Nghiên cứu hấp phụ Metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 bằng vật liệu bã chè và thăm dò xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM




ĐINH TRIỆU TỒN



NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ METYLEN XANH,
PHẨM ĐỎ ĐH 120 BẰNG VẬT LIỆU BÃ CHÈ
VÀ THĂM DỊ XỬ LÝ MƠI TRƯỜNG



Chun ngành: HỐ PHÂN TÍCH
Mã số: 60.44.01.18


LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC



Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐỖ TRÀ HƯƠNG



1-22,24-41,44-46,50-65,67-68,71-98
23,42,43,47,48,49,66,69,70

Thái Ngun– 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
i
LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH
120 bằng vật liệu bã chè và thăm dò xử lý mơi trường” là do bản thân tơi thực
hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tơi xin chịu
trách nhiệm.

Thái ngun, tháng 4 năm 2014
Tác giả luận văn


ĐINH TRIỆU TỒN












Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

ii
LỜI CẢM ƠN


Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. ĐỖ TRÀ HƯƠNG cơ giáo
trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này. Cảm ơn các thầy giáo, cơ giáo Khoa Hóa
học, các thầy cơ Khoa sau Đại học, các thầy cơ trong Ban Giám hiệu trường Đại
học Sư phạm - Đại học Thái Ngun đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi và giúp
đỡ em trong q trình học tập, nghiên cứu, để hồn thành luận văn khoa học.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cơ giáo và các cán bộ phòng thí
nghiệm Khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái Ngun và các bạn đồng
nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu
của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu sót. Em rất
mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cơ giáo, các bạn đồng nghiệp
và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn
được hồn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Ngun, tháng 4 năm 2014
Tác giả




ĐINH TRIỆU TỒN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
iii
MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các bảng, iv
Danh mục các hình v
Danh mục từ viết tắt
MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 4

1.1. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 4

1.1.1. Các khái niệm 4

1.1.2. Động học hấp phụ 7

1.1.3. Các mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt 9

1.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình hấp phụ 15
1.1.5. Đặc điểm chung của hấp phụ trong mơi trường nước 15

1.2. Các nguồn gây ơ nhiễm mơi trường nước 16

1.3. Sơ lược về thuốc nhuộm 17

1.3.1. Định nghĩa thuốc nhuộm 17

1.3.2. Phân loại thuốc nhuộm 18

1.4. Giới thiệu về VLHP bã chè 21

1.5. Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metylen xanh và phẩm đỏ ĐH120 trong
mơi trường nước và sử dụng bã chè, các chất thải chè làm vật liệu hấp phụ. 24

1.5.1. Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metylen xanh 24

1.5.2. Một số hướng nghiên cứu hấp phụ phẩm nhuộm đỏ ĐH120 25

1.5.3. Một số hướng nghiên cứu sử dụng bã thải chè làm vật liệu hấp phụ 26

1.6. Giới thiệu về phương pháp phân tích trắc quang: 29

1.6.1. Ngun tắc 29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
iv
1.6.2. Độ hấp thụ quang (A) 29

1.6.3. Phương pháp đường chuẩn 30

1.7. Một số phương pháp nghiên cứu sản phẩm 31

1.7.1. Phương pháp phổ Hồng ngoại (IR) 31

1.7.2. Phương pháp hiển vi điện tử qt (SEM) 32

1.7.3. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) 32

Chương 2: THỰC NGHIỆM 34

2.1. Thiết bị và hóa chất 34

2.1.1. Thiết bị 34

2.1.2. Hố chất 34

2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP) 34

2.3. Khảo sát tính chất bề mặt của VLHP chế tạo được 35

2.4. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ 35

2.5. Lập đường chuẩn xác định nồng độ 35

2.5.1. Lập đường chuẩn xác định nồng độ của metylenxanh 35
2.5.2. Lập đường chuẩn xác định nồng độ của phẩm đỏ ĐH120 36

2.6. Khảo sát các số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, phẩm
đỏ ĐH 120 của VLHP 37

2.6.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ 37

2.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ của VLHP 38

2.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của VLHP 38

2.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của VLHP39

2.6.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ của VLHP 39

2.6.6. Nghiên cứu giải hấp phụ 39

2.7. Xử lý thử mẫu nước thải dệt nhuộm 40

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

3.1. Kết quả khảo sát đặc điểm bề mặt hấp phụ của bã chè (VLHP) 41

3.2. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ 43
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
v
3.3. Khảo sát các số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, phẩm
đỏ ĐH 120 của VLHP 44

