Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây mai dương và ứng dụng vào xử lý ô nhiễm nước

ĐẶT VẤN ĐỀ
Mai Dƣơng (Mimosa pigra L.) là một loài cây bụi, mọc dày đặc và rất
nhiều gai cứng, đƣợc xem là một trong các loài ngoại lai xâm hại ở nhiều
quốc gia trên Thế giới trong đó có Việt Nam. Cây Mai Dƣơng mọc tràn lan,
khó kiểm soát và tiêu diệt. Làm thay đổi thảm thực vật, gây tác hại đến hệ
động vật ở những vùng nó xâm lấn. Hầu nhƣ có rất ít loài thực vật có thể mọc
đƣợc dƣới tán Mai Dƣơng, việc mọc dày đặc còn cản trở việc đi lại của con
ngƣời, động vật và gia súc chăn thả. Sự xâm hại của Mai Dƣơng sẽ làm giảm
hoặc tuyệt chủng các loài bản địa, suy giảm sự đa dạng sinh học. Đã có rất
nhiều biện pháp để kiểm soát Mai Dƣơng nhƣ cơ giới (cắt, nhổ,...), vật lý
(đốt...), hóa học (thuốc diệt cỏ...) và biện pháp tổng hợp (phối hợp các biện
pháp trên). Tuy nhiên, mỗi biện pháp có những khó khăn riêng và hầu nhƣ
chƣa có biện pháp nào ngăn chặn hoàn toàn sự xâm lấn của cây Mai Dƣơng.
Cùng với sự suy giảm đa dạng sinh học do các loài ngoại lai gây ra, tình
hình ô nhiễm môi trƣờng, đặc biệt là ô nhiễm môi trƣờng nƣớc cũng trở nên
nghiêm trọng. Sự phát thải của các ngành công nghiệp nhƣ chế biến thực
phẩm, công nghiệp dệt nhuộm... hay khai thác khoáng sản, mạ... đã làm cho
vấn đề ô nhiễm môi trƣờng nƣớc bởi các hợp chất hữu cơ và kim loại nặng trở
thành vấn đề cấp bách. Những vấn đề này sẽ ảnh hƣởng trực tiếp đến chất
lƣợng cuộc sống cũng nhƣ sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia.
Chiến lƣợc bảo vệ Môi trƣờng Quốc gia của Việt Nam đã xác định mục tiêu
đến năm 2020 phải hình thành và phát triển ngành công nghiệp tái chế chất
thải. Nghiên cứu xử lý màu, chất hữu cơ và kim loại nặng trong nƣớc thải
bằng các vật liệu hấp phụ giá thành thấp, thân thiện với môi trƣờng, đƣợc chế
tạo từ các chất thải, vật liệu có trong tự nhiên đang là vấn đề đƣợc nhiều tác
giả nghiên cứu thực hiện trên Thế giới.
Có nhiều phƣơng pháp khác nhau để xử lý nƣớc thải của các ngành công
nghiệp trên, trong đó phƣơng pháp hấp phụ bằng than hoạt tính là phƣơng
pháp có hiệu quả cao và đƣợc ứng dụng rộng rãi.
1

Than hoạt tính là một trong những vật liệu hấp phụ đƣợc sử dụng khá phổ
biến, bởi những đặc tính tuyệt vời nhƣ có thể làm sạch nƣớc, không khí, khử
màu, khử mùi, tham gia vào quá trình tinh chế các chất hóa học hữu ích
khác,... Vì vậy, việc ứng dụng than hoạt tính vào mục đích xử lý môi trƣờng
ngày càng tăng cao.
Từ định hƣớng sử dụng cây Mai Dƣơng làm nguyên liệu tổng hợp than
hoạt tính, không chỉ giúp nâng cao hiệu quả diệt trừ cây Mai Dƣơng, bảo tồn
đa dạng sinh thái môi trƣờng, mà còn thu đƣợc sản phẩm là than hoạt tính để
xử lý môi trƣờng bị ô nhiễm. Điều này không chỉ đem lại nhiều lợi ích mà còn
thực sự ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trƣờng từ chính loài ngoại lai xâm hại.
Khóa luận “Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây Mai Dương và
ứng dụng vào xử lý ô nhiễm nước” sẽ giúp tìm hiểu rõ hơn về các đặc tính
của cây Mai Dƣơng cũng nhƣ của than hoạt tính, từ đó đƣa ra phƣơng pháp
tổng hợp than hoạt tính từ cây Mai Dƣơng, hiệu quả xử lý của than hoạt tính
từ cây Mai Dƣơng đối với nƣớc thải dệt nhuộm, những ý nghĩa từ việc tổng
hợp than hoạt tính từ cây Mai Dƣơng đem lại.

2


Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Cây Mai Dƣơng (Mimosa Pigra L.)
1.1.1.Đặc điểm sinh học
Cây Mai Dƣơng còn có các tên khác là: Cây Ngƣu ma vƣơng, cây Mắc
cỡ Mỹ, cây Trinh nữ nâu,..., tên khoa học là Mimosa Pigra L., thuộc họ
Mimosaceae, chi Mimosa (Phạm Hoàng Hộ, 1999), có 400 – 500 loài, hầu hết
có nguồn gốc từ Trung và Nam Mỹ. Cây Mai Dƣơng đƣợc Linnaeus mô tả là
một loài riêng lần đầu tiên vào năm 1759 (Lonsdale, 1992) [19], [33].

Mimosa Pigra L. là loài cây bụi mọc nơi đất trống, ẩm ƣớt của vùng
nhiệt đới. Thân màu xanh lúc còn nhỏ và dần trở nên thân gỗ với độ dài đến
3m và phân bố ngẫu nhiên. Lá màu xanh sáng, lá kép dài 20-25cm, gồm 15
cặp lá đơn mọc đối, dài khoảng 5 cm, với phiến lá không cuống, dạng thon
hẹp, lá xếp lại khi bị va chạm hoặc vào ban đêm. Hoa nhỏ màu tím hoặc hồng,
dạng tia và chụm lại từng nhóm thành một đầu tròn có đƣờng kính 1- 2cm.
Phát hoa mọc trên một trục dài 2- 3 cm với hai trong mỗi nách lá, trong khi đó
vành có 4 cánh với 8 bao phấn màu hồng. Trái có lông rất dày đặc, có từ 2025 hạt, trái mọc thành từng chùm trên nách lá, trái dài 6,5-7,5 cm, và rộng từ
0,7-1cm. Trái chuyển sang màu nâu khi chín, gảy ra thành từng phần nhỏ
mang 1 hạt. Hạt có màu nâu hoặc xanh ô liu, dẹp, bầu tròn, dài 4-6mm và
rộng 2 mm (Walden et al., 1999) [6], [19], [25], [28].
1.1.2. Ph n

v sinh th i

Cây Mai Dƣơng có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới châu Mỹ từ Mexico qua
Trung Mỹ đến Bắc Argentina, và nay đã lan rộng khắp vùng nhiệt đới
(Chopping, 2004; Lonsdale, 1992). Hiện nay, cây Mai Dƣơng là cỏ dại ở Mỹ,
Úc, Malaysia, Myanmar, Lào, Thái Lan, Campuchia và Việt Nam (Trần Văn
Hiến, 2006; Lonsdale và cộng sự, 1995).
Khí hậu nhiệt đới với hai mùa khô và mƣa rất thích hợp cho cây Mai
Dƣơng tăng trƣởng. Mai Dƣơng bành trƣớng rất nhanh ở nơi đất trống, sống
3


