Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ một số ion kim loại nặng (Cu2+, Cd 2+) trên vật liệu nanocomposit tổng hợp từ chitosan và montmorillonit.

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy PGS. TS Phạm Xuân Núi, thầy đã
trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập,
nghiên cứu và làm đồ án tốt nghiệp.
Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy, cô giáo trong Bộ
môn Lọc- Hóa dầu, trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho em học tập, nghiên cứu trong suốt 5 năm qua và thực hiện nội dung của đồ án
tại Phòng thí nghiệm của Bộ môn.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình và
bạn bè đã thường xuyên động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và
thực tập.
Trong quá trình nghiên cứu, thực nghiệm và hoàn thành đồ án, em không
tránh khỏi những sai sót, khuyết điểm. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng
góp quý báu của thầy cô và các bạn để đề tài hoàn hiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, tháng 6 năm 2013
Sinh viên
Nguyễn Thị Hồng Xuyến
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu A.K53
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
DANH MỤC BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 3
1.1. Tổng quan về ion kim loại nặng trong nước thải công nghiệp 3
1.1.1. Giới thiệu sơ lược về kim loại nặng 3

1.1.2. Giới thiệu một số các kim loại nặng và các ảnh hưởng của chúng
lên cơ thể hữu cơ sống và con người 7
1.1.2.1. Đồng (Cu) 7
1.1.2.2. Cadimi (Cd) 8
1.3. Phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải 10
1.3.1. Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng 10
1.3.1.1. Phương pháp sinh học 10
1.3.1.2. Phương pháp hóa lý 10
1.3.1.3. Phương pháp hóa học 11
1.3.2. Giới thiệu chung về phương pháp hấp phụ 12
1.3.2.1 Phương pháp hấp phụ 12
1.3.2.2. Giới thiệu một số chất hấp phụ kim loại nặng 14
1.3.2.3. Ưu nhược điểm của phương pháp hấp phụ 15
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu A.K53
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
1.4. Giới thiệu về vật liệu nanocomposit 16
1.4.1. Tổng quan về montmorillonit (Mont) 16
1.4.1.1 Thành phần hóa học của montmorillonit 16
1.4.1.2. Cấu trúc tinh thể 16
1.4.1.3. Tính chất của Mont 17
1.4.2. Tổng quan về chitosan 18
1.4.2.1. Nguồn gốc 18
1.4.2.2. Công thức cấu tạo 19
1.4.2.3. Tính chất của chitosan 20
1.4.2.4. Các ứng dụng của chitosan 22
1.4.3. Vật liệu nanocomposit 23
1.4.3.1. Khái niệm 23
1.4.3.2. Phân loại 24
1.4.4. Giới thiệu về nanocomposit 25
1.4.5. Vật liệu polyme-clay nanocomposit 25

1.4.5.1. Cấu trúc của vật liệu polyme-clay nanocomposit 26
1.4.5.2. Tính chất của polyme-clay nanocomposite 27
1.4.5.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu polyme-clay nanocomposit 28
1.4.5.4. Xu hướng ứng dụng trong tương lai 29
1.4.6. Vật liệu nanocomposit chitosan-montmorillonit (Chit-Mont) 30
1.4.6.1. Phương pháp tổng hợp 30
1.4.6.2. Ứng dụng của vật liệu nanocomposit Chit-Mont trong việc xử
lý kim loại nặng trong nước thải công nghiệp. 31
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu A.K53
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 33
2.1.1. Hóa chất 33
2.1.2. Dụng cụ, thiết bị 33
2.2. Phương pháp thực nghiệm 33
2.2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu từ chitosan và montmorillonit 33
2.2.2. Quá trình hấp phụ kim loại nặng của vật liệu nanocomposite 34
2.3. Phương pháp nghiên cứu 34
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 34
2.3.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 35
2.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy-SEM) 35
2.3.4. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) 36
2.3.5. Phương pháp xử lý số liệu 37
2.4. Phương pháp nghiên cứu động học hấp phụ 37
2.4.1. Điều kiện hấp phụ 37
2.4.2. Các mô hình đẳng nhiệt, động học hấp phụ 38
2.4.2.1. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 38
2.4.2.2. Mô hình động học hấp phụ Lagergren 40
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42
3.1. Tổng hợp vật liệu 42

3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng của các mẫu vật liệu 43
3.2.1. Khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng của các vật liệu Chit-Mont hàm
lượng Mont khác nhau 43
3.2.2. Độ bền mẫu Chit-Mont trong dung dịch Cu(NO
3
)
2
44
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu A.K53
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
3.3. Xác định cấu trúc của vật liệu tổng hợp 45
3.3.1. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 45
3.3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của vật liệu Chit-Mont 46
3.3.3. Phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) của Mont, Chit và vật liệu Chit- Mont 1% 47
3.4. Xây dựng mô hình động học hấp phụ ion kim loại nặng của vật liệu Chit-
Mont 1% 50
3.4.1. Xây dựng đẳng nhiệt hấp phụ 50
3.4.1.1. Đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 51
3.4.1.2. Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 53
3.4.2. Động học hấp phụ ion kim loại nặng của vật liệu Chit- Mont 56
KẾT LUẬN 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu A.K53
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Thứ tự Số hình Tên bảng Trang
1 Bảng 1.1
Một số các kim loại nặng và ảnh hưởng của chúng
đến cơ thể sống
4

2 Bảng 3.1
Tính chất cảm quan của các mẫu vật liệu đã tổng
hợp
42
3 Bảng 3.2
Các thông số hấp phụ của các vật liệu Chit-Mont
có hàm lượng Mont khác nhau (C
Cu
2+
= 100mg/l)
43
4 Bảng 3.3
Tính chất cảm quan của các mẫu vật liệu Chit-
Mont trước và sau khi hấp phụ
44
5 Bảng 3.4
Các peak đặc trưng của Chit, Mont và vật liệu
Chit- Mont 1%
49
6 Bảng 3.5
Kết quả xác định q
e
của Cu
2+
tại các nồng độ khác
nhau trên Chit-Mont 1%
51
7 Bảng 3.6
Kết quả xác định q
e

của Cd
2+
tại các nồng độ khác
nhau trên Chit-Mont 1%
52
8 Bảng 3.7
Kết quả xác định các tham số Langmuir của hấp phụ
ion kim loại nặng trên vật liệu Chit-Mont
56
9 Bảng 3.8
Các số liệu hấp phụ ion Cu
2+
theo thời gian trên vật
liệu Chit-Mont
57
10 Bảng 3.9
Các số liệu hấp phụ ion Cd
2+
theo thời gian trên vật
liệu Chit-Mont
59
11 Bảng 3.10
Các tham số động học hấp phụ bậc 2 của hai ion
Cu
2+
,

