Nghiên cứu khả năng hấp phụ fe3+(aq) bởi bã cà phê biến tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VUNG TÀU

BARIA VUNGTAU
UNIVERSITY
CAP Sa in t Iacqịựes

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe3+(aq)
BỞI BÃ CÀ PHÊ BIẾN TÍNH

Trình độ đào tạo:Đại học
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
Chuyên ngành: Hóa dầu

Giảng viên hướng dẫn: TS. Đỗ Ngọc M inh
Sinh viên thực hiện:
MSSV: 13030220

Nguyễn Cao M inh
Lớp: DH13HD

Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU
VIÊN KỸ THUAT - KINH TẾ BIỂN

PHIÉU GIAO ĐẺTÀI

ĐỒ ÁN/ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
(Đính kèm Quy định về việc tổ chức, quản lý các hình thức tốt nghiệp ĐH,
CĐ ban hành kèm theo Quyết định số 585/QĐ-ĐHBRVT ngày 16/7/2013
của Hiệu trưởng Trường Đại học b R-Vt)
Họ và tên sinh viên: NGUYỄN CAO MINH

Ngày sinh: 28/07/1995

MSSV : 13030220......... Lớp: DH13HD
Địa chỉ: KP. 8 - P. Phước Lộc - Thị xã Lagi - Bình Thuận
E-mail :
Trình độ đào tạo: Đại học

Hệ đào tạo: Chính quy

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Chuyên ngành: Hóa dầu

1. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe3+(aq) BỞI BÃ CÀ PHÊ

BIẾN TÍNH
2. Giảng viên hướng dẫn: TS. Đỗ Ngọc Minh
3. Ngày giao đề tài: 10/02/2017
4. Ngày hoàn thành đồ án/ khoá luận tốt nghiệp: 10/06/2017

Bà Rịa - Vũng Tàu, ngày 10 tháng 02 năm 2017

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

TS. Đỗ Ngọc Minh

SINH VIÊN THỰC HIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Cao Minh

GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

TRƯỞNG NGÀNH

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG VIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên)


Tôi xin cam đoan nghiên cứu này hoàn toàn do tôi thực hiện dưới sự hướng
dẫn của TS. Đỗ Ngọc Minh. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là
trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.
Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét,
đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần
tài liệu tham khảo.
Vũng Tàu, ngày 03 tháng 07 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Cao Minh

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đỗ Ngọc Minh. Thầy đã
luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Bên cạnh đó, tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô thuộc Viện Kỹ
thuật - Kinh tế biển, Trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu và các bạn DH13HD đã
giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Tất nhiên, việc thiếu sót trong đồ án tốt nghiệp là điều không thể tránh khỏi,
vì vậy, kính mong quý thầy cô góp ý để bài báo cáo hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn.
Vũng Tàu,ngày 03tháng 07 năm2017
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Cao Minh


LỜI MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU.............................................................

1.1.Tổng quan về tình hình ô nhiễm nguồn nước

1.2.Các phương pháp xử lý nước..........................
1.2.1.Phương pháp
1.2.2.Phương pháp
1.2.3.Phương pháp
1.2.4.Phương pháp
1.2.5.Phương pháp

1.2.6.Giới thiệu vật

1.2.7.Nhóm khoáng

1.2.8.Nhóm nguyên

1.2.9.Một số loại vậ

1.3.Giới thiệu về bã cà phê[5]................................

1.4.Tổngquan tình hình nghiên cứu tính chất hấ

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ........................................................................

2.1.Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã cà phê [8 ].....

2.1.1.Nguyên liệu v

2.1.2.Dụng cụ và th

2.1.3.Cách tiến hàn

2.2.Phương pháp định lượng Fe3+........................

2.2.1.Nguyên tắc đị

2.2.2.Hóa chất........

2.2.3.Dụng c ụ .......

2.2.4.Cách tiến hàn

2.3.Xác định các đặc tính của vật liệu hấp phụ...

2.3.1.SEM...............


2.3.2.Xác định các
2.4. Nghiên cứu quá trình hấp phụ Fe3+ trên bề mặt vật liệu hấp thụ..................

2.4.1.So sánh khả n
tính trên thị trường....................................................................................................
2.4.2.Khảo sát ảnh
2.4.3.Khảo sát ảnh

2.4.4.Xác định đại l

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................
3.1. Đặc tính của vật liệu hấp thụ..............................................................................

3.1.1.Phân tích SEM
3.1.2.Phân tích các

3.1.3.So sánh khả n

3.3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Fe3+ củ

3.4. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Fe

3.5. Xác định đại lượng hấp phụ của bã cà phê biến tín

3.6. So sánh kết quả nghiên cứu......................................

KẾT LUẬN...........................................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................
PHỤ LỤC ..............................................................................................................


