Đang tải... (xem toàn văn)
khoa hoc trai datsdcfghjkhgfdsasdfghjhgfdsadfghjhgfdsdfghjhgfdsadfghjhgfdsdfghjkjhggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg
Vietnam Journal of Catalysis and Adsorption, 11 – issue (2022) 57-62 Vietnam Journal of Catalysis and Adsorption T ạp chí xúc tác hấp phụ Việt Nam https://chemeng.hust.edu.vn/jca/ Xử l ý chất màu congo red sử dụng vật liệu composite ZnO/chitosan kích thước nano Re moval of congo red dye f rom aqueous solution using na no ZnO/chitosan composite Nguyễn Như Thanh1 , Nguyễn Thanh Tùng1 , Nguyễn Vân Anh , Nguyễn Thủy Chung3 , Nguyễn Ngọc Thịnh1,* 1Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Trường Đại học Thủ đô Hà Nội Viện Khoa học Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội *Email: thinh.nguyenngoc@hust.edu.vn 2Khoa ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 17/12/2021 Accepted: 20/3/2022 Published: 10/5/2022 Keywords: Nano ZnO/chitosan composite was synthesized using precipitation method The material was characterized by physicochemical analysis methods including XRD and TEM The results showed that the spherical and rod-shaped particles were well-dispersed with the average size of 30-40 nm The ZnO/chitosan composite was applied as an adsorbent to remove congo red from aqueous solution Equilibrium data fitted well with the Langmuir model It is assumed that the adsorption process follows the pseudo-second-order kinetics equation The maximum adsorption capacity was of 281.69 mg/g This suggested that the material could be a promising adsorbent for colorants removal in aqueous solutions ZnO/chitosan, congo red nanocomposite, Giới thiệu chung Trong thời gian gần việc xử lý nước thải thu hút quan tâm số lượng lớn nhóm nghiên cứu vấn đề sức khỏe mơi trường mà chất nhiễm gây Nhu cầu quan tâm xử lý nước thải phát triển công nghiệp hóa nhanh chóng, kết số lượng lớn chất ô nhiễm thải môi trường Một tác nhân gây nhiễm ngành dệt may, khoảng 10 - 15% chất màu thải mơi trường q trình nhuộm khoảng 30% chất thải bao gồm thuốc nhuộm hoạt tính Loại chất màu bao gồm hợp chất hữu bền không bị phân hủy sinh học [1] Chất màu congo red chất màu sử dụng nhiều ngành dệt, nhuộm…Nhiều nghiên cứu chất màu congo red gây ảnh hưởng đến sức khỏe người ảnh hưởng đến môi trường [2] Để xử lý chất màu, nhà nghiên cứu sử dụng nhiều phương pháp khác phương pháp chiết dung môi [3], phương pháp keo tụ đông tụ, phương pháp hấp phụ, phương pháp oxy hóa, phương pháp phân hủy quang xúc tác sử dụng màng lọc [4-6] Trong phương pháp kể trên, hấp phụ phương pháp có khả ứng dụng cao khả xử lý hiệu chi phí thấp [5] Gần đây, nhiều nhà nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano làm chất hấp phụ xử lý nước vật liệu nano độ ổn định cao khả hấp phụ tốt Trong số vật liệu nano ứng dụng làm vật liệu hấp phụ vật liệu nano composite dựa chitosan nhà nghiên cứu ý giá thành rẻ, thân thiện với môi trường khả hấp phụ tốt [6] Trong nghiên cứu nghiên https://doi.org/10.51316/jca.2022.070 57 Vietnam Journal of Catalysis and Adsorption, 11 – issue (2022) 57-62 cứu tổng hợp đặc trưng vật liệu nano composite ZnO/chitosan theo phương pháp kết tủa đơn giản Sau vật liệu nano composite ZnO/chitosan sử dụng làm vật liệu hấp phụ xử lý chất màu congo red dung dịch nước T hực nghiệm phương pháp nghiên cứu sau xác định nồng độ chất màu congo red lại máy UV-Vis Agilent 8453 bước sóng 497 nm, dung dịch sau xác định nồng độ rót lại bình tam giác để tiếp tục thí nghiệm hấp phụ [8] Lượng chất màu congo red hấp phụ lên vật liệu nano composite ZnO/chitosan thời gian t kí hiệu q t (mg/l) tính theo phương trình sau: (1) H óa chất tổng hợp vật liệu Các hóa chất sử dụng nghiên cứu thuộc loại tinh khiết phân tích Q trình tổng hợp