Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II) của vật liệu đá ong biến tính bằng quặng apatit có gia thêm đất hiếm và thăm dò xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

NGUYỄN NGỌC QUÝ

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
Mn(II), Ni(II) CỦA VẬT LIỆU ĐÁ ONG BIẾN TÍNH
BẰNG QUẶNG APATIT CĨ GIA THÊM ĐẤT HIẾM
VÀ THĂM DÕ XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT

THÁI NGUYÊN - NĂM 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

NGUYỄN NGỌC QUÝ

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
Mn(II), Ni(II) CỦA VẬT LIỆU ĐÁ ONG BIẾN TÍNH
BẰNG QUẶNG APATIT CĨ GIA THÊM ĐẤT HIẾM
VÀ THĂM DÕ XỬ LÝ MƠI TRƢỜNG
Chun ngành: HỐ PHÂN TÍCH
Mã số: 60 44 01 18

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Ngô Thị Mai Việt

THÁI NGUYÊN - NĂM 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận của luận văn chưa cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Thái Nguyên, tháng 11 năm 2014
Xác nhận của Giáo viên hƣớng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Ngô Thị Mai Việt

Nguyễn Ngọc Quý

i

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

/>

LỜI CẢM ƠN
Với lịng biết ơn sâu sắc, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Ngô Thị Mai
Việt. Cơ đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn tơi trong q trình tơi làm thực nghiệm
cũng như khi tơi hồn thiện luận văn.

Tơi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cơ giáo trong Khoa Hố học, Khoa
Sau Đại học, các anh chị, các bạn và các em trong Phịng Thí nghiệm Hóa Phân tích
Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho
tơi trong q trình làm thực nghiệm.
Tơi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại Học Sư Phạm - Đại học Thái
Ngun, Sở GD&ĐT Hịa Bình, Ban Giám hiệu Trường THPT Lạc Thủy B – Hịa
Bình, các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và tạo điều kiện cho tơi có thời
gian học tập, nghiên cứu trong suốt thời gian qua.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của gia đình, bạn
bè và những người thân u của tơi.
Thái Ngun, tháng 11 năm 2014
Học viên

Nguyễn Ngọc Quý

ii

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

/>

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan ............................................................................................................... i
Lời cảm ơn ...................................................................................................................ii
Mục lục ....................................................................................................................... iii
Các ký hiệu viết tắt ...................................................................................................... iv
Danh mục bảng biểu..................................................................................................... v
Danh mục hình vẽ ...................................................................................................... vi

MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
Chƣơng 1:

UAN ....................................................................................3
..........................................................................3
.............................................................................................3
, niken ..........................................................................3
, niken ...........................................................4

........................................4
1.3. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp..............................5
1.4. Giới thiệu một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng ....6
1.4.1. Phương pháp trao đổi ion ...............................................................................6
1.4.2. Phương pháp kết tủa ......................................................................................6
1.4.3. Phương pháp hấp phụ ....................................................................................6

.............................................................6
.....................................................................................................6
1.5.2. Hấp phụ trong môi trường nước ....................................................................8
hiệu suất
giải hấp phụ ..............................................................................................................9

1.5.3.1. Dung lượng hấp phụ cân bằng ........................................................ 9
1.5.3.2. Hiệu suất hấp phụ ........................................................................... 9
1.5.3.3. Hiệu suất giải hấp phụ .................................................................. 10
..................................................10
1.5.5. Q trình hấp phụ động trên cột ..................................................................12

iii

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

/>

1.6. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử ...................................................13
1.6.1. Nguyên tắc ...................................................................................................13
1.6.2. Phương pháp đường chuẩn ..........................................................................15

1.7

và quặng apatit............................................16

1.8
vật liệu có nguồn gốc tự nhiên ...........................................................................17
Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO
LUẬN ...................................................................................................................21
2.1. Thiết bị và hóa chất .....................................................................................21
2.1.1. Thiết bị .........................................................................................................21
2.1.2. Hóa chất .......................................................................................................21