Bảng 1.1: Thành phần của cà p h ê............................................................................................ 17
Bảng 2.1. Thể tích các dung dịch thành phần cần lấy để pha chế các dung dịch
phức sắt với các nồng độ khác nhau......................................................................................... 25
Bảng 2.2. Kết quả thực nghiệm đo mật độ quang của các dung dịch phức sắt
khác nhau.............................................................................................................................................. 25
Bảng 3.1. Kết quả đo các thông số đặc trưng cho vật liệu hấp phụ theo mô
hình B E T............................................................................................................................................. 34
Bảng 3.2. So sánh khả năng hấp phụ Fe3+(aq) trên bề mặt bã cà phê biến tính
và than hoạt tính thương mại......................................................................................................... 34
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Fe3+
của vật liệ u.......................................................................................................................................... 35
Bảng 3.4. Kết quả thực nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng nồng độ sắt lên khả
năng hấp phụ của CF1/4.................................................................................................................. 38
Bảng 3.5. So sánh kết quả nghiên cứu....................................................................................... 41


Hình 2. l.Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ.......................................................................... 22
Hình 2.2. Bã cà phê đã sấy............................................................................................................. 23
Hình 2.3. Vật liệu biến tính thu được........................................................................................ 23
Hình 2.4.ĐỒ thị đường chuẩn Fe3+............................................................................................ 26
Hình 2.5.Các bức xạ phát ra khi chiếu chùm electron vào mẫu vật thể trong
SEM........................................................................................................................................................ 27
Hình 2.6. Máy phân tích hiển vi electron quét ZEISS EVO LS15................................ 27
Hình 2.7.Area and Porosity AnalyzerMicromeritics -ASAP 2020.................................. 28

Hình 3.1. SEM của bã cà phê thô (a), CF1/3 (b), CF1/4 (c) và CF1/5 (d)..............33
Hình 3.2.Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ củaCF1/4 vào pH dung dịch muối
sắt............................................................................................................................................................. 36
Hình 3.3. Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào thời gian ngâm CF1/4 trong
dung dịch muối sắt............................................................................................................................ 37
Hình 3.4. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Fe3+ trên bề mặt CF1/4....................................... 39
Hình 3.5. Đồ thị mô tả phương trình Langmuir tuyến tính............................................... 39
Hình 3.6.ĐỒ thị mô tả phương trình Freundlich tuyến tính............................................. 40


Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và phong phú của con người,
các ngành công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ phát triển không ngừng dẫn tới sự ô
nhiễm môi trường ở mức báo động, đặc biệt là môi trường nước bởi các kim loại
nặng (Hg, Pb, Cd, Fe, A s...), thuốc nhuộm hữu cơ, thuốc bảo vệ thực vật và thuốc
trừ s â u . Điều này gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người không chỉ ở thế
hệ hiện tại mà còn ở các thế hệ tương lai.
Một trong những phương pháp hiệu quả xử lý nguồn nước bị ô nhiễm là
phương pháp hấp phụ. Chất hấp phụ được sử dụng rộng rãi là than hoạt tính, silica
gel, zeolite ... Tuy nhiên các chất hấp phụ này đắt và khó tái sinh.
Trong khi đó, theo thống kê mỗi năm trên thế giới sản xuất khoảng 6.6 triệu
tấn cà phê được sản xuất. Hệ quả là một khối lượng lớn bã cà phê được thải bỏ. Một
phần bã cà phê được làm thức ăn cho gia súc, phần còn lại được đốt như chất thải
sinh ra khí nhà kính CO2. Vì vậy, cần phát triển các công nghệ tái sử dụng bã cà
phê cho các mục đích hữu ích và chuyển hóa chúng thành nguồn vật liệu mới.
Trong khoảng một thập niên gần đây, các nhà khoa học đã tiến hành nhiều
nghiên cứu trên bã cà phê và chứng minh được rằng bã cà phê có tính chất hấp phụ
đáng kể, không chỉ đối với các kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại tan
trong nước mà còn đối với khí cacbonic. Nhưng, chỉ có một số ít nghiên cứu tính
chất hấp phụ của bã cà phê biến tính.

Việc tận dụng nguồn phế thải bã cà phê để điều chế chất hấp phụ sinh học
không chỉ giải quyết bài toán môi trường, mà còn là bài toán kinh tế.
Vì vậy, trong đề tài nghiên cứu này bã cà phê được xử lý bằng các phương
pháp lý hóa khác nhau với mục đích tổng hợp chất hấp phụ sinh học với độ hấp phụ
cao ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.