mẫu tiến hành theo quy trình [7] với số thay đổi, cụ thể sau: Cân 9,146g muối Zn(CH COO)2 2H2 O sau hị a tan hoàn toàn vào 100 ml dung dịch chitosan (nồng độ 1% dung dịch CH COOH) Sau đó, hỗn hợp khuấy 800 C 30 phút sử dụng máy khuấy từ Tăng pH hỗn hợp phản ứng tới pH= 10 sử dụng dung dịch NaOH 0,1M, dung dịch xuất kết tủa trắng Hỗn hợp phản ứng tiếp tục khuấy thêm 800 C Tiếp theo, thu kết tủa trắng cách ly tâm (Máy ly tâm Hettich Mikro 22R, tốc độ 4500 vòng/phút), rửa kết tủa nước cất đến pH trung tính Cuối cùng, kết tủa sấy khô qua đêm 600 C (trong giờ) Sản phẩm sau sấy khô, nghiền mịn cối mã não Trong C0 Ct (mg.L -1 ) tương ứng nồng độ chất màu congo red thời điểm ban đầu thời gian t, V(L) thể tích dung dịch chất màu congo red W(g) khối lượng vật liệu nano composite ZnO/chitosan sử dụng K ế t thảo luận Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nano composite ZnO/chitosan thể hình Các phương pháp đặc trưng vật liệu Vật liệu nano composite ZnO/chitosan sau điều chế đặc trưng phương pháp phân tích hóa lý Tính chất cấu trúc tinh thể vật liệu đo máy nhiễu xạ tia X Bruker D8 khoa Hóa, Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội với nguồn phát tia điện cực Cu Kα (λ = 1.54 Å) với tốc độ 0.02 s− , từ 20° đến 70° Hình thái bề mặt kích thước hạt đo kính hiển vi điện tử truyền qua JEOL JEM1010, Viện Dịch tễ trung ương Các phép đo xác định nồng độ chất màu congo red thực máy đo phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (UV-Vis) Agilent 8453 Viện Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách khoa Hà Nội Thí nghiệm hấp phụ chất màu congo red Thí nghiệm hấp phụ chất màu congo red lên vật liệu nano composite ZnO/chitosan tiến hành sau: cho 0,05 g vật liệu nano composite ZnO/chitosan vào bình tam giác chứa 50 mL dung dịch chất màu congo red (nồng độ 100, 150 200 mg/L), sau đặt lên máy lắc ngang, sau khoảng thời gian khác nhau, lấy 5ml tiến hành ly tâm với tốc độ 6000 vòng/phút , Hình 1: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nano composite ZnO/chitosan Có thể thấy sản phẩm thu có pha với peak ứng với góc 2θ 31.8°, 34.4°, 36.2°, 47.5°, 56.6°, 62.8°, 66.3°, 68.1° v 69.3° tương ứng với họ mặt tinh thể (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112) (201) ZnO tinh thể lục phương wurtzite [3] Các peak có mở rộng đáng kể, chứng tỏ kích thước tinh thể vật liệu nano ZnO thu nhỏ Kính thước tinh thể trung bình vật liệu nano ZnO tính từ độ mở rộng peak nhiễu xạ theo cơng thức Scherer (2) D kích thước tinh thể, k số (0.94), λ= 0.154 nm bước sóng tia X, β độ rộng peak nửa chiều cao (FWHM) [6] Kích thước tinh thể trung https://doi.org/10.51316/jca.2022.070 58 Vietnam Journal of Catalysis and Adsorption, 11 – issue (2022) 57-62 bình vật liệu nano ZnO tính peak tương ứng với mặt tinh thể (101) peak có cường độ lớn không bị xen phủ với peak khác Kết thu kích thước tinh thể trung bình ZnO khoảng 35,4 nm Để xác định kích thước hạt vật liệu nano composite ZnO/chitosan, sử dụng phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kết thể hình Có thể thấy vật liệu có dạng hình cầu kích thước khoảng 30-40 nm hình que chiều rộng 30-40 nm, chiều dài 400-500 nm cân sau khoảng 20 phút, 50 phút 90 phút tương ứng với nồng độ chất màu congo red 100, 150 200 mg/L Như vậy, nồng độ ban đầu chất màu cao thời gian đạt tới cân hấp phụ lâu Giá trị dung lượng hấp phụ cân vậ t liệu chất màu congo red 100,64; 147,33 192,94 mg/g tương ứng với nồng độ chất màu congo red 100, 150 200 mg/L Để nghiên cứu sâu chế hấp phụ sử dụng hai mơ hình phổ biến là: phương trình động học biểu kiến bậc phương trình động học biểu kiến bậc Hai phương trình động học biểu kiến bậc bậc viết dạng tuyến tính sau [2,7]: (3) (4) Trong q e q t (mg/g) tương ứng