Khóa luận xử lí nước thải bằng vật liệu FCC tái sinh

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận tốt
nghiệp, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân, em đã nhận được sự
giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của quý thầy cô trong Bộ môn Hóa
học công nghệ và môi trường cùng ban chủ nhiệm khoa Hóa
học- Trường Đại học sư phạm Hà Nội và các anh chị học viên,
bạn bè cùng làm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Bộ môn Môi
trường.
Với lòng tri ân sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn:
Cô giáo – TS. Phùng Thị Lan – Người đã hướng dẫn tận tình chỉ bảo, đóng
góp nhiều ý kiến, giúp đỡ em trong suốt quá trình em hoàn thành đề tài.
Các thầy cô giáo trong tổ Bộ môn Hóa học công nghệ và môi
trường cùng ban chủ nhiệm Khoa Hoá học – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
đã tạo điều kiện cho em học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã nhiệt tình ủng hộ
em trong suốt quá trình xây dựng và hoàn thành đề tài.
Hà Nội, Ngày 5 tháng 5 năm 2017
Sinh viên
Vũ Quỳnh Mai


MỞ ĐẦU
Nước có vai trò hết sức quan trọng trong việc bảo vệ và chăm sóc sức
khỏe cộng đồng. Các nguồn nước được sử dụng chủ yếu là nước mặt và nước
ngầm đã qua xử lí hoặc sử dụng trực tiếp. Phần lớn chúng đều bị ô nhiễm bởi
tạp chất với thành phần và mức độ khác nhau tùy thuộc vào điều kiện địa lí, đặc
thù sản xuất, sinh hoạt của từng vùng và phụ thuộc vào địa hình mà nó chảy
qua hay vị trí tích tụ.
Ngày nay, với sự phát triển của nền công nghiệp, quá trình đô thị hóa và
bùng nổ dân số đã làm cho nguồn nước ngày càng cạn kiệt và ngày càng ô
nhiễm. Hoạt động nông nghiệp sử dụng gắn liền với các loại phân bón trên diện

rộng, các loại nước công nghiệp, sinh hoạt giàu hợp chất nitơ thải vào môi
trường làm cho nước ngầm ngày càng bị ô nhiễm các hợp chất nitơ mà chủ yếu
là amoni.
Amoni không gây độc trực tiếp cho con người nhưng sản phẩm chuyển hoá
từ amoni là nitrit và nitrat là yếu tố gây độc. Các hợp chất nitrit và nitrat hình
thành do quá trình oxi hoá của vi sinh vật trong quá trình xử lý, tàng trữ và
chuyển tải nước đến người tiêu dùng. Sử dụng nước uống có hàm lượng amoni
cao có thể dẫn tời nguy cơ ung thư da, các bệnh về đường tiêu hoá, đặc biệt là
bệnh xanh da ở trẻ em. Vì vậy, việc xử lý amoni trong nước là vấn đề rất đáng
quan tâm.
Phương pháp loại bỏ amoni trong các quá trình xử lí truyền thống bao gồm
phương pháp vật lí, phương pháp hóa học và phương pháp sinh học. Tất cả các
phương pháp này đều gặp khó khăn trong việc loại bỏ amoni hòa tan trong nước
một cách hiệu quả. Quá trình khử nitơ từ nước thải lại đòi hỏi sự kiểm soát
nghiêm ngặt về nhiệt độ nước, pH và các yếu tố khác, cùng với đó là chi phí vận
hành thiết bị cao cho hiệu quả xử lí thấp. Trong số các phương pháp nêu trên
phương pháp hóa học, cụ thể là phương pháp hấp phụ trao đổi ion được đánh giá


là một trong những phương pháp hiệu quả và đơn giản để xử lí amoni hiện nay.
Vật liệu được sử dụng phổ biến, hiệu quả cho phương pháp này là zeolit.
Zeolit là vật liệu vi mao quản có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác và
hấp phụ. Hơn nửa thế kỷ qua, zeolit không ngừng được nghiên cứu và cải tiến.
Sự góp mặt của zeolit đã giúp cho nhiều công nghệ phát triển bền vững và chưa
có vật liệu nào khác có thể thay thế chúng được hoàn toàn.
Vì zeolit là vật liệu aluminosilicat tinh thể nên chúng được tổng hợp từ các
nguồn chứa nhôm và silic, trong các môi trường khác nhau, chủ yếu là môi
trường kiềm và có hoặc không có mặt chất tạo cấu trúc.
Trong những năm gần đây, để tận dụng nguồn nguyên liệu thiên nhiên và
nguyên liệu thải ra trong quá trình sản xuất nông nghiệp, các cơ sở sản xuất

công nghiệp các nhà khoa học trong nước và thế giới đã quan tâm hơn đến việc
sử dụng nguồn vật liệu FCC thải (FCC là xúc tác của phân xưởng crakinh dầu
thô). Đây được coi là một hướng khả thi về công nghệ (kỹ thuật), tạo ra một
đầu ra có nhu cầu lượng lớn cũng như giải quyết sự tồn đọng chất FCC thải
trong công nghiệp lọc hóa dầu ở Việt Nam và trên thế giới.
Từ những lí do trên, chúng tôi lựa chọn đề tài của khóa luận là : “Nghiên
cứu khả năng hấp phụ ion amoni trong nước bằng vật liệu FCC tái sinh.”
Mục đích của đề tài: Tái sinh FCC tạo thành zeolit, sau đó đánh giá khả
năng hấp phụ amoni trong nước.
Nội dung cần nghiên cứu:




Tìm điều kiện tái sinh vật liệu FCC để tổng hợp zeolit A
Tìm điều kiện hấp phụ amoni tối ưu của vật liệu sau tái sinh
Tìm phương trình hấp phụ đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ amoni
trong nước.