Cd
2+
trên vật liệu Chit-Mont

60
12 Bảng 3.11
Các tham số động học hấp phụ bậc 1 của hai ion
Cu
2+
,

Cd
2+
trên vật liệu Chit-Mont
60
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu A.K53
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Thứ
tự
Số hiệu
bảng
Tên hình vẽ và đồ thị Trang
1 Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể của montmorillonit 16
2 Hình 1.2 Cấu trúc hoá học của chitin 19
3 Hình 1.3 Cấu trúc hóa học của chitosan 20
4 Hình 1.4 Cơ chế hấp phụ ion kim loại của Chitosan 22
5 Hình 1.5 Cấu trúc của vật liệu nanocomposit 27
6 Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn khả năng che chắn 28
7 Hình 1.7
Sơ đồ minh họa sự hình thành polyme-clay
nanocomposit theo phương pháp dung dịch
29
8 Hình 1.8 Cấu trúc vật liệu nanocomposit Chit-Mont 31

9 Hình 2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu từ Chit và Mont 34
10 Hình 2.2 Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể 34
11 Hình 3.1
Các mẫu Chit-Mont. với tỷ lệ montmorillonit khác
nhau
42
12 Hình 3.2 Ảnh chụp SEM của các mẫu
45
13 Hình 3.3 Giản đồ XRD của Mont 46
14 Hình 3.4 Giản đồ XRD của vật liệu Chit-Mont 46
15 Hình 3.5 Phổ IR của Mont, Chit và Chit- Mont 1% 48
16 Hình 3.6 Các liên kết hyđro trong vật liệu Chit-Mont 50
17 Hình 3.7
Đẳng nhiệt hấp phụ ion Cu
2+
theo mô hình
Freundlich dạng tuyến tính
52
18 Hình 3.8
Đẳng nhiệt hấp phụ ion Cd
2+
theo mô hình
Freundlich dạng tuyến tính
53
9 Hình 3.9
Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của Cu
2+
trên vật liệu
Chit-Mont 1%
54

SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu A.K53
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
20 Hình 3.10
Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của Cd
2+
trên vật liệu
Chit-Mont 1%
55
21 Hình 3.11
Động học biểu kiến của Cu
2+
trên vật liệu Chit-Mont
1%
58
22 Hình 3.12
Động học biểu kiến của Cd
2+
trên vật liệu Chit-Mont
1%
59
DANH MỤC BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Ký hiệu Ý nghĩa
Chit Chitosan
Mont Montmorillonit
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu A.K53
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
BNC BNC- Biodergradable nanocomposites- Vật liệu nanocomposit có
khả năng phân hủy sinh học
Chit-Mont Vật liệu polime - clay nanocomposit
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu A.K53

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp thì việc giải
quyết các nguồn nước thải gây ô nhiễm môi trường đang là vấn đề được quan tâm.
Điều này là do các nguồn nước thải công nghiệp thường chứa các hợp chất ảnh
hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống và sức khỏe của con người như hàm
lượng các kim loại nặng (Cu
2+
, Cd
2+
). Nguồn chính thải ra các kim loại nặng này
đều từ các nhà máy cơ khí, nhà máy luyện kim, nhà máy mạ và các nhà máy hóa
chất. Hiện nay, các nhà máy ở Việt Nam thường có quy mô sản xuất vừa và nhỏ do
vậy việc đầu tư vào các hệ thống xử lý nước thải còn hạn chế. Hầu hết các nhà máy
chưa có hệ thống xử lý hoặc hệ thống xử lý quá sơ sài do vậy nồng độ kim loại nặng
trong nước thải của nhà máy đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép.
Trước thực trạng trên, đòi hỏi phải có những phương pháp thích hợp, hiệu
quả để xử lý kim loại nặng nhằm tránh và hạn chế những tác động xấu của nó đến
môi trường và sức khỏe cộng đồng.
Quá trình hấp phụ đã được phát hiện và được coi là phương pháp nổi trội
trong việc xử lý nước thải công nghiệp. Theo bài tổng quan (3/2012) [27] về hấp
phụ kim loại nặng trên kaolinit và montmorillonit, Susmita S.G và Krishna G.B cho
rằng, quá trình hấp phụ được xem như một trong những công nghệ tốt nhất hiện nay
để xử lý các ô nhiễm trong môi trường nước.
Chitosan (Chit) là một polyme có nguồn gốc từ thiên nhiên với những tính
chất đặc biệt như: không độc, ưa nước, có khả năng phân hủy sinh học, khả năng
hấp phụ cao. Năm 2009, Amit Bhatnagar và Mika Sillanpaa đã tổng hợp các công
trình nghiên cứu về ứng dụng của chitosan và chitin trong việc loại bỏ thuốc nhuộm
và kim loại nặng trong nước thải [19], cùng với nhiều công trình của các tác giả

