Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano chứa ce ứng dụng xử lý mangan trong môi trường nước

LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập rèn luyện tại Trƣờng Đại Học Lâm Nghiệp và thời
gian thực tập tốt nghiệp ở Trung Tâm Thí Nghiệm của trƣờng, em đã hoàn thành
chuyên đề tốt nghiệp “Nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa Xeri, ứng dụng xử lý
Mangan trong nƣớc”
Lời đầu tiên cho phép em đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban giám
hiệu Trƣờng Đại Học Lâm Nghiệp, Ban giám đốc trung tâm thí nghiệm thực
hành Khoa QLTNR & MT. Cùng các thầy cô đã giảng dạy em trong suốt quá
trình học tập và rèn luyện tại trƣờng.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cơ giáo Th.S Đặng Thị
Thúy Hạt đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trong quá trình
thực hiện và hồn thiện đề tài này.
Em cũng xin cảm ơn các thầy cơ giáo bộ mơn Hóa học và các thầy cơ
phịng thí nghiệm, cùng các bạn sinh viên làm việc trên phịng thí nghiệm đã
giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu luận văn này!
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày ….. tháng 4 năm 2019
Sinh viên

Trần Mạnh Hùng

i


TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA QUẢN LÝ TÀI NGUN RỪNG VÀ MƠI TRƢỜNG

TĨM TẮT KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
1. Tên khóa luận: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano chứa Ce ứng
dụng xử lý mangan trong môi trƣờng nƣớc”.
2. Sinh viên thực hiện: Trần Mạnh Hùng

3. Giáo viên hƣớng dẫn: ThS. Đặng Thị Thúy Hạt
4. Mục tiêu nghiên cứu:
Mục tiêu chung: Góp phần tìm kiếm vật liệu có khả năng xử lý ô nhiễm
mangan trong môi trƣờng nƣớc.
Mục tiêu cụ thể:
- Chế tạo đƣợc vật liệu chứa Xeri
- Xác định các điều kiện thí nghiệm sử dụng vật liệu điều chế đƣợc cho
quá trình xử lý nƣớc chứa mangan.
5. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa Ce có khả năng hấp phụ mangan.
- Khảo sát các điều kiện tối ƣu xử lý mangan trong nƣớc.
- Thử nghiệm xử lý mẫu nƣớc thực tế tại Xuân Mai.
6. Kết quả nghiên cứu
Đã chế tạo đƣợc hai vật liệu chứa Ce kính cỡ nanomet với thành phần khối
lƣợng lần lƣợt là 6.46% Sắt với 10.44% Ce (vật liệu 1) và 5.05% Sắt với 7.52%
Ce( vật liệu 2). Thành phần nguyên tử lần lƣợt là 2.1% Sắt với 1.35% Ce và
1.63% Sắt với 0.97% Ce. Đã khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình hấp phụ
vật liệu chế tạo đƣợc: Thời gian 30 phút, pH bằng 9, nhiệt độ 20o, nồng độ 6 mg/l,
ảnh hƣởng của các ion cản NH4+, Cl-, Cu2+, NO3-. Đã xử lý mẫu nƣớc thực tế và
đƣợc kết quả xử lý cũng khá cao. Vật liệu này hồn tồn có thể áp dụng trong mơi
trƣờng nƣớc bị bị ơ nhiễm vì hiệu suất khá cao, đơn giản, chi phí vừa phải.

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ i
TÓM TẮT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ............................................................ ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii
DANH MỤC KÍ HIỆU & VIẾT TẮT .................................................................. v

DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................ vii
ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU....................................... 2
1.1 . Tổng quan về vật liệu .................................................................................... 2
1.1.1 . Điều chế vật liệu......................................................................................... 2
1.2 . Phƣơng pháp nghiên cứu vật liệu .................................................................. 5
1.2.1 . Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét ( SEM) ......................................... 5
1.2.2. Phƣơng pháp phổ tán sắc năng lƣợng tia X ................................................ 8
1.3. Tổng quan về các phƣơng pháp ................................................................... 10
1.3.1. Lý thuyết cơ bản về phƣơng pháp hấp phụ ............................................... 10
1.3.2. Quá trình và ứng dụng của phƣơng pháp hấp phụ .................................... 11
1.3.3. Phƣơng pháp đồng kết tủa ......................................................................... 12
1.3.4 Cân bằng hấp phụ và dung lƣợng hấp phụ ................................................. 12
1.4. Tổng quan về mangan .................................................................................. 13
1.4.1 . Vai trò, tác hại của mangan đối với con ngƣời và môi trƣờng ................ 13
1.4.2. Ô nhiễm mangan trong nƣớc ngầm ........................................................... 15
1.4.3. Phƣơng pháp xử lý, loại bỏ mangan trong nƣớc ....................................... 16
1.5. Tổng quan về xeri ......................................................................................... 18
CHƢƠNG 2. MỤC TIÊU - ĐỐI TƢỢNG - NỘI DUNG - PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU .................................................................................................... 20
2.1. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 20
2.1.1. Mục tiêu chung .......................................................................................... 20
iii


2.1.2. Mục tiêu cụ thể .......................................................................................... 20
2.2. Đối tƣợng nghiên cứu................................................................................... 20
2.3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 20
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. 20

2.4.1. Phƣơng pháp thu thập và kế thừa tài liệu .................................................. 20
2.4.2. Phƣơng pháp thực nghiệm ........................................................................ 20
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 27
3.1. Đặc trƣng cấu trúc của vật liệu .................................................................... 27
3.1.1. Hình dạng của vật liệu............................................................................... 27
3.1.2. Xác định thành phần của vật liệu bằng phổ EDX ..................................... 28
3.2. Khả năng hấp phụ mangan của vật liệu ....................................................... 29
3.2.1. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ mangan của vật liệu............... 29
3.2.2. Ảnh hƣởng của thời gian đạt trạng thái cân bằng hấp phụ ....................... 31
3.2.3. Ảnh hƣởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ ........................................ 32
3.2.4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ ........................................ 34
3.2.5. Khảo sát ảnh hƣởng ion cạnh tranh đến khả năng hấp phụ của các vật
liệu ....................................................................................................................... 35
3.3. Thử nghiệm xử lý mẫu nƣớc chứa Mangan ................................................. 39
KẾT LUẬN - TỒN TẠI - KIẾN NGHỊ .............................................................. 44
1. Kết luận ........................................................................................................... 44
2. Tồn tại.............................................................................................................. 44
3. Kiến nghị ......................................................................................................... 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO

iv


DANH MỤC KÍ HIỆU & VIẾT TẮT

SEM

Phƣơng pháp kình hiển vi điện tử quét

EDX

Phổ tán sắc năng lƣợng tia X

UV-vis

Phổ tử ngoại khả kiến

Abs

Độ hấp thụ quang

WHO

Tổ chức Y tế thế giới

QCVN

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia

TCVN

Tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn cho phép đối với mangan ................................................. 16
Bảng 2.1. Các dụng cụ trong quá trình nghiên cứu............................................. 21
Bảng 2.2. Kết quả đo độ hấp thụ quang .............................................................. 24

