Trong thời gian gần đây, nước ngầm đã bị ô nhiễm bởi nhiều loại hóa chất hữu cơ và vô cơ. Đặc biệt, tình trạng ô nhiễm nước ngầm bởi các ion nitrat đã trở thành một vấn đề mới đối với nước sinh hoạt. Vấn đề này được cho là do một lượng lớn các hợp chất nitơ được sử dụng để bón và xử lý chất thải chăn nuôi. Uống nước uống có chứa quá nhiều ion nitrat có thể gây ra methemoglobin và tạo ra nitrosamine, có thể gây ung thư. Vì vậy, phương pháp loại bỏ ion nitrat sẽ trở thành một trong những phương pháp bảo vệ chất lượng nguồn nước ngầm.
Cho đến nay, đã có những phương pháp để loại bỏ các ion nitrat, chẳng hạn như thẩm thấu ngược và trao đổi ion. Tuy nhiên, các phương pháp này có nhược điểm do chi phí vận hành cao. Mặt khác, chi phí hấp phụ thấp, vận hành đơn giản nên được sử dụng rộng rãi để lọc nước. Mặc dù có một số chất hấp phụ như zeolit và silica gel, nhưng do cấu trúc xốp nên diện tích bề mặt lớn và thể tích lỗ xốp không tốt bằng than hoạt tính. Và than hoạt tính cũng có thể được điều chế từ nhiều nguyên liệu và tiền chất khác nhau như sinh khối mà không cần bất kỳ phương tiện đặc biệt nào, vì vậy than hoạt tính có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong những năm gần đây, than hoạt tính đã được phát triển như một vật liệu thanh lọc các chất ô nhiễm, với nhiều ưu điểm khác nhau như dễ dàng xử lý và chế biến với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Ngoài ra, than hoạt tính có đặc tính bề mặt kỵ nước.
Than hoạt tính được ứng dụng để xử lý nitrat trong nước
Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng hóa học và xử lý nhiệt bằng cách đưa các nhóm chức lên bề mặt của than hoạt tính có thể nâng cao khả năng hấp phụ của than hoạt tính đối với các chất ô nhiễm dạng ion. Than hoạt tính với một số lượng lớn các nhóm chức axit được đưa vào bằng cách xử lý oxy hóa có hiệu quả đối với sự hấp phụ kim loại nặng. Nó cũng được thử nghiệm rằng các nhóm chức năng chứa nitơ cơ bản được đưa vào bề mặt của than hoạt tính bằng cách xử lý amoniac có thể đạt được sự hấp phụ và loại bỏ các ion nitrat tốt hơn so với than hoạt tính không được xử lý. Do đó, người ta mong đợi rằng các nhóm / vị trí cơ bản như nhóm chức chứa nitơ trên bề mặt cacbon có hiệu quả đối với sự hấp phụ của các loài ion, và một số lượng lớn các nhóm / vị trí cơ bản có thể tăng cường sự hấp phụ của các loài ion. Tuy nhiên, cơ chế hấp phụ nitrat trên than hoạt tính, đặc biệt là ảnh hưởng của cân bằng pH dung dịch (pH e) và các ion cùng tồn tại trong cùng một dung dịch vẫn chưa được công bố chi tiết. Thông tin này là cần thiết để xây dựng công thức than hoạt tính để loại bỏ các ion nitrat và lựa chọn than hoạt tính để sử dụng thực tế trong các nhà máy lọc nước.
Ngâm than hoạt tính trong dung dịch axit clohydric và axit flohiđric qua đêm không lắc, rửa bằng nước cất nóng nhiều lần cho đến khi giá trị pH trong dung dịch rửa không thay đổi. Than hoạt tính sau đó được làm khô qua đêm ở 110 ° C, và các mẫu thu được được bảo quản trong bình hút ẩm. Để loại bỏ các nhóm chức có tính axit trên bề mặt của than hoạt tính, than hoạt tính được nung trong lò ống ở 800 °C dưới dòng khí heli đến nhiệt độ mong muốn và giữ trong 1 giờ. Để đưa các nhóm / vị trí cơ bản vào bề mặt cacbon, xử lý khí amoniac được thực hiện. Dưới dòng chảy của heli, than hoạt tính được đốt nóng trong lò ống. Không khí trong lò thay đổi từ helium thành amoniac ở 200 °C. Tăng nhiệt độ đến giá trị cài đặt 800 °C và giữ nhiệt độ đó trong 1 giờ. Mẫu được làm lạnh đến nhiệt độ phòng dưới dòng khí heli.
Trong các thí nghiệm hàng loạt, sự hấp phụ của các ion nitrat trên than hoạt tính đã được nghiên cứu. Khoảng 50 mg hoặc 100 mg than hoạt tính đã chuẩn bị được thêm tương ứng vào 25 mL hoặc 50 mL dung dịch NaNO3 trong bình Erlenmeyer, và hỗn hợp này được lắc ở 100 vòng / phút và 25 °C qua đêm. Nồng độ ion nitrat ban đầu nằm trong khoảng từ 100 đến 800 mg / L.
Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ nitrat của than hoạt tính
Mối quan hệ giữa lượng ion nitrat bị hấp phụ trên than hoạt tính và pH của dung dịch được thể hiện trong Hình 3. Các ion nitrat hầu như không bị hấp phụ trong điều kiện kiềm, có nghĩa là các ion hydroxit sẽ ức chế sự hấp phụ của các ion nitrat. Mặt khác, khi pH cân bằng giảm, lượng hấp phụ của các ion nitrat tăng lên. Trong điều kiện kiềm, các ion nitrat khó bị hấp phụ trên than hoạt tính do lực đẩy tĩnh điện giữa các ion nitrat và bề mặt của than hoạt tính. Mặt khác, lượng hấp phụ của các ion nitrat tăng lên trong điều kiện có tính axit, nguyên nhân là do lực hút tĩnh điện giữa các ion nitrat và bề mặt cacbon. Tuy nhiên, khi pH cân bằng giảm từ 3,0 xuống 2,0, sự hấp phụ ion nitrat đã giảm đáng kể. Trong khoảng pH này, nồng độ ban đầu của các ion clorua tăng từ 2 m đến 20 m, có nghĩa là các ion clorua cùng tồn tại sẽ ức chế sự hấp phụ của các ion nitrat. Khi nồng độ ban đầu của ion clorua được cố định ở 20 m M bằng dung dịch NaCl, có thể thấy rõ tác dụng ức chế hấp phụ của ion clorua đối với ion nitrat, chứng tỏ rằng lượng hấp phụ của ion nitrat ở tất cả các vùng pH đều thấp hơn mà không có điều chỉnh độ pH. Do đó, các anion cùng tồn tại sẽ gây ra hiện tượng hấp phụ cạnh tranh ảnh hưởng đến tác dụng của hấp phụ ion nitrat, và ảnh hưởng này có thể mạnh hơn ở nồng độ cao hơn của các anion cùng tồn tại.
Hình 3. Tác dụng của than hoạt tính hấp phụ nitrat ở 25 °C trong điều kiện pH cân bằng.
Trong nghiên cứu này, xử lý amoniac và khử khí được sử dụng để đưa vào các nhóm/ vị trí cơ bản trên than hoạt tính và loại bỏ các nhóm axit khỏi bề mặt của than hoạt tính để tăng cường sự hấp phụ của các ion nitrat trong dung dịch nước, cũng như sự hấp phụ của các ion nitrat. Mối quan hệ giữa giá trị pH của dung dịch và điện tích bề mặt của than hoạt tính được nghiên cứu để hiểu cơ chế cơ bản của quá trình hấp phụ các ion nitrat của than hoạt tính. Kết luận có thể được tóm tắt như sau:
1. Sự hấp phụ của ion nitrat phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch, khi pH giảm thì khả năng hấp phụ tăng.
2. Sự hấp phụ của các ion nitrat bị ức chế ở pH 2, có nghĩa là các ion clorua có tác dụng ức chế sự hấp phụ của các ion nitrat.
3. Việc đưa các nhóm / vị trí cơ bản lên bề mặt cacbon được xử lý bằng cách khử khí và xử lý amoniac sẽ làm cho bề mặt của than hoạt tính tích điện dương và tăng cường hấp phụ các ion nitrat trong dung dịch nước.
