Nghiên cứu chế tạo các vật liệu hấp phụ từ bẹ chuối để hấp phụ Ni(II), Fe(III), Zn(II) trong môi trường nước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

HOÀNG THỊ NHẠN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ
BẸ CHUỐI ĐỂ HẤP PHỤ Ni(II), Fe(III), Zn(II)
TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC

Chuyên ngành: HÓA VÔ CƠ
Mã ngành: 60.44.01.13

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Lê Hữu Thiềng

Thái Nguyên - 2015

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: đề tài này là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết
quả trong đề tài là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ các công
trình nào khác. Nếu sai sự thật tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
XÁC NHẬN CỦA GIÁO VIÊN
HƯỚNG DẪN LUẬN VĂN

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2015

Tác giả

PGS.TS. Lê Hữu Thiềng

Hoàng Thị Nhạn

XÁC NHẬN CỦA TRƯỞNG KHOA CHUYÊN MÔN

PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa học của Trường
Đại Học Sư Phạm – Đại Học Thái Nguyên. Để hoàn thành được luận văn này
tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Hữu Thiềng, người
thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ và động viên em trong suốt quá tình học tập và
thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, phòng đào tạo trường Đại
học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong
quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Hoá học, các cán
bộ làm việc tại phòng Nghiên cứu khoa học, phòng thí nghiệm khoa Hoá học
trường Đại học sư phạm – Đại học Thái Nguyên đã góp ý, giúp đỡ tạo điều
kiện cho em thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn cán bộ các phòng máy SEM, phòng máy BET Viện khoa học Vật liệu, phòng máy IR - Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam; khoa xét nghiệm trung tâm y tế dự phòng tỉnh Bắc
Kạn; các bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận
lợi và nhiệt tình giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và
thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên, ủng hộ, giúp đỡ người thân
trong gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2015
Tác giả luận văn
Hoàng Thị Nhạn

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN




MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan ......................................................................................................
Lời cảm ơn ..........................................................................................................
Mục lục .............................................................................................................. i
Danh mục các chữ viết tắt ................................................................................ ii
Danh mục bảng ................................................................................................ iii
Danh mục hình ................................................................................................. iv
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................... 2
1.1. Tài nguyên nước và sự ô nhiễm môi trường nước .............................. 2
1.1.1. Tài nguyên nước ............................................................................... 2
1.1.2. Sự ô nhiễm môi trường nước ............................................................ 2
1.2. Ảnh hưởng của nguồn nước ô nhiễm kim loại nặng tới sức khoẻ con

người ........................................................................................................... 3
1.2.1. Kẽm ................................................................................................... 3
1.2.2. Niken ................................................................................................. 3
1.2.3. Sắt ..................................................................................................... 4
1.3. Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng ..... 4
1.3.1. Phương pháp kết tủa ......................................................................... 5
1.3.2. Phương pháp trao đổi ion.................................................................. 5
1.3.3. Phương pháp vi sinh ......................................................................... 7
1.3.4. Phương pháp hấp thụ ........................................................................ 8
1.4. Hấp phụ trong môi trường nước ........................................................ 13
1.4.1. Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước .......................... 13
1.4.2 .Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước .................... 14
1.5. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ...................................... 15

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN




1.6. Giới thiệu về bẹ chuối. ....................................................................... 15
1.6.1. Diện tích và sản lượng chuối .......................................................... 15
1.6.2. Thành ph n chính của bẹ chuối ...................................................... 16
1.7. Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm và chất thải nông
nghiệp làm VLHP .................................................................................... 17
Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ ................... 21
2.1. Dụng cụ và hoá chất .......................................................................... 21
2.1.1. Hoá chất .......................................................................................... 21
2.1.2. Thiết bị và dụng cụ. ........................................................................ 21
2.2. Chế tạo các VLHP từ bẹ chuối. ......................................................... 21
2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu ...................................................................... 21

2.2.2. Chế tạo VLHP................................................................................. 22
2.3. Xác định đặc trưng bề mặt của các VLHP ........................................ 22
2.3.1. Phổ hồng ngoại (IR)........................................................................ 22
2.3.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM). ............................................ 25
2.4. Xác định điểm đẳng điện của các vật liệu hấp phụ ........................... 26
2.4.1. Xác định điểm đẳng điện của VLHP 1 ........................................... 27
2.4.2. Xác định điểm đẳng điện của VLHP 2 ........................................... 28
2.4.3 . Xác định điểm đẳng điện của VLHP 3 .......................................... 29
2.5. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Ni(II), Zn(II), Fe(III) ...... 30
2.6. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II) .. 32
2.6.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của NLvà các VLHP đối với Ni(II),
Fe(III), Zn(II) ............................................................................................ 33
2.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của các
VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II). ........................................................ 35
2.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của các VLHP
đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II). ................................................................... 38
2.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của các

