Luận văn Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía và thăm dò xử lí môi trường potx

Luận văn
Nghiên cứu khả năng hấp phụ
một số ion kim loại nặng trên vật
liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía
và thăm dò xử lí môi trường


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 5 -
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC BẢNG 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8
MỞ ĐẦU 9
Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Ảnh hưởng của sự ô nhiễm kim loại nặng tới sức khoẻ con
người 11
1.1.1. Chì 11
1.1.2. Crom 12
1.1.3. Đồng 12
1.1.4. Mangan 12
1.1.5. Niken 13
1.2. Quá trình hấp phụ 13
1.2.1. Hiện tượng hấp phụ 13
1.2.2. Hấp phụ trong môi trường nước 14
1.2.3. Động học hấp phụ 15

1.2.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp
phụ 16
1.3. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ - Bã mía 19
1.4. Một số phương pháp định lượng kim loại 22
1.4.1. Phương pháp thể tích 22
1.4.2. Phương pháp trắc quang 23
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
2.1. Thiết bị hoá chất 27
2.1.1. Thiết bị 27
2.1.2. Hoá chất 27

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 6 -
2.2. Chế tạo và khảo sát một số đặc trưng cấu trúc của vật liệu
hấp phụ 28
2.2.1. Chế tạo vật liệu hấp phụ 28
2.2.2. Một số đặc trưng cấu trúc của VLHP 29
2.3. Định lượng các kim loại 31
2.3.1. Dựng đường chuẩn xác định Cr(VI) 31
2.3.2. Dựng đường chuẩn xác định Ni
2+
32
2.3.3. Dựng đường chuẩn xác định Mn
2+
33
2.3.4. Định lượng Pb
2+
34
2.3.5. Định lượng Cu
2+

34
2.4. Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP và nguyên liệu 35
2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của
VLHP 36
2.5.1. Ảnh hưởng của thời gian 36
2.5.2. Ảnh hưởng của pH 39
2.5.3. Ảnh hưởng của nồng độ - Cân bằng hấp phụ 41
2.6. Thử xử lí nước thải chứa Cr(VI) 45
KẾT LUẬN 47
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO 50







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 7 -
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1 Nồng độ giới hạn của một số kim loại trong nước thải công
nghiệp và nước cấp sinh hoạt 13
Bảng 1.2 Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng 16
Bảng 1.3 Thành phần hoá học của bã mía 20
Bảng 2.1 Thứ tự các dung dịch dựng đường chuẩn xác định Cr(VI) 31
Bảng 2.2 Số liệu dựng đường chuẩn xác định Cr(VI) 32
Bảng 2.3 Thứ tự các dung dịch dựng đường chuẩn xác định Ni
2+

32
Bảng 2.4 Số liệu dựng đường chuẩn xác định Ni
2+
33
Bảng 2.5 Thứ tự các dung dịch dựng đường chuẩn xác định Mn
2+
33
Bảng 2.6 Số liệu dựng đường chuẩn xác định Mn
2+
34
Bảng 2.7 So sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP
đối với Cr(VI), Ni
2+
, Mn
2+
, Pb
2+
và Cu
2+
35
Bảng 2.8 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ 36
Bảng 2.9 Thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với mỗi ion kim loại 39
Bảng 2.10 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ 40
Bảng 2.11 Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ 42
Bảng 2.12 Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir 45

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 8 -
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 19
Hình 1.2 Đồ thị sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
19
Hình 1.3 Hình ảnh các thành phần hoá học chính của bã mía 21
Hình 2.1 Phổ hồng ngoại của nguyên liệu 29
Hình 2.2 Phổ hồng ngoại của VLHP 30
Hình 2.3 Ảnh SEM của VLHP và nguyên liệu 31
Hình 2.4 Đường chuẩn xác định Cr(VI) 32
Hình 2.5 Đường chuẩn xác định Ni
2+
33
Hình 2.6 Đường chuẩn xác định Mn
2+
34
Hình 2.7 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ theo thời gian 38
Hình 2.8 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH dung dịch 41
Hình 2.9 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào nồng độ ban đầu
của các ion 43
Hình 2.10 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cr(VI) 43

Hình 2.11 Sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
của Cr(VI) 43
Hình 2.12 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Ni
2+
44
Hình 2.13 Sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
của Ni
2+
44
Hình 2.14 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Mn
2+
44
Hình 2.15 Sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
của Mn
2+
44
Hình 2.16 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Pb
2+
44
Hình 2.17 Sự phụ thuộc của C
cb

/q vào C
cb
của Pb
2+
44
Hình 2.18 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cu
2+
45
Hình 2.19 Sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
của Cu
2+
45