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU


. Tác hại của nguồn nước nhiễm amoni
1.1.1.Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước
Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng nhiễm bẩn amoni và các chất hữu
1.1

cơ trong nước ngầm nhưng một trong những nguyên nhân chính là do việc sử
dụng quá mức lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hóa chất đã gây ảnh hưởng
nghiêm trọng đến nguồn nước. Ngoài ra, mức độ ô nhiễm còn phụ thuộc vào loại

hình canh tác của từng khu vực.
•

Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên [1]
Nitơ từ đất, nước, không khí vào cơ thể sinh vật qua nhiều dạng biến đổi

sinh học, hóa học phức tạp rồi lại quay trở về đất, nước, không khí tạo thành một
vòng khép kín gọi là chu trình nitơ.
Trong đất, nitơ chủ yếu tồn tại ở dạng hợp chất hữu cơ. Lượng này càng
được tăng lên do sự phân hủy xác thực vật, chất thải động vật. Hầu hết thực vật
không thể trực tiếp sử dụng những dạng nitơ hữa cơ này mà phải nhờ vi khuẩn
trong đất chuyển hóa chúng thành những dạng vô cơ dễ hấp thụ. Khi được rễ cây
hấp thụ, qua các quá trình biến đổi hóa học, chúng sẽ tạo thành enzim, protein,
clorophin... nhờ đó thực vật lớn lên và phát triển.
Con người và động vật ăn thực vật, sau đó thải cặn bã vào đất cung cấp trở
lại nguồn nitơ cho thực vật. Một số loài thực vật có nốt sần như cây cọ đậu, cỏ
ba lá, cây đinh lăng ... có thể chuyển hóa nitơ trong khí quyển thành dạng nitơ sử
dụng được cho cây. Nitơ đã tạo được một chu trình kín trong tự nhiên.


Hình 1.1: Chu trình Nitơ trong tự nhiên
•

Nguồn gốc gây ô nhiễm do con người [1],[2]
Ngoài quá trình hình thành theo con đường tự nhiên, lượng NO 3-, NO2-,

NH4+ trong chu trình còn tăng lên do các nhà máy sản xuất phân đạm, chất thải
khu đô thị có hàm lượng nitơ cao. Nguồn ô nhiễm nitơ trong nước bề mặt có thể
từ nhiều nguồn khác nhau: Công nghiệp, nông nghiệp, dân cư ... Các ngành
công nghiệp sử dụng nitrat trong sản xuất là nguồn chủ yếu gây ô nhiễm nguồn

nước. Nitrat được thải qua nước thải hoặc rác thải. Trong hệ thống ống khói của
các nhà máy này còn chứa nhiều oxit nitơ thải vào khí quyển, gặp mưa và một số
quá trình biến đổi hóa học khác, chúng rơi xuống đất dưới dạng HNO3, HNO2.
Do đó, hàm lượng của các ion này trong nước tăng lên. Nông nghiệp hiện đại là
nguồn gây ô nhiễm lớn cho nước. Việc sử dụng phân bón hóa học chứa nitơ với
số lượng lớn, thành phần không hợp lý, sử dụng bừa bãi thuốc trừ sâu, diệt
cỏ, ...làm cho lượng nitrat, amoni trong nước bề mặt và ngầm ngày càng lớn.
Trong nước thải sinh hoạt cũng có chứa một hàm lượng nitơ nhất đinh. Việc
nước thải sinh hoạt không được xử lý chảy vào hệ thống các con sông trong
thành phố cũng là một trong các nguồn gốc gây ô nhiễm nước.


Trình trạng khoan, khai thác nước một cánh tuỳ tiện của tư nhân hiện nay
rất phổ biến. Giếng được khoan có độ sâu từ 25 m đến 30 m là nguồn gốc tạo ra
các cửa sổ thuỷ văn đưa chất nhiễm bẩn xuống nước ngầm. Để bù đắp lượng
nước ngầm bị khai thác, quá trình xâm thực tự nhiên được đẩy mạnh, nước ngầm
được bổ sung bằng việc thấm từ nguồn nước mặt xuống. Đây chính là nghiên
nhân của sự gia tăng nồng độ các chất ô nhiễm trong nước ngầm bởi các chất có
nguồn gốc nhân tạo. Do việc phóng thải một lượng lớn các chất thải, nước thải
có chứa nhiều hợp chất Nitơ hoà tan trong nước đã dẫn đến sự gia tăng nồng độ
các chất Nitơ trong nước bề mặt, ví dụ sản phẩm của quá trình urê hoá, amoni và
muối amon từ phân bón, từ quá trình thối rửa và từ dây chuyền sinh học cũng
như từ nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp…Các chất này theo nước
mặt thấm xuyên từ trên xuống hoặc thấm qua sườn các con sông, xâm nhập vào
nước ngầm dẫn tới trình trạng tăng nồng độ amoni trong nước ngầm.
1.1.2. Tác hại của nguồn nước nhiễm amoni
•

Tác hại đối với môi trường[3]
Nước thải giàu nitơ nếu không được xử lí trước khi thải vào môi trường sẽ

gây ra những ảnh hưởng sau:
- Gây hiện tượng phì dưỡng trong hệ sinh thái nước.
- Làm cạn kiệt oxi trong nước
- Gây độc với hệ sinh vật nước
Hiện tượng phì dưỡng trong nước là do dư thừa chất dinh dưỡng dẫn tới sự
phát triển bùng nổ của các loại tảo và vi sinh vật, còn gọi là hiện tượng tảo nở
hoa. Khi đó, mật độ thủy sinh vật trong hồ rất dày đặc làm cho nước có độ màu
và độ đục cao. Ngoài ra khi một số lớn tảo chết đi sẽ cần lượng oxi lớn tương
ứng để phân hủy dẫn đến hàm lượng oxi hòa tan trong nước bị cạn kiệt, làm chết
các sinh vật sống trong nước.
•

Tác hại đối với sức khỏe cộng đồng [3]
Amoni thật ra không gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người.

Trong nước ngầm amoni không thể chuyển hoá được do thiếu oxy, khi khai thác
lên vi sinh vật trong nước nhờ oxy trong không khí chuyển amoni thành nitrit
(NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại tới con người. Chính vì vậy


qui định nồng độ nitrit cho phép trong nước sinh hoạt là khá ngoặt nghèo (bảng
1.1.).
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn một số quốc gia về các hợp chất
Nitơ trong nước cấp [2]
Chỉ
tiêu

Ho
a

Kỳ

Châu Âu
80/778/Ê
C

WH
O
1993

NH4+

_
44,
3
4,4

1,5

1,5

Tiêu
chuẩn
Bộ YTế
1329/200
2
1,5

50

50

50

0,1

3

3

NO3NO2-

Trong cơ thể, nitrit và nitrat có thể ảnh hưởng đến sức khỏe với 2 khả năng
sau: chứng máu Methaemoglobin và ung thư tiềm tàng.
•

Chứng máu Methaemoglobin (hội chứng xanh xao trẻ em):
Hội chứng này là một căn bệnh nguy hiểm xảy ra khi hemoglobin (Fe 2+)
không có khả năng vận chuyển oxi làm cho da trẻ em trở nên xanh tím,
gây kích thích, hôn mê. Nguyên nhân chính là do nước sinh hoạt nhiễm
độc nitrat.