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN




VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II) ......................................................... 42
2.6.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đ u đến khả năng hấp phụ của
các VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II). ................................................. 46
2.7. Động học hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II). ..... 53
2.7.1. Động học hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II) ............................ 53
2.7.2. Động học hấp phụ của các VLHP đối với Fe(III) .......................... 61
2.7.3. Động học hấp phụ của các VLHP đối với Zn(II) ........................... 69

KẾT LUẬN.................................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................ 80

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN




DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
A

Optical absorption (Độ hấp thụ quang)

AAS

Atomic adsorption (Hấp thụ nguyên tử)

BET

F-AAS

Brunauer- Emmett-Teller (Phương pháp đo
diện tích bề mặt riêng)
Universal flame atomic adsorption (Phổ hấp
thụ nguyên tử ngọn lửa)

IR

Infrared spectroscopy (Phổ hồng ngoại)

NL

Nguyên liệu

pHpzc
SEM

Điểm đẳng điện
Scanning Electron Microscopy (Kính hiển vi
điện tử quét)

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

VLHP

Vật liệu hấp phụ

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN




DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Diễn biến sản xuất chuối ở Việt Nam ................................................ 16
Bảng 1.2. Thành ph n của bẹ chuối ................................................................... 16
Bảng 2.1. Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP1 ................................... 27
Bảng 2.2. Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP ..................................... 28

Bảng 2.3. Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP 3.................................. 29
Bảng 2.4. Điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa ................................... 30
Bảng 2.5. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ Ni(II) .................... 31
Bảng 2.6. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ Fe(III) .................. 31
Bảng 2.7. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ Zn(II) ................... 32
Bảng 2.8. Khảo sát sự thay đổi tỉ lệ NL: stearic đến dung lượng hấp phụ Ni(II),
Fe(III), Zn(II) ............................................................................................... 33
Bảng 2.9. Khảo sát sự thay đổi tỉ lệ NL: fomanđehit đến dung lượng hấp phụ
Ni(II), Fe(III), Zn(II) ................................................................................... 34
Bảng 2.10. Khảo sát sự thay đổi tỉ lệ NL: sunfuric đến dung lượng hấp phụ
Ni(II), Fe(III), Zn(II) ................................................................................... 34
Bảng 2.11. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ ............... 35
của các VLHP đối với Ni(II) .............................................................................. 35
Bảng 2.12. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của các
VLHP đối với Fe(III) ................................................................................... 36
Bảng 2.13. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của các
VLHP đối với Zn(II) .................................................................................... 38
Bảng 2.14. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của các VLHP
đối với Ni(II) ................................................................................................ 39
Bảng 2.15. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của các VLHP
đối với Fe(III). ............................................................................................. 40
Bảng 2.16. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của các VLHP
đối với Zn(II................................................................................................. 41
Bảng 2.17. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của các
VLHP đối với Ni(II) .................................................................................... 43
Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

Bảng 2.18. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của các
VLHP đối với Fe (III) .................................................................................. 43
Bảng 2.19. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của các
VLHP đối với Zn (II) ................................................................................... 45
Bảng 2.20. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đ u đến khả năng hấp phụ của
VLHP1 đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II) .......................................................... 46
Bảng 2.21. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đ u đến khả năng hấp phụ của các
VLHP2 đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II) .......................................................... 48
Bảng 2.22. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đ u đến khả năng hấp phụ của
VLHP3 đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II ........................................................... 50
Bảng 2.23. Dung lượng cực đại và hằng số Langmuir. ...................................... 53
Bảng 2.24. Số liệu khảo sát động học hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II) .. 53
Bảng 2.25. Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 của các VLHP đối với
Ni(II) ............................................................................................................ 58
Bảng 2.26. Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 của các VLHP đối với
Ni(II) ............................................................................................................ 60
Bảng 2.27. Số liệu khảo sát động học hấp phụ của các VLHP đối với Fe(III) . 61
Bảng 2.28: Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 của các VLHP đối với
Fe(III) ........................................................................................................... 66
Bảng 2.29. Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 của các VLHP đối với
Fe(III) ........................................................................................................... 68
Bảng 2.30. Số liệu khảo sát động học hấp phụ của các VLHP .......................... 69
đối với Zn(II) ...................................................................................................... 69
Bảng 2.31. Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 của các VLHP đối với
Zn(II) ............................................................................................................ 74
Bảng 2.32. Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 của các VLHP đối với
Zn(II) ............................................................................................................ 76