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 9 -
MỞ ĐẦU
Do sự phát triển không bền vững mà hiện nay vấn đề ô nhiễm nguồn
nước đang trở thành vấn nạn của nhiều quốc gia. Ở nước ta, quá trình phát
triển các khu công nghiệp, các khu chế xuất đã góp phần tăng trưởng kinh tế,
thúc đẩy đầu tư và sản xuất công nghiệp, góp phần hình thành các khu đô thị
mới, giảm khoảng cách về kinh tế giữa các vùng Tuy nhiên, bên cạnh sự
chuyển biến tích cực về kinh tế là những tác động tiêu cực đến môi trường
sinh thái do các khu công nghiệp gây ra. Thực tế, hiện nay rất nhiều nhà máy
ở các khu công nghiệp vẫn hàng ngày thải trực tiếp nước thải có chứa các ion
kim loại nặng với hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép ra môi trường. Hậu

quả là môi trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều khu vực đang
bị ô nhiễm kim loại nặng nghiêm trọng.
Có nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng để
tách loại các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước. Một trong các phương
pháp đang được nhiều người quan tâm hiện nay là tận dụng các phụ phẩm
nông nghiệp, công nghiệp làm vật liệu hấp phụ các ion kim loại [3,19,20].
Phương pháp này có ưu điểm là sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có và
không đưa thêm vào môi trường các tác nhân độc hại khác.
Một trong các nguồn phụ phẩm công nghiệp có khối lượng lớn ở nước
ta là bã mía. Bã mía với thành phần chính là các xenlulozơ và hemixenlulozơ
rất thích hợp cho việc nghiên cứu biến đổi tạo ra các vật liệu hấp phụ để tách
loại các ion kim loại nặng.
Xuất phát từ những lí do trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả
năng hấp phụ một số ion kim loại nặng trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã
mía và thăm dò xử lí môi trường”.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 10 -
Với mục đích đó, trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu các nội dung
sau:
1- Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã mía.
2- Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ đối với Cr(VI),
Ni
2+
, Mn
2+
, Cu
2+
và Pb
2+

trong môi trường nước.
3- Thử xử lí một mẫu nước thải chứa Cr(VI) của xí nghiệp mạ điện
quân đội bằng vật liệu hấp phụ chế tạo được.



















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 11 -
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Ảnh hƣởng của sự ô nhiễm kim loại nặng tới sức khoẻ con ngƣời
Ở hàm lượng nhỏ một số kim loại nặng là các nguyên tố vi lượng cần
thiết cho cơ thể người và sinh vật phát triển bình thường, nhưng khi có hàm
lượng lớn chúng lại thường có độc tính cao. Khi được thải ra môi trường, một

số hợp chất kim loại nặng bị tích tụ và đọng lại trong đất, song có một số hợp
chất có thể hoà tan dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Điều này tạo
điều kiện để các kim loại nặng có thể phát tán rộng vào nguồn nước ngầm,
nước mặt và gây ô nhiễm. Các kim loại nặng có mặt trong nước, đất qua
nhiều giai đoạn khác nhau trước sau cũng đi vào chuỗi thức ăn của con người.
Khi nhiễm vào cơ thể, kim loại nặng tích tụ trong các mô, tác động đến các
quá trình sinh hóa (các kim loại nặng thường có ái lực lớn với nhóm -SH-
SCH
3
của enzim trong cơ thể, vì thế các enzim bị mất hoạt tính, cản trở quá
trình tổng hợp protein của cơ thể). Ở người, kim loại nặng có thể tích tụ vào
nội tạng như gan, thận, xương khớp gây nhiều căn bệnh nguy hiểm như ung
thư, thiếu máu, ngộ độc, [1,13,18]. Dưới đây là tác động của một số kim loại
nặng đến con người.
1.1.1. Chì
Chì thường được sử dụng trong công nghệ sản xuất pin, ắc quy, sản
xuất đạn và tấm bảo vệ phóng xạ,…
Chì là một trong những nguyên tố rất độc hại đối với con người và
động vật. Nó xâm nhập vào cơ thể sống chủ yếu qua con đường tiêu hóa, hô
hấp,… Khi mỗi ngày tiếp xúc một lượng chì cao (>10mg Pb/ngày) trong vài
tuần sẽ gây nhiễm độc nặng. Ăn 1g Pb/lần sẽ chết ngay. Các hợp chất hữu cơ
chứa chì có độc tính cao gấp hàng trăm lần so với các hợp chất vô cơ. Sự