................................22
2.3. Nghiên cứu một số đặc trưng hóa lí của đá ong tự nhiên và vật liệu đá
ong biến tính .......................................................................................................22
2.3.1. Ảnh SEM của đá ong tự nhiên và vật liệu đá ong biến tính ........................22
2.3.2. Diện tích bề mặt riêng của đá ong tự nhiên và vật liệu đá ong biến tính .........23
2.3.3. Phổ hồng ngoại của đá ong tự nhiên và đá ong biến tính ............................23
2.3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của đá ong tự nhiên và các vật liệu đá ong biến tính .......25

........................................................................26
(II) .......................................26

(II) .........................................27

2.5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II) của VLHP theo phương
pháp hấp phụ tĩnh ...............................................................................................28
2.5.1. Khảo sát khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II) c
...............................................................................................28

.........................................................................................29

.............................................................. 30
iv

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

/>

........................................................................ 31
2.5.

......................................... 33
................................................ 34
......................................................... 35
2+

, Al3+, Zn2+

2+

,

Al3+, Zn2+ .................................................................................................... 38
2.6. Nghiên cứu khả năng tách loại và thu hồi Mn(II), Ni(II) theo phương
pháp hấp phụ động .............................................................................................42
.................................................................................................42
(II) và Ni(II) .......................46

....................................................................................48
KẾT LUẬN..........................................................................................................52
.................................................................................53

v

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

/>

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
BET

: Brunaur – Emmetle – Teller

EDTA

: Ethylene Diamine Tetra Aceticacid

IR

: Intrared Spectroscopy

SEM

: Scanning Electron Microscopy

UV – Vis

: Ultraviolet Visble

XRD

: X-ray Diffration

ppm

: Part per million

iv

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

/>

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang

Bảng 1.1. Giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp .... 5
Bảng 2.1. Diện tích bề mặt riêng của đá ong tự nhiên và đá ong biến tính .... 23

(II)............................................................................... 27
Bảng 2.3. Khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II) của đá ong tự nhiên và đá ong
biến tính........................................................................................... 29

Bảng 2.4. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Mn(II) và Ni(II) . 30
Bảng 2.5. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Mn(II) và Ni(II) .......... 31

Mn(II) và Ni(II)............................................................................... 33
Bảng 2.7. Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến khả năng hấp phụ Mn(II)
và Ni(II)........................................................................................... 34
Bảng 2.8. Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ Mn(II) và
Ni(II) của vật liệu ............................................................................ 35
2+

, Zn2+

3+

........................................................... 40
2+

, Zn2+

3+

........................................ 41
Bảng 2.11. Hàm lượng ion Mn(II) sau mỗi phân đoạn thể tích ...................... 43
Bảng 2.12. Hàm lượng ion Ni(II) sau mỗi phân đoạn thể tích ....................... 44
Bảng 2.13. Dung lượng hấp phụ động của Mn(II) và Ni(II) .......................... 45
Bảng 2.14. Khả năng giải hấp của EDTA 0,01M ........................................... 46
Bảng 2.15. Hiệu suất giải hấp theo phân đoạn ................................................ 46
Bảng 2.16. Dung lượng hấp phụ động thực của Mn(II) và Ni(II) .................. 48
Bảng 2.17. Hàm lượng Mn(II) trong nước thải sau khi ra khỏi cột hấp phụ .. 49
Bảng 2.18. Hàm lượng Ni(II) trong nước thải sau khi ra khỏi cột hấp phụ .... 50

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

/>

DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang

Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ...............................................12
Hình 1.2. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb .........................................................12
Hình 1.3. Mơ hình cột hấp phụ .........................................................................13
Hình 1.4. Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ trên cột
hấp phụ theo thời gian ......................................................................13
Hình 2.1. Quy trình biến tính đá ong ................................................................22
Hình 2.2. Ảnh SEM của đá ong tự nhiên và đá ong biến tính ..........................23
Hình 2.3. Phổ hồng ngoại của đá ong tự nhiên và đá ong biến tính .................24
Hình 2.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của đá ong tự nhiên ......................................25
Hình 2.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của đá ong biến tính .....................................26
(II) ............................................28
(II) ..............................................28
(II) .....36
Hình 2.9. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb

(II) .............37

Hình 2.10. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Ni(II) ....37
Hình 2.11. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb

(II)........38

Hình 2.12. Ảnh hưởng của các ion Ca2+, Zn2+ và Al3+ đến khả năng

hấp

phụ Mn(II) của vật liệu .....................................................................40
Hình 2.13. Ảnh hưởng của các ion Ca2+, Zn2+ và Al3+ đến khả năng

hấp

phụ Ni(II) của vật liệu ......................................................................40
2+

, Zn2+

3+

...................................................41
Hình 2.15. Khả năng hấp phụ động đối với dung dịch Mn(II) .......................45
Hình 2.16. Khả năng hấp phụ động đối với dung dịch Ni(II) ...........................45
Hình 2.17. Đồ thị giải hấp ion Mn(II) ...............................................................47
Hình 2.18. Đồ thị giải hấp ion Ni(II) ................................................................47
Hình 2.19. Sự hấp phụ động ion Mn(II) trong mẫu nước thải ..........................51
Hình 2.20. Sự hấp phụ động ion Ni(II) trong mẫu nước thải............................51
vi

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

/>

MỞ ĐẦU

.
có thể
như: Ni(II), Mn(II), Cr(VI), Cu(II), Pb(II)… Khi nồng độ
của các ion này vượt quá giới hạn cho phép sẽ
cũng như

sinh

.
gia tăng

T

trên thế giới và trong nước
quan tâm.

,
(
,…

)

do
các vật liệu có thể có nguồn gốc tự nhiên như đá ong, cao lanh, quặng mangan,
quặng sắt hoặc có nguồn gốc là phụ phẩm của ngành nông nghiệp như vỏ trấu, bẹ
ngơ, rơm…;

(nhất là các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên);
.

: “Nghiên cứu khả năng hấp
phụ Mn(II), Ni(II) của vật liệu đá ong biến tính bằng quặng apatit có gia thêm
đất hiếm và thăm dị xử lý mơi trƣờng”.
:
1. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ đá ong (vật liệu đá ong biến tính) bằng
quặng apatit có gia thêm đất hiếm xeri.
2. Nghiên cứu một số đặc trưng hóa lí của đá ong tự nhiên và vật liệu đá ong
biến tính.

1

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

/>

3. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II) của đá ong tự nhiên và vật
liệu đá ong biến tính.
4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II) của vật
liệu chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh.
5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II) của đá ong biến tính theo
phương pháp hấp phụ động.
6. Xử lí thử nghiệm mẫu nước thải chứa Mn(II), Ni(II) bằng vật liệu hấp
phụ chế tạo được.

2

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

/>

Chƣơng 1

1.1.
1.1.1.

.
5 g/cm3 như: Fe,
Cu, Ni,

,

,
[11].

mangan, niken
Mangan chiếm khoảng 0,1% trong vỏ trái đất. Mangan có mặt chủ yếu trong
pyrolusit(MnO2), braunit, psilomelan…
Mangan thuộc nhóm VIIB trong bảng tuần hồn, là kim loại màu trắng xám,
giống sắt. Nó là kim loại cứng và rất giịn, khó nóng chảy nhưng lại bị oxi hóa dễ
dàng. Trong tự nhiên mangan bao gồm một đồng vị bền là:

55

Mn và 18 đồng vị

phóng xạ khác. Mangan được khai thác chủ yếu ở Nam Phi, Úc, Trung Quốc,
Brasil…
Mangan có vai trị quan trọng trong sản xuất thép và đặc biệt là thép khơng gỉ.
Ngồi ra mangan và các hợp chất của nó cịn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất

gốm, thủy tinh, sơn…

((Fe,Ni)9S8).

3

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

/>

monen (69% Ni; 28%
Cu; 2,5% Fe; 1,5% Mn). Do các

chúng

một số
và do đó, n
... Ngồi ra, niken cũng được ứng dụng trong

trong cơn
, sứ [11].

s
1

mangan, niken
Mangan là ngun tố đóng vai trò thiết yếu trong tất cả các dạng sống.