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 2.1. Phổ IR của nguyên liệu....................................................................... 23
Hình 2.2 Phổ IR của VLHP1 .............................................................................. 23
Hình 2.3. Phổ IR của VLHP2 ............................................................................. 24
Hình 2.4. Phổ IR của VLHP3 ............................................................................. 24
Hình 2.5. Ảnh SEM của NL(a), VLHP1(b), VLHP2(c). ................................... 26
Hình 2.6. Ảnh SEM của NL (a); VLHP3 (b). .................................................... 26
Hình 2.7. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP 1..................................... 28
Hình 2.8. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP2...................................... 29
Hình 2.9. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP3...................................... 30
Hình 2.10. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Ni(II) ................................... 31
Hình 2.11: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Fe(III).................................. 32
Hình 2.12. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Zn(II)................................... 32
Hình 2.13.Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian đối với sự hấp
phụ Ni(II) ..................................................................................................... 36
Hình 2.14. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian đối với sự hấp
phụ Fe(III) .................................................................................................... 37
Hình 2.15. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian đối với sự hấp
phụ Zn(II) ..................................................................................................... 38
Hình 2.16. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH đối với sự hấp phụ
Ni(II) ............................................................................................................ 40
Hình 2.17. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH đối với sự hấp phụ
Fe(III). .......................................................................................................... 41
Hình 2.18 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH đối với sự hấp phụ
Zn(II) ............................................................................................................ 42
Hình 2.19. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào khối lượng VLHP đối với

sự hấp phụ Ni(II).......................................................................................... 43
Hình 2.20. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào khối lượng VLHP đối với
sự hấp phụ Fe(III) ........................................................................................ 44

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN




Hình 2.21. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào khối lượng VLHP đối với
sự hấp phụ Zn (II) ........................................................................................ 45
Hình 2.22. (a). Đường đẳng nhiệt hấp phụLangmuir của VLHP1 đối với Ni(II)
(b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Ni(II) ............................................. 47
Hình 2.23. (a). Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP1 đối với Fe(III)
(b). Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Fe(III) .......................................... 47
Hình 2.24. (a). Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP1 đối với Zn(II)
b). Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Zn(II)............................................. 48
Hình 2.25.(a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP2 đối với Ni(II)
(b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Ni (II) ............................................ 49
Hình 2.26. (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP2 đối với Fe(III)
(b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Fe(III) ........................................... 49
Hình 2.27. (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP2 đối với Zn(II)
(b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Zn(II) ............................................ 50
Hình 2.28. (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP3 đối với Ni(II)
(b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Ni(II) ............................................. 51
Hình 2.29.(a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP3 đối với Fe(III)
(b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Fe(III) ........................................... 51
Hình 2.30. (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụLangmuir của VLHP3 đối với Zn(II)
(b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Zn(II) ............................................ 52
Hình 2.31. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP1

đối với Ni(II) ................................................................................................ 57
Hình 2.32. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP2
đối với Ni(II). ............................................................................................... 57
Hình 2.33. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP3
đối với Ni(II). ............................................................................................... 58
Hình 2.34. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP1
đối với Ni(II) ................................................................................................ 59
Hình 2.35. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP2
đối với Ni(II) ................................................................................................ 59

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN




Hình 2.36. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP3
đối với Ni(II) ................................................................................................ 60
Hình 2.37. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP1
đối với Fe(III) .............................................................................................. 64
Hình 2.38. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP2
đối với Fe(III) .............................................................................................. 65
Hình 2.39. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP3
đối với Fe(III) .............................................................................................. 66
Hình 2.40. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP1
đối với Fe(III) .............................................................................................. 67
Hình 2.41. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP2
đối với Fe(III) .............................................................................................. 67
Hình 2.42. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP3
đối với Fe(III) .............................................................................................. 68
Hình 2.43. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP1

đối với Zn(II) ............................................................................................... 73
Hình 2.44. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP2
đối với Zn(II) ............................................................................................... 73
Hình 2.45. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP3
đối với Zn(II) ............................................................................................... 74
Hình 2.46. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP1
đối với Zn(II) ............................................................................................... 75
Hình 2.47. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP2
đối với Zn(II) ............................................................................................... 76
Hình 2.48. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP3
đối với Zn(II) ............................................................................................... 76