3.3.1. Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ: 44

3.3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ của VLHP 48

3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của VLHP 53

3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ của VLHP 55

3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của VLHP57

3.4. Khảo sát dung lượng hấp phụ theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 58

3.5. Khảo sát q trình hấp phụ theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 60

3.6. Khảo sát q trình hấp phụ theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Temkin 62

3.7. Nghiên cứu giải hấp phụ 64

3.8. Động học hấp phụ metylen xanh và phẩm đỏ ĐH 120 của VLHP 67

3.9. Nhiệt động lực học hấp phụ metylen xanh và phẩm đỏ ĐH120 của VLHP 72

3.10: Xử lý thử mẫu nước thải dệt nhuộm 75

KẾT LUẬN 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHỤ LỤC


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
iv
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 1.1: Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 9

Bảng 2.1: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh với các
nồng độ khác nhau 36

Bảng 2.2: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch phẩm đỏ ĐH120 với các

nồng độ khác nhau 37

Bảng 3.1: Các đặc tính quang phổ hồng ngoại của VLHP 42

Bảng 3.2: Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP 43

Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào
thời gian 45

Bảng 3.4: Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ phẩm đỏ ĐH 120
vào thời gian 46
Bảng 3.5: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ metylen
xanh của VLHP vào pH 49

Bảng 3.6: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ phẩm ỏ
ĐH 120 của VLHP vào pH 50

Bảng 3.7: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào
khối lượng VLHP 53

Bảng 3.8 : Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lương hấp phụ metylen
xanh và phẩm đỏ ĐH120 vào nhiệt độ 55

Bảng 3.9: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào
nồng độ 57

Bảng 3.10: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir 59

Bảng 3.11: Các hằng số của phương trình Freundlich 61

Bảng 3.12: Sự phụ thuộc lnC
cb
vào nồng độ đối với q trình hấp phụ metylen
xanh và phẩm đỏ ĐH 120 63

Bảng 3.13 : Các hằng số của phương trình Temkin 63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
v
Bảng 3.14: Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào pH trong
q trình giải hấp metylen xanh, phẩm đỏ ĐH120 65

Bảng 3.15: Số liệu khảo sát động học hấp phụ metylen xanh 67

Bảng 3.16: Số liệu khảo sát động học hấp phụ phẩm đỏ ĐH120 68

Bảng 3.17: Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 đối với metylen xanh và
phẩm đỏ ĐH 120 71

Bảng 3.18: Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 đối với metylen xanh và
phẩm đỏ ĐH 120 71

Bảng 3.19: Kết quả tính K
D
tại các nhiệt độ khác nhau 73

Bảng 3.20: Các thơng số nhiệt động đối với q trình hấp phụ metylen xanh,
phẩm đỏ ĐH 120 74

Bảng 3.21: Kết quả đo TOC, COD mẫu nước thải 75

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
v
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 11

Hình 1.2: Đồ thị sự phụ thuộc của C
f
/q vào C
f
11

Hình 1.3: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 12

Hình 1.4: Sự phụ thuộc lgq vào lgC
cb
12

Hình 1.5: Sự phụ thuộc của
e
q
vào
cb
Cln
14

Hình 1.6: Cơng thức cấu tạo của metylen xanh 19

Hình 1.7: Cơng thức cấu tạo của MB
+
19

Hình 1.8: Cơng thức cấu tạo của phẩm đỏ ĐH120 [8] 20

Hình 1.9 : Hình ảnh cây chè 23

Hình 2.1: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh 36

Hình 2.2: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ phẩm đỏ ĐH 120 37

Hình 3.1: Phổ FT – IR của VLHP 41

Hình 3.2: Ảnh hiển vi điện tử qt (SEM) của VLHP trước khi hấp phụ
metylen xanh 42

Hình 3.3: Ảnh hiển vi điện tử qt (SEM) của VLHP sau khi hấp phụ metylen xanh 43

Hình 3.4: Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP 44

Hình 3.5: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào thời gian 47

Hình 3.6: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ phẩm đỏ ĐH120 vào thời gian 47

Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của metylen
xanh vào pH 48

Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của phẩm đỏ
ĐH 120 vào pH 49

