nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng hg2+ và cd2+ trong nước

BỘ CÔNG THƯƠNG
HỘI HÓA HỌC VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
&&&






BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CÁC HỢP CHẤT
LIGNIN TRONG DỊCH ĐEN ĐỂ XỬ LÝ KIM
LOẠI NẶNG Hg
2+
và Cd
2+
TRONG NƯỚC
Thực hiện theo Hợp đồng số 54.12.RD/HĐ-KHCN ngày 19 tháng 3
năm 2012 giữa Bộ Công Thương và Hội hóa học Việt Nam






Chủ trì đề tài: PSG.TS Huỳnh Trung Hải – Viện KH&CNMT - ĐHBKHN
Người tham gia:
TS Văn Diệu Anh- ViệnKH&CNMT-ĐHBKHN
Ths Võ Thị Lệ Hà - Viện KH&CNMT – ĐHBKHN
Ths Lê Anh Tuấn – Trường ĐH Hằng Hải

Hà nội , 12-2012
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang i
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

MỤC LỤC
MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH iv
DANH MỤC BẢNG v
TÓM TẮT NHIỆM VỤ vi
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 3
I. TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG
NƯỚC 3

I.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước ở Việt Nam 3
I.1.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải ở Việt Nam 3
I.1.2. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước mặt ở Việt Nam 5
I.2. Ảnh hưởng của kim loại nặng tới môi trường và sức khỏe con người 7
II. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI 9
II.1. Phương pháp xử lý kim loại nặng 9
II.1.1. Phương pháp kết tủa hóa học 9

II.1.2. Phương pháp trao đổi ion 10
II.1.3. Phương pháp điện hóa 10
II.1.4. Phương pháp sinh học 10
II.1.5. Phương pháp hấp phụ 11
II.2. Nghiên cứu về xử lý kim loại nặng trên thế giới và Việt Nam 11
III. SỬ DỤNG LIGNIN VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA LIGNIN
ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG 13

III.1. Giới thiệu về Lignin 13
III.1.1. Giới thiệu chung về lignin 13
III.1.2. Cấu trúc phân tử lignin 14
III.1.3. Tính chất của lignin 18
III.1.4. Ứng dụng của lignin 19
III.2. Ứng dụng lignin để xử lý kim loại nặng 20
III.2.1. Cơ chế phản ứng của các nhóm chức của lignin với các kim loại 20
III. 2.2. Cơ chế phản ứng hấp phụ của lignin với kim loại 21
III.2.3. Cơ chế phản ứng của quá trình tái sinh vật liệu 22
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang ii
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

III.2.4. Ưu nhược điểm của việc sử dụng lignin để xử lý kim loại nặng 22
CHƯƠNG II: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 23
I. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM THU HỒI LIGNIN TỪ DỊCH ĐEN CỦA NGÀNH
SẢN XUẤT GIẤY 23


I.1. Đối tượng nghiên cứu 23
I.2 Dụng cụ hóa chất 23
I.3. Quy trình thực nghiệm 23
II. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM XỬ LÝ ION KIM LOẠI Hg
2+
VÀ Cd
2+
BẰNG
LIGNIN 25

II.1. Nguyên lý của phương pháp xử lý 25
II.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 26
II.3. Quy trình thực nghiệm 27
II.3.1. Quy trình tạo vật liệu hấp phụ 27
II.3.2. Quy trình khảo sát thí nghiệm dạng mẻ 28
II.3.3. Quy trình khảo sát thí nghiệm dạng cột 32
III. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 34
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35
I. KẾT QUẢ THU HỒI LIGNIN TỪ DỊCH ĐEN 35
I.1. Xác định các thông số cơ bản của dịch đen 35
I.2. Hiệu suất quá trình thu hồi lignin 35
I.3. Phân tích chất lượng sản phẩm 35
I.4. Đề xuất quy trình thu hồi lignin từ dịch đen 37
II. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP
PHỤ KIM LOẠI BẰNG DỊCH ĐEN 37

II.1. Ảnh hưởng của pH 38
II.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 40
II.3. Ảnh hưởng của thể tích dịch đen 41
III. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM

LOẠI NẶNG BẰNG LIGNIN THU HỒI 42

III.1. Ảnh hưởng của pH 42
III.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 43
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang iii
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

III.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ 44
III.3. Ảnh hưởng của cường độ ion 45
III.4. Ảnh hưởng của nồng độ kim loại đầu vào 46
III.5. Đường cân bằng hấp phụ đẳng nhiệt 47
III.6. Ảnh hưởng của hỗn hợp kim loại 51
IV. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ TẠO VẬT LIỆU DẠNG HẠT 52
IV.1. Thông số vật liệu 52
IV.2. Quy trình tạo vật liệu 53
V. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM
LOẠI NẶNG BẰNG LIGNIN THU HỒI QUA THÍ NGHIỆM DÒNG LIÊN TỤC
QUA CỘT 54

V.1. Ảnh hưởng của tốc độ dòng 54
V.2. Khảo sát quá trình hấp phụ đồng thời hỗn hợp kim loại 55
V.3. Đề xuất quy trình xử lý kim loại qua cột 56
VI. NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH TÁI SINH VẬT LIỆU VÀ TÁI HẤP PHỤ VẬT
LIỆU 57


VI.1. Nghiên cứu khả năng tái sinh vật liệu và tái hấp phụ vật liệu 57
VI.2. Đề xuất quy trình tái sinh vật liệu 58
KẾT LUẬN 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO 62



Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang iv
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

DANH MỤC HÌNH
Hình 1 Hàm lượng Cd, Hg trong nước mặt ở Thanh Trì 7
Hình 2. Hàm lượng lignin trong gỗ tự nhiên 14
Hình 3. Cấu trúc một phần phân tử lignin 15
Hình 4. Các kiểu liên kết phổ biến giữa các đơn vị phenylpropan 16
Hình 5. Cấu trúc phổ hồng ngoại của lignin 17
Hình 6. Quá trình khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ kim loại
nặng lignin 1

