Nghiên cứu khả năng hấp phụ m ột số ion kim loại nặng trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía và thăm dò xử lí môi trường

- 5
-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
h tt p ://ww w .l r c - t nu . e d u . v n
MỤC
LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC BẢNG .........................................................
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ
THỊ
......................................
8
MỞ ĐẦU...................................................................................
9
Ch
ƣ
ơng
1. TỔNG
QUAN
1.1.
Ảnh hưởng của sự ô nhiễm kim loại nặng tới sức khoẻ
con
người
............................................................................... 11
1.1.1.
Chì........................................................................... 11
1.1.2.
Crom........................................................................ 12
1.1.3.

Đồng........................................................................ 12
1.1.4. Mangan
.................................................................... 12
1.1.5. Niken
....................................................................... 13
1.2.
Quá trình hấp
phụ............................................................. 13
1.2.1. Hiện tượng hấp phụ
.................................................. 13
1.2.2. Hấp phụ trong môi trường nước
................................ 14
1.2.3. Động học hấp
phụ..................................................... 15
1.2.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt
hấp
phụ........................................................................... 16
1.3.
Giới thiệu về vật liệu hấp phụ - Bã
mía.............................. 19
1.4.
Một số phương pháp định lượng kim loại
.......................... 22
1.4.1. Phương pháp thể tích
................................................ 22
1.4.2. Phương pháp trắc
quang............................................ 23
Ch
ƣ
ơng

2. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT
QUẢ
2.1. Thiết
b
ị hoá
chất

................................................................. 27
2.1.1. Thiết
b

ị..................................................................... 27
2.1.2. Hoá
chất

................................................................... 27
2.2.
Chế tạo và khảo sát một số đặc trưng cấu trúc của vật
liệu
hấp phụ
............................................................................
28
2.2.1. Chế tạo vật liệu hấp
phụ

............................................ 28
2.2.2. Một số đặc trưng cấu trúc của VLHP
......................... 29
2.3.
Định lượng các kim

loại...................................................... 31
2.3.1. Dựng đường chuẩn xác định
Cr(VI)

........................... 31
2.3.2. Dựng đường chuẩn xác định
Ni
2+
...............................
32
2.3.3. Dựng đường chuẩn xác định Mn
2+
.............................
33
2.3.4. Định lượng
Pb
2+
........................................................
34
2.3.5. Định lượng Cu
2+
.......................................................
34
2.4.
Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP và nguyên liệu
.......... 35
2.5.
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ
của
VLHP

................................................................................ 36
2.5.1. Ảnh hưởng của thời gian
........................................... 36
2.5.2. Ảnh hưởng của
pH.................................................... 39
2.5.3. Ảnh hưởng của nồng độ - Cân bằng hấp
phụ

.............. 41
2.6.
Thử xử lí nước thải chứa Cr(VI)
........................................ 45
KẾT LUẬN.......................................................................................
47
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .....................................
49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................
50
DANH MỤC CÁC
BẢNG
Bảng 1.1 Nồng độ giới hạn của một số kim loại trong nước thải
công
Trang
nghiệp và nước cấp sinh
hoạt
.............................................
13
Bảng 1.2 Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng ....................
16
Bảng 1.3 Thành phần hoá học của bã mía.........................................

20
Bảng 2.1 Thứ tự các dung dịch dựng đường chuẩn xác định
Cr(VI)
...
31
Bảng 2.2 Số liệu dựng đường chuẩn xác định Cr(VI) ........................
32
Bảng 2.3 Thứ tự các dung dịch dựng đường chuẩn xác định
Ni
2+
.......
32
Bảng 2.4 Số liệu dựng đường chuẩn xác định Ni
2+
............................
33
Bảng 2.5 Thứ tự các dung dịch dựng đường chuẩn xác định Mn
2+
.....
33
Bảng 2.6 Số liệu dựng đường chuẩn xác định
Mn
2+
...........................
34
Bảng 2.7 So sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và
VLHP
đối với Cr(VI), Ni
2+
, Mn

