Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu geothite ứng dụng xử lý kim loại nặng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM THỊ PHƯƠNG THẢO

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC
VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU GEOTHITE
ỨNG DỤNG XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN, NĂM 2017
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www. lrc.tnu.edu.vn/


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM THỊ PHƯƠNG THẢO

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC
VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU GEOTHITE
ỨNG DỤNG XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG
Chuyên ngành: Hoá phân tích
Mã số: 60.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đình Vinh

THÁI NGUYÊN, NĂM 2017
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www. lrc.tnu.edu.vn/


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin được gửi tới TS. Nguyễn Đình Vinh lời biết ơn chân
thành và sâu sắc nhất. Người đã trực tiếp giao đề tài và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn,
truyền đạt những kinh nghiệm quí báu, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và
hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ĐH Quốc Gia Hà Nội. Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. Viện Hóa học -Viện hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Khoa Hóa học- Trường Đại học Sư phạm
Hà Nội, Khoa Hoá học - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã tạo
điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Và tôi cũng xin chân thành cảm ơn đơn vị cơ quan nơi tôi công tác đã tạo
điều kiện để tôi học tập, nghiên cứu hoàn thành tốt bản luận văn. Cuối cùng tôi xin
được cảm ơn những người thân trong gia đình, đã luôn động viên, cổ vũ để tôi hoàn
thành tốt luận văn của mình.
Thái Nguyên, ngày 16 tháng 5 năm 2017
Tác giả

Phạm Thị Phương Thảo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

a

http://www. lrc.tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. a
MỤC LỤC ................................................................................................................... b
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... d
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................... f
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. d
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 3
1.1. Tổng quan về kim loại nặng ................................................................................. 3
1.1.1. Định nghĩa ......................................................................................................... 3
1.1.2. Ảnh hưởng của một số kim loại nặng tới sinh vật và con người ...................... 3
1.1.3. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước ở Việt Nam .............................. 5
1.1.4. Các phương pháp xử lí kim loại nặng trong nước ............................................ 6
1.2. Tổng quan về vật liệu α-FeOOH .......................................................................... 9
1.2.1. Giới thiệu về oxi-hiđroxit sắt ............................................................................ 9
1.2.2. Vật liệu goethite, α-FeOOH ............................................................................ 11
1.3. Cơ chế hấp phụ của vật liệu FeOOH ................................................................. 12
1.3.1. Cơ sở lí thuyết ................................................................................................. 12
1.3.2. Sự hấp phụ của vật liệu FeOOH ..................................................................... 18
1.4. Ứng dụng của vi sóng trong tổng hợp vật liệu ................................................... 19
1.5. Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu ............................................. 20
1.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X XRD .................................................................. 20
1.5.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ....................................................... 21
1.5.3. Phương pháp phân tích nhiệt ........................................................................... 21
1.5.4. Phổ hồng ngoại ................................................................................................ 22
1.5.5. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng BET .................................................. 22
Chương 2. THỰC NGHIỆM .................................................................................. 23

2.1. Hóa chất và thiết bị ............................................................................................ 23
2.1.1. Hóa chất .......................................................................................................... 23
2.1.2. Thiết bị ............................................................................................................ 23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

b

http://www. lrc.tnu.edu.vn/


2.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu FeOOH .................................................................. 24
2.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của giá trị pH ............................................................. 24
2.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt dộ ............................................................... 24
2.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của vi sóng ................................................................. 24
2.3. Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu ............................................. 24
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................................ 24
2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét ................................................................... 24
2.3.3. Phương pháp phân tích nhiệt ........................................................................... 25
2.3.4. Phương pháp phổ hồng ngoại.......................................................................... 25
2.3.5. Phương pháp đo diện tích bề mặt BET ........................................................... 25
2.4. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng trên vật liệu goethite................... 25
2.4.1. Thí nghiệm hấp phụ ........................................................................................ 25
2.4.2. Xác định hàm lượng KLN trong dung dịch bằng phương pháp F-AAS ......... 26
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 29
3.1. Chế tạo vật liệu α-FeOOH ................................................................................. 29
3.1.1. Ảnh hưởng của pH .......................................................................................... 29
3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................................. 30
3.1.3. Ảnh hưởng của vi sóng ................................................................................... 32
3.1.4. Một số đặc trưng của vật liệu .......................................................................... 34
3.2. Kết quả nghiên cứu hấp phụ Pb và Cd ............................................................... 37

3.2.1. Hấp phụ ion riêng rẽ ........................................................................................ 37
3.2.2. Hấp phụ hỗn hợp ion ....................................................................................... 43
3.3. Kết quả nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) ................................................................... 44
3.3.1. Ảnh hưởng của pH dung dịch ......................................................................... 44
3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và mô hình động học hấp phụ .................. 45
3.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu và đường đẳng nhiệt hấp phụ ..................... 47
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

c

http://www. lrc.tnu.edu.vn/


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AAS (Atomic Absorption Spectroscopy)

Phổ hấp thụ nguyên tử

DTA (Differential Thermal Analysis)

Phân tích nhiệt vi sai

FT-IR (Fourier Transform Infrared

Phổ hồng ngoại

Spectroscopy)
SEM (Scanning Electron Microscopy)

Hiển vi điện tử quét

TEM (Transmission Electron Microscopy)

Hiển vi điện tử truyền qua

TGA (Thermal Gravimetric Analysis)

Phân tích nhiệt trọng lượng

XRD (X-Ray Diffraction)

Nhiễu xạ tia X

d


DANH MỤC CÁC HÌNH

Bảng 1.1. Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt .................................................... 14
Bảng 2.1. Danh mục hóa chất sử dụng trong đề tài ............................................... 23
Bảng 2.2. Danh mục thiết bị sử dụng trong đề tài.................................................. 23
Bảng 2.3. Các thống số kỹ thuật sử dụng xác định Cd, Cr và Pb trong dung dịch ........ 26
Bảng 3.1. Kết quả BET của mẫu goehtie ............................................................... 37
Bảng 3.2. Các thông số động học của mô hình bậc hấp phụ Pb(II) và Cd(II)
trên goethite ........................................................................................... 40

Bảng 3.3. Các thông số của phường trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và
Freunlich đối với sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite.................. 42
Bảng 3.4. Các thông số động học của mô hình bậc hấp phụ Cr(VI) trên goethite ........ 46
Bảng 3.5. Các thông số của phường trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và
Freunlich đối với sự hấp phụ Cr(VI) trên goethite ................................ 48

e


DANH MỤC CÁC BẢNG
Hình 1.1.

Cấu trúc tinh thể của goethite [26] ........................................................ 11

Hình 1.2.

Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính ......................... 15

Hình 1.3.

Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich dạng tuyến tính ........................ 16

Hình 1.4.

Đồ thị dạng tuyến tính của mô hình động học bâc 1 ............................ 18

Hình 1.5.

Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể chất rắn khi tia X lan
truyền trong chất rắn ............................................................................. 20

Hình 2.1.

Đường chuẩn Pb .................................................................................... 27

Hình 2.2.

Đường chuẩn Cd ................................................................................... 28

Hình 2.3.

Đường chuẩn Cr .................................................................................... 28

Hình 3.1.

Giản đồ XRD của mẫu hình thành ở các giá trị pH khác nhau ............. 29

Hình 3.2.

Giản đồ XRD của các mẫu hình thành ở các nhiệt độ khác nhau ......... 31

Hình 3.3.

Ảnh SEM của các mẫu hình thành ở các nhiệt độ khác nhau ............... 31

Hình 3.4.

Giản đồ XRD của các mẫu được tổng hợp với sự hỗ trợ của vi sóng ........ 32

Hình 3.5.

Ảnh SEM của các mẫu hình thành dưới tác động của vi sóng ............. 33

Hình 3.6.

Giản đồ XRD của các mẫu được tổng hợp với sự hỗ trợ của vi sóng ...... 34

Hình 3.7.

Ảnh SEM của vật liệu geothite ............................................................. 35

Hình 3.8.

Phổ hồng ngoại của vật liệu .................................................................. 36

Hình 3.9.

Ảnh hưởng của pH dung dịch đến sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) ........... 38

Hình 3.10. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) ..... 39
Hình 3.11. Đường biểu diễn mô hình động học bậc 1 của sự hấp phụ Pb(II)
và Cd(II) ................................................................................................ 39
Hình 3.12. Đường biểu diễn mô hình động học bậc 2 của sự hấp phụ Pb(II)
và Cd(II) ................................................................................................ 40
Hình 3.13. Dung lượng hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite với các nồng
độ ion Pb(II) và Cd(II) ban đầu khác nhau ........................................... 41
Hình 3.15. Đường đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính cho sự hấp phụ
Pb(II) và Cd(II) trên goethite ................................................................ 42

f

Hình 3.16. Sự biến đổi của dung lượng hấp phụ ion kim loại trên goethite ở
các nồng độ Cd(II) ban đầu khác nhau ................................................. 43
Hình 3.17. Độ hấp phụ Cr(VI) trên goethite ở các giá trị pH khác nhau ................ 44
Hình 3.18. Độ hấp phụ Cr(VI) trên goethite ở các khoảng thời gian khác nhau .... 45
Hình 3.19. Đường biểu diễn mô hình động học bậc 1 của sự hấp phụ Cr(VI) ....... 46
Hình 3.20. Đường biểu diễn mô hình động học bậc 2 của sự hấp phụ Cr(VI) ....... 46
Hình 3.21. Sự phụ thuộc của độ hấp phụ và dung lượng hấp phụ Cr(VI) vào
nồng độ Cr(VI) ban đầu ........................................................................ 47
Hình 3.22. Đường đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính cho sự hấp phụ
Cr(VI) trên goethite ............................................................................... 48
Hình 3.23. Đường đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính cho sự hấp phụ
Cr(VI) trên goethite ............................................................................... 48

g


MỞ ĐẦU
Ô nhiễm nước bởi các kim loại nặng và chất hoạt động bề mặt là một vấn đề
toàn cầu. Nó phá hủy hệ sinh thái và gây nguy hại đến sức khỏe loài người do đó
việc tìm ra các biện pháp khắc phục và các phương pháp xử lý nước có vài trò rất
quan trọng đối với sự phát triển của mỗi quốc gia. Trong những năm gần đây, các
nhà khoa học nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu khác nhau để ứng dụng trong sử
lý nước, trong đó vật liệu hấp phụ tỏ ra có khả năng ứng dụng rất lớn, đặc biệt là các
loại vật liệu có chứa sắt như các oxit sắt, các composit chứa sắt…
Các oxi-hydroxit sắt có nhiều ưu điểm như khả năng hấp phụ tốt đối với các
ion kim loại nặng và chất hoạt động bề mặt, hơn nữa chúng có độ bền cao và đơn
giản trong việc chế tạo nên đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và
đưa vào ứng dụng một cách hiệu quả trong xử lý nước.

Tuy nhiên, ở Việt Nam thì loại hợp chất này chưa được sử dụng nhiều trong
quy trình xử lý nước, do đó việc nghiên cứu tổng các oxi-hydroxit sắt cũng như việc
xây dựng quy trình công nghệ để xử lý nước bằng các loại vật liệu này có nhiều ý
nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn. Bằng việc nghiên cứu các điều kiện thích hợp để
tổng hợp vật liệu sẽ góp phần vào sự phát triển lý thuyết về điều kiện hình thành,
cấu trúc cũng như các đặc tính của loại vật liệu này. Việc xây dựng quy trình ứng
dụng loại vật liệu này trong xử lý nước có ý nghĩa rất lớn về mặt thực tiễn trong
việc loại bỏ các chất ô nhiểm ra khỏi nước, hơn nữa nó phù hợp với xu hướng
nghiên cứu hiện nay của các nhà khoa học trong và ngoài nước.
Do đó việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và tính chất của
vật liệu goethite ứng dụng xử lý kim loại nặng” có nhiều ý nghĩa về khoa học và
thực tiễn.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn
1. Mục tiêu
- Chế tạo thành công vật liệu nano goethite
- Thử nghiệm khả năng hấp phụ các ion Pb(II), Cd(II), Cr(VI) trên vật liệu

1


2. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu các yếu tố pH và nhiệt độ để tối ưu hóa điều kiện tổng hợp
goethite;
- Nghiên cứu ứng dụng vi sóng trong tổng hợp vật liệu để nâng cao hiệu quả
của quá trình;
- Nghiên cứu ảnh hưởng của pH dung dịch, thời gian tiếp xúc, nồng độ ban
đầu của các ion Pb(II), Cd(II), Cr(VI) đến quá trình hấp phụ các ion này trên vật
liệu goethite.
- Nghiên cứu các mô hình động học và đường đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ.

2


Chương 1
TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về kim loại nặng
1.1.1. Định nghĩa
Kim loại nặng là những kim loại có nguyên tử lượng lớn, thể hiện tính kim
loại ở nhiệt độ phòng. Nó bao gồm những nguyên tố kim loại chuyển tiếp, các họ
lantan và actini. Có nhiều định nghĩa khác nhau về kim loại nặng dựa trên tỉ trọng,
số khối, khối lượng nguyên tử. Kim loại nặng thường độc đối với sự sống và cơ thể
con người [1-3].
1.1.2. Ảnh hưởng của một số kim loại nặng tới sinh vật và con người
Kim loại nặng có thể gây nguy hại đến cơ thể con người và sinh vật khi nồng
độ vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Mặc dù, khi nồng độ của các kim loại nặng dưới
tiêu chuẩn cho phép, chúng vẫn có thể gây độc mãn tính do tính tích lũy trong hệ
thống sinh học.
Ảnh hưởng của chì
Vai trò tích cực của chì đối với cơ thể con người là rất ít, ngược lại, nó là
nguyên tố có độc tính cao đối với con người và động vật. Chì gây độc cho hệ thần
kinh trung ương và hệ thần kinh ngoại biên. Chì có tác động lên hệ enzim,nhất là
các enzim có nhóm hoạt động chứ hydro. Người bị nhễm độc chì sẽ bị rối loạn một
số bộ phận chức năng của cơ thể, thường là rối loạn bộ phận tạo huyết. tùy theo
mức độ nhiễm độc, có thể gây những triệu chứng như đau bụng, đau khớp, viêm
thận, cao huyết áp vĩnh viễn, tai biến não. Nếu nhiễm độc chì nặng có thể dẫn đến
tử vong [1].
Chì có thể xâm nhập vào cơ thể theo đường nước uống, thức ăn, hô hấp. Đặc
tính của chì là nó ít bị đào thải, khi đi vào cơ thể sẽ tích tụ lại theo thời gian đến một
mức độ nào đó mới gây độc hại. Xương chính là nơi tích lũy chì trong cơ thể. Nó

kìm hãm quá trình chuyển hóa canxi bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua
quá trình kìm hãm sự chuyển hóa vitamin D. Nồng độ chì tối đa cho phép trong
nước uống là 5mg/l [4,5].
3


Ảnh hưởng của cađimi
Cd là kim loại được sử dụng trong công nghiệp mạ, luyện kim, sơn, chế tạo
đồ nhựa, làm chất ổn định trong công nghiệp chất dẻo. Các hợp chất của cadimia
được sử dụng để sản xuất pin, chất bán dẫn. Do vậy, nó có trong nước thải của các
ngành công nghiệp này [1].
Cađimi và dung dịch các hợp chất của nó là những chất cực độc. Thậm chí
với nồng độ rất thấp, chúng sẽ tích lũy sinh học trong cơ thể. Một trong những lí do
giải thích độc tính của Cađimi là chúng can thiệp vào phản ứng của các enzim chứa
kẽm gây rối loạn trao đổi chất. Cađimi có thể thay thế kẽm trong các tế bào thần
kinh khi tích lũy trong cơ thể, do đó gây ra sự suy giảm, mất trí nhớ. Cađimi mặc dù
rất giống kẽm về phương diện hóa học nhưng không thể thay thế kẽm trong cơ thể
của con người [6].
Nuốt phải một lượng nhỏ Cađimi có thể gây ngộ độc tức thì làm tổn thương
gan và rối loạn chức năng thận. Với nồng độ cao hen, thì gây ra đau thận, thiếu máu
và phá hủy xương. Các hợp chất Cađimi cũng là chất gây ung thư. Ngoài ra, nhiễm
độc Cađimi còn ảnh hưởng đến tim mạch. Tiêu chuẩn theo WHO cho nước uống
0,003 mg/l [7,8].
Ảnh hưởng của thuỷ ngân
Tính độc phụ thuộc vào dạng hoá học của nó. Thuỷ ngân nguyên tố tương
đối trơ, không độc. Nếu nuốt phải thuỷ ngân kim loại thì sau đó sẽ được thải ra mà
không gây hậu quả nghiêm trọng. Nhưng thuỷ ngân dễ bay hơi ở nhiệt độ thường
nên nếu hít phải sẽ rất độc [9]. Thuỷ ngân có khả năng phản ứng với axit amin chứa
lưu huỳnh, các hemoglobin, abumin; có khả năng liên kết màng tế bào, làm thay đổi
hàm lượng kali, thay đổi cân bằng axit bazơ của các mô, làm thiếu hụt năng

lượng cung cấp cho tế bào thần kinh. Trẻ em bị ngộ độc thuỷ ngân sẽ bị phân liệt,
co giật không chủ động. Trong nước, metyl thủy ngân là dạng độc nhất, nó làm
phân liệt nhiễm sắc thể và ngăn cản quá trình phân chia tế bào [9,10].
Thuỷ ngân đưa vào môi trường từ các chất thải, bụi khói của các nhà máy luyện
kim, sản xuất đèn huỳnh quang, nhiệt kế, thuốc bảo vệ thực vật, bột giấy… Nồng độ tối
đa cho phép của WHO trong nước uống là 1mg/l; nước nuôi thuỷ sản là 0,5mg/l.

4


Ảnh hưởng của asen
Là kim loại có thể tồn tại ở dạng tổng hợp chất vô cơ và hữu cơ. Trong tự
nhiên tồn tại trong các khoáng chất. Nồng độ thấp thì kích thích sinh trưởng, nồng
độ cao gây độc cho động thực vật [11].
Nguồn tự nhiên gây ô nhiễm asen là núi lửa, bụi đại dương. Nguồn nhân tạo
gây ô nhiễm asen là quá trình nung chảy đồng, chì, kẽm, luyện thép, đốt rừng, sử
dụng thuốc trừ sâu…
Asen có thể gây ra 19 căn bệnh khác nhau. Các ảnh hưởng chính đối với sức
khoẻ con người: làm keo tụ protein do tạo phức với asen III và phá huỷ quá trình
photpho hoá; gây ung thư tiểu mô da, phổi, phế quản, xoang [11,12]…Tiêu chuẩn
cho phép theo WHO nồng độ asen trong nước uống là 50mg/l.
Ảnh hưởng của Crom
Nước thải từ công nghiệp mạ điện,khai thác mỏ, nung đốt các nguyên liệu
hóa thạch, …là nguồn gốc gây ô nhiễm crom, crom có thể có mặt trong nước mặt và
nước ngầm. Crom trong nước thải thường gặp ở dạng Cr (III), Cr (VI),Cr(III) ít độc
hơn nhiều so với Cr (VI). Với hàm lượng nhỏ Cr(III) rất cần cho cơ thể, trong khi
Cr(VI) lại rất độc và nguy hiểm [7,13].
Crom xâm nhập vào cơ thể theo 3 con đường: hô hấp, tiêu hóa, và da. Qua
nghiên cứu thấy rằng, crom có vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa glucozo.
Tuy nhiên với hàm lượng cao crom có thể làm kết tủa protein, các axit nucleic, và

ức chế hệ thống enzyme cơ bản. Nhiễm độc crom cấp tính có thể gây xuất huyết,
viêm da, u nhọt. Crom được xếp vào chất độc nhóm 1 (có khả năng gây ung thư cho
người và vật nuôi) [2,7,13].
Crom chủ yếu gây ra các bệnh ngoài da như loét da, viêm da tiếp xúc, loét
thủng màng ngăn mũi, viêm gan, ung thư phổi [14,15]. Giới hạn cho phép theo
TCVN 5945 - 1995 của crom trong nước thải công nghiệp là 0,05 mg/l đối với loại
A, 0,1 đối với loại B, và 0,5 đối với loại C.
1.1.3. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước ở Việt Nam
Ô nhiễm môi trường bởi các kim loại nặng là một vấn đề lớn trong nhiều
ngành sản xuất công nghiệp ở Việt Nam. Nước thải của các ngành công nghiệp khai
khoáng, mạ điện, pin, ac qui chứa nhiều ion kim loại nặng như chì, cacdimia, kẽm,

5


đồng… với nồng độ cao từ vài mg đến vài trăm mg/l. Bên cạnh đó, nước thải từ các
hoạt động tái chế kim loại ở các làng nghề cũng chứa nhiều ion kim loại. Tuy nhiên,
các dòng thải này hầu như dầu thải trực tiếp ra môi trường mà không qua quy trình
xử lí nào gây nguy hại cho môi trường [16].
Kim loại nặng có thể tồn tại trong không khí, trong nước, trong đất và trong
cơ thể sinh vật. Các kim loại có thể cần thiết cho cơ thể sinh vật ở một hàm lượng
nhất định, có nhưng kim loại không cần thiết khi đi vào cơ thể vật, dù chỉ ở dạng vết
cũng có những tác động độc hại.
Các kim loại nặng trong môi trường không bị phân hủy sinh học mà sẽ tích tụ
trong sinh vật, tham gia vào quá trình chuyển hóa của sinh vật tạo thành những hợp
chất độc hại. Tuy nhiện, ảnh hưởng của chúng thì tùy theo từng loại kim loại nặng [17].
Các khảo sát đặc trưng ô nhiễm nước thải ở một số cơ sở sản xuất đặc trưng
như cơ sở mạ điện, sản xuất ắc quy, cơ khí… cho thấy rằng: hầu hết nước thải đều
xuất hiện kim loại nặng như As, Pb, Cr, Cu… với các nồng độ khác nhau tùy theo
cơ sở. Sự gia tăng nước thải ở các khu công nghiệp trong những năm gần đây là rất

lớn, và rất đa dạng. Bên cạnh đó, nồng độ các ion kim loại trong nước thải cũng có
xu hướng tăng lên theo thời gian. Điều này cũng phù hợp với xu thế phát triển của
một số ngành nghề đặc trưng. Sự phát triển của các ngành nghề này sẽ dẫn theo sự
gia tăng hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước thải dẫn đến sự ô nhiễm môi
trường [16,18,19].
1.1.4. Các phương pháp xử lí kim loại nặng trong nước
Hiện nay đã có nhiều phương pháp nghiên cứu và xử lí kim loại nặng trong
nước được nghiên cứu và áp dụng trong thực tế như phương pháp kết tủa hóa học,
phương pháp trao đổi ion, phương pháp hấp phụ, phương pháp điện hóa, phương
pháp sinh học. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng riêng. Vì
vậy, để có thể sử dụng phương pháp áp dụng được trong thực tế, phù hợp với điều
kiện sản xuất cần lưu ý tới nhiều vấn đề như mức độ ô nhiễm, tiêu chuẩn cần đạt
được cho nước sau xử lí, tính chất lí hóa, nhiệt động học của chất ô nhiễm cần loại
bỏ trong nước [20].

6


1.1.4.1. Phương pháp kết tủa hóa học
Phương pháp kết tủa hóa học dựa vào phản ứng hóa học với chất đưa vào
nước và chất cần tách khỏi nước.Nguyên tắc của phương pháp là độ hòa tan của kim
loại trong dung dịch phụ thuộc vào pH. Ở giá trị pH nhất định nồng độ kim loại vượt
quá nồng độ bão hòa thì các ion kim loại này sẽ bị kết tủa và kết tủa này được tách ra
khỏi dung dịch bằng phương pháp lắng. Phương pháp thường được dùng là kết tủa
các kim loại dưới dạng hydroxit bằng cách trung hòa đơn giản các chất thải axit. Độ
pH kết tủa cực đại của các kim loại không bằng nhau, ta cần lựa chọn khoảng pH tối
ưu để loại bỏ kim loại mà không gây độc hại. Nếu trong nước thải có nhiều kim loại
nặng thì càng thuận tiện cho quá trình kết tủa ở giá trị pH nhất định, độ hòa tan của
kim loại trong dung dịch các kim loại khác sẽ giảm Phương pháp kết tủa hóa học
được áp dụng phổ biến trong xử lí nước giai đoạn I cho ngành công nghiệp mạ, gia

công kim loại trước khi dòng thải được đưa vào trạm xử lí chung [20].
Phương pháp này đạt hiệu quả cao đối với dòng nước có lưu lượng lớn, có độ
ô nhiễm kim loại cao, chi phí thấp và vận hành đơn giản, nhưng lại có hiệu quả
không cao, phụ thuộc và nhiều yếu tố như nhiệt độ, pH, bản chất kim loại, tạo ra
lượng bùn thải có nồng độ kim loại cao, nếu như không có biện pháp xử lí đúng kĩ
thuật thì sẽ là nguồn ô nhiễm thứ cấp [20,21].
1.1.4.2. Phương pháp 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 lí của các
chất trong dung dịch, cũng không làm biến mất hoặc hòa tan.
Phương pháp này có hiệu suất xử lí cao, vận hành đơn giản và có thể thu hồi
các kim loại có giá trị và tái sử dụng vật liệu trao đổi ion, không tạo ra chất thải thứ
cấp, tiết kiệm không gian chứa thiết bị. Tuy nhiên, phương pháp này có giá thành
cao, và không thích hợp sử dụng với lượng nước lớn [22].
1.1.4.3. Phương pháp điện hóa
Phương pháp sủ dụng các quá trình oxi hóa của anot, khử cực catot, đông tụ
điện để làm sạch nước thải khỏi các tạp chất hòa tan và phân tán, có thể tiến hành
gián đoạn hoặc liên tục. Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên các điện cực, khi

7


cho dòng điện một chiều đi qua, ứng dụng sự chênh lệch điện thế giữa hai điện cực
kéo dài để tạo ra một điện trường định hướng và các ion chuyển động trong điện
trường này [22].
Sử dụng phương pháp này có thể thu hồi được các sản phẩm trong nước thải
đơn giản, dễ cơ giới hóa và tự động hóa mà không cần sử dụng các tác nhân hóa
học. Tuy nhiên, phương pháp này lại tiêu tốn chi phí điện năng lớn [20-22].
1.1.4.4. Phương pháp sinh học
Nguyên tắc của phương pháp là dựa vào khả năng hấp thụ kim loại của một

số thực vật thủy sinh như rong, tảo, bèo, hoặc một số vi sinh vật sử dụng kim loại
như chất vi lượng trong quá trình tạo sinh khối. Phương pháp sinh học yêu cầu
thực vật đáp ứng một số điều kiện như dễ trồng, cho sinh khối nhanh trong điều
kiện oxi hóa cao. Tuy nhiên, phần lớn các thực vật có khả năng tích lũy kim loại
nặng thường phát triển chậm, sinh khối thấp trong khi thực vật cho sinh khối
nhanh thương rất nhạy cảm với môi trường có nồng độ kim loại nặng cao. Một hạn
chế lớn của phương pháp đó là yêu cầu diện tích lớn, chỉ xử lí nước có nồng độ
kim loại nặng hoặc hiệu suất xử lí nước sẽ giảm nếu trong đất chứa lẫn kim loại
nặng [13,21,22].
1.1.4.5. Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ là quá trình hấp phụ chất hòa tan ở bề mặt ranh giới
giữa pha lỏng và pha rắn. Đây là phương pháp hiệu quả để thu hồi các cấu tử quý
hiếm, làm sạch khí thải, nước thải khi nồng độ ô nhiễm của chúng không lớn. Trong
xử lý nước thải, phương pháp hấp phụ có khả năng xử lí triệt để nước thải chứa
đồng thời nhiều kim loại nặng và nồng độ ion trong dung dịch nhỏ. Một ưu điểm
lớn của hấp phụ so với các phương pháp khác là có thể sử dụng các vật liệu tự nhiên
để xử lí môi trường như các khoáng, vật liệu chấu, mùn cưa hoặc tận dụng chất thải
của các ngành khác như tro bay, xỉ than, bùn thải. Hơn nữa, các vật liệu hấp phụ có
thể hoàn nguyên, tái sử dụng [1,5,20,23,24].
Trong khuôn khổ của đề tài này, các ion kim loại nặng cao độc tính cao như
Pb(II), Cd(VI) được nghiên cứu hấp phụ trên vật liệu geothite

8


1.2. Tổng quan về vật liệu α-FeOOH
1.2.1. Giới thiệu về oxi-hiđroxit sắt
Oxi-hiđroxit sắt là những hợp chất phổ biến, có thể hình thành trong tự nhiên
và cũng có thể được tổng hợp dễ dàng trong phòng thí nghiệm. Những hợp chất này
có nhiều ứng dụng trong thực tế như làm chất xúc tác cho các phản ứng hóa học,

làm bột màu trong sơn, chế tạo thiết cảm biến khí, thiết bị lưu trữ trông tin... Chúng
cũng có vai trò quan trọng trong y học, bảo vệ môi trường và xác định niên đại
trong nghiên cứu địa chất [25].
Có bảy loại hợp chất oxi-hiđroxit sắt bao gồm akaganeite (β-FeOOH), goethite
(α-FeOOH), lepidocrocite (γ-FeOOH), schwertmannite (Fe8O8(OH)6(SO4)·nH2O),
ferrihydrite (Fe5HO8.4H2O), feroxyhyte (δ’-FeOOH) và FeOOH tổng hợp ở áp suất
cao. Các hợp chất này chủ yếu được tạo bởi cation Fe3+ cùng với các anion O2- và
OH- tuy nhiên, trong một số trường hợp còn có một lượng nhỏ các anion như Cl-,
SO42- tham gia vào cấu trúc [25,26].
Các oxi-hiđroxit sắt có thể hình thành từ các dung dịch muối sắt(II) hoặc
sắt(III). Ngoài ra, chúng cũng có thể chuyển hóa lẫn nhau thông qua các phản ứng pha
rắn. Đề này sẽ tập trung vào sự hình thành của FeOOH, từ dung dịch muối sắt(III).
* Sự hình thành của oxi-hiđroxit sắt trong dung dịch muối sắt(III)
Trong dung dịch nước, ion Fe3+ tồn tại dưới dạng hiđrat [Fe(H2O)6]3+có màu
đỏ. Điện tích dương của cation sẽ làm cho phối tử H2O hoạt động như một axit và
sự thủy phân xảy ra (trừ ở giá trị pH rất thấp).Sự thủy phân thường được thúc đẩy
bằng các bazơ, bằng đun nóng hoặc bằng pha loãng. Quá trình này cũng có thể được
thúc đẩy bằng sự trao đổi ion, ví dụ, sự có mặt của ion Al3+ sẽ thúc đẩy sự hình
thành FeOOH. Ban đầu, các tiểu phân có khối lượng phân tử nhỏ như FeOH2+,
Fe(OH)2+… được hình thành. Sau đó, các tiểu phân này sẽ tương tác với nhau để
tạo thành các tiểu phân có khối lượng phân tử lớn hơn như các dime, trime… và
cuối cùng là các polime đa nhân FeOOH. Quá trình này xảy ra nhiều nấc và hằng số
tốc độ thủy phân của [Fe(H2O)6]3+, [FeOH(H2O)5]2+ và [Fe(OH)2(H2O)4]+ được xác
định lần lượt bằng 1,6×102; 1,4×105 và 106 s-1. Quá trình thủy phân hoàn toàn tương
ứng với sự hình thành oxit hoặc oxi-hiđroxit sắt(III). Chúng có thể tồn tại ở dạng
huyền phù hay kết tủa tùy thuộc vào giá trị pH và sự có mặt của các chất khác trong
dung dịch [25].

9

[Fe(H2O)6]3+  FeOOH + 3H+ + 4H2O
2[Fe(H2O)6]3+  Fe2O3 + 6H+ + 9H2O
Các hợp chất chứa sắt khác nhau có thể được hình thành bởi sự phát triển của
mầm tinh thể từ các tiểu phân có khối lượng phân tử nhỏ. Yếu tố quyết định cho sự
hình thành các chất và độ tinh thể của chúng là tốc độ của các tiểu phân, chủ yếu là
monome và dime, đáp ứng cho sự phát triển tinh thể. Sự thủy phân càng chậm, độ
tinh thể của sản phẩm càng cao. Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình này là
giá trị pH, các anion và nhiệt độ.
* Sự chuyển hóa của các hợp chất oxi-hiđroxit sắt
Một đặc trưng quan trọng của các hợp chất oxi-hiđroxit sắt là khả năng
chuyển hóa đa dạng thành các chất khác nhau. Ở điều kiện thích hợp, hầu hết mỗi
dạng có thể chuyển hóa ít nhất thành hai chất khác. Sự chuyển hóa của các oxihiđroxit sắt đóng vai trò quan trọng trong quá trình ăn mòn sắt, thép và trong các
quá trình xảy ra trong đất, đá, nước và trong sinh vật. Chúng cũng được sử dụng
nhiều trong công nghiệp như trong công nghệ lò cao, sản xuất sơn và tổng hợp các
hợp chất của sắt…[27]
Trong các điều kiện chuyển hóa thì nhiệt độ đóng một vai trò quan trọng. Sự
phân hủy nhiệt có thể xuất hiện ở trạng thái rắn hoặc trong dung dịch tuy nhiên, các
nghiên cứu tập trung nhiều vào trạng thái rắn. Sự chuyển hóa bởi nhiệt độ thường
gắn liền với quá trình tách nhóm OH hoặc H2O từ các FeOOH, đồng thời xảy ra sự
sắp xếp lại cấu trúc mạng tinh thể. Đặc trưng của quá trình này là sự phát triển các
vi mao quản do sự thoát ra của các phân tử nước. Ở nhiệt độ cao hơn các vi mao
quản này sẽ tích tụ lại tạo thành mao quản trung bình. Sự hình thành các mao quản
đồng thời với sự tăng diện tích bề mặt của các hợp chất. Ở nhiệt độ cao hơn nữa,
khoảng 600oC, sản phẩm bị thiêu kết và diện tích bề mặt giảm xuống đáng kể.
Trong quá trình chuyển hóa, các liên kết hydroxo được thay thế bởi liên kết oxo và
cấu trúc trở nên chắc đặc hơn [27,28].

10

1.2.2. Vật liệu goethite, α-FeOOH
1.2.2.1. Giới thiệu
Goethite trong tự nhiên là một loại quặng sắt, hay còn được biết đến với công
thức α-FeOOH. Nó được tìm thấy đầu tiên bởi nhà khoa học người Đức, Johann
Wolfgang Geothite và được đặt tên theo tên ông. Goethite được hình thành do sự
phong hóa của các quặng giàu sắt, vì vậy nó xuất hiện nhiều trong vách đá và trong
nhiều thành phần khác của hệ trái đất. Từ thời cổ đại, geothite đã được sử dụng như
một chất tạo màu, bằng chứng là tìm thấy geothite trong thành phần của các mẫu
sơn lấy từ các hang động Laxcaus, Pháp [27].
1.2.2.2. Cấu trúc tinh thể
Cấu trúc của geothite bao gồm các hình lục phương với các mảng anion O2và OH- xếp chồng lên nhau, liên kết trực tiếp với các ion Fe3+ chiếm giữ một nửa
số hộc bát diện. Các ion Fe3+ được sắp xếp thành hai hàng song song riêng biệt
tương tự như các rãnh trên bề mặt tinh thể.

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của goethite [26]
Mỗi ion Fe3+ được bao xung quanh bởi ba ion O2- và ba ion OH- tạo thành
dạng bát diện FeO3(OH)3. Hai chuỗi bát diện một liên kết với nhau trực tiếp qua
một cạnh và nối với hai chuỗi bên cạnh thông qua các đỉnh. Sự sắp xếp các chuỗi
bát diện này tạo ra cấu trúc đối xứng trực thoi [27,29,30].
1.2.2.3. Phương pháp tổng hợp
Vật liệu FeOOH nói chung, và goethite nói riêng có thể được tổng hợp
bằng nhiều phương pháp khác nhau như kết tuả từ dung dịch muối sắt(III), oxi
hóa muối sắt(II)…

11


Trước hết, vật liệu goethite có thể được tạo ra bằng cách kiềm hóa muối
sắt(II) để tạo ra kết tủa sắt(II) hydroxit, sau đó oxi hóa kết tủa này bằng oxi không

khí ở nhiệt độ phòng [28,30]. Sản phẩm của phương pháp này cho vật liệu goethite
có kích thước khoảng 50 đến 100 nm với diện tích bề mặt khoảng 100 m2/g.
Vật liệu goethite cũng có thể được điều chế từ dung dịch muối sắt(III). [31]
đã tổng hợp goethite từ dung dịch muối FeCl3 với tác nhân kiềm là dung dịch KOH
ở 80oC. Vật liệu thu được bằng phương pháp này có dạng que với đường kính
khoảng 5 nm và chiều dài khoảng 100 nm.
Ngoài ra, chất hoạt động bề mặt và các polymer hữu cơ còn được sử dụng
trong quá trình tổng hợp để tạo ra vật liệu có cấu trúc đặc biệt như kích thước hạt
nhỏ, diện tích bề mặt lớn … [32-34]
1.2.2.4. Ứng dụng của goethite
Goethite là một hợp chất được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Từ
lâu, goethite được sử dụng làm bột màu trong sơn[25]. Goethite cũng được dùng là
chất xúa tác cho nhiều phản ứng. Nó là một trong những thành phần của chất chống
cháy, gây ức chế sự cháy [31].
Trong những năm gần đây, loại vật liệu này được nghiên cứu sử dụng trong
xử lý môi trường như làm vật liệu hấp phụ các kim loại nặng. Goethite được ứng
dụng trong việc loại bỏ cacdimi và thủy ngân trong nước thải của một số ngành
công nghiệp [35]. Với cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, loại vật liệu này cũng
được nghiên cứu nhiều trong việc hấp phụ các kim loại có độc tính cao như Pb, Zn,
Cr…, kết quả cho thấy hiệu suất loại bỏ các kim loại nặng khá lớn [5,36]. Đặc biệt,
đối với với các dạng ion chứa kim loại nặng rất khó xử lý như asenat và cromat,
goethite thể hiện khả năng hấp phụ tốt và được nghiên cứ nhiều trong việc xử lý các
chất độc này [14,24,37,38].
1.3. Cơ chế hấp phụ của vật liệu FeOOH
1.3.1. Cơ sở lí thuyết
Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách pha (khí - rắn, lỏng rắn, khí - lỏng, lỏng - lỏng). Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ gọi là chất
hấp phụ, còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ [39].

12

Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp
phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta có thể chia hấp phụ thành 2 loại:
hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
Hấp phụ vật lý: Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân
(nguyên tử, phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực Van der Walls yếu.
Đó là tổng hợp của nhiều loại lực khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định
hướng. Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ
không tạo thành hợp chất hoá học (không tạo thành các liên kết hóa học) mà chất bị
hấp phụ chỉ ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp
phụ. Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn.
Hấp phụ hóa học: Xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa học
với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học
thông thường (liên kết ion, cộng hóa trị, liên kết phối trí…) Nhiệt hấp phụ hóa học
tương đối lớn, có thể đạt tới giá trị 800 kJ/mol.
Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương
đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra
đồng thời cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
Giải hấp phụ: Giải hấp phụ là quá trình chất bị hấp phụ ra khỏi lớp bề mặt
chất hấp phụ. Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với
quá trình hấp phụ. Giải hấp phụ là phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ (VLHP) để
có thể tiếp tục sử dụng lại nên nó mang đặc trưng về hiệu quả kinh tế.
Dung lượng hấp phụ (Q): Dung lượng hấp phụ là khối lượng chất bị hấp phụ
trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ.
Q

(C 0  C ).V
m

(1.1)

Trong đó:
Q: Dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)
V: Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l)
m: Khối lượng chất hấp phụ (g)
C0: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/l)
C: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng hấp phụ (mg/l)
13


Hiệu suất hấp phụ (H): Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị
hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu. [2,6]
H

(C0  C )
.100 (%)
C0

(1.2)

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ là một
hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ [40]
q = f (T, P hoặc C)
Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn q = fT(P hoặc C) được gọi là
đường hấp phụ đẳng nhiệt. Đường hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung
lượng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng hoặc áp suất của chất bị hấp phụ
tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định.
Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đường
hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry,

Frendlich, Langmuir…
Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng được nêu ở Bảng 1.1.
Bảng 1.1. Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
Đường hấp phụ
đẳng nhiệt
Henry

Phương trình
Q = KH.C
K L .C
1  K L .C

Bản chất của
sự hấp phụ
Vật lý và hóa học

Langmuir

Q = Qm.

Freundlich

Q = KF.C1/n, (n>1)

Vật lý và hóa học

Shlygin - Frumkin –

Q
1

= . lnCo.C
a
Qm

Hóa học

Q
1
(c  1) Q
=
+
.
v m .c
v m .c Q0
v.(Q0  Q)

Vật lý, nhiều lớp

Temkin
Brunauer - Emmett Teller (BET)

Vật lý và hóa học

Trong đó:
Q - dung lượng hấp phụ, Qm - dung lượng hấp phụ cực đại, v - thể tích chất
bị hấp phụ, vm - thể tích hấp phụ cực đại, p - áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, po áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở cùng nhiệt độ.
a, K, n, là các hằng số.
14

- Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Phương trình Langmuir áp dụng cho quá trình hấp phụ trong môi trường
nước có dạng:
Q = Qm.
Trong đó:

K L .C
1  K L .C

(1.3)

Q: Dung lượng hấp phụ trên 1cm3 bề mặt chất bị hấp phụ.
Qm: Dung lượng hấp phụ cực đại
C: Nồng độ chất bị hấp phụ lúc cân bằng hấp phụ.
KL: Hằng số hấp phụ Langmuir

Phương trình (3) có thể viết dưới dạng:
Q = Qm

C
1
C
KL

= Qm.

(1.4)

Trong đó 1/KL được thay thế bằng a - là một hằng số.
Nếu C << a tức nồng độ C rất nhỏ thì (4) có thể viết: Q = Qmax. nghĩa là

đại lượng q tỉ lệ bậc nhất vào C. Đường biểu diễn q - C là một đường thẳng đi
qua gốc tọa độ.
Nếu C >> a thì (4) chuyển thành: Q = Qmax nghĩa là đại lượng hấp phụ là
một hằng số. Khi đó, đường biểu diễn ở vùng nồng độ lớn là một đường thẳng song
song. Ở vùng nồng độ trung gian, đường biểu diễn là một đoạn đường cong.
Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính được đưa ra ở Hình 1.2.

Hình 1.2. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính

15


Từ đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C ta sẽ tính được KL và qm:
OM 

1
;
Qm .K L

tg 

1
Qm

- Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Frendlich
Đây là phương trình thực nghiệm áp dụng cho sự hấp phụ khí hoặc chất tan
lên chất hấp phụ rắn trong phạm vi một lớp.
Phương trình có dạng:
Q = KF.C1/n , (n>1)

(1.5)

Trong đó:
- Q: Dung lượng hấp phụ (mg/g)
- KF: Hằng số hấp phụ Frendlich, nếu C = 1 đơn vị thì q = KF, tức là KF là
dung lượng hấp phụ tại C = 1. Giá trị KF đặc trưng cho khả năng hấp phụ của hệ.
1/n: bậc mũ của nồng độ, 1/n luôn nhỏ hơn 1, tức n lớn hơn 1.
- Nếu 1/n nhỏ, hấp phụ thiên về hấp phụ hóa học. Ngược lại nếu 1/n lớn thì
bản chất lực hấp phụ thiên về hấp phụ vật lý, lực hấp phụ nhỏ.
- Để tính các hằng số trong phương trình Frendlich, người ta cũng dùng
phương pháp đồ thị. Phương trình Frendlich có thể viết dưới dạng:
logQ = logKF + 1/nlogCe (1.6)

Hình 1.3. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich dạng tuyến tính
Như vậy lg q tỉ lệ bậc nhất với lg C. Đường biểu diễn trong hệ tọa độ lg Q lg C sẽ cắt trục tung tại N.
Ta có:

= logKF
tgγ = 1/n

Từ hai phương trình này sẽ xác định được hằng số KF và n.
16