Mangan là chất có tác dụng kích thích của nhiều loại enzim trong cơ thể, có tác
dụng đến sự trao đổi chất canxi và photpho trong cấu tạo xương. Thức ăn cho trẻ

em nếu thiếu mangan thì hàm lượng enzim phophataza trong máu và xương sẽ bị
giảm xuống nên ảnh hưởng đến cốt hóa của xương, biến dạng… Thiếu mangan có
thể gây rối loạn về hệ thần kinh như bại liệt, co giật…[20].
, cadimi…
0,1- 0,5 mg/L

nh

.S
.
, cadimi…
[8].
. Kh
,

, gan, t

[16].
Công cuộc cơng nghiệp hố đã và đang đẩy mạnh sự phát triển kinh tế - xã hội
của đất nước nhưng mặt trái của nó là những hệ luỵ về ơ nhiễm mơi trường. Ơ
nhiễm mơi trường nói chung và ơ nhiễm môi trường do kim loại nặng thải ra từ các

4

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

/>

ngành cơng nghiệp nói riêng là một mối đe doạ nghiêm trọng đối với sức khoẻ của
con người và sự an tồn của hệ sinh thái.

Việt Nam là nước có nền kinh tế nông nghiệp nhưng hoạt động công nghiệp
nhiều năm trở lại đây với sự phát triển nhanh chóng của các nhà máy, các khu công
nghiệp đã khiến cho môi trường bị ô nhiễm nặng. Hiện nay, hầu hết các ngành công
nghiệp đều đổ trực tiếp chất thải chưa được xử lý vào môi trường. Kim loại nặng và
độc tố là các thành phần đặc trưng của các chất thải công nghiệp.
Hầu hết các kim loại nặng tồn tại trong nước ở dạng ion. Chúng phát sinh từ
nhiều nguồn khác nhau, trong đó chủ yếu là từ các hoạt động cơng nghiệp. Khác với
các chất thải hữu cơ có thể tự phân hủy trong đa số trường hợp, các kim loại nặng
khi đã phóng thích vào mơi trường thì sẽ tồn tại lâu dài. Chúng tích tụ vào các mơ
sống qua chuỗi thức ăn mà ở đó con người là mắt xích cuối cùng. Kim loại nặng là
các nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể người nhưng khi chúng tồn tại ở dạng
ion và với nồng độ lớn, khi đi vào cơ thể người thì chúng lại có độc tính cao [4, 19].
Để hạn chế tình trạng ô nhiễm nguồn nước từ nước thải của các ngành công
nghiệp, Nhà nước đã ban hành Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về nước thải công
nghiệp.
1.3. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nƣớc thải công nghiệp
Giá trị C(nồng độ) của mangan, niken và một số thông số ô nhiễm khác trong
nước thải cơng nghiệp được trình bày trong bảng 1.1.

Bảng 1.1. Giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nƣớc thải cơng nghiệp
TT
1
2
3
4
5
6
7
8

Thơng số
Mangan
Niken
Chì
Cadimi
Crom (VI)
Crom (III)
Đồng
Kẽm

Đơn vị
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L

Giá trị C(nồng độ)
A
B
0,50
1,00
0,20
0,50
0,10
0,50
0,05

0,10
0,05
0,10
0,20
1,00
2,00
2,00
3,00
3,00

5

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

/>

Cột A quy định giá trị C(nồng độ) của các thông số ô nhiễm trong nước thải
công nghiệp khi xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Cột
B quy định giá trị C(nồng độ) của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp
khi xả vào nguồn nước khơng dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Mục đích sử
dụng của nguồn tiếp nhận nước thải được xác định tại khu vực tiếp nhận nước thải.
1.4. Giới thiệu một số phƣơng pháp xử lý nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng
1.4.1. Phƣơng pháp trao đổi ion
Trao đổi ion là một trong những phương pháp thường được dùng để tách kim loại
nặng từ nước thải. Nhựa trao đổi ion có thể tổng hợp từ hợp chất vơ cơ hay hợp chất hữu
cơ có gắn các nhóm như : (-SO3H), (-COO-), amin. Các cation và anion được hấp phụ
trên bề mặt nhựa trao đổi ion. Khi nhựa trao đổi ion đã bão hòa, người ta khơi phục lại
cationit và anionit bằng dung dịch axit lỗng hoặc dung dịch bazơ lỗng. Về mặt kĩ thuật
thì hầu hết các ion kim loại nặng đều có thể tách ra bằng phương pháp trao đổi ion,
nhưng phương pháp này thường tốn kém.

