Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước bằng vật liệu hydroxit lớp kép (mg al LDH PVAAlginat)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC – MÔI TRƯỜNG





BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITRAT TRONG NƯỚC
BẰNG VẬT LIỆU HYDROXIT LỚP KÉP
(Mg-Al LDH - PVA/Aginat)





SVTH : TRẦN THỊ MINH HẠNH
ĐỖ THỊ KIM LIÊN
GVHD : TS. NGUYỄN THỊ KIM PHƯỢNG
ThS. LÊ PHÚ ĐÔNG







BIÊN HÒA, THÁNG 01/2014

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang i

TÓM TẮT
*****

Hấp phụ là phương pháp xử lý nitrat rất hiệu quả và kinh tế. Do đó luận văn này
hướng đến một vật liệu có hiệu quả hấp phụ cao, không độc hại, có khả năng phân hủy
sinh học và rẻ tiền đó là hydroxit lớp kép (Mg-Al LDH – PVA/Algninat)
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu Mg-Al
LDH-PVA/Alginat (bằng phương pháp tĩnh) cho thấy:
 Xác định được vật liệu tối ưu cho quá trình hấp phụ nitrat là hạt 8% Mg-Al LDH-
PVA/Alginat
 Độ pH của dung dịch không làm ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng không đáng kể đến khả
năng hấp phụ của vật liệu, pH dao động từ 5 – 9.
 Thời gian hấp phụ tối ưu là 8 giờ.
 Nồng độ nitrat càng thấp thì khả năng hấp phụ của vật liệu càng cao.
 Ảnh hưởng của các anion trong dung dịch đến khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu
theo thứ tự: cacbonat > clorua > sulphat > photphat.
Nghiên cứu xử lý nitrat bằng phương pháp dòng chảy liên tục cho thấy: thời
gian vật liệu không còn khả năng xử lý là sau 28 giờ và thời gian để nồng độ nitrat
nằm trong khoảng giới hạn cho phép (2 – 10 mg/L) là 8 giờ.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ trên vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginate được
mô tả bằng phương trình Langmuir với sự tương thích cao hơn so với phương trình
đẳng nhiệt Freundlich, cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu là hấp phụ vật lý, quá trình
hấp phụ hóa học xảy ra kém hơn.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang ii

MỤC LỤC
TÓM TẮT i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG vi
DANH MỤC CÁC HÌNH vii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 4
1.1. Tổng quan về nitrat 4
1.1.1.Nguồn phát thải nitrat vào môi trường 4
1.1.1.1. Nước thải sinh hoạt 4
1.1.1.2. Nước thải công nghiệp 5
1.1.1.3. Nước thải nông nghiệp, chăn nuôi 6
1.1.2. Quá trình chuyển hóa của nitrat trong nước 7
1.1.3. Ảnh hưởng của nitrat tới môi trường và con người 9
1.1.3.1. Ảnh hưởng tới môi trường 10
1.1.3.2 Ảnh hưởng tới con người 10
1.1.4. Các phương pháp xử lý nitrat 11
1.1.4.1. Phương pháp lọc thẩm thấu ngược RO 11
1.1.4.2. Phương pháp trao đổi ion. 12
1.1.4.3. Phương pháp sinh học. 12
1.2.1. Khái niệm về LDH 13
1.2.2. Đặc điểm cấu trúc của LDH 14
1.2.3. Tính chất của LDH 15
1.2.4. Phương pháp điều chế LDH: 17

1.2.4.1. Phương pháp muối-oxit 17
1.2.4.2. Phương pháp xây dựng lại cấu trúc 17
1.2.4.3. Phương pháp muối – bazơ (đồng kết tủa) 17
1.2.4.4. Phương pháp kết tủa trong dung dịch đồng thể 18
1.2.4.5. Phương pháp kết tủa trong chế độ chu kỳ và liên tục 18
1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc của LDH trong quá trình điều chế 19
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang iii

1.2.5.1. Ảnh hưởng của pH 19
1.2.5.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ 20
1.3. Ứng dụng của LDH 20
1.4. Hấp phụ và phương pháp xử lý nước thải bằng vật liệu hấp phụ [5] 21
1.4.1. Hấp phụ 21
1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ 22
1.4.3. Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 23
1.5. Phân tích nitrat bằng phương pháp đo quang phổ so màu UV - VIS 23
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 26
2.1. Thiết bị và hóa chất 26
2.2. Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước 26
2.2.1. Hấp phụ nitrat theo phương pháp tĩnh (batch experiment): 27
2.2.1.1.Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat 27
2.2.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH 28
2.2.1.3. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ 28
2.2.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ nitrat ban đầu trong dung dịch 28
2.2.1.5. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh 28
2.2.2. Xử lý nitrat theo phương pháp dòng chảy liên tục (column experiment) 29
2.2.3. Phương pháp phân tích nitrat bằng phương pháp salicylat [4] 29
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

3.1. Đặc trưng cấu trúc của hạt Mg-Al LDH–PVA/Alginat 31
3.2. Nghiên cứu hấp phụ nitrat bằng phương pháp tĩnh 32
3.2.1. Ảnh hưởng của lượngMg-Al LDH có trong hạt PVA/alginat 32
3.2.2. Ảnh hưởng của pH 35
3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ 36
3.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu 38
3.2.5. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh 42
3.3. Nghiên cứu xử lý nitrat bằng phương pháp dòng chảy liên tục 45
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49
4.1. Kết luận 49
4.2. Kiến nghị 49
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang iv

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51
PHỤ LỤC 55
Phụ lục 1. Các dạng hạt Mg-Al LDH-PVA/Alginat 55
Phụ lục 2. Số liệu khảo sát quá trình hấp phụ nitrat bằng phương pháp tĩnh 56
Phụ lục 2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat 56
Phụ lục 2.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình hấp phụ nitrat của vật liệu 8%
Mg-Al LDH-PVA/Alginat 57
Phụ lục 2.3. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8%
Mg-Al LDH-PVA/Alginat 58
Phụ lục 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến khả năng hấp phụ của vật
liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat 59
Phụ lục 2.5. Ảnh hưởng của các anion đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8%
Mg-Al LDH-PVA/Alginat 60
Phụ lục 3. Xử lý nitrat của vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat bằng phương pháp
dòng chảy liên tục 61