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 12 -
nhiễm độc chì có thể gây ra nhiều bệnh như: giảm trí thông minh; các bệnh về
máu, thận, tiêu hóa, ung thư,…[1,9,13,16].
1.1.2. Crom
Nước thải từ công nghiệp mạ điện, công nghiệp khai thác mỏ, nung đốt
các nhiên liệu hóa thạch,… là các nguồn gây ô nhiễm crom. Crom có trong

nước thải thường gặp ở dạng Cr(III) và Cr(VI). Cr(III) không độc nhưng
Cr(VI) rất độc hại đối với cơ thể người, nó gây nguy hiểm cho gan, thận và
đường hô hấp; gây ra các bệnh về răng, miệng, kích thích da, [1,9,13,16].
1.1.3. Đồng
Đồng là nguyên tố cần thiết cho cơ thể con người, nhu cầu hàng ngày
của người lớn khoảng 0,033 - 0,050mg/kg thể trọng. Tuy nhiên, nếu hàm
lượng đồng trong cơ thể lớn thì cơ thể sẽ bị nhiễm độc và có thể gây một số
bệnh về thần kinh, gan, thận; lượng lớn đồng hấp thụ qua đường tiêu hoá có
thể gây tử vong [1,9,13,16].
1.1.4. Mangan
Mangan là một trong các nguyên tố vi lượng cần thiết cho sức khoẻ con
người trong quá trình sinh trưởng và phát triển. Do mangan được hấp thụ rất ít
qua đường ruột nên hầu như không ai bị ngộ độc do ăn hoặc uống thực phẩm
có chứa nhiều mangan hơn nhu cầu cần thiết (2 - 5mg/ngày). Tuy nhiên, ngộ
độc mangan vẫn có thể xảy ra, gây rối loạn hoạt động thần kinh với biểu hiện
rung giật kiểu Parkinson. Cũng có một số trường hợp ngộ độc mangan là do
nguồn nước uống bị ô nhiễm nặng mangan do rò rỉ từ bãi chôn pin, ắc quy
vào nguồn nước sinh hoạt, uống thuốc có chứa mangan liều cao và kéo dài,
hoặc do tắm hơi nước khoáng có nhiều mangan thường xuyên [1,9,13,16].



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 13 -
1.1.5. Niken
Niken được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hoá chất, luyện
kim, điện tử, … Vì vậy, nó thường có mặt trong nước thải. Niken vào cơ thể
chủ yếu qua con đường hô hấp, nó gây ra các triệu chứng khó chịu, buồn nôn,
đau đầu; nếu tiếp xúc nhiều sẽ ảnh hưởng đến phổi, hệ thần kinh trung ương,
gan thận; còn nếu da tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây hiện tượng viêm da,

xuất hiện dị ứng,…[1,9,13,16].
Bảng 1.1. Nồng độ giới hạn của một số kim loại trong nước thải công
nghiệp và nước cấp sinh hoạt. [12]
Stt
Tên chỉ tiêu
Giá trị giới hạn (mg/l)
Nước thải công nghiệp
Nước cấp sinh hoạt
1
Hàm lượng chì
0,10
0,01
2
Hàm lượng crom

0,05
0,05
3
Hàm lượng đồng

2,00
1,00
4
Hàm lượng mangan
0,50
0,50
5
Hàm lượng niken

0,20

0,10
1.2. Quá trình hấp phụ
1.2.1. Hiện tượng hấp phụ
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn,
lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ
được gọi là chất hấp phụ; còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi
là chất bị hấp phụ.
Ngược với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ. Đó là quá trình
đi ra của chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ.
Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất
bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp
phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [2,7,11].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 14 -
1.2.1.1. Hấp phụ vật lý
Các phân tử chất 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 Walls
yếu. Đó là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm
ứng và lực định hướng.
Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ
không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà
chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề
mặt chất hấp phụ. Ở hấp phụ vật lí, nhiệt hấp phụ không lớn [2,7,11].
1.2.1.2. Hấp phụ hóa học
Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa
học với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên
kết hóa học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối
trí…). Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol.
Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học chỉ là

tương đối, vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số quá trình hấp
phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học [2,7,11].
1.2.2. Hấp phụ trong môi trường nước
Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức
tạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất là ba thành phần gây tương tác: nước,
chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ
xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề
mặt chất hấp phụ. Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó.
Tính chọn lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị
hấp phụ trong nước, tính ưa hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước
của các chất bị hấp phụ trong môi trường nước.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 15 -
Trong nước, các ion kim loại bị bao bọc bởi một lớp vỏ các phân tử
nước tạo nên các ion bị hidrat hoá. Bán kính (độ lớn) của lớp vỏ hidrat ảnh
hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do lớp vỏ hidrat là yếu tố cản trở
tương tác tĩnh điện. Với các ion cùng điện tích thì ion có kích thước lớn sẽ
hấp phụ tốt hơn do có độ phân cực lớn hơn và lớp vỏ hidrat nhỏ hơn. Với các
ion có điện tích khác nhau, khả năng hấp phụ của các ion có điện tích cao tốt
hơn nhiều so với ion có điện tích thấp.
Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH. Sự
thay đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp phụ
(các chất có tính axit yếu, bazơ yếu hay trung tính phân li khác nhau ở các giá
trị pH khác nhau) mà còn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề mặt chất
hấp phụ [2,7,11].
1.2.3. Động học hấp phụ
Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt
của chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các
giai đoạn kế tiếp nhau:

- Các chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ - Giai đoạn
khuếch tán trong dung dịch.
- Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp
phụ chứa các hệ mao quản - Giai đoạn khuếch tán màng.
- Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp
phụ - Giai đoạn khuếch tán trong mao quản.
- Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ - Giai
đoạn hấp phụ thực sự.
Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ
quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình hấp phụ [2,7,10,11].