1.4.2. Phƣơng pháp kết tủa
Phương pháp này thường dùng để thu hồi kim loại từ dung dịch dưới dạng
hiđroxit kim loại rất ít tan. Ngồi ra cịn có thể sử dụng các chất tạo kết tủa như xút,
vôi, cacbonat, sunfua... Tuy nhiên phương pháp này chỉ là quá trình xử lý sơ bộ, địi
hỏi những q trình xử lý tiếp theo.
1.4.3. Phƣơng pháp hấp phụ
So với các phương pháp xử lí nước thải khác, phương pháp hấp phụ có các
đặc tính ưu việt hơn hẳn. Vật liệu hấp phụ được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự
nhiên và các phế thải nơng nghiệp sẵn có, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, cơng
nghệ xử lý khơng đòi hỏi thiết bị phức tạp. Đặc biệt, các vật liệu hấp phụ thường có
độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành xử lý thấp. Trong đề tài
này, chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ để loại bỏ ion Mn(II) và Ni(II) trong
nước thải cơng nghiệp.
1.5
1.5.1.
.

6

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

/>

.

[12].

.
- Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Vandecvan giữa các phân tử chất bị hấp phụ và
bề mặt chất hấp phụ. Liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ.

- Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hoá học giữa bề mặt chất hấp phụ và
bề mặt của chất bị hấp phụ. Liên kết này bền, khó bị phá vỡ.
Hấp phụ hóa học được coi là trung gian giữa hấp phụ vật lý và phản ứng hóa
học. Để phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, người ta đưa ra một số tiêu
chuẩn như sau:
- Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hay đa lớp, cịn hấp phụ hóa học chỉ là
đơn lớp.
- Nhiệt

hấp phụ: đối với hấp phụ vật lý lượng nhiệt tỏa ra là 2 ÷ 6

kcal/mol, đối với hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol.
: hấp phụ vật lý thường xảy ra ở nhiệt độ thấp (gần nhiệt độ

-

sôi của chất bị hấp phụ), hấp phụ hóa học xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi.
- Tốc độ hấp phụ: hấp phụ vật lý khơng địi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy
ra nhanh, ngược lại hấp phụ hóa học xảy ra chậm hơn.
- Tính đặc thù: hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học bề mặt
cịn hấp phụ hóa học địi hỏi phải có ái lực hóa học, do đó phải mang tính đặc
thù rõ rệt.
Tuy nhiên, trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trường hợp tồn tại cả
quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
.
[13].

7

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

/>

1.5.2. Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc
1.5.2.1. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước
Hấp phụ trong môi trường nước thường diễn ra khá phức tạp, vì trong hệ có ít
nhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ. Do sự
có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra q trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc
giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp
phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp
đó. Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị
hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước
của chất bị hấp phụ trong nước. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với
chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về độ phân cực giữa
chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không
phân cực và ngược lại. Đối với các chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại
hay một số dạng phức oxy anion như SO 2 , PO 3 , CrO 2 … thì quá trình hấp phụ
4
4
4
xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có
độ phân cực cao trong nước bị bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó
bán kính (độ lớn) của các ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến
khả năng hấp phụ của hệ do tương tác tĩnh điện [1].
Hấp phụ trong mơi trường nước cịn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung dịch.
Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ. Các
chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu, bazơ yếu hoặc lưỡng tính sẽ bị
phân li, tích điện âm, dương hoặc trung hoà tùy thuộc giá trị pH. Tại giá trị pH bằng
điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng khơng, trên giá trị đó bề mặt

chất hấp phụ tích điện âm và dưới giá trị đó bề mặt hấp phụ tích điện dương. Đối với
các chất trao đổi ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm chức
và các cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môi trường, đồng thời trong hệ
cũng xảy ra cả q trình hấp phụ và tạo phức chất [1].
Ngồi ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản,…
cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ.
1.5.2.2. Đặc tính của ion kim loại trong mơi trường nước
Để tồn tại được ở trạng thái bền, các ion kim loại trong mơi trường nước bị
hiđrat hố tạo ra lớp vỏ là các phân tử nước, tạo ra các phức chất hiđroxo, tạo ra các