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN




MỞ ĐẦU
Nước là nguồn tài nguyên quý giá, là chất liên quan trực tiếp đến sự
sống trên trái đất. Một vài thập niên trở lại đây, do sự phát triển của khoa học
kỹ thuật, kinh tế và sức sản xuất nhằm đáp ứng sự bùng nổ của dân số, lượng
nước dùng cho sinh hoạt, sản xuất tăng lên rất nhiều. Tuy nhiên, chính sự phát
triển đó đã kéo theo sự ô nhiễm nguồn nước. Một trong các tác nhân gây ô
nhiễm môi trường nước là các kim loại nặng.
Có nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng để
tách loại các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước. Một trong các phương
pháp đang được nhiều người quan tâm hiện nay là sử dụng các VLHP có
nguồn gốc thực vật để tách kim loại ra khỏi môi trường nước. 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 nguyên liệu sẵn có ở nước ta là bẹ chuối 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 lý do trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế
tạo các vật liệu hấp phụ từ bẹ chuối để hấp phụ Ni(II), Fe(III), Zn(II) trong
môi trường nước”.
Thực hiện đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau:
- Chế tạo các VLHP từ bẹ chuối qua xử lý bằng fomandehit, axit
stearic, axit sunfuric…
- Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của VLHP bằng phổ IR, ảnh chụp SEM.
- Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp
phụ của VLHP chế tạo từ bẹ chuối theo phương pháp tĩnh. Cụ thể là các yếu
tố: pH, thời gian, nồng độ đ u, khối lượng VLHP.
- Khảo sát động học hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II).

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

1




Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tài nguyên nước và sự ô nhiễm môi trường nước
1.1.1. Tài nguyên nước
Nước là thành ph n của sinh quyển, là tài nguyên quan trọng nhất của
loài người và sinh vật trên trái đất. Nước đóng vai trò điều hoà các yếu tố của
khí hậu, đất đai và sinh vật thông qua chu trình vận động của nó. Nước là tài
nguyên quý giá, đáp ứng nhu c u đa dạng của con người trong sinh hoạt hàng
ngày, trong nông nghiệp và trong sản xuất công nghiệp như: tạo ra điện năng,

nhiều danh lam thắng cảnh hùng vĩ, nuôi trồng thuỷ sản, sản xuất lương thực.
Nước bao phủ 71% diện tích của trái đất, trong đó có 97% là nước mặn
còn 3% là nước ngọt. Nhưng trên thực tế, trong 3% nước ngọt thì 3/4 lượng
nước ngọt đó là con người không sử dụng được vì nó nằm quá sâu trong lòng
đất, hoặc bị đóng băng, hoặc ở dưới dạng hơi.., chỉ có 0,5% nước ngọt hiện diện
trong sông, hồ, ao, suối mà con người đã và đang sử dụng. Tuy nhiên bên cạnh
đó, nguồn nước còn bị ô nhiễm do các hoạt động của con người. Do vậy, trên
thực tế, nước để đáp ứng nhu c u của con người chiếm tỉ lệ không đáng kể [11].
1.1.2. Sự ô nhiễm môi trường nước
Nước tự nhiên là nước được hình thành của quá trình tự nhiên, không có tác
động của nhân sinh. Do tác động của nhân sinh, nước tự nhiên bị ô nhiễm bẩn bởi
các chất khác nhau làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của nước, làm cho nguồn
nước trở nên độc hại với con người và sinh vật. Các khuynh hướng làm thay đổi
chất lượng của nước dưới ảnh hưởng hoạt động của con người [4], [5].
- Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H2SO4, HNO3 từ khí
quyển, tăng hàm lượng SO42-, NO3- trong nước.
- Tăng hàm lượng của Ca, Mg, Si trong nước ng m và nước sông do
mưa hoà tan, phong hoá cacbonat.
- Tăng hàm lượng các kim loại nặng trong nước tự nhiên như: Pb,