•

Ung thư tiềm tàng:
Ở điều kiện pH axit của dạ dày, nitrat chuyển hóa thành axit nitrơ. Rất
nhiều trong số đó được biết đến như là tác nhân gây ung thư ở súc vật. Đối
với người lớn, nitrit kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm thành
một họ chất nitrosami. Nitrosamin có thể gây tổn thương duy truyền tế
bào, nguyên nhân gây ung thư. Những thí nghiệm cho nitrit vào trong thức

ăn, thức uống của chuột, thỏ…với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép thì
thấy sau một thời gian những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của
chúng.

•

Tác hại đối với quá trình xử lí nước
Amoni là yếu tố gây cản trở trong công nghệ xử lí nước cấp thể hiện ở

hai mặt:




Thứ nhất: nó làm giảm tác dụng của clo là tác nhân sát trùng chủ
yếu áp dụng ở các nhà máy nước Việt Nam, do phản ứng với clo
tạo thành mononcloamin là chất sát trùng thứ cấp hiệu quả kém



hơn clo 100 lần.
Thứ hai: amoni cùng với một số vi lượng trong nước (hữu cơ, sắt,
photpho, mangan…) là “thức ăn” để vi khuẩn phát triển, gây hiện
tượng “không ổn định sinh học” của chất lượng nước sau xử lí.
Nước có thể bị đục, đóng cặn trong hệ thống dẫn, chứa nước.
Nước bị xuống cấp về các yếu tô cảm quan.

Tóm lại tác hại của các hợp chất Nitơ trong nước được trình bày dưới dạng
bảng 1.2. như sau:
Bảng 1.2 : Tác hại của Nitơ trong nước [2]

NO3- trong
Nguôn
nướcgôc
cấpgây ra bệnh methmoglobin- huyêt cho tre sơ sinh (nhất la tre dưới sau than

NO2- trong nước cấp

Đươc xem la nguôn gôc gây bệnh ung thư

- NH4+ kêt hơp với Clo tao ra cac hơp chất cơ Clo trong qua trinh khư trung, m ột chất co têm năng gây

- NH4+ co thê kêt hơp với Clo tao Cloramin la chất lam giam hiệu suất khư trung.
- NH4+NH4+
la nguôn
dinh
dương
trong
nước
cấp đê rêu tao phat triên, vi sinh vật tai phat triên trong đương ông gây ăn mo

1.2.

Các phương pháp xử lý nguồn nước nhiễm amoni [2]
Trong nước ngầm, các hợp chất nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất

hữu cơ là: nitrit, nitrat và amoni. Có rất nhiều phương pháp xử lí amoni trong
nước ngầm đã được các nước trên thế giới thử nghiệm và đưa vào áp dụng, đó là:
(i), làm thoáng để khử NH3 ở môi trường pH cao (pH = 10 - 11); (ii), Clo hóa với
nồng độ cao hơn điểm đột biến (break-point) trên đường cong hấp thụ clo trong

nước, tạo cloramin; (iii), Trao đổi ion NH 4+ và NO3- bằng các vật liệu trao đổi
Cation/Anion; (iv), Nitrat hóa bằng phương pháp sinh học; (v), Nitrat hóa kết


hợp với khử nitrat; (vi), Công nghệ Annamox, Sharon/Annamox (nitrit hóa một
phần amoni, sau đó amoni còn lại là chất trao điện tử, nitrit tạo thành là chất
nhận điện tử, được chuyển hóa thành khí nitơ nhờ các vi khuẩn kỵ khí; (vii),
Phương pháp điện hóa, điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều; v.v...
1.2.1 Phương pháp Clo hoá đến điểm đột biến
Clo gần như là hoá chất duy nhất có khả năng oxi hoá amoni/amoniac ở
nhiệt độ phòng thành N2. Khi hoà tan clo trong nước tuỳ theo PH của nước mà
clo có thể nằm dạng HClo hay ion Clo- do có phản ứng theo phương trình:
Cl2 + H2O
HCl + HClo
(PH<7)
(1.1)
+
HClo
H + Clo
(PH>8)
(1.2)
+
Khi trong nước có NH4 sẽ xảy ra các phản ứng sau:
HClo + NH3

= H2O + NH2Cl (Monocloramin)

HClo + NH2Cl = H2O + NHCl2 (Dicloramin)

(1.3)

(1.4)

HClo + NHCl2 = H2O + NCl3 (Tricloramin)

(1.5)

Nếu có clo dư sẽ xảy ra phản ứng phân huỷ các cloramin
HClo +2 NH2Cl = N2 + 3Cl- + H2O

(1.6)

Lúc này lượng clo dư trong nước sẻ giảm tới số lượng nhỏ nhất vì xảy ra
phản ứng phân huỷ cloramin, điểm tương đương ứng với giá trị này gọi là điểm
đột biến (hình 1.2).

Lương Clo dư

D
B
A

0

C

Amin

Phan ứng với Fe2+, S2
NH3
Amin

N2

mg/l
Lương Clo cho vao dư


Hình 1.2: Đường cong clo hoá tới điểm đột biến đối với nước co amoni
Theo lý thuyết để xử lý NH4+ phải dùng tỷ lệ Cl:N = 7,6:1 song trên thực tế
phải dùng 8:1 hoặc hơn để oxi hoá NH3. Do xảy ra các phản ứng đã nêu, quá
trình clo hoá thực tế xảy ra theo một đường cong có dạng đặc biệt, có “điểm đột
biến” như ở hình 1.2. Những nghiên cứu trước đây cho thấy, tốc độ phản ứng của
clo với các hợp chất hữu cơ bằng một nửa so với phản ứng với amoni [12]. Khi
amoni phản ứng gần hết, clo dư sẽ phản ứng với các hợp chất hữu cơ có trong
nước để hình thành nhiều chất cơ clo có mùi đặc trưng khó chịu. Trong đó
khoảng 15% là các hợp chất nhóm THM-trihalometan và HAA-axit axetic
halogen đều là các chất có khả năng gây ung thư và bị hạn chế nồng độ nghiêm
ngoặc.
Ngoài ra với lượng clo cần dùng rất lớn, vấn đề an toàn trở nên khó giải
quyết đối với các nhà máy lớn. Đây là những lý do khiến phương pháp clo hoá
mặc dù đơn giản về mặt thiết bị, rẻ về mặt kinh tế và xây dựng cơ bản nhưng rất
khó áp dụng.
1.2.2 Phương pháp đuổi khí (Air Stripping)
Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng:
NH4+

NH3 (khí hoà tan) + H+

; pka = 9,5

(1.7)