Hình 7. Sơ đồ công nghệ (a) trao đổi và (b) tái sinh trên cột 33
Hình 8. Phổ hồng ngoại của lignin thu hồi 36
Hình 9. Phổ hồng ngoại chuẩn của lignin chuẩn 36
Hình 10. Quy trình thu hồi lignin từ dịch đen 37
Hình 11. Mối quan hệ giữa pHbđ và pHcb với hiệu xuất xử lý ion Hg
2+

và Cd
2+
38
Hình 12. Mối quan hệ giữa hiệu quả xử lý kim loại nặng và COD 39
Hình 13. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý COD và độ màu 40
Hình 14. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý với thời gian và pH ra 40
Hình 15. Mối quan hệ giữa hiệu xuất xử lý với hàm lượng dịch đen, pHcb 42
Hình 16. Ảnh hưởng của pH ban đầu đến quá trình hấp phụ 43
Hình 17. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đối với quá trình hấp phụ kim loại 44
Hình 18. Ảnh hưởng của hàm lượng lignin đôi với quá trình hấp phụ kim loại 45
Hình 19. Ảnh hưởng của cường độ ion đối với quá trình hấp phụ kim loại 46
Hình 20. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cd
2+
và Hg
2+
50
Hình 21. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freudlich đối với Cd
2+
và Hg
2+
50
Hình 22. Khả năng ảnh hưởng của hỗn hợp 2 kim loại tới quá trình hấp phụ lignin 52
Hình 23. Quy trình tạo 1kg vật liệu 53
Hình 24. Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến quá trình hấp phụ động qua cột 54
Hình 25. Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến quá trình hấp phụ động qua cột 56
Hình 26. Quy trình xử lý kim loại bằng lignin trên cột liên tục 1
Hình 27. Mối quan hệ giữa nồng độ kim loại trong dung dịch rửa giải ra khỏi cột và
thể tích dung dịch rửa giải 57

Hình 28. Quá trình tái hấp phụ dung dịch kim loại bằng cột tái sinh 58

Hình 29. Quy trình tái sinh cột xử lý kim loại bằng lignin 1
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang v
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Nước thải tại một số cơ sở cơ khí, mạ kim loại ở phía Bắc 4
Bảng 2. Hàm lượng kim loại nặng trong nước thải ở làng nghề Thái Bình 5
Bảng 3. Hàm lượng kim loại nặng có trong nước sông Kim Ngưu – Tô Lịch 6
Bảng 4. Một số loại bệnh đã xuất hiện ở Chỉ Đạo 8
Bảng 5. Số lượng các nhóm chức của lignin trong gỗ 16
Bảng 6. Kết quả thực nghiệm tách lignin với 3 quy trình khác nhau 24
Bảng 7. Các thông số cơ bản của dịch đen 35
Bảng 8. Ảnh hưởng của nồng độ đầu vào của kim loại đến quá trình hấp phụ 49
Bảng 9. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freudlich mô tả quá trình
hấp phụ Hg
2+
và Cd
2+
bằng lignin 51
Bảng 10. Dung lượng hấp phụ kim loại cực đại của cột (mg/g) 55
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang vi
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

TÓM TẮT NHIỆM VỤ
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại
nặng Hg
2+
và Cd
2+
trong nước là nghiên cứu khoa học và là một cách tiếp cận
thân thiện trong xử lý môi trường. Việc tận dụng phế phẩm của ngành công
nghiệp sản xuất giấy và bột giấy để xử lý kim loại nặng (Hg
2+
và Cd
2+
) trong
nước có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, đáp ứng được nhu cầu thực tiễn
của xã hội.
Phương pháp thực hiện: Đề tài được triển khai nghiên cứu trên cơ sở áp dụng
một hoặc phối hợp các phương pháp nghiên cứu sau đây: Phương pháp kế
thừa; Phương pháp phân tích; Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.
Kết quả của đề tài: Báo cáo khoa học về “Nghiên cứu đ
iều chế các hợp chất
lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng Hg
2+
và Cd
2+
trong nước” bao
gồm các nội dung chính như sau:
• Lựa chọn và xây dựng được quy trình thu hồi lignin từ dịch đen phù

hợp đối với quá trình sản xuất bột giấy theo công nghệ kiềm lạnh.
• Xây dựng được quy trình điều chế vật liệu từ lignin phủ đế
silicagel.Vật liệu tạo ra dạng cầu với d=2mm, diện tích bề mặt riêng là
35,3 cm
2
/g , khối lượng riêng là 0,85 g/cm
3
.
• Xây dựng được quy trình ứng dụng vật liệu điều chế từ lignin để xử lý
Hg
2+
và Cd
2+
theo phương thức liên tục (trên cột).
• Xây dựng được quy trình tái sinh vật liệu điều chế từ lignin theo
phương thức liên tục (cột).
• Nghiên cứu ứng dụng dịch đen và lignin thu hồi để xử lý Hg
2+
và Cd
2+
trong nước dạng mẻ và cột
• Nghiên cứu khả năng tái sinh vật liệu và tái hấp phụ vật liệu tái sinh


Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 1

Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

MỞ ĐẦU
Ô nhiễm môi trường do kim loại nặng đang là vấn đề phổ biến của nhiều
nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Ở nước ta, hoạt động công nghiệp
là nguyên nhân chủ yếu gây nên ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường
nước. Nước thải của các ngành công nghiệp khai khoáng, mạ điện, cơ khí, ắc
quy, chứa các kim loại nặng như Cd
2+
, Hg
2+
, Zn
2+
, Ni
2+
… có nồng độ cao từ
vài mg/L đến vài trăm mg/L. Những dòng thải này không được xử lý đạt tiêu
chuẩn xả thải sẽ gây hại cho môi trường tiếp nhận bởi các kim loại nặng
không có khả năng phân hủy sinh học và có xu hướng tích tụ trong tế bào
thực vật, động vật và con người gây tác động xấu tới sinh vật và sức khỏe con
người. Vì vậy, việc nghiên cứu xử lý hiệu quả và triệt để
các kim loại này là
hết sức cần thiết.
Một số phương pháp đã được tiến hành nghiên cứu để xử lý kim loại
nặng như kết tủa, trao đổi ion, lọc bằng màng, sinh học… Mỗi phương pháp
đều ưu việt, giới hạn ứng dụng nhất định nhưng có nhược điểm là tạo bùn thải
và giá thành cao. Do đó, việc ứng dụng vật liệu tự nhiên có sẵn ho
ặc tận dụng
những chất thải công nghiệp, nông nghiệp để xử lý kim loại nặng trong nước
sẽ mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường.