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

2




Cd, Fe, Zn…
- Giảm nồng độ oxi hoà tan trong nước tự nhiên do quá trình oxi hoá có
liên quan đến quá trình sống của sinh vật, các nguồn chứa nước và khoáng

hoá các hợp chất hữu cơ… [11].
1.2. Ảnh hưởng của nguồn nước ô nhiễm kim loại nặng tới sức khoẻ con người
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 môi trường thì sẽ tồn tại lâu
dài. Chúng tích tụ vào các mô sống qua chuỗi thức ăn mà ở đó con người là
mắt xích cuối cùng. Kim loại nặng là các nguyên tố vi lượng c n 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 [3], [15].
1.2.1. Kẽm
Kẽm là nguyên tố phổ biến thứ 23 trong vỏ trái đất. Kẽm tồn tại trong
các loại chất phổ biến là sphalenit, blen đỏ, calamin.
Kẽm là nguyên tố thiết yếu đối với cơ thể, toàn cơ thể chứa khoảng 2 2,5 gam kẽm, g n bằng lượng sắt, gấp 20 l n lượng đồng trong cơ thể. Chính
vì vậy kẽm đóng vai trò sinh học không thể thiếu đối với sức khoẻ con người.
Sự thiếu hụt kẽm trong cơ thể sẽ gây ra các triệu chứng như bệnh liệt dương,
teo tinh hoàn, mù màu, viêm da, bệnh về gan [4], [15]…
Nhưng nếu dư thừa, kẽm còn có khả năng gây ra ung thư đột biến, gây
ngộ độc th n kinh, gây độc đến hệ miễn dịch.
1.2.2. Niken
Đối với một số gia súc, vi sinh vật, thực vật, niken là một nguyên tố vi lượng.
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 đường hô hấp, nó gây ra các triệu chứng khó chịu, buồn
nôn, đau đ u; nếu tiếp xúc nhiều sẽ ảnh hưởng đến phổi, hệ th n kinh trung
ương, gan, thận; còn nếu tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây hiện tượng viêm
Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

3

da, xuất hiện dị ứng… [5], [8].
1.2.3. Sắt
Sắt chiếm ít nhất 5% của vỏ Trái đất và là một trong những nguồn tài
nguyên thiên nhiên phong phú. Nước mưa khi ngấm vào lòng đất và các t ng
địa chất sẽ hòa tan sắt, từ đó sẽ ngấm vào các nguồn nước ng m, cũng chính
là nguồn nước giếng mà hiện tại người dân đang sử dụng rộng rãi. Bên cạnh
đó, sắt cũng có thể xâm nhập vào nguồn nước thông qua ống rỉ sét dẫn nước.
Sắt hòa tan làm nước có mùi kim loại, khi hàm lượng sắt cao sẽ làm cho nước
có vị tanh, màu vàng và đục. Các loại rau xanh được chế biến bằng nước
nhiễm sắt sẽ làm mất đi màu sắc hấp dẫn vốn có của nó. Với qu n áo, các vật
dụng trong gia đình... tạo ra các vết cáu bẩn, lắng cặn. Vì vậy, sắt được coi là
một thứ chất gây ô nhiễm thứ cấp hoặc chất gây mất thẩm mỹ cho nước.
Chất sắt là một yếu tố c n thiết cho cơ thể con người, sắt không được
coi là nguy hại đến sức khỏe con người ở mức độ vừa phải. Trong thực tế, sắt
c n thiết cho sức khỏe vì nó tạo điều kiện vận chuyển oxy trong máu, giải độc
gan, kiểm soát tín hiệu dẫn truyền th n kinh… Do đó thiếu sắt sẽ gây ra tình
trạng thiếu máu thiếu sắt và ảnh hưởng đến hoạt động chuyển hoá của tế bào
do thiếu hụt các men chứa sắt. Ngược lại quá tải sắt trong cơ thể vượt quá giới
hạn cũng gây ra ứ đọng sắt tại các mô như tim, gan, tuyến nội tiết... dẫn đến
rối loạn tr m trọng chức năng các cơ quan này. [4], [5], [10].
1.3. Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng
Một vài thập niên trở lại đây, do sự phát triển của kinh tế và sức sản
xuất, lượng nước dùng cho sinh hoạt, sản xuất tăng lên rất nhiều. Để đáp ứng
nhu c u nước sinh hoạt và việc xử lý môi trường đòi hỏi phải có những biện
pháp xử lý phù hợp đạt hiệu quả cao. Có rất nhiều phương pháp để xử lý nước
thải chứa kim loại nặng như các phương pháp hoá học, hoá lý hay sinh học có
thể áp dụng các quá trình xử lý nhằm loại bỏ kim loại nặng trước khi thải vào
Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

