Luận văn công nghệ mội trường Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước bằng vật liệu hydroxit lớp kép (mg al LDH PVAAlginat)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (734.89 KB, 34 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC – MÔI TRƯỜNG
BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITRAT TRONG NƯỚC
BẰNG VẬT LIỆU HYDROXIT LỚP KÉP
(Mg-Al LDH - PVA/Aginat)
SVTH : TRẦN THỊ MINH HẠNH
ĐỖ THỊ KIM LIÊN
GVHD : TS. NGUYỄN THỊ KIM PHƯỢNG
ThS. LÊ PHÚ ĐÔNG
BIÊN HÒA, THÁNG 01/2014
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang i
TÓM TẮT
*****
Hấp phụ là phương pháp xử lý nitrat rất hiệu quả và kinh tế. Do đó luận văn này
hướng đến một vật liệu có hiệu quả hấp phụ cao, không độc hại, có khả năng phân hủy
sinh học và rẻ tiền đó là hydroxit lớp kép (Mg-Al LDH – PVA/Algninat)
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu Mg-Al
LDH-PVA/Alginat (bằng phương pháp tĩnh) cho thấy:
Xác định được vật liệu tối ưu cho quá trình hấp phụ nitrat là hạt 8% Mg-Al LDH-
PVA/Alginat
Độ pH của dung dịch không làm ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng không đáng kể đến khả
năng hấp phụ của vật liệu, pH dao động từ 5 – 9.
Thời gian hấp phụ tối ưu là 8 giờ.
Nồng độ nitrat càng thấp thì khả năng hấp phụ của vật liệu càng cao.
Ảnh hưởng của các anion trong dung dịch đến khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu
theo thứ tự: cacbonat > clorua > sulphat > photphat.
Nghiên cứu xử lý nitrat bằng phương pháp dòng chảy liên tục cho thấy: thời
gian vật liệu không còn khả năng xử lý là sau 28 giờ và thời gian để nồng độ nitrat
nằm trong khoảng giới hạn cho phép (2 – 10 mg/L) là 8 giờ.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginate được
mô tả bằng phương trình Langmuir với sự tương thích cao hơn so với phương trình
đẳng nhiệt Freundlich, cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu là hấp phụ vật lý, quá trình
hấp phụ hóa học xảy ra kém hơn.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang ii
MỤC LỤC
TÓM TẮT i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG vi
DANH MỤC CÁC HÌNH vii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 4
1.1. Tổng quan về nitrat 4
1.1.1.Nguồn phát thải nitrat vào môi trường 4
1.1.1.1. Nước thải sinh hoạt 4
1.1.1.2. Nước thải công nghiệp 5
1.1.1.3. Nước thải nông nghiệp, chăn nuôi 6
1.1.2. Quá trình chuyển hóa của nitrat trong nước 7
1.1.3. Ảnh hưởng của nitrat tới môi trường và con người 9
1.1.3.1. Ảnh hưởng tới môi trường 10
1.1.3.2 Ảnh hưởng tới con người 10
1.1.4. Các phương pháp xử lý nitrat 11
1.1.4.1. Phương pháp lọc thẩm thấu ngược RO 11
1.1.4.2. Phương pháp trao đổi ion. 12
1.1.4.3. Phương pháp sinh học. 12
1.2.1. Khái niệm về LDH 13
1.2.2. Đặc điểm cấu trúc của LDH 14
1.2.3. Tính chất của LDH 15
1.2.4. Phương pháp điều chế LDH: 17
1.2.4.1. Phương pháp muối-oxit 17
1.2.4.2. Phương pháp xây dựng lại cấu trúc 17
1.2.4.3. Phương pháp muối – bazơ (đồng kết tủa) 17
1.2.4.4. Phương pháp kết tủa trong dung dịch đồng thể 18
1.2.4.5. Phương pháp kết tủa trong chế độ chu kỳ và liên tục 18
1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc của LDH trong quá trình điều chế 19
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang iii
1.2.5.1. Ảnh hưởng của pH 19
1.2.5.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ 20
1.3. Ứng dụng của LDH 20
1.4. Hấp phụ và phương pháp xử lý nước thải bằng vật liệu hấp phụ [5] 21
1.4.1. Hấp phụ 21
1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ 22
1.4.3. Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 23
1.5. Phân tích nitrat bằng phương pháp đo quang phổ so màu UV - VIS 23
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 26
2.1. Thiết bị và hóa chất 26
2.2. Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước 26
2.2.1. Hấp phụ nitrat theo phương pháp tĩnh (batch experiment): 27
2.2.1.1.Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat 27