đƣợc ở những vùng có lƣợng mƣa thấp hơn 750mm hoặc cao hơn 2250mm và
chịu đƣợc ngập nƣớc trong thời gian dài. Cây Mai Dƣơng không kén đất,
nhƣng thƣờng mọc ở nơi ẩm ƣớt nhƣ đồng bằng ven sông, ven biển tạo nên
thảm bụi cao dày đặc. Nó tạo thành tầng cây rậm rạp che bóng không cho hột
của các cây bản địa nảy mầm, nó có rất ít loài thiên địch, và ít bị ảnh hƣởng

bởi sự cạnh tranh khác loài (Lonsdale và cộng sự, 1995; Walden và cộng sự,
2004) [6], [19].
1.1.3. Chu kỳ s ng và tiềm năng x m lấn
Cây Mai Dƣơng sinh sản bằng hột và trƣởng thành rất nhanh. Cây bắt
đầu ra hoa khoảng 6-8 tháng sau khi nảy mầm. Mỗi năm cây tạo một lƣợng
hột rất lớn, trung bình 9000 hột/cây (Lonsdale và cộng sự,1995; Marambe và
cộng sự, 2004; Walden và cộng sự, 2004) [21].
Hột đƣợc bao bọc bởi lớp áo nhiều lông, rất nhẹ giúp chúng dễ dàng di
chuyển theo gió, hay bám trên ngƣời, động vật, xe cộ cơ giới và cả trong đất
và cát nhƣng chủ yếu phát tán theo dòng nƣớc, nƣớc lũ, hệ thống kênh rạch...
Hột cực kỳ cứng và có thể duy trì miên trạng trong vòng 15 năm tùy thuộc
vào môi trƣờng, có thể sống hơn 5 năm trong phòng thí nghiệm, và tồn tại ít
nhất 23 năm trong đất cát. Vì luôn có một lƣợng lớn hột nằm sâu trong đất
nên phải kiểm soát cây mầm nhiều năm sau khi loại trừ cây trƣởng thành.
Nhiệt độ cao không ảnh hƣởng đến sức sống của hột. Hơn nữa, dao động
nhiệt độ còn làm vỡ vỏ hột để giúp hột dễ hút nƣớc và nảy mầm, thƣờng nảy
mầm vào mùa mƣa hoặc sau khi cháy. Mai Dƣơng còn nảy chồi rất mạnh từ
gốc than đã bị chặt. Cây Mai Dƣơng tăng trƣởng với một thân đơn độc khi
còn non, khi trƣởng thành có nhiều nhánh mọc từ gốc với hệ thống rễ phụ.
Cây tăng trƣởng và ra hoa quanh năm. Tuổi thọ của cây tùy thuộc vào từng
loại đất, cây thƣờng chết trong khoảng 5 năm tuổi. Cây trƣởng thành còn bị
chết với một tỉ lệ nhất định, đƣợc bổ sung bằng cây nảy mầm, và chúng tồn
tại ít nhất 15 năm [20], [21].

4


Quần thể Mai Dƣơng tăng trƣởng và phát triển rất nhanh quanh hệ
thống sông ngòi, ao hồ. Diện tích của vùng bị xâm lấn tăng gấp đôi sau 1 đến
2 năm.

Theo số liệu của Phòng Nghiên cứu Khoa học và Môi trƣờng, những
năm 1984-1985, Vƣờn Quốc gia Tràm Chim chỉ có vài bụi Mai Dƣơng xuất
hiện. Năm 1999, diện tích bị Mai Dƣơng xâm lấn khoảng 150 ha. Đến năm
2000, loài cây này đã lây lan và chiếm một diện tích gần 1000 ha. Vào đầu
năm 2004, con số này đã là 1500 ha. Với tốc độ nhanh nhƣ vậy, nếu không
sớm đƣa những biện pháp diệt trừ Mai Dƣơng, có thể nó sẽ xâm lấn toàn hệ
sinh thái của Vƣờn Quốc gia [5], [30].
1.1.4. Hiểm họa từ cây Mai Dương
Với sự tăng trƣởng và phát triển nhanh chóng, cây Mai Dƣơng hiện
đang xâm lấn mạnh các khu bảo tồn đất ngập nƣớc ở Úc, Thái Lan, Mỹ
(Florida) và châu Phi. Ở Úc, 450 km2 đồng bằng ngập lũ và đầm lầy đã bị cây
Mai Dƣơng bao phủ. Những nơi có cây Mai Dƣơng mọc dày đặc, các loài
chim, bò sát, thực vật thân thảo, và cây mầm của các loài cây khác ít hơn ở
thảm thực vật bản địa, rất ít loài thực vật có thể mọc đƣợc dƣới tán Mai
Dƣơng. Cây Mai Dƣơng là mối đe dọa ngành chăn nuôi, nhất là chăn nuôi
trâu, bò, khi bị mắc kẹt trong bụi Mai Dƣơng th khó có thể tự đi ra đƣợc.
Động vật bậc cao hầu nhƣ không ăn lá cây Mai Dƣơng ngay cả khi hiếm thức
ăn. Theo Miller, 2004, lƣợng Axit amin Mimosine đƣợc ly trích từ cây Mai
Dƣơng ở nồng độ 0,2% trọng lƣợng khô của lá có thể gây độc với nhiều loài
động vật bậc cao [6], [28].
Hơn nữa, sự phát triển của loài Mai Dƣơng cũng giới hạn dòng chảy
sông ngòi, làm ảnh hƣởng đến ngƣ dân, du lịch và giao thông thủy [24].
Hiện nay, ở Việt Nam, sự xâm lấn của cây Mai Dƣơng đang trở thành
mối hiểm họa đối với những vùng ngập nƣớc, các hồ chứa nƣớc, đặc biệt ở
những vƣờn quốc gia nhƣ Vƣờn Quốc gia Tràm Chim, Cát Tiên, U Minh
Thƣợng... Loài Mai Dƣơng đã trở thành một thảm họa đối với các khu bảo tồn
5


và đang xâm lấn mạnh các vùng miền Bắc nhƣ Vĩnh Phú, Hƣng Yên,..., miền

Trung nhƣ Bảo Lộc, miền Nam nhƣ Đồng Nai, thành phố Hồ Chí Minh và các
tỉnh đồng bằng sông Cửu Long (Trần Văn Hiến, 2006) [6].
Ở Vƣờn Quốc gia Tràm Chim, cây Mai Dƣơng đang xâm lấn các đồng
cỏ năng là bãi ăn, bãi nghỉ của loài chim quý hiếm nhƣ sếu đầu đỏ. Cây Mai
Dƣơng không chỉ làm ảnh hƣởng đến hoạt động của đàn sếu, mà còn gây trở
ngại cho việc đi lại của con ngƣời và các loài vật khác do thân có nhiều gai,
lại mọc khá dày. Nguy hiểm hơn, với tốc độ phát triển khá nhanh, Mai Dƣơng
sẽ làm thay đổi thảm thực vật bản địa, phá vỡ cân bằng sinh thái của Vƣờn
Quốc gia, giảm giá trị bảo tồn của vùng cỏ đất ngập nƣớc, giảm giá trị du lịch
sinh thái của Vƣờn Quốc gia Tràm Chim (Trần Văn Hiến, 2006) [6], [28].
1.1.5. Các biện pháp kiểm soát cây Mai Dương trên h giới v