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu
Tiếng Anh
Tiếng Việt
LDH
Layered Double Hydroxide
Hydroxit lớp kép
Abs
Absorbance
Độ hấp thụ
QCVN

Quy chuẩn Việt Nam
TV

Thực vật
XRD
X-Ray Diffraction
Nhiễm xạ tia X
SEM
Scanning Electron Microscope
Kính hiển vi điện tử quét
NOD

Nhu cầu tiêu thụ oxy do nitơ

EPA
Environmental Protection
Agency
Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ
TKN

Nồng độ hợp chất nitơ
ĐV

Động vật
TV

Thực vật
TDS
Total Disolved Solids
Tổng lượng khoáng

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp 6
Bảng 1.2. Thành phần chính trong phân tươi của một số loài nuôi (giá trị trung bình) 7
Bảng 2.1. Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của nitrat 30
Bảng 3.1. Các giá trị của phương trình Langmuir và Freundlich 40
Bảng 3.2. Các tham số đẳng nhiệt hấp phụ của hạt 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat 42
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của anion cạnh tranh đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu
8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat 43

Bảng 3.4. Tham số hấp phụ của vật liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat theo phương
pháp dòng chảy liên tục 47





Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang vii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Cấu trúc của LDH 14
Hình 2.1: Vật liệu hấp phụ (hạt Mg-Al LDH-PVA/Alginat) 27
Hình 2.2. Mô hình cột hấp phụ với vật liệu hydroxit cấu trúc lớp kép 29
Hình 2.3. Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của nitrat 30
Hình 3.1: Phổ XRD của vật liệu hydroxit cấu trúc lớp kép 31
Hình 3.2: Ảnh SEM 32
Hình 3.3. Ảnh hưởng của hạt Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat đến quá trình hấp
phụ nitrat (nồng độ nitrat ban đầu 10 mg/L) 33
Hình 3.4. Ảnh hưởng của hạt Mg-Al LDH trong hạt PVA/Alginat đến quá trình hấp
phụ nitrat (nồng độ nitrat ban đầu 25 mg/L) 34
Hình 3.5. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al
LDH-PVA/Alginat (nồng độ nitrat ban đầu 10 mg/L) 35
Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-Al
LDH-PVA/Alginat (nồng độ nitrat ban đầu 25 mg/L) 36
Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-
Al LDH-PVA/Alginat (nồng độ nitrat ban đầu 10 mg/L) 37
Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật liệu 8% Mg-

Al LDH-PVA/Alginat (nồng độ nitrat ban đầu 25 mg/L) 37
Hình 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ nitrat ban đầu đến quá trình hấp phụ trên vật liệu
8% Mg-Al LDH-PVA/Alginat 39
Hình 3.10. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 41
Hình 3.11. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 42
Hình 3.12. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật
liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat (nồng độ nitrat ban đầu 10 mg/L) 44
Hình 3.13. Ảnh hưởng của các anion cạnh tranh đến quá trình hấp phụ nitrat trên vật
liệu 8% Mg-Al LDH-PVA/alginat (nồng độ nitrat ban đầu 25 mg/L) 44
Hình 3.14. Đường cong hấp phụ nitrat trên vật liệu 8 % Mg-Al LDH-PVA/Alginat
theo phương pháp dòng chảy liên tục 45
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang viii

Hình 3.15. Đồ thị tuyến tính hấp phụ nitrat trên vật liệu 8 % Mg-Al LDH-PVA/Alginat
theo phương pháp dòng chảy liên tục 46

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 1

MỞ ĐẦU
*****
 Tính cấp thiết của đề tài:
Xử lý nước thải trước hết nhằm mục đích cải thiện điều kiện vệ sinh môi trường
sống của con người và xa hơn nhằm duy trì cân bằng sinh thái, tạo điều kiện phát triển
bền vững lâu dài cho con người.
Nước thải – nước sau khi sử dụng đã bị nhiễm bẩn từ sinh hoạt, hoạt động công
nghiệp, nông nghiệp được thải ra khỏi khu vực đang sử dụng về một nguồn nhận như

ao, hồ, sông, biển. Trong khi dịch chuyển, một lượng nước thải nhất định sẽ thấm vào
đất tạo ra nước ngầm cũng đem theo chất gây ô nhiễm. Tác nhân gây ô nhiêm môi
trường trong nước là các chất có khả năng chuyển hóa thành các chất khác và các chất
bền tác động đến cân bằng sinh thái trong môi trường nước nhận.
Rất nhiều hợp chất gây ô nhiễm trong nước thải có khả năng chuyển hóa cao
trong môi trường nước tự nhiên thông qua các phản ứng hóa học, sinh hóa, quang hóa
và tác động đến cân bằng sinh thái của môi trường.
Nitrat – là một phần chuyển hóa của chu trình nitơ, là thành phần dinh dưỡng
cần thiết cho sinh vật. Tuy nhiên, quá nhiều nitrat trong nước sẽ gây ra hiện tượng phú
dưỡng làm rong rêu phát triển quá mức, giảm hàm lượng oxy tan trong nước, phá hủy
hệ động vật thủy sinh, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe môi trường và chất
lượng nước mặt. Nitrat cũng là nguyên nhân của bệnh methemoglobin huyết, hết sức
có hại cho trẻ em và các bà mẹ đang nuôi con nhỏ.
Nước thải từ các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, giết mổ gia súc, sinh
hoạt đô thị thường có chứa nhiều nitrat. Ngoài ra, ngành sản xuất nông nghiệp cũng
sản sinh ra một lượng nước nhiễm nitrat đáng kể do sử dụng phân bón, thuốc trừ
sâu…chúng bị rửa trôi ra sông hồ hoặc thấm vào nguồn nước ngầm. Ô nhiễm môi
trường nước bởi nitrat đã trở thành mối quan tâm của toàn cầu. Có rất nhiều phương
pháp xử lý nước ô nhiễm nitrat như phương pháp thẩm thấu ngược, trao đổi anion, hấp
phụ, xử lý sinh học Tuy nhiên các phương pháp này có nhiều hạn chế như tạo ra
nhiều bùn thải, không xử lý triệt để và chi phí quá lớn. Hấp phụ là phương pháp xử lý
nitrat rất hiệu quả và kinh tế. Vật liệu hấp phụ được sử dụng phổ biến đó là than hoạt
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 2