Như vậy, ở pH gần 7,0 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH 3 so với ion amoni.
Nếu ta nâng pH tới 9,5 tỷ lệ [NH 3]/[ NH4+] = 1, và càng tăng pH cân bằng càng
chuyển về phía tạo thành NH3. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi
khí thì NH3 sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải:
NH4+ + OHNH3 + H2O
(1.8)
Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi NH 3 ở mức
1600 m3 không khí/ m3 nước [12] và quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của môi
trường. Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, khó có thể đưa được nồng
độ NH4+ xuống dưới 1,5 mg/l nên rất hiếm khi được áp dụng để xử lý nước cấp.
1.2.3 Phương pháp Ozon hoá với xúc tác bromua (Br-)


Để khắc phục nhược điểm của phương pháp clo hoá điểm đột biến người ta
có thể thay thế một số tác nhân oxi hoá khác là ozon với sự có mặt của Br -. Về
cơ bản xử lý NH4+ bằng O3 với sự có mặt của Br- cũng diễn ra theo cơ chế giống
như phương pháp xử lý dùng clo. Dưới tác dụng của O 3, Br- bị oxi hoá thành
BrO- theo phản ứng sau đây:
Br- + O3 + H+ = HBrO + O2

(1.9)

Phản ứng oxy hoá NH4+ được thực hiện bởi ion BrO- giống như của ion
ClO-:
NH3

+ HBrO

= NH2Br + H2O

NH2Br + HBrO = NHBr2 + H2O
NH2Br + NHBr2

= N2 + 3Br- + H+

(1.10)
(1.11)
(1.12)

Đây chính là điểm tương đồng của hai phương pháp clo hoá và ozon hoá
xúc tác Br-.
1.2.4. Phương pháp sinh học
Đây là phương pháp xử lý amoni được nhiều nhà khoa học trong và ngoài
nước quan tâm nghiên cứu và cũng cho được nhiều kết quả khả quan. Mặc dù
xử lý sinh học cũng được thực hiện bằng nhiều quá trình vật lý, hoá học và hoá
lý nhưng phương pháp sinh học lại mang một ý nghĩa hoàn toàn khác và ngày
càng trở nên quan trọng. Phương pháp vi sinh xuất phát từ những tính năng của
nó như xử lý dễ dàng các sản phẩm trong nước, không gây ô nhiễm thứ cấp đồng
thời cho ra sản phẩm nước với một chất lượng hoàn toàn bảo đảm sạch về mặt
hoá chất độc hại và ổn định về hoạt tính sinh học, chất lượng cao (cả về mùi, vị
và tính ăn mòn).
Ở phương pháp sinh học có thể thực hiện bao gồm hai quá trình nối tiếp
nhau là nitrat hoá và khử nitrat hoá như sau:
a) Quá trình nitrat hoá:
Quá trình chuyển hoá về mặt hoá học được viết như sau:
NH4+ + 1,5O2 → NO2- + 2H+ + H2O
NO2- + 0,5O2 → NO3-

(1.13)
(1.14)

Phương trình tổng:
NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O

(1.15)


Như vậy, 1,0 mol NH4+ tiêu thụ 2,0 mol O2 hay 1,0 g N-NH4+ tiêu thụ 4,57 g
O2, 1,0 mol NH4+ tạo thành 1,0 mol NO3-, 1,0 mol NH4+ tạo thành 2,0 mol H+.
Lượng H+ tạo ra phản ứng với độ kiềm HCO 3-, như vậy 1gN-NH4+ tiêu thụ 7,14g
độ kiềm (qui về CaCO3.
b) Quá trình khử nitrat hoá:
Khác với quá trình nitrat hoá quá trình khử nitrat hoá sử dụng oxi từ nitrat
nên gọi là anoxic (thiếu khí). Các vi khuẩn ở đây là dị dưỡng nghĩa là cần nguồn
cacbon hữu cơ để tạo nên sinh khối mới.
Quá trình khử nitrat hoá là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp nhau:
NO3-

NO2-

NO

N2 O

N2

Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất (chất cho điện tử) chúng có thể là
chất hữu cơ (phổ biến là axit axetic), H2 và S. Khi có mặt đồng thời NO3- và các

chất cho điện tử, chất cho điện tử bị oxi hoá, đồng thời NO 3- nhận điện tử và khử
về N2.
Vi khử tham gia vào quá trình khử nitrat bao gồm:Bacilus, Pseudômnas,
Methanomonas, Paracocas, Spiritum, Thiobacilus, …Chỉ có Thiobaciluc
denifrifcans là sử dụng nguồn điện tử S nghiên tố để tạo năng lượng và nguồn
cacbon vô cơ (từ CO2 và HCO3-) để tổng hợp tế bào mới.

1.2.5. Phương pháp hấp phu trao đổi ion
Quá trình trao đổi ion là một quá trình hoá lý thuận nghịch trong đó xảy ra
phản ứng trao đổi giữa các ion trong dung dịch điện ly với các ion trên bờ mặt
hoặc bên trong của pha rắn tiếp xúc với nó. Quá trình trao đổi ion tuân theo định
luật bảo toàn điện tích, phương trình trao đổi ion được mô tả một cách tổng quát
như sau:
AX + BAB + XCY + D+
CD + Y+
Trong đó AX là chất trao đổi anion, CY là chất trao đổi cation.

(1.16)
(1.17)


Phản ứng trao đổi là phản ứng thuận nghịch, chiều thuận được gọi là chiều
trao đổi, chiều nghịch được gọi là chiều phản ứng tái sinh. Mức độ trao
đổi ion phụ thuộc vào:
● Kích thước hoá trị của ion.
● Nồng độ ion có trong dung dịch.
● Bản chất của chất trao đổi ion.
● Nhiệt độ.
Nhựa trao đổi ion dạng rắn được dùng để thu những ion nhất định trong
dung dịch và giải phóng vào dung dịch một lượng tương đương các ion khác có

cùng dấu điện tích. Nhựa trao đổi cation (cationit) là những hợp chất cao phân tử
hữu cơ có chứa các nhóm chức có khả năng trao đổi với công thức chung là RX.
Trong đó R là gốc hữu cơ phức tạp, có thể là: COOH -, Cl-,…Phản ứng trao đổi
cation giữa chất trao đổi và cation có trong dung dịch.
¬
→
+
R-H(Na) + NH4
R-NH4 + H+(Na+)
¬
→
2+
2R-H + Ca
R2Ca + 2H+

(1.18)
(1.19)

Chất trao đổi ion có thể có sẵn trong tự nhiên như các loại khoáng sét, trong
đó quan trọng nhất là zeolit, các loại sợi,…cũng có thể là chất vô cơ tổng hợp
(aluminosilicat, aluminophotphat,…) hoặc hữu cơ (nhựa trao đổi ion). Trongthực
tế nhựa trao đổi ion được sản xuất và ứng dụng rộng rải nhất. Trong nước ngầm
ngoài ion amoni (thường chiếm tỉ lệ thấp so với các cation khác) còn tồn tại các
cation hoá trị I và hoá trị II như Ca 2+,Mg2+, K+, Na+,…phần lớn các nhựa cation
có độ chọn lọc thấp đối với ion amoni.
Mặc dù có nhiều phương pháp xử lí, nhưng phương pháp hấp phụ amoni và
phương pháp trao đổi amoni nhờ vật liệu hấp phụ hoặc vật liệu trao đổi ion là
phương pháp hiệu quả và đơn giản về kĩ thuật nhất hiện nay.
1.3. Vật liệu FCC (hoặc RFCC) và ứng dụng của vật liệu FCC
1.3.1.

