Novel Materials for Nitrite Detection and Phosphate Removal
Thesis (Ph.D. (Environmental Management Technology))--Prince of Songkla University, 2021
Saved in:
| Main Author: | |
|---|---|
| Other Authors: | |
| Format: | Theses and Dissertations |
| Language: | English |
| Published: |
Prince of Songkla University
2023
|
| Subjects: | |
| Online Access: | http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/17973 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Institution: | Prince of Songkhla University |
| Language: | English |
| id |
th-psu.2016-17973 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
Prince of Songkhla University |
| building |
Khunying Long Athakravi Sunthorn Learning Resources Center |
| continent |
Asia |
| country |
Thailand Thailand |
| content_provider |
Khunying Long Athakravi Sunthorn Learning Resources Center |
| collection |
PSU Knowledge Bank |
| language |
English |
| topic |
Nitrite detection Phosphate removal Chemical detectors |
| spellingShingle |
Nitrite detection Phosphate removal Chemical detectors Tarawee Taweekarn Novel Materials for Nitrite Detection and Phosphate Removal |
| description |
Thesis (Ph.D. (Environmental Management Technology))--Prince of Songkla University, 2021 |
| author2 |
Aree Choodum |
| author_facet |
Aree Choodum Tarawee Taweekarn |
| format |
Theses and Dissertations |
| author |
Tarawee Taweekarn |
| author_sort |
Tarawee Taweekarn |
| title |
Novel Materials for Nitrite Detection and Phosphate Removal |
| title_short |
Novel Materials for Nitrite Detection and Phosphate Removal |
| title_full |
Novel Materials for Nitrite Detection and Phosphate Removal |
| title_fullStr |
Novel Materials for Nitrite Detection and Phosphate Removal |
| title_full_unstemmed |
Novel Materials for Nitrite Detection and Phosphate Removal |
| title_sort |
novel materials for nitrite detection and phosphate removal |
| publisher |
Prince of Songkla University |
| publishDate |
2023 |
| url |
http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/17973 |
| _version_ |
1764209926232604672 |
| spelling |
th-psu.2016-179732023-04-18T07:35:58Z Novel Materials for Nitrite Detection and Phosphate Removal การพัฒนาวัสดุชนิดใหม่สำหรับตัวตรวจวัดไนไตรท์และกำจัดฟอสเฟต Tarawee Taweekarn Aree Choodum Faculty of Technology and Environment คณะเทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม Nitrite detection Phosphate removal Chemical detectors Thesis (Ph.D. (Environmental Management Technology))--Prince of Songkla University, 2021 This thesis focuses on the development of materials for environmental applications, especially for the detection and removal of nutrients in water sample. There are two researches including the development of colorimetric sensor based on mesoporous silica nanoparticles for nitrite detection and bio–adsorbent based on calcium silicate hydrate nanoparticles composite bio–cryogel for phosphate removal. For the first part of this work, a novel colorimetric sheet based on Griess reagent–doped mesoporous silica nanoparticles was developed for nitrite detection since nitrite is an important indicator of water quality which can accelerate eutrophication and damage ecosystems. It can cause blue baby syndrome in infants and contribute to the formation of carcinogenic N–nitrosamines. Griess reagent was adsorbed on long–range ordered hexagonal mesoporous silica nanoparticles and developed ink–bottle pores with some disorder. When the modified nanoparticles were bound using starch to fabricate a thin (313 µm) colorimetric sheet, spherical particles with a rougher surface and some distortion of their mesoporosity were observed. The sheet was used in conjunction with digital image colorimetry (DIC) to provide a wide linear range (0.05 to 2.5 mgL–1) with a low nitrite detection limit (15 µgL–1–NO2–, equal to 4.5 µgL−1 NO2––N), good inter–day precision (1.93 %RSD), and excellent accuracy (2.67% relative error). The colorimetric sensors produced from the sheet costs only 0.04 USD each, while the DIC uses a standard smartphone for photography. It thus offers an easier and cheaper means of conducting rapid on–site analysis of nitrite in water with reliable quantitative results. For the second part of the thesis, a novel calcium silicate hydrate composite cryogel (Cry–CSH) was successfully prepared for phosphate removal and recovery as phosphate is a major pollutant that deteriorates water quality and causes eutrophication. Calcium silicate hydrate (C–S–H) was mixed with the gel precursor (7.5% w/w) prepared from native starch and limewater (saturated calcium hydroxide solution as the cross–linker). The mixture was frozen and thawed for 3 cycles giving an interconnected macroporous composite. This had C–S–H nanoparticles (75 mg) immobilized on a monolithic floatable cryogel network (2.5 cm diameter×1.0 cm height) enabling an easier recovery and without the losses that occur when using C–S–H nanoparticles. The phosphate adsorption reaches equilibrium at 120 min with adsorption capacity of 2.50 mgPO43-/gCry-CSH (65.42 mgPO43-/gC–S–H) under optimum conditions. Adsorption equilibrium data were well fit by the Freundlich isotherm model, while kinetic results were well fit by the pseudo second–order model. The calculated activation energy (Ea) of 43.9 kJ/mol indicates chemical adsorption, while a positive change in enthalpy (ΔH0, 19.3 kJ/mol) indicates the endothermic nature of phosphate adsorption. Cry–CSH can remove phosphate from wastewater and effluent samples with excellent removal efficiency (> 98%). It can float on water surface for at least 105 days without damage, while its phosphate adsorbed form can be biodegraded within 10 days under soil buried conditions. Both colorimetric sensor and bio–adsorbent developed in this research would be benefit for environmental applications, especially for Phuket that nutrients have increased in aquatic ecosystems due to various anthropogenic activities leading to deterioration of the ecosystem and can accelerate eutrophication. 1. Research assistant from Prince of Songkla University through PSU research funds. 2. Graduate School research support, Prince of Songkla University 3. Research fund for graduate study from Faculty of Technology and Environment, Prince of Songkla University, Phuket Campus. 4. Partial research support from the National Research Council of Thailand (NRCT) through the research grant no. NRCT5–RSA63022–05 วิทยานิพนธ์นี้มุ่งเน้นการพัฒนาวัสดุชนิดใหม่สำหรับประยุกต์ใช้งานด้านสิ่งแวดล้อม ในการวิเคราะห์ปริมาณและกำจัดธาตุอาหารในแหล่งน้ำ เพื่อเฝ้าระวังและลดการเกิดปรากฎการณ์สาหร่ายสะพรั่ง โดยประกอบด้วยการพัฒนาเซ็นเซอร์แบบตรวจวัดสีสำหรับตรวจวัดไนไตรท์ในน้ำ และการพัฒนาวัสดุดูดซับชนิดใหม่สำหรับกำจัดฟอสเฟตในน้ำ โดยเซ็นเซอร์แบบตรวจวัดสีสำหรับตรวจวัดไนไตรท์พัฒนาขึ้น เนื่องจากไนไตรท์เป็นธาตุอาหารสำคัญที่เป็นตัวบ่งชี้คุณภาพน้ำซึ่งสามารถเร่งการเกิดปรากฎการณ์สาหร่ายสะพรั่ง นำไปสู่ผลกระทบต่อระบบนิเวศทางน้ำได้เป็นอย่างมาก อีกทั้งไนไตรท์ยังก่อให้เกิดกลุ่มอาการของโรคทารกสีน้ำเงินจากการรับสัมผัสไนไตรท์ ซึ่งเป็นสภาวะที่ไนไตรท์รวมตัวกับฮีโมโกลบินในเม็ดเลือดแดงและเปลี่ยนเป็นเมทฮีโมโกลบิน ทำให้ความสามารถในการลำเลียงออกซิเจนไปยังร่างกายลดลงส่งผลให้เกิดภาวะขาดออกซิเจน นอกจากนี้ไนไตรท์ยังสามารถทำปฏิกิริยากับสารประกอบเอมีนนำไปสู่การก่อตัวของสารไนโตรซามีน ซึ่งเป็นสารก่อมะเร็งอีกด้วย การพัฒนาเซ็นเซอร์อาศัยหลักการเกิดปฏิกิริยาการเกิดสีระหว่างไนไตรท์กับสารเคมีที่สามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีอย่างจำเพาะกับไนไตรท์ ได้แก่ รีเอเจนต์เกรส ซึ่งถูกกักเก็บไว้ภายใน รูพรุนของวัสดุขนาดนาโนของเมโซพอรัสซิลิกาที่ถูกทำให้เชื่อมต่อกันเป็นแผ่นบางด้วยสารละลายแป้งมันสำปะหลัง เซ็นเซอร์แบบตรวจวัดสีนี้สามารถมองเห็นการเปลี่ยนแปลงสีหลังเกิดปฏิกิริยาได้ด้วยตาเปล่า หรือใช้งานร่วมกับโปรแกรมวิเคราะห์ภาพสีเพื่อการวิเคราะห์ไนไตรท์เชิงปริมาณเพื่อหาค่าความเข้มแสงของสีพื้นฐาน 3 สี (แดง เขียว น้ำเงิน) ของผลิตภัณฑ์สีที่ได้จากปฏิกิริยาทางเคมี พบว่า ค่าความเข้มของแสงสีเขียว มีความไวในการตรวจวัดไนไตรท์สูงสุด (70 ± 2 a.u./mgL-1) ซึ่งเซ็นเซอร์ที่ถูกพัฒนาขึ้นมีลักษณะเป็นแผ่นบางมีความหนา ประมาณ 313 ไมโครเมตร จากการศึกษา พบว่า วิธีวิเคราะห์ที่พัฒนาขึ้นมีช่วงความสัมพันธ์ของค่าการตอบสนองจากการตรวจวัดและความเข้มข้นของสารไนไตรท์เป็นเส้นตรง (Linear range) ตั้งแต่ 0.05 ถึง 2.5 มิลลิกรัมต่อลิตร (R2= 0.9988) มีขีดจํากัดของการตรวจวัด 15 ไมโครกรัมต่อลิตร ในรูปของไนไตรท์ไอออน หรือ 4.6 ไมโครกรัม ต่อลิตรในรูปไนโตรเจน ทั้งนี้ยังมีความแม่นยำในการวิเคราะห์สูง (2.67 ร้อยละค่าความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์, % relative error) ในขณะที่ผลการทดสอบร้อยละของการได้กลับคืนจากการวิเคราะห์ตัวอย่างที่เติมสารมาตรฐานไนไตรท์ที่ความเข้มข้น 0.5 และ 1.0 มิลลิกรัมต่อลิตร จํานวน 3 ซ้ำ อยู่ในช่วงร้อยละ 88–114 ซึ่งเซ็นเซอร์ตรวจวัดสีที่พัฒนาขึ้นในลักษณะแผ่นบางนี้มีราคาประหยัดกว่าชุดทดสอบไนไตรท์ที่จำหน่ายเชิงพาณิชย์ โดยมีราคาเพียง 1.25 บาท ต่อเซ็นเซอร์ การวิเคราะห์ปริมาณของไนไตรท์ในตัวอย่างจริง จำนวน 8 ตัวอย่าง พบว่า มีความเข้มข้นของไนไตรท์ตั้งแต่ 0.04±0.02 ถึง 4.52±0.79 มิลลิกรัมต่อลิตร โดยผลการวิเคราะห์ที่ได้แตกต่างอย่างไม่มีนัยสำคัญทางสถิติกับวิธีมาตรฐานที่ระดับความเชื่อมั่นร้อยละ 95 (p > 0.05) ในขณะที่งานวิจัยที่สองได้พัฒนาวัสดุดูดซับชนิดใหม่สำหรับกำจัดฟอสเฟตในน้ำผิวดิน เนื่องจากสารฟอสเฟตเป็นธาตุอาหารหลักอีกชนิดหนึ่งซึ่งมีความสำคัญและเป็นสารมลพิษหลักในระบบนิเวศทางน้ำที่ส่งผลให้คุณภาพน้ำเสื่อมโทรมรวมถึงเป็นสาเหตุหลักของการเกิดสาหร่ายสะพรั่ง โดยวัสดุดูดซับชนิดใหม่อาศัยหลักการผสมผสานแคลเซียมซิลิเกตไฮเดรต ซึ่งมีประสิทธิภาพในการกำจัดฟอสเฟตในโครงสร้างของวัสดุ ครัยโอเจลที่สังเคราะห์จากแป้งข้าวเจ้าและแป้งมันสำปะหลังเพื่อลดการสูญหายของอนุภาคขนาด นาโนของแคลเซียมซิลิเกตไฮเดรต และทำให้การจัดการกับวัสดุดูดซับหลังการใช้งานในตัวอย่างจริงง่าย และสะดวกมากยิ่งขึ้น โดยปริมาณแคลเซียมซิลิเกตไฮเดรตที่เหมาะสมในการเตรียมตัวดูดซับผสมผสานด้วยครัยโอเจล เท่ากับร้อยละ 7.5 (ร้อยละของตัวดูดซับโดยน้ำหนัก) จากการศึกษา พบว่า วัสดุดูดซับที่พัฒนาขึ้นนี้มีประสิทธิภาพในการกำจัดฟอสเฟตมากกว่าร้อยละ 98 ในระยะเวลา 2 ชั่วโมง และมีประสิทธิภาพในการดูดซับฟอสเฟต 65.42 มิลลิกรัมฟอสเฟตต่อกรัมแคลเซียมซิลิเกตไฮเดรต ทั้งนี้การศึกษาไอโซเทอมของการดูดซับเพื่อใช้ทำนายลักษณะการดูดซับ พบว่า ไอโซเทอมของการดูดซับสอดคล้องกับไอโซเทอมของฟรุนดิช (Freundlich isotherm) มากกว่า ไอโซเทอมของแลงเมียร์ (Langmuir isotherm) แสดงให้เห็นว่าลักษณะการดูดซับฟอสเฟตบนวัสดุดูดซับที่พัฒนาขึ้นเป็นการดูดซับแบบหลายชั้นหรือเป็นการดูดซับทางเคมี ในขณะที่จลพนศาสตร์ของการดูดซับซึ่งศึกษาจากแบบจำลอง Pseudo–first order และ Pseudo–second order พบว่าสอดคล้องกับแบบจำลอง Pseudo–second order ชี้ให้เห็นว่า ขั้นตอนที่จำกัดอัตราการดูดซับของการดูดซับฟอสเฟตเกิดจากกระบวนการดูดซับทางเคมี และจากการศึกษาเทอร์โมไดนามิกส์การดูดซับ พบว่า ค่าพลังงานกระตุ้น (Ea) มีค่ามากกว่า 40 กิโลจูลต่อโมล แสดงให้เห็นว่ากลไกการดูดซับของวัสดุที่พัฒนาขึ้นเป็นการดูดซับทางเคมี ในขณะที่พารามิเตอร์อื่น ๆ ประกอบด้วย ค่าการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี (ΔHº) เท่ากับ 19.3 กิโลจูลต่อโมล แสดงให้เห็นว่ากระบวนการดูดซับฟอสเฟตเป็นกระบวนการดูดความร้อน และพบว่ามีความสามารถในการลอยอยู่บนผิวน้ำได้มากถึง 105 วัน โดยตัวดูดซับที่พัฒนาขึ้นไม่ได้รับความเสียหายในระยะเวลาดังกล่าว ทั้งนี้จากการศึกษาความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพของตัวดูดซับที่พัฒนาขึ้น พบว่า ตัวดูดซับที่พัฒนาขึ้นสามารถย่อยสลายทางชีวภาพด้วยวิธีการฝังดินตามวิธีมาตรฐานเกิดการย่อยสลายทางชีวภาพในระยะเวลา 10 วัน งานวิจัยที่ถูกพัฒนาขึ้นนี้จะเป็นประโยชน์ต่อการใช้งานด้านสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในจังหวัดภูเก็ตที่มีปริมาณสารอาหารในระบบนิเวศทางน้ำเพิ่มสูงขึ้น อันเนื่องมาจากกิจกรรมของมนุษย์ต่าง ๆ ที่นำไปสู่การเสื่อมสภาพของระบบนิเวศและก่อให้เกิดปรากฏการณ์ยูโทรฟิเคชั่น 2023-04-18T07:35:39Z 2023-04-18T07:35:39Z 2021 Thesis http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/17973 en Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Thailand http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/th/ application/pdf Prince of Songkla University |