Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion cu2+, cd2+ trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã trà và ứng dụng trong xử lí nước thải xi mạ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài “ Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu2+, Cd2+ trong
nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã trà và ứng dụng trong xử lí nước thải xi mạ”
là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thị Quỳnh Trang, khoa
Khoa học môi trường, trường Đại học Sài Gòn. Các số liệu và kết quả trong đề tài là
trung thực và chưa từng được công bố. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận
văn.
TPHCM, tháng 4 năm 2017
Tác giả luận văn

Huỳnh Thị Thu Trang

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, với lòng biết ơn và sự kính trọng sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn
ThS. Nguyễn Thị Quỳnh Trang, giảng viên khoa Khoa học môi trường, trường đại học
Sài Gòn đã giúp đỡ định hướng nghiên cứu, tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình
thực hiện đề tài, cảm ơn cô đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn và góp
ý để em hoàn thành đề tài này.
Xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Sài Gòn đã cho phép và tạo
điều kiện hỗ trợ kinh phí để em thực hiện đề tài này.
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng viên khoa
Khoa học môi trường, các thầy cô cán bộ trung tâm Kỹ thuật Tài nguyên môi trường,
trường đại học Sài Gòn đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em có thể học tập và nghiên
cứu trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè và những người thân đã quan tâm động
viên và đóng góp ý kiến giúp đỡ em hoàn thành đề tài nghiên cứu.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!
TPHCM, tháng 4 năm 2017

Tác giả luận văn

Huỳnh Thị Thu Trang

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
BẢN TÓM TẮT ............................................................................................................ ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................x
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................xv
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài ..............................................................................................1
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu .................................................................................4
3. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................8
4. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................8
5. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ..............9
a. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................9
b. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................9
c. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu ...............................................................10
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn...................................................................................11
7. Bố cục đề tài ..............................................................................................................12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Sự ô nhiễm nguồn nước bởi các kim loại nặng ....................................................13
1.1.1. Tình trạng ô nhiễm nước do kim loại nặng ..................................................13
1.1.1.1. Tình trạng ô nhiễm nước do kim loại nặng trên thế giới .......................13
1.1.1.2. Tình trạng ô nhiễm nước do kim loại nặng ở Việt Nam........................13

1.1.2. Một số nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng ....................................................14
1.1.2.1. Hoạt động khai thác mỏ .........................................................................14

iii


1.1.2.2. Công nghiệp mạ .....................................................................................14
1.1.2.3. Công nghiệp sản xuất các hợp chất vô cơ..............................................15
1.1.2.4. Qúa trình sản xuất sơn, mực và thuốc nhuộm .......................................15
1.1.2.5. Công nghiệp luyện kim ..........................................................................15
1.2. Giới thiệu về các ion kim loại nặng Cu(II), Cd(II) ...............................................16
Giới thiệu về kim loại nặng ..........................................................................16
Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con người và môi trường ......16
Giới thiệu về Đồng .......................................................................................17
1.2.3.1. Vai trò của Đồng ....................................................................................17
1.2.3.2. Độc tính của Đồng .................................................................................18
Giới thiệu về Cadimi ....................................................................................18
1.2.4.1. Trạng thái thiên nhiên và một vài tính chất đặc trưng ...........................18
1.2.4.2. Độc tính của Cadimi ..............................................................................18
1.3. Một số phương pháp xử lí nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng .......................19
1.3.1. Phương pháp kết tủa .....................................................................................19
1.3.2. Phương pháp trao đổi ion .............................................................................20
1.3.3. Phương pháp điện hóa ..................................................................................20
1.3.4. Phương pháp oxy hóa – khử .........................................................................20
1.3.5. Phương pháp sinh học ..................................................................................20
1.3.6. Phương pháp hấp phụ ...................................................................................21
1.3.6.1

Khái niệm ...............................................................................................21

1.3.6.2

Kỹ thuật hấp phụ ....................................................................................24

1.3.6.2.1. Hấp phụ trong điều kiện tĩnh .........................................................24
1.3.6.2.2. Hấp phụ trong điều kiện động .......................................................25
1.3.6.3

Qúa trình hấp phụ động trên cột ............................................................25

iv


1.3.6.4

Qúa trình chuyển khối trong cột ............................................................27

1.3.6.5

Phương trình tính toán hấp phụ động trên cột hấp phụ .........................28

1.3.6.6

Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt ...........................................................30

1.3.7. Một số phương pháp khác ............................................................................33
1.4. Một số phương pháp định lượng kim loại ............................................................34
1.4.1. Phương pháp phân tích thể tích ....................................................................34
1.4.2. Phương pháp trắc quang ...............................................................................34
1.4.3. Phương pháp phổ nguồn Plasma cao tần ghép nối khối phổ (ICP – MS)......35

1.4.3.1. Nguyên tắc chung của phương pháp ......................................................36
1.4.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo ICP – MS.......................................37
1.5. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ có nguồn gốc cellulose .........................................37
1.5.1. Đặc tính vật liệu lignocellulose ....................................................................37
1.5.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp sử dụng vật liệu lignocellulose làm vật liệu
hấp phụ ..................................................................................................................38
1.5.3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ bằng vật liệu
lignocellulose........................................................................................................40
1.5.3.1. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc..........................................................40
1.5.3.2. Ảnh hưởng của pH .................................................................................40
1.5.3.3. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn .........................................................41
1.5.3.4. Ảnh hưởng của một số yếu tố khác .......................................................42
1.5.4. Một số nghiên cứu sử dụng vật liệu lignocellulose làm vật liệu hấp phụ ....42
1.6. Cơ sở lý thuyết của phương pháp biến tính vật liệu lignocellulose......................44
1.6.1. Tổng quan về phương pháp biến tính vật liệu lignocellulose ......................44
1.6.2. Biến tính vật liệu lignocellulose bằng axit citric ..........................................45
1.6.3. Một số nghiên cứu biến tính vật liệu lignocellulose bằng axit citric ...........46
1.6.4. Ưu và nhược điểm của VLHP có nguồn gốc cellulose ................................47
v


1.7. Tổng quan về vật liệu hấp phụ - bã trà .................................................................48
1.7.1. Giới thiệu chung về cây chè .........................................................................48
1.7.2. Đặc điểm sinh hóa của cây trà ......................................................................49
1.7.3. Tổng quan về bã trà ......................................................................................50
1.7.4. Ứng dụng bã trà trong xử lý môi trường ......................................................51
1.8. Một số phương pháp nghiên cứu sản phẩm ..........................................................55
1.8.1. Phương pháp phổ hồng ngoại FT – IR .........................................................55
1.8.2. Phương pháp đo điện tích bề mặt riêng (BET) .............................................56
1.8.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .....................................................56

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất ................................................................................58
2.1.1. Thiết bị, dụng cụ ...........................................................................................58
2.1.2. Hóa chất ........................................................................................................58
2.2. Chế tạo và khảo sát một số đặc trưng cấu trúc vật liệu hấp phụ...........................59
2.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit citric .........................................................62
2.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ bã trà:axit citric ......................................................62
2.5. So sánh khả năng hấp phụ của bã trà nguyên liệu và VLHP ................................63
2.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Cu2+, Cd2+ của vật liệu
hấp phụ theo phương pháp hấp phụ tĩnh...............................................................63
2.6.1. Ảnh hưởng của pH........................................................................................63
2.6.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc ................................................................64
2.6.3. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ ................................................64
2.6.4. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu ..................................................................65
2.6.5. Xác định độ hấp phụ cực đại và hằng số hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng
nhiệt của Langmuir, Freundlich ............................................................................66

vi


2.7. Khảo sát khả năng hấp phụ ion Cu2+, Cd2+ của vật liệu hấp phụ theo phương pháp
hấp phụ động .........................................................................................................66
2.7.1. Thiết kế cột hấp phụ .....................................................................................66
2.7.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy ..............................................69
2.7.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ......................69
2.7.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng VLHP .............................................69
2.7.5. Tính toán các hằng số hấp phụ động trên cột ...............................................69
2.7.6. Nghiên cứu quá trình giải hấp phụ trên cột và tái sử dụng vật liệu ..............70
2.7.6.1. Nghiên cứu giải hấp vật liệu ..................................................................70
2.7.6.2. Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu .............................................71

2.7.7. Nghiên cứu xử lí thử mẫu nước thải xi mạ chứa Cu(II) bằng VLHP từ bã trà
biến tính................................................................................................................71
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả khảo sát một số đặc trưng cấu trúc của vật liệu hấp phụ.........................73
3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit citric .............................................77
3.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ bã trà:axit citric .........................................78
3.4. Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của bã trà nguyên liệu và VLHP ...................80
3.5. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của ion Cu2+, Cd2+
cuả vật liệu hấp phụ theo phương pháp hấp phụ tĩnh ...........................................81
3.5.1. Ảnh hưởng của pH ..........................................................................................81
3.5.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc ...................................................................82
3.5.3. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ ...................................................85
3.5.4. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ ...........................................87
3.6. Kết quả xác định độ hấp phụ cực đại và hằng số hấp phụ theo mô hình hấp phụ
đẳng nhiệt của Langmuir và Freundlich ...............................................................88
3.6.1. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ...........................................................88
vii


3.6.2. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich .........................................................90
3.7. So sánh khả năng hấp phụ Cu(II) và Cd(II) của bã trà biến tính và các VLHP được
biến tính khác ........................................................................................................93
3.8. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của ion Cu2+, Cd2+
cuả vật liệu hấp phụ theo phương pháp hấp phụ động .........................................96
3.8.1. Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy....................................................................96
3.8.2. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ ...........................................98
3.8.3. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ ...................................................99
3.8.4. Kết quả tính toán các hằng số hấp phụ động trên cột ...................................100
3.9. Kết quả khảo sát khả năng giải hấp, tái sinh vật liệu hấp phụ ............................102
3.9.1. Giải hấp vật liệu sau khi hấp phụ các ion kim loại .......................................102

3.9.2. Kết quả nghiên cứu khả năng tái sinh vật liệu ..............................................105
3.10. Kết quả nghiên cứu xử lí thử mẫu nước thải xi mạ chứa Cu(II).........................107
3.10.1. Xử lí theo phương pháp hấp phụ tĩnh .........................................................107
3.10.2. Xử lí theo phương pháp hấp phụ động ........................................................108
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận........................................................................................................................111
Kiến nghị .....................................................................................................................114
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................115
PHỤ LỤC ....................................................................................................................133
Phụ lục 1 - Một số hình ảnh khi tiến hành thực nghiệm ............................................ 133
Phụ lục 2 - Đặc tính của vật liệu bã trà biến tính axit citric ........................................ 136
Phụ lục 3 - Một số số liệu thực nghiệm ....................................................................... 141

viii


BẢN TÓM TẮT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Cu2+, Cd2+ TRONG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ BÃ TRÀ VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÍ NƯỚC THẢI XI MẠ

Mã số: SV2016-30
1. Vấn đề nghiên cứu (vấn đề, tính cấp thiết)
Nước thải từ quá trình mạ kim loại không được xử lí, qua thời gian tích tụ, sẽ tồn
đọng trong cơ thể và gây ra các tác động nguy hại đến sức khỏe con người. Do đó, cần
tìm kiếm một phương pháp xử lí vừa tiết kiệm, vừa thân thiện với môi trường.
2. Mục đích nghiên cứu/mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu nhằm tìm kiếm một hướng mới sử dụng sinh khối thực vật làm vật liệu
hấp phụ hiệu quả, giá thành thấp, thân thiện với môi trường trong việc tách loại các ion
Cu(II) và Cd(II) trong môi trường nước.

3. Nhiệm vụ/nội dung nghiên cứu/câu hỏi nghiên cứu
Thu gom, chế tạo và phân tích cấu trúc đặc trưng cũng như tiến hành khảo sát một số
đặc tính của vật liệu hấp phụ chế tạo được, qua đó nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng
đến hiệu quả xử lý các ion kim loại Cu(II) và Cd(II) theo phương pháp hấp phụ động và
hấp phụ tĩnh, từ đó ứng dụng vật liệu chế tạo được trong xử lí thử mẫu nước thải xi mạ.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết;
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR; kính
hiển vi điện tử quét (SEM); đo diện tích bề mặt (BET); quang phổ plasma cao tần ghép
nối khối phổ ICP-MS.
5. Kết quả nghiên cứu
Đưa ra được quy trình và phương pháp chế tạo vật liệu hấp phụ, phân tích được một
số đặc điểm bề mặt, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ theo hai phương pháp
tĩnh và động. Khi ứng dụng trong xử lí thử mẫu nước thải xi mạ, cho kết quả đạt tiêu
chuẩn loại A theo QCVN 40:2011/BTNMT.
ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC BẢNG
Tên bảng

STT

Trang

1

Bảng 1.1. Thành phần hóa học của trà

49

2

Bảng 1.2. Thành phần hóa học của bã trà

51

3

Bảng 3.1. Diện tích bề mặt riêng của bã trà nguyên liệu và VLHP

74

4

Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ axit citric đến hiệu suất hấp phụ

77

5

Bảng 3.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ bã trà:axit citric đến hiệu suất hấp phụ

79

6

Bảng 3.4. So sánh khả năng hấp phụ của bã trà nguyên liệu và VLHP

80

7

Bảng 3.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ

81

8

9

10

11

Bảng 3.6. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp
phụ Cu(II)
Bảng 3.7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp
phụ Cd(II)
Bảng 3.8. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng VLHP đến hiệu suất
hấp phụ
Bảng 3.9. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến hiệu suất hấp
phụ

83

83

85

87

12

Bảng 3.10. Bảng số liệu dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

89

13

Bảng 3.11. Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir b

90

14

15
16
17

18

Bảng 3.12. Bảng số liệu dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich đối
với Cu(II)
Bảng 3.13. Bảng số liệu dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich đối
với Cd(II)
Bảng 3.14. Các hằng số theo mô hình hấp phụ của Freundlich
Bảng 3.15. Điều kiện tối ưu được khảo sát trong quá trình hấp phụ các
ion Cu2+ và Cd2+ trong dung dịch theo phương pháp hấp phụ tĩnh

Bảng 3.16. So sánh khả năng hấp phụ của bã trà biến tính với một số
VLHP khác

x

91

91
92
94

95


19
20
21

22

23

24

Bảng 3.17. Các kết quả thực nghiệm khi khảo sát quá trình hấp phụ
động trên cột
Bảng 3.18. Các hằng số hấp phụ động trên cột
Bảng 3.19. Hiệu suất hấp phụ Cu(II) và Cd(II) ứng với VLHP mới,
VLHP sau 3 lần tái sinh
Bảng 3.20. Kết quả tách loại Cu(II) khỏi nước thải xi mạ theo phương

pháp hấp phụ tĩnh
Bảng 3.21. Kết quả tách loại Cu(II) khỏi nước thải xi mạ theo phương
pháp hấp phụ động
Bảng 3.22. So sánh thời gian bảo vệ theo tính toán và theo thực nghiệm
trên mẫu nước thải xi mạ chứa Cu(II)

101
102
107

107

108

109

DANH MỤC HÌNH
Tên hình

STT
1
2

Hình 1.1. Mô hình cột hấp phụ

Trang
26

Hình 1.2. Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ trên cột hấp phụ
theo thời gian

27

3

Hình 1.3. Qúa trình chuyển khối trong cột hấp phụ

27

4

Hình 1.4. Phương trình đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

31

5

Hình 1.5. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf

31

6

Hình 1.6. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich

32

7

Hình 1.7. Sự phụ thuộc lgq vào lgCf

33

8

Hình 1.8. Cấu trúc của phân tử cellulose

37

9

Hình 1.9. Phản ứng este hóa giữa cellulose và axit citric

46

10

Hình 1.10. Camellia sinensis

48

11

Hình 2.1. Bã trà thô và bã trà chưa biến tính

60

12

Hình 2.2. Bã trà biến tính với axit citric (VLHP)

60

13

Hình 2.3. Quy trình chế tạo VLHP từ bã trà

61

14

Hình 2.4. Sơ đồ mô hình nghiên cứu theo phương pháp hấp phụ động
trên cột
xi

68


15

16

Hình 2.5. Mô hình nghiên cứu thực tế theo phương pháp hấp phụ động
trên cột
Hình 3.1. Hình thái học bề mặt của bã trà nguyên liệu qua ảnh chụp
SEM

68

73

17

Hình 3.2. Hình thái học bề mặt của bã trà biến tính qua ảnh chụp SEM

73

18

Hình 3.3. Phổ hồng ngoại cũa bã trà chưa biến tính

75

19

Hình 3.4. Phổ hồng ngoại cũa bã trà biến tính (VLHP)

76

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ axit citric đến hiệu
suất hấp phụ của VLHP
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ bã trà:axit citric đến
hiệu suất hấp phụ của VLHP
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ
của VLHP
Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian
tiếp xúc đến hiệu suất hấp phụ Cu(II) của VLHP
Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian
tiếp xúc đến hiệu suất hấp phụ Cd(II) của VLHP
Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến hiệu
suất hấp phụ Cu(II)
Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến hiệu
suất hấp phụ Cd(II)
Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ ban đầu đến hiệu
suất hấp phụ các ion Cu2+ và Cd2+
Hình 3.13. Đường đẳng nhiệt hấp phụ theo Langmuir đối với Cu(II)
và Cd(II)
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf của Cu(II)

và Cd(II)
Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của logq vào logCf trong quá
trình hấp phụ ion Cu(II) và Cd(II) của VLHP

xii

78

79

81

84

84

86

86

88

90

90

92


31

32

Hình 3.16. Đường cong thoát của Cu(II) tại các tốc độ dòng chảy khác
nhau, Co = 50 mg/l, pH = 5, Z = 7,2 cm, khối lượng VLHP m = 1,5 g
Hình 3.17. Đường cong thoát của Cd(II) tại các tốc độ dòng chảy khác
nhau, Co = 50 mg/l, pH = 6, Z = 7,2 cm, khối lượng VLHP m = 1,5 g

96

97

Hình 3.18. Đường cong thoát của Cu(II) với các nồng độ ban đầu khác
33

nhau, tốc độ dòng vào 2 ml/phút, pH = 5, Z = 7,2 cm, khối lượng

98

VLHP m = 1,5 g
Hình 3.19. Đường cong thoát của Cd(II) với các nồng độ ban đầu khác
34

nhau, tốc độ dòng vào 2 ml/phút, pH = 6, Z = 7,2 cm, khối lượng

98

VLHP m = 1,5 g
35

36
37
38

39

Hình 3.20. Đường cong thoát của Cu(II) ở các lượng VLHP khác
nhau, Co = 50 mg/l, pH = 5, tốc độ dòng vào 2 ml/phút
Hình 3.21. Đường cong thoát của Cd(II) ở các lượng VLHP khác
nhau, Co = 50 mg/l, pH = 6, tốc độ dòng vào 2 ml/phút
Hình 3.22. Đồ thị biểu diễn t = f(Z) tại C/Co = 0,04 và C/Co = 0,001
Hình 3.23. Đồ thị biểu diễn kết quả giải hấp Cu(II) bằng HNO3 ở các
tốc độ dòng khác nhau
Hình 3.24. Đồ thị biểu diễn kết quả giải hấp Cd(II) bằng HNO3 ở các
tốc độ dòng khác nhau

99

100
101
103

103

40

Hình 3.25. Đồ thị biểu diễn kết quả giải hấp Cu(II) bằng axit citric

104

41

Hình 3.26. Đồ thị biểu diễn kết quả giải hấp Cd(II) bằng axit citric

105

42

43

Hình 3.27. Đường cong thoát của Cu(II) ứng với VLHP mới và vật
liệu tái sinh
Hình 3.28. Đường cong thoát của Cd(II) ứng với VLHP mới và vật
liệu tái sinh

106

106

Hình 3.29. Kết quả xử lí nước thải xi mạ chứa Cu(II) với Co = 69,842
44

mg/l, tốc độ dòng vào 2 ml/phút, pH = 5, Z = 7,2 cm, khối lượng
VLHP = 1,5 g

xiii

109

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ nguyên gốc

BET

Brunauer – Emmet – Teller (phương pháp đo diện tích bề mặt riêng)

BTNMT
EDX
FTIR

ICP - AES

ICP - MS

ICP - OES

JECFA
KLN

Bộ Tài nguyên Môi trường
X - quang phân tán năng lượng
Fourier transform infrared spectroscopy
(quang phổ hồng ngoại)
Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy
(quang phổ phát xạ nguyên tử)
Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry
(khối phổ plasma cảm ứng)

Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy
(phổ phát xạ nguyên tử ghép nối cảm ứng cao tần)
Joint FAO/WHO Expert Commitee on Food Additives
(Uỷ ban chuyên gia về phụ gia thực phẩm)
Kim loại nặng

M1,M4

Bã trà biến tính bằng axit citric

M2,M3

Bã trà chưa biến tính

MS

Mass Spectrometry (phương pháp khối phổ)

ppm

parts per million (phần triệu)

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

SEM

Scanning Electron Microscope (kính hiển vi điện tử quét)

STL

Spent Tea Leaves ( Lá trà qua sử dụng)

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TIMS

Thermal Ionization Mass Spectrometry ( Khối phổ ion hóa nhiệt)

TW

Bã trà

VLHP

Vật liệu hấp phụ

WHO

World Health Organization (Tổ chức Y tế thế giới)

xiv


Thông tin kết quả nghiên cứu: Đề tài này được thực hiện ở phòng thí nghiệm
khoa Khoa học môi trường, Trung tâm kỹ thuật tài nguyên môi trường của Trường đại
học Sài Gòn.

xv


MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Nước từ lâu là một tài nguyên thiên nhiên quý giá, là thành phần chủ yếu của môi
trường sống, quyết định sự thành công trong các chiến lược, kế hoạch phát triển kinh tế
- xã hội, quốc phòng, an ninh quốc gia. Ngày nay, với sự phát triển kinh tế, khoa học kỹ
thuật, với tốc độ công nghiệp hóa, đô thị hóa khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực
ngày càng nặng nề đối với nguồn tài nguyên nước. Thực tế hiện nay, tình trạng quy
hoạch các khu đô thị chưa gắn liền với vần đề xử lý chất thải, hầu hết nước thải từ các
nhà máy, các cơ sở sản xuất tại các khu công nghiệp, khu chế xuất chỉ được xử lí sơ bộ,
thậm chí thải trực tiếp ra môi trường, hậu quả là gây ô nhiễm môi trường nước nghiêm
trọng.
Việt Nam là quốc gia có nguồn nước khá phong phú, nhưng ngày nay tình trạng
suy thoái nước và ô nhiễm nguồn nước đang phổ biến không chỉ ở nông thôn mà còn ở
các khu vực đô thị cũng như các thành phố lớn. Không ít nguồn nước do tác động của
con người đã bị ô nhiễm bởi các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, các vi khuẩn gây bệnh,
nhất là các chất độc hại như kim loại nặng. Các kim loại nặng đang được đặc biệt quan
tâm do khả năng tồn lưu lâu dài của chúng trong môi trường (Wasewar, 2010), cùng với
các độc tính và sự đe dọa của chúng đến đời sống của sinh vật và con người [42]. Hầu
hết các kim loại nặng ở nồng độ vi lượng là các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự
phát triển của sinh vật. Tuy nhiên, khi hàm lượng của chúng vượt quá giới hạn cho phép
chúng lại thường có độc tính cao, gây ra những tác động hết sức nguy hại đến sức khỏe
con người và sinh vật [27]. Các ngành công nghiệp mạ điện, sản xuất pin, sơn, giấy, bột
màu, nhiên liệu, vật liệu ngành nhiếp ảnh, sản xuất thuốc nổ và các ngành công nghiệp
gia công kim loại đã thải ra một lượng lớn các kim loại nặng, trong đó bao gồm các ion
đồng (Cu), và cadimi (Cd) trong nước thải của chúng [62], [134].
Đồng và Cadimi là các kim loại nặng gây độc khi ở nồng độ thấp [155]. Đồng là

kim loại được biết đến từ xa xưa và được thừa nhận là một trong những kim loại hữu
ích cho con người. Tuy nhiên, bằng cách xâm nhập vào cơ thể người qua đường tiêu
hóa, qua da và qua đường hô hấp, lượng đồng trong cơ thể trở nên dư thừa gây ra các
triệu chứng như buồn nôn, nặng hơn là phá hủy gan, thận, thậm chí có thể gây tử vong
1


(Baum, 1982). Cadimi là một trong những kim loại nặng độc hại nhất đe dọa môi trường
(Volesky và Holan, 1995; Yang và Volesky, 1999). Cadimi xâm nhập vào môi trường
qua nước thải và phát tán ô nhiễm do xâm nhiễm từ phân bón... Cadimi là kim loại nặng
bền trong tự nhiên, gây độc khi ở nồng độ thấp có thể gây rối loạn chức năng thận cho
người lớn, nhuyễn xương và sinh sản kém (Han và cộng sự, 2009). Nước thải ngành
công nghiệp mạ kim loại là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm kim loại nặng
trong nước. Ngành công nghiệp mạ điện tiêu thụ và thải ra một lượng lớn nước thải,
chứa các kim loại nặng như niken, crom, đồng, kẽm, chì, bạc... tùy theo kim loại của lớp
mà và cũng tùy theo các loại muối kim loại đang được sử dụng mà nước thải có thể chứa
các độc tố như xianua, hydrogen sulfide, amoniac, dầu mỡ và chất rắn lơ lửng. Đặc tính
nước thải mạ điện là khác nhau giữa các nhà máy phụ thuộc vào loại mạ và phương pháp
áp dụng để xử lý (Mathew, 2008). Do trong nước thải có chứa một hàm lượng lớn kim
loại nặng, nếu không được xử lí đúng cách, khi thải ra môi trường, chúng không bị phân
hủy mà sẽ tồn đọng, tích tụ trong môi trường thiên nhiên, gây ra các tác động nguy hại
đến đời sống sinh vật và sức khỏe con người. Vì vậy, việc xử lí các ion kim loại, đặc
biệt là Cu(II) và Cd(II) từ nước thải xi mạ trước khi thải chúng ra môi trường là vấn đề
cấp thiết không chỉ trong nghiên cứu khoa học mà cả trong sản xuất công nghiệp
(Dwivedi và Rajput, 1970).
Từ những tác hại mà các kim loại nặng gây nên, trên thực tế, đã có nhiều phương
pháp khác nhau nhằm tách loại kim loại nặng ra khỏi môi trường nước, một số phương
pháp phổ biến như: phương pháp kết tủa hóa học [106], trao đổi ion [41], hấp phụ [80],
[103], [137], thẩm thấu ngược [122], [153], lọc nano [81], [125], [126], [130], keo tụ
[75], tạo bông [66], [73], tuyển nổi [113] ... Các phương pháp trên thường gặp phải một

số nhược điểm chung là giá đầu tư và chi phí vận hành cao, yêu cầu một lượng lớn hóa
chất để khử, trung hòa và kết tủa, ngoài ra còn tạo ra một lượng lớn bùn thải khó phân
hủy đòi hỏi phải có các bước xử lí tiếp theo (Peters và cộng sự, 1985; Spearot và Peck,
1984). Phương pháp hấp phụ đã được chứng minh là một phương pháp hiệu quả trong
việc xử lí nước thải công nghiệp, với các ưu điểm như xử lí hiệu quả kim loại nặng ở
nồng độ thấp, thiết kế đơn giản, chi phí đầu tư thấp, dễ vận hành, ít tốn diện tích và đặc
biệt không phát sinh bùn thải trong quá trình xử lí [70], [74], [123]. Than hoạt tính là
vật liệu hấp phụ được sử dụng khá phổ biến bởi khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng,
2


tuy nhiên do giá thành cao và tổn thất khoảng 10 – 15% trong quá trình tái sinh vật liệu
nên hạn chế được sử dụng ở các nước đang phát triển (Ho và cộng sự, 2005). Vì vậy,
việc tìm kiếm một vật liệu hấp phụ thay thế vừa hiệu quả vừa kinh tế là một điều cần
thiết. Hấp phụ bằng vật liệu sinh học là một công nghệ thay thế trong xử lý nước thải
dựa trên đặc tính của các loại sinh khối khác nhau ở dạng chết để liên kết với kim loại
nặng trong nước (Veglio và Beolchini, 1997). Hiện tượng hấp phụ này có thể giải thích
là do có các loại tương tác vật lý và hóa học khác nhau giữa các nhóm chức có mặt ở
thành tế bào của sinh khối và kim loại nặng trong dung dịch (Trần Lệ Minh, 2012). Việc
sử dụng các vật liệu hấp phụ chế tạo từ nguồn nguyên liệu tự nhiên, từ các phụ phẩm
nông nghiệp như: vỏ lạc [59], [25], bã mía [45], [46], [47], vỏ trấu [38], [101], [124],
[159], [161], xơ dừa [165], lá cây chè [35], [42] ... đã được nhiều tác giả trong nước và
trên thế giới nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng tách kim loại nặng ra khỏi dung dịch.
Các nhà nghiên cứu đã xác định được sự hiện diện của các thành phần và đặc tính khác
nhau trong sinh khối của chúng, những vật liệu này có khả năng hấp thu ion kim loại do
có một số nhóm chức của protein, polysacarit, lignin và xenlluloza (Hasar, 2003). Các
nhóm chức này trong cấu trúc của chúng chứa các thành phần có khả năng liên kết với
các ion kim loại, vì vậy việc sử dụng các loại vật liệu này trong xử lí môi trường đã và
đang được áp dụng khá rộng rãi.
Trà (chè) là loại lá khô, đã qua chế biến và được tiêu thụ với số lượng lớn trên thế

giới (Bajpai và Jain, 2010; Zuorro và cộng sự, 2013), là loại thức uống phổ biến được
tiêu thụ đứng hai sau nước. Theo ước tính khoảng 18 đến 20 tỷ tách trà được uống mỗi
ngày [48]. Việt Nam được xem là “cái nôi” của ngành chè thế giới, có nền văn hóa trà
lâu đời [12]. Hiện nay, cả nước có 34 tỉnh, thành phố có diện tích đất canh tác để trồng
chè với phạm vi phân bố khá rộng [30]. Theo Hiệp hội Chè Việt Nam (2015) [48], đến
năm 2014 cả nước hiện có khoảng 128.000 ha đất trồng chè, đứng thứ 5 trên thế giới,
sau Trung Quốc, Ấn Độ, Kenya và Srilanka về xuất khẩu chè. Với lượng sản xuất và
tiêu thụ lớn như vậy, một lượng lớn bã trà thường bị bỏ đi vào môi trường không qua
xử lí, gây ra vấn đề vệ sinh môi trường trong quá trình phân hủy [127], [135]. Phần
không hòa tan của lá trà bao gồm chủ yếu là cellulose (37%), hemicellulose và lignin
(14%), polyphenols (25%). Theo các phân tích hóa học được báo cáo bởi Harler (1963)
[90], các thành phần này tạo thành gần 80% phần không hòa tan của lá trà. Theo một số
3


nghiên cứu, bã trà được xem như một loại chất hấp phụ mới, là một ví dụ về vật liệu hấp
phụ từ phụ phẩm nông nghiệp, giá thành thấp, được tìm thấy nhiều trong tự nhiên và
thường ít hoặc không yêu cầu thêm các chất hỗ trợ khác (Bajpai và Jain, 2010). Dựa trên
những ưu điểm đó, cùng với đặc điểm nước ta là một nước nông nghiệp, có nguồn phế
thải nông nghiệp dồi dào, thuận lợi cho việc phát triển phương pháp này. Xuất phát từ
những lí do trên, đề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu2+, Cd2+ trong nước của
vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã trà và ứng dụng trong xử lí nước thải xi mạ” được thực
hiện.
Có rất nhiều phương pháp phân tích hóa lý được sử dụng để phân tích hàm lượng
đồng, cadimi trong các đối tượng môi trường, trong đó có phương pháp quang phổ
plasma ghép nối khối phổ (Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometer, ICP-MS).
Hiện nay phương pháp ICP - MS đang được nhiều nước sử dụng để phân tích lượng vết
các kim loại nặng trong các đối tượng khác nhau vì ưu điểm của phương pháp này có
độ nhạy và độ chính xác cao [51], [53], [86], [112], [115]. Ngày nay nó đang có xu
hướng dần thay thế cho phương pháp khối phổ ion hóa nhiệt (Thermal Ionization Mass

Spectrometry, TIMS) là phương pháp phân tích đồng vị chủ đạo trong nhiều thập kỷ qua
[52], [93], [104], [142], [174]. Do đó, tôi lựa chọn phương pháp ICP - MS để xác định
hàm lượng các nguyên tố Đồng, Cadimi có trong nước.
2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Ô nhiễm kim loại nặng do nước thải từ các cơ sở công nghiệp gây những tác động
tiêu cực về nhiều mặt đối với con người và hệ sinh thái. Do đó, xử lý nước thải chứa
kim loại nặng là vấn đề cấp thiết nhằm giảm nồng độ kim loại độc hại xuống mức cho
phép trước khi thải ra môi trường. Hiện nay, quá trình xử lý ô nhiễm kim loại trong nước
phổ biến nhất là phương pháp kết tủa hoá học. Đây là phương pháp có thể xử lý được
hầu hết các loại nước thải có chứa kim loại nặng với hiệu quả xử lý khá cao. Tuy nhiên,
phương pháp cần bổ sung một lượng lớn hoá chất vào dòng thải và sinh ra bùn thải có
chứa hàm lượng kim loại cao chưa được thu hồi. Một số phương pháp khác như lọc bằng
màng, trao đổi ion, hấp phụ bằng than,… cũng được áp dụng để xử lý kim loại trong
nước nhưng vật liệu có giá thành cao. Vì vậy, việc nghiên cứu các phương pháp xử lý
khác, sử dụng những vật liệu mới để xử lý hiệu quả vẫn luôn là vấn đề thời sự.
4


Nghiên cứu tách các kim loại trong nước bằng những vật liệu giá thành thấp, trong
đó có các vật liệu tự nhiên là một trong những hướng nghiên cứu mới, thân thiện với
môi trường vì không phải bổ sung các hoá chất khác vào dòng thải nên không gây ra
ảnh hưởng thứ cấp tới môi trường mà còn có thể thu hồi kim loại. Các kết quả của một
số công trình nghiên cứu đã trình bày cho thấy những vật liệu tự nhiên như lá cây, thân
cây, cỏ dại… của một số loài thực vật có sẵn với số lượng phong phú và giá trị kinh tế
thấp có thể được sử dụng như những vật liệu rẻ tiền để hấp phụ kim loại nặng trong
nước mà không gây ô nhiễm thứ cấp là một hướng nghiên cứu mới mang tính lý thuyết
và thực tiễn cao.
Với đặc điểm là một nước nông nghiệp, sản lượng các phụ phẩm nông nghiệp như
mùn cưa, vỏ đỗ, vỏ trấu, rơm.... mỗi năm là rất lớn, các phụ phẩm này chủ yếu được sử
dụng làm thức ăn cho gia súc, phân bón, chất đốt … trong hộ gia đình. Với sản lượng

mỗi năm thu được thì việc sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp này làm vật liệu hấp phụ
vừa có ý nghĩa về mặt khoa học vừa góp phần tận dụng nguồn phụ phẩm dồi dào này
(Bùi Minh Qúy, 2015).
Bã trà đã được nghiên cứu gồm chủ yếu các thành phần là cellulose,
hemicelluloses, lignin, tannin và các protein. Cellulose, hemicelluloses, lignin và tannin
có tiềm năng tốt như loại bỏ kim loại từ nước thải vì chúng có chứa nhóm chức của
cacboxylate, phenolic nhóm hydroxyl và oxyl thơm, có khả năng mạnh về loại bỏ và
hấp phụ hóa học các ion kim loại [6]. Chính từ những ưu điểm đó, trên thực tế, đã có rất
nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước ứng dụng các loại phụ phẩm nông nghiệp nói
chung và bã trà nói riêng làm VLHP các kim loại nặng trong nước.
 Những nghiên cứu trên thế giới:
Mahvi và cộng sự (2005) [114] đã nghiên cứu cho thấy bã trà tương tự như hầu hết
các VLHP tự nhiên khác trong việc xử lí kim loại nặng và có khả năng đạt hiệu suất
100% nếu lựa chọn liều lượng VLHP phù hợp. Năm 2011, Shaikh và cộng sự [154] đã
kết luận rằng VLHP từ bã trà có tiềm năng lớn trong việc tách loại Asen, cũng lưu ý
rằng khả năng hấp phụ Asen phụ thuộc rất lớn vào pH và ở giá trị pH = 7, hiệu suất hấp
phụ Asen đạt 92,5%.

5


Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion kim loại Cu(II), Ni(II) và Zn(II) trong nước
thải tổng hợp bằng VLHP từ bã trà của tác giả Lokendra Singh Thakur và Mukesh
Parmar (2013) [166] đã cho thấy điều kiện tối ưu để hấp phụ Ni(II) bằng bã trà là pH =
5, t = 120 phút, với liều lượng hấp phụ 0,5 g VLHP/100ml dung dịch Ni(II) nồng độ 20
ppm, cho hiệu suất hấp phụ 94%; điều kiện tối ưu cho Cu(II) và Zn(II) với hiệu suất hấp
phụ lần lượt là 89% và 91% là pH = 5, t = 120 phút, với liều lượng hấp phụ 0,5 g
VLHP/100ml dung dịch ion kim loại nồng độ 10ppm.
Về việc xử lí các ion Cu(II) và Cd(II), các tác giả Dwivedi và Rajput (2014) [74]
đã nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion này bằng vật liệu bã trà. Trong nghiên cứu này,

các dung dịch chứa ion kim loại được pha từ CuSO4 và Cd(NO)3, các nồng độ được
khảo sát từ 10 đến 100 ppm. Kết quả cho thấy hiệu suất hấp phụ Cu(II) cao nhất đạt
được là 89% trong điều kiện tối ưu với pH = 5, thời gian tiếp xúc 120 phút và tỉ lệ bã trà
trong dung dịch nghiên cứu là 0,5 g/100 ml, còn với Cd(II), cũng với lượng VLHP tương
tự, trong khoảng thời gian 120 phút và pH tối ưu là 6, cho hiệu suất hấp phụ cao nhất là
87%.
Năm 2015, tác giả Hanit Kumar Thapak và cộng sự [168] đã nghiên cứu tách loại
Crom và Đồng trong nước thải tổng hợp bằng vật liệu bã trà. Trong nghiên cứu, bã trà
được thu thập từ ga đường sắt Gwalior, Ấn Độ; sau xử lí sơ bộ nghiền đến kích thước
100𝜇m và được hoạt hóa bằng H2SO4. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất hấp phụ
tối đa đạt được là 91% đối với Cu ở điều kiện nồng độ đầu 10 ppm; lượng VLHP 0,6 g;
pH = 4,5 trong khoảng thời gian tiếp xúc là 120 phút, trong điều kiện pH = 7, thời gian
tiếp xúc 40 phút, nồng độ ion kim loại ban đầu 10 ppm, cho hiệu suất hấp phụ là 94%
đối với Crom.
Một số nghiên cứu gần đây cho rằng, việc áp dụng các chất thải từ sinh khối thực
vật chưa được xử lý có thể mang lại một số vấn đề như làm tăng COD, BOD cũng như
TOC trong nước do sự hòa tan của các chất hữu cơ dễ hòa tan trong thực vật. Sự gia
tăng COD, BOD và TOC của nước có thể gây sự suy giảm oxy trong nước, dẫn đến đe
dọa đời sống thủy sinh... Do đó, nhiều biện pháp biến tính đã được công bố như oxy hóa
các nhóm hydroxyl trên cellulose thành các nhóm chứa axit hoặc thủy phân bằng dung
dịch kiềm và ghép các monome lên sinh khối thực vật [6].
6


Nghiên cứu của tác giả Xiaoping Yang (2013) [186] trong việc sử dụng bã trà biến
tính bằng kiềm như một VLHP mới để loại bỏ Pb (II) trong nước. Nghiên cứu so sánh
cho thấy tỷ lệ loại bỏ Pb (II) trên bã trà biến tính bằng kiềm cao hơn đáng kể so với trên
bã trà chưa biến tính. Nghiên cứu cho thấy rằng pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến
khả năng hấp phụ Pb (II) và pH tối ưu là khoảng 4,5. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ là
90 phút, quá trình hấp phụ tuân theo phương trình động học hấp phụ bậc 2. Từ mô hình

hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir xác định được dung lượng hấp phụ cực đại là 64,10 mg/g
ở 25°C.
Ứng dụng công nghệ nano trong xử lí chất thải, năm 2011, tác giả P.
Panneerselvam [136] đã nghiên cứu việc loại bỏ ion Ni (II) trong nước bằng bã trà phủ
oxit nano Fe3O4. Những yếu tố ảnh hưởng tới sự hấp phụ như thời gian tiếp xúc, pH,
nồng độ ban đầu, khối lượng VLHP và nhiệt độ đã được nghiên cứu. Giá trị của hằng
số tốc độ đã được tìm thấy là 1,90 x 10-2 min-1 tại nồng độ Ni (II) là 100 mg/l và ở 303
K. Hiệu suất hấp phụ giảm từ 99% xuống còn 87% khi tăng nồng độ Ni(II) trong dung
dịch tăng từ 50 đến 100 mg/l. Nghiên cứu cũng cho thấy hiệu suất hấp thụ Ni(II) tăng
khi tăng nhiệt độ từ 303 – 323 K và dung lượng hấp phụ cực đại là 38,3 mg/g.
 Những nghiên cứu ở Việt Nam:
Trong nước, việc nghiên cứu về khả năng hấp phụ của bã trà vẫn còn là một vấn
đề khá mới mẻ, chỉ có một số nghiên cứu của nhóm tác giả đại học Thái Nguyên.
Cũng với bã trà biến tính bằng kiềm, nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) trong môi trường
nước bằng bã trà biến tính KOH và ứng dụng xử lí nước thải mạ điện của nhóm tác giả
Đỗ Trà Hương, Đặng Văn Thành (2016) [28] đã chứng minh bã trà biến tính cho hiệu
suất hấp phụ cao, thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 150 phút, xác định được dung lượng
hấp phụ cực đại của VLHP đối với các ion Cr(VI) là 52,083 mg/g và khi xử lí thử mẫu
nước thải mạ điện, kết quả cho thấy, khi hấp phụ lần một nồng độ Cr(VI) đã đạt tiêu
chuẩn cho phép đối với nước thải đổ vào các khu vực lấy nước cung cấp cho sinh hoạt.
Kế thừa nghiên cứu của nhóm tác giả Malaysia (2011) [136], nghiên cứu của Đỗ
Trà Hương, Dương Thị Tú Anh (2014) [14] đã chế tạo thành công VLHP bã chè, oxit
nano Fe3O4, oxit từ tính nano Fe3O4 phân tán trên bã chè, xác định được điểm đẳng diện
của vật liệu oxit từ tính nano Fe3O4 phân tán trên bã chè bằng 6,56, điểm đẳng điện của
7


oxit từ tính nano Fe3O4 bằng 6,33 và của bã chè bằng 5,93; Hiệu suất hấp phụ Cr(VI)
của vật liệu oxit từ tính nano Fe3O4 phân tán trên bã chè cao hơn vật liệu bã chè và vật
liệu oxit từ tính nano Fe3O4, đã lựa chọn vật liệu có tỉ lệ về khối lượng bã trà: Fe3O4 là

5:2 làm vật liệu hấp phụ cho các nghiên cứu tiếp theo.
Nhìn chung, các nghiên cứu trên đã chứng minh bã trà là một VLHP rất tốt trong
việc tách loại kim loại nặng trong môi trường nước. Từ việc sử dung bã trà thô, qua xử
lí sơ bộ để loại bỏ màu và một số nhóm chức không cần thiết, sấy khô và nghiền đến
kích thước phù hợp, bã trà đã có thể sử dụng như một VLHP tốt một số các ion kim loại
nặng, ngoài ra, để nâng cao hiệu suất hấp phụ, việc hoạt hóa bã trà đã được áp dụng.
Tuy nhiên, việc xử lí kim loại nặng bằng vật liệu bã trà biến tính với axit hữu cơ, đặc
biệt là axit citric vẫn chưa có nghiên cứu nào trong nước hay trên thế giới được báo cáo.
Chính vì vậy, từ thực tiễn nghiên cứu trong - ngoài nước và nhu cầu xã hội, kế thừa từ
những kết quả đạt được trong các nghiên cứu trước đây, cùng với tính mới khi nghiên
cứu khả năng hấp phụ của bã trà hoạt hóa bằng axit citric, đề tài “Nghiên cứu khả năng
hấp phụ ion Cu2+, Cd2+ trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã trà và ứng dụng
trong xử lí nước thải xi mạ” được thực hiện.
3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
-

Mục tiêu chung: Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Cu2+, Cd2+ trong

nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã trà và ứng dụng xử lí nước thải xi mạ.
-

Mục tiêu cụ thể:
 Nghiên cứu biến tính bã trà bằng axit citric để tạo ra vật liệu có khả năng hấp
phụ tốt các ion kim loại nặng như Cu2+, Cd2+ trong nước.
 Khảo sát được một số đặc điểm bề mặt của vật liệu hấp phụ.
 Khảo sát được khả năng hấp phụ các ion kim loại Cu2+ và Cd2+ trong nước và
các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của vật liệu hấp phụ theo phương
pháp hấp phụ tĩnh và hấp phụ động trên cột.
 Ứng dụng sản phẩm vật liệu hấp phụ trong xử lí mẫu nước thải xi mạ.

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

8


1. Xây dựng đề cương nghiên cứu và tổng quan tài liệu: Xác định đặc trưng bã trà
thô, đặc điểm và ảnh hưởng của Cu, Cd đến sức khỏe con người, một số phương
pháp xử lí nước thải chứa kim loại nặng hiện nay, tổng quan tình hình nghiên
cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu hấp phụ ở Việt Nam và trên
thế giới.
2. Thu gom và xử lý bã trà, biến tính bã trà bằng phương pháp dùng axit xitric,
khảo sát một số đặc điểm bề mặt của vật liệu hấp phụ, so sánh hiệu suất hấp phụ
Cu(II), Cd(II) của bã trà chưa biến tính và vật liệu hấp phụ.
3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các ion Cu(II), Cd(II) của
vật liệu hấp phụ theo phương pháp hấp phụ tĩnh: pH, thời gian tiếp xúc, khối
lượng vật liệu, nồng độ ion kim loại trong nước ban đầu, ...
4. Xây dựng đường hấp phụ đẳng nhiệt và xác định dung lượng hấp phụ các ion
Cu2+, Cd2+ của vật liệu theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich.
5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các ion Cu(II), Cd(II) của
vật liệu hấp phụ theo phương pháp hấp phụ động, đánh giá khả năng tái sử dụng
vật liệu, khả năng giải hấp phụ vật liệu sau khi hấp phụ các ion Cu2+, Cd2+ trong
nước.
6. Ứng dụng sản phẩm vật liệu hấp phụ xử lí thử mẫu nước thải xi mạ chứa Cu2+,
Cd2+ theo hai phương pháp hấp phụ tĩnh và hấp phụ động trên cột.
7. Xử lí kết quả thực nghiệm, so sánh kết quả phân tích thu được với tiêu chuẩn
loại A theo QCVN 40:2011/BTNMT để từ đó rút ra kết luận và các đề xuất.
5. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU, CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU
a. Đối tượng nghiên cứu:
- Vật liệu: bã trà được thu gom từ các quán trà và các cơ sở sản xuất trà trong địa

bàn TPHCM. Đây là một loại phế phẩm nông nghiệp trong tự nhiên, giá trị kinh
tế thấp.
- Các ion kim loại nặng: Đồng (Cu) và Cadimi (Cd) là những kim loại có độc tính
cao, thường có mặt trong nước thải công nghiệp.
b. Phạm vi nghiên cứu: Quy mô phòng thí nghiệm
9


- Các ion kim loại nặng được nghiên cứu là: Cd2+, Cu2+.
- Vật liệu hấp phụ được nghiên cứu là: Bã trà
- Bã trà được lấy từ các quán trà và các cơ sở sản xuất trà trong địa bàn TPHCM.
- Môi trường chứa hai ion kim loại: nghiên cứu môi trường nước.
- Loại nước thải được sử dụng để thăm dò khả năng xử lí của vật liệu hấp phụ:
nước thải ngành công nghiệp xi mạ.
- Địa điểm lấy mẫu nước thải: Lấy mẫu nước thải từ bể thải của phân xưởng gia
công cơ khí, tráng phủ kim loại tại công ty cổ phần sản xuất Đồng Tâm Song
Nguyên - 59/1 Khu Phố 1, phường Đông Hưng Thuận, quận 12, TP.HCM.
- Đề tài được nghiên cứu tại: Trung tâm kỹ thuật Tài nguyên môi trường – Trường
đại học Sài Gòn.
- Nồng độ các ion kim loại Cu(II) và Cd(II) trong dung dịch trước và sau khi hấp
phụ được xác định bằng hệ thống khối phổ plasma cảm ứng AGILENT 7700x
LC – ICP – MS, phép đo được thực hiện tại Trung tâm dịch vụ phân tích thí
nghiệm, sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM.
- Đặc điểm hình thái học của VLHP được khảo sát sử dụng kính hiển vi điện tử
quét (FE-SEM) Hitachi S-4800, hoạt động tại điện thế 3 kV và 1 kV, phép đo
được thực hiện tại Phòng thí nghiệm công nghệ Nano, Trung tâm nghiên cứu
triển khai – Khu công nghệ cao - Lô I3, đường N2, Khu công nghệ cao, quận 9,
TP.HCM.
- Các nhóm chức bề mặt của VLHP được phân tích thông qua máy đo quang phổ
hồng ngoại FTIR – 8400s, phân tích được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu

và triển khai công nghệ bức xạ - 202A đường 11, phường Linh Xuân, quận Thủ
Đức, TPHCM.
- Diện tích bề mặt riêng của vật liệu được xác định theo phương pháp BET trên
máy NOVA 3200e tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano và phân tử
(INOMAR) – khu phố 6, phường Linh Trung, quận Thủ Đức, TP.HCM.
c. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
 Thu thập, tổng hợp, phân tích các tài liệu, tư liệu, sách báo trong và ngoài
nước có liên quan đến đề tài.
10