Nguồn gốc
Như mọi người đã biết [4,13,14], một trong những quá trình quan trọng

nhất của nhà máy lọc dầu là công đoạn cracking FCC (Fluid catalytic cracking –


cracking với sự có mặt của chất xúc tác trong trạng thái pha lưu thể).
Chất xúc tác cracking ban đầu (Fresh catalyst, F-FCC) tham gia phản ứng
cracking các hydrocacbon mạch dài thành mạch ngắn nhờ các tâm xúc tác axit
bề mặt (H+bm) của chất xúc tác. Song, do các phản ứng phụ và các tạp chất dòng
nguyên liệu mà hoạt tính chất xúc tác bị giảm nhanh sau các bước phản ứng và
hoàn nguyên, dần dần F-FCC chuyển thành chất xúc tác cân bằng (Equilibrium
catalyst, E-FCC) với hoạt tính vẫn nằm trong vùng giới hạn quy định. Khi chất
xúc tác có hoạt tính cracking thấp, người ta phải loại ra khỏi vòng quay xúc tác
và tạo ra chất xúc tác thải (Spent catalyst, S-FCC ). Lượng S-FCC thải rất lớn so
với các chất xúc tác khác trong nhà máy lọc dầu. Nhà máy Dung Quất với công
suất 6,5 triệu tấn/năm dầu thô, hằng năm thải ra cỡ ~ 1450 tấn/năm S-FCC [5].
Chất xúc tác S-FCC là một dạng chất thải rắn bị che phủ bởi lớp cốc và một số
ion kim loại nặng như Ni2+, Fe2+, Cr3+… cần phải được xử lý thích hợp trước khi
thải bỏ. Do mục đích kinh tế và bảo vệ môi trường, người ta xây dựng lên một ý
tưởng xử lý tái sinh S-FCC thành các sản phẩm hữu ích như: tái sinh S-FCC
thành các vật liệu hấp phụ để xử lý môi trường khí [15], nước [16]…hoặc chế
tạo chất phụ gia cho phân bón nhả chậm, phân vi lượng cho cây trồng (dựa vào
tính chất trao đổi ion) [16] là một hướng khả thi về công nghệ, nhất là để chế tạo
vật liệu phục vụ nông nghiệp.
1.3.2.

Đặc điểm
Các số liệu khi khảo sát đặc trưng cơ bản của chất xúc tác FCC thải của nhà

máy lọc dầu Dung Quất giai đoạn 2010 - 2014 thông qua các phương pháp hóa lí
(BET, XRF, XRD, TGA-DTA) cho thấy:
Xúc tác FCC của nhà máy Dung Quất (trong giai đoạn 2010 - 2014) được
sản xuất từ 2 hợp phần chính zeolit USY () với pha nền kaolinit, tương ứng với tỉ
lệ phần mol [6].
Trong quá trình cracking, bề mặt riêng của xúc tác giảm từ ~ 200m2/g đến
100 m2/g, kích thước vi mao quản trung bình tăng từ 30A0 đến 50A0. Sau phản
ứng cracking, ~ 70% tinh thể zeolit bị phá vỡ và kèm theo quá trình tái hợp
nhôm làm cho tỉ số của zeolit giảm đến 2,5[6].
Sau cracking, trong xúc tác thải vẫn còn 30% tinh thể zeolit Y và pha


aluminisilicat vô định hình (metakaolinit, Y vô định hình hóa…). Do đó, S-FCC
rất có triển vọng biến tính thành vật liệu hấp phụ theo cơ chế trao đổi ion[6].
1.3.3. Ứng dụng
Một số ứng dụng được các tác giả thực hiện trên vật liệu FCC tái sinh hay
S-FCC thải biến tính
•

Biến tính vật liệu xúc tác FCC thải sử dụng cho quá trình hấp phụ động
hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
Vật liệu FCC thải được tái sinh theo phương pháp loại bỏ cốc [9], sau đó

loại bỏ các kim loại nặng hấp phụ trên FCC thải [15 ]. Quy trình biến tính vật
liệu FCC đã tái sinh: mẫu xúc tác FCC thải ban đầu được rửa sạch trước khi
nung trong không khí, sau đó được xử lí bằng axit Oxalic, cuối cùng vật liệu
được biến tính bằng glucozo trước khi nung yếm khí [10].
Vật liệu sau biến tính được đặc trưng bằng các phương pháp hấp phụ và
khử hấp phụ nitơ, nhiễu xạ tia X và hồng ngoại. Diện tích bề mặt riêng của mẫu

vật liệu biến tính FCC-glucozo tăng gần 3 lần và thể tích lỗ xốp tăng hơn 2 lần
so với vật liệu FCC thải ban đầu [10].
Kết quả hấp phụ động toluen cho thấy vật liệu biến tính FCC-glucozo thể
hiện khả năng hấp phụ toluen ở khoảng nồng độ 10.000 - 30.000 ppm cao hơn
nhiều so với vật liệu FCC thải ban đầu. Thời gian hấp phụ hiệu quả của vật liệu
FCC-glucozo đạt 170 - 250 phút, trong khi thời gian hấp phụ hiệu quả của vật
liệu FCC thải ban đầu là 5 - 10 phút ở khoảng nồng độ khảo sát[10].
•

Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại (Cu 2+, Pb2+, Ni2+, Cd2+)
và NH4+ bằng vật liệu S-FCC biến tính
Vật liệu S-FCC được biến tính với các tác nhân NaOH, Al(OH) 3, gel ướt

NaA, trong điều kiện thích hợp, tạo ra vật liệu S-FCC-A [11].
Tốc độ hấp phụ các ion trên vật liệu S-FCC-A rất khác nhau. Quá trình hấp
phụ Cu2+ có tốc độ hấp phụ lớn nhất, Ni2+ bị hấp phụ chậm nhất, theo trật tự sau:
Cu2+ ˃ Cd2+˃ Pb2+˃ Ni2+
1.4.
1.4.1.