Hình 3.9: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào pH 50

Hình 3.10: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ phẩm đỏ ĐH120 vào pH 51

Hình 3.11 : Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào
khối lượng VLHP 54

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
vi
Hình 3.12: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ phẩm đỏ ĐH 120 của VLHP
vào khối lượng VLHP 54

Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh
của VLHP vào nhiệt độ 56

Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ phẩm đỏ ĐH
120 của VLHP vào nhiệt độ 56

Hình 3.15: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với metylen xanh 58

Hình 3.16: Sự phụ thuộc của C
cb
/q ào C
cb
đối với metylen xanh 58

Hình 3.17: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với phẩm đỏ 59

ĐH 120 59

Hình 3.18: Sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
đối với phẩm đỏ ĐH 120 59

Hình 3.19: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc lgq vào lgC
cb
đối với sự hấp phụ
metylen xanh 60

Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lgq vào lgC
cb
đối với sự hấp phụ
phẩm đỏ ĐH 120 61
Hình 3.21: Sự phụ thuộc của q vào lnCcb đối với sự hấp phụ metylen xanh của
VLHP 62

Hình 3.22: Sự phụ thuộc của q vào lnC
cb
đối với sự hấp phụ phẩm đỏ ĐH 120
của VLHP 62

Hình 3.23 : Đồ thị thể hiện q trình giải hấp phụ metylen xanh của VLHP 66

Hình 3.24: Đồ thị thể hiện q trình giải hấp phụ phẩm đỏ ĐH 120 của VLHP 66

Hình 3.25: Đồ thị biểu diễn phương trình bậc 1 với metylen xanh 69

Hình 3.26: Đồ thị biểu diễn phương trình bậc 1 với phẩm đỏ ĐH 120 69

Hình 3.27: Đồ thị biểu diễn phương trình bậc 2 với metylen xanh 70

Hình 3.28: Đồ thị biểu diễn phương trình bậc 2 đối với phẩm đỏ ĐH 120 70

Hình 3.29: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnK
D
vào 1/T của metylen xanh 73

Hình 3.30: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnK
D
vào 1/T của phẩm đỏ
ĐH120 74
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

STT

Kí hiệu viết tắt

Nội dung

1
BET

Đo diện tích bề mặt riêng

2

BTNMT

Bộ tài ngun mơi trường

3
COD

Nhu cầu oxi hóa học

4
ĐH120 Đỏ hoạt tính 120
5
NT1

Nước thải trước xử lý

6
NT2

Nước thải sau xử lý

7
MB

Methylene Blue - Metylen xanh

8
QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

9
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
10
TOC

Tổng các bon hữu cơ

11
TEM

Hiển vi điện tử truyền qua

12
TOC

Tổng các bon hữu cơ

13
VLHP

Vật liệu hấp phụ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
1
MỞ ĐẦU

Cơng nghiệp dệt nhuộm là một trong những ngành lớn và lâu đời ở Việt
Nam. Do đặc thù sản xuất, ngành cơng nghiệp này tiêu thụ một lượng rất lớn nước
và cũng tạo ra một lượng nước thải cơng nghiệp dệt nhuộm tương ứng từ các bước