Hàng năm các nhà máy giấy của nước ta sản xuất ra hàng trăm nghìn tấn
giấy và bột giấy. Trong quá trình sản xuất phát sinh ra một lượng lớn chất thải
hữu cơ trong đó lignin chiếm một lượng đáng kể. Do vậy xử lý nguồn ph
ế thải
nhà máy giấy là một vấn đề cấp thiết để đảm bảo môi trường. Về lâu dài phải
hướng về nghiên cứu khả năng tận dụng lignin để sản xuất ra các sản phẩm
khác phục vụ nền kinh tế quốc dân. Vì vậy, việc tận dụng các chế phẩm này
trong xử lý kim loại nặng trong nước không những giải quyết được vấn đề
môi trường c
ủa ngành công nghiệp giấy và bột giấy, mà còn góp phần làm
giảm thiểu ô nhiễm của một số ngành khác phát sinh chất ô nhiễm kim loại
nặng. Về lợi ích kinh tế, việc tận dụng phế thải từ một ngành công nghiệp sẽ
tiết kiệm chi phí xử lý môi trường của ngành, đồng thời góp phần giảm thiểu
chi phí để xử lý chất thải của ngành khác.
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 2
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

Vì vậy, “Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử
lý kim loại nặng Hg
2+
và Cd
2+
trong nước” là một hướng tiếp cận mới có giá
trị về mặt kinh tế - xã hội. Đây cũng là một cách tiếp cận thân thiện với môi
trường trên cơ sở ứng dụng chất thải của ngành công nghiệp giấy nhằm xử lý

ô nhiễm môi trường, vừa giải quyết vấn đề cấp bách bảo về môi trường ở Việt
Nam.


















Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 3
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

I. TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC
I.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước ở Việt Nam
I.1.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải ở Việt Nam
Ô nhiễm môi trường bởi các kim loại nặng là một vấn đề lớn trong
nhiều ngành sản xuất công nghiệp ở Việt Nam. Nước thải của các ngành công
nghiệp như khai khoáng, mạ điện, pin ắc qui, cơ khí chứa ion kim loại nặng
như Cu
2+
, Zn
2+
, Pb
2+
, Cd
2+
…với nồng độ cao từ vài mg/l đến vài trăm mg/l.
Tuy nhiên với thực trạng hiện nay các dòng thải này đều không được xử lý
hoặc xử lý không hiệu quả đã gây nguy hại cho môi trường tiếp nhận bởi các
kim loại nặng có xu hướng tích tụ trong tế bào thực vật, động vật và con
người gây tác động xấu tới sinh vật và sức khỏe con người.
Nước thải từ cơ sở sản xuấ
t công nghiệp
Các khảo sát đặc trưng ô nhiễm của nước thải của một số cơ sở sản
xuất đặc trưng như cơ sở mạ điện, sản xuất ắc quy, cơ khí ở các tỉnh phía Bắc
đã nhận định rằng: Hầu hết nước thải đều xuất hiện các kim loại nặng như As,
Cd, Cu, Hg, Pb, Ni, Zn, Cr với các nồng độ khác nhau, tùy thuộc vào đặc
đ
iểm công nghệ của từng ngành (Bảng 1).
Kết quả phân tích ở bảng 1 và so sánh với QCVN 40-2011 cột B cho
thấy rằng: Một số ion kim loại nặng như Cr
6+

, Fe
2+
, Ni
2+
, Zn
2+
trong nước thải
công ty KYB Việt Nam vượt quá QCVN 40 – 2011 cột B nhiều lần. Nước
thải từ công ty Longtech có hàm lượng kim loại Ni
2+
vượt gấp trên 7 lần và
Zn
2+
vượt 2 lần so với QCVN 40-2011 cột B. Đáng chú ý là nước thải phát
sinh từ quá trình sản xuất ắc quy của Công ty TNHH Ắc quy Hải Phòng có
hàm lượng kim loại Hg
2+
vượ quá QCVN 40-2011 hơn 3 lần; Pb
2+
rất cao,
vượt quá tiêu chuẩn QCVN 40-2011 cột B hơn 320 lần; hàm lượng kim loại
Zn
2+
cũng vượt quá QCVN 40-2011 cột B hơn 2 lần. Đây đều là những kim
loại có độc tính cao nên cần được xử lý hiệu quả đáp ứng được tiêu chuẩn xả
thải và tái sử dụng cho quá trình sản xuất.

Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước


2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 4
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

Bảng 1. Nước thải tại một số cơ sở cơ khí, mạ kim loại ở phía Bắc [1
÷
4]
Hàm lượng (mg/l) Thông
số
Công ty
Longtech
Công ty
quy chế
Từ Sơn
Công ty
ắc quy
Hải
Phòng
Công ty
phụ tùng
xe máy
Việt
Nam
Công ty
KYB
Việt
Nam
QCVN
40-2011

cột B
Cd <0.0001 0.0014 - 0.0003 - 0.1
Hg 0.0004 0.0001 0.037 <0.0001 0.00035 0.01
∑Cr 0.059 0.205 - 0.025 3364 1
Ni 3.82 0.068 - 0.003 23.72 0.5
Zn 6.4 1.2 7.9 0.14 5.32 3
Pb 0.063 0.093 165.76 0.006 0.38 0.5
Nước thải từ các làng nghề
Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước không chỉ xảy
ra phổ biến ở các khu công nghiệp và các cơ sở sản xuất mà đây còn là vấn đề
đáng quan tâm tại nhiều cơ sở sản xuất nhỏ ở các làng nghề truyền thống.
Kết quả phân tích nước thải tại các làng nghề tái chế kim loại ở tỉnh
Thái Bình ở bảng 2 cho thấy rằng: các mẫu nước thải
đều chứa kim loại nặng.
Đặc biệt là nước thải của làng Nam Cao có hàm lượng Cd
2+
vượt QCVN
40:2011(cột B) xấp xỉ 1,8 lần, của làng nghề Đồng Xâm có hàm lượng Pb
2+

vượt QCVN 40:2011 (B) trên 5 lần, hàm lượng kim loại Zn
2+
vượt QCVN
40:2011 (B) trên 16 lần, hàm lượng Cu
2+
vượt QCVN 40:2011 (B) gần 90 lần
và Cr
6+
vượt QCVN 40:2011 (B) trên 7 lần. Đây là làng nghề tái chế kim loại
có công nghệ lạc hậu và không có hệ thống xử lý nước thải. Vì vậy, các dòng

thải này đổ ra các nguồn tiếp nhận sẽ gây ra ô nhiễm môi trường nước và đất.
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 5
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

Bảng 2. Hàm lượng kim loại nặng trong nước thải ở làng nghề Thái Bình [7]
KLN Đơn vị Đồng Xâm Nam Cao QCVN(B) 40-2011
Cd mg/L 0.005 0.018 0.1
Cr(VI) mg/L 0.74 0.071 0.1
Cu mg/L 178.8 0.23 2
Pb mg/L 2.75 0.167 0.5
Zn mg/L 48.4 2.56 3
Ghi chú: Giá trị trong bảng là giá trị trung bình của nhiều dòng thải của các
làng nghề.
I.1.2. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước mặt ở Việt Nam
Hiện nay môi trường ở Việt Nam đang chịu ảnh hưởng tiêu cực bởi sự
gia tăng phế thải. Phần lớn nguồn phế thải công nghiệp chưa được xử lý hay
xử lý không hiệu quả đều đổ vào các nguồn tiếp nhậ
n, dẫn đến hậu quả là môi
trường nước mặt bị ô nhiễm. Chất thải từ các ngành mạ điện, cơ khí, khai thác
khoáng sản v.v…có chứa hàm lượng kim loại, khi đổ vào môi trường nước
mặt, sẽ làm cho môi trường nước mặt bị ô nhiễm kim loại nặng tác động tiêu
cực đến môi trường sống thủy sinh và con người.
Thực tế cho thấy rằng, chất lượng nguồn nước củ
a hệ thống sông ngòi
ở Hà nội đang bị báo động bởi hiện tượng ô nhiễm kim loại nặng. Các kết quả

khảo sát các điểm dọc dòng sông Kim Ngưu – Tô Lịch cho thấy rằng: các ion
kim loại nặng như Pb
2+
, Zn
2+
, Cd
2+
, Ni
2+
, Cu
2+
v.v… đã xuất hiện trong các
mẫu khảo sát với nồng độ tương đối cao (bảng 3). Đáng chú ý là các kim loại
có độc tính cao như Cd, Cr và Pb đều có nồng độ vượt QCVN 08:2008 (B1)
nhiều lần. Cụ thể, Cd
2+
vượt QCVN hiện hành từ 8-10 lần, Pb
2+
vượt QCVN
từ 2-3 lần, đối với Zn
2+
thì nồng độ nằm dưới QCVN ở các điểm khảo sát trừ
điểm khảo sát trạm bơm Yên Sở. Nguyên nhân gây ô nhiễm kim loại nặng ở
sông Kim Ngưu – Tô Lịch có thể được giải thích là do sự đóng góp của các
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 6

Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

dòng thải công nghiệp, sinh hoạt, dịch vụ v.v trong đó, các dòng nước thải
công nghiệp chứa hàm lượng kim loại nặng đã không được xử lý hay xử lý
không hiệu quả, là nguồn thải chính gây ô nhiễm kim loại nặng nề cho các
dòng sông.
Bảng 3. Hàm lượng kim loại nặng có trong nước sông Kim Ngưu – Tô Lịch [1]
Nồng độ kim loại mg/l Vị trí
Cd Pb Cr Ni Zn
Chợ Bưởi 0.09 0.82 4.8 0.25 0.74
Ngã tư Sở 0.1 1.56 4.89 0.38 0.88
Đại Kim 1.03 0.87 4.77 0.27 1.05
Linh Đàm 0.1 0.9 5.04 0.31 0.79
Cầu Bươu 0.09 1.24 8.77 0.26 0.88
Trạm bơm Yên Sở 0.09 0.91 8.77 0.26 1.87
Hồ Yên Sở 0.09 1.74 5.96 0.3 1.25
Cầu Mai Động 0.08 0.65 4.2 0.25 0.74
QCVN 08-2008 (B1) 0.01 0.05 0.5 0.1 1.5
Nghiên cứu tại vùng Thanh Trì – Hà Nội cũng cho thấy rằng tình trạng
ô nhiễm kim loại nặng trong nguồn nước mặt sử dụng cho chăn nuôi, trồng
rau, trồng hoa đã trở nên phổ biến (hình 1). Các điểm lấy mẫu đều có hàm
lượng kim loại Cd
2+,
Hg
2+
, Pb
2+

cao hơn QCVN hiện hành. Đáng chú ý mẫu
nước hồ nuôi cá, ruộng rau muống, mương tưới đều chứa hàm lượng ion Cd

2+
cao hơn QCVN 08 xấp xỉ 5 lần, Hg
2+
cũng cao hơn với QCVN 08 – 2008
từ 3-5 lần. Đây là những kim loại đều có khả năng tích tụ trong cây trồng gây
ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người.
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 7
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội



Hình 1 Hàm lượng Cd, Hg trong nước mặt ở Thanh Trì
Kết luận: Đối với nước thải từ các hoạt động công nghiệp cũng như các
làng nghề với các loại hình sản xuất phổ biến là lắp ráp điện tử, gia công bề
mặt, cơ khí… thì kim loại là vấn đề ô nhiễm đặc trưng của các dòng thải.
Hàm lượng kim loại có xu hướng tăng lên theo thời gian, các kim loại có hàm
lượng vượt quá QCVN như Pb
2+
, Cd
2+
, Hg
2+
, Ni
2+
. Đây là những kim loại có

độc tính cao đòi hỏi phải xử lý trước khi đổ ra nguồn tiếp nhận. Mặt khác do
giá trị sử dụng cao nên việc xử lý và thu hồi các kim loại này là rất cần thiết.
I.2. Ảnh hưởng của kim loại nặng tới môi trường và sức khỏe con người
Kim loại nặng trong môi trường rất khó bị phân huỷ nên thường tích tụ
trong đất, nước, trầm tích, không khí và vi sinh vật. Kim loại nặng có th
ể xâm
QCVN 08 – B1
QCVN 08 – B1
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 8
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

nhập vào cơ thể người và các sinh vật khác qua chuỗi thức ăn. Kim loại nặng
cũng như các nguyên tố khác cũng có vai trò quan trọng cho dinh dưỡng của
thực vật và động vật. Chúng đóng vai trò thiết yếu nhưng đều chỉ ở mức vi
lượng, nhưng nếu ở hàm lượng cao thì có thể bị ảnh hưởng đến sự tăng
trưởng, dẫn đến sự phát triển không bình thường, thậm chí gây t
ử v ong.
Chúng tích tụ vào các mô sống qua chuỗi thức ăn mà ở đó con người là mắt
xích cuối cùng. Các tác động và cơ chế gây độc của nhiều kim loại nặng đối
với cơ thể người và động vật cũng đã được tìm ra, tuy nhiên nhân loại đã phải
trả một giá khá đắt để có được nhận thức này. Bệnh Minamata ở Nhật Bản,
câu chuyện về loài chim scopa ở Thụy Đi
ển, vụ ô nhiễm Cadimi ở Cộng Hòa
Liên Bang Đức những năm 70 , là những ký ức đau buồn liên quan tới sự
thiếu hiểu biết của chúng ta đối với việc sử dụng và quản lý các hợp chất chứa

các kim loại nặng độc hại [11].
Khảo sát tại làng nghề Chỉ Đạo – Hưng Yên tỷ lệ mắc bệnh đối với
người tham gia tái chế chì là rất cao. Số người
được kiểm tra sức khoẻ là 32
người (15 nữ và 17 nam). Số người tham gia công việc trên 10 năm chiếm
78% và dưới 10 năm chiếm 22%. Kết quả được trình bày ở bảng 4.
Ngoài ra còn thấy có 4 trường hợp có đường viền chì Burton cổ điển và
có 4 trường hợp gia đình tham gia tái chế chì có con bị liệt và mù bẩm sinh.
Bảng 4. Một số loại bệnh đã xuất hiện ở Chỉ Đạo [8]
Bệnh Tỷ lệ %
Hô hấp 65,6
Suy nhược thần kinh 78,1
Khớp mãn tính 49,4
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 9
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

II. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC VÀ
NƯỚC THẢI
II.1. Phương pháp xử lý kim loại nặng [10, 12, 15, 18, 20]
Hiện nay đã có nhiều phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải
được nghiên cứu và áp dụng trong thực tế như phương pháp kết tủa hóa học,
phương pháp trao đổi ion, phương pháp hấp phụ, phương pháp màng,
phương pháp điện hóa, phương pháp sinh học. Mỗi phương pháp có ưu và
nhược đ
iểm riêng và phạm vi ứng dụng nhất định. Vì vậy, để có thể lựa chọn

phương pháp áp dụng được trong thực tế, phù hợp với điều kiện sản xuất cần
lưu ý tới các vấn đề như: mức độ ô nhiễm của nước thải cần xử lý, tiêu chuẩn
cần đạt được cho đầu ra của nước thải, tính chất lý, hóa và nhiệt động họ
c của
chất ô nhiễm cần loại bỏ trong dòng thải, tính chất lý, hóa của chất rắn phát
sinh sau quá trình xử lý.
II.1.1. Phương pháp kết tủa hóa học
Phương pháp kết tủa hóa học dựa trên phản ứng hóa học giữa hóa chất
đưa vào nước thải với kim loại cần tách khỏi nước thải.
Nguyên tắc của phương pháp là độ hòa tan của kim loại trong dung
dịch phụ thuộc vào pH, ở giá trị pH nhất
định của dung dịch, nồng độ kim loại
vượt quá nồng độ bão hòa sẽ bị kết tủa và kết tủa này được tách ra khỏi dung
dịch bằng phương pháp lắng.
Phương pháp kết tủa hóa học được áp dụng phổ biến trong xử lý nước
thải giai đoạn I cho ngành công nghiệp mạ, gia công kim loại trước khi dòng
thải được đưa vào trạm xử lý chung.
Ưu điểm: Hiệu quả
xử lý cao với dòng thải có lưu lượng lớn, nồng độ ô nhiễm
kim loại cao. Chi phí khá thấp, vận hành đơn giản.
Nhược điểm: cần sử dụng lượng lớn hóa chất đưa thêm vào dòng thải làm tác
nhân kết tủa. Tạo ra lượng bùn thải với nồng độ kim loại cao, nếu không có
biện pháp xử lý đúng kỹ thuật thì đây là nguồn gây ô nhiễm thứ cấp.
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 10
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