Hấp phụ
Khái niệm chung về hấp phụ
Bên trong bề mặt rắn thường bao gồm các nguyên tử (ion hoặc phân tử),

giữa chúng có các liên kết cân bằng để tạo ra các mạng liên kết cứng (chất vô


định hình) hoặc các mạng tinh thể có quy luật (chất tinh thể). Trong khi đó, các
nguyên tử (ion hoặc phân tử) nằm ở bề mặt ngoài không được cân bằng về liên
kết, do đó, khi được tiếp xúc với chất khí (hay lỏng), vật rắn luôn có khuynh

hướng thu hút các phân tử khí (lỏng) lên bề mặt của nó để cân bằng liên kết. Kết
quả là, nồng độ của chất khí (lỏng) trên pha bề mặt lớn hơn pha thể tích. Người
ta gọi đó là hiện tượng hấp phụ.
Hấp phụ là quá trình gia tăng lượng (nồng độ) chất trên pha bề mặt so với
nồng độ chất đó trong pha thể tích.
Bề mặt vật liệu rắn gọi là chất hấp phụ (vật liệu hấp phụ)
Các nguyên tử, ion, phân tử trong pha thể tích gọi là chất bị hấp phụ.
Khi lực hấp phụ là lực vật lý thì quá trình hấp phụ gọi là hấp phụ vật lý.
Khi lực hấp phụ là lực liên kết hóa học thì quá trình hấp phụ gọi là hấp
phụ hóa học. Hấp phụ hóa học là cơ sở cho quá trình xúc tác dị thể. Song cần
phải lưu ý rằng, trong xúc tác dị thể, các liên kết hóa học không được quá yếu
hoặc quá bền. Nếu yếu quá thì chưa đủ hình thành liên kết mới với chất xúc tác,
còn quá bền thì chất xúc tác không còn là tác nhân trung gian sẽ là sản phẩm
bền vững.
Một vài điểm khác nhau cơ bản của hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học:
(i) Bản chất của lực tương tác: đối với hấp phụ vật lý, lực tương tác là lực
vật lý (van der Van), còn đối với hấp phụ hóa học, lực tương tác là lực liên kết
hóa học.
(ii) Nhiệt hấp phụ ΔHhp (enthalpy hấp phụ - là hiệu ứng nhiệt tỏa ra khi
một mol chất được chuyển từ trạng thái khí vào trạng thái hấp phụ). Đối với hấp
phụ hóa học, giá trị nhiệt hấp phụ đặc trưng cho một phản ứng hóa học nói
chung, dao động trong khoảng 50 - 200 kJ/mol (12 - 50 kcal/mol). Đối với hấp
phụ vật lý, ΔHhp thường gần với enthalpy hóa lỏng hoặc bay hơi và thường nhỏ
hơn 20 kJ/mol (< 10 kcal/mol).
(iii) Hấp phụ hóa học chỉ tạo ra một đơn lớp hấp phụ bề mặt còn hấp phụ
vật lý có sự hình thành nhiều lớp hấp phụ (đa lớp hấp phụ), nhất là khi áp suất
cân bằng gần với áp suất bão hòa của chất bị hấp phụ.
(iv) Xét về năng lượng hoạt hóa và tốc độ của quá trình hấp phụ, hấp phụ
vật lý không có năng lượng hoạt hóa nên tốc độ hấp phụ vật lý nhỏ (quá trình
hấp phụ xảy ra nhanh), ngược lại, hấp phụ hóa học có năng lượng hoạt hóa

nhưng năng lượng hoạt hóa lại khá nhỏ nên tốc độ phản ứng cũng nhỏ. Trong
thực tế, rất khó phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học bằng tốc độ phản
ứng. Khi tốc độ phản ứng nhỏ, có thể nghĩ đến quá trình hấp phụ hóa học vì nó
đòi hỏi một năng lượng hoạt hóa thấp. Tuy nhiên, nhiều khi tốc độ hấp phụ nhỏ
lại do sự khuếch tán chậm của các phân tử trong các mao quản.
(v) Hấp phụ vật lý có tính chất thuận nghịch cao còn hấp phụ hóa học có
tính chất thuận nghịch thấp.
(vi) Xét về khả năng ứng dụng, hấp phụ hóa học là giai đoạn then chốt để
chuẩn bị cho các phân tử có thể tham gia phản ứng xúc tác do hấp phụ hóa học
có tác dụng chuyển dịch phân tử đến trạng thái hoạt động hơn (kích thích).
Ngược lại, hấp phụ vật lý có tác dụng không đáng kể trong xúc tác. Tuy nhiên,
hấp phụ vật lý có thể áp dụng cho việc xác định bề mặt riêng của vật liệu mao
quản.
1.4.2. Một số đại lượng hấp phụ thường gặp
(i) Độ hấp phụ (θ): là phần bề mặt bị hấp phụ của vật liệu hấp phụ.
Nếu bề mặt hấp phụ ban đầu kí hiệu là S 0 và bề mặt bị hấp phụ sẽ được kí
hiệu là S

θ=

thì độ hấp phụ θ sẽ là:

S
S0

, 0<θ <1

(ii) Dung lượng hấp phụ (q (mol/g hoặc mg/g)) là lượng chất bị hấp phụ (mol

hoặc mg) tính cho 1 đơn vị khối lượng chất hấp phụ.
Tại T = const, mối quan hệ giữa dung lương hấp phụ (q) và áp suất (P i)
hoặc nồng độ (Ci) của chất bị hấp phụ được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ:
q = f(Pi hoặc Ci), T = const
Hay
qe =

(Co − Ce ).V
m

(1.20)


Với

Co : nồng độ đầu của chất bị hấp phụ
Ce : nồng độ cân bằng chất bị hấp phụ sau hấp phụ cân bằng
V : thể tích dung dịch chất bị hấp phụ đã sử dụng
m : khối lượng của chất hấp phụ

1.4.3. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Mô hình đẳng nhiệt Langmuir được xây dựng trên giả định như sau:
- Sự hấp phụ hóa học xảy ra theo cơ chế đơn lớp.
- Một tâm hấp phụ chỉ hấp phụ một đơn vị chất bị hấp phụ (nguyên tử, ion,
phân tử), giữa các chất bị hấp phụ không tương tác với nhau.
- Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất (hình học và năng lượng) ΔHhp = const (θ).
- Tồn tại cân bằng hấp phụ và khử hấp phụ.
Ở dạng phi tuyến, phương trình đẳng nhiệt Langmuir có dạng:
K C
qe = qm × L e

1 + K L Ce

(1.21)

Trong đó,
KL: hằng số hấp phụ hay lực hấp phụ, phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt hấp

0

0

phụ (ΔH ) và cấu hình, cấu trúc của chất hấp phụ (ΔS ) (

K = K0e

−

∆H 0
RT

,

K0 = e

∆S0
R

qe: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mmol/g hoặc mg/g)
q0: dung lượng hấp phụ cực đại hình thành một đơn lớp hấp phụ bề mặt
Ở dạng tuyến tính phương trình này có dạng:

Ce
C
1
=
+ e
qe qm K L q m

(1.22)

q

bc
a

O

Pnhỏ

PTB

o o o o o o o o oooooo

Plon

).