8

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

/>

cặp ion hay phức chất khác. Dạng phức hiđrxo được tạo ra nhờ phản ứng thuỷ phân.
Sự thuỷ phân của ion kim loại trong dung dịch có thể chịu ảnh hưởng rất lớn bởi pH
của dung dịch. Khi pH của dung dịch thay đổi dẫn đến thay đổi phân bố các dạng
thuỷ phân, làm cho thay đổi bản chất, điện tích, kích thước ion kim loại có thể tạo
phức, sự hấp phụ và tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ, điều này ảnh hưởng đến cả
dung lượng và cơ chế hấp phụ.
1.5.3.

và hiệu suất

,

giải hấp phụ
1.5.3.1. 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 ở điều kiện xác định về nồng độ và
nhiệt độ.
Dung lượng hấp phụ được tính theo cơng thức:
(C0 Ccb )
.V
m

q

(1.1)

Trong đó:
q: là dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
V: là thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (L)
m: là khối lượng chất hấp phụ (g)
Co: là nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L)
Ccb: là nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/L)
1.5.3.2. Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ của dung dịch bị hấp phụ ở thời điểm
cân bằng và nồng độ dung dịch ban đầu.
Hiệu suất hấp phụ được tính theo cơng thức sau:
H

(C0 Ccb )
.100%
C0

(1.2)

Trong đó:
H: là hiệu suất hấp phụ (%)
C0: là nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L)
Ccb: là nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/L)

9

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

/>

1.5.3.3. Hiệu suất giải hấp phụ
Hiệu suất giải hấp là tỷ số giữa khối lượng của chất bị hấp phụ được giải hấp
so với khối lượng của chất bị hấp phụ trên cột vật liệu.
Hiệu suất giải hấp được tính theo cơng thức sau:

H(%) =

m gh
m hp

(1.3)

.100%

Trong đó:
H: là hiệu suất hấp phụ (%)
mgh: là khối lượng của chất bị hấp phụ được giải hấp (mg)
Mhp: là khối lượng của chất bị hấp phụ trên cột vật liệu (mg)
1.5

Có thể mơ tả q trình hấp phụ dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ. Đường
đẳng nhiệt hấp phụ biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời
điểm vào nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch tại thời điểm đó ở
một nhiệt độ xác định. Đường đẳng nhiệt hấp phụ được thiết lập bằng cách cho một
lượng xác định chất hấp phụ vào một lượng cho trước dung dịch có nồng độ đã biết
của chất bị hấp phụ.
Với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng thì đường đẳng nhiệt
hấp phụ được mô tả qua các đường đẳng nhiệt như: đường đẳng nhiệt hấp phụ
Henry, đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich, đường
[12, 13].
Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Henry
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry là phương trình đẳng nhiệt đơn giản
mơ tả sự tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và
nồng độ (áp suất) của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng:
a = K.P

(1.4)

Trong đó:
K: là hằng số hấp phụ Henry
a: lượng chất bị hấp phụ (mol/g)
P: áp suất (mmHg)

10

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

/>

Từ số liệu thực nghiệm cho thấy vùng tuyến tính này nhỏ. Trong vùng đó sự

tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt chất rắn là khơng đáng kể.
Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là phương trình thực nghiệm mô
tả sự hấp phụ xảy ra trong phạm vi một lớp. Phương trình này được biểu diễn bằng
một hàm số mũ:
1

q k.Ccb n

(1.5)

Hoặc dạng phương trình đường thẳng:
lg q = lg k +

1
lg Ccb
n

(1.6)

Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)
k: hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố khác
n: hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn lớn hơn 1
Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/L)
Phương trình Freundlich phản ánh khá sát số liệu thực nghiệm cho vùng ban
đầu và vùng giữa của đường hấp phụ đẳng nhiệt tức là ở vùng nồng độ thấp của
chất bị hấp phụ.
Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:

q

qmax

b.Ccb
1 b.Ccb

(1.7)

Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g).
qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g).
b: hằng số Langmuir.
Ccb: là nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/L).
Khi tích số b.Ccb << 1 thì q = qmax.b.Ccb: mơ tả vùng hấp phụ tuyến tính.
Khi tích số b.Ccb >> 1 thì q =qmax: mơ tả vùng hấp phụ bão hịa.

11

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

/>

Phương trình Langmuir có thể biểu diễn dưới dạng phương trình đường thẳng:
Ccb
q

1
qmax

Ccb

1

(1.8)

qmax .b

Thơng qua đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb sẽ xác định các hằng số
b và qmax trong phương trình (hình 1.2).

Ccb/q
t an α

qmax
N

O

Ccb

O

Ccb

Hình 1.1. Đƣờng đẳng nhiệt hấp

Hình 1.2. Sự phụ thuộc của Ccb/q

phụ Langmuir

vào Ccb

1
1
ON =
qmax
qmax.b
Phương trình Langmuir được đặc trưng bằng tham số RL
Ở đây:

tanα =

RL =

1
(1 b.C0 )

(1.9)

Khi 0 < RL < 1 thì sự hấp phụ là thuận lợi, RL > 1 thì sự hấp phụ là khơng
thuận lợi và RL = 1 thì sự hấp phụ là tuyến tính.
1.5.5. Q trình hấp phụ động trên cột
Q trình hấp phụ động trên cột được mô tả như sau [1]:
Cho một dịng khí hay dung dịch chứa chất bị hấp phụ qua cột hấp phụ. Sau
một thời gian thì cột hấp phụ chia làm ba vùng:
Vùng 1 (Đầu vào nguồn xử lý): Chất hấp phụ đã bão hòa và đạt trạng thái cân
bằng. Nồng độ chất bị hấp phụ ở đây bằng nồng độ của nó ở lối vào.
Vùng 2 (Vùng chuyển khối): Nồng độ chất bị hấp phụ thay đổi từ giá trị nồng
độ ban đầu tới không.

Vùng 3 (Vùng lối ra của cột hấp phụ): Vùng mà quá trình hấp phụ chưa xảy
ra, nồng độ chất bị hấp phụ bằng khơng.

12

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

/>

Lối vào

1.Vùng hấp phụ bão hoà
2.Vùng chuyển khối
3.Vùng chưa xảy ra sự hấp phụ

Lối ra
Hình 1.3. Mơ hình cột hấp phụ
Khi thời gian thực hiện quá trình hấp phụ tăng lên thì vùng hấp phụ dịch
chuyển theo chiều dài của cột hấp phụ. Chất hấp phụ sẽ xuất hiện ở lối ra khi vùng
chuyển khối chạm tới đáy cột. Đây là thời điểm cần dừng quá trình hấp phụ để nồng
độ của chất bị hấp phụ ở lối ra không vượt quá giới hạn cho phép. Tiếp theo cột hấp
phụ được giải hấp để tiếp tục thực hiện quá trình hấp phụ.
Tại điểm cuối của cột hấp phụ, nồng độ của chất bị hấp phụ xuất hiện và tăng
dần theo thời gian. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nồng độ của chất bị hấp phụ trên cột
hấp phụ theo thời gian được gọi là đường cong thốt và có dạng như hình 1.2.