Bảng 3.1. Phân tích thành phần khối lƣợng, của các nguyên tố trong vật liệu 1 .... 29
Bảng 3.2. Phân tích thành phần khối lƣợng, của các nguyên tố trong vật liệu 2 .... 29
Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ mangan của vật liệu 1 .... 29
Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ mangan của vật liệu 2 ..... 30
Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của vật liệu 1 ......... 31
Bảng 3.6. Ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của vật liệu 2 ......... 31
Bảng 3.7. Ảnh hƣởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ của vật liệu 1........... 32
Bảng 3.8. Ảnh hƣởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ của vật liệu 2........... 33
Bảng 3.9. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ của vật liệu 1........... 34
Bảng 3.10. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ của vật liệu 2 ......... 34
Bảng 3.11. Ảnh hƣởng của ion khác đến khả năng hấp phụ Mn của vật liệu 1.... 36
Bảng 3.12. Ảnh hƣởng của ion khác đến khả năng hấp phụ Mn của vật liệu 2.... 37
Bảng 3.13. Vị trí lấy mẫu .................................................................................... 39
Bảng 3.14. Kết quả xử lí mẫu nƣớc giếng khoan vật liệu 1 ................................ 41
Bảng 3.15. Kết quả xử lí mẫu nƣớc giếng khoan vật liệu 2 ................................ 42

vi


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ ngun lý của kính hiển vi điện tử quét...................................... 6
Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo EDX ................................................................................ 8
Hình 1.3. Ngun lí của phép phân tích EDX ...................................................... 9
Hình 1.4. Ơ mạng cơ sở của Ce .......................................................................... 18
Hình 2.1. Đƣờng chuẩn Mn2+ trong khoảng nồng độ 0-6mg/l............................ 24
Hình 3.1. Ảnh chụp SEM của vật liệu 1 x60000 ................................................ 27
Hình 3.2. Ảnh chụp SEM của vật liệu 1 x10000 ................................................ 27
Hình 3.3. Ảnh chụp SEM của vật liệu 2 x60000 ................................................ 27
Hình 3.4. Ảnh chụp SEM của vật liệu 2 x10000 ............................................... 27
Hình 3.5. Giản đồ EDX của vật liệu 1 ................................................................ 28

Hình 3.6. Giản đồ EDX của vật liệu 2 ................................................................ 28
Hình 3.7. Biểu đồ ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ của 2 vật liệu ....... 30
Hình 3.8. Biểu đồ ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng hấp phụ........................ 32
của 2 vật liệu ........................................................................................................ 32
Hình 3.9. Biểu đồ ảnh hƣởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ ..................... 33
Hình 3.10. Biểu đồ Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ .................. 35
Hình 3.11. Biểu đồ ảnh hƣởng của ion khác đến khả năng hấp phụ Mn của vật
liệu1 ..................................................................................................................... 37
Hình 3.12. Biểu đồ ảnh hƣởng của ion khác đến khả năng hấp phụ Mn của vật
liệu 2 .................................................................................................................... 38
Hình 3.13. Các mẫu giếng khoan và hiệu suất xử lý của vật liệu 1 .................... 41
Hình 3.14. Các mẫu giếng khoan và hiệu suất xử lý của vật liệu 2 .................... 42

vii


ĐẶT VẤN ĐỀ
Nƣớc là tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá là yếu tố không thể thiếu
đƣợc cho mọi hoạt động sống trên trái đất. Nhƣng nguồn nƣớc sạch ngày càng
cạn kiệt vì nhiều lí do khác nhau, trong đó có vấn đề ơ nhiễm nguồn nƣớc bởi
các dịng nƣớc thải của con ngƣời. Một trong các vấn đề đƣợc quan tâm đó là
các nguồn nƣớc bị nhiễm Mangan.
Nguyên nhân chủ yếu gây ơ nhiễm mangan là q trình đổ vào môi
trƣờng nƣớc chất thải công nghiệp và nƣớc thải độc hại không xử lý hoặc xử lý
không đạt yêu cầu. Kim loại nặng tích lũy theo chuỗi thức ăn thâm nhập và cơ
thể ngƣời. Nƣớc mặt bị ô nhiễm sẽ lan truyền các chất ô nhiễm vào nƣớc ngầm,
vào đất và các thành phần môi trƣờng liên quan khác. Nƣớc bị nhiễm Mangan sẽ
gây ra rất nhiều tác hại. Mn lắng cặn gây tắc đƣờng ống, gây ra những vết ố bẩn
trên tất cả những thứ mà nó tiếp xúc. Mn khơng có khả năng tác động hình thành
các thể bệnh nguy hiểm nhƣ ung thƣ, cũng không ảnh hƣởng đến khả năng sinh

sản…nhƣng nó có liên quan mật thiết đến hệ thần kinh bởi gây ra các độc tố
hình thành hội chứng manganism với các triệu chứng gần nhƣ tƣơng tự hội
chứng Parkinson. Do đó việc tìm ra các quy trình xử lí nhằm loại bỏ các chất
độc nói chung và mangan nói riêng ra khỏi mơi trƣờng nƣớc có ý nghĩa vơ cùng
to lớn.
Các phƣơng pháp hóa học, hóa lý để xử lý mangan trong nƣớc nhƣ: kết
tủa, hấp phụ, hấp thụ, trao đổi ion, oxi hóa khử, thẩm thấu ngƣợc….tùy theo yêu
cầu cụ thể mà lựa chọn phƣơng pháp xử lý.
Trong đó phƣơng pháp sử dụng vật liệu hấp phụ đƣợc đánh giá là phổ
biến nhất, hiệu suất cao, đơn giản, chi phí vừa phải. Chính vì vậy em đã tiến
hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano chứa Xeri, ứng dụng
xử lý Mangan trong nƣớc”

1


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 . Tổng quan về vật liệu
Nói một cách đơn giản, khoa học nano là khoa học nghiên cứu vật chất ở
kích thƣớc cực kì nhỏ bé - kích thƣớc nanomet (nm), một nanomet bằng một
phần tỉ của met (m) hay bằng một phần triệu của milimet (mm). Công nghệ nano
là các công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo, ứng dụng các
cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thƣớc ở quy
mơ nanomet (từ 1 - 100nm). Thực sự các hạt nano đã tồn tại hàng triệu năm
trong thế giới tự nhiên. Từ thế kỷ thứ 10, ngƣời ta đã sử dụng hạt nano vàng để
tạo ra thủy tinh, gốm sứ có màu sắc khác nhau (màu đỏ, xanh hoặc vàng tùy vào
kích thƣớc của hạt)… Nghĩa là con ngƣời đã sử dụng, chế tạo các vật liệu nano
từ rất lâu, chỉ có điều chúng ta chƣa biết nhiều về nó. [12]
Có nhiều ngành ứng dụng vật liệu nano nhƣ y dƣợc (hạt nano), hóa

chất và vật liệu cao cấp (ống nano), cơng nghệ thông tin, viễn thông (vật liệu
xốp nano) nông nghiệp ….. Ngoài những ngành ứng dụng trên, vật liệu nano còn
ứng dụng trong xử lý kim loại nặng trong nƣớc bằng phƣơng pháp hấp phụ.
1.1.1. Điều chế vật liệu
1.1.1.1 . Phương pháp thu vật liệu
Các vật liệu nano có thể đƣợc chế tạo bằng bốn phƣơng pháp phổ biến,
mỗi phƣơng pháp đều có những điểm mạnh và điểm yếu, một số phƣơng pháp
có thể đƣợc áp dụng với một số vật liệu tùy thuộc vào yêu cầu vật liệu, điều kiện
trang bị phịng thí nghiệm…
a. Phương pháp hóa ướt (wet chemical methods)
Phƣơng pháp hóa ƣớt gồm có phƣơng pháp thủy nhiệt, sol-gel, và đồng
kết tủa. Theo phƣơng pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau đƣợc trộn với
nhau theo một tỷ phần thích hợp, dƣới tác động của nhiệt độ, áp suất, điều kiện
pH… mà các vật liệu nano đƣợc kết tủa từ dung dịch. Sau các quá trình lọc, sấy
khơ, ta thu đƣợc các vật liệu có kích thƣớc nano. [12]
2


Ƣu điểm của phƣơng pháp hóa ƣớt là các vật liệu có thể chế tạo đƣợc rất
đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Đặc điểm của phƣơng
pháp này là rẻ tiền và có thể chế tạo đƣợc một khối lƣợng lớn vật liệu nhƣng nó
cũng có nhƣợc điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử nƣớc có thể là một
khó khăn, phƣơng pháp sol-gel thì khơng có hiệu suất cao, sản phẩm không
đồng nhất.
b. Phương pháp cơ học (Nano-Mechanical Method)
Bao gồm các phƣơng pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Theo phƣơng
pháp này, vật liệu ở dạng bột đƣợc nghiền đến kích thƣớc nhỏ hơn. Ngày nay,
các máy nghiền thƣờng dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền
quay. Phƣơng pháp cơ học có ƣu điểm là đơn giản, dụng cụ chế tạo khơng đắt
tiền và có thể chế tạo với một lƣợng lớn vật liệu. Tuy nhiên, nó lại có nhƣợc

điểm là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thƣớc hạt khơng đồng nhất, dễ
bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và thƣờng khó có thể đạt đƣợc hạt có kích
thƣớc nhỏ. Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc dùng để tạo vật liệu không phải là
hữu cơ nhƣ là kim loại. [12]
c. Phương pháp bốc bay nhiệt (thermal evaporation method)
Gồm các phƣơng pháp quang khắc (lithography), bốc bay trong chân
khơng (vacuum deposition) vật lí, hóa học. Các phƣơng pháp này áp dụng hiệu
quả trong chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt, ngƣời ta cũng có thể
dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu nano từ tấm chắn. Tuy nhiên,
phƣơng pháp này khơng hiệu quả lắm để có thể chế tạo vật liệu ở quy mô
thƣơng mại. [12]
d. Phương pháp hình thành từ pha khí (gas-phase method)
Gồm các phƣơng pháp nhiệt phân (flame pyrolysis), nổ điện (electroexplosion), đốt laser (laser ablation method), bốc bay nhiệt độ cao, plasma.
Nguyên tắc của các phƣơng pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí.
Nhiệt phân là phƣơng pháp có từ rất lâu, đƣợc dùng để tạo các vật liệu đơn giản
nhƣ carbon, silicon. Phƣơng pháp đốt laser thì có thể tạo đƣợc nhiều loại vật liệu
3


nhƣng lại chỉ giới hạn trong phịng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp.
Phƣơng pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để tạo rất nhiều vật
liệu khác nhau nhƣng lại khơng thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của
nó có thể đến 9000 độ C. [12]
1.1.1.2 . Phương pháp chế tạo vật liệu
Vật liệu nano đƣợc chế tạo bằng hai phƣơng pháp: phƣơng pháp từ trên
xuống (top-down) và phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom-up). Phƣơng pháp từ trên
xuống là phƣơng pháp tạo hạt kích thƣớc nano từ các hạt có kích thƣớc lớn hơn;
phƣơng pháp từ dƣới lên là phƣơng pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử.
a. Phương pháp từ trên xuống ( top-down )
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối

với tổ chức hạt thơ thành cỡ hạt kích thƣớc nano. Đây là các phƣơng pháp đơn
giản, rẻ tiền nhƣng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích
thƣớc khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). Trong phƣơng pháp nghiền, vật
liệu ở dạng bột đƣợc trộn lẫn với những viên bi đƣợc làm từ các vật liệu rất cứng
và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc
nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào
nhau và phá vỡ bột đến kích thƣớc nano. Kết quả thu đƣợc là vật liệu nano
không chiều (các hạt nano). Phƣơng pháp biến dạng đƣợc sử dụng với các kỹ
thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn (có thể >10) mà khơng làm phá
huỷ vật liệu, đó là các phƣơng pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có thể đƣợc điều
chỉnh tùy thuộc vào từng trƣờng hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt
độ kết tinh lại thì đƣợc gọi là biến dạng nóng, cịn ngƣợc lại thì đƣợc gọi là biến
dạng nguội. Kết quả thu đƣợc là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai
chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay ngƣời ta thƣờng dùng các
phƣơng pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano. [11]
b. Phương pháp từ dưới lên (bottom-up)
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phƣơng
pháp từ dƣới lên đƣợc phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lƣợng của
4


sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay đƣợc
chế tạo từ phƣơng pháp này. Phƣơng pháp từ dƣới lên có thể là phƣơng pháp vật
lý, phƣơng pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai.


Phƣơng pháp vật lý: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử

hoặc chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano đƣợc tạo ra từ phƣơng
pháp vật lý: bốc bay nhiệt(đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phƣơng pháp

chuyển pha: vật liệu đƣợc nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu đƣợc
trạng thái vơ định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vơ định hình - tinh thể
(kết tinh) (phƣơng pháp nguội nhanh). Phƣơng pháp vật lý thƣờng đƣợc dùng để
tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính.


Phƣơng pháp hóa học: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ các ion.

Phƣơng pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể
mà ngƣời ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn
có thể phân loại các phƣơng pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu
nano từ pha lỏng (phƣơng pháp kết tủa, sol-gel,...) và từ pha khí (nhiệt phân,...).
Phƣơng pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột
nano.


Phƣơng pháp kết hợp: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano dựa trên các

nguyên tắc vật lý và hóa học nhƣ: điện phân, ngƣng tụ từ pha khí.... Phƣơng
pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột
nano,...[11]
1.2 . Phƣơng pháp nghiên cứu vật liệu
1.2.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét ( SEM)
- Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope,
thƣờng viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ
phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm
các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật đƣợc thực
hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tƣơng tác của
chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
5

Hình 1.1. Sơ đồ ngun lý của kính hiển vi điện tử quét
- Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong SEM
Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống nhƣ việc tạo ra chùm
điện tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua, tức là điện tử đƣợc phát ra từ súng
phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trƣờng...), sau đó đƣợc tăng
tốc. Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thƣờng chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạn
chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm điện tử có bƣớc sóng q nhỏ vào
một điểm kích thƣớc nhỏ sẽ rất khó khăn. Điện tử đƣợc phát ra, tăng tốc và hội
tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ
thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Độ
phân giải của SEM đƣợc xác định từ kích thƣớc chùm điện tử hội tụ, mà kích
thƣớc của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM
khơng thể đạt đƣợc độ phân giải tốt nhƣ TEM. Ngoài ra, độ phân giải của SEM
còn phụ thuộc vào tƣơng tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi
6


điện tử tƣơng tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong
SEM và các phép phân tích đƣợc thực hiện thơng qua việc phân tích các bức xạ
này. Các bức xạ chủ yếu gồm:
+ Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): Đây là chế độ ghi ảnh thơng
dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp có năng lƣợng
thấp (thƣờng nhỏ hơn 50 eV) đƣợc ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì
chúng có năng lƣợng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với
độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu.
+ Điện tử tán xạ ngƣợc (Backscattered electrons): Điện tử tán xạ ngƣợc là
chùm điện tử ban đầu khi tƣơng tác với bề mặt mẫu bị bật ngƣợc trở lại, do đó
chúng thƣờng có năng lƣợng cao. Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào thành

phần hóa học ở bề mặt mẫu, do đó ảnh điện tử tán xạ ngƣợc rất hữu ích cho phân
tích về độ tƣơng phản thành phần hóa học. Ngồi ra, điện tử tán xạ ngƣợc có thể
dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngƣợc, giúp cho việc phân tích cấu
trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử). Ngoài ra, điện tử tán xạ ngƣợc phụ thuộc
vào các liên kết điện tại bề mặt mẫu nên có thể đem lại thơng tin về các đơmen
sắt điện. [10]
- Ƣu điểm của kính hiển vi điện tử qt
Mặc dù khơng thể có độ phân giải tốt nhƣ kính hiển vi điện tử truyền
qua nhƣng kính hiển vi điện tử qt lại có điểm mạnh là phân tích mà khơng cần
phá hủy mẫu vật và có thể hoạt động ở chân khơng thấp. Một điểm mạnh khác
của SEM là các thao tác điều khiển đơn giản hơn rất nhiều so với TEM khiến
cho nó rất dễ sử dụng. Một điều khác là giá thành của SEM thấp hơn rất nhiều
so với TEM, vì thế SEM phổ biến hơn rất nhiều so với TEM.
Ứng dụng: Loại hiển vi này có nhiều chức năng nhờ khả năng phóng đại
và tạo ảnh rõ nét chi tiết. Hiển vi điện tử quét SEM đƣợc sử dụng để nghiên cứu
bề mặt vật liệu cho phép xác định kích thƣớc và hình dạng của vật liệu [11]

7


1.2.2. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X
Phổ tán xạ năng lƣợng tia X hay Phổ tán sắc năng lƣợng là kỹ thuật
phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra
từ vật rắn do tƣơng tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng
lƣợng cao trong các kính hiển vi điện tử). Trong các tài liệu khoa học, kỹ thuật
này thƣờng đƣợc viết tắt là EDX

Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo EDX
Ngun lí của EDX
Kỹ thuật EDX chủ yếu đƣợc thực hiện trong các kính hiển vi điện tử ở đó,

ảnh vi cấu trúc vật rắn đƣợc ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có
năng lƣợng cao tƣơng tác với vật rắn. Khi chùm điện tử có năng lƣợng lớn đƣợc
chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tƣơng tác với
các lớp điện tử bên trong của nguyên tử. Tƣơng tác này dẫn đến việc tạo ra
các tia X có bƣớc sóng đặc trƣng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên
tử theo định luật Mosley.

8


Có nghĩa là, tần số tia X phát ra là đặc trƣng với nguyên tử của mỗi chất
có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin
về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu.
Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhƣng chủ yếu EDX đƣợc phát triển
trong các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích đƣợc thực hiện nhờ các
chùm điện tử có năng lƣợng cao và đƣợc thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện từ.
Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (năng lƣợng photon tia X) trải trong một vùng
rộng và đƣợc phân tích nhờ phổ kế tán sắc năng lƣợng do đó ghi nhận thơng tin
về các ngun tố cũng nhƣ thành phần. Kỹ thuật EDX đƣợc phát triển từ những
năm 1960s và thiết bị thƣơng phẩm xuất hiện vào đầu những năm 1970s với việc
sử dụng detector dịch chuyển Si, Li hoặc Ge

Hình 1.3. Ngun lí của phép phân tích EDX
Tia X phát ra từ vật rắn (do tƣơng tác với chùm điện tử) sẽ có năng lƣợng
biến thiên trong dải rộng, sẽ đƣợc đƣa đến hệ tán sắc và ghi nhận (năng lƣợng)
nhờ detector dịch chuyển (thƣờng là Si, Ge, Li...) đƣợc làm lạnh bằng nitơ lỏng,
là một con chip nhỏ tạo ra điện tử thứ cấp do tƣơng tác với tia X, rồi đƣợc lái
vào một anốt nhỏ. Cƣờng độ tia X tỉ lệ với tỉ phần nguyên tố có mặt trong mẫu.
Độ phân giải của phép phân tích phụ thuộc vào kích cỡ chùm điện tử và độ nhạy
của detector (vùng hoạt động tích cực của detector).

9


Độ chính xác của EDX ở cấp độ một vài phần trăm (thơng thƣờng ghi
nhận đƣợc sự có mặt của các nguyên tố có tỉ phần cỡ 3-5% trở lên). Tuy nhiên,
EDX tỏ ra không hiệu quả với các nguyên tố nhẹ (ví dụ B, C...) và thƣờng xuất
hiện hiệu ứng trồng chập các đỉnh tia X của các nguyên tố khác nhau (một
nguyên tố thƣờng phát ra nhiều đỉnh đặc trƣng Kα, Kβ..., và các đỉnh của các
nguyên tố khác nhau có thể chồng chập lên nhau gây khó khăn cho phân tích).
1.3. Tổng quan về các phƣơng pháp
1.3.1. Lý thuyết cơ bản về phương pháp hấp phụ
Hấp phụ là phƣơng pháp tách các chất, trong đó các cấu tử hỗn hợp lỏng,
hoặc khí hấp phụ trên bề mặt xốp, rắn. Chất hấp phụ là những vật rắn có chứa
các mao quản. Chất bị hấp phụ là chất nằm trong pha lỏng hoặc pha khí. Khi q
trình hấp phụ xảy ra tức là có dịng pha lỏng hoặc dịng pha khí chuyển động và
tiếp xúc với chất hấp phụ. Hấp phụ là quá trình chuyển động của các chất bị hấp
phụ vào các ống mao quản và trên bề mặt của chất rắn xốp. Quá trình ngƣợc lại
đƣợc gọi là q trình nhả hấp
 Có 2 loại hấp phụ: Hấp phụ vật lý và Hấp phụ hóa học
- Hấp phụ vật lý
Các nguyên tử bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân
tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van der waals yếu. Nói
một cách khác, trong hấp phụ vật lý các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp
phụ khơng tạo thành hợp chất hóa học (khơng hình thành các liên kết hóa học)
mà chỉ bị ngƣng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt bằng lực
liên kết phân tử yếu (lực Van der waals) và liên kết hydro. Sự hấp phụ vật lý
luôn luôn thuận nghịch. Nhiệt hấp phụ không lớn.
- Hấp phụ hóa học
Có những lực hóa trị mạnh (do các liên kết bền của liên kết ion, liên kết

cộng hóa trị, liên kết phối trí ...) liên kết những phân tử hấp phụ và những phân
tử bị hấp 15 phụ tạo thành những hợp chất hóa học trên bề mặt phân chia pha.
Nói một cách khác, hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử hấp phụ tạo thành
10


hợp chất hóa học với các phân tử bị hấp phụ và hình thành trên bề mặt phân chia
pha (bề mặt hấp phụ). Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thơng
thƣờng (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí....) sự hấp phụ hóa
học ln ln bất thuận nghịch. Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị
800kJ/mol. [3]
 Các kiểu hấp phụ
Hấp phụ trong điều kiện tĩnh là khơng có sự chuyển dịch tƣơng đối của
phân tử chất lỏng (nƣớc) so với phân tử chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển
động với nhau. Biện pháp thực hiện là cho chất hấp phụ vào nƣớc và khuấy
trong một thời gian đủ để đạt đƣợc trạng thái cân bằng (nồng độ cân bằng). Tiếp
theo cho lắng hoặc lọc để giữ chất hấp phụ lại và tách nƣớc ra.
- Hấp phụ trong điều kiện động là có sự chuyển động tƣơng đối của phân
tử chất lỏng (nƣớc) so với phân tử chất hấp phụ. Biện pháp thực hiện là cho
nƣớc lọc qua lớp lọc vật liệu hấp phụ. [3]
1.3.2. Quá trình và ứng dụng của phương pháp hấp phụ
Trong trƣờng hợp tổng quát, quá trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn:
- Di chuyển các chất cần hấp phụ từ nƣớc thải tới bề mặt hạt hấp phụ.
- Thực hiện quá trình hấp phụ.
- Di chuyển chất ơ nhiễm vào bên trong hạt hấp phụ (vùng khuếch tán
trong).
Ngƣời ta thƣờng dùng than hoạt tính, đá ong và các chất tổng hợp hoặc
một số chất thải của sản xuất nhƣ xỉ tro, xỉ, mạt sắt và các chất hấp phụ bằng
khoáng sản nhƣ đất sét, silicagen. Để loại những chất ô nhiễm nhƣ: chất hoạt
động bề mặt, chất màu tổng hợp, dung mơi clo hố, dẫn xuất phenol và

hydroxyl…
Ứng dụng của phƣơng pháp hấp phụ bằng vật liệu.
Tách các chất hữu cơ nhƣ phenol, alkylbenzen-sulphonic acid, thuốc
nhuộm, các hợp chất thơm từ nƣớc thải bằng than hoạt tính; đồng thời có thể xử
lý kim loại; Tuy nhiên, than hoạt tính khó tái sinh nếu bị đóng cặn, có thể bắt
11


cháy khi tái sinh. Nếu dùng silicagen làm chất hấp phụ thì có giá thành cao hơn
than hoạt tính. Phƣơng pháp này có nhiều ƣu điểm nhƣng khơng kinh tế nên
không đƣợc sử dụng rộng rãi. [7]
1.3.3. Phương pháp đồng kết tủa
Kỹ thuật đồng kết tủa kim loại dƣới dạng hidroxit đƣợc sử dụng phổ biến
nhất để thu hồi kim loại từ dung dịch. Các tác nhân đồng kết tủa thông dụng là
xút và vôi. Tuy nhiên, kết tủa hidroxit khá phân tán nên khó thu hồi bằng cách
lọc hay sa lắng. Để tách lọc thuận lợi ngƣời ta thêm vào tác nhân keo tụ, tuyển
nổi dƣới dạng polyme điện li. Nhƣợc điểm của kỹ thuật này là quá trình kết tủa
hidroxit chỉ là khâu xử lý sơ bộ vì không thể xử lý triệt để, lƣợng bùn thải sinh
ra lớn và khó quay vịng, giai đoạn làm khơ lâu và khá đắt.
So với kỹ thuận đồng kết tủa hidroxit, kết tủa dƣới dạng muối cacbonat
thu đƣợc kết tủa đồng nhất hơn khi tiến hành ở pH= 8-9, do đó dễ thu hồi kết tủa
bằng cách lọc hay gạn. Tuy nhiên, phƣơng pháp này có hạn chế bởi một số muối
cacbonat kim loại có tích số tan lớn nên hiệu quả tách loại thấp. Vì vậy, kỹ thuật
kết tủa cacbonat ít thông dụng hơn kết tủa dạng hidroxit. Hiện tƣợng bão hòa và
tạo phức cũng làm giảm hiệu quả xử lý. Để khắc phục, ngƣời ta làm tăng số
mầm kết tủa bằng cách đƣa cát mịn hoặc CaCO3 dạng huyền phù vào trong dòng
thải cần xử lý. Nhờ vậy kết tủa thu đƣợc dễ dàng hơn.[8]
Ngoài các kỹ thuật trên, ngƣời ta sử dụng một số cách khác nhằm làm
giảm nồng độ cịn lại của các ion kim loại. Đó là các kỹ thuật đồng kết tủa với
các tác nhân trợ kết tủa hay tạo phức vòng càng, kết tủa dƣới dạng sunfua hữu

cơ, những kỹ thuật này thƣờng dẫn đến việc sử dụng nhiều hóa chất, giá thành
cao và cần có bƣớc xử lý thứ cấp.
1.3.4 Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ
Cân bằng hấp phụ: quá trình chất khí hoặc chất lỏng hấp phụ trên bề mặt
chất hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ đã hấp
13 phụ trên bề mặt chất bị hấp phụ vẫn di chuyển ngƣợc lại. Theo thời gian,
lƣợng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di
12


chuyển ngƣợc trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp
phụ bằng tốc độ di chuyển ngƣợc lại pha mang (giải hấp) thì quá trình hấp phụ
đạt cân bằng. Dung lƣợng hấp phụ cân bằng đƣợc biểu thị khối lƣợng chất bị
hấp phụ trên một đơn vị khối lƣợng chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng dƣới
các điều kiện nồng độ và nhiệt độ cho trƣớc. Dung lƣợng (q) đƣợc xác định theo
công thức:
(

)

Trong đó, V: Thể tích dung dịch (l), m: Khối lƣợng chất hấp phụ (g), Ce : Nồng
độ chất bị hấp phụ dung dịch ban đầu (mg/l), Ct : Nồng độ chất bị hấp phụ dung
dịch cân bằng (mg/l).
1.4. Tổng quan về mangan
Mangan là một kim loại màu trắng bạc, có kí hiệu Mn và có số hiệu
ngun tử 25. Nó đƣợc tìm thấy ở dạng tự do trong tự nhiên (đôi khi kết hợp với
sắt), và trong một số loại khống vật. Các trạng thái oxi hóa phổ biến nhất của
Mangan là +2, +3, +4, +6 và +7. Trong đó, trạng thái ổn định nhất là Mn2+
Mangan là kim loại tƣơng đối hoạt động. Nó dễ bị oxi hóa trong khơng khí bởi
các chất oxi hóa mạnh nhƣ O2, Cl2. Trong nƣớc, mangan tồn tại dƣới dạng Mn4+

và Mn2+ trong các muối tan của clorua, sulfat, nitrat. [2]
1.4.1. Vai trò, tác hại của mangan đối với con người và mơi trường
 Vai trị
Ở dạng ngun tố tự do, mangan là kim loại quan trọng trong các hợp kim
công nghiệp, sản xuất sắt, gang, hợp kim thép, đặc biệt là thép không gỉ. Một
ứng dụng khác của mangan là sản xuất các hợp kim nhôm. Các hợp chất của
mangan đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau nhƣ: điện tử, làm sạch,
khử màu, tẩy uế, v.v.
Mangan là một nguyên tố cần thiết cho tất cả các lồi. Mn có nhiều vai trò
quan trọng trong cơ thể nhƣ tác động đến hơ hấp tế bào, phát triển xƣơng,
chuyển hóa gluxit, hoạt động của não, cảm giác cân bằng. Mn có hàm lƣợng cao