Hình 1.3. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Mô hình này được ứng dụng nhiều cho chất hấp phụ có bề mặt đồng nhất
(hình học và năng lượng) và các phản ứng xúc tác dị thể.

1.4.4. Đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich
Giả thuyết của mô hình đẳng nhiệt Freundlich :
Phương trình Freundlich áp dụng cho sự hấp phụ chất khí hay chất hòa tan
trong dung dịch lỏng và giả thiết cơ chế hấp phụ là đa lớp :
Dạng phương trình đẳng nhiệt Freundlich :
 Dạng tích phân : qe = KF .
(1.23)
 Dạng tuyến tính : log qe = log KF +( ).log Ce (1.24)
Với KF : hằng số Freundlich
n : hằng số Freundlich, n ˃ 1đặc trưng cho sự hấp phụ thuận lợi


CHƯƠNG II: QUI TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Hóa chất và dụng cụ:
2.1.1. Hóa chất
Hóa chất được sử dụng được trình bày trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Danh mục hóa chất đã sử dụng.
TT
1
2
3

Hóa chất
NaOH
Al(OH)3 ở dạng ghipsit
FCC thải

4
Muối rắn NH4Cl

5
Thuốc thử Nester
6
Muối rắn Ca Cl2
7
Muối EDTA
2.1.2. Dụng cụ

Xuất sứ
Trung Quốc
Trung Quốc
Nhà máy lọc dầu Dung Quất
trong giai đoạn 2010- 2014
Trung Quốc
Tự pha từ hóa chất ần thiết
Trung Quốc
Trung Quốc

- Bình tam giác
- Máy lắc điều nhiệt
- Máy khuấy từ gia nhiệt.
2.2. Qui trình tái sinh FCC thải thành zeolit A
Qui trình tái sinh FCC thải thành zeolit A bao gồm các bước sau:
o
- Bước 1: Hoạt hóa FCC thải ở 600 C, trong 4 giờ để loại bỏ sản
-

phẩm cốc bám trên bề mặt chất xúc tác FCC.
Bước 2: Tổng hợp dung dịch aluminat NaAlO2 với thể thích V =

-

60mL từ NaOH đặc nóng và ghipsit.
Bước 3: Thực hiện giai đoạn đồng thể hóa của hỗn hợp aluminat và
FCC rắn:


Nhỏ từ từ 60 mL dung dịch NaAlO2 vào m (g)
FCC thải ( nếu m = 100g, kí hiệu mẫu là M1 và nếu



m = 25g kí hiệu mẫu là M2).
Khuấy cơ liên tục hỗn hợp trong 5 giờ để hỗn hợp
được đồng thể hóa và để già hóa qua đêm ở nhiệt
độ phòng.


-

Bước 4: Thực hiện giai đoạn kết tinh hỗn hợp thu được ở bước 3
bằng cách đun sôi cách thủy ở 85 - 90oC trong 24 giờ và có sinh hàn

nước hồi lưu.
2.3. Các phương pháp đáng giá đặc trưng của mẫu sau tái sinh (mẫu M1 và
mẫu M2)
2.3.1. Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR
Phổ hồng ngoại là một phương pháp đơn giản để nghiên cứu cấu trúc của
các vật liệu rắn nói chung và zeolit nói riêng.
Khi phân tử dao động, các nguyên tử xê dịch quanh vị trí cân bằng. Các

dao động cơ bản được chia ra thành dao động hóa trị và dao động biến dạng, dao
động đối xứng và dao động phản đối xứng.
•

Dao động hóa trị: là dao động mà các nguyên tử xê dịch dọc theo đường
liên kết, làm thay đổi độ dài liên kết. Tần số dao động hóa trị được kí hiệu

•

là ν.
Dao động biến dạng: là dao động làm thay đổi góc hóa trị α giữa các liên

•

kết, kí hiệu là δ.
Dựa vào phép biến đổi đối xứng mà người ta chia các dao động cơ bản ra
thành các dao động đối xứng νs, δs và phản đối xứng ναs, δαs.
Năng lượng để chuyển hóa các mức dao động tương đương với năng lượng

bức xạ hồng ngoại. Do đó, người ta gọi phổ dao động là phổ hồng ngoại.
Như vậy, với một số thay đổi bất kì về phương hay giá trị các momen
lưỡng cực khi phân tử dao động đều có thể hấp thụ bức xạ hồng ngoại để cho
hiệu ứng phổ dao động. Bằng thực nghiệm người ta có thể xác định các bước
sóng của hấp phụ hồng ngoại tương ứng với liên kết giữa các nguyên tử, có
nghĩa là tại bước sóng đó liên kết hấp thụ năng lượng bức xạ để chuyển sang
mức dao động kích thích và bước sóng đó đặc trưng cho liên kết tương ứng.
2.3.2. Phương pháp phổ nhiễu xạ rownghen (XRD)
Phương pháp nhiễu xạ tia X là phương pháp phổ biến và hiện đại được ứng
dụng để nghiên cứu các vật liệu rắn có cấu trúc tinh thể và vi tinh thể. Hình 2.1.
là miêu tả sự phản xạ trên bề mặt tinh thể của các vật liệu rắn có cấu trúc tinh

thể và vi tinh thể.


Hình 2.1 Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể.
Nguyên tắc hoạt động của máy nhiễu xạ tia X dựa vào định luật phản xạ
Bragg: Xét hai mặt phẳng liên tiếp P và Q song song, cách nhau một khoảng
cách d. Nếu chiếu chùm tia X với bước sóng λ tạo với các mặt phắng này một
góc θ thì theo điều kiện giao thoa, để các sóng phản xạ trên hai mặt phẳng P và
Q cùng pha, hiệu quang trình phải bằng số nguyên lần độ dài bước sóng đó.
Δ = 2.d.sinθ = n.λ (n là số nguyên)
Đặc trưng giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu:
- Vị trí các pic phổ: cho biết thông số mạng (loại ô mạng, kích thước ô
mạng,…) và thành phần pha (khi so sánh với các phổ chuẩn).
- Hình dạng và bề rộng pic: cho biết mức độ tinh thể hóa, khiếm khuyết
do biến dạng cấu trúc và kích thước hạt.
- Đường nền: cho biết mức độ tinh thể hóa của vật liệu.
2.3.3. Độ hấp phụ nước
Độ hấp phụ nước là thông số cơ bản bước đầu đánh giá khả năng hấp phụ
của zeolit A, là phần trăm hơi nước bị hấp phụ bão hòa trên bề mặt vật liệu rắn.
Cách tiến hành :
-

Sấy khô vật liệu rắn (mẫu M1 và M2) ở 100 -110o C trong 24 giờ để đảm
bảo mẫu khô.

-

Cân a1(g) vật liệu rắn vào cốc cân (đối với nghiên cứu này: a1 = 1,020 g
mẫu M1 hoặc mẫu M2

-

Đặt cốc cân chứa mẫu vào bình kín có chứa nước rồi đậy kín. Tại đây mẫu

-

M1 hoặc M2 sẽ hấp phụ hơi nước đến khi bão hóa ( khoảng 24 giờ)
Sau đó cân trọng lượng mẫu sau hấp phụ (a2)
Tính kết quả :
A = .100%

(2.1)

Trong đó: a1 : khối lượng mẫu và cốc trước hấp phụ
a2 : khối lượng mẫu và cốc sau hấp phụ
2.3.4. Dung lượng trao đổi ion CEC (cation exchanged capacity)
Dung lượng trao đổi ion CEC được sử dụng để bước đầu đánh giá khả năng
trao đổi ion của một vật liệu. Thông số này được xác định bằng cách trao đổi
cation Ca2+ hoặc Ba2+ với vật liệu cần xác định. Sau đó, CEC được tính bằng số
mili đương lượng hoặc số miligam cation trao đổi trong 1 gam vật liệu rắn cần
xác định theo công thức (2.2):
CEC =

Với

(Co − Ce ).V
m

(2.2)

Co : nồng độ đầu của cation Ca2+ hoặc Ba2+
Ce : nồng độ cân bằng cation Ca2+ hoặc Ba2+sau hấp phụ bão hòa
V : thể tích dung dịch Ca2+ hoặc Ba2+ đã sử dụng
m : khối lượng của chất hấp phụ (M1 và M2)

2.4. Phương pháp trắc quang
2.4.1. Cơ sở của phương pháp trắc quang
Phân tích trắc quang là tên gọi chung của các phương pháp phân tích quang
học dựa trên sự tương tác chọn lọc giữa chất cần xác định với năng lượng bức xạ
thuộc vùng tử ngoại, khả kiến hoặc hồng ngoại.
Nguyên tắc của phương pháp trắc quang là dựa vào lượng ánh sáng đã bị
hấp thu bởi chất hấp thu để tính hàm lượng của chất hấp thu.
Trong phương pháp trắc quang ─ phương pháp hấp thu quang học, chúng ta
thường sử dụng vùng phổ UV-VIS có bước sóng từ 200-800 nm.
Chiếu bức xạ đơn sắc có cường độ Io qua dung dịch chứa cấu tử khảo sát có
nồng độ C. Tại bề mặt cuvet đo, một phần bức xạ bị phản xạ có cường độ IR, một
phần bức xạ bị hấp phụ có cường độ IA, bức xạ ra khỏi dung dịch có cường độ I.


IA

Do đó, Io = IR + IA + I
Chọn cuvet có bề mặt nhẵn, truyền suốt để IR = 0 → Io = IA + I
Định luật Bouguer-Lambert-Beer :
(2.3)
với
ℰ : hằng số đã biết
l : bề dày cuvet
Từ đây có thể áp dụng dễ dàng định luật Beer vào việc xác định nồng độ

các chất tan bằng cách đo độ hấp thu A của chúng.
2.4.2. Phương pháp trắc quang xác định amoni bằng thuốc thử Nestler
2.4.2.1. Thuốc thử Nestler và phương trình phản ứng giữa thuốc thử nestler và
amoni
Thuốc thử Nestler là muối phức K2HgI4.
Thuốc thử Nestler trong dung dịch kiềm có khả năng phản ứng với một
lượng nhỏ amoni tạo thành phức chất dạng keo màu vàng nâu. Cường độ màu
của phức chất tạo thành tỷ lệ thuận với nồng độ amoni. Phương trình phản ứng
giữa thuốc thử nestler và amoni diễn ra như sau:
2(K2HgI4) + NH3 + KOH → (NH2)Hg-O-HgI + 7KI + 2H2O

(2.4)

2.4.2.2. Phương trình đường chuẩn xác định amoni
Phương trình đường chuẩn được xây dựng như sau:
- Chuẩn bị 6 dung dịch chuẩn trong khoảng tuân theo định luật Beer
- Thực hiện phản ứng màu với thuốc thử
- Đo mật độ quang ở

max

so với các dung dịch so sánh được chuẩn bị giống

như dung dịch tiêu chuẩn nhưng không chứa ion cần xác định.
- Biểu diễn sự phụ thuộc A theo C trên đồ thị hoặc tính theo phương trình
hồi quy A=a×C+ b với a, b là hệ số cần tìm của phương trình hồi quy- tương
quan.


- Dung dịch cần xác định được chuẩn bị và phản ứng màu giống như mẫu

chuẩn. Ta tiến hành phản ứng và đo được mật độ quang của mẫu ( A mẫu = y), ta
có thể tính được nồng độ của mẫu:
x=
Phương trình đường chuẩn xác định amino với thuốc thử Nester (hình 2.2)

•

2.2
2.0
1.8
1.6

A

1.4
1.2
1.0

A = 0,17696 *Ce +0,01523
R2 = 0,998

0.8
0.6
0.4
0

10

20

30

40

50

Co (mg/L)

Hình 2.2. Đường chuẩn xác định amino với thuốc thử Nester
Từ hình 2.2. cho thấy phương trình đường chuẩn xác định amino với thuốc
thử Nester như sau:
2.4.2.3.

A = 0,17697 * Ce + 0,01523
Điều kiện tạo phức mầu amoni với thuốc thử nestler:

Dùng pipet 5ml hút vào lọ 5ml dung dịch amoni, cho tạo phức với 2ml
dung dịch Nessler.
Dung dịch amoni trước khi tạo phức với Nessler đã được pha loãng theo tỉ
lệ thích hợp đến khi quan sát màu của phức nằm trong khoảng vùng đường
chuẩn đo được (A < 2).
Dung dịch sau tạo phức để ổn định và phát triển màu trong 15 phút, rồi đem
đo quang ở bước sóng 425 nm.