2+
, Pb
2+
và Cu
2+
.............................
35
Bảng 2.8 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ .................
36
Bảng 2.9 Thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với mỗi ion kim
loại
....
39
Bảng 2.10 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ..........................
40
Bảng 2.11 Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ...................
42
Bảng 2.12 Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir .............
45
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ
THỊ
Trang
Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir .................................
19
Hình 1.2 Đồ thị sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
................................
19

Hình 1.3 Hình ảnh các thành phần hoá học chính của bã mía ............
21
Hình 2.1 Phổ hồng ngoại của nguyên liệu ........................................
29
Hình 2.2 Phổ hồng ngoại của VLHP ................................................
30
Hình 2.3 Ảnh SEM của VLHP và nguyên liệu..................................
31
Hình 2.4 Đường chuẩn xác định Cr(VI) ...........................................
32
Hình 2.5 Đường chuẩn xác định Ni
2+
...............................................
33
Hình 2.6 Đường chuẩn xác định Mn
2+
..............................................
34
Hình 2.7 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ theo thời
gian
..........
38
Hình 2.8 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH dung
dịch
....
41
Hình 2.9 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào nồng độ ban
đầu
của các ion........................................................................
43

Hình 2.10 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cr(VI) ..........
43
Hình 2.11 Sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
của Cr(VI).........................
43
Hình 2.12 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Ni
2+
..............
44
Hình 2.13 Sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
của Ni
2+
............................
44
Hình 2.14 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với
Mn
2+
.............
44
2+
Hình 2.15 Sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb

của
Mn
...........................
44
Hình 2.16 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với
Pb

2+
..............
44
2+
Hình 2.17 Sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
của
Pb
............................
44
Hình 2.18 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cu
2+
.............
45
Hình 2.19 Sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
của Cu
2+
............................

45
MỞ
ĐẦU
Do sự phát triển không bền vững mà hiện nay vấn đề ô nhiễm
nguồn
nước đang trở thành vấn nạn của nhiều quốc gia. Ở nước ta, quá trình
phát
triển các khu công nghiệp, các khu chế xuất đã góp phần tăng trưởng
kin
h
tế,
thúc đẩy đầu tư và sản xuất công nghiệp, góp phần hình thành các
khu đô
thị
mới, giảm khoảng cách về kinh tế giữa các vùng... Tuy nhiên,
bên cạnh
sự
chuyển biến tích cực về kinh tế là những tác động tiêu cực
đến môi
trường
sinh thái do các khu công nghiệp gây ra. Thực tế, hiện nay
rất nhiều nhà
máy
ở các khu công nghiệp vẫn hàng ngày thải trực tiếp nước
thải có chứa các
ion
kim loại nặng với hàm lượng vượt quá giới hạn cho
phép ra môi trường.
Hậu
quả là

mô
i trường nước kể cả nước mặt và nước
ngầm ở nhiều khu vực
đang
bị ô nhiễm kim loại nặng nghiêm
trọng.
Có nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng
để
tách loại các kim loại nặng ra
khỏ
i
mô
i trường nước. Một trong các
phương
pháp đang được nhiều người quan tâm hiện nay là tận dụng các
phụ
phẩm
nông nghiệp, công nghiệp làm vật liệu hấp phụ các ion kim
loại
[3,19,20].
Phương pháp này có ưu điểm là sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ
tiền, sẵn có
và
không đưa thêm vào môi trường các tác nhân độc hại
khác.
Một trong các nguồn phụ phẩm công nghiệp có khối lượng lớn ở
nước
ta là bã mía. Bã mía với thành phần chính là các xenlulozơ và
hemixenlulozơ
rất thích hợp cho việc nghiên cứu biến đổi tạo ra các vật liệu

hấp phụ để
tách
loại các ion kim loại
nặng.
Xuất phát từ những lí do trên, chúng
tô
i chọn đề tài: “Nghiên cứu
khả
năng hấp phụ
m
ột số ion kim loại nặng trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ
bã
m
ía và thăm dò xử lí
m
ôi
trường”.
sau:
Với mục đích đó, trong đề tài này chúng
tô
i
ngh
iên cứu các nội
dung
1- Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã
mía.
2- Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ đối với
Cr(VI),
Ni
2+

, Mn
2+
, Cu
2+
và Pb
2+
trong môi trường
nước.
3- Thử xử lí một mẫu nước thải chứa Cr(VI) của xí nghiệp mạ
điện
quân đội bằng vật liệu hấp phụ chế tạo
được.
CH
Ƣ
ƠNG