4




môi trường [12].
1.3.1. Phương pháp kết tủa
Phương pháp này dựa trên phản ứng hoá học giữa chất đưa vào nước
thải với kim loại c n tách, ở độ pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và
được tách khỏi nước thải bằng phương pháp lắng.
Phương pháp thường được dùng là kết tủa kim loại dưới dạng hydroxit
bằng cách trung hoà đơn giản các chất thải axit. Độ pH kết tủa cực đại của tất
cả các kim loại không trùng nhau, tìm một vùng pH tối ưu, giá trị từ 7 – 10,5
tuỳ theo giá trị cực tiểu c n tìm để loại bỏ kim loại mà không gây độc hại. Đối
với phương pháp kết tủa kim loại thì pH đóng vai trò rất quan trọng. Khi xử lý
c n chọn tác nhân trung hoà và điều chỉnh pH phù hợp.
Phương pháp kết tủa hóa học rẻ tiền ứng dụng rộng nhưng hiệu quả
không cao, phụ thuộc nhiều yếu tố (nhiệt độ, pH, bản chất kim loại) [5].
1.3.2. Phương pháp trao đổi ion
Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion dùng ionit là nhựa
hữu cơ tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc hydrocacbon và các nhóm
chức trao đổi ion. Quá trình trao đổi ion được tiến hành trong cột cationit và
anionit. Các vật liệu nhựa này có thể thay thế được mà không làm thay đổi
tính chất vật lý của các chất trong dung dịch và cũng không làm biến mất
hoặc hoà tan. Các ion dương hay âm cố định trên các gốc này đẩy ion cùng
dấu có trong dung dịch. Đối với xử lý kim loại hoà tan trong nước thường
dùng cơ chế phản ứng thuận nghịch.
RmB + mA  mRA + B
Phản ứng xảy ra cho tới khi cân bằng được thiết lập. Quá trình gồm các
giai đoạn sau:

* Di chuyển ion A từ nhân của dòng chất lỏng tới bề mặt ngoài của lưới

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

5




biên màng chất lỏng bao quanh hạt trao đổi ion.

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

6




* Khuyếch tán các ion qua lớp ngoài.
* Chuyển ion đã khuyếch tán qua biên giới phân pha vào hạt nhựa trao đổi.
* Khuyếch tán ion A bên trong hạt nhựa trao đổi tới các nhóm chức
năng trao đổi Ion.
* Phản ứng hoá học trao đổi ion A và B.
* Khuyếch tán các ion B bên trong hạt trao đổi tới biên giới phân pha.
* Chuyển các ion B qua biên giới phân pha ở bề mặt trong của màng chất lỏng.
* Khuyếch tán các ion B qua màng.
* Khuyếch tán các ion B vào nhân dòng chất lỏng.
* Đặc tính của trao đổi ion:
+ Sản phẩm không hoà tan trong điều kiện bình thường.
+ Sản phẩm được gia công hợp cách.

+ Sự thay đổi trạng thái của trao đổi ion không làm phân huỷ cấu trúc vật liệu.
Phương pháp trao đổi ion có ưu điểm là tiến hành ở quy mô lớn và với
nhiều loại kim loại khác nhau. Tuy vậy lại tốn nhiều thời gian, tiến hành khá
phức tạp do phải hoàn nguyên vật liệu trao đổi, hiệu quả cũng không cao [2].
1.3.3. Phương pháp vi sinh
Biện pháp sinh học sử dụng một đặc điểm rất quý của vi sinh vật , đặc
điểm đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất là khả
năng đồng hoá được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau của vi sinh vật, từ tinh
bột, xenlulozơ, cả nguồn d u mỏ và dẫn xuất của nó đến các hợp chất cao
phân tử khác như protein, lipit, cùng các kim loại nặng như chì, thuỷ ngân...
Thực chất của phương pháp này là nhờ hoạt động sống của vi sinh vật (sử
dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải làm
nguồn dinh dưỡng và năng lượng) để biến đổi các hợp chất hữu cơ cao phân
tử có trong nước thải thành các hợp chất đơn giản hơn. Trong quá trình dinh
dưỡng này vi sinh vật sẽ nhận được các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào,
sinh trưởng và sinh sản, nên sinh khối được tăng lên [2].
Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