iệt Nam

Trƣớc thực trạng xâm lấn nguy hại ngày một rộng mà loài Mai Dƣơng
gây ra, trên Thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam đã có rất nhiều các biện pháp,
nghiên cứu khác nhau về phòng ngừa, diệt trừ đƣợc đƣa ra nhằm kiểm soát
Mai Dƣơng.
Cho đến nay, trên Thế giới đã có khá nhiều công trình nghiên cứu về
các biện pháp phòng trừ cây Mai Dƣơng [5], [6], [20], [24], [29].
Chỉ trong vòng từ năm 1992 trở lại đây đã có 3 cuộc hội thảo Quốc tế
chuyên bàn về vấn đề cây Mai Dƣơng và các biện pháp phòng trừ chúng, song
có thể khẳng định rằng, không một biện pháp đơn lẻ nào có thể mang lại hiệu
quả cao và triệt để trong việc phòng trừ loài này. Từ đó, nhiều biện pháp khác
nhau đã đƣợc khuyến cáo ứng dụng nhƣ biện pháp thủ công cơ giới: nhổ,
chặt; biện pháp đốt hay sử dụng thuốc trừ cỏ và biện pháp sinh học.
- Biện pháp thủ công nhƣ cắt, nhổ, chặt đốn bằng máy hay bằng tay đƣợc
áp dụng rất có hiệu quả. Tuy nhiên, hai biện pháp này đều rất tốn kém vì cần
nhiều nhân công lao động nên có tính khả thi thấp.
Với biện pháp này, tại vƣờn Quốc gia Rakadu - Thái Lan ngƣời ta đã áp dụng

thành công để ngăn chặn sự xâm lấn của cây Mai Dƣơng khi chúng còn mọc
6


rải rác (Siriworakul & Schultz,1992).
- Biện pháp đốt: thƣờng chỉ áp dụng sau khi cắt hay đã sử dụng thuốc trừ
cỏ để làm tăng tỷ lệ chết của cây. Tuy nhiên, sẽ kích thích cho hạt nảy mầm
nhiều hơn. Bên cạnh đó cũng có thể xảy ra rủi ro cháy rừng khi triển khai trên
diện rộng.
- Biện pháp hoá học: phun thuốc diệt cỏ, đƣa thuốc vào đất... đã đƣợc sử
dụng để diệt trừ Mai Dƣơng ở Mexico, Costa-Rica, Australia và Thái Lan vào
những năm 70 - 80 của thế kỷ XX. Cho đến nay, nó đƣợc coi là biện pháp có
hiệu quả phòng trừ cao, triệt để và kinh tế nhất, do đó nó đƣợc ứng dụng rộng
rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới.
- Biện pháp sinh học: Ngƣời ta đã tiến hành điều tra nguồn ký sinh thiên
địch của cây Mai Dƣơng tại vùng bản xứ của nó nhƣ Brazil, Mexico,
Venezuela, sau đó du nhập và nhân thả ở các vùng bị nhiễm Mai Dƣơng. Hiện
nay, ở Úc đã nghiên cứu và nhân thả đƣợc 14 tác nhân sinh học có khả năng
ứng dụng để trừ cây Mai Dƣơng, nhƣng trong đó chỉ có 2 loài loài có khả
năng năng hạn chế tốt cây Mai Dƣơng là sâu đục thân Carmenta mimosae
đƣợc nhân thả ở Úc năm 1989, ở Thái Lan 1991; và sâu đục ngọn Neurostrota
gunniell đƣợc thả ở Úc năm 1989 (Julien, 1992; Forno, 1991). Trong đó loài
sâu đục thân Carmenta mimosae đã đƣợc tổ chức CSIRO hỗ trợ để nhân thả ở
Việt Nam từ 1995-1997. Hai loài mọt đục hạt Mai Dƣơng là Acanthosce lides
puniceus và A. quadridentatus cũng đã đƣợc nhân thả thành công ở Úc và
Thái Lan.
Bên cạnh các loài côn trùng, hƣớng nghiên cứu sử dụng các loài nấm gây
hại cho Mai Dƣơng dƣới dạng phòng trừ cổ điển và thuốc trừ cỏ sinh học
cũng đang đƣợc quan tâm nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nƣớc đặc biệt là
Úc và Thái Lan. Cho đến nay, loài nấm có triển vọng nhất đã đƣợc xác định

và ứng dụng thành công để phòng trừ Mai Dƣơng là Phloeospora mimosae
pigrae. Loài nấm này có thể phát triển nhanh và hạn chế đƣợc khả năng phát
triển của cây. Tuy nhiên, nó chỉ có khả năng hạn chế phát triển của các cây
7


non cao dƣới 80 cm và không có khả năng diệt triệt để.
Tại Việt Nam, cũng đã có nhiều nghiên cứu và biện pháp đƣợc đƣa ra để
diệt trừ loài Mai Dƣơng. Ví dụ nhƣ: “Ứng dụng trồng nấm nhằm kiểm soát
hiểm họa cây Mai Dương”. Sử dụng thân hóa gỗ của cây Mai Dƣơng làm
nguyên liệu để trồng nhiều loài nấm. Kết quả cho thấy các loài nấm thu đƣợc
có h nh dạng, màu sắc, kích thƣớc không khác g so với trồng trên mạt cƣa,
không chứa độc tố, năng suất nấm có thể chấp nhận đƣợc [25].
Mới đây nhất là nghiên cứu “Dùng muối ăn diệt cây Mai Dương” của
các nhà khoa học gồm TS Đỗ Thƣờng Kiệt, PGS-TS Bùi Trang Việt và TS
Trần Triết (khoa sinh học Trƣờng ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQG TP.HCM),
vừa nghiên cứu và pha chế thành công loại dung dịch có thể làm tàn lụi cây
Mai Dƣơng.
Chế phẩm xử lý chủ yếu là muối ăn và các chất phụ gia bám dính nên
vừa không độc cho ngƣời phun, môi trƣờng, giá thành lại rẻ so với thuốc hóa
học đang đƣợc dùng để tận diệt cây Mai Dƣơng hiện nay. Nhóm tác giả cho
rằng nếu kết hợp phƣơng pháp này với phƣơng pháp chặt, đốt sẽ cho hiệu quả
triệt để và dần dần có thể tiêu diệt đƣợc loài cây phá hoại này, nhƣng cũng sẽ
mất thời gian khá dài [29].
Hầu hết, các biệt pháp diệt trừ Mai Dƣơng là kết hợp giữa chặt, đốt và
phun thuốc hóa học. Các biện pháp hầu nhƣ đều khó thực hiện do chi phí cao,
thời gian kéo dài (không theo kịp với sức lan tỏa của cây) hoặc làm ảnh
hƣởng đến môi trƣờng.
Với những đặc tính của cây Mai Dƣơng, việc nghiên cứu “Tổng hợp
than hoạt tính từ cây Mai Dƣơng” sẽ góp phần nâng cao hiệu quả diệt trừ cây

Mai Dƣơng và bảo vệ môi trƣờng. Việc sử dụng loài ngoại lai xâm lấn làm
nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính là hƣớng nghiên cứu rất mới, không chỉ
mang lại nhiều ý nghĩa về sinh thái và bảo vệ môi trƣờng mà còn tạo tiền đề
cho các nghiên cứu tƣơng tự tiếp tục hoàn thiện và ứng dụng vào thực tiễn.

8


1.2. Than hoạt tính
1.2.1. Định nghĩa
Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể nói chung
rằng than hoạt tính là một dạng của cacbon đã đƣợc xử lý để mang lại một cấu
trúc rất xốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn.
Theo Wikipedia Than hoạt tính (Activated Carbon) là một chất gồm chủ
yếu là nguyên tố carbon ở dạng vô định hình (bột), một phần nữa có dạng tinh
thể vụn grafit. Than hoạt tính có diện tích bề mặt ngoài rất lớn nên đƣợc ứng
dụng nhƣ một chất lý tƣởng để lọc hút nhiều loại hóa chất [27].
Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon, chiếm từ 85 đến 95%
khối lƣợng. Phần còn lại là các nguyên tố khác nhƣ hydro, nito, lƣu huỳnh,
oxi,... có sẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với cacbon trong
quá trình hoạt hóa, thông thƣờng là: 88% C; 0,5% H; 0,5

N; 1

S và 6-7

O. Tuy nhiên, có thể thay đổi thành phần phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu
ban đầu và cách điều chế.
Than hoạt tính là chất không độc (kể cả một khi đã ăn phải nó), sau khi
sử dụng có thể tái sinh (làm sạch hoặc giải hấp phụ) và có thể sử dụng hàng

trăm, thậm chí hàng ngàn lần [10], [34].
1.2.3. Đặc trưng về tính chất vật lý, hóa học của than hoạt tính
1.2.3.1. Đặc trưng về tính chất vật lý
a, Kích thước hạt và bề mặt riêng của than hoạt tính
Các phƣơng pháp sản xuất than hoạt tính khác nhau sẽ tạo ra các loại
than có tính chất, hình dạng, kích thƣớc khác nhau.
Ví dụ: than máng có đƣờng kính hạt trung bình là 100-300A0. Lò lỏng là 180600 A0. Lò khí 400-800 A0. Phƣơng pháp nhiệt phân, đƣờng kính hạt trung
bình lớn nhất là 1400-4000 A0.
Than hoạt tính thƣờng có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến
1500m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0,2 đến 0,6cm3/g.