1
TỔNG
QUAN
1.1. Ảnh
h
ƣ
ởng
của sự ô nhiễm kim loại nặng tới sức khoẻ con
ng
ƣ
ời
Ở hàm lượng nhỏ một số kim loại nặng là các nguyên tố vi lượng
cần
thiết cho cơ thể người và sinh vật phát triển bình thường, nhưng khi có

hàm
lượng lớn chúng lại thường có độc tính cao. Khi được thải ra môi
trường,
một
số hợp chất kim loại nặng
b
ị tích tụ và đọng lại trong đất, song
có một số
hợp
chất có thể hoà tan dưới tác động của nhiều yếu tố khác
nhau. Điều này
tạo
điều kiện để các kim loại nặng có thể phát tán rộng
vào nguồn nước
ngầm,
nước mặt và gây ô nhiễm. Các kim loại nặng có
mặt trong nước, đất
qua
nhiều giai đoạn khác nhau trước sau cũng đi vào
chuỗi thức ăn của con
người.
Khi nhiễm vào cơ thể, kim loại nặng tích tụ
trong các mô, tác động đến
các
quá trình sinh hóa (các kim loại nặng
thường có ái lực lớn với nhóm
-SH-
SCH
3
của enzim trong cơ thể, vì thế

các enzim
b
ị mất hoạt tính, cản trở
quá
trình tổng hợp protein của cơ thể). Ở người, kim loại nặng có thể tích tụ
vào
nội tạng như gan, thận, xương khớp gây nhiều căn bệnh nguy hiểm như
ung
thư, thiếu máu, ngộ độc,...[1,13,18]. Dưới đây là tác động của một số kim
loạ

i
nặng đến con
người.
1.1.1.
Chì
Chì thường được sử dụng trong công nghệ sản xuất pin, ắc quy,
sản
xuất đạn và tấm bảo vệ phóng
xạ,…
Chì là một trong những nguyên tố rất độc hại đối với con người
và
động vật. Nó xâm nhập vào cơ thể sống chủ yếu qua con đường tiêu hóa,
hô
hấp,… Khi mỗi ngày tiếp xúc một lượng chì cao (>10mg Pb/ngày) trong
vài
tuần sẽ gây nhiễm độc nặng. Ăn 1g Pb/lần sẽ chết ngay. Các hợp chất
hữu
cơ
chứa chì có độc tính cao gấp hàng trăm lần so với các hợp chất vô

cơ.
Sự
nhiễm độc chì có thể gây ra nhiều bệnh như: giảm trí thông minh; các bệnh
về
máu, thận, tiêu hóa, ung
thư,…[1,9,13,16].
1.1.2.
Crom
Nước thải từ công nghiệp mạ điện, công nghiệp khai thác mỏ, nung
đốt
các nhiên liệu hóa thạch,… là các nguồn gây ô nhiễm crom. Crom có
trong
nước thải thường gặp ở dạng Cr(III) và Cr(VI). Cr(III) không độc
nhưng
Cr(VI) rất độc hại đối với cơ thể người, nó gây nguy hiểm cho gan,
thận
và
đường hô hấp; gây ra các bệnh về răng, miệng, kích thích
da,...
[1,9,13,16].
1.1.3.
Đồng
Đồng là nguyên tố cần thiết cho cơ thể con người, nhu cầu hàng
ngày
của người lớn khoảng 0,033 - 0,050mg/kg thể trọng. Tuy nhiên, nếu
hàm
lượng đồng trong cơ thể lớn thì cơ thể sẽ bị nhiễm độc và có thể gây
một
số
bệnh về thần kinh, gan, thận; lượng lớn đồng hấp thụ qua đường