khác về khả năng hấp phụ của chitosan, cho thấy được tính ứng dụng cao của sản
phẩm này [25].
Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên gồm montmorilonit và một số khoáng
khác. Bentonit có các tính chất đặc trưng là trương nở, kết dính, hấp phụ, trơ, nhớt
và dẻo. Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy bentonit có khả năng hấp phụ rất
mạnh một số ion kim loại nặng [5]. Montmorillonit (Mont) là khoáng sét chính của
bentonit được biết đến với tính chất hấp phụ được quyết định bởi đặc tính bề mặt và
cấu trúc lớp của chúng. Với kích thước hạt từ vài đến vài chục nanomet và có cấu
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
1
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
trúc mạng tinh thể dạng lớp nên montmorillonit có diện tích bề mặt riêng lớn, đóng
vai trò gia cường và làm tăng tính chất cơ lý của vật liệu [16, 23].
Một loại vật liệu polyme mới sử dụng chitosan làm pha nền và pha gia cường
là các hạt montmorillonit đã được nghiên cứu. Sự kết hợp giữa Chit và Mont theo
những tỷ lệ thích hợp cho ta một loại vật liệu mới gọi là vật liệu nanocomposit có
khả năng phân hủy sinh học (BNC-Biodergradable nanocomposite) [26]. So với
Chit và Mont ban đầu, BNC là một vật liệu giúp cải thiện đáng kể các tính chất cơ
học như khả năng chịu nhiệt, chống cháy, chống thấm khí, chống ăn mòn và khả
năng hấp phụ so với các vật liệu khác [29, 30, 14].
Hiện nay, chúng ta đã có rất nhiều nghiên cứu khoa học đã sử dụng vật liệu
BNC để hấp phụ thuốc nhuộm, kim loại nặng thu được nhiều kết quả [30, 31]. Trên
cơ sở đó, tôi đã tiến hành thực nghiệm với đề tài "Nghiên cứu động học của quá
trình hấp phụ một số ion kim loại nặng (Cu
2+
, Cd
2+
) trên vật liệu nanocomposit
tổng hợp từ chitosan và montmorillonit".
Đồ án chia thành các chương sau:

Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 3. Kết quả và thảo luận
2. Mục tiêu của đề tài
Xây dựng mô hình động học, nhiệt động học của quá trình hấp phụ một số
ion kim loại nặng (Cu
2+
, Cd
2+
) từ vật liệu tổng hợp từ các nguồn chitosan và
montmorillonit của hãng Aldrich (Mỹ).
3. Nội dung nghiên cứu
Tổng hợp và tạo màng nanocomposit từ montmorillonit (Aldrich) và chitosan
(Aldrich) có sẵn, xác định màng bằng giản đồ nhiễu xạ XRD, phổ hồng ngoại IR,
kính hiển vi điện tử quét SEM.
Tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại nặng (Cu
2+
, Cd
2+
) của
màng, xác định hàm lượng ion kim loại bằng phương pháp đo AAS. Sau đó, xây
dựng các mô hình nhiệt động học, động học hấp phụ phù hợp.
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
2
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về ion kim loại nặng trong nước thải công nghiệp
1.1.1. Giới thiệu sơ lược về kim loại nặng
Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm

3
. Các
kim loại quan trọng nhất trong việc xử lý nước là Zn, Cu, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, As,
Một vài các kim loại trong số này có thể cần thiết cho cơ thể sống (bao gồm động
vật, thực vật, các vi sinh vật) khi chúng ở một hàm lượng nhất định như Zn, Cu,
Fe, Tuy nhiên, khi ở một lượng lớn hơn hoặc nhỏ hơn nó sẽ trở nên độc hại.
Những nguyên tố như Pb, Cd, Ni không có lợi ích nào cho cơ thể sống. Những kim
loại này khi đi vào cơ thể động vật hoặc thực vật ngay cả ở dạng vết cũng có thể
gây độc hại.
Trong tự nhiên, kim loại nặng tồn tại trong ba môi trường: môi trường khí,
môi trường nước và môi trường đất.
Trong môi trường khí, kim loại nặng thường tồn tại ở dạng hơi kim loại. Các
hơi kim loại này phần lớn là rất độc, có thể đi vào cơ thể con người và động vật
khác qua đường hô hấp. Từ đó gây ra nhiều bệnh nguy hiểm cho con người và động vật.
Trong môi trường đất thì các kim loại nặng thường tồn tại ở dưới dạng kim
loại nguyên chất, các khoáng kim loại, hoặc các ion. Kim loại nặng có trong đất
dưới dạng ion thường được cây cỏ, thực vật hấp thụ làm cho các thực vật này nhiễm
kim loại nặng… Và nó có thể đi vào cơ thể con người và động vật thông qua đường
tiêu hóa khi người và động vật tiêu thụ các loại thực vật này.
Trong môi trường nước thì kim loại nặng tồn tại dưới dạng ion hoặc phức
chất. Trong ba môi trường thì môi trường nước là môi trường có khả năng phát tán
kim loại nặng đi xa nhất và rộng nhất. Trong những điều kiện thích hợp kim loại
nặng trong môi trường nước có thể phát tán vào môi trường đất hoặc khí. Kim loại
nặng trong nước làm ô nhiễm cây trồng khi các cây trồng này được tưới bằng nguồn
nước có chứa kim loại nặng hoặc đất trồng cây bị ô nhiễm bởi nguồn nước có chứa
kim loại nặng đi qua nó. Do đó, kim loại nặng trong môi trường nước có thể đi vào
cơ thể con người thông qua con đường ăn hoặc uống [4].
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
3
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Bảng 1.1 : Một số các kim loại nặng và ảnh hưởng của chúng
đến cơ thể sống [4]
Tên kim
loại nặng
Khối lượng
phân tử
(g)
Khối lượng
riêng
(g/cm
3
)
Ảnh hưởng
đến thực vật
Ảnh hưởng
đến động vật
Pt 195 21,4 Độc -
Hg 200,56 13,59 Độc Độc
Pb 207 11,34 Độc Độc
Cu 64 8,92
Cần thiết
Độc
Cần thiết
Độc
Co 59 8,9 - Cần thiết
Ni 59 8,9 Độc Cần thiết
Cd 112 8,65 Độc Độc
Fe 56 7,86 Cần Cần thiết
Cr 52 7,2
Cần thiết

