nghiên cứu sự hấp phụ as(v) trong dung dịch nước trên vật liệu fe -bentonit và fe-ctab -bentonit

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
NGUYỄN THỊ THANH LAI
NGHIÊN CỨU SỰ HẤP PHỤ As(V) TRONG DUNG DỊCH
NƯỚC TRÊN VẬT LIỆU Fe -BENTONIT VÀ Fe-CTAB
-BENTONIT
CHUYÊN NGÀNH: HÓA VÔ CƠ
MÃ SỐ: 60440113
LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. DƯƠNG TUẤN QUANG
Huế, Năm 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu ghi trong luận văn là trung thực,
được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công
bố trong bất kỳ một công trình nào khác.
Tác giả luận văn
Nguyễn Thị Thanh Lai
Lời Cảm Ơn
Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS.
Dương Tuấn Quang và TS. Đinh Quang Khiếu, đã tận tình
hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành được luận văn này.
Lời cảm ơn sâu sắc xin được dành cho Cô Nguyễn Lê Mỹ
Linh, đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình làm thực
nghiệm.
Xin được cảm ơn Quý Thầy Cô ở Phòng thí nghiệm Hoá
học, Ban chủ nhiệm Khoa Hoá, Ban giám hiệu Trường Đại học
Sư Phạm Huế đã tạo điều kiện cho tôi trong việc sử dụng các
thiết bị chuyên dụng để thực hiện luận văn này.

Bạn bè và người thân chính là chỗ dựa tinh thần quý
báu nhất của tôi trong những thời điểm khó khăn trên con
đường đi tìm chân lý khoa học. Xin chân thành cảm ơn với tình
cảm quý mến !
Học viên
Nguyễn Thị Thanh Lai
MỤC LỤC
Huế, Năm 2014 1
LỜI CAM ĐOAN 2
Lời Cảm Ơn 3
MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU 5
DANH MỤC CÁC BẢNG 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8
MỞ ĐẦU 10
Chương 1 11
TỔNG QUAN 11
1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 11
1.1.1 Trên thế giới 11
1.1.2. Trong nước 13
1.2 Tổng quan về khoáng bentonit 14
1.2.1 Thành phần hóa học 14
1.2.2 Cấu trúc tinh thể của montmollorinit 14
1.2.3 Tính chất vật lý –hóa học của bentonit 16
1.2.3.1 Tính chất trương nở 16
1.2.3.2. Tính chất trao đổi ion 16
1.2.3.3. Tính chất hấp phụ 18
1.2.3.4. Tính kết dính 19
1.3 Sự ô nhiễm asen 20
1.3.1. Ảnh hưởng của asen đến sức khỏe con người 20

1.3.2 Các dạng tồn tại của asen 20
1.3.3. Các phương pháp xử lý asen trên thế giới 20
1
1.4. Hấp phụ 21
1.4.1. Quá trình hấp phụ 21
1.4.2. Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 22
1.4.3. Phương trình động học biểu kiến của quá trình hấp phụ 23
1.5. Điểm điện tích không 24
Chương 2 26
THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26
2.1. Hóa chất, thiết bị 26
2.2. Phương pháp nghiên cứu 26
2.2.1. Tổng hợp vật liệu Fe-bentonit và Fe-CTAB-bentonit từ bentonit Cổ Định
26
2.2.1.1. Tinh chế bentonit 26
2.2.1.2. Tổng hợp vật liệu Fe-bentonit từ bentonit Cổ Định 26
2.2.1.3. Tổng hợp vật liệu Fe-CTAB-bentonit từ bentonit Cổ Định 26
2.2.2. Các phương pháp đặc trưng vật liệu 27
2.2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD) 27
2.2.2.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 27
2.2.2.3 . Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy-
SEM) 28
2.2.2.4.Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ ở 77K (BET). 29
2.2.2.5. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) 29
2.2.2.6. Phương pháp phân tích năng lượng tán xạ tia X (EDX) 30
2.2.3. Phương pháp xác định điểm điện tích không 30
2.2.4. Nghiên cứu sự hấp phụ As(V) trong dung dịch nước trên vật liệu Fe-
bentonit và Fe-CTAB-bentonit 31
2.2.4.1. Lựa chọn chất hấp phụ 31
2.2.4.2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ 31

2
2.2.4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ 31
2.2.4.4. Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe-
bentonit và Fe-CTAB-bentonit 31
2.2.4.5. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe-bentonit và
Fe-CTAB-bentonit 32
2.2.5. Giải hấp phụ As(V) và tái sử dụng vật liệu hấp phụ 32
Chương 3 33
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33
3.1. Đặc trưng vật liệu Fe-bentonit 33
3.2. Đặc trưng vật liệu Fe-CTAB-bentonit 38
3.3. Nghiên cứu sự hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe-bentonit 41
3.3.1. Lựa chọn chất hấp phụ và xác định điểm điện tích không của vật liệu đã
lựa chọn 41
3.3.1.1. Lựa chọn chất hấp phụ 41
3.3.1.2. Xác định điểm điện tích không của vật liệu 0,3FeM 42
3.3.2. Ảnh hưởng của pH và cơ chế hấp phụ 43
3.3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ 47
3.3.4. Động học của quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe-bentonit 47
3.3.4.1. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 47
3.3.4.2. Mô hình động học cho quá trình hấp phụ As(V) 48
3.3.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ 51
3.3.5. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ và xác định các thông số nhiệt động của quá
trình hấp phụ 51
3.3.5.1. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 51
3.3.5.2. Xác định các thông số nhiệt động của quá trình hấp phụ 53
3.4. Nghiên cứu sự hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe-CTAB-bentonit 54
3
3.4.1. Lựa chọn chất hấp phụ và xác định điểm điện tích không của vật liệu đã
lựa chọn 54