tiêu hoá
có
thể gây tử vong
[1,9,13,16].
1.1.4.
Mangan
Mangan là một trong các nguyên tố vi lượng cần thiết cho sức khoẻ
con
người trong quá trình sinh trưởng và phát triển. Do mangan được hấp thụ
rất
ít
qua đường ruột nên hầu như không ai bị ngộ độc do ăn hoặc uống thực
phẩm
có chứa nhiều mangan hơn nhu cầu cần thiết (2 - 5mg/ngày). Tuy
nhiên,
ngộ
độc mangan vẫn có thể xảy ra, gây
rố
i loạn hoạt động thần kinh
với biểu
hiện
rung giật kiểu Parkinson. Cũng có một số trường hợp ngộ độc
mangan là
do
nguồn nước uống bị ô nhiễm nặng mangan do rò rỉ từ bãi
chôn pin, ắc
quy
vào nguồn nước sinh hoạt, uống thuốc có chứa mangan
liều cao và kéo
dài,

hoặc do tắm hơi nước khoáng có nhiều mangan thường
xuyên
[1,9,13,16].
- 13
-
1.1.5.
Niken
Niken được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hoá chất,
luyện
kim, điện tử, … Vì vậy, nó thường có mặt trong nước thải. Niken vào
cơ
thể
chủ yếu qua con đường hô hấp, nó gây ra
c
ác triệu chứng khó chịu,
buồn
nôn,
đau đầu; nếu tiếp xúc nhiều sẽ ảnh hưởng đến phổi, hệ thần kinh
trung
ương,
gan thận; còn nếu da tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây hiện
tượng viêm
da,
xuất hiện dị
ứng,…[1,9,13,16].
Bảng 1.1. Nồng độ giới hạn của một số kim loại trong nước thải
công
nghiệp và nước cấp sinh hoạt.
[12]
Stt

Tên chỉ
tiêu
Giá trị giới hạn
(mg/l)
Nước thải công
nghiệp
Nước cấp sinh
hoạt
1
Hàm lượng
chì 0,10 0,01
2
Hàm lượng
crom 0,05 0,05
3
Hàm lượng
đồng 2,00 1,00
4
Hàm lượng
mangan 0,50 0,50
5
Hàm lượng
niken 0,20 0,10
1.2. Quá trình hấp
phụ
1.2.1. Hiện tượng hấp
phụ
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí –
rắn,
lỏng – 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 chất
hấp phụ
gọi
là chất bị hấp
phụ.
Ngược với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ. Đó là quá
trình
đi ra của chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp
phụ.
Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và
chất
bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân
b
iệt hai
loại
hấp
phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
[2,7,11].
- 14
-
1.2.1.1. Hấp phụ vật
lý
Các phân tử chất
b
ị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên
tử,
phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der
Walls

yếu. Đó là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán
xạ,
cảm
ứng và lực định
hướng.
Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp
phụ
không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa
học)
mà
chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ
lại trên
bề
mặt chất hấp phụ. Ở hấp phụ vật lí, nhiệt hấp phụ không lớn
[2,7,11].
1.2.1.2. Hấp phụ hóa
học
Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất
hóa
học với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực
liên
kết hóa học thông thường (liên kết ion, liên kết
cộ
ng hóa trị, liên kết
phối
trí…). Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị
800kJ/mol.
Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học chỉ
là
tương đối, vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số quá trình

hấp
phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học
[2,7,11].
1.2.2. Hấp phụ trong
m
ôi trường
nước
Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ
phức
tạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất là ba thành phần gây tương tác:
nước

,
chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung môi nên
trong hệ
sẽ
xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất
b
ị hấp phụ và
dung
mô
i trên
bề
mặt chất hấp phụ. Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ
xảy ra cho cặp
đó.
Tính chọn lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu
tố
: độ tan của chất
bị

hấp phụ trong nước, tính ưa hoặc kị nước của chất hấp
phụ, mức độ kị
nước
của các chất bị hấp phụ trong môi trường
nước.
- 15
-
Trong nước, các ion kim loại bị bao bọc bởi một lớp vỏ các phân
tử
nước tạo nên các ion
b
ị hidrat hoá. Bán kính (độ lớn) của lớp vỏ hidrat
ảnh
hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do lớp vỏ hidrat là yếu tố
cản
trở
tương tác tĩnh điện. Với các ion cùng điện tích thì ion có kích
thước lớn
sẽ
hấp phụ tốt hơn do có độ phân cực lớn hơn và lớp vỏ hidrat
nhỏ hơn. Với
các
ion có điện tích khác nhau, khả năng hấp phụ của các ion
có điện tích cao
tốt
hơn nhiều so với ion có điện tích
thấp.
Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH.
Sự
thay đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp

phụ
(các chất có tính axit yếu, bazơ yếu hay trung tính phân li khác nhau ở
các
giá
trị pH khác nhau) mà còn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề
mặt
chất
hấp phụ
[2,7,11].
1.2.3. Động học hấp
phụ
Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề
mặt
của chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt
các
giai đoạn kế tiếp
nhau:
• Các chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ - Giai
đoạn
khuếch tán trong dung
dịch.
• Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất
hấp
phụ chứa các hệ mao quản - Giai đoạn khuếch tán
màng.
• Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất
hấp
phụ - Giai đoạn khuếch tán trong mao
quản.
• Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ -

Giai
đoạn hấp phụ thực
sự.
Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất
sẽ
quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình hấp phụ
[2,7,10,11].
Đường đẳng nhiệt
hấp
phụ
Phương
trình
Bản chất sự
hấp
phụ
Langmuir
v
=
b.

p
v
m
1+
b.

p
Vật lí và hóa
học
Henry

v =
k.

p
Vật lí và hóa
học
Freundlich
v =
k.
p
1
,
(n>1)
n
Vật lí và hóa
học
Shlygin-Frumkin-Temkin
=
1
ln
C
.

p
v
a
m
Hóa
học
Brunauer-Emmett-Teller

(BET)
p 1
(
C - 1
)
p
= +
.
v

(
p
o
- p
)
v
m
.C v
m
.C
p
o
Vật lí, nhiều
lớp
- 16
-
1.2.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp
phụ
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất
bị

hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể
d
i chuyển
ngược
lại pha mang. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề
mặt
chất
rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng
lớn. Đến
một
thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá
trình hấp
phụ
đạt cân
bằng.
Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp
phụ
là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp
phụ:
q = f (T, P hoặc C)
(1.1)
Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của
q
vào P hoặc C (q = f
T
(P hoặc C)) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp
phụ.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể được xây dựng trên cở sở lý thuyết,
kinh
nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản

chất
và
kinh nghiệm xử lí số liệu thực nghiệm
[2,7,11].
Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng được nêu ở bảng
1.2.
Bảng 1.2. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng
[11]
v
o
cb
- 17
-
Trong các phương trình trên,
v
là thể tích chất bị hấp phụ, v
m
là
thể
tích hấp phụ cực đại, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha
khí,
p
o
là áp suất
hơi
bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở cùng nhiệt độ.
Các
kí
hiệu
a,b,

k,
n
là các hằng
số.
Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của
VLHP
đối với một số ion kim loại nặng trong
mô
i trường nước theo mô
hình
đường
đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên
các
giả
thuyết:
1) Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác
định.
2) Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu
phân.
3) Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên
các
tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu
phân
hấp phụ trên các trung tâm bên
cạnh.
Phương trình Langmuir xây dựng cho hệ hấp phụ khí - rắn có
dạng:

Trong
đó:
v
=
b.p
v
m
1+
b.p
(1.2)
- v, v
m
lần lượt là thể tích chất bị hấp phụ, thể tích chất bị hấp phụ cực
đại.
- p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha
khí.
- b là hằng
số.
Tuy vậy, phương trình này cũng có thể áp dụng được cho quá trình
hấp
phụ trong
mô
i trường nước. Khi đó có thể biểu
d
iễn phương trình
Langmuir
như
sau:
q =
q

K.C
cb
max
1+
K.C
(1.3)
Trong
đó:
- C
cb
là nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân
bằng.
- q, q
max
lần lượt là dung lượng hấp phụ và dung lượng hấp
phụ
cực
đại.
- K là hằng số
Langmuir.
Khi nồng độ chất bị hấp phụ là rất nhỏ (K.C << 1) ta có: q =
q
max
.K.C.
Như vậy, dung lượng hấp phụ tỉ lệ thuận với nồng độ chất bị hấp
phụ.
Khi nồng độ chất bị hấp phụ càng lớn
(
K.C >> 1) thì
q