tính nhưng chi phí xử lý quá cao. Do đó, nhiệm vụ đặt ra là sớm khai thác được vật
liệu hấp phụ thật rẻ tiền để xử lý nitrat.
Hydroxit lớp kép (Layered Double Hydroxide - LDH) là nhóm vật liệu khoáng
sét anion cấu trúc nano, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như là xúc tác,

xử lý môi trường, y học, v.v. và đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm
nghiên cứu. LDH có công thức chung là [M
2+
1-x
M
3+
x
(OH)
2
]
x+
[(A
m-
)
x/m
.nH
2
O]
x-
. Trong
đó M
2+
là cation hóa trị 2, M
3+
là cation hóa trị 3, x là tỷ lệ mol M
3+
/(M
2+
+M
3+

), và A
là anion xen của hóa trị m. LDH mang điện tích dương được cân bằng bởi các anion và
nước đan xen[12,13]. Nhờ vào đặc tính diện tích bề mặt lớn và khả năng trao đổi anion
cao, nên trong những năm gần đây LDH đã được nghiên cứu và ứng dụng xử lý chất
độc hại oxyanion bao gồm phốt-phát[14-18], nitrat[19-23], crom[24-27], selen và
asen[28-31] trong nước. Cơ chế xử lý độc chất oxyanion trong nước bằng LDH chủ
yếu là hấp phụ và trao đổi anion. Nhìn chung, tất cả các công trình công bố ở trên đều
cho thấy hiệu quả loại bỏ hợp chất oxyanion trong nước của bột LDH, tuy nhiên, do độ
thấm thấp và lượng bùn sinh ra quá lớn, nên vật liệu LDH dạng bột không phù hợp
ứng dụng trong hệ thống lọc của các quy trình xử lý nước và nước thải. Để cải thiện
hạn chế trên, LDH dạng hạt được đề nghị sử dụng.
Ngậm “vật liệu chức năng (functional materials)” trong canxi alginat, ứng dụng
xử lý chất ô nhiễm trong nước và nước thải đang được các nhà khoa học trên thế giới
quan tâm do tính đơn giản và hiệu quả [32,33]. Độ xốp của Ca-alginat cho phép chất ô
nhiễm khuếch tán vào bên trong các hạt và tiếp xúc với các vật liệu chức năng [34].
Ngoài ra, alginat là chất không độc, phân hủy sinh học và gel không tan trong nước
[35]. Tuy nhiên, do độ bền cơ học và độ ổn định hóa học của canxi alginat trong nước
kém, nên nhanh chóng bị biến dạng, để cải thiện yếu điểm này canxi alginat được phối
trộn với polyvinyl alcol (PVA)[36]
Nghiên cứu này được thực hiện nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng LDH trong
quá trình xử lý độc chất oxyanion trong nước. Bột LDH sẽ được ngậm trong canxi
alginat pha trộn với PVA tạo thành các hạt LDH-PVA/Alginat. Nghiên cứu hiệu quả
xử lý N-NO
3
-
trong nước của hạt LDH-PVA/Alginat. Các phương trình đẳng nhiệt hấp
phụ Langmuir và Freundlich được sử dụng để phân tích kết quả thực nghiệm.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 3

Xuất phát từ những ưu điểm nêu trên chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu xử lý
nitrat trong nước bằng vật liệu hydroxit lớp kép (Mg-Al LDH - PVA/Algninat)”.
 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu xử lý nitrat trong nước bằng vật liệu hydroxit lớp kép Mg-Al LDH
ngậm trong hạt polyvinyl alcol/alginat.
 Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ N-NO
3
-
của vật liệu Mg-Al LDH-PVA/Alginat theo
phương pháp tĩnh (batch experiment), nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
hấp phụ như: lượng Mg-Al LDH chứa trong hạt PVA/Alginat, pH của dung dịch, thời
gian hấp phụ, nồng độ nitrat ban đầu và các anion cạnh tranh.
- Nghiên cứu khả năng xử lý N-NO
3
-
của vật liệu Mg-Al LDH-PVA/Alginat theo
phương pháp dòng chảy liên tục (column experiment).
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nitrat[1]
Nitrat là một phần của chu trình nitơ trong môi trường. Hoạt động của con
người bao gồm nước thải đô thị, công nghiệp chưa được xử lý hay sử dụng quá nhiều
phân đạm trong sản xuất nông nghiệp, đã phát thải nitrat vào môi trường gây ô
nhiễm nghiêm trọng môi trường đất, nước mặt và nước ngầm.

1.1.1.Nguồn phát thải nitrat vào môi trường[1, 11]
1.1.1.1. Nước thải sinh hoạt[11]
Thành phần nitơ trong thức ăn của người và động vật nói chung chỉ được cơ thể
hấp thu một phần, phần còn lại được thải ra dưới dạng chất rắn (phân) và các chất bài
tiết khác (nước tiểu, mồ hôi).
Nguồn nước thải từ sinh hoạt gồm: nước vệ sinh tắm, giặt, nước rửa rau, thịt,
cá, nước từ bể phốt, từ khách sạn, nhà hàng, các dịch vụ công cộng như thương mại,
bến tàu xe, bệnh viện, trường học, khu du lịch, vui chơi, giải trí. Chúng thường được
thu gom vào các kênh dẫn thải. Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất amoniac,
protein, peptid, axit amin, amin cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và
lỏng. Mỗi người hàng ngày tiêu thụ 5 – 16 gam nitơ dưới dạng protein và thải ra
khoảng 30% trong số đó. Hàm lượng nitơ thải qua nước tiểu lớn hơn trong phân
khoảng 8 lần. Các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là protein và urin trong nước tiểu bị
thủy phân rất nhanh tạo thành amoni/ammoniac. Trong các bể phốt xảy ra quá trình
phân hủy yếm khí các chất thải, quá trình phân hủy này làm giảm đáng kể lượng chất
hữu cơ dạng cacbon nhưng tác dụng làm giảm hợp chất nitơ không đáng kể, trừ một
phần nhỏ tham gia vào cấu trúc tế bào vi sinh vật. Hàm lượng hợp chất nitơ trong nước
thải từ các bể phốt cao hơn so với các nguồn thải chưa qua phân hủy yếm khí.
Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do lượng oxy
hòa tan và mật độ vi sinh tự dưỡng (tập đoàn vi sinh có khả năng oxy hóa amoni) thấp.
Thành phần amoni chiếm 60 – 80% hàm lượng nitơ tổng trong nước thải.
Nồng độ hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt biến động theo lưu lượng
nguồn nước thải: mức độ sử dụng nước của dân cư, mức độ tập trung các dịch vụ công
cộng, thời tiết, khí hậu trong vùng, tập quán ăn uống sinh hoạt (thức ăn nguội, tự nấu
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 5