Độc
Cần thiết
Mn 55 7,2
Cần thiết
Độc
Cần thiết
Zn 65 7,14 - Cần thiết
Các quá trình sản xuất công nghiệp, quá trình khai khoáng, quá trình tinh chế
quặng, sản xuất kim loại thành phẩm, là các nguồn chính gây ô nhiễm kim loại
nặng trong môi trường nước. Thêm vào đó, các hợp chất của kim loại nặng được sử
dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác như quá trình tạo màu và nhuộm ở
các sản phẩm của thuộc da, cao su, dệt, giấy, luyện kim, mạ điện và nhiều ngành
khác cũng là nguồn đáng kể gây ô nhiễm. Khác biệt so với nước thải ngành công
nghiệp, nước thải sinh hoạt thường có chứa trong nó một lượng kim loại nhất định
bởi quá trình tiếp xúc lâu dài với Cu, Zn, hoặc Pb của đường ống hoặc bể chứa.
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
4
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Sự tồn tại của kim loại nặng ở trong nước thải sinh hoạt do các tác nhân
trong các mỹ phẩm dùng để trang điểm, rửa mặt, Một vài hóa chất được sử dụng
trong nông nghiệp cũng làm gia tăng ô nhiễm kim loại nặng như: Cu được thêm vào
thức ăn cho lợn và được bài tiết ra một lượng lớn bởi các loài động vật. Kim loại
nặng được phân loại nói chung là chất độc hại hoặc rất độc hại đối với các động vật
sống dưới nước hoặc rất nhiều các loài thực vật mặc dù ngay cả khi với mỗi loài
hoặc một nhóm loài có liên quan gần gũi tới nhau thì chúng đều có độ nhạy cảm với
ảnh hưởng của kim loại là khác nhau. Chỉ một phần nhỏ các tác động của kim loại
nặng đối với các thực vật nhỏ thủy sinh được biết đến. Nói chung trong môi trường
nước thì kim loại nặng có thể được liệt kê sắp xếp theo thứ tự giảm độc hại như sau:
Hg, Cd, Cu, Ni, Pb, Cr, Co, Tuy nhiên sự sắp xếp này chỉ là tương đối và các vị trí
của các nguyên tố này trong chuỗi sẽ rất khác nhau với từng loài, từng điều kiện và

đặc điểm môi trường. Phân chia theo sự khác biệt về đặc tính của độ nhạy cảm với
các kim loại, độc tính của các kim loại rất đa dạng với các điều kiện môi trường
chính bởi vì ảnh hưởng của điều kiện môi trường khác nhau lên các đặc tính của
từng kim loại. Nghiên cứu ảnh hưởng, hậu quả của kim loại nặng trong nước tới
sinh thái thường gặp những cản trở bởi thực tế là các tạp chất ô nhiễm khác luôn
luôn có mặt, do đó khó có thể xác định được mức độ ô nhiễm hay hậu quả của các
kim loại có trong nước thải gây nên với môi trường sinh thái.
Trong môi trường thì các kim loại nặng tồn tại trong các hợp chất vô cơ hoặc
hữu cơ. Có một vài bằng chứng cho thấy khi trong nước thải có chứa các hợp chất
hữu cơ thì độc tính của kim loại đối với các động thực vật sống giảm đi. Tuy nhiên
cũng có khi sự tồn tại một số các hợp chất hữu cơ mà sự có mặt của nó cùng với các
kim loại nặng lại làm tăng thêm độc tính của kim loại nặng đó.
Đối với con người, một số kim loại khi tồn tại một hàm lượng nhất định
trong cơ thể con người sẽ có ích, tuy nhiên khi nồng độ của các kim loại này lớn
hoặc thấp hơn mức cho phép thì nó sẽ là chất độc gây rối loạn trong cơ thể con
người và tạo ra các bệnh nguy hiểm như rối loạn cơ quan thần kinh, phá hủy gan,
thận hoặc gây ra căn bệnh ung thư.
Trong môi trường nước, ion kim loại nặng trong môi trường nước thường kết
hợp với các thành phần khác để chuyển về trạng thái bền hơn. Trong nước chúng
thường bị hyđrat hóa tạo ra lớp vỏ là các phân tử nước che chắn nó với các phân tử
không phải là nước ở xung quanh để trở về trạng thái bền hơn. Lớp vỏ hyđrat này
thường là hình cầu mà ion kim loại nằm ở trung tâm, các phân tử nước bao xung
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
5
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
quanh được gọi là lớp vỏ. Các phân tử nằm sát với ion kim loại nhất thì chúng có
tương tác với ion kim loại mạnh nhất, các lớp tiếp sau thì yếu hơn và trong một
khoảng cách nào đó thì sẽ không có tương tác.
Quá trình hyđrat hóa có thể được coi là quá trình tạo phức với nhân trung
tâm là ion kim loại và các phối tử là các phân tử nước. Thông thường số phối trí của

hầu hết các kim loại là 6.
Các ion kim loại mang điện tích dương do vậy dưới tác dụng của lực đẩy tĩnh
điện các nguyên tử hiđro của các phân tử nước nằm sát với các ion kim loại bị đẩy
ra, và như vậy làm cho các phân tử nước nằm sát các ion kim loại có tính axit cao
hơn (khả năng nhường proton cao hơn) so với các phân tử nước ở ngoài dung dịch.
Quá trình nhường proton này đã tạo thành các phức chất hyđroxo, oxo hay hyđro
oxo kim loại tức là các sản phẩm hyđroxit, oxit hay oxit hyđroxit hỗn hợp. Quá
trình này gọi là quá trình thủy phân của kim loại, ion kim loại với nước.
Như đã trình bày, việc tách proton ra khỏi các phân tử nước nằm sát các ion
kim loại là nhờ vào lực đẩy tĩnh điện, tức là phụ thuộc vào điện tích của các ion
kim loại và khoảng cách giữa chúng với các phân tử nước. Do vậy, ion kim loại
nào có điện tích càng cao thì khả năng tách proton càng lớn. Đối với các ion có
cùng điện tích thì ion nào có kích thước ion càng nhỏ thì lực tĩnh điện tạo ra bởi
nó với proton càng mạnh (do mật độ điện tích của các ion này cao hơn so với các
ion cùng điện tích).
Với các ion có điện tích là +1(các kim loại kiềm), lực tương tác giữa chúng
với các proton lớp vỏ không đủ để tách proton này ra. Do vậy, các ion kim loại có
điện tích +1 chỉ tồn tại ở trạng thái hiđrat hóa.
Với các ion có điện tích là +2 thì lực tương tác có mạnh hơn, tuy nhiên nó
chỉ có khả năng đẩy proton ra ở vùng pH cao (tức là các phân tử nước xung quanh
có khả năng tiếp nhận proton cao), ở trong nhóm này thì các ion kim loại có kích
thước nhỏ, mật độ điện tích lớn có khả năng đẩy các proton và tạo thành các
hiđroxit kim loại.
M
2+
. 6H
2
O = M
2+
.OH.5H