khác nhau trong q trình nhuộm màu và hồn thiện sản xuất. Nước thải này có độ
kiềm, độ màu và hàm lượng các chất hữu cơ, chất rắn độc hại rất cao do sử dụng rất
nhiều loại hóa chất trong quy trình sản xuất. Ngồi ra một số thuốc nhuộm còn có
tính chất độc hại khi chúng thâm nhập vào thức ăn, nguồn nước sinh hoạt, là tác
nhân gây ung thư khi con người tiếp nhận các nguồn trên. Ở mỗi quốc gia, trong đó
có Việt Nam, việc xử lý các thành phần gây ơ nhiễm này tới hàm lượng cho phép là
điều bắt buộc trước khi nguồn nước thải được đưa trở lại tự nhiên.
Để giải quyết các vấn đề này, các phương pháp khác nhau đã được sử dụng
cho việc xử lý màu của nước thải dệt nhuộm thơng qua việc tách các thuốc nhuộm
ra khỏi nước thải trước khi đưa ra mơi trường nước. Các phương pháp thường được
sử dụng là hóa học và hóa lý truyền thống như trung hòa điều chỉnh pH, đơng keo
tụ, oxy hóa. Tuy nhiên, các phương pháp trên rất khó vận dụng, u cầu chi phí đầu
tư cao và hóa chất đắt đỏ. Một trong những hướng đi ưu tiên, gần đây được nhiều
nhà khoa học quan tâm cả trong và ngồi nước là xử lý màu của nước thải dệt
nhuộm bằng các vật liệu hấp phụ giá thành thấp, thân thiện với mơi trường được
chế tạo từ vật liệu phế thải trong các hoạt động cơng nghiệp và nơng nghiệp.
Ưu điểm chính của nó là nguồn cung cấp vật liệu phong phú, dễ điều chế, khơng đắt
tiền, thân thiện với mơi trường.
Việt Nam có khí hậu nhiệt đới 4 mùa nằm ở khu vực Đơng Nam Á, là một
trong những chiếc nơi của cây chè. Hiện nay, cả nước có khoảng 130 nghìn ha chè
các loại, năng suất bình qn đạt hơn 77 tạ/ha, sản lượng chè của cả nước đạt gần
824 nghìn tấn búp tươi. Chè Việt Nam được xuất khẩu sang 110 quốc gia và vùng
lãnh thổ, giá trị xuất khẩu đạt gần 200 triệu USD/năm. Việt Nam hiện đứng thứ 5
trên thế giới về sản lượng và xuất khẩu chè với kế hoạch sản xuất đạt 1,2 triệu tấn
chè thơ và xuất khẩu 200.000 tấn chè chế biến vào năm 2015.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
2
Thái Ngun là vùng chè trọng điểm của cả nước, với diện tích chè hơn
18.500ha, trong đó có gần 17.000ha chè kinh doanh, năng suất đạt 109 tạ/ha, sản
lượng đạt gần 185 nghìn tấn. Xác định chè là cây trồng mũi nhọn, những năm qua,

tỉnh Thái Ngun đã triển khai nhiều biện pháp để nâng cao năng suất, chất lượng
sản phẩm chè, trong đó có việc áp dụng quy trình thực hành sản xuất nơng nghiệp
tốt (VietGAP). Hiện nay, tồn tỉnh có 15 mơ hình chè theo tiêu chuẩn VietGAP ở
các huyện Đại Từ, Đồng Hỷ, Định Hóa, Võ Nhai, Phổ n, Phú Lương.
Trong q trình sản xuất chè, lá chè có chất lượng cao được lựa chọn để sản
xuất chè xanh khơ xuất khẩu, còn lá chè chất lượng thấp được sử dụng để sản xuất
đồ uống trà và để tách polyphenol trong chè Một số lượng lớn bã chè để sản xuất
đồ uống trà thường bị bỏ đi vào mơi trường khơng qua xử lý, đó khơng chỉ là một
sự lãng phí về tài ngun mà còn gây ra vấn đề vệ sinh mơi trường trong q trình phân
hủy. Các nghiên cứu cho thấy bã chè có thành phần chủ yếu là cellulose,
hemicelluloses, lignin, tannin và các protein Trong đó cellulose, hemicelluloses,
lignin và tannin là những chất có chứa những nhóm chức cacboxylic, phenolic,
hydroxyl và oxyl thơm…có khả năng hấp phụ các phẩm nhuộm trong mơi trường nước [5, 8].
Vì vậy, chúng tơi quyết định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu hấp phụ metylen
xanh, phẩm đỏ ĐH 120 bằng vật liệu bã chè và thăm dò xử lý mơi trường”. Đây
là hướng nghiên cứu phù hợp với mục tiêu “Hình thành và phát triển ngành cơng
nghiệp tái chế chất thải” trong chiến lược bảo vệ mơi trường quốc gia của Việt
Nam đến năm 2020 và tận dụng nguồn vật liệu phế thải trong ngành cơng nghiệp
chè thế mạnh của q hương Thái Ngun.
Với mục đích đó, trong đề tài này chúng tơi nghiên cứu các nội dung sau:
1 - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã chè
.