nướng), thay đổi mạnh theo chu kỳ thời gian ngày tháng cũng như mức sống và tiện
nghi cộng đồng. Lượng chất thải vì vậy thường được tính theo đầu người (khối lượng

khô) hoặc nồng độ sau khi được pha loãng với mức nước sử dụng trên đầu người (ở
các nước công nghiệp khoảng 190 lít/người/ngày) hoặc trong các cống rãnh thải (450
lít/người/ngày).
Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: Các hợp chất hữu
cơ, amoni và các hợp chất dạng ôxy hoá (nitrit và nitrat). Các hợp chất nitơ là các chất
dinh dưỡng, chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hoá.
Nitrat (NO
3
-
) là dạng hợp chất vô cơ của nitơ có hoá trị cao nhất và có nguồn gốc
chính từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực phẩm, hoá
chất, chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ. Khi vào sông hồ, chúng tiếp tục bị nitrat
hoá, tạo thành nitrat. Nitrat hoá là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hoá các
chất hữu cơ chứa nitơ. Mặt khác, quá trình nitrat hoá còn tạo nên sự tích luỹ oxy trong
hợp chất nitơ để cho các quá trình oxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ tiếp theo, khi
lượng oxy hoà tan trong nước rất ít hoặc bị hết.
1.1.1.2. Nước thải công nghiệp[1]
Ô nhiễm do hợp chất nitơ từ sản xuất công nghiệp liên quan chủ yếu tới chế
biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành nghề như chế biến mủ cao
su, chế biến tơ tằm, thuộc da.
Chế biến thực phẩm thải một lượng đáng kể hợp chất chứa nitơ liên quan đến
loại thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thủy sản, giết mổ, và sản xuất thức ăn từ các
loại thịt, sữa, đậu, nấm.
Chế biến thủy sản, giết mổ gia súc gồm các công đoạn sản xuất các sản phẩm
đông lạnh (thô) và đồ hộp. Giai đoạn đầu của quá trình chế biến là vệ sinh, giết, mổ,
loại bỏ các phần thải (vây cá, lông, phân, chân tôm, cua…). Các công đoạn kể trên
thường được thực hiện trong nước, hoặc được rửa bằng nước với lượng khá lớn. Nước
thải từ khâu giết mổ chứa một lượng lớn máu, mỡ, phân cùng các mảnh thịt vụn, nước
thải từ khâu giết mổ được thu gom cùng với nước vệ sinh dụng cụ và nơi làm việc.
Bảng 1.2 ghi mức độ ô nhiễm hợp chất nitơ trong một vài nguồn thải.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 6

Bảng 1.1. Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp
Nguồn
Nồng độ nitơ tổng (mg/L) (khoảng)
- Giết mổ
115
- Chế biến thịt
76
- Chế biến:
+ Cá da trơn
+ Cua
+Tôm
+ Cá

33 (28 – 50)
94 (58 – 138)
215 (164 – 266)
30
- Chế biến rau, quả, đồ uống
4
- Bột, sản phẩm khoai tây
21 (5 – 40)
- Rượu vang
40 (10 – 50)
- Hóa chất, phân bón
+ NH

3
_N
+NO
3
-
_N

1270
550
(nguồn: Lê Văn Cát – Xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ và photpho)
1.1.1.3. Nước thải nông nghiệp, chăn nuôi[1]
Canh tác nông nghiệp về nguyên tắc phải bón phân đạm và lân cho cây trồng vì
các yếu tố trên thiếu trong đất trồng trọt. Trong rất nhiều trường hợp người ta còn sử
dụng nguồn nước thải để tưới nhằm tận dụng lượng hợp chất nitơ, photpho trong đó để
làm phân bón cho cây trồng. Tuy nhiên, lượng phân đã bón cây trồng không hấp thu
được nhiều do nhiều nguyên nhân: phân hủy, rửa trôi (phân đạm, urê, phân lân, phân
tổng hợp (NPK)) hoặc do tạo thành dạng không tan, nhất thời cây trồng không thể hấp
thu đối với phân lân. Có số liệu cho thấy phân urê khi bón cho lúa nước có thể bị mất
mát tới 30 – 40% do bị rửa trôi, thấm vào đất hay bị phân hủy ngoài môi trường. Trong
môi trường nước, urê rất dễ dàng bị thủy phân tạo thành ammoniac và khí cacbonic:
CO(NH
2
)
2
+ H
2
O  CO
2
+ 2NH
3

Lượng nitơ trong phân đạm urê chiếm 46%, mỗi ha lúa nước sử dụng khoảng
12kg urê, với lượng phân đạm sử dụng hàng năm ở nước ta khoảng 2 triệu tấn thì
lượng nitơ thải vào môi trường cũng khá lớn.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 7

Nguồn nước thải phát sinh do chăn nuôi gia cầm, gia súc có lưu lượng nhỏ hơn
so với nước thải sinh hoạt, chủ yếu là do nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại. Nước
thải từ chuồng trại chăn nuôi chứa một lượng chất rắn không tan lớn: phân, rác rưởi,
bùn đất, thức ăn thừa rơi vãi, các hợp chất hữu cơ chứa nitơ được chiết ra từ các chất
rắn khi gặp nước. Nồng độ các tạp chất trong nước thải chuồng trại cao hơn từ 50 –
150 lần so với mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị, nồng độ hợp chất nitơ (TKN) nằm
trong khoảng 1500 – 15200 mg/L. Nước thải chuồng trại của các loài nuôi khác nhau
có độ ô nhiễm khác nhau vì các thành phần dinh dưỡng trong phân khác nhau. Bảng
1.3 ghi một số thành phần chính trong phân của các loài vật nuôi khác nhau.
Bảng 1.2. Thành phần chính trong phân tươi của một số loài nuôi (giá trị trung bình)
Phân loài nuôi
Độ ẩm (%)
N (%)
P
2
O
5
(%)
K
2
O (%)
Bò thịt

85
0,5
0,2
0,5
Bò sữa
85
0,7
0,5
0,5
Gia cầm
72
1,2
1,3
0,6
Lợn
82
0,5
0,3
0,4
Dê, cừu
77
1,4
0,5
0,2
(nguồn: Lê Văn Cát – Xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ và photpho)
1.1.2. Quá trình chuyển hóa của nitrat trong nước[8, 10]
Hiện tượng phú dưỡng là một khái niệm dùng để chỉ một nguồn nước, trong đó
có quá trình phát triển ồ ạt của thủy thực vật mà trước tiên là các loài vi tảo. Nguyên
nhân của quá trình trên là do nước chứa nhiều chất dinh dưỡng cho thực vật: đạm và
lân. Trong giai đoạn tảo phát triển, nguồn nước giàu oxy, pH cao do quá trình quang

hợp áp đảo quá trình hô hấp của thực vật, và ngược lại. Trong giai đoạn tảo chết, phân
hủy, nguồn nước sẽ bị cạn kiệt oxy, pH thường là thấp và bị ô nhiễm bởi các chất từ
quá trình phân hủy yếm khí có tính khử (hóa học) cao, độc, có mùi hôi.
Hợp chất nitơ ít có sẵn trong nguồn nước, chủ yếu là do chất thải từ các hoạt
động của con người dưới dạng hợp chất hữu cơ chứa nitơ (axit amin, protein, urin…)
các chất này dễ dàng bị thủy phân tạo thành amoniac. Sự có mặt của amoniac trong
nước gây ra nhu cầu tiêu thụ oxy do nitơ (nitrogeneous oxygen demand, NOD), tức là
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 8

lượng oxy cần thiết để oxy hóa amoniac thành nitrit (do vi khuẩn Nitrosomonas) và
tiếp tục thành nitrat (do vi khuẩn Nitrobacter) là dạng khó xử lý nhất của nitơ.
Quá trình chuyển NO
3
-
 NO
2
-
 NO  N
2
O  N
2
với việc sử dụng metanol
làm nguồn cacbon được biểu diễn bằng sơ đồ sau đây:

Khí nitơ là sản phẩm cuối của quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học.
Quá trình oxy hóa tới nitrit và nitrat gọi là quá trình nitrat hóa.
Nitrat hóa
Nitrat hoá là một quá trình tự dưỡng (năng lượng cho sự phát triển của vi khuẩn

được lấy từ các hợp chất oxy hoá của Nitơ, chủ yếu là Amôni. Ngược với các vi sinh
vật dị dưỡng các vi khuẩn nitrat hoá sử dụng CO
2
(dạng vô cơ) hơn là các nguồn
cacbon hữu cơ để tổng hợp sinh khối mới. Sinh khối của các vi khuẩn nitrat hoá tạo
thành trên một đơn vị của quá trình trao đổi chất nhỏ hơn nhiều lần so với sinh khối
tạo thành của quá trình dị dưỡng.
Quá trình Nitrat hoá từ Nitơ Amôni được chia làm hai bước và có liên quan tới
hai loại vi sinh vật, đó là vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria. Ở giai đoạn
đầu tiên amôni được chuyển thành nitrit và ở bước thứ hai nitrit được chuyển thành
nitrat.
Bước 1. NH
4
-
+ 1,5 O
2
 NO
2
-
+ 2H
+
+ H
2
O
Bước 2. NO
-
2
+ 0,5 O
2


NO
3
-

Nitơ phân tử
N
2

NH
4
+
hoặc NH
3

NO
3
-

NO
2
-

Nitrat
hóa
+
O
2

Cố định Nitơ

Nitrat hóa

Amon hóa
+
O
2

N_protein động
vật

N_protein thực vật
Khử nitơrat
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 9

Các vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria sử dụng năng lượng lấy từ
các phản ứng trên để tự duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối. Có thể tổng hợp
quá trình bằng phương trình sau :
NH
4
-
+ 2 O
2
 NO
3
-
+ 2H
+
+ H

2
O (*)
Cùng với quá trình thu năng lượng, một số ion Amôni được đồng hoá vận
chuyển vào trong các mô tế bào. Quá trình tổng hợp sinh khối có thể biểu diễn bằng
phương trình sau:
4CO
2
+ HCO
3
-
+ NH
+
4
+ H
2
O  C
5
H
7
O
2
N + 5O
2

C
5
H
7
O
2

N tạo thành được dùng để tổng hợp nên sinh khối mới cho tế bào vi khuẩn.
Toàn bộ quá trình oxy hoá và phản ứng tổng hợp được thể hiện qua phản ứng
sau:
NH
4
+
+ 1,83O
2
+ 1,98HCO
3
-
0,021C
5
H
7
O
2
N + 0,98NO
3
-
+ 1,041H
2
O + 1,88H
2
CO
3

Lượng oxy cần thiết để oxy hoá amoni thành nitrat cần 4,3 mg O
2
/ 1mg NH

4
+
.
Giá trị này gần bằng với giá trị 4,57 thường được sử dụng trong các công thức tính
toán thiết kế. Giá trị 4,57 được xác định từ phản ứng (*) khi mà quá trình tổng hợp
sinh khối tế bào không được xét đến.
Khi thiếu oxy và tồn tại nitrat hoá sẽ xảy ra quá trình ngược lại: Tách oxy khỏi
nitrat và nitrit để sử dụng lại trong các quá trình oxy hoá các chất hữu cơ khác. Quá
trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn phản nitrat hoá (vi khuẩn yếm khí tuỳ tiện).
Trong điều kiện không có oxy tự do mà môi trường vẫn còn chất hữu cơ cacbon, một
số loại vi khuẩn khử nitrat hoặc nitrit để lấy oxy cho quá trình oxy hoá các chất hữu
cơ. Quá trình khử nitrat được biểu diễn theo phương trình phản ứng sau đây:
4NO
3
-
+ 4H
+
+ 5C
hữu cơ
 5CO
2
+ 2N
2
+ 2H
2
O
Trong quá trình phản nitrat hoá, 1 gam nitơ sẽ giải phóng 1,71g O
2
(khử nitrit)
và 2,85 gam O

2
(khử nitrat).
1.1.3. Ảnh hưởng của nitrat tới môi trường và con người [8]
Nồng độ nitrat trong nước uống cao có tác hại nghiêm trọng đến sức khỏe con
người và động vật. Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã thiết lập mức độ ô
nhiễm tối đa là 10 mg/L đối với N-NO
3
-
; đối với Việt Nam, theo QCVN
08:2008/BTNMT về Quy chuẩn nước mặt thì mức độ ô nhiễm tối đa của N-NO
3
-
là 15
mg/L.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 10

1.1.3.1. Ảnh hưởng tới môi trường
Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh
dưỡng. Do vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như rêu,
tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất lượng nước,
phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất độc trong nước như
NH
4
+
, H
2
S, CO
2

, CH
4
tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích trong nước. Hiện tượng đó
gọi là phú dưỡng nguồn nước. Lúc đầu ảnh hưởng còn nhỏ, sinh khối tăng ít. Quá trình
tiếp tục, dần dần dẫn đến toàn bộ hệ sinh thái của hệ thống bị xáo trộn. Những thay đổi
chủ yếu diễn ra trong thành phần các loài TV nổi (phytoplankton), chủ yếu sinh sôi các
loài "nở hoa" gồm cả tảo lục độc. Với sản lượng tảo tăng lên làm cho độ đục tăng, độ
xuyên ánh sáng giảm, gây tổn thất cho hệ đại TV (Marcrophyte) mọc dưới nước. Các
hệ TV này là thức ăn cho các hệ ĐV hồ, là nơi cư trú của cá và ĐV không xương sống.
Do tổn thất này, các loài động vật không xương sống bị cạn kiệt, thành phần của quần
xã cá bị thay đổi. Đặc biệt là vào mùa xuân, khi nhiệt độ, ánh sáng tăng lên và nước
phân tầng, sinh khối tảo tăng nhanh, rồi chết gây ra màu nước xanh do sự phân hủy
của tảo, tạo ra mùi khó chịu và một số chất độc, làm giảm hàm lượng oxy của nước
một cách nghiêm trọng, thường gây chết cá.
Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn
nước thải. Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lừ, sông Tô Lịch đều có
màu xanh đen hoặc đen, có mùi hôi thối do thoát khí H
2
S. Hiện tượng này tác động
tiêu cực tới hoạt động sống của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái của nước hồ,
tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của khu dân cư.
1.1.3.2 Ảnh hưởng tới con người [8]
Trên bình diện sức khoẻ Nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây nên hiệu ứng về
môi trường. Sự có mặt của Nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến
hệ sinh thái và sức khoẻ cộng đồng. Khi trong nước thải có nhiều Amoniac có thể gây
độc cho cá và hệ động vật thuỷ sinh, làm giảm lượng oxy hoà tan trong nước. Khi hàm
lượng nitơ trong nước cao cộng thêm hàm lượng photpho có thể gây phú dưỡng nguồn
tiếp nhận làm nước có màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng oxy hoà tan trong nước
giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 11

Bản thân NO
3
-
không gây rủi ro cho sức khỏe, tuy nhiên NO
3
-
giảm thành NO
2
-

do men khử nitrat và gây độc. NO
2
-
ảnh hưởng đến sức khoẻ với 2 khả năng sau:
chứng máu Methemoglobin và ung thư tiềm tàng.
Khi hợp chất nitơ trong nước thải không được xử lý, để nó đi vào trong chuỗi
thức ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm. Nitrat tạo chứng
thiếu Vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các nitrosamin là nguyên
nhân gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa
mẹ hoặc qua nước dùng để pha sữa. Khi lọt vào cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit
nhờ vi khuẩn đường ruột. Ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con
người. Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thể
tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư. Trong cơ thể Nitrit có thể oxy hoá sắt II
ngăn cản quá trình hình thành Hb làm giảm lượng ôxy trong máu có thể gây ngạt, nôn,
khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong.
1.1.4. Các phương pháp xử lý nitrat[9]
1.1.4.1. Phương pháp lọc thẩm thấu ngược RO

Khử nitrat bằng phương pháp lọc qua màng có hiệu quả cao với thẩm thấu
ngược (RO) và siêu lọc UF. Tuy nhiên hiệu quả chỉ khoảng 60 - 65% hàm lượng nitrat
được loại trừ. Để khử nitrat triệt để, phương pháp RO thường được đưa vào dây
chuyền công nghệ vận hành trước cột trao đổi ion.
Phương pháp thẩm thấu ngược dùng màng bán thấm RO rất tốn kém chỉ dùng
để khử nước có tổng lượng khoáng (TDS) cao, nước nhiễm mặn hoặc có nguồn gốc
nước ven biển, nước biển.
Chọn phương pháp khử nitrat cần phải dựa vào chất lượng nước yêu cầu sau xử
lý, thành phần muối hòa tan trong nước nguồn:
- Khi tổng hàm lượng muối trong nước nguồn thấp: nitrat vượt quá tiêu chuẩn,
lượng ion Cl
-
trong nước thấp dùng phương pháp trao đổi ion phù hợp.
- Khi tổng hàm lượng muối trong nước nguồn cao: Cl
-
, SO
4
2-
, NO
3
-
cao ứng
dụng phương pháp trao đổi ion không hiệu quả kinh tế, nên dùng phương pháp phối
hợp với phương pháp thẩm thấu ngược dùng màng bán thấm RO.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 12

1.1.4.2. Phương pháp trao đổi ion.

Trao đổi ion là quá trình hấp thụ các ion trong dung dịch lên lớp vật liệu trao
đổi và thay thế bằng những ion bằng lớp vật liệu trao đổi hòa tan vào dung dịch ấy. Để
khử ion nitrat trong nước, khi sử dụng phương pháp trao đổi ion chất lượng nước sau
xử lý sẽ đạt được độ an toàn cao. Ion nitrat sẽ được trao đổi với một ion của nhựa trao
đổi ion với một lưu lượng dòng chảy được lựa chọn.
Trong phương pháp xử lý nước ngầm nhiễm nitrat, loại nhựa anionit có tính
kiềm mạnh rất thích hợp và thông dụng. Loại nhựa này có độ bền khá cao, hiệu quả
trao đổi tốt, chất lượng trao đổi lớn. Nhựa trao đổi anionit thường có dạng tổng quát là
R-Cl. Quá trình khử nitrat bằng phương pháp trao đổi ion dựa theo phản ứng sau:
R-Cl + NO
3
-
 R-NO
3
+ Cl
-

NO
3
-
được hấp phụ kết nối trên nhựa trao đổi ion tạo thành R -NO
3
, còn ion Cl
-

ở trong hạt nhựa sẽ hòa tan trong nước. R-NO
3
có thể được tái sinh lại dạng ban đầu
R-Cl bằng cách hoàn nguyên nhựa trao đổi bởi dung dịch NaCl hay dung dịch NaOH
theo phản ứng sau hóa học sau:

R-NO
3
+ NaCl  RCl + NO
3
-

Hoặc R-NO
3
+ NaOH  ROH + NO
3
-

Tuy nhiên loại nhựa kiềm mạnh cũng khử các anion khác có trong nước. Tùy
thuộc vào lượng SO
4
2-
trong nước nhiễm nitrat mà ảnh hưởng đến dung lượng trao đổi
Nitrat của nhựa. Tùy theo yêu cầu chất lượng nước và từng điều kiện cụ thể có thể
chọn phương pháp khử nitrat thích hợp, thông thường người ta thường dùng phương
pháp trao đổi ion.
Điều kiện áp dụng phương pháp trao đổi ion đạt hiệu quả cao: Nước có hàm
lượng cặn < 1 g/L. Tổng hàm lượng ion nitrat, sulfat và clor có trong nước nguồn
muốn xử lý phải nhỏ hơn 250 mg/L (vì hàm lượng clo lớn nhất cho phép trong nước
ăn uống là 250 mg/L).
1.1.4.3. Phương pháp sinh học.
Trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí, nitơ amôn
sẽ được chuyển thành nitrit và nitrit nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas và
Nitrobacter. Khi môi trường thiếu oxy, các loại vi khuẩn khử nitrat Denitrificant (dạng
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 13

kỵ khí tùy tiện) sẽ tách oxy của nitrat (NO
3
-
) và nitrit (NO
2
-
) để oxy hóa chất hữu cơ.
Nitơ phân tử N
2
tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước.
1.2. Đặc điểm cấu trúc, tính chất của hydroxit lớp kép (Layered Double Hydroxide –
LDH) [5, 6]
LDH có nguồn gốc từ Hydrotalcite là khoáng vật hiếm trong tự nhiên, màu
trắng ngọc trai, được xác định cùng họ với khoáng sét anion, có kích thước rất nhỏ
được trộn lẫn với các khoáng khác gắn chặt trên những phiến đá vùng đồi núi, chúng
được tìm thấy rất nhiều ở vùng Norway và Ural ở Nga.
Năm 1966, ứng dụng những thành quả nghiên cứu về khoáng sét tự nhiên,
người ta tổng hợp thành công LDH công nghiệp từ các muối kim loại.
LDH có thể trao đổi ion và hấp phụ nên được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều
lĩnh vực. Hiện nay, LDH có thể điều chế bằng nhiều phương pháp và con người tiếp
tục phát triển nghiên cứu sản xuất LDH chất lượng cao với giá rẻ hơn để bảo vệ con
người và môi trường.
1.2.1. Khái niệm về LDH
LDH là hỗn hợp các hydroxide của kim loại hóa trị 2 và kim loại hóa trị 3 tạo
thành những lớp đa diện mang điện tích dương. Để cấu trúc trung hòa về điện, các
anion bị hydrat hóa được đan xen vào các khoảng trống giữa hai lớp đa diện.
Công thức tổng quát: [M
2+

1-x
M
3+
x
(OH)
2
X
m
x/m
]nH
2
O.
Trong đó:
M
2+
là kim loại hóa trị 2 như: Mg, Zn, Ca, Fe, Ni, Cu…
M
3+
là kim loại hóa trị 3 như: Al, Fe, Cr
X là các anion như:
-
Halogenua: F
-
, Cl
-
, Br
-
- Gốc axit vô cơ có chứa oxy: NO
3
-

, CO
3
2-
, SO
4
2-
…
- Phức anion: NiCl
4
-
, Fe(CN)
6
4-
…
- Anion hữu cơ hay polyme: oxalate (-OOC-COO-), acrylate (CH
2
=CH-COO-),
polyacrylate (-CH
2
-CH(COO)-)
x là tỉ số nguyên tử M
n+
/(M
2+
+ M
3+
). Trong đó tỉ số x nằm trong khoảng
    
x = 0,33 thì M
2+

: M
3+
= 2:1
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 14

x = 0,25 thì M
2+
: M
3+
= 3:1
x = 0,2 thì M
2+
: M
3+
= 4:1
1.2.2. Đặc điểm cấu trúc của LDH
LDH có cấu tạo dạng lớp bao gồm:
 Lớp hydroxit có dạng [M
2+
1-x
M
3+
x
(OH)
2
]
n+
trong đó một phần kim loại hóa trị 2

được thay thế bằng kim loại hóa trị 3, đỉnh là các nhóm OH, tâm là các kim loại hóa trị
2 và kim loại hóa trị 3, như cấu trúc brucite trong tự nhiên, sắp xếp theo dạng M(OH)
6

bát diện tạo những lớp hydroxide tích điện dương.
 Lớp xen giữa: [X
m
x/m
]nH
2
O là các anion mang điện tích âm và các phân tử nước
nằm xen giữa trung hòa lớp điện tích dương của các lớp hydroxit.
Những lớp điện tích dương trong LDH được cân bằng bởi anion ở lớp trung
gian. Do đó, LDH có khả năng trao đổi anion ở lớp trung gian. Ngoài những anion, các
phân tử nước cũng được định vị ở lớp trung gian giữa những lớp hydroxit kim loại.
Tương tác tích điện giữa các lớp kim loại với các anion và liên kết hydrogen
giữa các phân tử nước làm cho cấu trúc có độ bền vững nhất định.
Các anion và các phân tử nước trong lớp xen giữa được phân bố một cách ngẫu
nhiên và có thể di chuyển tự do không định hướng, có thể các anion khác vào hoặc loại
bỏ các anion lớp xen giữa mà không làm thay đổi tính chất của LDH.