®
q
max
.
Tức,
dung lượng hấp phụ sẽ đạt một giá trị không đổi khi tăng nồng độ chất
bị
hấp
phụ. Khi đó bề mặt chất hấp phụ đã được bão hòa bởi một đơn lớp
các
phân
tử chất bị hấp
phụ.
Phương trình (1.3) chứa hai thông số là q
max
và hằng số K. Dung
lượng
hấp phụ cực đại q
max
có một giá trị xác
đ
ịnh tương ứng với số tâm hấp
phụ
còn hằng số K phụ thuộc cặp tương tác giữa chất hấp phụ, chất
b
ị hấp
phụ
và
nhiệt độ. Từ các số liệu thực nghiệm có thể xác định

q

max
và hằng số
K
bằng
phương pháp tối ưu hay đơn giản là bằng phương pháp đồ
thị.
Với phương pháp đồ thị, phương trình (1.3) được viết
thành:
C
cb
=
1
+
1
.C
(1.4)
q
q
max

.K q
max
cb
Từ số liệu thực nghiệm vẽ đồ thị sự phụ thuộc của C
cb
/q
theo
C

cb
.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và đồ thị sự phụ thuộc của C
cb
/q vào
C
cb
có dạng như ở hình 1.1 và hình
1.2.
q
C
cb
q
a
M
O C
cb
O
C
cb
Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp
phụ
Langmuir
Hình 1.2. Đồ thị sự phụ thuộc
của
C
cb
/q vào
C
cb

Từ đồ thị sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
dễ dàng tính được q
max
và
hằng số K
(
OM =
1
;
K.q
max
1
=
q
max
tgα
).
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng đơn giản, cho
phép
giải thích khá thỏa đáng các số liệu thực nghiệm
[2,7,11].
1.3. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ - bã
mía
Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, rất thuận lợi cho ngành
mía
đường phát triển. Niên vụ sản xuất mía đường 2006 - 2007, diện tích mía
cả

nước là 310,067ha, sản lượng mía thu hoạch đạt khoảng 17 triệu tấn.
Theo
quy hoạch phát triển mía đường đến năm 2010, sản lượng đường
sản
xuất
trong cả nước phấn đấu đạt 1,5 triệu tấn [22,
23].
Phát triển sản xuất mía đường là một
đ
ịnh hướng đúng đắn. Tuy
nhiên,
các nhà máy sản xuất đường cũng thải ra một lượng không nhỏ bã
mía.
Theo
tính toán của các nhà khoa học, việc chế biến 10 triệu tấn mía để
làm
đường
sinh ra một lượng phế thải khổng
lồ
: 2,5 triệu tấn bã mía.
Trước đây
80%
lượng bã mía này được dùng để đốt lò hơi trong các nhà
máy sản xuất
đường,
sinh ra 50.000 tấn tro [22]. Tuy là phế thải nhưng
trong tro và bã bùn lại
có
nhiều chất hữu cơ. Các chất này sau sẽ là nguyên nhân gây ô nhiễm
môi

trường và ô nhiễm nguồn nước rất nặng. Bã mía cũng có thể được dùng
làm
bột giấy, ép thành ván dùng trong kiến trúc, cao hơn là làm ra
furfural
là
nguyên liệu cho ngành sợi tổng hợp. Trong tương lai khi mà
rừng ngày
càng
giảm, nguồn nguyên liệu làm bột giấy, làm sợi từ cây rừng
giảm đi thì bã
mía
là nguyên liệu quan trọng để thay
thế.
Bã mía chiếm khoảng 26,8 - 32% lượng mía ép. Trong bã mía
chứa
trung bình khoảng 50% là nước, 48
÷
49% là xơ (trong đó chủ yếu
là
xenlulozơ và hemixenlulozơ) 1
÷
2% là đường [14,21]. Tùy theo loại
mía
và
đặc điểm nơi trồng mía mà các thành phần hoá học có trong bã mía
khô
(xơ)
có thể biến đổi. Hàm lượng % các thành phần hoá học chính của bã
mía
được

chỉ ra trong bảng
1.3.
Bảng 1.3. Thành phần hoá học của bã mía
[14]
Thành
phần
% khối
lượng
Xenlulozơ
40
÷
50
Hemixenlulozơ
20
÷
25
Lignin
18
÷
23
Chất hoà tan khác (tro, sáp, protein,
…)
3
÷
5
Xenlulozơ: Xenlulozơ là polisaccarit do các mắt xích α
-glucozơ
[C
6
H