3.4.1.1. Lựa chọn chất hấp phụ 54
3.4.1.2. Xác định điểm điện tích không của vật liệu 0,3FeCM 55
3.4.2. Ảnh hưởng của pH và cơ chế hấp phụ 55
3.4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ 58
3.4.4. Động học của quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe-CTAB-bentonit
59
3.4.4.1. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 59
3.4.4.2. Mô hình động học cho quá trình hấp phụ As(V) 60
3.4.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ 62
3.4.5. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ và xác định các thông số nhiệt động của quá
trình hấp phụ 63
3.4.5.1. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 63
3.4.5.2. Xác định các thông số nhiệt động của quá trình hấp phụ 65
3.5. Giải hấp phụ As(V) và tái sử dụng vật liệu hấp phụ 66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
PHỤ LỤC 76
4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU
AAS Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử
(Atomic absorption spectroscopy)
B Bentonit Cổ Định chưa tinh chế
BET Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ
(của Brunauer - Emmett - Teller)
As Asen
CM CTAB-Bentonit
DLHP Dung lượng hấp phụ
CTAB Cetyl trimethylammonium bromide
IR Phương pháp phổ hồng ngoại
K Kaolinite

M Bentonit Cổ Định sau khi tinh chế
MMT Montmorillonit
SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy)
XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X (X - Ray Diffraction)
EDX Phân tích tán xạ năng lượng tia X (Enegry Dispersive X-ray)
5
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các phương trình đẳng nhiệt ở dạng tuyến tính 23
Bảng 3.1. Các giá trị d001 và ∆d001 của các mẫu Fe-bentonit ở các tỉ lệ khác nhau 33
Mẫu 33
M 33
0,3FeM 33
0,4FeM 33
0,8FeM 33
1,0FeM 33
1,5FeM 33
2,0FeM 33
d001 (Å)33
14,4 33
14,8 33
14,1 33
- 33
13,8 33
15,0 33
16,3 33
∆d001= d001-14,4 (Å) 33
- 33
0,4 33
-0,3 33
- 33

-0,6 33
0,6 33
1,9 33
Bảng 3.2. Thành phần nguyên tố của mẫu M, 0,3FeM và 1,5FeM 35
Bảng 3.3. Các thông số đặc trưng cho tính chất xốp của M, 0,3FeM và 1,5FeM 36
6
Mẫu 37
SBET (m2/g) 37
Vp (cm3/g) 37
Dp (nm) 37
Bảng 3.4. Các giá trị d001 và ∆d001 của các mẫu Fe-CTAB-bentonit ở các tỉ lệ khác nhau
38
Bảng 3.5. Các thông số đặc trưng cho tính chất xốp của các mẫu M, CM, 1,5FeCM 40
Bảng 3.6. Giá trị pH của dung dịch As(V) trước và sau khi hấp phụ 44
trên vật liệu 0,3FeM 44
Bảng 3.7. Các tham số của phương trình động học biểu kiến bậc 1, bậc 2 và Elovich của sự
hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeM ở các nhiệt độ khác nhau 49
Bảng 3.8. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir và Freundlich 52
Bảng 3.9. Các thông số nhiệt động tính toán từ hằng số đẳng nhiệt Langmuir (KL) đối với
quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeM 54
Bảng 3.10. Giá trị pH của dung dịch As(V) trước và sau khi hấp phụ trên 56
vật liệu 0,3FeCM 56
Bảng 3.11. Các tham số của phương trình động học biểu kiến bậc 1, bậc 2 và Elovich của
sự hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeCM ở các nhiệt độ khác nhau 61
Bảng 3.12. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir và Freundlich 64
Bảng 3.13. Dung lượng hấp phụ As(V) cực đại (qm) của vật liệu tổng hợp và so sánh với
một số kết quả của các tác giả khác 65
Bảng 3.14. Các thông số nhiệt động tính toán từ hằng số đẳng nhiệt Langmuir (KL) đối
với quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeCM 66
Bảng 3.15. Lựa chọn dung môi giải hấp 66

Bảng 3.16. Kết quả giải hấp As(V) và tái sử dụng vật liệu hấp phụ 67
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc 2:1 của MMT 14
Hình 1.2. Mô hình cấu trúc MMT 15
Hình 2.2. Nguyên tắc chung của phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM 28
Hình 3.1. Giản đồ XRD của các mẫu Fe-bentonit tổng hợp ở các tỉ lệ khác nhau 33
(c) 35
Hình 3.2. Phổ EDX của mẫu M (a), 0,3FeM (b) và 1,5FeM (c) 35
Hình 3.3. Ảnh SEM của mẫu M (a), 0,3FeM (b) và 1,5FeM 36
Hình 3.4. Đường hấp phụ và khử hấp phụ N2 của M, 0,3FeM và 1,5FeM 36
Hình 3.5. Giản đồ XRD của các mẫu Fe-CTAB-bentonit tổng hợp ở các tỉ lệ khác nhau 38
Hình 3.6. Ảnh SEM của mẫu CM (a), 0,3FeCM (b) và 1,5FeCM (c) 39
Hình 3.7. Đường hấp phụ và khử hấp phụ N2 của các mẫu M, CM, 0,3FeCM 40
và 1,5FeCM 40
Hình 3.8. Hiệu suất hấp phụ As(V) của mẫu M và các mẫu Fe-bentonit 41
Hình 3.9. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của vật liệu 0,3FeM 42
Hình 3.10. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ As(V) trên mẫu 0,3FeM (Co(As)
= 12,98 ppm, 303K 43
Hình 3.11. Phổ IR của mẫu 0,3FeM trước và sau khi hấp phụ As(V) 45
Hình 3.12. Ảnh SEM của mẫu 0,3FeM trước (a) và sau khi hấp phụ As(V) (b) 46
Hình 3.13. Cơ chế đề nghị cho quá trình hấp phụ As(V) trên mẫu 0,3FeM 46
Hình 3.14. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ đến dung lượng hấp phụ As(V) trên
mẫu 0,3FeM (Co(As) = 12,05 ppm, pH=3,0, 303K) 47
Hình 3.15. Hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeM ở 283K, 293K, 303K và 313K (Co(As) =
11,95 ppm, pH = 3,0) 47
Hình 3.16. Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (a), bậc 2 (b) và Elovich (c) của sự hấp phụ
As(V) trên vật liệu 0,3FeM ở các nhiệt độ khác nhau 49
Hình 3.17. Sự phụ thuộc lnk2 vào 1/T của sự hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeM 51
Hình 3.18. Đường đẳng nhiệt Langmuir (a) và Freundlich dạng tuyến tính (b) hấp phụ