9


Phƣơng pháp để xác định kích thƣớc, diện tích riêng bề mặt hạt than là
phƣơng pháp kính hiển vi điện tử và hấp phụ lên bề mặt [32].
b, Cấu trúc vật lý của than hoạt tính
Cấu trúc của than hoạt tính đƣợc đánh giá bằng mức độ phát triển cấu
trúc bậc nhất của nó. Mức độ phát triển cấu trúc chuỗi phụ thuộc vào phƣơng
pháp sản xuất và phụ thuộc vào nguyên liệu đầu đƣa vào sản xuất than.
Cấu trúc bậc nhất phất triển mạnh nhất trong than sản xuất bằng
phƣơng pháp lò. Liên kết hoá học C - C đảm bảo cho cấu trúc có độ bền cao.
Số lƣợng các hạt than sơ khai có cấu trúc dao động từ vài hạt đối với than có
cấu trúc thấp đến 600 hạt đối với than có cấu trúc cao.
Cấu trúc của than hoạt tính có thể xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử
[12] [17].
c, Khối lượng riêng
Khối lƣợng riêng than hoạt tính là đại lƣợng phụ thuộc vào phƣơng
pháp xác định nó.
Khi xác định khối lƣợng riêng của than hoạt tính trong Heli lỏng nhận

đƣợc giá trị từ 1900-2000kg/m3. Khối lƣợng riêng của than hoạt tính đƣợc
tính toán theo hằng số mạng tinh thể nhận giá trị từ 2180-2160kg/m3.
Than hoạt tính dạng bột là các hạt nằm ở sát bên nhau và ở các góc
cạnh, các cung là không khí vì thế khối lƣợng riêng của nó nhỏ hơn nhiều và
dao động từ 80-300kg/m3 phụ thuộc vào mức độ phát triển cấu trúc của than.
Than có cấu trúc càng lớn khoảng trống giữa các cấu trúc càng nhiều và giá
trị khối lƣợng riêng càng nhỏ [9].
1.2.3.2. Đặc trưng về mặt hóa học
Trong tinh thể khối của hạt than hoạt tính các nguyên tử cácbon nằm ở
mặt ngoài (nguyên tử cácbon cạnh hoặc mép) có mức độ hoạt động hoá học
lớn và vì vậy nó là trung tâm của các quá trình ôxy hoá tạo cho bề mặt than
hàng loạt các nhóm hoạt đọng hoá học khác nhƣ nhóm hydroxyl, cácbônyl,
xêtôn... Ngoài Cacbon trong thành phần hoá học của than hoạt tính còn có
10


hydro, lƣu huỳnh, ôxy và các khoáng chất khác. Các nguyên tử này đƣợc đƣa
vào than hoạt tính cùng với nguyên liệu đầu và trong quá trình ôxy hoá. Sự có
mặt của các hợp chất chứa ôxy trên bề mặt than hoạt tính đƣợc chính minh
bằng phản ứng axít huyền phù trong nƣớc của than hoạt tính. Sự có mặt của
các khoáng chất trong than hoạt tính cho phản ứng kiềm yếu.
Sự có mặt các nhóm phân cực trên bề mặt than hoạt tính là yếu tố quan
trọng quyết định khả năng tác dụng hóa học, lý học của than hoạt tính với các
nhóm phân cực, liên kết đôi có trong mạch đại phân tử [9], [25].
1.2.4. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính
Hấp phụ là một quá trình mà một chất rắn đƣợc sử dụng để loại bỏ các
chất hòa tan ra khỏi nƣớc.
Mô tả hấp phụ:
Các phân tử từ khí hoặc chất lỏng sẽ đƣợc gắn một cách vật lý để bám
vào bề mặt chất rắn, trong trƣờng hợp này là bề mặt của than hoạt tính.

Quá trình hấp phụ diễn ra trong ba bƣớc sau:
• Vĩ mô vận chuyển: Sự chuyển động của vật liệu hữu cơ thông qua hệ
thống vĩ mô, lỗ chân lông của than hoạt tính (vĩ mô, lỗ chân lông > 50nm);
• Vi vận chuyển: Sự chuyển động của vật liệu hữu cơ thông qua hệ thống
trung-lỗ chân lông và vi lỗ chân lông của than hoạt tính (vi lỗ chân lông
<2nm; trung lỗ chân lông 2-50nm);
• Hấp phụ: Các tập tin đính kèm vật lý của vật liệu hữu cơ trên bề mặt
của than hoạt tính trong các trung-lỗ chân lông và vi lỗ chân lông của than
hoạt tính.
Mức độ hoạt động hấp phụ dựa vào nồng độ của chất trong nƣớc, nhiệt
độ và sự phân cực của chất này. Một chất phân cực (chất hòa tan tốt trong
nƣớc) không hoặc có thể là bị loại bỏ bằng than hoạt tính, một chất không
phân cực có thể đƣợc loại bỏ hoàn toàn bằng than hoạt tính [9] [18].

11


1.2.5. Nguyên liệu ch tạo than hoạt tính
Hầu hết các nguyên liệu chứa Cacbon đều có thể dùng tạo than hoạt
tính. Nhƣng nguồn nguyên liệu cho sản xuất than hoạt tính chủ yếu là những
nguyên liệu có hàm lƣợng cacbon cao nhƣng lại chứa ít các thành phần vô cơ
khác nhƣ gỗ, than non, than đá,... Bên cạnh đó, rất nhiều loại chất thải nông
nghiệp nhƣ vỏ trấu, lõi ngô, gáo dừa, bã dong riềng... bởi nguyên liệu này có
sẵn, rẻ tiền, hàm lƣợng cacbon cao và các thành phân vô cơ thấp [12].
Cây Mai Dƣơng (Mimosa pigra L.) là một loài thực vật ngoại lai xâm
lấn, đang trực tiếp đe dọa đến hệ sinh thái, những khu vực mà chúng mọc lên.
Là loài cây bụi, có hàm lƣợng cacbon trong thân khá cao, việc sử dụng thân
cây Mai Dƣơng vào sản xuất than hoạt tính không chỉ góp phần diệt trừ sự
xâm hại của loài này mà còn có thể ứng dụng than hoạt tính từ cây Mai
Dƣơng vào xử lý môi trƣờng, bảo vệ môi trƣờng.