II.1.2. Phương pháp trao đổi ion
Trao đổi ion là quá trình trong đó các ion trên bề mặt chất rắn trao đổi
với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi chất rắn tiếp xúc với dung dịch.
Các chất có khả năng trao đổi với các ion dương từ dung dịch điện ly gọi là
cationit, chúng mang tính axit. Các chất có khả năng trao đổi với các ion âm
gọi là anionit và các chất này mang tính kiềm.
Ưu điểm: Hiệu suất xử lý cao, vận hành đơn giản, có thể thu h
ồi các kim loại
có giá trị và tái sử dụng vật liệu trao đổi ion, không tạo ra chất thải thứ cấp.
Tiết kiệm không gian chứa thiết bị
Nhược điểm: giá thành chế tạo vật liệu trao đổi cao, thiết bị không thích hợp
với nhà máy có lượng nước thải lớn.
II.1.3. Phương pháp điện hóa
Phương pháp sử dụng các quá trình oxy hóa cực anot và khử cực catot,
đông tụ điện v.v…
để làm sạch nước thải khỏi các tạp chất hòa tan và phân
tán, có thể tiến hành gián đoạn hoặc liên tục.Tất cả các quá trình này đều xảy
ra trên các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua nước thải.
Ưu điểm: có thể thu hồi các sản phẩm có giá trị trong nước thải tương đối đơn
giản, dễ cơ giới hóa và tự động hóa mà không cần sử dụ
ng các tác nhân hóa học.
Nhược điểm: Chỉ thích hợp với nước thải có nồng độ kim loại cao (>1g/l). Dù
hiệu suất xử lí có thể lên tới 90% nhưng nồng độ kim loại trong nước thải sau
xử lí chưa triệt để (>0,5mg/l). Ngoài ra, phương pháp này thường có chi phí
điện năng rất lớn.
II.1.4. Phương pháp sinh học
Nguyên tắc của phương pháp là dựa vào khả năng hấp thụ kim loại của
mộ
t số thực vật thủy sinh như rong, tảo, bèo hoặc của một số vi sinh vật sử

dụng kim loại như chất vi lượng trong quá trình tạo sinh khối. Phương pháp
sử dụng thực vật để xử lý kim loại nặng đòi hỏi thực vật đáp ứng một số điều
kiện như dễ trồng, cho sinh khối nhanh trong điều kiện ô nhiễm cao. Tuy
nhiên phần l
ớn các loài thực vật có khả năng tích lũy kim loại nặng cao
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 11
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

thường phát triển chậm, sinh khối thấp trong khi thực vật cho sinh khối nhanh
thường rất nhạy cảm với môi trường có nồng độ kim loại nặng cao. Một hạn
chế nữa của phương pháp đó là yêu cầu diện tích lớn, chỉ xử lí nước thải có
nồng độ kim loại nặng nhỏ và hiệu suất xử lý sẽ giảm nếu trong đất hoặc nước
thải chứa l
ẫn nhiều kim loại nặng.
II.1.5. Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ là quá trình hấp phụ chất bẩn hòa tan ở bề mặt
ranh giới giữa pha lỏng và pha rắn. Đây là phương pháp hiệu quả để thu hồi
các cấu tử quý hiếm, làm sạch khí thải, nước thải khi nồng độ chất ô nhiễm
trong dòng thải không lớn. Trong xử lý nước thải, phương pháp hấp phụ có
khả nă
ng xử lý triệt để nước thải chứa đồng thời nhiều kim loại nặng với nồng
độ ion trong dung dịch nhỏ.
Một ưu điểm lớn của hấp phụ so với các phương pháp khác là có thể sử
dụng các vật liệu tự nhiên để xử lý môi trường như các khoáng, vật liệu trấu,
mùn cưa hoặc tận dụng chất thải của ngành khác như tro bay, xỉ than, bùn

th
ải. Hơn nữa các vật liệu hấp phụ có thể hoàn nguyên, tái sử dụng. Hấp phụ
kim loại nặng bằng các vật liệu tự nhiên được đánh giá là phương pháp có
hiệu suất cao, giá thành rẻ.

II.2. Nghiên cứu về xử lý kim loại nặng trên thế giới và Việt Nam
Kim loại nặng có thể gây nguy hại đến con người và đời sống sinh vật
khi nồng độ vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Mặc dù, khi nồng độ
của các kim
loại nặng dưới tiêu chuẩn cho phép, chúng có thể gây nhiễm độc mãn tính do
tính tích luỹ trong hệ thống sinh học [9].
Từ trước đến nay, kim loại nặng được xử lý bằng nhiều phương pháp
khác nhau như phương pháp kết tủa hoá học, lọc màng, điện hoá, hấp phụ và
hấp phụ sinh học. Phương pháp hấp phụ được ứng dụng để xử lý kim loại
nặng trong nước do tính ưu vi
ệt là thiết kế đơn giản, không phát sinh ra bùn
và giá thành đầu tư thấp [10, 11, 12]. Trong đó, than hoạt tính có tính hấp phụ
cao và nhanh [12]. Bên cạnh đó, các phương pháp truyền thống cũng được sử
dụng phổ biến trong xử lý kim loại nặng như kết tủa hoá học nhưng có nhược
điểm là không xử lý triệt để được kim loại nặng, sử dụng tác nhân hoá học và
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 12
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

tạo ra bùn chứa kim loại nặng [15]. Trao đổi ion có thể xử lý kim loại nặng
hiệu suất cao nhưng giá thành đắt [16]. Do do, hấp phụ sử dụng các vật liệu