As(V) trên 0,3FeM ở các nhiệt độ khác nhau 52
8
Hình 3.19. Đồ thị lnKL theo 1/T xác định các thông số nhiệt động của quá trình hấp phụ
As(V) trên vật liệu 0,3FeM 53
Hình 3.20. Hiệu suất hấp phụ As(V) của các mẫu Fe-CTAB-bentonit 54
Hình 3.21. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của vật liệu 0,3FeCM 55
Hình 3.22. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ As(V) trên mẫu 0,3FeCM
(Co(As) = 12,98 ppm, 303K) 56
Hình 3.23. Phổ IR của mẫu 0,3FeCM trước và sau khi hấp phụ As(V) 58
Hình 3.24. Ảnh SEM của mẫu 0,3FeCM trước (a) và sau khi hấp phụ As(V) (b) 58
Hình 3.25. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ đến dung lượng hấp phụ As(V) trên
mẫu 0,3FeCM (Co(As) = 12,05 ppm, pH=3,0, 303K) 59
Hình 3.26. Hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3Fe0,4CM ở 283K, 293K, 303K và 313K
(Co(As) = 11,95 ppm, pH = 3,0) 60
Hình 3.27. Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (a), bậc 2 (b) và Elovich (c) của sự hấp phụ
As(V) trên vật liệu 0,3FeCM ở các nhiệt độ khác nhau 61
Hình 3.28. Sự phụ thuộc lnk2 vào 1/T của sự hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeCM 62
Hình 3.29. Đường đẳng nhiệt Langmuir (a) và Freundlich dạng tuyến tính hấp phụ As(V)
trên 0,3FeCM ở các nhiệt độ khác nhau 63
Hình 3.30 . Đồ thị lnKL theo 1/T xác định các thông số nhiệt động của quá trình hấp phụ
As(V) trên vật liệu 0,3FeCM 65
9
MỞ ĐẦU
Ngày nay, sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ đã thúc đẩy các
ngành công nghiệp phát triển mạnh. Bên cạnh những thành tựu đạt được, xã hội đang
phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm mà một số ngành công nghiệp để lại. Trong đó, đáng
chú ý là các chất thải từ các nhà máy lọc hóa dầu, dệt nhuộm, dược phẩm, chất dẻo,
sơn, mỹ phẩm, thuốc trừ sâu, Hậu quả là các nguồn nước bị ô nhiễm bởi các chất
hữu cơ khó phân hủy sinh học (phenol và các dẫn xuất, thuốc nhuộm ), kim loại
nặng ( Cd, Pb, As, Hg ). Trong đó asen là chất độc cực mạnh đối với cơ thể con

người và sinh vật, có thể gây ra 19 căn bệnh khác nhau trong đó phổ biến là ung thư
da và phổi. Do đó để giải quyết cấp bách về hiện trạng ô nhiễm asen, các nhà khoa
học trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đã tiến hành rất nhiều phương pháp
loại bỏ asen. Trong các phương pháp xử lý asen, phương pháp hấp phụ là phương
pháp đơn giản, dễ áp dụng và cho hiệu quả xử lý asen tốt. Một trong những vật liệu
có khả năng hấp phụ asen tốt là khoáng sét bentonit. Bentonit tồn tại với trữ lượng
dồi dào, giá thành rẻ, diện tích bề mặt lớn đang thu hút sự chú ý của các nhà nghiên
cứu. Với thành phần chủ yếu là montmorillonit (MMT), đặc tính xốp, bề mặt riêng,
dung lượng trao đổi ion lớn, độ bền cơ học và hóa học cao, bentonit được sử dụng
làm xúc tác trong các phản ứng hóa học, chất hấp phụ, chất trao đổi ion, chất mang.
Để cải thiện chất lượng của bentonit nhằm mở rộng ứng dụng của loại vật liệu này,
nhiều nghiên cứu tập trung vào biến tính bề mặt bentonit làm tăng khả năng hấp phụ
của nó. Với những tính chất mới sau khi biến tính, bentonit sẽ là vật liệu tiềm năng,
không gây nguy hại, đem lại hiệu quả và lợi ích kinh tế cao. Xuất phát từ thực tiễn
trên chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu sự hấp phụ As(V) trong dung dịch nước
trên vật liệu Fe-bentonit và Fe-CTAB-bentonit”
10
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1.1 Trên thế giới
Để cải thiện đặc tính, chất lượng của bentonit nhằm mở rộng ứng dụng của nó,
các nghiên cứu tập trung vào việc biến tính bentonit với nhiều kỹ thuật khác nhau.
Các hướng nghiên cứu trên thế giới có thể kể ra là:
Tổng hợp bentonit chống (pillared bentonit) bằng các kim loại, oxit kim
loại với các phương pháp khác nhau. Bentonit chống bằng các oxit kim loại được
tổng hợp bằng phương pháp trao đổi cation trong khoảng xen giữa mạng với các
ion phức kim loại chuyển tiếp, kết quả là làm gia tăng khoảng cách giữa các lớp
trong cấu trúc của vật liệu. Khi đun nóng, các phần tử vô cơ chuyển thành các
oxit kim loại dẫn đến vật liệu thu được có cấu trúc vi mao quản bền với diện tích