2.2.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH 28
2.2.1.3. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ 28
2.2.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ nitrat ban đầu trong dung dịch 28
2.2.1.5. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh 28
2.2.2. Xử lý nitrat theo phương pháp dòng chảy liên tục (column experiment) 29
2.2.3. Phương pháp phân tích nitrat bằng phương pháp salicylat [4] 29
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31
3.1. Đặc trưng cấu trúc của hạt Mg-Al LDH–PVA/Alginat 31
3.2. Nghiên cứu hấp phụ nitrat bằng phương pháp tĩnh 32
3.2.1. Ảnh hưởng của lượngMg-Al LDH có trong hạt PVA/alginat 32
3.2.2. Ảnh hưởng của pH 35
3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ 36
3.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu 38
3.2.5. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh 42
3.3. Nghiên cứu xử lý nitrat bằng phương pháp dòng chảy liên tục 45
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49
4.1. Kết luận 49
4.2. Kiến nghị 49
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang iv
TÀI LIỆU THAM KHẢO 51
PHỤ LỤC 55
Phụ lục 1. Các dạng hạt Mg-Al LDH-PVA/Alginat 55
Phụ lục 2. Số liệu khảo sát quá trình hấp phụ nitrat bằng phương pháp tĩnh 56
Phụ lục 2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat 56
Phụ lục 2.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình hấp phụ nitrat của vật liệu 8%
Mg-Al LDH-PVA/Alginat 57
Phụ lục 2.3. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8%
Mg-Al LDH-PVA/Alginat 58
Phụ lục 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến khả năng hấp phụ của vật
liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat 59
Phụ lục 2.5. Ảnh hưởng của các anion đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8%
Mg-Al LDH-PVA/Alginat 60
Phụ lục 3. Xử lý nitrat của vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat bằng phương pháp
dòng chảy liên tục 61
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Tiếng Anh
Tiếng Việt
LDH
Layered Double Hydroxide
Hydroxit lớp kép
Abs
Absorbance
Độ hấp thụ
QCVN
Quy chuẩn Việt Nam
TV
Thực vật
XRD
X-Ray Diffraction
Nhiễm xạ tia X
SEM
Scanning Electron Microscope
Kính hiển vi điện tử quét
NOD
Nhu cầu tiêu thụ oxy do nitơ
EPA
Environmental Protection
Agency
Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ
TKN
Nồng độ hợp chất nitơ
ĐV
Động vật
TV
Thực vật
TDS
Total Disolved Solids
Tổng lượng khoáng
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang viii
Hình 3.15. Đồ thị tuyến tính hấp phụ nitrat trên vật liệu 8 % Mg-Al LDH-PVA/Alginat
theo phương pháp dòng chảy liên tục 46
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 2
tính nhưng chi phí xử lý quá cao. Do đó, nhiệm vụ đặt ra là sớm khai thác được vật
liệu hấp phụ thật rẻ tiền để xử lý nitrat.
Hydroxit lớp kép (Layered Double Hydroxide - LDH) là nhóm vật liệu khoáng
sét anion cấu trúc nano, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như là xúc tác,
xử lý môi trường, y học, v.v. và đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm
nghiên cứu. LDH có công thức chung là [M
2+
1-x
M
3+
x
(OH)
2
]
x+
[(A
m-
)
x/m
.nH
2
O]
x-
. Trong
đó M
2+
là cation hóa trị 2, M
3+
là cation hóa trị 3, x là tỷ lệ mol M
3+
/(M
2+
+M
3+
), và A
là anion xen của hóa trị m. LDH mang điện tích dương được cân bằng bởi các anion và
nước đan xen[12,13]. Nhờ vào đặc tính diện tích bề mặt lớn và khả năng trao đổi anion
cao, nên trong những năm gần đây LDH đã được nghiên cứu và ứng dụng xử lý chất
độc hại oxyanion bao gồm phốt-phát[14-18], nitrat[19-23], crom[24-27], selen và
asen[28-31] trong nước. Cơ chế xử lý độc chất oxyanion trong nước bằng LDH chủ
yếu là hấp phụ và trao đổi anion. Nhìn chung, tất cả các công trình công bố ở trên đều
cho thấy hiệu quả loại bỏ hợp chất oxyanion trong nước của bột LDH, tuy nhiên, 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 [32,33]. 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 [34].