1.2.6. Phương ph p sản xuất than hoạt tính
Than hoạt tính chủ yếu đƣợc sản xuất bằng cách nhiệt phân nguyên liệu
thô có chứa cacbon ở nhiệt độ dƣới 1000oC. Quá trình sản xuất gồm hai bƣớc
[13], [31]:
a, Quá trình than hóa
Quá tình than hóa là quá trình phân hủy nhiệt nguyên liệu để đƣa
nguyên liệu ban đầu về dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu
cơ nhẹ và tạo mao quản ban đầu.
Nguyên tắc của quá trình sản xuất than nguyên liệu thực vật là dùng
nhiệt phân hủy nguyên liệu trong điều kiện không có không khí. Dƣới tác
dụng của nhiệt từ nhiệt độ thƣờng tới 170oC, vật liệu bị khô đều; từ 170180oC, vật liệu phân hủy theo những quá trình thu nhiệt, ở đây các hợp phần
của nguyên liệu bị biến tính, giải phóng oxit cacbon, khí cacbonic, axit
axetic...tiếp theo từ 280-380oC xảy ra sự phân hủy phát nhiệt giải phóng
methanol, hắc ín,...Quá tr nh cacbon hóa xem nhƣ kết thúc ở khoảng 400600oC.
12


b, Quá trình hoạt hóa
Quá trình hoạt hóa trong sản xuất than có ý nghĩa rất lớn đến việc quyết
định đến tính chất của than sau hoạt hóa.
Mục đích của quá trình hoạt hóa là giải phóng độ xốp sơ cấp đã có sẵn trong
than, đồng thời tạo nên độ xốp thứ cấp làm than có hoạt tính cao.
Hoạt hóa có thể phân chia một cách có điều kiện thành hai phƣơng
pháp: là hoạt hóa hóa học và phƣơng pháp hoạt hóa hóa lý.
+ Phương pháp hoạt hóa hóa lý: dùng các chất oxi hóa nhƣ hơi nƣớc,
dioxit cacbon... làm tác nhân tác dụng với than nguyên liệu.
Phương pháp hoạt hóa hóa học: chủ yếu dùng cho than gỗ. Nguyên
liệu thƣờng đƣợc sử dụng là gỗ trộn với chất hoạt hóa và chất hút nƣớc
(thƣờng là H3PO4 hoặc ZnCl2), thƣờng ở nhiệt độ 500oC, có khi lên tới 800oC.
Trong các muối vô cơ th chất có tác dụng hoạt hóa mạnh là ZnCl2 vì là chất

khử hydrat hóa mạnh, đồng thời là chất bảo vệ cho than không bị cháy.
* Một số kết quả về việc nghiên cứu sử dụng ZnCl2 làm tác nhân hoạt
hóa để chế tạo than hoạt tính [25]:
Du-bi-nin và Sê-meeno-va đã nghiên cứu tác dụng hoạt hóa các muối
ZnCl2; CaCl2 và hỗn hợp hai muối này đối với nguyên liệu gỗ thông mộc.
Những sản phẩm chế tạo đƣợc đều có hoạt tính cao đối với hấp phụ hơi
benzene và tẩy màu xanh metylen. Khả năng hoạt hóa của CaCl2 trong chế tạo
than khí cũng nhƣ than tẩy màu đều thấp hơn của ZnCl2. Tác nhân quan trọng
nhất của các tác nhân hóa học là khử hydrat tạo điều kiện cho các hợp chất
hữu cơ dễ phân hủy dƣới tác dụng của nhiệt, đồng thời ngăn cách quá tr nh
nhiệt phân tạo ra sản phẩm không bị cacbon hóa nhƣ hăc ín.
Với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây Mai Dƣơng”, tác
nhân hoạt hóa đƣợc dùng là ZnCl2 nồng độ 3M và theo tỷ lệ 1:3 (khối lƣợng
khô vật liệu (g) : thể tích ZnCl2 (ml)), sau đó nung nguyên liệu đã tẩm bằng lò
nung trong điều kiện không có không khí. Nhiệt độ tối ƣu là 500-700oC.

13


1.2.7. T nh h nh sản xuất v ứng dụng của than hoạt t nh trên h giới v
iệt Nam
Với những đặc tính tuyệt vời, từ nhiều thế kỉ trƣớc, than hoạt tính đã trở
thành chất hấp phụ quí và linh hoạt, đƣợc sử dụng rộng rãi cho nhiều mục
đích khác nhau:
- Từ khoảng năm 1500 TCN ngƣời Ai Cập đã biết sử dụng than gỗ để
làm chất hấp phụ chữa bệnh
- Ngƣời Hin-du cổ ở Ấn Độ đã biết làm sạch nƣớc uống bằng cách lọc
qua than gỗ.
- Năm 1794 Lip-man cũng thấy than gỗ tẩy màu tốt các dung dịch đƣờng
mía và năm 1805 Gu-li-on đã dùng than gỗ để tẩy màu trong công nghiệp

đƣờng.
- Trải qua nhiều thế kỷ với nhu cầu sử dụng cao, vào năm 1870 than hoạt
tính đã có trên thị trƣờng thƣơng mại.
Sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng những năm
1900, đƣợc sử dụng để làm vật liệu tinh chế đƣờng bằng cách than hóa hỗn
hợp các nguyên liệu có nguồn gốc thực vật bằng hơi nƣớc hoặc CO2. Than
hoạt tính còn đƣợc sử dụng trong các mặt nạ phòng độc trong chiến tranh thế
giới thứ nhất [10].
Nhu cầu sản xuất cũng nhƣ sử dụng than hoạt tính ngày càng tăng cao,
bởi những ứng dụng mà nó đem lại nhƣ: loại bỏ màu, mùi, vị không mong
muốn và các tạp chất hữu cơ, vô cơ trong nƣớc thải công nghiệp và sinh hoạt,
thu hồi dung môi, làm sạch không khí, làm sạch nhiều hóa chất, dƣợc phẩm,
thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí. Chúng cũng đƣợc biết đến trong
nhiều ứng dụng trong y học, sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi khuẩn. Than
hoạt tính đƣợc sử dụng hàng ngày để tinh sạch nƣớc uống, lọc nƣớc, khử
mùi... Và nó đã trở thành nguyên liệu không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực.
Dự báo nhu cầu than hoạt tính của Thế giới tăng khoảng 10% - 25 /năm
trong giai đoạn từ 2013 - 2018. Hiện tại, ngành công nghiệp sản xuất than
14


hoạt tính của Thế giới đạt khoảng 1,2 triệu tấn/năm, trong khi nhu cầu than
hoạt tính dự báo có thể đạt tới 1,9 triệu tấn trong năm 2016; 2,3 triệu tấn trong
năm 2017 hay 3 triệu tấn trong năm 2018 [22].
Ở nƣớc ta, từ những năm đầu của thập niên 60 đã nghiên cứu một số
than hoạt tính dùng cho mặt nạ phòng độc và phục vụ nhu cầu phát triển. Hiện
nay, lƣợng than hoạt tính cần dùng trong ngành công nghiệp nƣớc ta rất lớn
và ngày càng tăng (ngành bột ngọt: khoảng 500 tấn/năm, ngành đƣờng:
khoảng 400 tấn/năm, ngành dầu thực vật: khoảng 100 tấn/năm…) [22].
Việc sản xuất và sử dụng than hoạt tính ngày một tăng. Để đáp ứng đƣợc

nhu cầu sử dụng than hoạt tính, tận dụng tối đa nguồn vật liệu sẵn có từ chất
thải nông nghiệp, nâng cao hiệu quả diệt trừ các loài thực vật ngoại lai xâm
lấn (cây Mai Dƣơng)... không những đem lại các lợi ích về kinh tế, xã hội mà
còn có ý nghĩa thiết thực trong bảo vệ môi trƣờng, nƣớc ta đã có khá nhiều đề
tài, nghiên cứu về mô hình, công nghệ điều chế than hoạt tính từ thực vật, từ
chất thải nông nghiệp.
Ví dụ nhƣ:
+ Công nghệ sản xuất than hoạt tính từ cây bạch đàn, keo lai dựa trên kỹ
thuật cấp nhiệt và yếm khí dài ngày của Công ty CP Phân bón và dịch vụ tổng
hợp B nh Định, hàng năm công ty tạo một lƣợng than lớn phục vụ nhu cầu
tiêu thụ trong nƣớc và xuất khẩu trên Thế giới trong đó có Nhật Bản [24];
+ Nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ phế liệu thực vật [17];
+ Nghiên cứu khả năng hấp phụ Metyl đỏ trong dung dịch của các vật
liệu hấp phụ đƣợc chế tạo từ bã mía và thử nghiệm xử lý môi trƣờng, Nguyễn
Thị Thanh Tú (2010). Đề tài đã chế tạo đƣợc vật liệu hấp phụ từ bã mía qua
xử lý bằng fomandehit hoặc axit sunfuric có khả năng hấp phụ metyl đỏ trong
dung dịch nƣớc với hiệu suất khá cao [18];
+ Công nghệ sản xuất than hoạt tính từ tre, nứa... [24], [32];
+ Sử dụng các vật liệu là chất thải nông nghiệp nhƣ bã mía, gáo dừa, bã
dong riềng... làm nguyên liệu sản xuất than hoạt tính [8], [10], [17].
15