bề mặt cao. Ohtsuka và cộng sự [10] đưa Zr – tetramer vào bentonit từ dung dịch
zirconium oxychloride làm thay đổi khoảng cách giữa các lớp mạng là 7Å, 12Å,
14Å. Sen Gupta và Bhattachavya [10] biến tính MMT bằng polyoxozirconium
thu được vật liệu hấp phụ tốt Cd (II). Các tác giả này chỉ ra rằng độ hấp phụ phụ
thuộc vào pH của dung dịch, khi pH thay đổi từ 1 đến 10 thì độ hấp phụ Cd(II)
trên ZrO-MMT tăng từ 39,6 đến 64,8 %.
Tổng hợp vật liệu nano MMT - hữu cơ bằng cách chức năng hóa montmorillonit
(MMT). Theo hướng này, các nhà nghiên cứu đã đạt được nhiều kết quả tốt. Li và
cộng sự [21] dùng các ion alkylammonium làm chất trao đổi ion thay cho các cation
vô cơ vẫn thường sử dụng. Cơ chế của quá trình này là phản ứng trao đổi ion giữa
cation hữu cơ ammonium với ion kim loại Na
+
hoặc Li
+
tồn tại trong cấu trúc tinh thể
dạng lớp của MMT. Với quá trình xử lý như vậy, bề mặt MMT chuyển từ pha ưa
nước sang pha kỵ nước với những gốc thế hữu cơ khác nhau, kết quả là vật liệu thu
được sử dụng làm chất hấp phụ hữu cơ ô nhiễm tuyệt vời. Ngoài ra, đặc tính của các
ion ammonium là tính ưa hữu cơ, khả năng trương nở và sự hình thành hệ sol-gel
thuận nghịch trong các dung môi hữu cơ, dẫn đến vật liệu bentonit biến tính bằng
11
chất hữu cơ này có hàng loạt các ứng dụng trong công nghiệp như công nghiệp sơn,
mỡ, keo, chất dẻo Các chất hữu cơ dùng làm tác nhân biến tính MMT đang được sử
dụng phổ biến là: methylamine hydrochloride, tetramethyl ammonium chloride,
octadecyl trimetyl ammonium bromide, octadecyl amine, dimethyl benzyl octadecyl
ammonium bromide, [2]. Những vật liệu dạng này hiện tại đang được các phòng thí
nghiệm trên thế giới nghiên cứu và tổng hợp nhiều .
Tổng hợp vật liệu polymer/MMT [5] : Để tăng độ bền nhiệt của các vật liệu
biến tính từ bentonit, các nghiên cứu tập trung vào hướng nghiên cứu thứ ba. Thông
thường vật liệu nanocomposite được chia thành hai loại: vật liệu nanocomposite xen

lớp và vật liệu nanocomposite khuếch tán nano. Loại thứ nhất chính là sản phẩm biến
tính bentonit bằng các polymer cation hữu cơ có chứa nhóm không phân cực. Nghiên
cứu của Breen và cộng sự[9] chỉ ra rằng phức hợp polymer cation/bentonit có thể
phát triển thành một mạng lưới mang điện tích dương. Pha điện tích dương sẽ hấp
phụ các chất ô nhiễm tích điện âm của môi trường. Tiếp sau đó là hàng loạt những
nghiên cứu của Breen và Watson, Gungor và Karaoglan, Churman , về khả năng
hấp phụ và tương tác giữa polymer cation hữu cơ với các cấu tử trong bentonit. Loại
thứ hai là dạng vật liệu các hạt nanclay hữu cơ khuếch tán đều trong polymer nền.
Loại vật liệu này có độ bền nhiệt cao, tuy nhiên sự phân hủy nhiệt phụ thuộc vào
nhiều yếu tố như thành phần hóa học của các tác nhân hữu cơ hóa, thành phần và cấu
trúc của nanocomposite và cơ chế cải tiến độ bền nhiệt của nanocomposite
polymer/MMT. Năm 1987 hãng TOYOTA CRDL đã tổng hợp được vật liệu
nanoclay/polyamide và đưa vào ứng dụng trong ngành chế tạo ô tô như tạo vật liệu
cao su, vật liệu sơn bảo vệ. Bằng phương pháp nóng chảy, Giannelis lại tổng hợp
được polystyren/ clay nanocomposite. Mới đây, Leszcynska và cộng sự công bố tổng
hợp thành công các loại nanocomposite: polyolefins/ MMT, polyamides (PA)/MMT,
polymethylmethacrylate (PMMA)/MMT, polyvinylchloride (PVC)/MMT,
polyesters/MMT, polyimides (PI)/MMT, nhựa epoxy/MMT, polyurethanes
(PU)/MMT, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM) / MMT, polyvinylalcohol
(PVA)/MMT, polylactide (PLA)/ MMT. Các tác giả này chỉ ra rằng vật liệu thu được
có độ bền nhiệt cao và có nhiều ứng dụng trong công nghiệp.
12
1.1.2. Trong nước
Bằng phương pháp hoạt hóa axit biến tính bentonit Thuận Hải, Lê Tự Hải và
cộng sự [1] đã thu được vật liệu có khả năng hấp phụ tốt Mn
2+
trong nước.
Phạm Thị Hạnh và cộng sự [10] đã điện phân MnO
2
từ quặng tự nhiên

pyroluzit kích thước từ 1-5μm và nghiên cứu khả năng hấp phụ của MnO
2
với
As(V) và As(III), xử lý nước có nồng độ asen 155 ppb giảm xuống tiêu chuẩn cho
phép của tổ chức y tế thế giới. Viện hóa học Việt Nam đã chế tạo vật liệu nano
MMT-hữu cơ bằng phản ứng trao đổi ion dựa trên tác nhân hữu cơ ammonium có
cấu tạo khác nhau như: n-buthylammonium cloride, dodecylammonium chloride,
aniline cloride, pyrrol cloride, hexadecyl ammonium cloride, … Kết quả nghiên cứu
cho thấy các chất hữu cơ có số lượng cacbon càng lớn càng đẩy xa khoảng cách lớp
giữa 2 lớp MMT. Ngoài ra, Viện hóa học cũng đã phát triển một kỹ thuật chế tạo
vật liệu gốm xốp tổ hợp nanocomposite bao gồm Fe
3
O
4
kích thước 10-12nm trên
chất mang bentonit (NC-F20). Vật liệu này có hiệu năng hấp phụ asen cao, có khả
năng hấp phụ hàng loạt các ion khác và rất thuận tiện trong sử dụng.
Gần đây, các nhà khoa học thuộc phòng Hóa vô cơ - Viện Hóa học đã chế tạo
thành công hệ thống xử lý nước nhiễm asen và kim loại nặng sử dụng công nghệ
Nano VAST, trong đó có sử dụng 2 loại vật liệu hấp phụ asen tiên tiến là NC-F20
và NC-MF. Hai vật liệu này rất dễ sử dụng, dễ loại bỏ khi hết tác dụng, rất thích
hợp với quy mô hộ gia đình, cơ quan xí nghiệp, chi phí hoạt động thấp và thân thiện
với môi trường. Công nghệ NanoVAST sử dụng một hệ thống tiền xử lý lắp đặt
trước hệ thống hấp phụ nhằm bão hòa oxy không khí để tách loại triệt để Fe, Mn,
giảm tối đa nồng độ asen và các chất rắn lơ lửng. Đồng thời, kéo dài thời gian làm
việc do nồng độ asen đầu vào của cột hấp phụ NC-F20 giảm, tăng thời gian sống
của NC-MF và NC-F20 và giảm giá thành. Hệ thống được thiết kế dạng modul
chuẩn nhằm lắp ghép dễ dàng, điều khiển hệ thống theo hai chế độ: tự động hoàn
toàn hoặc bằng tay. Sau khi thử nghiệm tại Hà Nam, hệ thống Nano Vast đã đạt
hiệu quả tốt và đang được nhân rộng tại nhiều địa bàn trong cả nước với các công