C
Co
t
Hình 1.4. Dạng đƣờng cong thốt phân bố nồng độ chất bị hấp phụ

O
trên cột hấp phụ theo thời gian
1.6. Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử
1.6.1. Nguyên tắc
Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử dựa trên tính chất vật lí của các chất
có tính chất hấp thụ chọn lọc dòng ánh sáng đơn sắc. Đây là phương pháp phân tích
định lượng khơng đo trực tiếp khối lượng của chất (như phương pháp phân tích thể

13

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

/>

tích hay phân tích khối lượng) mà đo độ hấp thụ quang của dung dịch màu từ đó suy
ra nồng độ của cấu tử cần xác định [9].
Nguyên tắc chung của phương pháp này là muốn xác định một cấu tử X nào
đó, ta chuyển nó thành hợp chất

có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo

a
suy ra hàm lượng chất cần xác định X.
Cơ sở của phương pháp là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer - Lambert Beer. Biểu thức của định luật:

A = lg Io = ε.C.l
I

(1.10)

Trong đó: A: độ hấp thụ quang của chất có khả năn
ch.
Io, I: lần lượt là cường độ của ánh sáng đi vào và ra khỏi dung dịch.
l: là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua.
C: là nồng độ hất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch.
: là hệ số hấp thụ quang phân tử, nó phụ thuộc vào bản chất của
chất hấp thụ ánh sáng và bước sóng của ánh sáng tới (ε = f( )).
Trong phân tích định lượng bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử,
người ta chọn bước sóng

nhất định, chiều dày cuvet l nhất định và lập phương

trình phụ thuộc của độ hấp thụ quang A vào nồng độ C

(1.11)

A= f( ,l,C)

. Tuy nhiên, do những yếu

= a.x
tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng của dung dịc

, pH
) nên đồ thị trên khơng có dạng đường

,

thẳng với mọi giá trị của nồng độ. Và biểu thức (1.10) có dạng:
Aλ = k.ε. Cxb.l

(1.12)

Trong đó:
Cx: là nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch.

14

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

/>

k: là hằng số thực nghiệm.
b: là hằng số bản chất, giá trị của b nằm trong khoảng: 0 < b

1. Nó là một hệ

số gắn liền với nồng độ Cx.
Giá trị b = 1 khi nồng độ Cx nhỏ, khi Cx tăng thì b nhỏ xa dần giá trị 1.
Đối với một chất phân tích trong một dung mơi xác định và trong một cuvet có
bề dày xác định thì ε = const và l = const. Đặt K = k.ε.l ta có:
A = K.Cb

(1.13)

Với mọi chất có phổ hấp thụ phân tử vùng UV - Vis, thì ln có một giá trị
nồng độ giới hạn Co xác định, sao cho:
Với mọi giá trị Cx < Co: thì b = 1, và quan hệ giữa độ hấp thụ quang A và nồng
độ Cx là tuyến tính.
Với mọi giá trị Cx > Co: thì b < 1 (b tiến dần về 0 khi Cx tăng) và quan hệ giữa

độ hấp thụ quang A và nồng độ Cx là không tuyến tính.
Phương trình (1.12) là cơ sở để định lượng các chất theo phương pháp đo
quang phổ hấp thụ phân tử UV - Vis. Trong phân tích người ta chỉ sử dụng vùng
nồng độ tuyến tính giữa A và C, vùng tuyến tính này rộng hay hẹp phụ thuộc vào
bản chất hấp thụ quang của mỗi chất và các điều kiện thực nghiệm. Với các chất có
phổ hấp thụ UV - Vis càng nhạy, tức giá trị

của chất đó càng lớn thì giá trị nồng

độ giới hạn Co càng nhỏ và vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C càng hẹp [6, 9].
1.6.2. Phƣơng pháp đƣờng chuẩn
Cơ sở của phương pháp:
Dựa trên sự phụ thuộc của cường độ vạch phổ hấp thụ (hay độ hấp thụ phân
tử) vào vùng nồng độ nhỏ của cấu tử cần xác định trong mẫu theo phương trình:
Ax= K.Cb để có sự phụ thuộc tuyến tính giữa A và C.
Kỹ thuật thực nghiệm:
- Pha chế một dãy dung dịch chuẩn có hàm lượng chất phân tích tăng dần
trong cùng điều kiện về lượng thuốc thử, độ axit…
- Đo đ

của nguyên tố cần nghiên cứu trong dãy dung

dịch chuẩn.

15

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

/>