giá thành thấp, thân thiện với môi trường là một trong những giải pháp có tính
khoa học và đạt hiệu quả kinh tế cao. Nhiều vật liệu hấp phụ giá rẻ thân thiện
môi trường như vật liệu tự nhiên, phế phẩm nông nghiệp (bã mía, tro bã mía,
mùn cưa, bã chè, chitosan, sinh khố
i, zeolit, rong biển, v.v…) đã được ứng
dụng để nghiên cứu xử lý kim loại nặng và đạt được các kết quả nhất định
[18, 19, 20].
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu tìm ra các vật liệu để xử lý kim loại nặng
trong nước, phù với với điều kiện Việt nam gần đây cũng được quan tâm. Các
vật liệu tự nhiên có sẵn hoặc tận dụng những chất thải công nghiệp, nông
nghiệp (cây dương xỉ, cỏ ventiver, than mùn, xơ dừa…) để xử lý kim loại
nặng trong nước đã được thực hiện nghiên cứu ở nước ta và cho những kết
đáng ghi nhận [21, 22, 27, 25, 28, 39].
Cỏ Vetiver có khả năng đặc biệt về xử lý ô nhiễm nước là khả năng hấp
thụ nhanh chóng các kim loại nặng và các chất dinh dưỡng khác trong nước
và có thể chịu được những chất này dù ở hàm lượng rất cao. Tuy hàm l
ượng
những chất này trong cỏ Vetiver nhiều khi không cao như ở một số giống cây
siêu tích tụ khác nhưng do nó phát triển rất nhanh và cho năng suất rất cao
(năng suất cỏ khô đạt tới 100 tấn/ha/năm) nên cỏ Vetiver có thể tiêu giảm một
lượng chất dinh dưỡng và kim loại nặng lớn hơn rất nhiều so với phần lớn các
giống cây siêu tích tụ khác [28]. Cây dương xỉ - một loại cây mọc dại
ở Việt
nam cũng có khả năng xử lý kim loại nặng trong nước. Hiệu suất hấp phụ
Pb
2+
, Cu
2+
, Cd
2+

, Zn
2+
, Ni
2+
bởi cây dương xỉ khá cao, đạt 99.5% đối Pb
2+
,
84.5% đối với Cu
2+
, 87.5% đối với Cd
2+
, 73.2% đối với Zn
2+
và 64.6% đối với
Ni
2+
tại pH
cân bằng
tương ứng và nồng độ ban đầu 50 mg/l [21].
Gần đây các nhà khoa học Việt Nam đã phát hiện ra một loài cây dại có
tên là thơm ổi thường mọc hoang dại ở Việt Nam cũng có khả năng đặc biệt
trong xử lý chất thải độc hại. Loài cây này có khả năng hấp thụ kim loại nặng
gấp 100 lần bình thường và sinh trưởng rất nhanh. Khả năng “ăn” kim loại
nặng của th
ơm ổi, tuy chưa bằng các loài dây leo, nhưng bù lại chúng lớn
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 13
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

nhanh như thổi, rất dễ trồng và chăm sóc. Loài cây này hút lượng Pb
2+
khá
lớn, trung bình cao gấp 500-1.000 lần, thậm chí còn lên tới 5.000 lần so với
cây đối chứng mà không bị ảnh hưởng. Chúng được xem là loài siêu hấp thụ
kim loại nặng là Pb
2+
và Cd
2+
trong nước và đất [27]. Xơ sợi của vỏ dừa cũng
là một loại vật liệu khác thân thiện môi trường đã ứng dụng nghiên cứu trong
xử lý kim loại nặng ở Việt Nam. Xơ sợi của vỏ dừa vốn rất phong phú ở nước
ta, đã được các nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng trong quá trình xử lý Pb
2+
,
Zn
2+
từ dung dịch nitrate. Cơ chế xử lý những kim loại bằng xơ sợi dừa chủ
yếu là dựa trên cơ chế trao đổi cation. Hiệu suất trao đổi tương đối cao, 97%
đối với Pb
2+
và 68% đối với Zn
2+
[22].
Nghiên cứu ứng dụng các vật liệu để xử lý kim loại nặng trong nước ở
Việt Nam và trên Thế giới luôn nhận được sự quan tâm và đạt được các kết
quả đáng ghi nhận. Tuy nhiên, việc nghiên cứu thăm dò khả năng xử lý kim

loại bằng các vật liệu thân thiện môi trường đã thu hút sự quan tâm của các
nhà khoa học hiện nay. Các nhà khoa học Việt nam nhận định được tiềm năng
ứ
ng dụng vật liệu tự nhiên và phế phẩm nông nghiệp, công nghiệp trong xử lý
nước bị ô nhiễm kim loại nặng là rất lớn. Vì vậy, việc nghiên cứu khả năng
ứng dụng phế phẩm là các hợp chất lignin để xử lý kim loại nặng trong nước
thải và dịch thải là rất cần thiết, có ý nghĩa cao về khoa học và thực tiễn, phù
hợp với mục tiêu phát triển bền vữ
ng của đất nước.
III. SỬ DỤNG LIGNIN VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA LIGNIN ĐỂ XỬ
LÝ KIM LOẠI NẶNG
III.1. Giới thiệu về Lignin
III.1.1. Giới thiệu chung về lignin
Thuật ngữ “lignin” được đưa ra vào năm 1819 bởi De Candolle, nó có
nguồn gốc Latin là lignum, nghĩa là gỗ [30].
Lignin là một hợp chất hoá học phức tạp, chủ yếu được tách ra từ gỗ và
là một phần không thể thiếu của màng tế bào thự
c vật. Lignin là polyme hữu
cơ phổ biến nhất sau xenlulô, chiếm 30% các mẫu cacbon hữu cơ chưa hoá
thạch và tạo thành từ 1/4 đến 1/3 khối lượng gỗ khô [31].
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 14
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội


Hình 2. Hàm lượng lignin trong gỗ tự nhiên

Hàm lượng lignin trong gỗ thay đổi không những phụ thuộc vào loại
cây mà còn phụ thuộc vào tuổi cây, điều kiện địa lý. Thông thường hàm
lượng lignin khoảng 25 - 40%. Trong các cây lá nhọn chứa 20 – 30%, trong
cây lá rộng 20 – 25%, trong các cây cỏ 5 – 9% [31].
III.1.2. Cấu trúc phân tử lignin
Lignin là hợp chất raxemic với khối lượng phân tử lớn, có đặc tính thơm
và kị nước. Nghiên cứu xác định độ trùng hợp của lignin, người ta thấy có sự
phân đoạn trong quá trình chiết và phân tử có chứ
a nhiều loại tiền chất xuất
hiện lặp đi lặp lại một cách ngẫu nhiên trong đó chủ yếu là các mắt xích là
dẫn xuất của phenylpropan [33].
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 15
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội



Hình 3. Cấu trúc một phần phân tử lignin

a/ Các kiểu liên kết giữa các đơn vị phenylpropan
Trong phân tử lignin, các đơn vị phenylpropan được liên kết với nhau
theo các kiểu như sau:
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 16
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội


Hình 4. Các kiểu liên kết phổ biến giữa các đơn vị phenylpropan
b/ Các loại nhóm chức trong phân tử lignin
Các nhóm chức có ảnh hưởng lớn nhất đến tính chất của lignin là các
nhóm hydroxyl liên kết trực tiếp với nhân thơm, nhóm hidroxyl liên kết với
mạch cacbon và nhóm cacbonyl. Hàm lượng của các nhóm chức thay đổi tùy
theo loài thực vật và cấp của tế bào thực vật. Hàm lượng nhóm chức của
lignin trong gỗ được trình bày ở Bảng 5 [33].
Bảng 5. Số lượng các nhóm chức của lignin trong gỗ [36, 37]
Nhóm chức Gỗ lá kim Gỗ lá rộng
Metoxyl 92-96 139-158
Hydroxyl phenol (tự do) 15-30 9-13
Hydroxyl benzylic 15-20 -
Ete benzylic dạng mở 7-9 -
Cacbonyl 20 -
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng
Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 17
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

c. Cấu trúc phổ của lignin [34].
Phổ IR của lignin có một pic rộng ở 3200 ÷ 4000 cm
-1

, hai pic riêng
biệt ở 1600 ÷ 1700 cm
-1
, một triplet ở 500 ÷ 1400 cm
-1
, 5 pic mạnh ở 1100 ÷
1300 cm
-1
và 2 pic ở 800 ÷ 850 cm
-1
. Các số liệu này khẳng định sự có mặt
của vũng thơm, mạch thẳng no, nhóm hydroxyl và nhóm cacbonyl có trong
phần tử lignin.
Phổ tử ngoại của các lignin đều có hấp phụ cực đại ở 280nm, vị trí này
không thay đổi khi metoxyl hoá, axyl hoá hay xử lý với kiềm. Bằng thang
buthochromic của giải hấp phụ tử ngoại người ta phát hiện ra nhóm hydroxyl
phenolic trong lignin.
Phổ cộng hưởng từ của lignin cho thấy có liên kết hydro giữa α
-
hidroxyl nhóm
β
-ete ở dạng glyxerol-
β
-aryl ete. Sau khi đề hidrohoá phổ
NMR cho thấy có tạo vũng furan và có cấu hình diequatorial của pinoresunal.
Khi thực hiện phản ứng axyl hoá người ta cũng xác định được thêm các nhóm
hydroxyl thơm, thẳng và tổng hydroxyl trong lignin.

Hình 5. Cấu trúc phổ hồng ngoại của lignin
Nghiên cứu điều chế các hợp chất lignin trong dịch đen để xử lý kim loại nặng

Hg2+ và Cd2+ trong nước

2012

Hội hóa học Việt Nam Trang 18
Viện KH&CN Môi Trường, Đại học Bách Khoa Hà nội

III.1.3. Tính chất của lignin
III.1.3.1. Tính chất vật lí của lignin
Trong gỗ, các cấu tử chính của thành tế bào không nằm riêng rẽ mà tồn
tại dưới dạng một tổ hợp chất phức tạp, trong đó lignin, hemixenlulôza và
xenlulôza xâm nhập vào nhau tạo thành dạng như một dung dịch rắn. Trong
dung dịch rắn đó, có thể tồn tại liên kết hoá học và liên kết hydro giữa các
hợp phần [31].
Ở điều kiện bình thường, lignin không tan trong các dung môi thông
thường. Để phân chia các đại phân tử lignin thành các phần nhỏ hơn, hoà tan
được vào dung dịch, cần phải dùng các hoá chất có tác dụng mạnh. Ngay cả
trong các trường hợp đó, ta cũng không thể tách hoàn toàn lignin khỏi nguyên
liệu thực vật.
Các nghiên cứu về lignin thường được tiến hành với chất mô phỏng,
hoặc dựa trên các sản phẩm phân huỷ bằng phương pháp cơ lý, hoá học.
Tính chất đặc trưng của lignin thể hiện rấ
t rõ qua nghiên cứu dung dịch.
Nhiều tác giả đã xác định độ nhớt đặc trưng của dung dịch lignin, thông số
phân nhánh và mức độ đa phân tán của chúng. Các công trình này đã cung
cấp nhiều thông tin hữu ích về cấu tạo và cấu trúc của lignin tự nhiên.
Tuy nhiên, đây cũng chỉ là những nhận xét tương đối, vì dưới tác dụng
cơ lý, một số liên kết bị đứt và cũng có thể xảy ra hiện tượng kế
t hợp lại, khác
với liên kết vốn có ban đầu [31].

Một tính chất quan trọng khác của dung dịch lignin là sự liên hợp giữa
các phân tử trong dung dịch. Một số nhà nghiên cứu cho rằng, lignin tự nhiên
vốn có khối lượng phân tử không lớn nhưng khi hoà tan vào dung dịch, các
phân tử có xu hướng liên hợp lại với nhau tạo thành các tổ hợp phức có khối
lượng phân tử lớn hơn. Sarkanen cho rằng đây là quá trình thuận nghịch và
phụ
thuộc vào bản chất của dung môi. Các phân đoạn lignin sunfat có khối
lượng phân tử thấp có thể tạo ra các tổ hợp phức trong một số dung môi [36].
Connors và đồng nghiệp (1980) phát hiện ra rằng, trong dung môi kị
nước, sự liên hợp tạo phức đã làm tăng khối lượng phân tử biểu kiến của