Chƣơng 2
MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG
VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận nhằm:
- Nghiên cứu tổng hợp đƣợc than hoạt tính từ cây Mai Dƣơng;
- Nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính từ cây Mai Dƣơng vào xử lý môi

trƣờng nƣớc.
2.2. Đối tƣợng nghiên cứu
- Cây Mai Dƣơng, một loài thực vật ngoại lai xâm lấn;
- Dung dịch Xanh Metylen, dung dịch Mn2+ và nƣớc thải dệt nhuộm
đƣợc sử dụng để đánh giá khả năng hấp phụ của than hoạt tính đƣợc tổng hợp
từ cây Mai Dƣơng.
2.3. Nội dung nghiên cứu
Để thực hiện các mục tiêu trên, khóa luận lựa chọn một số nội dung
nghiên cứu sau:
- Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây Mai Dƣơng;
- Nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính từ cây Mai Dƣơng vào xử lý môi
trƣờng nƣớc:
+ Khảo sát khả năng xử lý chất màu hữu cơ (Xanh Metylen) trong nƣớc;
+ Khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng (Mn2+) trong nƣớc;
+ Khảo sát khả năng xử lý nƣớc thải dệt nhuộm.
- Đề xuất hƣớng sử dụng cây Mai Dƣơng làm vật liệu hấp phụ trong xử lý
môi trƣờng.
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương ph p k thừa tài liệu
Phƣơng pháp kế thừa tài liệu giúp cung cấp những thông tin ban đầu về
vấn đề nghiên cứu. Dựa trên cơ sở kế thừa có chọn lọc các nguồn tài liệu ở

16


dạng văn bản, thông tin trực tiếp mang tính khách quan, những chuyên đề
khoa học, luận án có liên quan đến vấn đề nghiên cứu.
Những tài liệu đã đƣợc kế thừa phục vụ cho quá tr nh làm khóa luận bao
gồm:
Tài liệu liên quan về loài ngoại lai xâm hại cây Mai Dƣơng;

Tài liệu liên quan về than hoạt tính và điều chế than hoạt tính;
+ Tài liệu liên quan đến ô nhiễm môi trƣờng nƣớc, nƣớc thải dệt nhuộm;
Các tài liệu trên mạng internet, sách báo, tạp trí có liên quan đến cây
Mai Dƣơng, than hoạt tính, điều chế than hoạt tính từ các vật liệu khác nhau.
2.4.2. Phương ph p lấy mẫu c y Mai Dương
Cây Mai Dƣơng đƣợc lấy tại khu vực ven cánh đồng thuộc xã Hòa Sơn,
huyện Lƣơng Sơn, tỉnh Hòa Bình. Là khu vực có vùng đất trũng, ẩm, thuận
lợi cho cây Mai Dƣơng sinh sôi và phát triển.
Mai Dƣơng đƣợc chọn mang tính đại diện cho khu vực lấy mẫu. Lựa
chọn những cây Mai Dƣơng có độ tuổi từ 3 đến 5 năm, đƣờng kính thân cây
khoảng 3-5 cm.
Hình ảnh cây Mai Dƣơng tại khu vực lấy mẫu:

17


2.4.3. Phương ph p tổng hợp than hoạt tính từ c y Mai Dương
Khóa luận tiến hành 2 phƣơng pháp để tổng hợp than hoạt tính từ cây
Mai Dƣơng:
- Phƣơng pháp 1: Gồm 2 giai đoạn là than hóa và biến tính mẫu than hóa
thành than hoạt tính.
- Phƣơng pháp 2: Quá tr nh than hóa và hoạt hóa diễn ra đồng thời với
chất hoạt hóa là ZnCl2 3M.
a, Phương ph p 1:Than hóa và bi n tính thành than hoạt tính
Phƣơng pháp 1 bao gồm 2 bƣớc là than hóa và biến tính sản phẩm từ quá
tình than hóa thành than hoạt tính.
 Qu tr nh than h a:
Than hóa ở
nhiệt độ 500oC

Sản phẩm
than hóa
hihóhM1L
Nguyên liệu mẫu sau khi thu thập đƣợc sấy khô và bắt đầu 1quá trình than

Nguyên liệu

Sấy khô

hóa. Thông thƣờng quá tr nh than hóa đƣợc thực hiện ở nhiệt độ cao 400500oC, trong môi trƣờng kị khí, các vật liệu giàu cacbon sẽ bị đề hyđrát hóa
tạo than có diện tích bề mặt riêng phát triển. Để tạo môi trƣờng trơ trong giai
đoạn than hóa, thông thƣờng sử dụng khí nitơ. Thiết bị dùng để than hóa đƣợc
thổi liên tục dòng khí nitơ vào bình.
 Quá trình bi n tính than:
Không
Cách 1 nghiền nhỏ
sản phẩm

Oxi hóa =
HNO3 đ

Sản
phẩm
than
hóa
Sản phẩm
đƣợc nghiền
Cách 2
nhỏ

Oxi hóa =
HNO3 đ
18

Rửa mẫu
bằng nƣớc

Sấy và thu
sản phẩm

Rửa mẫu
bằng NaOH

Sấy và thu
sản phẩm

Rửa mẫu
bằng nƣớc

Sấy và thu
sản phẩm

Rửa mẫu
bằng NaOH

Sấy và thu
sản phẩm


Đặc điểm quan trọng và thú vị nhất của than là bề mặt có thể biến tính

thích hợp để thay đổi đặc điểm hấp phụ và tăng khả năng hấp phụ và làm cho
than trở nên thích hợp hơn trong các ứng dụng đặc biệt.
Sản phẩm sau quá tr nh than hóa đƣợc chia làm hai phần để thực hiện
biến tính than ở hai yếu tố khác nhau là: than đƣợc nghiền nhỏ và than không
đƣợc nghiền nhỏ. Sau đó, mẫu than đƣợc biến tính bằng HNO3 đậm đặc trong
hệ thống chứng cất ở nhiệt độ 100oC trong 4 giờ. Mẫu than sau khi biến tính,
để trung hòa lƣợng axit có trong than sẽ đƣợc đem rửa bằng nƣớc hoặc NaOH
đến khi pH=7, sau đó sấy khô và thu đƣợc mẫu than biến tính.
b, Phương ph p 2

ổng hợp than hoạt t nh từ t c nh n hoạt h a n l2 3M

Phƣơng pháp tổng hợp than hoạt tính từ tác nhân hoạt hóa nCl 2 có quá
tr nh hoạt hóa đi kèm với giai đoạn than hóa. Chất hoạt hóa là ZnCl2 3M.
Nguyên
liệu