suất là 0,8m
3
/h, 1,2m
3
/h và 1,5m
3
/h.
13
1.2 Tổng quan về khoáng bentonit
1.2.1 Thành phần hóa học
Bentonit là một loại khoáng sét tự nhiên, được gọi theo tên của mỏ sét Benton
ở Mỹ. Thành phần chính của bentonit là montmorillonit (MMT) với công thức hóa
học đơn giản nhất là Al
2
O
3
.4SiO
2
.nH
2
O ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc.Công thức
lý tưởng của montmorillonit là Si
8
Al
4
O
20
(OH)
4
cho một đơn vị cấu trúc . Ngoài ra

trong bentonit còn có một số khoáng sét khác như kaolanh, clorit, mica; các khoáng
phi sét như canxi, pyrit, manhetit, biolit và các muối kiềm, các chất hữu cơ.
Trong thành phần hóa học của MMT, ngoài nguyên tố Si, Al, còn có các
nguyên tố khác như Fe, Ca, Mg, Ti, K, Na. Tùy thuộc vào hàm lượng của Ca, Mg,
K, Na trong thành phần mà người ta đặt tên cho bentonit. Nếu hàm lượng của Ca,
Mg cao hơn thì gọi là bentonit canxi; nếu hàm lượng của K, Na cao hơn thì gọi là
bentonit kiềm. Đối với bentonit, tỉ lệ Al
2
O
3
: SiO
2
là từ 1:2 đến 1:4 và n là số phân tử
H
2
O có giá trị từ 4 đến 8.
Thành phần hóa học của bentonit (MMT) có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc,
tính chất và khả năng sử dụng chúng. Do đó, việc xác định chính xác thành phần
hóa học của bentonit là rất quan trọng trong sự định hướng biến tính chúng đối với
các mục đích sử dụng hiệu quả nhất.
1.2.2 Cấu trúc tinh thể của montmollorinit
Hình 1.1. Cấu trúc 2:1 của MMT
14
Montmorillonit là aluminosilicat tự nhiên có cấu trúc lớp 2:1 dạng diocta. Cấu
trúc tinh thể của MMT hình thành từ 2 mạng tứ diện liên kết với 1 mạng bát diện ở
giữa tạo nên một lớp cấu trúc. Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hấp
phụ (hình 1.1). Mỗi lớp cấu trúc phát triển liên tục trong không gian ,các lớp cấu trúc
chồng xếp song song với nhau. Các lớp cation và nước hấp phụ tạo nên một mạng lưới
không gian 3 chiều của tinh thể MMT.
Chiều dày của một lớp cấu trúc của MMT là 9,6 Å. Nếu kể cả lớp cation trao

đổi và nước hấp phụ thì chiều dày của lớp khoảng 15 ÷ 21 Å (hình 1.1).Chiều dày
này có thể tăng đến 40 Å khi các cation trao đổi được thay thế bởi các ion vô cơ,
các phức cơ kim, các polime vô cơ, các phân tử hữu cơ, các phân tử oligome…Hình
1.2 giới thiệu mô hình cấu trúc lớp của MMT khi trung hòa điện tích trong mạng
lưới tinh thể.
Hình 1.2. Mô hình cấu trúc MMT
Người ta nhận thấy rằng điện tích âm trong mạng lưới của MMT xuất hiện chủ
yếu ở mạng bát diện do sự thay thế đồng hình ion Al
3+
bằng ion Mg
2+
ứng với tỉ lệ
Mg : Al ≈ 1: (4 ÷ 5). Điện tích âm ở mạng tứ diện do sự thay thế của ion Si
4+
bằng
ion Al
3+
với tỉ lệ Al : Si ≈ 1: (15 ÷ 30). Vì vậy, điện tích âm của mạng phân bố sâu
trong lớp cấu trúc mà không nằm ở bề mặt ngoài của lớp cấu trúc, nên năng lượng
liên kết của các cation trao đổi nằm ở giữa các lớp với lớp cấu trúc mạng thấp, các
15
cation có thể chuyển động tự do giữa các mặt phẳng tích điện âm và có thể trao đổi
với các cation khác, tạo ra khả năng biến tính MMT bằng cách trao đổi ion. Lượng
cation trao đổi của MMT dao động trong khoảng 0,7 ÷ 1,2 mg đlg/g. Các phân tử
nước dễ dàng xâm nhập khoảng không gian giữa các lớp và làm thay đổi khoảng
cách giữa chúng. Khoảng cách này cùng với chiều dày của một lớp cấu trúc được
gọi là khoảng cách cơ bản, có thể thay đổi từ 10 Å trong MMT dehydrat hóa hoàn
toàn đến ~ 20 Å tùy thuộc vào lượng nước bị hấp phụ vào khoảng không gian giữa
2 lớp. Khoảng cách này có thể tăng đến ~ 30 Å khi thay thế các cation trao đổi bởi
các cation vô cơ, các phức cơ kim, các phân tử oligome, các polyme vô cơ, các

