 %, 67 % (nước thải giấy) và 90 mg/g, 32 %, 44 % (nước thải dệt nhuộm). TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đào Minh Trung, Phan Thị Tuyết San, Đinh Nhu Khoa, (2015). "Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm bằng hỗn hợp phèn nhôm và phèn sắt(III)", Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, (41), 20-33, ISSN: 1859-316X. 2. Tổng cục Thống kê (2021). Niên giám Thống kê 2021. 3. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2006). Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 4. Thompson, Swain G and, Kay J and, Forster M (2001). "The treatment of pulp and paper mill effluent: a review", Bioresource technology, ISSN: 0960-8524, 77, 275-286. 5. Van Huu Tap, Nguyen Van Dang, Pham Hoai Linh (2022). “Synthetic of sugarcane bagasse biochar combined Fe3O4 and Fe3O4@ZnO nanoparticles and adsorption of heavy metal (Pb, As, Cr, Cd) from aqueous solution”, TNU Journal of Science and Technology, ISSN: 2615-9562, 227(8):258-68. 129
Văn Hữu Tập, Nguyễn Thu Hường, Nguyễn Thị Bích Liên, Đặng Văn Thành, ... 6. El-Hassanin AS, Samak MR, Radwan SR, El-Chaghaby GA (2020). "Preparation and characterization of biochar from rice straw and its application in soil remediation", Environment and Natural Resources Journal, ISSN: 2408-2384, 18(3), 283-2839. 7. Trinh Van Tuyen, Nguyen Thi Minh Phuong, Van Huu Tap, Hoang Le Phuong (2020). "Phosphate Adsorption by Silver Nanoparticles-Loaded Activated Carbon derived from Tea Residue", Scientific Report, ISSN: 4159802060, 10, 1-13. 8. Nguyen Lan Huong, Nguyen Thi Minh Phuong, Van Huu Tap, Vu Xuan Hoa, Ha Thi Lan Anh, Nguyen Thị Hong Vien (2019). "Treatment of Hexavalent Chromium Contaminated Wastewater Using Activated Carbon Derived from Coconut Shell Loaded by Silver Nanoparticles: Batch Experiment", Water Air Soil Pollution, ISSN: 1573-2932, 230(3), 68-79. 9. Hoang Le Phuong, Van Huu Tap, Nguyen Lan Huong, Mac Duy Hung, Vu Thi Thao, Le Tien Ha (2019). "Removal of Cr(vi) from aqueous solution using magnetic modified biochar derived from raw corncob", New Journal of Chemistry, ISSN: 1369-9261, 43(47), 18663-18672. 10. Moosa AA, Ridha AM, Kadhim NA (2016). "Use of Biocomposite Adsorbents for the Removal of Methylene Blue Dye from Aqueous Solution", American Journal of Materials Science, ISSN: 2162-8424, 6(5), 135-146. 11. Zhang L, Chen L, Liu X, Zhang W (2015). "Effective removal of azo-dye orange II from aqueous solution by zirconium-based chitosan microcomposite adsorbent", RSC Advances, ISSN: 2046-2069, 5(114), 93840-93849. 12. Roy K, Verma KM, Vikrant K, Goswami M, Sonwani RK, Rai BN (2018). "Removal of patent blue (V) Dye using Indian bael shell biochar: Characterization application and kinetic studies", Sustainability, ISSN: 2071-1050, 10(8), 2669-2681. 13. Mi X, Shang Z, Du C, Li G, Su T, Chang X (2019). "Adsorption of an anionic azo dye using moringa oleifera seed protein-montmorillonite composite", Journal of Chemistry, ISSN: 20909071, 1-8. 14. Karmakar S, Roy D, Janiak C, De S (2019). "Insights into multi-component adsorption of reactive dyes on MIL-101-Cr metal organic framework: Experimental and modeling approach", Separation and Purification Technology, ISSN: 1383-5866, 215, 259-275. 15. Santhi T, Manonmani S (2009). "Removal of methylene blue from aqueous solution by bioadsorption onto ricinus communis epicarp activated carbon", Chemical Engineering Research Bulletin, ISSN: 0379-7678, 13, 1-5. 130
Nghiên cứu chế tạo vật liệu than sinh học vỏ trấu gắn kết các nano Fe3O4, Fe3O4@ZnO và… 2 1F STUDY ON A RICE HUSK-BIOCHAR COMPOSITE WITH Fe3O4, Fe3O4@ZnO, AND Fe3O4@ZNO@GRAPHEN NANOPARTICLES FOR APPLYING PULP AND TEXTILE WASTEWATER TREATMENT Van Huu Tap1*, Nguyen Thu Huong1, Nguyen Thi Bich Lien1, Dang Van Thanh2, Pham Hoai Linh3, Nguyen Van Dang1, Luong Thi Quynh Nga2, Vu Thi Mai4 1 TNU -University of Sciences (TNUS), Tan Thịnh, Thai Nguyen city, Thai Nguyen 2 TNU-University of Medicine and Pharmacy (TUMP), 284 Luong Ngoc Quyen, Quang Trung, Thai Nguyen city, Vietnam 3 Institute of Materials Science, Vietnam Academy of Science and Technology, 18 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Hanoi 4 Hanoi University of Natural Resources and Environment, 41A Phu Dien, Bac Tu Liem, Hanoi ABSTRACT In this study, rice husk biochars (RHBs) doping Fe3O4, Fe3O4@ZnO, Fe3O4@ZnO@graphen were synthesized by the wet-impregnation method. The studied materials were used to remove organic compounds in pulp and dye wastewaters. The batch experiments were designed to evaluation the adsorption capacity on organic matters removal of RHB, Fe3O4/RHB, and Fe3O4@ZnO/RHB and Fe3O4@ZnO@graphen/RHB in pulp and dye wastewaters by various parameters such as nano weight ratio and pH. The results show that adsorption capacity, the removal efficiency of COD and removal efficiency of color from pulp wastewater reached 161 mg/g, 50 %, 36 % (RHB); 171 mg/g, 53 %, 42 % (Fe3O4/RHB); 181 mg/g, 56 %, 54 % (Fe3O4@ZnO/RHB); and 199 mg/g, 62 %, 67 % (Fe3O4@ZnO@graphen/RHB). While adsorption capacity, the removal efficiency of COD and removal efficiency of color from dye wastewater achieved 63 mg/g, 23 %, 22 % (RHB); 79 mg/g, 28 %, 33 % (Fe3O4/RHB); 86 mg/g, 31 %, 38 % (Fe3O4@ZnO/RHB); và 90 mg/g, 32 %, 44 % (Fe3O4@ZnO@graphen/RHB). The optimal conditions for the adsorption process were achieved at 20 % nano-binding ratio, solution pH 6 and 7 for pulp and dye wastewater, respectively. Keywords: Adsorption, nanoparticles, pulp wastewater, dye wastewater, rice husk biochar. * Corresponding author, email address: tapvh@tnus.edu.vn 131

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.