Tẩm chất
hoạt hóa

Than hóa ở
nhiệt độ 500oC

Sấy
khô

Sản phẩm
than hoạt tính

Sấy

khô

Rửa bằng
HCl
Rửa bằng
nƣớc

Sau khi nguyên liệu đƣợc sấy khô, sẽ đƣợc tẩm chất hoạt hóa ZnCl2 3M
trong thời gian 1 ngày ở điều kiện nhiệt độ khác nhau. Sấy khô trong 3 giờ và
đem nung ở nhiệt độ 500oC (tƣơng tự phƣơng pháp 1). Than sau khi nung,
đƣợc rửa bằng dung dịch HCl 1,2M đến hết Zn2+ theo phƣơng pháp lắng gạn
4 bậc, mỗi bậc 40 ml dung dịch HCl. Sau đó rửa bằng nƣớc cất 2 lần đến pH
bằng 7. Đem lƣợng than thu đƣợc sấy khô ở 80oC. Thu đƣợc than hoạt tính
đƣợc tổng hợp từ cây Mai Dƣơng.
2.4.4. Phương ph p Scanning Electron Microscope (SEM)
Phƣơng pháp Scanning Electron Microscope (viết tắt là SEM) hay còn
gọi là phƣơng pháp chụp ảnh trên kính hiển vi điện tử quét.
Kính hiển vi điện tử quét là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra
ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm
19


điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu.
Chùm tia điện tử đƣợc tạo ra từ catot qua hai tụ quay sẽ đƣợc hội tụ lên
mẫu nghiên cứu. Khi chùm tia điện tử đập vào bề mặt của mẫu nó sẽ phát ra
các điện tử phát xạ thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào
phần thu và biến đổi thành một tín hiệu sáng. Chúng đƣợc khuếch đại, đƣa
vào mạng lƣới điều khiển tạo độ sang trên màn ảnh. Mỗi điểm trên mẫu cho
một điểm tƣơng ứng trên màn ảnh phụ thuộc vào số điện tử thứ cấp phát ra từ
mẫu nghiên cứu và phụ thuộc vào bề mặt của mẫu nghiên cứu [37], [38].

Ứng dụng phương pháp SEM trong nghiên cứu than hoạt tính từ cây Mai
Dương: Sử dụng phƣơng pháp SEM để có thể nghiên cứu hình dạng và cấu
trúc bề mặt của các mẫu than hoạt tính từ cây Mai Dƣơng. Qua những ảnh thu
đƣợc có thể đánh giá các sản phẩm than hoạt tính tổng hợp đƣợc từ cây Mai
Dƣơng một cách chính xác và khoa học.
2.4.5. Phương ph p

trí thí nghiệm đ nh gi khả năng hấp phụ của than

hoạt tính từ c y Mai Dương
- Các mẫu than hoạt tính đƣợc điều chế từ cây Mai Dƣơng bằng nhiều
phƣơng pháp tổng hợp khác nhau:
Phƣơng pháp than hóa và biến tính thành than hoạt tính;
Phƣơng pháp tổng hợp than hoạt tính từ tác nhân hoạt hóa nCl2 3M.
- Các mẫu than hoạt tính sau khi đƣợc tổng hợp bằng các phƣơng pháp
khác nhau, tiến hành sử dụng vào các thí nghiệm để đánh giá khả năng hấp
phụ bằng cách: cân chính xác các lƣợng than hoạt tính của các mẫu khác
nhau, cho vào các b nh tam giác đã chứa dung dịch mẫu cần hấp phụ. Lắc đều
trong 30 phút; tiến hành lọc các mẫu qua giấy lọc. Sau đó, xác định nồng độ
của dung dịch mẫu sau khi hấp phụ bằng than hoạt tính.
Chi tiết đƣợc nêu tại chƣơng 3: Thực nghiệm.

20


2.4.6. Phương ph p phân tích các chỉ tiêu, các thông s ô nhiễm
2.4.6.1. Phương ph p ph n t ch khả năng hấp phụ màu Xanh Metylen
Để xác định khả năng hấp phụ

anh Metylen trong dung dịch bằng than

hoạt tính, ta dùng phƣơng pháp so màu quang điện để định lƣợng nồng độ của
Xanh Metylen ở bƣớc sóng 664nm. Sử dụng máy so màu quang điện UVVIS Speetro II của Mỹ.
 Nguyên tắc:
Phƣơng pháp so màu quang điện là phƣơng pháp phân tích dựa trên sự
so sánh cƣờng độ màu của dung dịch nghiên cứu với cƣờng độ màu của dung
dịch tiêu chuẩn (đã xác định đƣợc nồng độ), từ đó suy ra đƣợc hàm lƣợng chất
cần xác định dựa vào phƣơng tr nh đƣờng chuẩn [14].
 ây d ng đư ng chu n:
- Chuẩn bị các dung dịch Xanh Metylen có nồng độ: 0,003; 0,004; 0,006;
0,009; 0,014; 0,021; 0,031; 0,047; 0,07; 0,105 mg/L;
- Tiến hành so màu ở bƣớc sóng λ = 664 nm, từ đó xây dựng phƣơng
tr nh đƣờng chuẩn.
Mẫu sau hấp phụ bằng than hoạt tính, đo ở bƣớc sóng λ = 664 nm, dựa
vào đƣờng chuẩn để xác định nồng độ Xanh Metylen sau khi hấp phụ.
Lưu ý: Mẫu anh Metylen đối chứng sử dụng là mẫu đã lọc qua giấy lọc
để loại bỏ yếu tố gây nên sai số (sự hấp phụ của giấy lọc với Xanh Metylen).
2.4.6.2. Phương ph p ph n t ch nồng độ Mn2+có trong dung dịch
Có nhiều phƣơng pháp có thể xác định đƣợc Mn trong nƣớc nhƣ
phƣơng pháp so màu quang điện (UV-VIS) hay quang phổ hấp phụ nguyên tử
(AAS) [3], [4].
 Nguyên tắc:
Phƣơng pháp so màu quang điện đƣợc tiến hành dựa trên nguyên tắc sau:
Khi oxi hóa Mn bằng chất oxi hóa mạnh nhƣ (NH4)2S2O8 thì Mn sẽ bị oxi hóa
thành Mn+7 làm dung dịch có màu hồng tím, cƣờng độ màu phụ thuộc vào

21


nồng độ Mn có trong mẫu. Đo sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu này ở

bƣớc song 525nm để từ đó định lƣợng hàm lƣợng Mn trong mẫu.
 Yếu tố cản trở:
Ion clo (Cl-) gây cản trở xác định, loại bỏ đƣợc bằng cách thêm dung
dịch bạc nitrat AgNO3, lọc bỏ kết tủa sẽ loại đƣợc Cl-. Nếu có nhiều chất hữu
cơ, loại bỏ bằng cách vô cơ hóa, loại trừ bằng cách thêm vài giọt axit
photphoric. Các chất có màu khác đƣợc loại trừ bằng cách dùng mẫu trắng.