7




Biện pháp sinh học để xử lý nước thải có thể làm sạch hoàn toàn các
loại nước thải công nghiệp chứa các loại chất bẩn hoà tan hoặc phân tán nhỏ.
Do vậy biện pháp này thường dùng sau khi loại bỏ các tạp chất phân tán thô
ra khỏi chất thải.
1.3.4. Phương pháp hấp thụ
So với các phương pháp khác, phương pháp hấp phụ có nhiều đặc tính
ưu việt hơn hẳn. Vật liệu hấp phụ được chế tạo từ nguồn nguyên liệu tự nhiên

và các phế thải nông nghiệp sẵn có, dễ kiếm, rẻ tiền, quy trình xử lý đơn giản.
Vì vậy, trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ để xử lý
nguồn nước ô nhiễm kim loại nặng.
* Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ.
Hấp phụ là sự tích luỹ các chất trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn,
khí – lỏng, lỏng – rắn, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ
được gọi là chất hấp phụ. Chất được tích luỹ trên bề mặt gọi là chất hấp phụ.
Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất
hấp phụ và chất bị hấp phụ. Tuỳ theo bản chất của lực tương tác mà người ta
chia làm hai loại hấp phụ: Hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học.
Hấp phụ vật lí: Là sự hấp phụ gây ra bởi lực Vander Vaals (tương tác
yếu) giữa các ph n tử chất bị hấp phụ và chất hấp phụ. Quá trình hấp phụ vật
lí là quá trình thuận nghịch.
Hấp phụ hoá học: Gây ra bởi các lực liên kết hoá học giữa các ph n tử
chất bị hấp phụ với ph n tử chất hấp phụ. Lực liên kết này bền, khó bị phá vỡ.
Trong một số hệ hấp phụ, xảy ra đồng thời cả hai quá trình hấp phụ vật
lí và hấp phụ hoá học [7], [9].
Cân bằng hấp phụ: Sự hấp phụ là một quá trình thuận nghịch, bên
cạnh quá trình hấp phụ còn có quá trình ngược lại gọi là quá trình phản hấp
phụ, tức là có sự chuyển các ion hoặc phân tử bị hấp phụ từ bề mặt chất hấp
phụ vào dung dịch. Sự diễn ra đồng thời hai quá trình ngược chiều nhau dẫn
Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

8




tới trạng thái cân bằng động gọi là cân bằng hấp phụ.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hấp phụ như: bề mặt chất hấp

phụ, nồng độ chất bị hấp phụ, nhiệt độ, bản chất các chất bị hấp phụ
Trong một hệ hấp phụ, khi đạt tới trạng thái cân bằng, dung lượng hấp
phụ là một hàm của nhiệt độ, áp suất và nồng độ của chất bị hấp phụ trong
pha thể tích:
q = q(T, p) hoặc q = q(T, C).
Ở một nhiệt độ xác định, dung lượng hấp phụ phụ thuộc vào áp suất
(nồng độ):
q = q(p) hoặc q = q(C).
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 dưới các điều kiện nồng
độ và nhiệt độ cho trước [9].
Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:
q

(Co  Ccb ).V
m

(1.1)

Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ.
V: Thể tích dung dịch (lít).
m: Khối lượng chất hấp phụ (g).
C0: Nồng độ dung dịch ban đ u (mg/l) [9].
* Phương trình động học hấp phụ.
Trong quá trình hấp phụ, các ph n tử bị hấp phụ không bị hấp phụ đồng
thời, bởi vì các ph n tử chất bị hấp phụ khuếch tán từ dung dịch đến bề mặt
chất hấp phụ và sau đó khuếch tán vào sâu bên trong hạt của chất hấp phụ.
Đối với hệ lỏng – rắn, quá trình hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn chính sau:
- Giai đoạn khuếch tán trong dung dịch: Các ph n tử chất bị hấp thụ

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

9




chuyển từ pha thể tích đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ.
- Giai đoạn khuếch tán màng: 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 trong mao quản: Chất bị hấp phụ khuếch tán
vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ.
- Giai đoạn hấp phụ thực sự: Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào
bề mặt chất hấp phụ.
Quá trình hấp phụ được coi như một phản ứng nối tiếp bao gồm các
giai đoạn nhỏ, trong đó giai đoạn chậm nhất quyết định tốc độ của cả quá
trình. Khi đó, giai đoạn có tốc độ chậm nhất đóng vai trò quyết định đến tốc
độ của cả quá trình. Trong các quá trình động học hấp phụ, người ta thừa
nhận: Giai đoạn khuếch tán trong và ngoài có tốc độ chậm nhất. Do đó các
quá trình này đóng vai trò quyết định đến toàn bộ quá trình động học hấp phụ.
Dung lượng hấp phụ phụ thuộc vào các giai đoạn này và sẽ thay đổi theo thời
gian cho đến khi quá trình đạt trạng thái cân bằng.
Tốc độ hấp phụ (v) là biến thiên nồng độ chất bị hấp phụ theo thời gian:
V= dx/dt = β( C0 – Cf) = k( qm – q )

(1.2)

Trong đó:
β: Hệ số chuyển khối.