7
O
2
(OH)
3
]
n
nối với nhau bằng liên kết 1,4-glicozit. Phân tử
khố
i
của
xenlulozơ rất lớn, khoảng từ 10000 –
150000u.
Hemixenlulozơ: Về cơ bản, hemixenlulozơ là polisaccarit giống
như
xenlulozơ, nhưng có số lượng mắt xích nhỏ hơn. Hemixenlulozơ thường
bao
gồm nhiều loại mắt xích và có chứa các nhóm thế axetyl và
metyl.
Lignin: Lignin là loại polyme được tạo bởi các mắt xích
phenylpropan.
Lignin giữ vai trò là chất kết
nố
i giữa xenlulozơ và
hemixenlulozơ.
- 21
-
Sự phân bố xenlulozơ, hemixenlulozơ và lignin trong bã mía được
chỉ
ra trong hình

1.3.
Lignin
Hemixenlulzơ
Xenlulozơ
Hình 1.3. Hình ảnh các thành phần hoá học chính của bã mía
[22]
Với thành phần chính là xenlulozơ và hemixenlulozơ, bã mía có
thể
biến tính để trở thành vật liệu hấp phụ tốt. Trên thế giới đã có một số
nhà
khoa học nghiên cứu biến tính bã mía để làm vật liệu hấp phụ xử lí
môi
trường, như các nhà khoa học ở Braxin, Ấn Độ, Malaixia,…[19,20]. Ở
nước
ta cũng đã có những công trình nghiên cứu sử dụng bã mía làm vật
liệu
hấp
phụ, tuy nhiên những nghiên cứu đó mới chỉ ở dạng sử dụng bã
mía thô
[3].
Trong đề tài này chúng tôi chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã mía
bằng cách
dùng
anhydrit succinic để hoạt hóa bã
mía.
- 22
-
1.4. Một số
ph
ƣ

ơng
pháp định
lƣợng
kim
loại
Có nhiều phương pháp khác nhau được dùng để định lượng các
kim
loại. Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp thể tích để định
lượng
chì và đồng; phương pháp trắc quang để định lượng crom, niken và
mangan.
1.4.1. Phương pháp thể
tích
Phân tích thể tích là phương pháp phân tích định lượng dựa trên sự
đo
thể tích của dung dịch thuốc thử đã biết chính xác nồng độ (dung
d
ịch
chuẩn)
cần dùng để phản ứng hết với chất cần xác định có trong dung dịch
cần
phân
tích. Dựa vào thể tích và nồng độ của dung dịch chuẩn đã dùng để
tính ra
hàm
lượng chất cần xác định có trong dung dịch phân
tích.
Dựa theo bản chất của phản ứng chuẩn độ, phương pháp phân tích
thể
tích được phân loại làm các loại

sau:
- Phương pháp chuẩn độ axit – bazơ (Phương pháp trung
hòa).
- Phương pháp chuẩn độ kết
tủa.
- Phương pháp chuẩn độ tạo
phức.
- Phương pháp chuẩn độ oxi hóa
khử.
Để định lượng Cu
2+
và Pb
2+
chúng tôi sử dụng phương pháp chuẩn
độ
tạo phức với thuốc thử là
EDTA.
EDTA (axit etylen
đ
iamintetraaxetic,
H
4
Y) là thuốc thử được ứng
dụng
rộng rãi trong phương pháp chuẩn độ tạo
phức
. Phương pháp chuẩn
độ
sử
dụng EDTA làm thuốc thử được gọi là phương pháp chuẩn độ

complexon.
Người ta thường dùng EDTA dưới dạng muối
đ
inatri
Na
2
H
2
Y,
thường
gọ
i
là
complexon III (nhưng vẫn quen quy ước là EDTA). EDTA
tạo phức bền
với
các cation kim loại và trong hầu hết các trường hợp phản
ứng tạo phức xảy
ra
theo tỉ lệ
1:1.
M
n +
+ Y
4-

Y
(n
-4)
(1.5)