phân tử hữu cơ… [3], [4], [9].
1.2.3 Tính chất vật lý –hóa học của bentonit
1.2.3.1 Tính chất trương nở
Khoảng cách cơ bản giữa các lớp của mạng lưới tinh thể MMT, thông thường
từ 10 ÷ 30 Å phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng
hình trong các lớp bát diện và lượng nước liên kết nằm ở khoảng không gian giữa
các lớp. Ban đầu bentonit hấp phụ H
2
O trên các tâm hấp phụ giữa các lớp, ở đó luôn
tồn tại các cation; nhờ khả năng hydrat hóa của các cation đó mà H
2
O được hấp thu
rất đáng kể làm cho khoảng cách giữa các lớp có thể tăng lên.
Bentonit còn có khả năng hút ẩm trong không khí. Các cation hóa trị 1 bị tách
nước dễ dàng hơn so với các cation hóa trị 2. Chúng bị hydrat hóa, tạo ra liên kết
bền vững giữa các phân tử nước và các hạt tạo ra tính dẻo của bentonit và giữ cho
các hạt ở trạng thái lơ lửng trong nước. Hệ huyền phù của bentonit Na rất bền. Có
thể thay đổi độ trương nở, khả năng hấp thu nước và độ phân tán của bentonit bằng
cách thay thế các cation giữa các lớp bằng các cation khác để tạo ra các bentonit có
các tính chất khác nhau.
1.2.3.2. Tính chất trao đổi ion
Có 2 nguyên nhân gây nên khả năng trao đổi ion của bentonit:
1. Sự thay thế đồng hình Si
4+
bằng Al
3+
trong mạng lưới tứ diện và Al
3+
bằng
Mg

2+
(thông thường là Mg
2+
) trong mạng bát diện làm xuất hiện điện tích âm trong
mạng lưới cấu trúc. Thông thường điện tích âm của mạng được bù trừ bởi các
16
cation trao đổi. Dung lượng trao đổi ion của bentonit phụ thuộc vào số lượng điện
tích âm bề mặt. Số lượng cation càng lớn thì dung lượng trao đổi càng lớn.
2. Trong mạng lưới tinh thể của bentonit tồn tại nhóm OH. Nguyên tử H trong
nhóm này trong điều kiện nhất định có thể tham gia vào phản ứng trao đổi. Các
nhóm OH liên kết với cation Al
3+
hoặc cation Mg
2+
trong mạng lưới bát diện mang
tính chất giống như nhóm OH trên bề mặt của oxit nhôm và oxit magie. Điểm đẳng
điện của α – Al
2
O
3
ở vùng pH ≈ 9,2, của MgO ở vùng pH ≈ 12,5. Ở môi trường có
pH lớn hơn điểm đẳng điện thì các oxit này được xem như là một axit, ngược lại ở
môi trường pH thấp hơn, chúng được coi là một bazơ. Vì các nhóm OH này tham
gia vào phản ứng trao đổi ion.
Các nhóm OH nằm ở mặt bên của tinh thể liên kết với nguyên tử Si, được xem
như nhóm OH trên bề mặt Si. Điểm đẳng điện của Si ở vùng pH = 1,7. Ở pH nhỏ
hơn, nhóm OH này tham gia vào phản ứng trao đổi anion. Ở pH lớn hơn, ion H
+
của
nhóm này tham gia vào phản ứng trao đổi cation. Dung lượng trao đổi cation lớn

nhất trong môi trường kiềm.
Dung lượng trao đổi cation và anion của bentonit thay đổi trong khoảng rộng,
phụ thuộc vào số lượng cation trao đổi và pH của môi trường trao đổi. Trong môi
trường kiềm, nói chung dung lượng trao đổi cation của bentonit là lớn. Dung lượng
trao đổi cation dao động trong khoảng 80 ÷ 150 mđlg/100g, dung lượng trao đổi
anion dao động trong khoảng 15 ÷ 40 mđlg/100g. Khả năng trao đổi ion của
bentonit phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của các cation trao đổi. Các cation hóa trị
nhỏ dễ bị trao đổi hơn các cation hóa trị lớn theo thứ tự: Me
+
> Me
2+
> Me
3+
.
Đối với các cation cùng hóa trị, bán kính ion càng nhỏ thì khả năng trao đổi
càng lớn. Có thể sắp xếp khả năng trao đổi ion theo trật tự sau:
Li
+
> Na
+
> K
+
> Mg
2+
> Ca
2+
> Fe
2+
> Al
3+

Giá trị của dung lượng trao đổi phản ánh 2 tính chất cơ bản của bentonit, đó là:
diện tích bề mặt tiếp xúc và lượng khả năng thay thế đồng hình của Si
4+
và Al
3+
trong mạng cấu trúc. Bề mặt của bentonit gồm bề mặt ngoài và bề mặt trong.
17
Dung lượng trao đổi ion ở bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước của tinh thể,
vào các liên kết và khuyết tật bề mặt. Kích thước hạt càng nhỏ thì dung lượng trao
đổi càng lớn.
Dung lượng trao đổi ion ở bề mặt bên trong phản ánh lượng điện tích âm trong
mạng lưới và khả năng hấp phụ của bentonit. Nó phụ thuộc vào số lượng các cation
bù trừ ở trong mạng lưới. Số lượng cation càng lớn thì dung lượng trao đổi càng lớn.
Còn đối với các anion, hóa trị của anion càng lớn, khả năng trao đổi càng kém.
Đó là do sự phân ly của liên kết giữa anion với mạng lưới cấu trúc kém hơn.
Nhờ tính chất trao đổi ion của bentonit, ta có thể biến tính bentonit để tạo ra
vật liệu có tính chất xúc tác, hấp phụ và các tính chất hóa lí khác nhau tùy thuộc
mục đích sử dụng.
1.2.3.3. Tính chất hấp phụ
Tính chất hấp phụ là tính chất quan trọng của bentonit. Nhờ có tính chất này
bentonit có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như dùng để phân loại, tẩy sạch dầu
mỡ, làm chất mang thuốc trừ sâu,… Đặc biệt, hiện nay, sự ô nhiễm môi trường là
một vấn đề rất bức xúc, người ta đã xem bentonit là một chất hấp phụ tự nhiên để
làm sạch nước khỏi các chất hữu cơ, chất cao phân tử, những hóa chất thải độc hại
của các nhà máy, xí nghiệp, các kim loại nặng, các vi sinh vật có hại…
Tính chất hấp phụ của bentonit được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu
trúc xốp của nó. Với kích thước hạt nhỏ hơn 2 μm và do đặc điểm của cấu trúc
mạng lưới tinh thể, bentonit có bề mặt riêng lớn. Theo tính toán, bề mặt hình học
của bentonit vào khoảng 500 ÷ 760 m
2