2 - Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh,
phẩm đỏ ĐH 120 của vật liệu chế tạo bằng phương pháp hấp thụ tĩnh như thời gian,
pH, khối lượng vật liệu hấp phụ, nồng độ đầu, nhiệt độ
3 - Nghiên cứu cơ chế hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 của vật
liệu bã chè.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
3

4 - Mơ tả q trình hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 của vật liệu chế
tạo được theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich, Temkin.
5 - Tính tốn một số thơng số nhiệt động lực học.
6 - Xác định động học q trình hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 của vật
liệu hấp phụ chế tạo từ bã chè.
7 - Thử nghiệm xử lý mơi trường.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
4
Chương 1

TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ
Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý nước thải: Phương pháp cơ học,
phương pháp xử lý sinh học, phương pháp hóa lý, phương pháp hấp phụ và phương
pháp hóa học. Trong đó phương pháp hấp phụ là một phương pháp xử lý đang được
chú ý nhiều trong thời gian gần đây, do nhiều đặc điểm ưu việt của nó. Vật liệu hấp
phụ có thể chế tạo từ các nguồn ngun liệu tự nhiên và các phụ phẩm nơng, cơng
nghiệp sẵn có và dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, cơng nghệ xử lý khơng đòi hỏi
thiết bị phức tạp và q trình xử lý khơng đưa thêm vào mơi trường những tác nhân
độc hại [2, 9].
1.1.1. Các khái niệm
Hấp phụ: là q trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn – khí,
rắn – lỏng, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Trong đó:
Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử
của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất hấp phụ có bề mặt riêng càng lớn thì khả
năng hấp phụ càng mạnh.
Bề mặt riêng là diện tích bề mặt đơn phân tử tính đối với 1 gam chất hấp phụ.
Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt
chất hấp phụ.
Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ.

Hấp phụ là một q trình tỏa nhiệt. Ngược với sự hấp phụ là q trình đi ra
khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tương
tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta phân biệt thành
hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [2, 9].
1.1.1.1. Hấp phụ vật lý
Định nghĩa: Hấp phụ vật lý là q trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander Walls
giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba loại lực: cảm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
5
ứng, định hướng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Vì vậy hấp phụ vật lý
có tính thuận nghịch cao.
Đặc điểm: Phân tử bị hấp phụ khơng chỉ tương tác với một ngun tử mà với
nhiều ngun tử trên bề mặt. Do vậy, phân tử hấp phụ có thể hình thành một hoặc
nhiều lớp phân tử trên bề mặt chất hấp phụ.
Hấp phụ vật lý khơng có tính chọn lọc. Q trình hấp phụ vật lý là một q
trình thuận nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ. Nhiệt
lượng tỏa ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2÷6 kcal/mol. Sự hấp phụ vật lý ít phụ thuộc
vào bản chất hóa học của bề mặt, khơng có sự biến đổi cấu trúc của các phân tử chất
hấp phụ và bị hấp phụ [2, 9].
1.1.1.2. Hấp phụ hóa học
Định nghĩa: Hấp phụ hóa học được gây ra bởi các liên kết hóa học (liên kết
cộng hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí…). Trong hấp phụ hóa học có sự trao đổi
electron giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Cấu trúc electron phân tử các chất
tham gia q trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình thành liên kết hóa
học. Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol.
Đặc điểm: Chất bị hấp phụ chỉ hình thành một lớp đơn phân tử hấp phụ, giữa
chúng hình thành hợp chất bề mặt.
Hấp phụ hóa học đòi hỏi phải có ái lực hóa học giữa bề mặt chất hấp phụ và
chất bị hấp phụ, do đó mang tính đặc thù rõ rệt. Đây khơng phải là một q trình
thuận nghịch.

Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là
tương đối vì ranh giới giữa chúng khơng rõ rệt. Trong nhiều q trình hấp phụ xảy
ra đồng thời cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Ở vùng nhiệt độ thấp thường xảy
ra hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm, khả năng hấp phụ
hóa học tăng lên [9].
Cân bằng hấp phụ:
Hấp phụ vật lý là một q 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 pha mang. Theo thời
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
6
gian lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di
chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ
(q trình thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (q trình nghịch) thì q trình hấp phụ đạt
trạng thái cân bằng.
Đối với một hệ hấp phụ xác định, dung lượng hấp phụ là một hàm của nhiệt
độ và áp suất hoặc nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích.
q = f(T, p) hoặc q = f(T, C) (1.1)
Ở một nhiệt độ xác định, dung lượng hấp phụ phụ thuộc vào áp suất
(nồng độ):
q = f(p) hoặc q = f(C) (1.2)
Trong đó:
q: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
T: Nhiệt độ
p: Áp suất
C: Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha thể tích (mg/l) [7].
Dung lượng hấp phụ cân bằng:
Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị
khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng dưới các điều kiện nồng độ và nhiệt
độ cho trước.
Dung lượng hấp phụ được tính theo cơng thức:

m
VCC
q
cbo
).( 


(1.3)
Trong đó:
- q: dung lượng hấp phụ (mg/g)
- V: thể tích dung dịch (ml )
- m: khối lượng chất hấp phụ (g )
- C
o
: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
- C
cb
: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
7
Trong q trình hấp phụ, các phần tử bị hấp phụ khơng bị hấp phụ đồng
thời, bởi vì các phần tử chất bị hấp phụ phải khuếch tán từ dung dịch đến bề mặt
ngồi chất hấp phụ và sau đó khuếch tán vào sâu bên trong hạt của chất hấp phụ [9].
Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung
dịch ban đầu.

100.
C
)C(C

H
o
cbo


% (1.4)
Trong đó:
- H: Hiệu suất hấp phụ
- C
o
: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
- C
cb
: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l) [9].
1.1.2. Động học hấp phụ
+ Đối với hệ lỏng - rắn, q trình hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn chính sau:
- Giai đoạn khuếch tán trong dung dịch: Các phần tử chất bị hấp phụ chuyển
từ pha thể tích đến bề mặt ngồi của chất hấp phụ.
- Giai đoạn khuếch tán màng: phần tử chất hấp phụ chuyển động đến bề mặt
ngồi của chất hấp phụ chứa các hệ mao quản.
- Giai đoạn khuếch tán trong mao quản: các phần tử chất bị hấp phụ khuếch
tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ.
- Giai đoạn hấp phụ thực sự: các phần tử chất bị hấp phụ được gắn chặt vào
bề mặt chất hấp phụ.
Q trình hấp phụ có thể được coi là một phản ứng nối tiếp, trong đó mỗi
phản ứng nhỏ là một giai đoạn của q trình. Khi đó, giai đoạn có tốc độ chậm nhất
đóng vai trò quyết định đến tốc độ của cả q trình. Trong các q trình động học
hấp phụ, người ta thừa nhận: giai đoạn khuếch tán trong và ngồi có tốc độ chậm
nhất. Do đó các giai đoạn này đóng vai trò quyết định đến tồn bộ q trình động
học hấp phụ. Dung lượng hấp phụ phụ thuộc vào các giai đoạn này và sẽ thay đổi

theo thời gian cho đến khi q trình đạt trạng thái cân bằng [9].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
8
Tốc độ hấp phụ v là biến thiên nồng độ chất bị hấp phụ theo thời gian:

dt
dx
v 
(1.5)
Tốc độ hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo thời gian:

0 cb max
dx
V (C C ) k(q q)
dt

    
(1.6)
Trong đó:
β: hệ số chuyển khối.
C
0
: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích tại thời điểm ban đầu (mg/l).
C
cb
: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích tại thời điểm t (mg/l).
k : hằng số tốc độ hấp phụ.
q : dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g).
q
m

: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g).
Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren
)q(qk
dt
dq
te1
t

(1.7)
Dạng tích phân của phương trình trên là:
t
2,303
k
lgq)qlg(q
1
ete

(1.8)
Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng:
2
te2
t
)q(qk
dt
dq

(1.9)
Dạng tích phân của phương trình này là:
t
e

2
e2
t
q
1
.qk
1
q
t

(1.10)
Trong đó:
- q
e
, q
t
là dung lượng hấp phụ tại thời gian đạt cân bằng và tại thời gian t (mg/g)
- k
1
, k
2
là hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất (thời gian
-1
) và bậc hai (g.mg
-1
. thời gian
-1
)
biểu kiến.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

9
1.1.3. Các mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt
Khi nhiệt độ khơng đổi, đường biểu diễn q = f
T
(P hoặc C) được gọi là đường
đẳng nhiệt hấp phụ.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ là đường mơ tả sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ
tại một thời điểm vào nồng độ hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời điểm đó ở một
nhiệt độ khơng đổi.
Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đường hấp
phụ đẳng nhiệt được mơ tả qua các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ như: phương trình
hấp phụ đẳng nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir… [2, 3, 9].
Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ thơng dụng nhất áp dụng cho hệ hấp
phụ rắn - khí được nêu ở bảng 1.1.
Bảng 1.1: Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Tên phương trình Phương trình
Bản chất của
sự hấp phụ
Langmuir
.
1 .
m
v b q
v b q