13


trong ti lạp thể làm chất đồng xúc tác cùng các enzym, tham gia vào một số quá
trình nhƣ: tổng hợp axít béo và chlesterol, sản xuất hooc mơn giới tính. Hormon
tuyến giáp kiểm tra sự di chuyển của Mn. Ngƣợc lại, Mn tác động đến sự
chuyển hóa tuyến giáp nhờ đƣợc hình thành từ một enzym cơ bản. Mn liên kết
với vitamin K tham gia tổng hợp prothrombin ảnh hƣởng đến q trình đơng
máu. Mn tham gia tổng hợp protein và tƣơng tác với acid nucleic, tham gia tổng
hợp cholesterol. Mn làm giảm glucose huyết nhƣng lại tham gia phản ứng tạo ra
glucose từ các phân tử khác. Cơ thể rất ít khi bị thiếu Mn. Trái lại nguy cơ ngộ
độc lại dễ xảy ra trong công nghiệp Mn. [6]
 Tác hại của Mangan trong nƣớc tới sức khỏe và sinh hoạt:
- Đối với sinh hoạt
Mangan khi tiếp xúc với oxi sẽ bị oxy hóa tạo thành mangan dioxit làm
cho nƣớc có màu nâu đen và có mùi tanh của kim loại, gây mất cảm quan.
Mangan thƣờng gây ra cặn ố bẩn trên các thiết bị, vì vậy, sử dụng nƣớc
hằng ngày để lau rửa, giặt giũ sẽ gây ảnh hƣởng đến độ bền của đồ dùng. Đặc

biệt, giặt quần áo bằng nƣớc nhiễm mangan sẽ hình thành những vết ố bẩn màu
nâu, đen trên quần áo do quá trình oxy hóa gây ra.
Mangan trong nƣớc gặp clo sẽ tạo kết tủa cặn bám dioxit mangan và có
thể gây tắc đƣờng ống.
- Đối với sức khỏe:
Mangan có mặt trong nƣớc ở dạng ion hòa tan. Nếu ở hàm lƣợng nhỏ
dƣới 0,1mg/lít thì mangan có lợi cho sức khỏe. Tuy nhiên nếu hàm lƣợng
mangan cao từ 1-5mg/lít sẽ gây ra khơng ít ảnh hƣởng đến một số cơ quan nội
tạng của cơ thể.
Mn khơng có khả năng gây đột biến cũng nhƣ hình thành các bệnh nguy
hiểm nhƣ ung thƣ, cũng khơng ảnh hƣởng đến khả năng sinh sản…nhƣng nó có
liên quan mật thiết đến hệ thần kinh, gây ra các độc tố hình thành hội chứng
manganism với các triệu chứng gần nhƣ tƣơng tự bệnh Parkinson. Nếu lƣợng
Mn hấp thu vào cơ thể cao có thể gây độc với phổi, hệ thần kinh, thận và tim
14


mạch. Khi hít phải Mangan với lƣợng lớn có thể gây hội chứng nhiễm độc ở
động vật, gây tổn thƣơng thần kinh.
Mangan đặc biệt có hại cho trẻ bởi cơ thể trẻ em dễ dàng hấp thụ đƣợc rất
nhiều mangan trong khi tiết thải ra ngồi thì rất ít. Điều đó dẫn đến sự tích tụ Mn
trong cơ thể trẻ, gây ra các hậu quả nghiêm trọng. Vì vậy, các chuyên gia y tế
khuyến cáo phụ nữ đang mang thai và trẻ em tuyệt đối tránh tiếp xúc và sử dụng
nguồn nƣớc nhiễm Mn. [6]
Sử dụng nguồn nƣớc bị nhiễm mangan trong thời gian dài, nhiễm độc
mangan từ nƣớc uống làm giảm khả năng ngơn ngữ, giảm trí nhớ, giảm khả
năng vận động liên quan đến tay và chuyển động của mắt, nếu nhiễm độc
mangan lâu ngày có thể dẫn đến triệu chứng thần kinh khơng bình thƣờng nhƣ
dáng đi và ngôn ngữ bất thƣờng. Với khả năng không gây ung thƣ ở ngƣời
nhƣng mangan vẫn có tác động xấu tới cơ thể con ngƣời chúng ta.

1.4.2. Ô nhiễm mangan trong nước ngầm
Mangan có mặt trong hơn 100 loại khống khác nhau. Thơng qua q
trình rửa trơi, phong hóa của đất đá và các hoạt động của con ngƣời mangan sẽ
đƣợc tích tụ trong các nguồn nƣớc khác nhau nhƣ ao, hồ sông, suối, biển… gọi
chung là nƣớc bề mặt rồi từ nƣớc bề mặt mangan sẽ đƣợc ngấm vào những mạch
nƣớc trong lòng đất mà ta gọi là nƣớc ngầm. Đó là lí do vì sao mangan nói riêng
và nhiều nguyên tố kim loại nặng nói chung hiện nay đã có mặt trong nguồn
nƣớc ngầm của nhiều quốc gia trên thế giới.
Hàm lƣợng mangan trong nƣớc tự nhiên trung bình là 0,58mg/l, hàm lƣợng
này phụ thuộc vào 3 yếu tố chính: địa hóa của khống vật, điều kiện hóa học của
nƣớc và hoạt động của các vi sinh vật. Ở hàm lƣợng cao hơn 0,15mg/l có thể tạo
ra vị khó chịu, làm hoen ố quần áo. Ngay cả khi nồng độ mangan < 0,02mg/l thì
nó có thể tạo ra lớp cặn màu đen đóng bám vào thành và đáy bồn chứa.
Ở Việt Nam, rất nhiều nghiên cứu gần đây đã cho thấy sự nồng độ của
mangan trong nƣớc ngầm hoặc nƣớc giếng khoan của khu vực đồng bằng sông
Mê Kông và đồng bằng châu thổ sông Hồng (bao gồm Tp. Hồ Chí Minh và
15


Tp.Hà Nội – 2 thành phố đông dân nhất cả nƣớc) cao hơn mức cho phép nhiều
lần. [7]
Tiêu chuẩn cho phép đối với mangan
Sự có mặt của mangan ở nồng độ thấp trong các nguồn nƣớc tự nhiên là
cần thiết cho sức khỏe của con ngƣời. Tuy nhiên, ở nồng độ cao, mangan lại gây
ra nhiều tác động tiêu cực. Dựa trên những số liệu về nguy cơ ảnh hƣởng tới sức
khỏe của mangan, các tổ chức và quốc gia đã đƣa ra các tiêu chuẩn về mangan
trong nƣớc ăn uống khác nhau.
Lƣợng Mn cho phép đƣa vào cơ thể trong các nguồn thực phẩm, nƣớc
uống và khơng khí tính theo ngày là:
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn cho phép đối với mangan

Nồng độ trung bình

Khoảng giới hạn

(mg/kg)

(mg/kg)

Thức ăn

3,0

2–7

Nƣớc uống

0,05

0–1

Khơng khí

0,02

0 – 0,029

(Nguồn: Canada Health, Manganese, Updated November 1987)[15]
Theo WHO nồng độ tiêu chuẩn tối đa cho phép của Mn trong nƣớc là
0.4mg/l. Ở Việt Nam theo QCVN 01: 2009/BYT thì nồng độ tiêu chuẩn tối đa
cho phép của Mn trong nƣớc là 0.3mg/l. [1]

1.4.3. Phương pháp xử lý, loại bỏ mangan trong nước
Tùy thuộc mục đích và mức độ ơ nhiễm của nguồn nƣớc mà ta lựa
chọn phƣơng pháp xử lý khác nhau. Nồng độ của Mn trong nƣớc ≤ 0.05 mg/l là
nồng độ tới hạn vì rất khó để loại trừ Mn ra khỏi nƣớc xuống dƣới nồng độ này.
Thông thƣờng việc thải loại Mn thƣờng đi kèm với việc thải loại Fe ra khỏi
nguồn nƣớc cần xử lý.
Một số phƣơng pháp xử lý Mn nhƣ sau:

16


- Phương pháp làm thoáng
Nguyên lý là làm giàu oxi cho nƣớc để chuyển Mn2+ thành Mn4+ kết tủa.
Phƣơng pháp này bao gồm nhiều biện pháp khác nhau nhƣ: sử dụng giàn
mƣa hay quạt gió, làm thống đơn giản bề mặt lọc, làm thoáng bằng giàn mƣa tự
nhiên hoặc cƣỡng bức (giàn mƣa có quạt gió và có áp lực đẩy nƣớc), pH tối ƣu
cho phản ứng oxy hóa khử mangan là từ 8.5 – 9.5.
- Khử Mn bằng hóa chất: đối với nguồn nƣớc tồn tại nhiều chất nhƣ H2S,
NH3 hoặc tạp chất hữu cơ thì lƣợng oxi thu đƣợc nhờ làm thống khơng đủ để
oxy hóa hết Mn thì ta phải dùng hóa chất. Hóa chất thƣờng dùng là Cl, KMnO4,
H2O2 vôi. [7]
- Phương pháp trao đổi ion
Phƣơng pháp này dựa trên nguyên tắc của trao phƣơng pháp trao đổi ion
dùng inoit là nhựa hữu cơ tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc hydrocacbon và
các nhóm chức trao đổi ion. Quá trình trao đổi ion đƣợc tiến hành trong các cột
cationit và anionit. Phƣơng pháp này mang hiệu suất cao trong xử lý nƣớc có
kim loại nặng. Thơng qua q trình trao đổi giữa các ion có trong dung dịch với
các ion có trong pha rắn (ionit) mà kim loại đƣợc loại bỏ. Phƣơng pháp này cho
phép thu hồi các kim loại quý trong nƣớc. Các chất trao đổi ion rất đang dạng,
tùy thuộc vào mục đích xử lý, thành phần dịng thải để lựa chọn chất trao đổi ion

thích hợp. Các ionit có nguồn gốc tự nhiên: Zeolit, than hoạt tính, than bùn…các
ionit tổng hợp: nhựa tổng hợp polyacrlic, polystyrol có gắn nhóm chức:
Amin…Tuy nhiên giá thành xử lý cao, ít đƣợc áp dụng. [5]
- Phương pháp hấp phụ
Phƣơng pháp hóa lý hấp phụ đạt hiệu quả xử lý cao khi nƣớc bị ô nhiễm
chứa nhiều loại chất tan khác nhau, khó tách lọc bằng những phƣơng pháp thông
thƣờng. Trong nhiều giai đoạn của các quy trình cơng nghệ xử lý nƣớc, ta thấy
khơng thể thiếu đƣợc vai trò của chất hấp phụ. Ngƣời ta thƣờng sử dụng các loại
chất hấp phụ nhƣ: than hoạt tính, than củi, ... để xử lý; cịn đối với các chất tan
phân cực nhƣ các ion kim loại, cation kim loại kiềm thổ (Ca2+, Mg2+,...), anion
17


gốc axit (Cl- , SO42- ,...) thì dùng các chất hấp phụ có khả năng hấp phụ hóa học
các chất phân cực nhƣ các chất hấp phụ vô cơ, chất hấp phụ là vật liệu tổng hợp
nhƣ polyurethane, sợi polistiren,...v.v
Điều này cho thấy tính ƣu việt của phƣơng pháp hấp phụ và vai trò của
các chất hấp phụ là rất quan trọng, cần thiết trong các quá trình làm sạch nƣớc,
xử lý nƣớc từ đó tìm kiếm và nghiên cứu chế tạo các chất hấp phụ thích hợp
dùng trong phƣơng pháp xử lý. [7]
1.5. Tổng quan về xeri
Ce Số hiệu nguyên tử (Z=58). Phân loại thuộc nhóm lantan. Nhiệt độ sơi
3716 K Nhiệt lƣợng nóng chảy 5.46 kJ·mol−1. Nhiệt dung 26.94 J·mol−1·K−1.
Nhiệt bay hơi 398 kJ·mol−1

Hình 1.4. Ơ mạng cơ sở của Ce
Xeri là kim loại màu trắng bạc, thuộc về nhóm Lantan. Nó tƣơng tự
nhƣ sắt ở màu sắc và ánh, nhƣng mềm, dẻo và dễ uốn. Xeri có khoảng nhiệt độ
ở thể lỏng dài nhất trong số các ngun tố có đồng vị khơng có tính phóng xạ:
2.648 °C (từ 795 °C tới 3.443 °C) hay 4.766 °F (từ 1.463 °F tới 6.229 °F). Mặc

dù xeri thuộc về nhóm các nguyên tố gọi chung là kim loại đất hiếm, nhƣng
trên thực tế nó cịn phổ biến hơn chì. Xeri có sẵn ở lƣợng tƣơng đối lớn (68

18