/g; trong khi đó, bề mặt của kaolanh chỉ là 15
÷ 20 m
2
/g; của Al(OH)
3
là 70 ÷ 200 m
2
/g; của silicagel trong khoảng 300 ÷ 600
m
2
/g. Bề mặt của bentonit gồm bề mặt ngoài và bề mặt trong. Bề mặt bên trong
được xác định bởi bề mặt của khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh
thể. Do khoảng cách cơ bản giữa các lớp bị thay đổi phụ thuộc vào loại cation trao
đổi giữa các lớp, phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của chất bị hấp phụ, nên bề
mặt trong của bentonit cũng bị thay đổi trong quá trình hấp phụ. Bề mặt ngoài được
xác định bởi bề mặt của các mao quản chuyển tiếp. Các mao quản này tạo nên do sự
tiếp xúc của các hạt bentonit và có kích thước khoảng 40 ÷ 90 Å. Diện tích bề mặt
ngoài và kích thước mao quản chuyển tiếp phụ thuộc vào kích thước hạt bentonit.
18
Hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt ngoài càng lớn và kích thước mao quản chuyển
tiếp càng nhỏ. Khi đo hấp phụ N
2
trên bentonit theo phương pháp BET, người ta xác
định được diện tích bề mặt ngoài của bentonit vào khoảng từ 39 ÷ 60 m
2
/g. Quá
trình hấp phụ xảy ra trên cả bề mặt ngoài và trong của bentonit.
Sự hấp phụ ở bề mặt trong của bentonit chỉ xảy ra khi chất bị hấp phụ là chất ở
dạng ion hoặc chất phân cực.
Đối với chất hữu cơ ở dạng ion, bentonit hấp phụ chúng theo cơ chế trao đổi

ion. Sự hấp phụ trao đổi ion này phụ thuộc vào điện tích, hình dạng và kích thước
của ion đó. Dung lượng trao đổi cation của bentonit lớn hơn dung lượng trao đổi
anion, do đó bentonit hấp phụ chủ yếu là các cation. Trong môi trường kiềm, dung
lượng trao đổi cation tăng lên đáng kể do sự tham gia của proton trao đổi trong
nhóm Si – OH, Al – OH và Mg – OH.
Các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng phân tử nhỏ bị hấp phụ
bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao đổi nằm ở giữa các lớp, hoặc liên
kết với các cation đó qua các phân tử nước, do đó phụ thuộc vào số lượng phân tử
nước liên kết ở không gian giữa các lớp.
Nếu các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng phân tử lớn, chúng
có thể kết hợp trực tiếp vào vị trí oxy đáy của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bởi
lực Van der Walls hoặc liên kết hydro. Còn đối với các chất hữu cơ không phân
cực, chất cao phân tử và đặc biệt là vi khuẩn thì sự hấp phụ chỉ xảy ra trên bề mặt
ngoài (bề mặt hạt) của bentonit. Hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt ngoài và độ phân
tán càng lớn, và do đó khả năng hấp phụ càng cao.
Nhờ khả năng hấp phụ lớn và đa dạng mà bentonit được sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp cũng như trong nền kinh tế quốc dân với vai trò là một vật liệu hấp phụ
tự nhiên tiêu biểu. Việc nghiên cứu tính chất hấp phụ của bentonit có ý nghĩa khoa
học cũng như ý nghĩa thực tiễn rất lớn.
1.2.3.4. Tính kết dính
Bentonit có khả năng kết dính mạnh nên người ta thường sử dụng bentonit làm
chất gắn kết. Trong các xưởng đúc gang, bentonit được cho vào để vê viên bột
quặng trước khi đưa vào lò nung, hoặc làm chất kết dính trong khuôn cát để đúc.
19
1.3 Sự ô nhiễm asen
1.3.1. Ảnh hưởng của asen đến sức khỏe con người
Asen là nguyên tố cần thiết khi ở hàm lượng thấp, nhưng lại cực độc khi ở
hàm lượng đủ lớn đối với cơ thể con người và các sinh vật. Con đường xâm nhập
chủ yếu của asen vào cơ thể là qua đường thức ăn ngoài ra một lượng nhỏ qua nước
uống và không khí. Asen hấp phụ vào cơ thể qua đường dạ dày nhưng cũng dễ bị

thải ra. Hàm lượng asen trong cơ thể người khoảng 0,08 – 0,02 ppm, tổng lượng
asen trong người trung bình khoảng 1,4 mg. Asen tập trung trong gan, thận,
hemogobin, đặc biệt tập trung trong não, xương, da, phổi, tóc.
Vào năm 1993, người ta đã pháp hiện ra ở Bangladet có số người bị nhiễm
bệnh do asen gây ra (arsenicosis) nhiều vào loại nhất thế giới (Thảm họa asen) đã
phát hiện 21 triệu người bị nhiễm asen. Ở Việt Nam, nguồn nước bị nhiễm asen, như
ở Thạch Sơn – Phú Thọ, ở Hà Tây, Hà Nam, Hải Dương,
1.3.2 Các dạng tồn tại của asen
Trong tự nhiên, asen chiếm 10
-4
% tổng số nguyên tử trong vỏ trái đất, không
tồn tại ở dạng đơn chất, mà luôn tồn tại ở dạng hợp chất với hoá trị III hoặc V.Loại
quặng chứa nhiều asen nhất là quặng Arsenopyrit. Sự tồn tại của asen trong tự nhiên
trong một số loại đá, khoáng vật và đặc biệt trong các loại quặng đa kim là một
trong những nguyên nhân chính gây ra sự có mặt của asen trong nước ngầm.
Trong môi trường nước, asen tồn tại chủ yếu ở hai trạng thái oxi hóa là +3 và
+5, thường gọi là As(III) và As(V). Nếu chỉ xét trạng thái oxi hóa thì As(III) chiếm
ưu thế trong môi trường khử yếm khí như trong nước ngầm, còn As(V) là dạng tồn
tại chính và bền trong môi trường hiếu khí giàu oxy. Trong các quá trình xử lý, người
ta điều khiển pH và thế oxi hóa khử của môi trường để chuyển As về As(III) hay
As(V), chuyển từ dạng mang điện sang dạng trung hòa tùy thuộc vào mục đích xử lý.
1.3.3. Các phương pháp xử lý asen trên thế giới
Asen là chất độc cực mạnh đối với cơ thể con người và sinh vật, có thể gây ra
nhiều căn bệnh khác nhau trong đó phổ biến là ung thư da và phổi. Do đó, ô nhiễm
asen đang là một vấn nạn của toàn thế giới. Để giải quyết cấp bách vấn đề ô nhiễm
asen, các nhà khoa học đã sử dụng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp hấp
phụ là phương pháp đơn giản, dễ áp dụng và cho hiệu quả tốt [12]. Nhiều chất hấp
20
phụ asen được các nhà khoa học quan tâm như khoáng dolomit [29], vật liệu nano
oxit sắt từ [23], than non, bentonit [15], than hoạt tính, Al