C0: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích tại nồng độ ban đ u (mg/l).
Cf: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích tại nồng độ t (mg/l).
k: hằng số tốc độ hấp phụ.
q: dung lượng hấp phụ tại thời điểm t. (mg/g).
qm: dung lượng hấp phụ cực đại(mg/g).
Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng
độ dung dịch ban đ u.
Trong quá trình hấp phụ tĩnh thì hiệu suất hấp phụ được tính theo công
Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

10




thức:

H(%) = [(C0 – Ct)/C0]. 100%.

(1.3)

Trong đó:
H: hiệu suất hấp phụ.
C0: nồng độ đ u của ion kim loại(mg/l).
Ct: nồng độ ion kim loại sau khi hấp phụ tại thời điểm t(mg/l).
n: số đơn vị thể tích cơ sở.
Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren:
dq t
 k1 (q e  q t )
dt

(1.4)

Dạng tích phân của phương trình trên là:
lg(q e  q t )  lgq e 

k1
t
2,303

(1.5)

Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng:
dq t
 k 2 (q e  q t ) 2
dt

(1.6)

Dạng tích phân của phương trình này là:
t
1
1


t
q t k 2 .q e2 q e

(1.7)

Trong đó:
qe , qt là dung lượng hấp phụ tại thời gian đạt cân bằng và tại thời gian t
(mg/g).
k1, k2 là hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất (thời gian-1) và bậc hai (g.mg-1.
thời gian-1) biểu kiến.
Từ các phương trình trên có thể xác định được giá trị thực nghiệm của
q theo t và tính được hằng số tốc độ biểu kiến k1, k2. Giá trị của hằng số tốc
độ biểu kiến là một trong các thông số để so sánh giữa các chất hấp phụ đối
với cùng một chất bị hấp phụ. [2].
* Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ.
Trong một hệ hấp phụ, khi đạt trạng thái cân bằng lượng chất bị hấp

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

11




phụ là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ trong
pha thể tích:
a = f(T, P hoặc C).

(1.8)

Ở nhiệt độ không đổi, đường biểu diễn a= fT(P hoặc C) gọi là đường
đẳng nhiệt hấp phụ. Mối quan hệ a= fT(P hoặc C) được mô tả qua các phương
trình hấp phụ Henry, Freundlich, Langmuir... có thể sử dụng các phương trình
hấp phụ để mô tả quá trình hấp phụ của VLHP. Trong đề tài này, chúng tôi sử
dụng phương trình đẳng nhiệt Langmuir để mô tả quá trình hấp phụ của các

VLHP.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir là phương trình có cơ sở lý
thuyết dựa vào việc nghiên cứu động học hấp phụ. Phương trình này được xây
dựng trên các giả thuyết là:
- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.
- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
- Bề mặt của chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ
trên các trung tâm 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 hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:
q
qmax

 

bCcb
1  bCcb

(1.9)

Trong đó:
q, qmax : dung lượng hấp phụ cân bằng, dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g).
θ : mức độ che phủ.
b: hằng số Langmuir.
Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/g).
Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:
+ Trong vùng nồng độ nhỏ: b.Ccb << 1 thì q = qmax.b.cCcb mô tả vùng

Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

12




hấp phụ tuyến tính.
+ Trong vùng nồng độ cao b.Ccb << 1 thì q = qmax. mô tả vùng hấp phụ bão hòa.
Khi nồng đô chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳng
nhiệt biểu diễn là một đoạn cong. Để xác định các hằng số trong phương trình
đăng nhiệt Langngmuir, đưa ra phương trình (1.9) về dạng phương trình
đường thẳng:
Ccb
1
1


Ccb
q
b.qmax qmax

Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của

(1.10)
Ccb
vào Ccb sẽ xác định được các
q

hằng số b, qmax trong phương trình. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và
đồ thị sự phụ thuộc của

Ccb
vào Ccb có dạng như hình 1.1 và 1.2 [9].
q
Ccb
q

q

qmax



N

O

O

Ccb

Ccb

Hình 1.1. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt

Hình 1.2. Sự phụ thuộc

Langmuir

của Ccb/q vào Ccb

tanα =

1
q max

→ qmax =

1
;
tan 

ON =

1
q max .b

1.4. Hấp phụ trong môi trường nước
1.4.1. Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước
Kim loại tồn tại trong nước có thể ở dạng ion hay dạng phức hidroxo
tương ứng. Dạng hidroxo được tạo thành nhờ các phản ứng thủy phân. Sự
Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN

13