ách ác đ nh:
Lấy 50ml mẫu cần phân tích, thêm 1-2ml dung dịch AgNO3 2N (nếu

xuất hiện kết tủa cần lọc) cuối cùng thêm 0,5g (NH4)2S2O8. Đun sôi trong 10
phút, sau đó để nguội và đo độ hấp thụ quang ở bƣớc sóng 525nm.
 ây d ng đư ng chu n Mn2+:
Lấy lần lƣợt 0; 3; 5; 10; 20; 30 dung dịch chuẩn Mn2+ 0,1 mg/ml cho vào
các cốc 200 ml, sau đó thêm nƣớc cất vào từng cốc đến thể tích khoảng 40ml.
Tiếp theo, thêm 1ml dung dịch AgNO3 2N và 0,5g (NH4)2S2O8. Đun sôi trong
10 phút sau đó để nguội và đo độ hấp thụ quang ở bƣớc sóng 525nm.
2.4.6.3. Phương ph p x c định chỉ tiêu COD trong mẫu nước thải
Đƣợc xác định bằng phƣơng pháp Kalidicromat theo TCVN 6491- 1999
(ISO 6060 – 1989) dựa vào nguyên tắc oxy hóa các chất hữu cơ thành CO2 và
H2O (kể cả các chất hữu cơ dễ phân hủy và khó phân hủy sinh học) [3], [4].
Trình t phân tích:

 Lấy chính xác 2,5ml mẫu nƣớc cho vào ống COD; thêm 1,5ml dung
dịch K2Cr2O7; 3,5ml dung dịch Ag2SO4 trong H2SO4 sau đó vặn chặt nắp ống
COD, cho vào máy nung ở 150oC trong 2 giờ rồi lấy ra để nguội;

 Chuẩn độ: chuyển toàn bộ dung dịch trong ống COD sang bình tam
giác 100ml sau đó tráng ống 5 lần, mỗi lần tráng bằng 3ml nƣớc cất. Thêm 3

giọt chỉ thị Feroin rồi chuẩn độ bằng dung dịch (NH4)Fe(SO4)2 cho đến khi
dung dịch chuyển màu đỏ thì dừng lại. Ghi lại thể tích đã dùng;
- Làm mẫu trắng theo quy tr nh nhƣ trên, nhƣng thay thể tích mẫu thử
bằng nƣớc cất lần.
22


Công thức tính nồng độ COD: COD = (a-b)*C*8000/2,5 (mg/l).
Trong đó:
C : nồng độ đƣơng lƣợng của dd Fe2+ (dlg/l);
a: thể tích dung dịch Fe2+ chuẩn độ mẫu trắng (ml);
b: thể tích dung dịch Fe2+ chuẩn độ mẫu phân tích (ml).
2.4.6.4. Phương ph p x c định chỉ tiêu BOD5 trong mẫu nước thải
ác định bằng phƣơng pháp pha loãng mẫu theo TCVN 6001-1995 (ISO
5815- 1989) dựa trên nguyên tắc sau 5 ngày 70- 80

lƣợng chất hữu cơ dễ

phân hủy sinh học đã đƣợc oxy hóa hoàn toàn [3], [4].
Trình t phân tích:
Pha loãng hoàn toàn mẫu nƣớc theo một tỷ lệ thích hợp bằng một loại
nƣớc giàu oxy hoàn tan có chứa các chất dinh dƣỡng, mẫu phân tích sẽ đƣợc
mang ủ trong 5 ngày (trong điều kiện không có ánh sáng và mẫu hoàn toàn
đầy bình, nút kín). Đo giá trị DO trƣớc và sau khi ủ sẽ xác định đƣợc giá trị
BOD5 theo công thức:
BOD5 = (DO5 – DO)*F (mg/L)
Trong đó: DO5: giá trị DO đo đƣợc sau 5 ngày (mg/l);
DOo: giá trị DO đo đƣợc trƣớc khi ủ (mg/l);
F: hệ số pha loãng.
Tiến hành song song với một mẫu trắng sử dụng nƣớc dùng pha loãng để

phân tích.
Giá tr BOD5 th c được tính bằng công thức:
BOD5t = BOD5 mẫu – BOD5

mẫu trắng

Nƣớc đƣợc dùng để pha loãng đƣợc chuẩn bị bằng cách sục oxy vào
nƣớc cất sạch đến khi bão hòa, hàm lƣợng DO tối thiểu phải đạt 8 mg/l. Sau
đó tiến hành bổ sung dung dịch đệm phophat, dung dịch CaCl2 2,75 g/l,
MgSO4 22,5 g/l, dung dịch FeCl3 0,25 g/l tỷ lệ cứ 1 lít nƣớc cho 1ml các dung
dịch nói trên.

23


2.4.6.5. Phương ph p x c định chỉ tiêu độ đục có trong mẫu nước thải
Dùng thiết bị đo độ đục Lovibond của Đức để xác định độ đục của mẫu.
Đơn vị: NTU.
Nguyên tắc ác đ nh: Đo sự tán xạ ánh sáng khi chiếu một chùm tia sáng
qua dung dịch. Sự tán xạ ánh sáng tỷ lệ với độ đục trong mẫu.
Trƣớc khi tiến hành đo độ đục của các mẫu cần chuẩn hóa lại máy theo
các dung dịch chuẩn. Sau đó, tiến hành đo mẫu theo quy trình vận hành [3].
2.4.6.6. Phương ph p x c định khả năng hấp phụ màu mẫu nước thải
Tiến hành quét phổ của mẫu nƣớc thải trƣớc và sau khi xử lý bằng các
mẫu than hoạt tính để xác định bƣớc sóng cực đại λmax bằng máy so màu
quang điện UV- VIS Speetro II của Mỹ.
Sau khi xác định đƣợc λmax, tiến hành so màu mẫu nƣớc thải trên máy so
màu quang điện để xác định nồng độ hấp phụ Abs của các mẫu than.
2.5. Phƣơng pháp xử lý số liệu
 Tỷ trọng thu hồi than thu được so với lượng an đầu

Khối lƣợng vật liệu sau than hóa
Tỷ trọng thu hồi than =

x100

Khối lƣợng vật liệu trƣớc than hóa

Đơn vị: %
 nh to n dung lượng hấp phụ của mẫu than
Dung lƣợng hấp phụ của mẫu, kí hiệu: a
Đơn vị: mg/g
(Co- C)*V
a=
m
 Tính toán hiệu suất hấp phụ
H=

(Co – C) *100
Co

Đơn vị: %

Trong đó: a: là dung lƣợng hấp phụ của mẫu than hoạt tính
V là thể tích dung dịch phân tích (lít)
m là khối lƣợng mẫu dùng để hấp phụ (g)
Co là nồng độ ban đầu của chất phân tích (mg/L)
C là nồng độ còn lại sau khi hấp phụ (mg/L)
24

Chƣơng 3
THỰC NGHIỆM
3.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
3.1.1. Hóa chất
Bảng 3.1: Danh mục các hóa chất cần thi t cho nghiên cứu
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

Mục đích
Oxi hóa than
Trung hòa bề mặt vật liệu
Chất hoạt hóa
Trao đổi ion với Mn2+

Tên hóa chất

HNO3 đậm đặc
NaOH 0,1M
ZnCl2 3M
HCl 1,2M
Khí N2
(độ tinh khiết 99,99%)
Metylen Blue
Mn2+ nồng độ 100mg/L
AgNO3
(NH4)S2O8
K2Cr2O7
Ag2SO4 trong H2SO4
(NH4)Fe(SO4)2 1,2M
Chỉ thị Feroin
CaCl2 2,75g/L
MgSO4 22,5g/L
FeCl3 0,25g/L

Tạo môi trƣờng khí trơ
Pha dung dịch thử nghiệm
Pha dung dịch thử nghiệm
ác định Mangan

Phân tích COD

ác định chỉ tiêu BOD5

3.1.2. Dụng cụ và thi t bị thí nghiệm
 Dụng cụ:
- Các loại b nh định mức thể tích 50ml, 500ml, 1000ml;

- Các loại cốc thủy tinh có thể tích 5ml, 25ml, 50ml, 250ml, 500ml;
- Các loại bình tam giác thể tích 100ml, 200ml;
- Bình thủy tinh có nút nhám chịu đƣợc nhiệt trên 1000oC;
- Bình thủy tinh có nút nhám thể tích 300ml dùng để phân tích BOD5;
- Buret thủy tinh;
- Giấy lọc, phễu lọc;
- Đũa thủy tinh;
- Các loại pipet 1ml, 2ml, 5ml, 10ml...
 Thiết b :
- Tủ sấy, tủ hút;
- Bếp điện;
25