2
O + H
+
M
2+
.OH.5H
2
O = M(OH)
2
.4H
2
O + H
+
Đối với các ion kim loại có điện tích là +3, lực tương tác của chúng đủ mạnh
để tách cả 3 proton ở điều kiện pH trung hòa, thậm chí có thể tách được cả proton
thứ tư khi ở pH cao, ví dụ như sắt (III) ở pH > 8,5.
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
6
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Fe
3+
.6H
2
O → FeOH
2+
.5H
2
O → FeOH
2
+

.4H
2
O → Fe(OH)
3
.3H
2
O → Fe(OH)
4
-
.2H
2
O
Đối với các ion có điện tích là 4 hay cao hơn, việc tách các proton ra hết sức
dễ dàng, chúng có thể tách cả 2 proton trong một phân tử nước và tạo thành các
phức oxo: Cr
2
O
7
2-
, CrO
4
2-
, MnO
4
-
[3].
1.1.2. Giới thiệu một số các kim loại nặng và các ảnh hưởng của chúng lên cơ
thể hữu cơ sống và con người
1.1.2.1. Đồng (Cu)
- Nguồn phát sinh:

Nguồn thải chính của đồng trong nước thải công nghiệp là nước thải quá
trình mạ và nước thải quá trình rửa, ngâm trong bể có chứa đồng. Các bể làm bằng
đồng và đồng thau thường bị các axit mạnh, trong các quá trình chứa, đựng các
dung dịch, oxi hóa làm đồng tan vào trong dung dịch. Còn trong các quá trình mạ,
đồng được sử dụng làm nguyên liệu chính hoặc chỉ là lớp phủ cho các kim loại như
vàng, bạc,
Đồng trong nước thải thường tồn tại dưới các dạng: các muối Cu
2+
như
CuCl
2
, CuSO
4
, hoặc tồn tại dưới dạng các muối phức. Ví dụ như khi đồng được
kết hợp với kiềm (NaOH) tạo ra: Na
2
[Cu(OH)
4
].
- Độc tính:
Đồng có độc tính cao đối với hầu hết các thực vật thủy sinh, ở nồng độ thấp
≤ 0,1 mg/l, nó đã gây ra ức chế không cho các loài thực vật này phát triển. Ngoài ra
đồng còn có khả năng làm mất muối bởi vậy làm giảm khả năng thẩm thấu của tế
bào. Đối với độc tính của đồng lên thực vật thủy sinh thì đồng chỉ đứng sau thủy
ngân.
Đối với các loài cá nước ngọt thì đồng cũng gần như là kim loại có độc tính
nhất chỉ sau thủy ngân. Ngưỡng độc của đồng là LC
50
= 0,017 - 1 (mg/l), tùy thuộc
vào điều kiện môi trường và từng loài. Đồng ít độc hơn đối với các loài cá biển vì

khả năng tạo phức cao của đồng đối với các muối có trong nước biển, các phức này
có thể là các phức kết tủa hoặc các phức được tạo ra này ít nguy hiểm hơn.
Đối với con người thì đồng không quá độc bởi sự kết hợp trung gian của
đồng giữa các axit mạnh và axit yếu. Cũng không có bằng chứng nào chứng tỏ đồng
là chất gây ung thư cho con người. Tuy nhiên cũng như các kim loại nặng khác, khi
ở nồng độ cao, đồng có thể tích luỹ vào các bộ phận trong cơ thể như gan, thận,
và gây tổn thương đối với các cơ quan này.
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
7
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
- Tiêu chuẩn cho phép của Cu
2+
trong nước:
Giới hạn độc tính của đồng lên cơ thể người là 2 mg/kg trọng lượng cơ thể
người/ tuần.
Tiêu chuẩn Việt Nam cho phép nồng độ đồng trong nước uống và nước sinh
hoạt là 0,5 mg/l
1.1.2.2. Cadimi (Cd)
- Nguồn gốc phát sinh:
* Nguồn gốc tự nhiên: Cadimi có trong khoáng vật chứa các kim loại khác đặc biệt
là kẽm (Zn). Cadimi có trong nham thạch của núi lửa.
* Nguồn gốc nhân tạo :
Cadimi cũng giống như các kim loại khác được sử dụng trong các hoạt động
sản xuất và sinh hoạt của con người.
Các hoạt động công nghiệp là nguồn chính để phát sinh ra các chất thải có
chứa cadimi:
+ Công nghiệp luyện kim
+ Trong quá trình lọc dầu
+ Trong công nghiệp khai thác quặng
+ Trong quá trình đốt cháy than và các chất thải rắn

+ Trong công nghiệp điện tử
+ Trong các hoạt động của nghành cơ khí có sử dụng cadimi
+ Trong công nghiệp sản xuất pin, ac-quy
+ Trong công nghiệp mạ.
- Độc tính:
Cadimi thâm nhập vào cơ thể qua con đường hô hấp, ăn và uống.
Sau khi thâm nhập vào cơ thể cadimi tồn tại ở dạng Cd
2+
liên kết với các
protein tạo thành metalthionin rồi được giữ lại trong thận khoảng 1% và thải ra
ngoài khoảng 99%. Phần còn lại này được tích luỹ tăng dần theo tuổi, và đến một
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
8
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
lúc nào đó lượng Cd
2+
này đủ lớn có thể thay thế Zn
2+
trong các enzim và gây ra rối
loạn trao đổi chất.
Ở nồng độ cadimi cao gây các bệnh thiếu máu, đau thận và phá hủy tủy
xương. Nồng độ ngưỡng của cadimi gây tác hại thận là 0,2 mg/l.
Trong lịch sử thế giới có nhiều vụ ngộ độc cadimi. Nổi tiếng nhất là ngộ độc
cadimi ở Nhật, người ta gọi là bệnh itai-itai. Ở con sông Dinxa của Nhật Bản có mỏ
thiếc, qua quá trình khai thác và tuyển nổi quặng đã thải cadimi vào dòng sông, do
vậy nước con sông bị nhiễm cadimi. Nông dân vùng này thường lấy nước sông để
tưới tiêu trồng trọt lúa và đậu nành. Sau 15-30 năm đã có 150 người chết vì ngộ độc
cadimi mãn tính kèm theo bệnh teo xương ở toàn bộ xương. Và từ đó bệnh nhiễm
độc cadimi này đã đi vào lịch sử nhiễm độc kim loại nặng với cái tên "itai-itai".
- Tiêu chuẩn cho phép của cadimi trong nước:

Giới hạn độc tính của cadimi lên cơ thể người là 0,007 mg/kg trọng lượng cơ
thể người/ tuần.
Tiêu chuẩn Việt Nam cho phép nồng độ cadimi trong nước uống và nước
sinh hoạt là 0,005 mg/l.
Tóm lại, các kim loại tồn tại và luân chuyển trong môi trường nước thường
có nguồn gốc từ các ngành công nghiệp trực tiếp hoặc gián tiếp có sử dụng các kim
loại ấy trong quá trình công nghệ hoặc từ chất thải sinh hoạt của con người. Sau khi
phát tán vào môi trường, chúng luân chuyển, chuyển hóa thành các hợp chất ít độc
hoặc độc hại hơn. Từ đó, chúng được các loại thực vật và động vật hấp thụ. Con
người hấp thụ các động thực vật này qua đường tiêu hóa và ngoài ra con người còn
hấp thụ qua đường nước uống từ đó gây ra nhiễm độc kim loại nặng lên cơ thể con
người. Các ảnh hưởng của kim loại nặng lên cơ thể con người là rất nguy hiểm, nó
có thể gây ra các rối loạn trong cơ thể con người ngay cả khi ở nồng độ nhỏ, và có
thể gây ra những bệnh không có khả năng hồi phục, thậm chí có thể gây tử vong
nếu ở nồng độ lớn. Do vậy để giảm thiểu và tránh ảnh hưởng tiêu cực của kim loại
nặng lên cơ thể con người và môi trường sống thì ta phải làm cho môi trường trong
sạch, không bị ô nhiễm kim loại nặng. Muốn vậy ta cần có những biện pháp hạn
chế, giảm thiểu, xử lý các nguồn thải có chứa kim loại nặng trước khi đưa chúng ra
môi trường xung quanh.
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
9
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
1.3. Phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải
1.3.1. Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng
1.3.1.1. Phương pháp sinh học
Thực chất của phương pháp sinh học để xử lý nước thải là sử dụng khả năng
sống và hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất bền hữu cơ trong nước thải.
Chúng sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh duỡng,
chúng nhận được các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản
nên sinh khối được tăng lên.

Phương pháp này thường được sử dụng để làm sạch các loại nước thải có
chứa các chất hữu cơ hòa tan hoặc các chất phân tán nhỏ, keo. Do vậy, chúng
thường được dùng sau khi loại các tạp chất phân tán thô ra khỏi nước thải.
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học gồm có phương pháp hiếu khí,
kị khí, thiếu khí.
* Ưu điểm:
- Có thể xử lý nước thải có phạm vi ô nhiễm tương đối rộng.
- Hệ thống có thể điều chỉnh theo nồng độ của các chất nhiễm bẩn.
- Thiết kế và trang thiết bị đơn giản.
* Nhược điểm:
- Đầu tư cơ bản cho việc xây dựng khá tốn kém.
- Phải có chế độ công nghệ làm sạch đồng bộ và hoàn chỉnh.
- Các chất hữu cơ khó phân hủy, cũng như các chất vô cơ có độc tính ảnh
hưởng đến thời gian và hiệu quả làm sạch. Các chất có độc tính tác động đến quần
thể sinh vật nói chung và trong bùn hoạt tính làm giảm hiệu suất xử lý của quá
trình.
- Có thể làm loãng nước thải có nồng độ chất bẩn cao, như vậy sẽ làm tăng
lượng nước thải và cần diện tích mặt bằng rộng [7].
1.3.1.2. Phương pháp hóa lý
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
10
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Các phương pháp hóa lý được sử dụng để xử lý nước thải gồm lọc, đông tụ,
keo tụ, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, thẩm thấu, tách. Phương pháp này được sử
dụng để loại ra khỏi nước thải các hạt phân tán.
Các chất hấp phụ thường dùng là: than hoạt tính, đất sét, silicagen, keo
nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải sản xuất như: xỉ, mạt sắt Trong số này,
than hoạt tính được dùng phổ biến nhất. Than hoạt tính có hai dạng: hạt và bột đều
được dùng để hấp phụ. Các chất hữu cơ, kim loại nặng và các chất màu dễ bị than
hấp phụ. Lượng chất này tùy thưộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm

luợng chất bẩn có trong nước. Phương pháp này có khả năng hấp phụ được 58-95%
các chất hữu cơ và màu. Các chất hữu cơ có thể bị hấp phụ được tính đến là phenol,
alkylbenzen, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm. Đã có những ứng dụng dùng than
hoạt tính để hấp phụ thủy ngân và những thuốc nhuộm khó phân hủy, nhưng tốn
kém và làm cho quá trình không kinh tế. Vì vậy, hiện nay người ta đang tiến hành
nghiên cứu và sử dụng vật liệu nanocomposit tổng hợp từ nguồn thiên nhiên có giá
rẻ lại có cơ tính hơn hẳn so với các vật liệu ban đầu để hấp phụ các chất độc hại.
* Ưu điểm:
- Có khả năng loại các chất độc hữu cơ không bị oxy hóa sinh học.
- Hiệu quả xử lý cao hơn.
- Kích thước hệ thống xử lý nhỏ hơn.
- Không cần theo dõi hoạt động của vi sinh vật.
- Có thể tự động hóa hoàn toàn.
* Nhược điểm:
- Chi phí xử lý vẫn còn cao.
- Thường chỉ áp dụng cho xử lý kim loại nặng có nồng độ thấp [7].
1.3.1.3. Phương pháp hóa học
Các phương pháp hóa học dùng trong xử lý nước thải gồm có: trung hòa, oxy
hóa - khử. Tất cả các phương pháp này đều dùng các tác nhân hóa học nên đây là
phương pháp đắt tiền. Nguời ta thường sử dụng phương pháp hóa học để khử các
chất hòa tan và trong các hệ thống cấp nước khép kín. Đôi khi, các phương pháp
hóa học này được dùng để xử lý sơ bộ trước xử lý sinh học hay sau công đoạn như
là một phương pháp xử lý nước thải lần cuối để vào nguồn nước.
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
11
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
* Ưu điểm:
- Xử lý được các chất hữu cơ khó phân hủy
- Xử lý được nhiều loại nước thải, hiệu quả đạt được cao.
* Nhược điểm:

- Giá thành, chi phí đầu tư cao
- Khả năng thu hồi các tác nhân hóa học chưa triệt để.
Hiện nay trên thế giới, xu hướng xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học
đang được sử dụng rộng rãi. Đặc biệt là công nghệ xử lý nước thải bằng phương
pháp bùn hoạt tính. Tuy nhiên, phương pháp bùn hoạt tính thường có nhiều nhược
điểm khó khắc phục như diện tích công trình lớn, hiệu quả năng lượng sử dụng
chưa cao, giá thành cao.
Ở Việt Nam hiện nay, phương pháp hấp phụ được nghiên cứu và sử dụng rộng
rãi. Trong phương pháp này người ta áp dụng các vật liệu hấp phụ (VLHP) có diện tích
bề mặt riêng lớn, trên đó có các trung tâm hoạt động, có khả năng lưu giữ các ion kim
loại nặng trên bề mặt VLHP. Việc lưu giữ các ion kim loại nặng có thể do lực tương
tác giữa các phân tử (lực Van de Van - hấp phụ vật lý), cũng có thể do sự tạo thành các
liên kết hóa học, tạo phức chất giữa các ion kim loại với các nhóm chức (trung tâm
hoạt động) có trên bề mặt VLHP (hấp phụ hóa học), cũng có thể theo cơ chế trao đổi
ion. Một số chất hấp phụ như tro bay, vỏ chuối, sét bentonit, chitosan,
1.3.2. Giới thiệu chung về phương pháp hấp phụ
1.3.2.1 Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong
xử lý nước thải nói chung và nước thải chứa kim loại nặng nói riêng. Phương pháp
hấp phụ được sử dụng khi xử lý nước thải chứa các hàm lượng chất độc hại không
cao. Quá trình hấp phụ kim loại nặng xảy ra giữa bề mặt lỏng của dung dịch chứa
kim loại nặng và bề mặt rắn. Hiện nay người ta đã tìm ra nhiều loại vật liệu có khả
năng hấp phụ kim loại nặng như: than hoạt tính, than bùn, các loại vật liệu vô cơ
như oxit sắt, oxit mangan, tro bay, xỉ than, bằng các vật liệu polyme hóa học hay
polyme sinh học.
a. Hiện tượng hấp phụ [6]
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
12
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách pha (rắn - lỏng, 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.
Hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Khi tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải
hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Người ta phân ra làm hai loại hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
b. Hấp phụ vật lý [7]
Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân
tử, ion, ) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van de Van. Đó là tổng hợp của
nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng.
Khi đã được hấp phụ lên bề mặt chất rắn, nếu tương tác giữa chất hấp phụ
và chất bị hấp phụ không lớn, cấu trúc điện tử của chất bị hấp phụ ít thay đổi, nhiệt
hấp phụ tỏa ra nhỏ thì người ta gọi nó là hấp phụ vật lý.
Trong sự hấp phụ vật lý, chất bị hấp phụ tương tác với bề mặt chất hấp phụ
bởi những lực vật lý như lực tĩnh điện, lực tán xạ, cảm ứng và lực định hướng…,
không có sự trao đổi electron giữa hai chất này.
Sự hấp phụ vật lý ít có tính chất chọn lọc và là thuận nghịch. Hấp phụ vật lý
là hấp phụ không định vị, các phần tử chất bị hấp phụ có khả năng di chuyển trên bề
mặt hấp phụ.
Nhiệt tỏa ra trong quá trình hấp phụ vật lý nhỏ (từ 8 - 10 kJ/mol). Khi nồng
độ (áp suất) chất bị hấp phụ tăng thì lượng chất bị hấp phụ (thường được biểu diễn
bằng số mol dư trên 1m
2
bề mặt) sẽ tăng và đạt giá trị lớn nhất khi bề mặt chất hấp
phụ được phủ kín hết.
Trong hấp phụ vật lý, quá trình hấp phụ tự diễn ra. Chất bị hấp phụ có xu
hướng bám trên toàn bộ bề mặt chất hấp phụ, quá trình này bị cản trở bởi quá trình
ngược - quá trình giải hấp, là quá trình khuyếch tán nhằm đạt đến phân bố cân bằng
chất nhờ chuyển động nhiệt. Nồng độ chất bị hấp phụ càng cao thì lượng chất hấp
phụ càng nhiều. Nhiệt độ càng cao, thì hấp phụ vật lý càng thấp. Đối với mỗi nhiệt
độ có một trạng thái cân bằng riêng. Giải hấp là quá trình ngược lại với quá trình

hấp phụ nên là quá trình thu nhiệt.
c. Hấp phụ hóa học
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
13
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
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 ).
Do hấp phụ hóa học nhờ lực hóa học nên giải hấp diễn ra khó khăn và
thường giải hấp chất khác thay cho chất bị hấp phụ. Thực chất giải hấp phụ không
phải là đưa phân tử ra khỏi bề mặt chất hấp phụ, mà là do sự phân hủy hợp chất bề
mặt tạo thành trong hấp phụ hóa học. Hấp phụ hóa học, giống như phản ứng hóa
học có đặc điểm riêng, nghĩa là các chất bị hấp phụ xác định mới có thể tương tác
với chất hấp phụ. Năng lượng hoạt hóa tăng khi tăng mức che phủ bề mặt bởi các
phân tử hấp phụ hóa học. Điều này có thể giải thích là do có các tâm hoạt động và
năng lượng hoạt hóa khác nhau.
Các lớp đa phân tử hình thành trong hấp phụ hóa học gồm các hợp chất mới
được gọi là hợp chất bề mặt, chúng không được coi là một pha mới hay một chất
mới. Thực tế, giữa các phân tử chất bị hấp phụ và nguyên tử (phân tử) chất hấp phụ
xuất hiện liên kết hóa học, trong khi đó các nguyên tử bề mặt của chất hấp phụ vẫn
tương tác với nhau. Năng lượng tạo thành liên kết hóa học giữa các phân tử chất bị
hấp phụ và chất hấp phụ không đủ mạnh để đứt các nguyên tử bề mặt của chất hấp
phụ trong mạng lưới tinh thể.
d. Hấp phụ trong môi trường nước
Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH của môi
trường. Để tồn tại được ở trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trường nước bị
hyđrat hóa tạo ra lớp vỏ là các phân tử nước, các phức chất hiđroxo, các cặp ion hay
phức chất khác đây là đặc tính của ion kim loại nặng trong môi trường nước. Tùy
thuộc vào bản chất hóa học của các ion, pH của môi trường, các thành phần khác
cùng có mặt mà hình thành các dạng tồn tại khác nhau [7].