10
SBA-15, Fe/NN-MCM-
41 [11], Fe
3
O
4
@CTAB [28], ximăng phủ oxit sắt [26], sét hữu cơ [13],
Khi nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý, loại bỏ asen trước tiên phải căn cứ vào
trạng thái tồn tại, mức độ hay nồng độ của nó trong nước, các yếu tố và điều kiện
địa phương, Xem xét các điều kiện để áp dụng các phương pháp.
Hiện nay rất nhiều nơi trên thế giới đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm asen
trong nước uống và nước sinh hoạt. Nhiều bài báo, công trình nghiên cứu về các
phương pháp làm giảm thiểu ô nhiễm asen đã được công bố. Các biện pháp xử lý rất
nhiều và đa dạng, chủ yếu tập trung vào các phương pháp: Hóa học, hóa lí, màng và
sinh học.
1.4. Hấp phụ
1.4.1. Quá trình hấp phụ
Hấp phụ là hiện tượng hóa lí rất thường gặp trong tự nhiên, trong đời sống
hàng ngày, trong kỹ thuật và công nghệ. Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt
phân cách giữa các pha lỏng – rắn, khí – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng. Chất có bề
mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ, còn chất được tích lũy trên
bề mặt gọi là chất bị hấp phụ. Trong một số trường hợp, chất bị hấp phụ có thể
xuyên qua lớp bề mặt và đi vào thể tích của chất hấp phụ. Hiện tượng đó được gọi
là sự hấp thụ. Ngược với sự hấp phụ, quá trình thoát ra của chất bị hấp phụ khỏi lớp
bề mặt được gọi là sự giải (khử) hấp phụ. Khi sự hấp phụ đạt đến trạng thái cân
bằng thì tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp phụ.
Hiện tượng hấp phụ được giải thích như sau: Trong lòng của chất rắn cũng như
chất lỏng, tương tác giữa các tiểu phân chịu tương tác không cân bằng, cho nên bề
mặt rắn có khả năng thu hút các phân tử từ pha khí hoặc lỏng. Kết quả là nồng độ của
khí (lỏng) ở trên bề mặt chất rắn trở nên lớn hơn nồng độ ở trong thể tích khí (lỏng).

Người ta phân biệt hai loại hấp phụ: Hấp phụ vật lí, hấp phụ hóa học. Hấp phụ vật
lý xảy ra do lực hút giữa các phân tử - Lực hút Van der Waals, lực tương tác tĩnh điện,
lực phân tán London. Lực đó giảm nhanh theo khoảng cách giữa các phân tử. Khi
khoảng cách giữa hai phân tử giảm đến mức độ nhất định sẽ xuất hiện lực đẩy.
21
Hấp phụ vật lý là quá trình hai chiều (thuận nghịch). Chiều ngược của sự hấp
phụ là sự khử hấp phụ. Hấp phụ vật lý xảy ra ở nhiệt độ thấp, kèm theo hiệu ứng
nhiệt nhỏ (từ 4 đến 25 kJ/mol). Do vậy trong quá trình hấp phụ vật lý sự biến đổi
cấu trúc electron của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là không xảy ra. Các chất đã
bị hấp phụ sẽ dễ bị khử hấp phụ.
Trong hấp phụ hóa học, các phân tử của chất bị hấp phụ liên kết với chất hấp
phụ bởi các lực liên kết bền vững, tạo thành những hợp chất hóa học bề mặt mới. Vì
vậy hấp phụ hóa học không vượt qua một lớp đơn phân tử. Hấp phụ hóa học là bất
thuận nghịch xảy ra ở nhiệt độ cao với tốc độ chậm, kèm theo một hiệu ứng nhiệt
lớn (khoảng 40 – 400 kJ/mol). Quá trình này thường xảy ra ở nhiệt độ cao hơn và
với vận tốc chậm hơn hấp phụ vật lý.
1.4.2. Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Mục tiêu của việc nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ là đưa ra phương trình thích
hợp nhất mô tả quá trình hấp phụ để dựa vào đó thiết kế hệ thống ứng dụng trong
thực tế. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng 2 mô hình đẳng nhiệt hấp phụ phổ
biến nhất là Langmuir và Freundlich [21], [22] để mô tả trạng thái cân bằng hấp phụ.
Trong các mô hình này, lượng asen được hấp phụ bởi chất hấp phụ rắn được tính theo
công thức sau:
0
As
.
t
t
C C
q V

m
−
=
(1.1)
Trong đó:
q
t
(mg/g): Dung lượng hấp phụ asen tại thời điểm t.
0
As
C
(mg/l): Nồng độ của asen trước hấp phụ và tại thời điểm khảo sát.
C
t
(mg/l): Nồng độ của asen ở thời điểm khảo sát.
V(l): Thể tích dung dịch asen được sử dụng trong quá trình làm hấp phụ
m (g): Khối lượng của chất hấp phụ.
Dung lượng hấp phụ cân bằng ( q
e
) cũng được tính bằng công thức (1.3)
Mô hình đẳng nhiệt Langmuir dựa trên giả thuyết sự hấp phụ là đơn lớp nghĩa
là các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử và tất cả các tâm hấp phụ trên
bề mặt chất hấp phụ có ái lực như nhau đối với chất bị hấp phụ.
22