Hình 1.1. Cấu trúc của LDH
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 15

Tùy thuộc vào bản chất của các cation, anion mà số lượng lớp xen giữa và kích
thước hình thái của chúng thay đổi tạo cho vật liệu có những đặc tính riêng.
1.2.3. Tính chất của LDH
Vùng không gian giữa các lớp LDH gồm có các anion và các phân tử nước sắp

xếp một cách hỗn độn. Điều này đã tạo ra những tính chất đặc trưng của các dạng
LDH.
 Tính trao đổi ion
Các đa kim loại hay các oxo kim loại trong dung dịch có sức hấp dẫn rất lớn đối
với LDH lớp xen giữa, dạng cấu trúc này có khả năng trao đổi một lượng lớn anion
bên trong bằng những anion khác ở trạng thái khác nhau. Đây là một trong những tính
chất quan trọng của LDH.
Phản ứng trao đổi anion được phát hiện do sự thay đổi giá trị giữa khoảng trống
giữa hai lớp hydroxit kế cận. Sự thay đổi này có liên hệ với hình dạng và mật độ điện
tích của các anion tương ứng.
Phương trình trao đổi anion thường có dạng sau:
[M
2+
M
3+
A] + A
n-
= [M
2+
M
3+
A
n
] + A
-

Khả năng trao đổi ion phụ thuộc rất lớn vào bán kính, điện tích anion A
-
và
anion A cần trao đổi, chiều dài D của hai lớp hydroxit.

Khi sử dụng LDH trong phản ứng xúc tác thì kích thước lỗ xốp và diện tích bề
mặt của LDH cũng sẽ bị ảnh hưởng. Độ tinh khiết của tinh thể cũng ảnh hưởng lớn
đến quá trình trao đổi.
Ngoài ra sự trao đổi anion trong LDH phụ thuộc chủ yếu vào tương tác tĩnh
điện giữa các lớp hydroxit tích điện dương với các anion đang trao đổi và mức năng
lượng tự do thấp nhất của sự hydrat hóa.
Hằng số cân bằng tăng khi bán kính anion giảm. Sự trao đổi diễn ra thuận lợi
với các anion có mật độ diện tích cao. Từ những tính toán về hằng số cân bằng Miyata
(1983) đã đưa ra dãy anion hóa trị : OH
-
> F
-
> Cl
-
> Br
-
> NO
3
-
và CO
3
2-
> SO
4
2-
>
MnO
4
2-
.

 Sự trao đổi ion phụ thuộc vào:
- Tương tác tĩnh điện của lớp hydroxit với anion xen giữa và năng lượng tự do
của các anion cần trao đổi.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng

Trang 16

- Ái lực của lớp hydroxit với các anion cần trao đổi trong dung dịch và ái lực của
lớp hydroxit với các anion trong lớp xen giữa.
- Cấu tạo của ion cần trao đổi:
 Hằng số cân bằng trao đổi tăng khi bán kính anion trao đổi giảm, trao đổi ion sẽ
thuận lợi với các anion trong dung dịch có nồng độ cao.
 Anion hóa trị 2 được ưu tiên hơn anion hóa trị 1 và thời gian trao đổi cũng
nhanh hơn.
- Khoảng cách lớp xen giữa D
- Sự trao đổi ion còn có sự ưu tiên đối với ion trong mạng lưới tinh thể vật liệu
chất hấp phụ rắn, hoặc ít ra có cấu tạo giống với một trong những ion tạo ra mạng lưới
tính chất của lớp hấp phụ, khi đó sự hấp phụ được xem là sự kết tinh.
- Khả năng trao đổi còn phụ thuộc vào pH của dung dịch chứa anion.
 Tính hấp phụ:
Hấp phụ các anion là một hình thức tái tạo lại cấu trúc của LDH sau khi nung ở
nhiệt độ nhất định. Tính chất hấp phụ thể hiện rất tốt đối với LDH/CO
3
2-
. Sau khi
nung, LDH/CO
3
bị mất các phân tử nước lớp xen giữa và khí CO
2
thoát ra, hình thành

những tâm bazơ như: O
2-
trên bề mặt, tâm O
2-
gần nhóm hydroxyl có cấu trúc M
2+
1-
x
M
3+
x
(O)
1+x/2
. Trong dung dịch các oxit này có khả năng tái tạo lại cấu trúc lớp các
anion khác.
Điển hình cho tính hấp phụ LDH/CO
3
là LDH được điều chế từ Mg và Al có
công thức như sau:
[Mg
1-x
Al
x
(OH)
2
](CO
3
)
x/2
.zH

2
O (LDH/[MgAl-CO
3
]
Phương trình tái tạo cấu trúc lớp như sau:
Mg
1-x
Al
x
O
1+x/2
+ x/nA
n-
+ (1+x/2+m)H
2
O  [Mg
1-x
Al
x
(OH)
2
]A
n-
x/n
.mH
2
O
Với A
n-
là anion cần hấp phụ.

LDH sau nung chỉ hấp phụ với các anion hình thành lớp xen giữa, không có khả
năng trao đổi cation với Mg
2+
và Al
3+
ở các tâm bát diện do lực liên kết tạo phức lớn.
Các LDH sau nung hấp phụ trong môi trường nước nên chịu tác động của nhiều
yếu tố như: pH, các ion, hợp chất lạ.