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 16 -
1.2.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị
hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược
lại pha mang. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất
rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một
thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ
đạt cân bằng.
Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ
là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ:
q = f (T, P hoặc C) (1.1)
Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của q
vào P hoặc C (q = f
T
(P hoặc C)) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể được xây dựng trên cở sở lý thuyết, kinh
nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất và

kinh nghiệm xử lí số liệu thực nghiệm [2,7,11].
Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng được nêu ở bảng 1.2.
Bảng 1.2. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng [11]
Đường đẳng nhiệt hấp
phụ
Phương trình
Bản chất sự hấp
phụ
Langmuir
.
1.
m
v b p
v b p
=
+

Vật lí và hóa học
Henry
.v k p=

Vật lí và hóa học
Freundlich
1
.
n
v k p=
, (n>1)
Vật lí và hóa học
Shlygin-Frumkin-Temkin

1
ln .
o
v
Cp
v
a
m
=

Hóa học
Brunauer-Emmett-Teller
(BET)
( )
( )
1
1
.

o m m o
C
pp
v p p v C v C p
-
=+
-

Vật lí, nhiều lớp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 17 -
Trong các phương trình trên,
v
là thể tích chất bị hấp phụ,
v
m
là thể
tích hấp phụ cực đại,
p
là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí,
o
p
là áp suất hơi
bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở cùng nhiệt độ. Các
kí hiệu
, , ,a b k n
là các hằng số.
Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của VLHP
đối với một số ion kim loại nặng trong môi trường nước theo mô hình đường
đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên các
giả thuyết:
1) Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.
2) Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
3) Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các
tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân
hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.
Phương trình Langmuir xây dựng cho hệ hấp phụ khí - rắn có dạng:
m
v b.p

v 1+b.p
=
(1.2)
Trong đó:
- v, v
m
lần lượt là thể tích chất bị hấp phụ, thể tích chất bị hấp phụ cực đại.
- p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí.
- b là hằng số.
Tuy vậy, phương trình này cũng có thể áp dụng được cho quá trình hấp
phụ trong môi trường nước. Khi đó có thể biểu diễn phương trình Langmuir
như sau:
cb
cb
max
K.C
q = q
1+K.C
(1.3)


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 18 -
Trong đó:
- C
cb
là nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng.
- q, q
max
lần lượt là dung lượng hấp phụ và dung lượng hấp phụ

cực đại.
- K là hằng số Langmuir.
Khi nồng độ chất bị hấp phụ là rất nhỏ (K.C << 1) ta có: q = q
max
.K.C.
Như vậy, dung lượng hấp phụ tỉ lệ thuận với nồng độ chất bị hấp phụ.
Khi nồng độ chất bị hấp phụ càng lớn (K.C >> 1) thì q
®
q
max
. Tức,
dung lượng hấp phụ sẽ đạt một giá trị không đổi khi tăng nồng độ chất bị hấp
phụ. Khi đó bề mặt chất hấp phụ đã được bão hòa bởi một đơn lớp các phân
tử chất bị hấp phụ.
Phương trình (1.3) chứa hai thông số là q
max
và hằng số K. Dung lượng
hấp phụ cực đại q
max
có một giá trị xác định tương ứng với số tâm hấp phụ
còn hằng số K phụ thuộc cặp tương tác giữa chất hấp phụ, chất bị hấp phụ và
nhiệt độ. Từ các số liệu thực nghiệm có thể xác định q
max
và hằng số K bằng
phương pháp tối ưu hay đơn giản là bằng phương pháp đồ thị.
Với phương pháp đồ thị, phương trình (1.3) được viết thành:
cb
cb
max max
C

11
.C
q q .K q
=+
(1.4)
Từ số liệu thực nghiệm vẽ đồ thị sự phụ thuộc của C
cb
/q theo
cb
C
.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và đồ thị sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb

có dạng như ở hình 1.1 và hình 1.2.






Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 19 -

Từ đồ thị sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
dễ dàng tính được q
max
và
hằng số K (
max
1
OM
K.q
=
;
max
1
tgα
q
=
).
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng đơn giản, cho phép
giải thích khá thỏa đáng các số liệu thực nghiệm [2,7,11].
1.3. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ - bã mía
Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, rất thuận lợi cho ngành mía
đường phát triển. Niên vụ sản xuất mía đường 2006 - 2007, diện tích mía cả

nước là 310,067ha, sản lượng mía thu hoạch đạt khoảng 17 triệu tấn. Theo
quy hoạch phát triển mía đường đến năm 2010, sản lượng đường sản xuất
trong cả nước phấn đấu đạt 1,5 triệu tấn [22, 23].
Phát triển sản xuất mía đường là một định hướng đúng đắn. Tuy nhiên,
các nhà máy sản xuất đường cũng thải ra một lượng không nhỏ bã mía. Theo
tính toán của các nhà khoa học, việc chế biến 10 triệu tấn mía để làm đường
sinh ra một lượng phế thải khổng lồ: 2,5 triệu tấn bã mía. Trước đây 80%
lượng bã mía này được dùng để đốt lò hơi trong các nhà máy sản xuất đường,
sinh ra 50.000 tấn tro [22]. Tuy là phế thải nhưng trong tro và bã bùn lại có
O
a

M
cb
C
q

C
cb
q
O
C
cb

Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir
Hình 1.2. Đồ thị sự phụ thuộc của
C
cb
/q vào C

cb


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 20 -
nhiều chất hữu cơ. Các chất này sau sẽ là nguyên nhân gây ô nhiễm môi
trường và ô nhiễm nguồn nước rất nặng. Bã mía cũng có thể được dùng làm
bột giấy, ép thành ván dùng trong kiến trúc, cao hơn là làm ra furfural là
nguyên liệu cho ngành sợi tổng hợp. Trong tương lai khi mà rừng ngày càng
giảm, nguồn nguyên liệu làm bột giấy, làm sợi từ cây rừng giảm đi thì bã mía
là nguyên liệu quan trọng để thay thế.
Bã mía chiếm khoảng 26,8 - 32% lượng mía ép. Trong bã mía chứa
trung bình khoảng 50% là nước, 48
÷
49% là xơ (trong đó chủ yếu là
xenlulozơ và hemixenlulozơ) 1
÷
2% là đường [14,21]. Tùy theo loại mía và
đặc điểm nơi trồng mía mà các thành phần hoá học có trong bã mía khô (xơ)
có thể biến đổi. Hàm lượng % các thành phần hoá học chính của bã mía được
chỉ ra trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Thành phần hoá học của bã mía [14]
Thành phần
% khối lượng
Xenlulozơ
40
÷
50
Hemixenlulozơ
20

÷
25
Lignin
18
÷
23
Chất hoà tan khác (tro, sáp, protein, …)
3
÷
5
Xenlulozơ: Xenlulozơ là polisaccarit do các mắt xích
α
-glucozơ
[C
6
H
7
O
2
(OH)
3
]
n
nối với nhau bằng liên kết 1,4-glicozit. Phân tử khối của
xenlulozơ rất lớn, khoảng từ 10000 – 150000u.
Hemixenlulozơ: Về cơ bản, hemixenlulozơ là polisaccarit giống như
xenlulozơ, nhưng có số lượng mắt xích nhỏ hơn. Hemixenlulozơ thường bao
gồm nhiều loại mắt xích và có chứa các nhóm thế axetyl và metyl.
Lignin: Lignin là loại polyme được tạo bởi các mắt xích phenylpropan.
Lignin giữ vai trò là chất kết nối giữa xenlulozơ và hemixenlulozơ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 21 -
Sự phân bố xenlulozơ, hemixenlulozơ và lignin trong bã mía được chỉ
ra trong hình 1.3.

Hình 1.3. Hình ảnh các thành phần hoá học chính của bã mía [22]
Với thành phần chính là xenlulozơ và hemixenlulozơ, bã mía có thể
biến tính để trở thành vật liệu hấp phụ tốt. Trên thế giới đã có một số nhà
khoa học nghiên cứu biến tính bã mía để làm vật liệu hấp phụ xử lí môi
trường, như các nhà khoa học ở Braxin, Ấn Độ, Malaixia,…[19,20]. Ở nước
ta cũng đã có những công trình nghiên cứu sử dụng bã mía làm vật liệu hấp
phụ, tuy nhiên những nghiên cứu đó mới chỉ ở dạng sử dụng bã mía thô [3].
Trong đề tài này chúng tôi chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã mía bằng cách dùng
anhydrit succinic để hoạt hóa bã mía.
Lignin
Hemixenlulzơ
Xenlulozơ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 22 -
1.4. Một số phƣơng pháp định lƣợng kim loại
Có nhiều phương pháp khác nhau được dùng để định lượng các kim
loại. Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp thể tích để định lượng
chì và đồng; phương pháp trắc quang để định lượng crom, niken và mangan.
1.4.1. Phương pháp thể tích
Phân tích thể tích là phương pháp phân tích định lượng dựa trên sự đo
thể tích của dung dịch thuốc thử đã biết chính xác nồng độ (dung dịch chuẩn)
cần dùng để phản ứng hết với chất cần xác định có trong dung dịch cần phân
tích. Dựa vào thể tích và nồng độ của dung dịch chuẩn đã dùng để tính ra hàm