1.3.2.2. Giới thiệu một số chất hấp phụ kim loại nặng
Hiện nay, người ta đã phát hiện ra nhiều chất hấp phụ có khả năng hấp phụ
kim loại nặng. Các chất hấp phụ này có nguồn gốc rất đa dạng nó có thể là những
hợp chất vô cơ, vật liệu bắt nguồn từ sinh học, Chất hấp phụ là những vật liệu rắn
dạng hạt có cấu trúc rất xốp và diện tích bề mặt riêng lớn.
Một chất hấp phụ được đặc trưng bởi các thông số: Thành phần hóa học, cấu
trúc xốp, diện tích bề mặt, nhóm chức bề mặt.
a. Các vật liệu có nguồn gốc vô cơ
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
14
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
- Chất hấp phụ oxit sắt: Chất hấp phụ oxit sắt có công thức hóa học là Fe
2
O
3
.
Đối với oxit sắt ở dạng bột mịn, cỡ hạt vào khoảng nhỏ hơn 100µm, người ta đã đo
được bằng phương pháp BET diện tích bề mặt của nó là 3,07 m
2
/g.
Một điểm thuận lợi khi sử dụng Fe
2
O
3
là chất này chính là chất thải của quá
trình đốt quặng pirit (FeS) là chất thải của công ty Super photphat Lâm Thao. Do
vậy, nếu Fe
2
O
3

được sử dụng làm chất hấp phụ sẽ giải quyết được phần nào chất
thải rắn được tích tụ lại trong nhà máy.
- Chất hấp phụ tro bay, xỉ than: Trong quá trình đốt than, một lượng bụi mịn
bay lên và tích tụ lại ở trong ống khói được gọi là tro còn phần than bị thiêu kết và
nằm lại phía dưới (đáy lò) gọi là xỉ than. Do vậy tro bay và xỉ than chính là thành
phần tro của than đá. Diện tích bề mặt đo được theo phương pháp BET là 5,39 m
2
/g
đối với xỉ than, còn đối với tro bay là 10,15 m
2
/g.
- Chất hấp phụ đioxit Mangan: Có công thức hóa học là MnO
2
. Lượng
quặng Mangan ở nước ta có trữ lượng khá cao và có loại quặng hàm lượng
Mangan đạt tới 76%.
b. Các chất polyme :
Người ta sử dụng nhiều chất polyme làm chất hấp phụ. Các chất polyme
thường có các nhóm chức có khả năng hút hoặc giữ các kim loại vào trong thành
phần liên kết.
c. Chất hấp phụ sinh học:
Chất hấp phụ sinh học là những chất có bắt nguồn từ sinh học do vậy nó rất
đa dạng và phong phú. Các chất sinh học được sử dụng để làm chất hấp phụ sinh
học thường là các polyme sinh học.
1.3.2.3. Ưu nhược điểm của phương pháp hấp phụ
* Ưu điểm
- Xử lý hiệu quả kim loại nặng ở nồng độ thấp.
- Đơn giản, dễ sử dụng.
- Có thể tận dụng một số vật liệu là chất thải của các ngành khác như Fe
2

O
3.
- Có thể nhả hấp phụ để tái sinh vật liệu hấp phụ.
* Nhược điểm
- Thường chỉ áp dụng cho xử lý kim loại nặng ở nồng độ thấp.
- Chi phí xử lý vẫn còn cao.
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
15
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
1.4. Giới thiệu về vật liệu nanocomposit
1.4.1. Tổng quan về montmorillonit (Mont)
1.4.1.1 Thành phần hóa học của montmorillonit
Mont là loại khoáng silicat lớp, mềm, được tạo nên bởi các cấu trúc tinh thể
hiển vi, thuộc họ smectic. Mont được tìm thấy nhiều trong các loại khoáng sét tự
nhiên (clay), đặc biệt nhiều nhất trong bentonit và được phát hiện đầu tiên ở Pháp
(1847), với tên gọi là montmorillonit. Đôi khi người ta còn gọi Mont với một tên
chung là sét.
Công thức đơn giản nhất của Mont: Al
2
O
3
.4SiO
2
.nH
2
O ứng với một nửa tế
bào đơn vị cấu trúc. Trong trường hợp lý tưởng công thức của Mont là
Si
8
Al

4
O
20
(OH)
4
ứng với một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên, thành phần của Mont luôn
khác với thành phần biểu diễn lý thuyết, do có sự thay thế đồng hình của ion kim
loại Al
3+
, Fe
3+
, Fe
2+
, Mg
2+
,… với ion Si
4+
trong tứ diện SiO
4
và Al
3+
trong bát diện
AlO
6
. Như vậy, thành phần hóa học của Mont ngoài sự có mặt của Si, Al, O, H còn
thấy các nguyên tố khác như: Fe, Zn, Mg, Na, K,… Trong đó, tỷ lệ Al
2
O
3
: SiO

2
thay
đổi từ 1: 2 đến 1: 4 [8].
1.4.1.2. Cấu trúc tinh thể
Montmorillonit là aluminosilicat tự nhiên có cấu trúc lớp 2:1. Cấu trúc tinh
thể của nó được cấu tạo từ 2 mạng lưới tứ diện liên kết với một mạng lưới bát diện
ở giữa tạo nên lớp cấu trúc. Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hấp
phụ hình 1.1.
SV: Nguyễn Thị Hồng Xuyến Lớp: Lọc - Hóa dầu K53A
16