 


Vật lý và hóa học
Henry

.v k p

Vật lý và hóa học
Frendlich
1
,
.
n
v k p
(n > 1)
Vật lý và hóa học
Shlygin-Frumkin-
Temkin
1
ln .
o
m
v
C p
v a

 

Vật lý và hóa học
Brunauer-Emmett-
Teller (BET)
1 ( 1)
.
.( ) . .
o m m o

p C p
v p p v C v C p

 


Vật lý, nhiều lớp
Trong các phương trình trên:
v
: thể tích chất bị hấp phụ, đặc trưng cho đại lượng hấp phụ thường biểu
diễn bằng cm
3
ở điều kiện tiêu chuẩn
m
v
: đại lượng hấp phụ cực đại
p
: áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
10

: độ che phủ ;
,
, , , , , ,
o
a b k k n C C
: là các hằng số
o
p
: áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở

cùng nhiệt độ
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir: là phương trình mơ tả cân bằng
hấp phụ đầu tiên được thiết lập bằng lý thuyết. Phương trình Langmuir được xây
dựng dựa trên
các
giả
thuyết:

1. Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt của chất hấp phụ 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 khơng phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu
phân
hấp
phụ trên các trung tâm bên
cạnh.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir nêu ở bảng 1.1 được xây dựng
cho hệ hấp phụ
rắn – khí
. Tuy nhiên, phương trình trên cũng có thể áp dụng cho
hấp phụ trong mơi trường nước. Khi đó có thể biểu diễn phương trình Langmuir
như sau:
 
11.1

.1
.
.
f
f
mã
Cb
Cb
qq



Trong đó:
q
,
axm
q
: dung lượng hấp phụ cân bằng, dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

: độ che phủ;
b
: hằng số Langmuir
C
f
: nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)
Khi tích số b.C
f
 1 thì q = q
max
: mơ tả vùng hấp phụ tuyến tính

Khi tích số b.C
f
 1 thì q = q
max
: mơ tả vùng hấp phụ bão hòa
Để xác định các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có
thể sử dụng phương pháp đồ thị bằng cách chuyển phương trình trên thành phương
trình đường thẳng có dạng:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
11
q
C
f
=
max
q
1
.C
f
+
b
q
1
max

(1.12)

C
f
C
f


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

ax
ax
1 1
tan
tan
m
m
q

q


  
;
ax
1
.
m
ON
q b


Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng đơn giản, cho phép giải
thích khá thỏa đáng các số liệu thực nghiệm.
Phương trình Langmuir được đặc trưng bằng tham số R
L
R
L
= 1/(1+b.C
0
) (1.13)
0< R
L
<1 thì sự hấp phụ là thuận lợi, R
L
>1 thì sự hấp phụ là khơng thuận lợi
và R
L
=1 thì sự hấp phụ là tuyến tính.

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry là phương trình đơn giản mơ tả sự
tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và nồng độ
hoặc áp suất của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry có dạng:
a = K.p hay q = K.C
cb
(1.14)
Trong đó:
a : là lượng chất bị hấp phụ (mol/g)


q
C
f

O

N

q
q
max

O

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
12
K: hằng số hấp phụ Henry
p : áp suất (mm Hg)

C
cb
: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l)
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là phương trình thực nghiệm mơ
tả sự hấp phụ khí hoặc chất tan lên vật hấp phụ rắn trong phạm vi một lớp [2, 9].
Phương trình này được biểu diễn bằng một hàm số mũ:
n
cb
Ckq
1
.

(1.15)
Trong đó:
k: Hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố khác
n: Hằng số chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và ln lớn hơn 1
Phương trình Freundlich phản ánh khá tốt số liệu thực nghiệm cho vùng ban
đầu và vùng giữa của đường đẳng nhiệt hấp phụ, tức là ở vùng nồng độ thấp của
chất bị hấp phụ.
Để xác định các hằng số, đưa phương trình trên về dạng đường thẳng:
cb
C
n
kq lg
1
lglg 

(1.16)
Đây là phương trình đường thẳng biểu diễn sự phụ thuộc của lg q vào lg C

cb

Dựa vào đồ thị ta xác định được các giá trị k và n.