lượng chất cần xác định có trong dung dịch phân tích.
Dựa theo bản chất của phản ứng chuẩn độ, phương pháp phân tích thể
tích được phân loại làm các loại sau:
- Phương pháp chuẩn độ axit – bazơ (Phương pháp trung hòa).
- Phương pháp chuẩn độ kết tủa.
- Phương pháp chuẩn độ tạo phức.
- Phương pháp chuẩn độ oxi hóa khử.
Để định lượng Cu
2+
và Pb
2+
chúng tôi sử dụng phương pháp chuẩn độ
tạo phức với thuốc thử là EDTA.
EDTA (axit etylen điamintetraaxetic, H
4
Y) là thuốc thử được ứng dụng
rộng rãi trong phương pháp chuẩn độ tạo phức. Phương pháp chuẩn độ sử
dụng EDTA làm thuốc thử được gọi là phương pháp chuẩn độ complexon.
Người ta thường dùng EDTA dưới dạng muối đinatri Na
2
H
2
Y, thường gọi là
complexon III (nhưng vẫn quen quy ước là EDTA). EDTA tạo phức bền với
các cation kim loại và trong hầu hết các trường hợp phản ứng tạo phức xảy ra
theo tỉ lệ 1:1.
n+ 4- (n-4)
M Y Y+ 
(1.5)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 23 -
Các phép chuẩn độ complexon thường tiến hành khi có mặt các chất tạo
phức phụ để duy trì pH xác định nhằm ngăn ngừa sự xuất hiện kết tủa hidroxit
kim loại. Để xác định điểm dừng trong chuẩn độ complexon, người ta thường
dùng một số loại thuốc thử như: eriocrom đen T (ET-OO), murexit, 1-(2-
piridinazo) 2- naphtol (PAN), 4-(2-piridinazo) rezoxin (PAR ),…[4,6,17].
1.4.1.1. Nguyên tắc của phép chuẩn độ định lượng chì bằng EDTA
Pb
2+
tạo phức bền với EDTA ở pH trung tính hoặc kiềm, song cũng rất
dễ thủy phân, do đó trước khi tăng pH ta cho Pb
2+
tạo phức với tactrat rồi mới
tiến hành chuẩn độ, chỉ thị là ET-OO [4,6,15,17].
1.4.1.2. Nguyên tắc của phép chuẩn độ định lượng đồng bằng EDTA
Dựa trên phản ứng tạo phức bền của Cu
2+
với EDTA:
2 2 2
2
22
4 2 4
+ - - +
Cu +H Y CuY +2H
+ - -
CuH Ind +H Y CuY +H Ind



Chỉ thị là murexit 1% trong NaCl, pH =8 [4,6,15,17].
1.4.2. Phương pháp trắc quang
1.4.2.1. Nguyên tắc
Phương pháp trắc quang là phương pháp phân tích được sử dụng phổ
biến nhất trong các phương pháp phân tích hóa lý. Nguyên tắc chung của
phương pháp phân tích trắc quang là muốn xác định một cấu tử X nào đó, ta
chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo sự hấp thụ ánh
sáng của nó và suy ra hàm lượng chất cần xác định X.
Cơ sở của phương pháp là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer-
Lambert-Beer. Biểu thức của định luật:
o
I
A lg εLC
I
==
(1.6)
Trong đó:
- I
o
, I lần lượt là cường độ của ánh sáng đi vào và ra khỏi dung dịch.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 24 -
- L là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua.
- C là nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch.
-
ε
là hệ số hấp thụ quang phân tử, nó phụ thuộc vào bản chất của chất
hấp thụ ánh sáng và bước sóng của ánh sáng tới (
( )

ε = f λ
).
Như vậy, độ hấp thụ quang A là một hàm của các đại lượng: bước
sóng, bề dày dung dịch và nồng độ chất hấp thụ ánh sáng.
( )
A = f λ,L,C
(1.7)
Do đó, nếu đo A tại một bước sóng
λ
nhất định với cuvet có bề dày L
xác định thì đường biểu diễn A = f(C) phải có dạng y = a.x là một đường
thẳng. Tuy nhiên, do những yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng của
dung dịch (bước sóng của ánh sáng tới, sự pha loãng dung dịch, nồng độ H
+
,
sự có mặt của các ion lạ) nên đồ thị trên không có dạng đường thẳng với mọi
giá trị của nồng độ. Và biểu thức 1.6 có dạng:
( )
b
x
λ
A = k.ε.L. C
(1.8)
Trong đó:
- C
x
: nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch.
- k: hằng số thực nghiệm.
- b: hằng số có giá trị
0<b 1£

. Nó là một hệ số gắn liền với nồng độ C
x
.
Khi C
x
nhỏ thì b = 1, khi C
x
lớn thì b < 1.
Đối với một chất phân tích trong một dung môi xác định và trong một
cuvet có bề dày xác định thì
ε
= const và L = const. Đặt
K = k.ε.L
ta có:
b
λ
A = K.C
(1.9)
Với mọi chất có phổ hấp thụ phân tử vùng UV-Vis, thì luôn có một giá
trị nồng độ giới hạn C
o
xác định, sao cho:
- Với mọi giá trị C
x
< C
o
: thì b = 1, và quan hệ giữa độ hấp thụ quang A
và nồng độ C
x
là tuyến tính.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 25 -
- Với mọi giá trị C
x
> C
o
: thì b < 1 (b tiến dần về 0 khi C
x
tăng) và quan
hệ giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ C
x
là không tuyến tính.
Phương trình (1.8) là cơ sở để định lượng các chất theo phép đo phổ
hấp thụ quang phân tử UV-Vis (phương pháp trắc quang). Trong phân tích
người ta chỉ sử dụng vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C, vùng tuyến tính
này rộng hay hẹp phụ thuộc vào bản chất hấp thụ quang của mỗi chất và các
điều kiện thực nghiệm, với các chất có phổ hấp thụ UV-Vis càng nhạy, tức
giá trị
e
của chất đó càng lớn thì giá trị nồng độ giới hạn C
o
càng nhỏ và vùng
nồng độ tuyến tính giữa A và C càng hẹp [5,17].
1.4.2.2. Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang
Có nhiều phương pháp khác nhau để định lượng một chất bằng phương
pháp trắc quang. Từ các phương pháp đơn giản không cần máy móc như:
phương pháp dãy chuẩn nhìn màu, phương pháp chuẩn độ so sánh màu,
phương pháp cân bằng màu bằng mắt… Các phương pháp này đơn giản,
không cần máy móc đo phổ nhưng chỉ xác định được nồng độ gần đúng của

chất cần định lượng, nó thích hợp cho việc kiểm tra ngưỡng cho phép của các
chất nào đó xem có đạt hay không. Các phương pháp phải sử dụng máy quang
phổ như: phương pháp đường chuẩn, phương pháp dãy tiêu chuẩn, phương
pháp chuẩn độ trắc quang, phương pháp cân bằng, phương pháp thêm,
phương pháp vi sai,… Tùy theo từng điều kiện và đối tượng phân tích cụ thể
mà ta chọn phương pháp thích hợp. Trong đề tài này chúng tôi sử dụng
phương pháp đường chuẩn để định lượng các cation kim loại.
Phương pháp đường chuẩn: Từ phương trình cơ sở A = k.(C
x
)
b
về
nguyên tắc, để xây dựng một đường chuẩn phục vụ cho việc định lượng một
chất trước hết phải pha chế một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ chất hấp thụ
ánh sáng nằm trong vùng nồng độ tuyến tính (b = 1). Tiến hành đo độ hấp thụ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 26 -
quang A của dãy dung dịch chuẩn đó. Từ các giá trị độ hấp thụ quang A đo
được dựng đồ thị A = f(C), đồ thị A = f(C) gọi là đường chuẩn.
Sau khi có đường chuẩn, pha chế các dung dịch cần xác định trong điều
kiện giống như khi xây dựng đường chuẩn. Đo độ hấp thụ quang A của chúng
với điều kiện đo như khi xây dựng đường chuẩn (cùng dung dịch so sánh,
cùng cuvet, cùng bước sóng) được các giá trị A
x
. Áp các giá trị A
x
đo được
vào đường chuẩn sẽ tìm được các giá trị nồng độ C
x

tương ứng [5].
1.4.2.3. Định lượng Cr(VI), Ni
2+
, Mn
2+
bằng phương pháp trắc quang
a) Định lượng Cr(VI)
Trong môi trường axit, Cr(VI) phản ứng với 1,5-diphenylcacbazit tạo
thành một phức chất màu tím đỏ thích hợp cho việc định lượng Cr(VI) theo
phương pháp trắc quang. Hàm lượng Cr(VI) được xác định theo cường độ hấp
thụ màu của phức chất ở bước sóng
λ = 540nm
với cuvet 1cm [12,17].
b) Định lượng Ni
2+

Ion Ni
2+
trong môi trường amoniac yếu có mặt chất oxy hóa mạnh sẽ
tạo thành với dimetylgyoxim một phức màu đỏ, cường độ màu tỉ lệ với nồng
độ niken. Phương pháp này có thể áp dụng để xác định niken trực tiếp ở nồng
độ từ 0,2÷5,0mg/l. Độ hấp thụ màu của phức được đo ở bước sóng
λ = 520nm
, cuvet 1cm [12,17].
c) Định lượng Mn
2+

Dùng kali pesunfat và chất xúc tác là ion Ag
+
trong môi trường axit để

oxi hóa Mn
2+
đến MnO
4
-
. Hàm lượng MnO
4
-
được xác định bằng phương
pháp trắc quang với máy trắc quang vùng UV-Vis ở bước sóng
λ = 540nm

với cuvet 1cm [12,17].