Ngoài ra, alginat là chất không độc, phân hủy sinh học và gel không tan trong nước
[35]. 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)[36]
Nghiên cứu này được thực hiện nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng LDH trong
quá trình xử lý độc chất oxyanion trong nước. Bột LDH sẽ được ngậm trong canxi
alginat pha trộn với PVA tạo thành các hạt LDH-PVA/Alginat. Nghiên cứu hiệu quả
xử lý N-NO
3
-
trong nước của hạt LDH-PVA/Alginat. Các phương trình đẳng nhiệt hấp
phụ Langmuir và Freundlich được sử dụng để phân tích kết quả thực nghiệm.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 3
Xuất phát từ những ưu điểm nêu trên chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu xử lý
nitrat trong nước bằng vật liệu hydroxit lớp kép (Mg-Al LDH - PVA/Algninat)”.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước bằng vật liệu hydroxit lớp kép Mg-Al LDH
ngậm trong hạt polyvinyl alcol/alginat.
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ N-NO
3
-
của vật liệu Mg-Al LDH-PVA/Alginat theo
phương pháp tĩnh (batch experiment), nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
hấp phụ như: lượng Mg-Al LDH chứa trong hạt PVA/Alginat, pH của dung dịch, thời
gian hấp phụ, nồng độ nitrat ban đầu và các anion cạnh tranh.
- Nghiên cứu khả năng xử lý N-NO
3
-
của vật liệu Mg-Al LDH-PVA/Alginat theo
phương pháp dòng chảy liên tục (column experiment).
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 8
lượng oxy cần thiết để oxy hóa amoniac thành nitrit (do vi khuẩn Nitrosomonas) và
tiếp tục thành nitrat (do vi khuẩn Nitrobacter) là dạng khó xử lý nhất của nitơ.
Quá trình chuyển NO
3
-
NO
2
-
NO N
2
O N
2
với việc sử dụng metanol
làm nguồn cacbon được biểu diễn bằng sơ đồ sau đây:
Khí nitơ là sản phẩm cuối của quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học.
Quá trình oxy hóa tới nitrit và nitrat gọi là quá trình nitrat hóa.
Nitrat hóa
Nitrat hoá là một quá trình tự dưỡng (năng lượng cho sự phát triển của vi khuẩn
được lấy từ các hợp chất oxy hoá của Nitơ, chủ yếu là Amôni. Ngược với các vi sinh
vật dị dưỡng các vi khuẩn nitrat hoá sử dụng CO
2
(dạng vô cơ) hơn là các nguồn
cacbon hữu cơ để tổng hợp sinh khối mới. Sinh khối của các vi khuẩn nitrat hoá tạo
thành trên một đơn vị của quá trình trao đổi chất nhỏ hơn nhiều lần so với sinh khối
tạo thành của quá trình dị dưỡng.
Quá trình Nitrat hoá từ Nitơ Amôni được chia làm hai bước và có liên quan tới
hai loại vi sinh vật, đó là vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria. Ở giai đoạn
đầu tiên amôni được chuyển thành nitrit và ở bước thứ hai nitrit được chuyển thành
nitrat.
Bước 1. NH
4
-
+ 1,5 O
2
NO
2
-
+ 2H
+
+ H
2
O
Bước 2. NO
-
2
+ 0,5 O
2
NO
3
-
Nitơ phân tử
N
2
NH
4
+
hoặc NH
3
NO
3
-
NO
2
-
Nitrat
hóa
+
O
2
Cố định Nitơ
Nitrat hóa
Amon hóa
+
O
2
N_protein động
vật
N_protein thực vật
Khử nitơrat
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 16
- Ái lực của lớp hydroxit với các anion cần trao đổi trong dung dịch và ái lực của
lớp hydroxit với các anion trong lớp xen giữa.
- Cấu tạo của ion cần trao đổi:
Hằng số cân bằng trao đổi tăng khi bán kính anion trao đổi giảm, trao đổi ion sẽ
thuận lợi với các anion trong dung dịch có nồng độ cao.
Anion hóa trị 2 được ưu tiên hơn anion hóa trị 1 và thời gian trao đổi cũng
nhanh hơn.
- Khoảng cách lớp xen giữa D
- Sự trao đổi ion còn có sự ưu tiên đối với ion trong mạng lưới tinh thể vật liệu
chất hấp phụ rắn, hoặc ít ra có cấu tạo giống với một trong những ion tạo ra mạng lưới
tính chất của lớp hấp phụ, khi đó sự hấp phụ được xem là sự kết tinh.
- Khả năng trao đổi còn phụ thuộc vào pH của dung dịch chứa anion.
Tính hấp phụ:
Hấp phụ các anion là một hình thức tái tạo lại cấu trúc của LDH sau khi nung ở
nhiệt độ nhất định. Tính chất hấp phụ thể hiện rất tốt đối với LDH/CO
3
2-
. Sau khi
nung, LDH/CO
3
bị mất các phân tử nước lớp xen giữa và khí CO
2
thoát ra, hình thành
những tâm bazơ như: O
2-
trên bề mặt, tâm O
2-
gần nhóm hydroxyl có cấu trúc M
2+
1-
x
M
3+
x
(O)
1+x/2
. Trong dung dịch các oxit này có khả năng tái tạo lại cấu trúc lớp các
anion khác.
Điển hình cho tính hấp phụ LDH/CO
3
là LDH được điều chế từ Mg và Al có
công thức như sau:
[Mg
1-x
Al
x
(OH)
2
](CO
3
)
x/2
.zH
2
O (LDH/[MgAl-CO
3
]
Phương trình tái tạo cấu trúc lớp như sau:
Mg
1-x
Al
x
O
1+x/2
+ x/nA
n-
+ (1+x/2+m)H
2
O [Mg
1-x
Al
x
(OH)
2
]A
n-
x/n
.mH
2
O
Với A
n-
là anion cần hấp phụ.
LDH sau nung chỉ hấp phụ với các anion hình thành lớp xen giữa, không có khả
năng trao đổi cation với Mg
2+
và Al
3+
ở các tâm bát diện do lực liên kết tạo phức lớn.
Các LDH sau nung hấp phụ trong môi trường nước nên chịu tác động của nhiều
yếu tố như: pH, các ion, hợp chất lạ.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 24
l: Chiều dày lớp dung dịch (cm)
ε: Hệ số hấp thu phân tử hay hệ số tắt của chất hấp thu đặc trưng cho cường độ
hấp thu của chất nghiên cứu ở các bước sóng xác định (l/mol
-1
.cm
-1
).
Theo phương pháp này bằng cách đo độ hấp thu của mẫu tại một bước sóng mà
tại đó cấu tử cần phân tích hấp thu năng lượng bức xạ cực đại λ
max
, khi đó sai số là bé
nhất và áp dụng định luật Lambert – Beer để tính toán, ta có thể xác định được nồng
độ chất cần phân tích trong dung dịch.
Sau khi đó ta xác định được giá trị Abs ứng với mỗi nồng độ khác nhau để xây
dựng đường chuẩn. Nếu sự phụ thuộc tuyến tính, ta có khoảng khảo sát đường biểu
diễn là một phương trình:
y = ax + b
Trong đó a: là độ dốc
b: giá trị hệ số chặn
y: độ hấp thu Abs
x: nồng độ tính theo mg/L
Và hệ số tương quan R được tính theo công thức sau:
Nếu 0,995 ≤ R ≤ 1: có tương quan tuyến tính rõ rệt.
Ưu điểm của phép đo:
- Phương pháp đo độ nhạy cao cho phép xác định nồng độ trong khoảng 10
-2
–
10
-6
mol/L
- Phân tích thuận tiện không cần đòi hỏi thiết bị quá đắt tiền, có thể phân tích
nhiều mẫu đối tượng khác nhau.
- Dễ có khả năng tự động hóa trên máy móc thiết bị hiện đại.
Nhược điểm của phép đo:
- Dễ bị ảnh hưởng của bước sóng sáng tới, ảnh hưởng của sự pha loãng dung
dịch, nồng độ H
+
trong dung dịch.
- Nguồn bức xạ điện từ thường không ổn định, do đó cường độ dòng bức xạ điện
từ chiếu qua dung dịch ở các thời điểm khác nhau thì khác nhau.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 25
- Cuvet để không đúng vị trí hoặc vị trí không ổn định cũng dễ gây ảnh hưởng
đến kết quả.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 30
Bảng 2.1. Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của nitrat
Nồng độ nitrat
(mg/L)
0,045
0,09
0,226
0,45
0,90
1,35
Độ hấp thu
quang (Abs)
0,088
0,170
0,417
0,861
1,667
2,266
Phương trình đường chuẩn của nitrat là:
y = 1,7011x + 0,0437
Hình 2.3. Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của nitrat
y = 1,7011x + 0,0437
R² = 0,9952
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
Abs - nitrat
Nồng độ nitrat (mg/L)
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 33
Hình 3.3. Ảnh hưởng của lượng Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat đến quá trình hấp
phụ nitrat (nồng độ nitrat ban đầu10 mg/L)
Kết quả trên hình 3.3 cho thấy, không xảy ra quá trình hấp phụ N-NO
3
-
đối với
hạt 0% Mg-Al LDH-PVA/Alginat. Trong khi đó, hiệu suất hấp phụ đạt 73,60% đối với
hạt 2% Mg-Al LDH-PVA/Alginat, điều này cho thấy vật liệu Mg-Al LDH có khả năng
xử lý nitrat rất cao. Khi lượng Mg-Al LDH tăng từ 2% đến 4%, hiệu suất hấp phụ
trung bình tăng 12,34% (từ 73,60% đến 85,94%). Khi tăng lượng Mg-Al LDH từ 4%
đến 6% thì hiệu suất hấp phụ nitrat chỉ tăng 1,99% (từ 85,94% lên 87,93%). Hiệu suất
hấp phụ tăng 4,55% (từ 87,93% lên 92,48%) khi tăng lượng Mg-Al LDH từ 6% đến
8%. Cuối cùng, 93,14% là hiệu suất hấp phụ của hạt 10% Mg-Al LDH.
0,04
73,60
85,94
87,93
92,48
93,14
0
20
40
60
80
100
0% 2% 4% 6% 8% 10%
Phần trăm hấp phụ
Hạt
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 34
Hình 3.4. Ảnh hưởng của lượng Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat đến quá trình hấp
phụ nitrat (nồng độ nitrat ban đầu 25 mg/L)
Kết quả trên hình 3.4 cho thấy, hạt 0% Mg-Al LDH-PVA/Alginat không hấp
phụ nitrat, trong khi đó hiệu suất loại bỏ nitrat đạt 61,87% đối với hạt 2% Mg-AL
LDH-PVA/Alginat. Khi tăng lượng Mg-Al LDH từ 2% đến 4%, hiệu suất hấp phụ
nitrat trung bình tăng 18,23% (từ 61,87% đến 80,10%). Khi tăng lượng Mg-Al LDH từ
4% đến 6% thì hiệu suất hấp phụ nitrat chỉ tăng 1,46% (từ 80,10% lên 81,56%). Hiệu
suất hấp phụ tăng 9,01% (từ 81,56% lên 90,57%) khi tăng thành phần LDH từ 6% đến
8%. Cuối cùng, 91,98% là hiệu suất hấp phụ của hạt 10% Mg-Al LDH-PVA/Alginat.
Khi tăng lượng Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat thì tăng hiệu quả xử lý
nitrat trong nước. Hiệu quả xử lý nitrat tăng nhanh khi lượng Mg-Al LDH trong hạt
PVA/Alginat tăng từ 0 đến 4% và tăng chậm khi lượng Mg-Al LDH trong hạt
PVA/Alginat tăng từ 4 đến 10%, điều này cho thấy hiệu quả xử lý nitrat của hạt Mg-Al
LDH-PVA/Alginat tăng không tuyến tính và phụ thuộc vào khối lượng Mg-Al LDH
chứa trong hạt.
Hạt 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat hấp phụ N-NO
3
-
đạt 92,48% và 90,57%
tương ứng với nồng độ N-NO
3
-
ban đầu là 10mg/L và 25mg/L. Vì vậy, hạt 8% Mg-Al
LDH-PVA/Alginat sẽ được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.
0,03
61,87
80,10
81,56
90,57
91,98
0
20
40
60
80
100
0% 2% 4% 6% 8% 10%
Phần trăm hấp phụ
Hạt
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 37
Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-
Al LDH-PVA/Alginat (nồng độ nitrat ban đầu 10 mg/L)
Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-
Al LDH-PVA/Alginat (nồng độ nitrat ban đầu 25 mg/L)
Giải thích cho hiện tượng quá trình hấp phụ nitrat tăng nhanh ở giai đoạn đầu từ
0 đến 60 phút, tăng chậm từ 60 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.
0,04
62,15
73,03
77,83
79,98
82,14
83,37
87,93
91,82
93,99
95,28
0
20
40
60
80
100
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Phần trăm hấp phụ
Thời gian (phút)
0,50
55,85
64,55
73,95
77,72
78,81
80,54
85,40
90,57
89,72
90,78
0
20
40
60
80
100
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Phần trăm hấp phụ
Thời gian (phút)
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 39
Hình 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ nitrat ban đầu đến quá trình hấp phụ trên vật liệu
8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat
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[40] dạng tuyến tính được mô tả như sau:
Phương trình đẳng nhiệt Freundlich [41] dạng tuyến tính được mô tả như sau:
Trong đó
q
e
: khả năng hấp phụ cân bằng (mg.g
-1
)
C
e
: nồng độ cân bằng của nitrat (mg.L
-1
)
q
max
: lượng nitrat bị hấp phụ cực đại (mg.g
-1
)
K
:
hằng số Langmuir (L.mg
-1
)
K
F
: hằng số Freundlich (mg.L
-1
.g
-1
)
n : hằng số chỉ cường độ hấp phụ.
Dung lượng hấp phụ cân bằng q
e
(mg.g
-1
) của vật liệu hấp phụ (hạt 8% Mg-Al
LDH-PVA/Alginat) được tính như sau:
93,29
91,16
90,69
68,78
60,18
52,06
38,98
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100 120
Phần trăm hấp phụ
Nồng độ (mg/L)
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 40
Trong đó
C
0
: nồng độ N-NO
3
-
trong dung dịch ban đầu (mg.L
-1
)
C
e
: nồng độ N-NO
3
-
trong dung dịch tại thời cân bằng (mg.L
-1
)
V : thể tích dung dịch (L)
m : khối lượng vật liệu Mg-Al LDH-PVA/Alginat (g)
Qua khảo sát ảnh hưởng của nồng độ nitrat đến khả năng hấp phụ của vật liệu
8% Mg-Al LDH - PVA/Alginat được thể hiện bằng bảng số liệu sau:
Bảng 3.1. Các giá trị của phương trình Langmuir và Freundlich
Nồng
độ
(mg/l)
C
e
(mg/L)
Hiệu suất
(%)
q
e
C
e
/q
e
logC
e
logq
e
10
0,671
93,29
0,155
4,315
-0,173
-0,808
20
1,783
91,16
0,306
5,817
0,251
-0,514
25
2,282
90,69
0,371
6,158
0,358
-0,431
50
15,604
68,78
0,573
27,234
1,193
-0,242
60
24,052
60,18
0,606
39,703
1,381
-0,218
80
38,337
52,06
0,694
55,250
1,584
-0,159
100
61,205
38,98
0,652
93,931
1,787
-0,186
Phương trình đẳng nhiệt Langmuir
Từ phương trình (1), vẽ đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa C
e
/q
e
và C
e
theo
các giá trị thực nghiệm, tìm được các tham số q
max
và K
L
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 41
Hình 3.10. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
Từ đồ thị tìm được: 1/q
max
= 1,4563
q
max
= 0,6867
1/K
L
q
max
= 3,257
K
L
= 0,4471
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu 8% Mg-Al LDH-
PVA/Alginat như sau:
Với R
2
= 0,9968
Như vậy tải trọng hấp phụ nitrat cực đại của vật liệu là 0,6867 (mg.g
-1
)
Phương trình đẳng nhiệt Freundlich
Từ phương trình (2), vẽ đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa log q
e
và log C
e
theo các giá trị thực nghiệm, tìm được các tham số 1/n và K
F
.
y = 1,4563x + 3,257
R² = 0,9968
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70
C
e
/q
e
C
e
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 43
thể cạnh tranh với nitrat trong quá trình hấp phụ. Để đánh giá ảnh hưởng của các anion
cạnh tranh trong quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat,
chuẩn bị dung dịch nitrat có nồng độ ban đầu là 10 và 25 mg/L, thêm vào dung dịch
nitrat các anion (photphat, clorua, cacbonat và sulphat), nồng độ của từng anion lần
lượt là: 50 mg/L, 80 mg/L và 100 mg/L. Lắc hỗn hợp dung dịch trong 8 giờ ở nhiệt độ
28 ± 2
0
C. Kết quả nghiên cứu được trình bày trong bảng 3.3 và trên hình 3.12 và 3.13.
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của anion cạnh tranh đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu
8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat
Anion cạnh
tranh
Nồng độ anion
cạnh tranh (mg/l)
Phần trăm hấp phụ nitrat
10 mg/L
25 mg/L
Cl
-
0
92,26
90,57
50
83
80,85
80
79,48
77,01
100
77,49
74,97
SO
4
2-
0
92,26
90,57
50
85,49
80,15
80
81,75
78,11
100
81,39
75,68
PO
4
3-
0
92,26
90,57
50
87,27
84,69
80
84,99
83,28
100
84,69
80,15
CO
3
2-
0
92,26
90,57
50
84,33
77,72
80
80,14
71,52
100
75,58
70,43
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 44
Hình 3.12. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật
liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat (nồng độ nitrat ban đầu 10 mg/L)
Hình 3.13. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật
liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat (nồng độ nitrat ban đầu 25 mg/L)
Hình 3.12 và 3.13 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. Khi
nồng độ cacbonat trong dung dịch tăng từ 50 đến 100 mg/L, hiệu suất hấp phụ nitrat
giảm khoảng từ 7 đến 15% và từ 15 đến 20% tương ứng với nồng độ nitrat ban đầu là
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Phần trăm hấp phụ
Nồng độ các anion cạnh tranh (mg/L)
Clorua
Sulphat
Photphat
Cacbonat
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Phần trăm hấp phụ
Nồng độ các anion cạnh tranh (mg/L)
Clorua
Sulphat
Photphat
Cacbonat
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 46
Sử dụng phương trình hấp phụ tuyến tính của tác giả Oulman (1980) [43] để
phân tích kết quả thực nghiệm, phương trình hấp phụ tuyến tính được biểu diễn như
sau:
Trong đó C
0
: nồng độ ban đầu của nitrat (mg/L)
C: nồng độ nitrat tại thời gian t (mg/L)
K: hằng số hấp phụ (L/mg.giờ)
N: dung lượng hấp phụ (mg/L)
V: vận tốc (cm/giờ)
x: chiều cao lớp vật liệu hấp phụ (cm)
Vẽ được đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa ln[C/(C
0
-C)] và thời gian t theo
các giá trị thực nghiệm, tìm được hằng số hấp phụ K và dung lượng hấp phụ N.
Hình 3.15. Đồ thị tuyến tính hấp phụ nitrat trên vật liệu 8 % Mg-Al LDH-
PVA/Alginat theo phương pháp dòng chảy liên tục
Từ đồ thị tìm được:
KC
0
= 0,1107
K=0,0045 (L/mg.giờ)
N = 475,49 (mg/L)
y = 0,1107x - 1,2806
R² = 0,9374
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0 5 10 15 20 25 30
ln(C/(C
0
-C))
t (giờ)
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 47
Phương trình hấp phụ tuyến tính của vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat như
sau:
Giá trị R
2
cho thấy, phương trình (4) thích hợp để mô tả quá trình hấp phụ nitrat
trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat theo phương pháp dòng chảy liên tục. Các
tham số hấp phụ vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat theo phương pháp dòng chảy
liên tục được trình bày trong bảng 3.4.
Bảng 3.4. Tham số hấp phụ của vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat theo phương
pháp dòng chảy liên tục
Nồng độ nitrat
ban đầu C
0
(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)
R
2
25
15
24,84
475,49
0,0045
0,9374
* Tính toán dung lượng hấp phụ và hiệu suất xử lý nitrat của vật liệu theo số liệu
thí nghiệm [36]
- Thời gian tiếp xúc (t
tx
) giữa vật liệu và nitrat được tính như sau:
Trong đó V
r
: thể tích cột hấp phụ (cm
3
)
Q: lưu lượng dòng vào (ml/phút)
- Tổng lượng nitrat được đưa vào cột (M
tổng
):
ổ
ổ
Trong đó C
0
: nồng độ đầu vào của nitrat (mgN/L)
t
tổng
: tổng thời gian hấp phụ (phút)
- Tổng lượng nitrat được hấp phụ bởi cột (q
tổng
):
- Dung lượng hấp phụ cân bằng của vật liệu trong cột (q
e
):
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng
Trang 48
- Hiệu suất hấp phụ nitrat (%H):