Hình 1.3: Đường đẳng nhiệt
hấp phụ Freundlich

Hình 1.4: Sự phụ thuộc lgq
vào lgC
cb

tan = 1/n
OM = lgk
C
cb
(mg/l)

O
q
(mg/g)

β

lgC
cb

lgq
M
O

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
13
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Temkin
Temkin đã thiết lập phương trình đẳng nhiệt cho trong trường hợp bề mặt
khơng đồng nhất về tổng thể, nhưng giá trị của đại lượng nhiệt hấp phụ biến thiên
tuyến tính theo bề mặt [11].
0
/
s
q q s

 


(1.17)
Trong đó

đặc trưng cho độ khơng đồng nhất;

càng lớn thì phần bề mặt
có giá trị nhiệt hấp phụ khơng đổi càng hẹp. Phương trình có dạng như sau:
1

0
0
0
exp( )
1 exp( )
a f p
ds
a f p




(1.18)
Trong đó,
1/ ;f RT


a
o
= b
o
exp(q
o
/RT); f là đại lượng khơng thứ ngun
đặc trưng cho sự khơng đồng nhất của bề mặt. Khi f = 0 phương trình trở lại dạng
của phương trình Langmuir. Lấy tích phân phương trình (1.18) sẽ nhận được:
0
0 0
1 exp( )
1 1 1

ln ln
1 1
a f p
ap
f a p f a p



 
 
(1.19)
Trong đó,
0
a
là hệ số hấp phụ trên những chỗ có nhiệt hấp phụ bé nhất,
còn a =
0
a
exp(f) là hệ số hấp phụ trên những chỗ có nhiệt hấp phụ lớn nhất.
Trong trường hợp độ khơng đồng nhất của bề mặt rất lớn với f >5, tương ứng
với biến thiên nhiệt hấp phụ
1 0
q q = 1/

>5RT, biểu thức của

có thể được đơn
giản hố rất nhiều, vì khi đó, trong vùng che phủ được coi là trung bình, có hai điều
kiện được tn theo: ap >> 1 và a
o

p << 1, từ đó, ta có

= (1/f) ln (ap)
Phương trình này có tên là phương trình đẳng nhiệt logarit, mơ tả tốt số liệu
thực nghiệm nhận được trong vùng độ che phủ trên các chất hấp phụ có bề mặt
khơng đồng nhất điều hồ nhưng ở xa đáng kể các vị trí 0 và 1.
Trong điều kiện độ che phủ rất bé phương trình (1.19) có thể được viết:

= (1/f) ln (1 + ap) (1.20)
Nếu ap << 1, triển khai ln (1 + ap) thành chuỗi và chỉ giới hạn số hạng đầu
tiên ta có ln (1 + ap)

ap và

= ap/f (1.21)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
14
Phương trình (1.21) cho thấy, tại vùng áp suất rất bé, nghĩa là vùng khởi đầu
của đường đẳng nhiệt logarit, trên đồ thị biểu diễn

= f(p) sự phụ thuộc là tuyến tính.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Temkin có các dạng sau:[17, 26]

)ln(
cbT
T
e
CA
b
RT

q 
(1.22)
Hoặc
ln( )
e T T cb
q B A C

Trong đó
T
T
RT
B
b

(1.23)
Biến đổi phương trình về dạng phương trình đường thẳng ta có:

cb
T
T
T
e
C
b
RT
A
b
RT
q lnln 
(1.24)

cbTTTe
CBABq lnln 
(1.25)
Trong đó
T
A
(L/g) là hằng số đẳng nhiệt Tempkin,
T
B
: nhiệt hấp phụ (J/mol)
T
b
(J/mol) là hằng số liên quan đến nhiệt hấp phụ, R là hằng số khí (8,314
J/mol K) và T là nhiệt độ tuyệt đối (K). Đồ thị biểu diễn quan hệ
e
q
theo
cb
Cln
cho
phép xác định các hằng số
T
A
,
T
B
từ độ dốc và giao điểm với trục tung.

Hình 1.5: Sự phụ thuộc của
e
q
vào
cb
Cln

Trong đề tài này chúng tơi nghiên cứu cân bằng hấp phụ trong mơi trường
nước theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmui, Freundlich, Temkin.
β
lnC
cb

e
q

M
O
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />