NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CELLULOSE BIẾN TÍNH TỪ BÃ MÍA VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION KIM LOẠI CADMIUM VÀ KẼM CỦA VẬT LIỆU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CELLULOSE
TỪ BÃ MÍA VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI
CADMIUM VÀ KẼM CỦA VẬT LIỆU
CELLULOSE BIẾN TÍNH

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
CHUYÊN NGÀNH CNMT NƯỚC VÀ ĐẤT

SVTH: NGUYỄN TRỌNG QUÂN
GVHD: TS. TRƯƠNG THỊ CẨM TRANG
KHÓA HỌC: 2012 – 2016

TP. Hồ Chí Minh - 2016


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CELLULOSE
TỪ BÃ MÍA VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI

CADMIUM VÀ KẼM
CỦA VẬT LIỆU CELLULOSE BIẾN TÍNH
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

SVTH: NGUYỄN TRỌNG QUÂN
GVHD: TS. TRƯƠNG THỊ CẨM TRANG
KHÓA HỌC: 2012 – 2016

TP. Hồ Chí Minh - 2016


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Trương Thị
Cẩm Trang và ThS. Lê Xuân Vĩnh. Cô và thầy là những người đã tận tình dìu dắt,
hướng dẫn và đóng góp nhiều nhận xét quý giá để em có thể hoàn thành tốt khóa luận
này.
Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô Khoa Môi trường – trường Đại học
Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. Cảm ơn các thầy cô
đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành khóa luận. Bên cạnh đó, em xin đặc
biệt cảm ơn các thầy cô cán bộ trẻ đã nhiệt tình hỗ trợ em từ chuẩn bị hóa chất, dụng
cụ, thiết bị thí nghiệm cũng như truyền đạt kinh nghiệm thực hiện các kĩ thuật, kĩ
năng phân tích trong khoảng thời gian em thực hiện đề tài tại Phòng thí nghiệm Phân
tích Môi Trường – C14, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – cơ sở Nguyễn Văn
Cừ.
Em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh động viên và
giúp đỡ em trong suốt quãng thời gian vừa qua. Đặc biệt gửi lời cảm ơn đến món cơm
cuộn của bạn Phạm Bích Ngọc đã tiếp sức trong suốt quãng thời gian thực hiện khóa
luận trong phòng thí nghiệm.
Cuối cùng, em xin dành lời cảm ơn đến chính bản thân mình đã kiên trì, cố gắng
đến cùng để có thể hoàn thành bài luận tốt nghiệp này.

Trong quá trình thực hiện đề tài cũng như quá trình hoàn thành báo cáo, do thời
gian hạn chế và trình độ, kinh nghiệm còn hạn chế nên bài khóa luận này không thể
tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp
của thầy cô để bài báo cáo này được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cám ơn!
TP.Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2016

i


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

TÓM TẮT
Cellulose là một trong những polymer sinh học có tính chất vật lý – hóa học phù
hợp cho các nghiên cứu về vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại nặng trong môi
trường nước. Vật liệu Cellulose được tổng hợp và xử lý bằng các phương pháp vật lý
– hóa học để tăng cường các tính chất vật lý cũng như gia tăng hiệu quả hấp phụ kim
loại nặng. Ba loại vật liệu được tổng hợp trong nghiên cứu gồm có vật liệu cellulose
thô, cellulose-oxy-hóa và cellulose phủ chitosan (được kí hiệu lần lượt là CF, ODCF
và CCCF). Các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu được khảo sát thông qua các
thí nghiệm như phân tích cấu trúc bề mặt SEM (Scanning Electron Microscopy), phân
tích thành phần nhóm chức bằng phổ FT-IR (Fourier Transform Infrared
Spectroscopy) và khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Cd (II) và Zn (II) được khảo
sát qua các thí nghiệm mô hình động và mô hình tĩnh. Kết quả phân tích cho thấy
hiệu suất hấp phụ ion kim loại Cd (II) và Zn (II) của vật liệu theo thứ tự CCCF >
ODCF > CF với hiệu suất xử lý cao nhất của CCCF đối với Cd (II) và Zn (II) lần lượt
là 93.71% và 93.04% tương ứng với dung lượng hấp phụ tối đa là 2.009 mgCd/gCCCF
và 2.006 mgZn/gCCCF. Kết quả tối ưu đạt được tại các điều kiện pH 6, nồng độ kim

loại nặng đầu vào xấp xỉ 10 ppm, thời gian phản ứng 2 giờ và tốc độ lắc của dung
dịch là 120 rpm.
Từ khóa: Cellulose, chitosan, KIO4, kim loại nặng, hấp phụ.

ii


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

ABSTRACT
Cellulose is one of the notable biological polymers with its suitable physical and
chemical properties for the study of heavy metal ions adsorbent materials. Cellulose
materials are synthesized and treated by physical – chemical methods to enhance the
structure properties as well as increase the efficiency of heavy metal ions adsorption.
Three materials were synthesized in this research include raw material cellulose,
oxidized cellulose and chitosan-coated-cellulose (denoted respectively CF, ODCF,
and CCCF). The physical and chemical characteristics of materials were investigated
through experiments, for instance, surface structure analysis with SEM test (Scanning
Electron Microscopy), analysis of functional groups by FT-IR test (Fourier
Transform Infrared Spectroscopy) and the ability to adsorb heavy metal ions such as
Cd (II) and Zn (II) were surveyed through adsorbent-packed column and batch
experiments. The analytical results show that the removal performance of heavy
metal ions Cd (II) and Zn (II) by the material in ordered as CCCF> ODCF> CF. The
best adsorbent material is CCCF which its removal performance for Cd (II) and Zn
(II), respectively as 93.71% and 93.04% and the maximum adsorption capacity is
2.009 mgCd / gCCCF, and 2.006 mgZn / gCCCF. The results are achieved in
optimum conditions of pH 6, initial heavy metal concentrations of approximately 10
ppm, 2-hours adsorption time and the stirring speed as 120 rpm.

Keywords: Cellulose, chitosan, KIO4, heavy metal ions, adsorption.

iii


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

MỤC LỤC
TÓM TẮT ................................................................................................................. ii
ABSTRACT ............................................................................................................. iii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT....................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................ ix
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................3
1.

Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm nước do kim loại nặng .........................3

1.1. Tổng quan về kim loại nặng .......................................................................4
1.1.1. Tổng quan về Cadmium (Cd)..................................................................5
1.1.2. Tổng quan về Kẽm (Zn) ...........................................................................6
1.2. Ảnh hưởng của kim loại nặng đến môi trường và sức khỏe con người ..7
1.2.1. Ảnh hưởng của Cd đến môi trường và sức khỏe con người.................8
1.2.2. Ảnh hưởng của Zn đến môi trường và sức khỏe con người .................9
1.3. Các phương pháp xử lý kim loại nặng.....................................................10
1.3.1. Phương pháp kết tủa ..............................................................................10

1.3.2. Phương pháp điện hóa ...........................................................................11
1.3.3. Phương pháp màng ................................................................................11
1.3.4. Phương pháp trao đổi ion ......................................................................11
1.3.5. Phương pháp hấp phụ............................................................................12
2.

Tổng quan về phương pháp hấp phụ ........................................................13

2.1. Định nghĩa ..................................................................................................13
2.2. Cân bằng hấp phụ......................................................................................13
2.2.1. Đường đẳng nhiệt Freundlich ...............................................................14
2.2.2. Đường đẳng nhiệt Langmuir.................................................................14
2.3. Động học hấp phụ ......................................................................................15
2.3.1. Phương trình động học hấp phụ bậc 1 .................................................16
2.3.2. Phương trình động học hấp phụ bậc 2 .................................................17
3.

Tổng quan về Cellulose ...............................................................................17

3.1. Giới thiệu chung.........................................................................................17
3.2. Tính chất vật lý ..........................................................................................19
iv


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

3.3. Tính chất hóa học ......................................................................................20
3.4. Phương pháp biến tính vật liệu Cellulose................................................22

3.4.1. Phương pháp oxy hóa bề mặt vật liệu Cellulose..................................23
3.4.2. Phương pháp bao phủ bề mặt vật liệu Cellulose bằng Chitosan .......24
3.4.2.1.

Tổng quan về Chitosan .......................................................................24

3.4.2.2.

Những ảnh hưởng của Chitosan đến kim loại nặng ........................25

CHƯƠNG II: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................29
1.

Nội dụng nghiên cứu ...................................................................................29

2.

Hóa chất, dụng cụ và thiết bị .....................................................................29

2.1. Hóa chất ......................................................................................................29
2.2. Dụng cụ và thiết bị .....................................................................................29
3.

Phương pháp tổng hợp vật liệu cellulose (CF) .........................................30

3.1. Quy trình tiền xử lý vật liệu thô ...............................................................30
3.2. Quy trình tổng hợp vật liệu cellulose .......................................................31
3.3. Quy trình biến tính vật liệu cellulose .......................................................32
3.3.1. Phương pháp oxy hóa bề mặt bằng KIO4 (ODCF) .............................32
3.3.2. Phương pháp bao phủ bề mặt bằng Chitosan (CCCF) ......................33

3.4. Khảo sát tính chất vật lý của vật liệu .......................................................33
3.4.1. Phương pháp hiển vi điện tử SEM .......................................................33
3.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR ...................................................33
3.5. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu .................................................34
3.5.1. Mô hình thí nghiệm theo mẻ (mô hình tĩnh) ........................................34
3.5.1.1.

Khảo sát sự thay đổi hiệu suất hấp phụ theo pH .............................34

3.5.1.2.

Khảo sát sự thay đổi hiệu suất hấp phụ theo thời gian hấp phụ ....34

3.5.1.3.

Khảo sát sự thay đổi hiệu suất hấp phụ theo tốc độ lắc ..................35

3.5.1.4.

Khảo sát đường đẳng nhiệt hấp phụ .................................................35

3.5.2. Mô hình thí nghiệm cột vật liệu hấp phụ (mô hình động) ..................35
3.5.2.1.

Phương pháp chuẩn bị cột hấp phụ ..................................................35

3.5.2.2.

Tiến hành thí nghiệm với cột hấp phụ ..............................................36

i.

Khảo sát tốc độ dòng của dung dịch mẫu khi qua cột .............................36

ii.

Khảo sát thời gian bão hòa của cột ............................................................36

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................37
1.

Kết quả tổng hợp vật liệu Cellulose và Cellulose biến tính .....................37
v


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
2.

KHÓA 2012-2016

Kết quả khảo sát tính chất vật lý của vật liệu ..........................................39

2.1. Kết quả phân tích cấu trúc bề mặt vật liệu (SEM Analysis) .................39
2.2. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR Analysis) .............................40
3. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng của vật liệu trên mô
hình tĩnh ...............................................................................................................42
3.1. Ảnh hưởng của pH ....................................................................................42
3.2. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ ...........................................................44
3.3. Ảnh hưởng của tốc độ lắc..........................................................................45
3.4. Động học hấp phụ ......................................................................................47

3.5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ .......................................................................49
4. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng của vật liệu trên mô
hình động..............................................................................................................52
4.1. Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy qua cột vật liệu ..................................52
4.2. Khảo sát thời gian bão hòa của cột vật liệu.............................................53
4.3. Nhận xét ......................................................................................................53
5.

Kết luận vật liệu tối ưu ...............................................................................54

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................58
1.

Kết luận ........................................................................................................58

2.

Kiến nghị ......................................................................................................58

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................59
PHỤ LỤC ................................................................................................................. xi

vi


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CCCF

Cellulose phủ chitosan (Chitosan-coated Cellulose Fiber)

CF

Cellulose fiber

EPA

Cục Bảo vệ Môi Trường Mỹ (Environment Protection Agency)

H%

Hiệu suất

ODCF

Cellulose-oxy-hóa (Oxidized-Cellulose Fiber)

QCVN

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia

TCVN

Tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia

WHO

Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Organization)

vii


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các phương trình đường đẳng nhiệt mô phỏng cân bằng hấp phụ. Trong
mỗi trường hợp, qe là dung lượng hấp phụ và Ceq là nồng độ cân bằng của chất bị
hấp phụ. ..................................................................................................................... 13
Bảng 1.2. Các phương trình động học hấp phụ......................................................... 16
Bảng 2.1. Một số hóa chất dùng trong thí nghiệm .................................................... 29
Bảng 2.2. Một số dung dịch sử dụng trong đề tài nghiên cứu .................................. 29
Bảng 3.1. Khối lượng vật liệu trước và sau khi xử lý ............................................... 37
Bảng 3.2. Hình chụp SEM cấu trúc bề mặt của 3 loại vật liệu: (a) CF; (b) ODCF (oxy
hóa bằng KIO4 nồng độ 10g/L trong thời gian 3 giờ); (c) CCCF (8g chitosan, thời
gian phản ứng là 2 giờ) ............................................................................................. 39
Bảng 3.3. Khảo sát quá trình động học hấp phụ của Cd (II) và Zn (II) trên 3 loại vật
liệu CF, ODCF và CCCF. ......................................................................................... 47
Bảng 3.4. Khảo sát mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ của Cd (II) và Zn (II) trên 3
loại vật liệu CF, ODCF và CCCF. ............................................................................ 49
Bảng 3.5 tổng hợp các kết quả hiệu suất xử lý cũng như dung lượng hấp phụ tối đa
của 3 loại vật liệu CF, ODCF và CCCF. ................................................................... 54

viii

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Các loại đường đẳng nhiệt hấp phụ (Brunauer et al., 1940) ..................... 14
Hình 1.2. Quá trình hấp phụ Langmuir (Martha Benavente, 2008) .......................... 15
Hình 1.3. Các mắt xích β-D-Glucose trong cellulose. (Neur Otiker, 2007) ............. 18
Hình 1.4. Sơ đồ phân cấp của gỗ từ kích thước nano đến kích thước trong tự nhiên
(Peng Liu, 2015)........................................................................................................ 18
Hình 1.5. Mạng lưới các sợi cellulose có các liên kết hydro (đường màu xanh) giữa
các sợi. (Ceres Vesta, 2009) ...................................................................................... 20
Hình 1.6. Quá trình oxy hóa cellulose bằng các gốc periodate (Tanja Nikolic et al,
2011).......................................................................................................................... 24
Hình 1.7. Cấu trúc của chitosan (Guibal, 2004)........................................................ 25
Hình 1.8. Phản ứng khử gốc acetyl của chitin tạo thành chitosan (Guibal, 2004).... 25
Hình 1.9. Các mô hình đề xuất cấu trúc của phức Kim loại – Chitosan với (a) chitosan,
(b) mô hình Pendant, (c) mô hình của Monteiro và Airoldi và (d) mô hình Bridge.
(Meijia Xie, 2015) ..................................................................................................... 27
Hình 1.10. Quá trình (a) oxy hóa bề mặt vật liệu bằng KIO4 và (b) bao phủ bề mặt
vật liệu bằng chitosan (Simona Strnad, 2008) .......................................................... 28
Hình 2.1. Các bước tiền xử lý vật liệu thô ................................................................ 30
Hình 2.2. Các thành phần hóa học chính có trong bã mía (P. Kumar et al., 2009) .. 31
Hình 2.3. Quá trình loại bỏ lignin và hemicellulose ................................................. 31
Hình 2.4. Quy trình tổng hợp vật liệu Cellulose ....................................................... 32
Hình 2.5. Mô hình hấp phụ qua cột ........................................................................... 36
Hình 3.1. Vật liệu cellulose tổng hợp: CF, ODCF và CCCF .................................... 37
Hình 3.2. Hiệu ứng liên kết dựa trên sự trao đổi proton. .......................................... 38
Hình 3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa vật liệu Cellulose: (a)
thời gian oxy hóa, (b) nồng độ chất oxy hóa KIO4 ................................................... 39

Hình 3.4. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của 3 loại vật liệu: (a) CF, (b) ODCF và
(c) CCCF ................................................................................................................... 41
Hình 3.5. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý kim loại Cd (II)
và Zn (II) ................................................................................................................... 42

ix


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

Hình 3.6. Các dạng tồn tại của ion kim loại Cadmium và Zinc trong dung dịch ở các
khoảng pH khác nhau ................................................................................................ 43
Hình 3.7. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất loại bỏ
ion kim loại Cd (II) và Zn (II) ................................................................................... 45
Hình 3.8. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ lắc đến hiệu suất loại bỏ ion kim
loại Cd (II) và Zn (II) ................................................................................................ 46
Hình 3.9. Mô hình động học hấp phụ của Cd (II) trên 3 loại vật liệu CF, ODCF và
CCCF ......................................................................................................................... 48
Hình 3.10. Mô hình động học hấp phụ của Zn (II) trên 3 loại vật liệu CF, ODCF và
CCCF. ........................................................................................................................ 48
Hình 3.11. Mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ của Cd (II) trên 3 loại vật liệu CF,
ODCF và CCCF ........................................................................................................ 51
Hình 3.12. Mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ của Zn (II) trên 3 loại vật liệu CF,
ODCF và CCCF ........................................................................................................ 51
Hình 3.13. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ dòng đến hiệu suất xử lý kim
loại Cd (II) và Zn (II) ................................................................................................ 52
Hình 3.14. Kết quả khảo sát thời gian bão hòa của quá trình hấp phụ kim loại Cd (II)
và Zn (II) ................................................................................................................... 53

Hình 3.15. Biểu đồ so sánh hiệu quả xử lý kim loại của vật liệu CCCF trên mô hình
tĩnh và mô hình động................................................................................................. 54
Hình 3.16. Vật liệu tối ưu.......................................................................................... 55

x


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay ở Việt Nam, các vấn đề liên quan đến nguồn nước đang được sự quan

tâm sát sao của các cấp, các ngành, đặc biệt là ô nhiễm do kim loại nặng trong nguồn
nước. Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm kim loại nặng trong nước, như sự
phát triển của các ngành công nghiệp nặng, các ngành cơ khí – chế tạo máy, luyện
kim… Mặc dù đã có rất nhiều quy định được nhà nước ban hành để kiểm soát chất
lượng nước thải, nhưng do ý thức của các doanh nghiệp trong vấn đề xử lý nước thải
chưa được cao dẫn đến tình trạng ô nhiễm nước như hiện nay. Hơn nữa, khi các quy
định về chất lượng nước sinh hoạt, nước uống ngày càng kiểm soát gắt gao hơn đối
với hàm lượng kim loại nặng thì việc nghiên cứu các kỹ thuật, công nghệ xử lý nước
có thể giảm nồng độ kim loại nặng đến mức thấp nhất (như 1 ppm) là ưu tiên cấp
thiết. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu các công nghệ xử lý kim loại
nặng trong nước, đặc biệt là các kỹ thuật – công nghệ dựa trên vật liệu hấp phụ sinh
học. Tuy nhiên, để áp dụng hiệu quả các kỹ thuật – công nghệ này tại Việt Nam, cần
thực hiện các nghiên cứu cụ thể hơn để vừa đạt hiệu quả xử lý cao, vừa có giá thành

thấp. Do đó, đề tài nghiên cứu đã được đề xuất thực hiện dựa trên nhu cầu cấp thiết
này.
2.

Mục tiêu đề tài
- Tổng hợp thành công sợi cellulose biến tính từ bã mía.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ kim loại nặng của sợi

cellulose biến tính.
3.

Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tính chất của vật liệu Cellulose.
- Tổng hợp vật liệu Cellulose và Cellulose biến tính.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ kim loại nặng. Các yếu

tố khảo sát bao gồm: pH, thời gian tiếp xúc, tốc độ lắc, nồng độ kim loại đầu vào
- Khảo sát mô hình đường đẳng nhiệt và động học hấp phụ thích hợp mô tả quá
trình hấp phụ của vật liệu.
4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

- Đối tượng nghiên cứu: Sử dụng phụ phẩm nông nghiệp là bã mía và nghiên
cứu khả năng hấp phụ các kim loại nặng gồm 2 kim loại là Cd2+, Zn2+
- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm,
tập trung vào việc tổng hợp thành công sợi cellulose biến tính từ bã mía và tối ưu hóa
hiệu suất hấp phụ kim loại nặng (Cd2+, Zn2+) trong dung dịch.
5.

Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập thông tin: tìm hiểu, tổng hợp các tài liệu, số liệu, cơ sở

dữ liệu hiện có về các vật liệu từ thứ phẩm, phụ phẩm nông lâm nghiệp có khả năng
làm vật liệu hấp phụ ở Việt Nam để lập phương án điều tra và lựa chọn đối tượng vật
liệu.
- Phương pháp thực nghiệm: tính chất vật lý của vật liệu hấp phụ được phân tích
bằng các phương pháp phân tích như phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR) và phân tích
cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi điện tử (SEM); tính chất hóa học và khả năng hấp
phụ kim loại nặng của vật liệu được khảo sát trong phòng thí nghiệm.
6.

Nơi thực hiện đề tài
Đề tài được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Phân tích Môi trường – C14, trực

thuộc Khoa Môi trường – trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM cơ sở Nguyễn
Văn Cừ - Quận 5.

2


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.

Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm nước do kim loại nặng
Trong vài thập kỉ gần đây, ý thức của con người về tầm quan trọng của các vấn

đề môi trường đang dần được nâng cao. Các công trình nghiên cứu xử lý nước thải
chủ yếu tập trung nhiều vào những chất ô nhiễm như kim loại nặng, chất phóng xạ,
và hóa chất tổng hợp do có độc tính cao ảnh hưởng trực tiếp đến con người và hệ sinh
thái dưới nước.
Báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) năm 2010, công bố trên toàn thế
giới có 884 triệu người thiếu nước sạch để sinh hoạt, 1.8 triệu trẻ em chết mỗi năm
do các căn bệnh đến từ việc sử dụng nước nhiễm bẩn. Ngoài ra, 3.7% các vấn đề về
sức khỏe trên toàn thế giới đều đến từ việc sử dụng nước không sạch. Trong khi đó,
dân số tăng nhanh sẽ đặt 700 triệu người dưới tình trạng thiếu nước sử dụng (1700
m3 nước/người/năm) và con số này được dự báo sẽ tăng đến 3 tỉ người vào năm 2025.
Do đó, có thể dễ dàng nhận ra vấn đề khan hiếm nước sạch ở nhiều khu vực trên thế
giới hiện nay.
Một trong những nguyên do gây ô nhiễm nguồn nước chính là sự hiện diện của
các ion kim loại nặng. Nước thải chứa hàm lượng kim loại nặng cao thường đến từ
các khu công nghiệp hoặc trong nước thải sinh hoạt của người dân. Theo Cục Bảo vệ
Môi trường Mỹ (EPA), có 8 loại kim loại nặng thường xuyên xuất hiện trong nước
thải là As, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni, và Zn. Các kim loại nặng độc hại này có trong
nước thải của nhiều loại ngành công nghiệp, chẳng hạn như ngành khai thác mỏ và
khoáng sản, ngành công nghiệp hoàn thiện bề mặt, ngành công nghiệp năng lượng và
sản xuất nhiên liệu, ngành công nghiệp phân bón và thuốc trừ sâu, ngành luyện kim,
sắt, thép, xi mạ điện, sản xuất thiết bị điện – điện tử, hàng không vũ trụ… Ban đầu,
nước thải được xả thẳng ra các hệ thống sông, hồ nhưng hiện nay đã có các văn bản
luật quy định ngày càng chặt chẽ hơn để các khu công nghiệp, công ty, xí nghiệp sản
xuất phải đầu tư, và nâng cấp công nghệ để xử lý dòng thải của mình trước khi xả ra

môi trường. Tuy nhiên, ở Việt Nam, các quy định về kim loại nặng trong nước đều
có hàm lượng kim loại nặng cao hơn so với các nước khác trên thế giới, ảnh hưởng
nhiều đến sức khỏe con người và môi trường sống của các loài thủy sinh vật. Ví dụ,
nồng độ kim loại nặng trong nước ở sông Nhuệ, và sông Tô Lịch tại Hà Nội có giá
3


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
trị thấp hơn so với giá trị quy định trong Quy chuẩn Việt Nam về chất lượng nước
mặt nhưng lại cao hơn giá trị trung bình đối với chất lượng nước ngọt trên thế giới
lần lượt là 0.42 – 0.43 lần tại sông Nhuệ và 0.13 – 0.32 lần tại sông Tô Lịch.
Ngoài ra, việc khai thác và tuyển quặng vàng phải dùng đến thuốc tuyển có chứa
Hg, CN-… rất độc hại. Các nguyên tố kim loại nặng như As, Pb… có thể hòa tan vào
nước dẫn đến nước ở các mỏ than thường có hàm lượng cao các ion kim loại nặng, á
kim… cao hơn Tiêu chuẩn Việt Nam từ 1 đến 3 lần. Các kết quả nghiên cứu của Viện
Y học Lao Động và vệ sinh môi trường năm 2009 cho thấy môi trường các khu vực
khai thác, chế biến kim loại màu ở phía Bắc nước ta như mỏ Chì - Kẽm Lang Hích,
mỏ Chì - Kẽm Bản Thi, mỏ Mangan Cao Bằng, mỏ Thiếc Sơn Dương... thường có
hàm lượng kim loại nặng vượt giới hạn cho phép từ 2 - 10 lần đối với chì, 1.5 - 5 lần
với arsen, và 2 - 15 lần với kẽm. Tại mỏ than lộ thiên Khánh Hòa nồng độ bụi than
và bụi đá trong môi trường có lúc lên tới 42 mg/m3. Hậu quả là có tới 8 – 10% công
nhân trong khu vực này bị nhiễm độc Pb, As hoặc bị bệnh bụi phổi hàng năm phải đi
điều trị.
Sự phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp kéo theo nồng độ của các ion
kim loại nặng tăng từng ngày ảnh hưởng trực tiếp đến các vấn đề sức khỏe và môi
trường. Vì vậy, các kim loại nặng có độc tính cao cần phải loại bỏ ra khỏi thành phần
chất lượng nước nhanh chóng.

1.1.

Tổng quan về kim loại nặng
Kim loại nặng là tất cả các nguyên tố kim loại có khối lượng riêng lớn và có độc

tính cao ở nồng độ thấp. Một số kim loại nặng điển hình gồm có Hg, Cd, As, Cr, Zn
và Pb.
Kim loại nặng là các thành phần tự nhiên có trong lớp vỏ Trái Đất, không bị
phân hủy sinh học như các chất hữu cơ khác. Kim loại nặng đi vào cơ thể con người
thông qua thức ăn, nước uống và không khí. Ở nồng độ thấp, một số kim loại nặng
(như Cu, Se, Zn) có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự chuyển hóa và trao đổi
chất của cơ thể con người. Tuy nhiên, với kim loại nặng ở nồng độ cao có thể dẫn
đến ngộ độc. Ngộ độc kim loại nặng có thể đến từ việc sử dụng nước uống nhiễm
bẩn, tiếp xúc với môi trường không khí xung quanh bị ô nhiễm hoặc do nguồn cung
cấp thức ăn. Các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng thường gặp như nước thải công
4


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
nghiệp và khai thác quặng, phát thải từ phương tiện giao thông, các loại pin chì, phân
bón, sơn…

1.1.1. Tổng quan về Cadmium (Cd)
Cadmium là kim loại có màu trắng bạc, bóng, dễ uốn hoặc kéo dãn, bề mặt kim
loại có ánh xanh, mềm và có thể dễ dàng cắt bằng dao. Cadmium dễ dàng bị oxy hóa
khi để trong môi trường không khí. Cadmium tan trong môi trường acid nhưng không
tan trong môi trường kiềm, có nhiều tính chất giống với kẽm nhưng tạo thành các hợp
chất phức tạp hơn kẽm. Cadmium không tan trong nước và không dễ cháy, tuy nhiên
khi ở dạng bột, Cadmium có thể cháy và sinh ra khói độc. Cadmium cháy trong không
khí tạo thành Cadmium oxide vô định hình (CdO), dạng tinh thể của hợp chất này có
màu đỏ sậm và thay đổi màu sắc khi đun nóng, tương tự như kẽm oxide. Cadmium
tan trong acid hydrochloric, acid sulfuric và acid nitric để tạo thành Cadmium

chloride (CdCl2), Cadmium sulfate (CdSO4) và Cadmium nitrate (Cd(NO3)2). Mặc dù
Cadmium thường ở trạng thái oxy hóa +2, tuy nhiên trong một số trường hợp,
Cadmium có thể tồn tại ở trạng thái oxy hóa +1. Các trạng thái oxy +1 của Cadmium
xuất hiện khi hòa tan Cadmium trong hỗn hợp Cadmium chloride và aluminium
chloride, hình thành cation Cd2+.
Cd + CdCl2 + 2AlCl3 → Cd2(AlCl4)2
Trong tự nhiên, Cadmium được tìm thấy trong lớp vỏ Trái Đất và thường là hợp
chất với kẽm. Cadmium thường là sản phẩm phụ không thể thiếu, hình thành trong
các ngành công nghiệp chiết tách chì, kẽm hay đồng. Sau khi sử dụng, Cadmium xâm
nhập vào môi trường chủ yếu thông qua mặt đất vì nó thường được tìm thấy trong
phân chuồng và thuốc trừ sâu. Thông thường, có khoảng 25,000 tấn Cadmium được
thải vào môi trường trong 1 năm. Khoảng ½ lượng này đi vào các con sông thông qua
sự phong hóa đất, đá và một số đi vào trong không khí từ các đám cháy rừng hoặc
hoạt động núi lửa. Lượng Cadmium còn lại là do các hoạt động của con người, ví dụ
như các hoạt động sản xuất công nghiệp. Các nước khai thác, sản xuất và cung cấp
số lượng lớn Cadmium là Canada, Hoa Kỳ, Úc, Mexico, Nhật Bản, và Peru với sản
lượng khoảng 14,000 tấn/năm. Khoảng ¾ lượng Cadmium được sử dụng trong sản
xuất pin Ni-Cd, ¼ còn lại sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp sơn – mạ điện
hoặc làm chất ổn định cho các loại nhựa. Cadmium còn được sử dụng để mạ điện cho
5


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
thép khi chỉ cần lớp màng Cadmium mỏng 0.05mm đã có thể bảo vệ bề mặt kim loại
trong môi trường nước biển. Ngoài ra, Cadmium còn có khả năng hấp thụ neutron, vì
vậy nó được sử dụng như một rào cản để kiểm soát các phản ứng hạt nhân.

1.1.2. Tổng quan về Kẽm (Zn)
Kẽm là kim loại có màu trắng xanh, là nguyên tố đầu tiên thuộc nhóm 12 trong
bảng tuần hoàn hóa học. Kẽm có tính giòn và có thể kết tinh ở nhiệt độ thường, dễ

uốn dẻo (đặc biệt là khi làm nóng đến nhiệt độ trong khoảng 110oC – 150oC, trên
210oC kẽm có thể nghiền nhỏ thành dạng bột). Kẽm là một chất dẫn điện, có nhiệt độ
nóng chảy tương đối thấp là 419.5oC (điểm nóng chảy thấp nhất trong số các kim loại
chuyển tiếp) và nhiệt độ sôi là 907oC. Kẽm là một kim loại có độ hoạt động hóa học
cao, có thể kết hợp với oxy và các phi kim khác hoặc phản ứng với acid loãng để giải
phóng hydro.
Kẽm là nguyên tố phổ biến thứ 24 trong lớp vỏ Trái Đất, hàm lượng kẽm trong
đất khoảng từ 5 – 770 ppm với hàm lượng trung bình là 64 ppm, trong khi đó, lượng
kẽm có trong nước biển chỉ khoảng 30 ppb và trong không khí là 0.1 – 4 µg.m-3. Bên
cạnh đó, kẽm thường được tìm thấy trong các hợp chất kết hợp với các kim loại cơ
bản khác như đồng, hoặc chì. Một số loại quặng kẽm khác như smithsonite (kẽm
carbonate), wurtzite (kẽm sulfide) và thỉnh thoảng có trong hydrozincite (kẽm
carbonate cơ bản). Trên thế giới hiện nay có khoảng 1.9 tỷ tấn kẽm với trữ lượng lớn
ở Úc, Canada, Mỹ và Iran. Tuy nhiên với tốc độ tiêu thụ hiện tại, theo ước tính lượng
kẽm dự trữ sẽ cạn kiệt trong khoảng thời gian năm 2027 – 2055. Dự trên tính toán
của các nhà khoa học, tính đến năm 2002, khoảng 346 triệu tấn kẽm đã được chiết
tách từ quặng và khoảng 109 triệu tấn đã được sử dụng.
Kẽm được sử dụng chủ yếu trong việc mạ sắt, hơn 50% sản lượng kẽm dùng để
mạ sắt, thép, ngoài ra, kẽm cũng rất quan trọng trong chế tạo các loại hợp kim. Kẽm
còn được dùng làm điện cực trong một số loại pin điện; dùng để lợp mái nhà, máng
xối trong các công trình xây dựng. Kẽm là kim loại chính được sử dụng trong sản
xuất tiền xu, làm khuôn đúc trong ngành công nghiệp ô tô. Kẽm oxide được sử dụng
làm chất hoạt hóa trong ngành công nghiệp cao su; sản xuất nhựa, giấy photocopy,
giấy dán tường, mực in… Kẽm còn được sử dụng trong sản xuất mỹ phẩm vì đặc tính
chống oxy hóa, giúp bảo vệ da và các cơ bắp chống lại sự lão hóa.
6


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Kẽm là một nguyên tố thường gặp trong tự nhiên, có thể xuất hiện trong thực

phẩm, nước uống. Kẽm tồn tại trong không khí, nước và đất; ngày nay, hàm lượng
kẽm đang tăng nhanh bất bình thường do các hoạt động của con người. Hầu hết, lượng
kẽm thải ra môi trường đều đến từ các hoạt động công nghiệp như khai thác mỏ, than,
luyện thép hoặc đốt chất thải. Môi trường đất ở một số nơi đang bị ô nhiễm kẽm
nghiêm trọng do các hoạt động khai thác, tinh chế kẽm từ các khu công nghiệp sản
sinh lượng bùn thải và được sử dụng làm phân bón.

1.2.

Ảnh hưởng của kim loại nặng đến môi trường và sức khỏe con người
Dựa trên các nghiên cứu khoa học, mặc dù một số kim loại nặng với hàm lượng

nhỏ nhất định rất quan trọng đối với quá trình trao đổi chất của cơ thể con người, tuy
nhiên khi hấp thu hàm lượng cao các kim loại nặng do uống nước nhiễm bẩn, ô nhiễm
môi trường không khí hoặc sử dụng thực phẩm không sạch sẽ dẫn đến việc ngộ độc
kim loại nặng. Có 35 nguyên tố kim loại được đánh giá là có hại đến sức khỏe con
người, trong đó 25 nguyên tố là các kim loại nặng như arsenic, Cadmium, đồng, vàng,
sắt, chì, và kẽm. Nhiễm độc kim loại nặng có thể dẫn đến suy giảm các chức năng
thần kinh, ảnh hưởng đến các thành phần trong máu, phổi, thận, gan và các cơ quan
quan trọng khác. Ngoài ra, phơi nhiễm kim loại nặng trong thời gian dài sẽ dẫn đến
các bệnh như Alzheimer, Parkinson, rối loạn cơ bắp hay xơ cứng cơ. Kim loại nặng
cũng là một trong những nguyên nhân gây ung thư. Các trường hợp được ghi nhận
bệnh do phơi nhiễm kim loại nặng thường có các triệu chứng nặng, diễn biến nhanh
chóng kết hợp với các biểu hiện như chuột rút, buồn nôn, nôn, đau nhức, ra mồ hôi,
nhức đầu và khó thở; một số triệu chứng khác do tiếp xúc với hàm lượng lớn kim loại
nặng như rối loại cảm xúc hay mất ngủ (Lef, 1998).
Ngoài ra, những nguyên tố kim loại nặng còn là nguyên nhân gây ra sự ô nhiễm
môi trường và có mặt trong nhiều nguồn thải khác nhau như chì trong xăng, chất thải
công nghiệp hay kim loại nặng có trong đất đi vào sông, hồ do tác động của mưa acid.
Nguồn thải kim loại nặng còn phát sinh từ các ngành công nghiệp luyện kim, hoàn

thiện kim loại, sản xuất nhiên liệu hạt nhân hoặc mạ điện. (Lef, 1998). Các kim loại
này đi vào trong đất, nước ngầm và nước mặt; khó bị phân hủy sinh học như các chất
hữu cơ nên trở thành một thách thức lớn trong việc ngăn chặn và xử lý ô nhiễm. Nhiều
Chính phủ trên thế giới đã ban hành các văn bản luật để quy định về hàm lượng kim
7


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
loại nặng được phép xả thải vào nguồn nước hay quy định về việc sử dụng các chất
có độc tính cao như chì, cũng như việc sử dụng vật liệu nhựa cứng polyvinyl chloride
(UPVC) làm đường ống dẫn nước (Abdelshafi, 2007). Tuy nhiên, kim loại nặng vẫn
nhiễm vào trong các hệ thống phân phối nước này. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu
về việc xử lý kim loại nặng trong nước như trao đổi ion, sử dụng màng RO hoặc hóa
chất để kết tủa kim loại nhưng các phương pháp này đều có giá thành cao hoặc không
phù hợp với mục đích xử lý. Mặt khác, phương pháp hấp phụ kim loại nặng đã được
nghiên cứu và chứng minh là một biện pháp xử lý tiềm năng, có chi phí thấp và tận
dụng được các loại thứ phẩm nông nghiệp như bã mía, xơ dừa, vỏ trấu… để làm vật
liệu hấp phụ (Logan, 2002).

1.2.1. Ảnh hưởng của Cd đến môi trường và sức khỏe con người
Đối với môi trường, Cadmium có trong nguồn thải từ các nhà máy sản xuất kẽm,
quặng phosphate hay phân bón công nghiệp thường đi vào trong đất hoặc nhiễm vào
trong không khí thông qua quá trình đốt chất thải hoặc các nhiên liệu hóa thạch. Một
trong những nguồn chính phát thải Cadmium là sản xuất phân phosphate nhân tạo.
Một phần Cadmium đi vào trong đất khi sử dụng phân bón, phần còn lại đi vào trong
nguồn nước mặt khi các chất thải từ quá trình sản xuất phân bón được các công ty sản
xuất chôn xuống đất. Cadmium sẽ bị hấp thụ mạnh bởi các thành phần hữu cơ có
trong đất, từ đó tích tụ trong thực vật và gây ra những mối nguy tiềm năng đối với
con người khi sử dụng thực phẩm chứa Cadmium. Khi nồng độ Cadmium trong đất
quá cao có thể ảnh hưởng đến các vi sinh vật trong đất và đe dọa đến toàn bộ hệ sinh

thái môi trường đất. Trong môi trường nước, Cadmium sẽ tích lũy sinh học trong trai,
sò, tôm và cá; động vật khi ăn các loại sinh vật thủy sinh có tích tụ Cadmium sẽ dẫn
đến các bệnh về gan, hệ thần kinh hoặc cao huyết áp.
Đối với con người, sự hấp thu Cadmium chủ yếu đến từ thực phẩm, một số loại
thực phẩm giàu Cadmium như gan, nấm, sò, hến, bột ca cao và rong biển có thể làm
tăng đáng kể nồng độ Cadmium trong cơ thể người. Ngoài ra, những người hút thuốc
thường bị phơi nhiễm Cadmium với nồng độ cao hơn bình thường do khói thuốc vận
chuyển Cadmium vào phổi, sau đó máu sẽ vận chuyển nó đến các bộ phận còn lại của
cơ thể. Những người sống gần các khu vực có nhà máy luyện kim, hoặc làm việc
trong ngành công nghiệp máy móc, kim loại sẽ có nguy cơ bị ảnh hưởng nghiêm trọng
8


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
đến phổi, thậm chí có thể gây tử vong khi tiếp xúc với môi trường không khí xung
quanh bị nhiễm Cadmium. Cadmium có thể theo đường máu để đến các cơ quan thiết
yếu như gan, thận và tích tụ tại đó gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ bài tiết của cơ
thể và phải mất một thời gian rất lâu để có thể đào thải ra khỏi cơ thể con người. Ngộ
độc Cadmium có thể gây ra các bệnh như tiêu chảy, đau bụng hay nôn mửa; Cadmium
còn ảnh hưởng đến cơ quan sinh sản và có thể gây vô sinh; gây thiệt hại đến hệ thống
thần kinh trung ương, hệ miễn dịch; gây rối loạn tâm lý hoặc ung thư.

1.2.2. Ảnh hưởng của Zn đến môi trường và sức khỏe con người
Ngày nay, nhu cầu sản xuất kẽm trên thế giới vẫn tăng, dẫn đến lượng kẽm thải
vào môi trường ngày càng nhiều hơn. Kẽm có trong nước thải từ các nhà máy công
nghiệp đi vào trong môi trường nước gây ô nhiễm và làm tăng nồng độ acid trong
nước. Một số loài cá, tôm và các sinh vật thủy sinh có thể tích tụ kẽm trong cơ thể,
dẫn đến tích lũy sinh học kẽm trong chuỗi thức ăn. Hơn nữa, kẽm đi vào trong đất sẽ
gây ô nhiễm môi trường đất, không chỉ trở thành một mối đe dọa đến sức khỏe của
các loài gia súc, gia cầm mà còn ảnh hưởng đến cây trồng trên vùng đất bị ô nhiễm.

Vì vậy, tại các khu vực gần các nhà máy sản xuất kẽm thường không có sự đa dạng
sinh học. Ngoài ra, nồng độ kẽm cao có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động sống
của các loài sinh vật trong đất như giun đất hay vi sinh vật; làm chậm hoặc gián đoạn
các quá trình phân hủy chất hữu cơ trong đất; kẽm tan trong đất còn có thể gây ô
nhiễm môi trường nước ngầm tại đó. Trong môi trường nước, nguyên tố kẽm không
được coi là một chất có tính độc. Tuy nhiên, các hợp chất của kẽm như kẽm arsenate
hay kẽm cyanide lại là những chất cực độc. Nguyên tố kẽm là một khoáng chất dinh
dưỡng cho con người và động vật. Tuy nhiên, với hàm lượng lớn có thể gây ảnh
hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và động vật. Bùn thải từ các hệ thống xử lý
nước thải trong nông nghiệp, làm vườn hay lâm nghiệp phải có nồng độ kẽm không
được vượt quá 3g/kg bùn.
Trong cơ thể con người, có khoảng 2 – 3g kẽm và có giá trị dinh dưỡng là một
yếu tố vi lượng của cơ thể. Chức năng chính của kẽm thường liên quan đến các
enzymes và quá trình sao chép DNA. Các hormones insulin của người có chứa kẽm
và đóng vai trò quan trọng trong phát triển giới tính. Lượng hấp thu kẽm tối thiểu
hàng ngày là 2 – 3g để ngăn ngừa sự thiếu hụt kẽm vì cơ thể con người chỉ có thể hấp
9


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
thu 20 – 40% lượng kẽm có trong thức ăn, do đó, một số người thường có thói quen
bổ sung thêm nước khoáng giàu kẽm. Thiếu hụt kẽm có thể gây chán ăn, suy giảm hệ
thống miễn dịch ở trẻ em hoặc ảnh hưởng đến hệ thống các enzymes trong cơ thể.
Kẽm còn được ứng dụng để bảo vệ con người khỏi nhiễm độc Cadmium hay chì. Tuy
nhiên, hấp thụ một lượng lớn kẽm có thể gây buồn nôn, nôn mửa, chóng mặt, sốt hay
tiêu chảy. Hấp thu 2g kẽm sulphate trong thời gian ngắn có thể gây ngộ độc cấp tính
dẫn đến đau bụng và nôn mửa; nhiễm độc kẽm chloride (3 – 5g) hoặc kẽm sulphate
(5g) có thể gây chết người.

1.3.

Các phương pháp xử lý kim loại nặng
Hiện nay, có rất nhiều công nghệ được nghiên cứu và áp dụng để xử lý kim loại

nặng trong nước như kết tủa hóa học, lọc, trao đổi ion, keo tụ điện hóa, màng sinh
học hoặc hấp phụ bằng carbon hoạt tính… Tuy nhiên, một số phương pháp như tạo
kết tủa hóa học hay xử lý keo tụ điện hóa thường không hiệu quả đối với nước thải
có hàm lượng kim loại nặng thấp như từ 1 – 100 mg/L. Ví dụ, theo như khuyến cáo
của WHO thì giới hạn hàm lượng đồng trong nước uống là 2 mg/L và sẽ không thể
đạt được mức chuẩn này nếu áp dụng phương pháp kết tủa hóa học. Do đó, dựa vào
quy chuẩn của EPA và QCVN về nồng độ tối đa các kim loại nặng trong nước như
đồng, bạc, Cadmium, kẽm hoặc chì, đề tài mong muốn đề xuất một giải pháp kĩ thuật
có thể đáp ứng được mục tiêu xử lý các kim loại nặng có nồng độ thấp trong nước
với hiệu suất xử lý cao và có giá thành cạnh tranh.
Tuy nhiên, để lựa chọn một công nghệ thích hợp có thể đáp ứng được các mục
tiêu đặt ra cần phải phân tích và hiểu rõ các phương pháp, kỹ thuật đang được áp dụng
hiện nay. Vì vậy, trong đề mục này sẽ phân tích một số công nghệ đang dùng để xử
lý kim loại nặng trong nước hiện nay.

1.3.1. Phương pháp kết tủa
Phương pháp kết tủa hỏa học là một trong những kỹ thuật thường được sử dụng
để loại bỏ kim loại trong nước thải từ các ngành công nghiệp hóa chất và luyện kim.
Tuy nhiên, khi áp dụng quy trình này cần phải có các bước xử lý bậc hai như lọc hoặc
khử nước. Hydroxide, sulphite, phosphates và carbonate thường là các chất kết tủa
hay gặp. Nhiều kim loại như nickel, kẽm và đồng rất dễ kết tủa trong khi đó một số
kim loại khác như thủy ngân hay crom thì ngược lại. Tuy nhiên, độ pH tối ưu để các
10


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

kim loại kết tủa hiệu quả lại khác nhau đối với từng kim loại dẫn đến cần phải xử lý
qua nhiều giai đoạn ứng với nhiều điều kiện pH khác nhau. Mặc dù phương pháp kết
tủa hóa học thường được sử dụng để loại bỏ các kim loại nặng có nồng độ cao trong
nước thải nhưng tính hiệu quả của quy trình này lại phụ thuộc nhiều vào tính chất và
các thành phần hóa học của nước thải.

1.3.2. Phương pháp điện hóa
Phương pháp điện hóa dựa trên phản ứng oxy hóa – khử xảy ra ở các điện cực
và sự trao đổi ion thông qua các electrolyde. Các phản ứng này sinh ra electron để
chuyển hóa các ion kim loại về trạng thái nguyên tố ban đầu. Vì thế, phương pháp
điện hóa không cần sử dụng thêm các chất xúc tác khác để thúc đẩy quá trình phản
ứng.
Trong nghiên cứu về phương pháp giảm nồng độ Cadmium trong dung dịch có
chứa các kim loại khác như nickel hay cyanide của Abda và Oren, nhóm tác giả đã
nhận ra rằng có pH-kiềm được hình thành tại bề mặt tiếp xúc giữa dung dịch và
electrode, điều này đã dẫn đến sự hình thành kết tủa Cd(OH)2. Kết tủa Cd(OH)2 có
thể bị hấp phụ bởi các electrode như một hạt keo tích điện. Ngoài ra, phương pháp
điện hóa được sử dụng chủ yếu để xử lý các kim loại nặng khác như đồng, kẽm,
nickel, sắt hoặc bạc.

1.3.3. Phương pháp màng
Phương pháp màng là một trong những công nghệ được lựa chọn nhiều nhất
trong số những phương pháp đã được đề cập. Nguyên lý của phương pháp này là sử
dụng áp lực đẩy dòng nước thải đi qua lớp vật liệu màng có cấu trúc lỗ xốp và các hạt
cặn bẩn sẽ được giữ lại không đi qua màng. Công nghệ màng có thể được phân loại
dựa trên các lực đẩy khác nhau như áp lực, nồng độ hoặc điện tích. Đối với loại màng
lọc áp lực bao gồm có ultrafiltration, microfiltration, nanofiltration và lọc thẩm thấu
ngược RO.
Công nghệ màng có thể được sử dụng ở cuối quy trình xử lý để đạt nồng độ kim
loại nặng phù hợp trước khi xả thải ra môi trường, tuy nhiên phương pháp này yêu

cầu chi phí lắp đặt và vận hành khá cao.

1.3.4. Phương pháp trao đổi ion

11


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Phương pháp trao đổi ion là sự trao đổi các ion có cùng điện tích giữa pha rắn
(ví dụ các hạt nhựa polimer) và pha lỏng (nước thải). Quá trình này là thuận nghịch,
và được sự dụng để loại bỏ các ion kim loại trong nước thải như cobalt, sắt hoặc kẽm.
Các vật liệu trao đổi ion khi bão hòa có thể được tái sinh bằng các dung dịch acid
hoặc kiềm, tùy theo tính chất của mỗi loại vật liệu. Dòng thải đầu ra có nồng độ cao
nhưng thể tích thấp, điều này công nghệ này cần có các bước xử lý bậc hai để thu hồi
kim loại. Các vật liệu trao đổi ion thường được sử dụng như là các loại hạt polymer,
carbon hoạt tính hoặc zeolites.
Quy trình xử lý các kim loại nặng trong nước bằng phương pháp trao đổi ion
thường được đề xuất áp dụng cho nồng độ kim loại dưới 1000 ppm và trong dung
dịch không chứa nhiều các ion cạnh tranh. Ngoài ra, thiết kế hệ thống trao đổi ion
thường tốn nhiều chi phí hoặc đòi hỏi dung dịch đầu vào không có các hạt keo không
tan để duy trì hiệu suất cao cho quá trình trao đổi ion cũng như tái sinh vật liệu.

1.3.5. Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ trên các loại vật liệu rắn như carbon hoạt tính, vật liệu
sinh học… đang được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước. Nhiều loại vật liệu hấp phụ
hữu cơ và vô cơ được sử dụng để loại bỏ các ion kim loại nặng trong nước, ví dụ như
chitosan, thực vật thủy sinh, sắt oxide, mangan oxide, silica gel hoặc carbon hoạt tính.
Trong đó, các nghiên cứu về ứng dụng vật liệu hấp phụ sinh học đang được sử dụng
nhiều nhất để xử lý các hợp chất ô nhiễm hữu cơ hoặc vô cơ trong nước. Hơn nữa,
phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu sinh học tự nhiên có thể cung cấp một giải

pháp đơn giản, hiệu quả, chi phí thấp khi thi công – vận hành, và có thể đạt được mức
xử lý tối đa đối với các chất ô nhiễm có nồng độ thấp như các ion kim loại nặng có
trong nước thải sinh hoạt. Mặt khác, việc sử dụng vật liệu sinh học có nguồn gốc từ
các loại phế phẩm nông – lâm nghiệp còn góp phần xử lý lượng chất thải rắn phát
sinh từ các ngành kể trên.
Vì vậy, đề tài quyết định chọn phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu sinh học
là hướng nghiên cứu chính để tìm ra giải pháp công nghệ đơn giản, hiệu quả và có
chi phí thấp cho vấn đề xử lý các chất ô nhiễm kim loại nặng có nồng độ thấp trong
nguồn nước. Do đó, tính chất hóa lý, cơ chế và ứng dụng của phương pháp này sẽ
được đề cập kĩ hơn trong đề mục tiếp theo.
12


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.

Tổng quan về phương pháp hấp phụ

2.1.

Định nghĩa
Hấp phụ là quá trình mà một hoặc nhiều thành phần (chất bị hấp phụ) bị thu hút

và tạo liên kết với bề mặt của một chất rắn mà chúng tương tác. Các liên kết này (ion,
cộng hóa trị hoặc kim loại) phụ thuộc vào tính chất của các thành phần tham gia, tuy
nhiên, vật liệu hấp phụ được phân loại thành các dạng: hấp thụ vật lý, hấp phụ hóa
học hoặc hấp phụ tĩnh điện.
Quá trình hấp phụ đang ngày càng được ứng dụng nhiều trong việc phân tách
các chất ô nhiễm và được sử dụng ở quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, để áp dụng quá

trình hấp phụ với quy mô thương mại thì vật liệu hấp phụ phải có tải trọng hàng tấn
và giá thành thấp (Ruthven, 1984). Để có thể hiểu rõ quá trình hấp phụ cũng như thiết
kế một quy trình hấp phụ yêu cầu phải có kiến thức về đường đẳng nhiệt cân bằng và
động học hấp phụ.

2.2.

Cân bằng hấp phụ
Quá trình hấp phụ thường được mô tả bằng các đường đẳng nhiệt hấp phụ, thể

hiện hàm lượng chất tan có thể hấp phụ vào vật liệu hấp phụ tại một nhiệt độ nhất
định. Một đường đẳng nhiệt hấp phụ thường liên quan đến hàm lượng chất tan trên
bề mặt vật liệu và nồng độ chất tan có trong trong dung dịch mà chất hấp phụ tiếp
xúc. Những giá trị này thường được xác định thông qua thí nghiệm hoặc dựa vào
những mô hình mô phỏng. Mặc dù đường đẳng nhiệt Freundlich và Langmuir là hai
đường đẳng nhiệt mô phỏng tốt sự cân bằng hấp phụ, tuy nhiên, vẫn còn có các
phương trình khác để mô phỏng quá trình này. Bảng 1.1 sẽ liệt kê một số phương
trình chính đang được sử dụng hiện nay.
Bảng 1.1. Các phương trình đường đẳng nhiệt mô phỏng cân bằng hấp phụ. Trong
mỗi trường hợp, qe là dung lượng hấp phụ và Ceq là nồng độ cân bằng của chất bị hấp
phụ.
Đường đẳng nhiệt

Phương trình

Chú thích

Freundlich

aF và bF là các thông số kinh nghiệm, thông

(1.1)

thường bF < 1 (Gerente et al., 2007).

13