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 27 -
CHƢƠNG 2
THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
2.1. Thiết bị, hóa chất
2.1.1. Thiết bị
- Máy quang phổ hấp thụ phân tử UV 1700 Phamaspec (Shimadzu - Nhật
Bản), máy quang phổ hồng ngoại IR Prestige 21 (Shimadzu - Nhật Bản).
- Máy lắc, máy nghiền bi, máy khuấy từ, máy đo pH, tủ sấy, cân điên tử
bốn số,…
- Bộ sohxlet thuỷ tinh; các loại pipet, buret, bình tam giác, cốc, bình định
mức; chén sứ…
2.1.2. Hóa chất
Các hóa chất được dùng là các hóa chất có độ tinh khiết phân tích hoặc

tinh khiết hóa học.
2.1.2.1. Chuẩn bị các dung dịch gốc [8,12]
a) Dung dịch Cr(VI) 1000mg/l: Hòa tan 2,8285g K
2
Cr
2
O
7
(đã sấy khô ở
100
0
C) trong nước cất sau đó định mức đến 1000ml.
b) Dung dịch Ni
2+
1000mg/l: Hoà tan 4,9533g Ni(NO
3
)
2
.6H
2
O trong 20ml
dung dịch HNO
3
10%, đun nhẹ cho tan hết, định mức tới vạch.
c) Dung dịch Mn
2+
1000mg/l: Hòa tan 2,7480g MnSO
4
(đã nung ở 500
o

C)
trong 10ml axit sunfuric 1:4. Thêm nước cất đến 1000ml.
d) Dung dịch Pb
2+
0,01M: Hòa tan 3,3121g trong 20ml dung dịch HNO
3

10% đun nhẹ cho tan hết, cho vào bình định mức 1000ml thêm nước cất tới
vạch.
e) Dung dịch Cu
2+
0,01M: Hòa tan 2,4160g Cu(NO
3
)
2
.3H
2
O vào nước rồi
cho vào bình định mức 1000ml, thêm nước tới vạch.
Các dung dịch có nồng độ thấp hơn được pha chế từ dung dịch gốc.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 28 -
2.1.2.2. Chuẩn bị các chất chỉ thị, thuốc thử [8,12]
a) Dung dịch 1,5-diphenylcacbazit 0,1% trong rượu etylic: Hòa tan 0,5g
1,5-diphenylcacbazit trong 100ml rượu etylic 95
0
, cho vào bình định mức
500ml, thêm nước tới vạch. Đựng dung dịch trong bình thủy tinh màu và bảo
quản trong tủ lạnh.

b) Dung dịch dimetylgyoxim 1,2%: Hòa tan 1,2g dimetylgyoxim tinh
khiết trong axeton và pha thêm nước cất đến 1000 ml.
c) Dung dịch AgNO
3
10%: Hoà tan 104g AgNO
3
trong nước cất, cho vào
bình định mức 1000ml, thêm nước cất đến vạch.
d) Dung dịch K
2
S
2
O
8
bão hòa: Hòa tan K
2
S
2
O
8
trong 1000ml nước cất đến
khi K
2
S
2
O
8
thêm vào không tan được nữa, lọc lấy phần dung dịch.
e) Dung dịch EDTA 0,01M: Hòa tan 1,8612g EDTA trong nước cất, cho
vào bình định mức 500ml, thêm nước cất đến vạch. Bảo quản trong bình thủy

tinh màu nâu.
f) Thuốc thử eriocrom T đen (ET-OO) 0,02% trong NaCl: Trộn đều 0,02g
ET-OO trong 9,98g NaCl khan.
g) Dung dịch kali natri tartrat 1M: Hòa tan hoàn toàn 28,222g
KNaC
4
H
4
O
6
.4H
2
O trong nước, cho vào bình định mức 100ml và định mức tới
vạch.
2.2. Chế tạo và khảo sát một số đặc trƣng cấu trúc của vật liệu hấp phụ
2.2.1. Chế tạo vật liệu hấp phụ
Bã mía được xử lí sơ bộ bằng cách ngâm trong nước cất 3 - 4 giờ, rửa
sạch sau đó sấy khô ở 100
0
C trong 24 giờ. Bã mía khô được nghiền nhỏ bằng
máy nghiền bi, rây và rửa bằng nước cất nóng trong 1giờ, sấy khô ở 100
0
C.
Cuối cùng bột bã mía được rửa bằng hệ dung môi n-hexan : etanol (1:1) trên
hệ thống sohxlet trong 4 giờ, sấy khô thu được nguyên liệu.