lượng chất mà u congo red bị hấp phụ thời điểm cân thời gian t (phút); k1 (phút-1 ) k2 (g.mg -1 phút-1 ) tương ứng là số động học biểu kiến bậc bậc Hình 2: Ảnh TEM nano composite ZnO/chitosan Ảnh hưởng thời gian tới lượng chất màu congo red bị hấp phụ lên vật liệu nano composite ZnO/chitosan thể hình Hình 3: Mối quan hệ dung lượng hấp phụ vật liệu nano composite ZnO/chitosan theo thời gian (T=303 K, lượng chất hấp phụ 0,05 g; nồng độ đầu congo red 100, 150, 200 mg/L, thể tích dung dịch congo red 50 mL) Có thể thấy tốc độ hấp phụ cao xảy 10 phút Sau tốc độ hấp phụ giảm xuống đạt Hình thể kết áp dụng mơ hình động học biểu kiến bậc bậc vào trình hấp phụ chất màu congo red vật liệu composite ZnO/chitosan, từ chúng tơi tính thơng số phương trình động học biểu kiến bậc bậc hệ số tuyến tính (bảng 1) Trong mơ hình động học biểu kiến bậc 1, giá trị k1 q e xác định từ đồ thị mối q ua n hệ log (q e −q t) với t Giá trị dung lượng hấp phụ cân q e (cal) tính theo mơ hình thấp nhiều so với giá trị dung lượng hấp phụ cân thực nghiệm giá trị hệ số tương quan khơng cao (R = 0,9723; 0,9196; 0,9336) (hình 4a, bảng 1) hấp phụ chất màu congo red lên vật liệu nano composite ZnO/chitosan không tuân theo mơ hình phương trình động học biểu kiến bậc Trong đó, hệ số tương quan mơ hình động học biểu kiến bậc (R = 0,9998; 0,9997; 0,9998) cao so với mơ hình động học biểu kiến bậc Hơn giá trị dung lượng hấp phụ cân q e (cal) tính theo mơ hình động học bậc gần giá trị dung lượng hấp phụ cân theo thực nghiệm (hình 4b, bảng 1) Do đó, kết luận chất màu congo red hấp phụ lên vật liệu nano composite ZnO/chitosan tn theo mơ hình động học biểu kiến bậc Ngoài ra, giá trị số tốc độ (k2 ) (bảng 1) tính theo mơ hình động học biểu kiến bậc giảm nồng độ ban đầu tăng phù hợp với thực nghiệm thời gian đạt tới trạng thái cân tăng nồng độ ban đầu chất màu tăng trình bày [7] https://doi.org/10.51316/jca.2022.070 59 Vietnam Journal of Catalysis and Adsorption, 11 – issue (2022) 57-62 Hình 4: Phương trình động học biểu kiến bậc (a) phương trình động học biểu kiến bậc (b) mô tả hấp phụ chất màu congo red lên vật liệu nano composite ZnO/chitosan (T=303 K, lượng chất hấp phụ 0,05 g; nồng độ đầu congo red 100, 150, 200 mg/L, thể tích dung dịch congo red 50 mL) Bảng 1: Các thông số mô hình động học biểu kiến bậc bậc C0 q e,exp (mg/g) Mơ hình động học biểu kiến bậc Mơ hình động học biểu kiến bậc q e,cal (mg/g) k1 (min-1 ) R2 q e,cal (mg/g) k2 (g.mg -1 min-1 ) R2 200 mg/L 192,94 129,15 0,04421 0,9723 204,50 0,00069 0,9998 150 mg/L 147,33 72,49 0,05184 0,9196 152,67 0,00172 0,9997 100 mg/L 100,64 41,27 0,06612 0,9336 102,56 0,00496 0,9998 q e (exp): dung lượng hấp phụ cân tính theo thực nghiệm q e (cal): dung lượng hấp phụ cân tính theo mơ hình Để nghiên cứu sâu trình hấp phụ, hai mơ hình đường đẳng nhiệt hấp phụ phổ biến đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich áp dụng để mô tả hấp phụ congo đỏ nano composite ZnO/chitosan Mơ hình hấp phụ Langmuir giả thiết hấp phụ đơn lớp chất hấp phụ mà khơng có tương tác phân tử chất bị hấp phụ với nhau, mơ hình Freundlich giả định hấp phụ đa lớp chất hấp phụ Các phương trình tương ứng đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich viết dạng tuyến tính sau [2,8]: (5) (6) Trong đó: q e (mg/g) dung lượng hấp phụ congo red trạng thái cân q m (mg/g) dung lượng hấp phụ cực đại theo lý thuyết Ce (mg/L) nồng độ congo red trạng thái cân KL (L/mg), KF ((mg/g).(L/mg)1/n) hằ ng s ố Langmuir Freundlich Đồ thị dạng tuyến tính mơ hình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich mô tả hấp phụ chất màu congo red lên vật liệu nano composite ZnO/chitosan thể hình Trên sở đó, chúng tơi tính tốn thơng số mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ, kết trình bày bảng Có thể thấy hệ số tuyến tính mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (R = 0,9863) cao so với mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Frenundlich (R = 0,9863) Từ kết luận chất màu congo red hấp phụ lên vật liệu nano composite ZnO/chitosan tn theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir https://doi.org/10.51316/jca.2022.070 60 Vietnam Journal of Catalysis and Adsorption, 11 – issue (2022) 57-62 Hình 5: Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (a) Freundlich (b) Bảng 2: Các thông số đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich Hấp phụ Langmuir Hấp phụ Freundlich q m (mg/g) KL (L/mg) R2 KF (mg/g).(L/mg) 1/n n R2 281,69 2,012 0,9863 1,493 0,235 0.9638 Dung lượng hấp phụ cực đại tính theo mơ hình mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 281,69 (mg/g) Bảng thể giá trị dung lượng hấp phụ cực đại số loại vật liệu hấp phụ công bố trước khác, thấy giá trị tương đương v cao so với số loại vật liệu khác Từ cho thấy vật liệu nano composite ZnO/chitosan tổng hợp có tiềm ứng dụng làm vật liệu xử lý chất màu congo red Bảng 3: Dung lượng hấp phụ cực đại số loại vật liệu công bố Vật liệu hấp phụ qm (mg/g) Nano ZnO 208 Tài liệu tham khảo [6] Fe3 O /Bi2 S3 microspheres 92,24 [6] ZnO nanoparticles 71,43 [3] ZnO-NP-AC 142,9 [3] PVDF/PDA/PPy 384,6 [9] ZnO/chitosan nano composite 281,69 Nghiên cứu K ế t luận Trong nghiên cứu này, tổng hợp thành cơng vật liệu nano composite ZnO/chitosan kích thước nano phương pháp kết tủa Kết phương pháp nhiễu xạ tia X rằng, vật liệu có cấu trúc wurtzite kích thước tinh thể khoảng 35,4 nm Kết chụp kính hiển vi điện tử truyền qua vật liệu có hình dạng hạt hình que, hạt có kích thước khoảng 30-40 nm Vật liệu nano composite ZnO/chitosan đư ợc ứng dụng làm chất hấp phụ xử lý chất màu congo red dung dịch nước Kết cho thấy trình hấp phụ tuân theo phương trình động học biểu kiến bậc tn theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu nano composite ZnO/chitosan chất màu congo red 281,69 mg/g Từ kết luận vật liệu composite ZnO/chitosan có tiềm ứng dụng làm chất hấp phụ để xử lý chất màu dung dịch nước Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đề tài mã số T2021-TĐ-002 T ài liệu tham khảo https://doi.org/10.51316/jca.2022.070 61 Vietnam Journal of Catalysis and Adsorption, 11 – issue (2022) 57-62 K.Hunger, Industrial Dyes: Chemistry, Properties, Nguyen, Volume 2020, Article ID 3892694 (2020) Applications, Wiley-VCH, Weinheim 2003 Celine Arab, Riham El Kurdi, Chemosphere 276 https://doi.org/10.1155/2020/3892694 Simona Gabriela Muntean, Maria Andreea Nistor, Robert Ianoș, Cornelia Păcurariu, Aylin Căpraru, https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.130158 Vasile-Adrian Surdu, Applied Surface Science 481 Navish Kataria, V.K Garg, Journal of Environmental Chemical Engineering 5420–5428 (2017) 825–837 (2019) https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.03.161 https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.10.035 Magdalena Blachnio, Tetyana M Budnyak, Anna Bharathi, K.S., Ramesh, S.T., Appl Water Sci 773– Derylo- Marczewska, Adam W Marczewski, and 790 (2013) Valentin A Tertykh, Langmuir 34 2258-2273, https://doi.org/10.1007/s13201-013-0117-y Cai, N., Larese-Casanova, P., J Environ Chem Eng (2018) https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b04076 130158 (2021) 2941–2951 (2016) Fang-fangMa, Di Zhang, Nan Zhang, TingHuang https://doi.org/10.1016/j.jece.2016.06.004 Yong Wang, Chemical Engineering Journal, Volume Nhu Thanh Nguyen, Ngoc Thinh Nguyen, Van Anh 354 432-444 (2018) https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.08.048 https://doi.org/10.51316/jca.2022.070 62