Tình hình nghiên cứu
Hiện nay trên thế giới việc sử dụng bã cà phê vào nghiên cứu xử lý kim loại
trong nước thải đã đạt được nhiều kết quả đáng ghi nhận, một số công trình đã được
công bố trong nước và trên thế giới.
Trong một nỗ lực để tái sử dụng chất thải thực phẩm cho các mục đích hữu
ích, nhóm nhà khoa học thuộc trường Đại học Kinki đã nghiên cứu khả năng sử
dụng bã cà phê để loại bỏ các ion chì trong nước uống [Toshimitsu Tokimoto,
Naohito Kawasaki, Takeo Nakamura, Jyunichi Akutagawa, Seiki Tanada (2004).
Removal o f lead ions in drinking water by coffee grounds as vegetable biomass,
Journal of Colloid and Interface Science, 281(1), 56 61]. Các đặc tính hấp phụ ion
chì bởi cà phê đã được nghiên cứu bằng cách xác định hàm lượng chất béo và
protein, các đường hấp phụ đẳng nhiệt và tốc độ hấp thụ các ion chì. Lượng ion chì
bị hấp phụ bởi bã cà phê không phụ thuộc vào loại hạt cà phê hoặc nhiệt độ mà tại
đó các thí nghiệm hấp phụ được thực hiện. Tốc độ hấp phụ ion chì bằng bã cà phê tỷ
lệ thuận với lượng bã cà phê thêm vào dung dịch. Khi bã cà phê đã được tẩy dầu mỡ
hoặc đun sôi, lượng các ion chì giảm. Khi protein chứa trong bã cà phê được biến
tính, sự hấp phụ ion chì giảm đáng kể.Đại lượng hấp phụ ion chì bởi bã cà phê
giảm, khi tăng nồng độ của axit pecloric. Thực nghiệm cho thấy rằng protein có
trong hạt cà phê phụ thuộc vào sự hấp thụ của ion chì. Kết quả nghiên cứu của
nhóm nghiên cứu đã đưa ra một câu trả lời khẳng định cho khả năng sử dụng bã cà
phê, một chất thải thực phẩm dồi dào, để loại bỏ các ion chì trong nước uống.

Ở một nghiên cứu khác của [Jurgita Seniunait, Rasa Vaiskunait, Violeta

Bolutien (2014). Coffee grounds as an adsorbent fo r copper and lead removal
formaqueous solutions,

The 9th International Conference “Environmental

Engineering”, Vilnius Gediminas Technical University Press Technika, 1-6].


Được tiến hành bởi nhóm tác giả người Lithuania đã trình bày khả năng sử
dụng bã cà phê như vật liệu hấp phụ trong việc loại bỏ các kim loại đồng và chì
trong dung dịch nước. Trong nghiên cứu này, bã cà phê được rửa sạch bằng nước
cất, sấy ở 100°C và sàng lọc thu được hai phần bã cà phê: loại có kích cỡ hạt nhỏ
hơn 200 |um và loại lớn hơn 200 |um. Cả hai phần bã cà phê được đưa vào
polyethylene kín để bảo quản để nó không phản ứng với môi trường. Kết quả
nghiên cứu chỉ ra rằng bã cà phê hấp phụ kim loại nặng trong dung dịch nước khá
tốt và phụ thuộc vào kích thước hạt. Bã cà phê với cỡ hạt lớn hơn 200 |um loại bỏ
chì và đồng gần như nhau. Khi kích thước hạt nhỏ hơn 200 |um thì hiệu quả hấp phụ
tăng lên 6-11% cho đồng và 8-9% cho chì.
Mục đích nghiên cứu
•

Điều chế vật liệu hấp phụ sinh học từ bã cà phê ứng dụng trong xử lý nước
thải công nghiệp.

•

Xác định điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ Fe3+trong dung dịch
nước trên bề mặt vật liệu.

Nhiệm vụ nghiên cứu
•

Xử lý bã cà phê bằng KOH ở nhiệt độ cao.

•

Xác định các đặc tính của vật liệu hấp thụ thu được.

•

Khảo sát tính chất hấp phụ kim loại Fe3+ bởi vật liệu thu được và xác định
điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ.

•

Xác định các thông số của quá trình hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu khoa
học, phương pháp thực nghiệm.
Các kết quả đạt được của đề tài: Vật liệu hấp phụ sinh học từ bã cà phê có hoạt
tính hấp phụ cao được chế tạo.
Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp: Đồ án tốt nghiệp bao gồm 3 chương (Tổng quan tài
liệu, Thực nghiệm, Kết quả và Thảo luận), 46 trang, 13 hình, 8 bảng.


CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1.

Tổng quan về tình hình ô nhiễm nguồn nước

Theo báo cáo giám sát của Uỷ ban Khoa học, Công nghệ và Môi trường của

Quốc hội, tỉ lệ các khu công nghiệp có hệ thống xử lý nước thải tập trung
ở một số địa phương rất thấp, có nơi chỉ đạt 15 - 20%, như tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu,

Vĩnh Phúc. Một số khu công nghiệp có xây dựng hệ thống xử lí nước thải tập trung
nhưng hầu như không vận hành vì để giảm chi phí. Đến nay, mới có 60 khu công
nghiệp đã hoạt động có trạm xử lí nước thải tập trung (chiếm 42% số khu công
nghiệp đã vận hành) và 20 khu công nghiệp đang xây dựng trạm xử lí nước thải.
Bình quân mỗi ngày, các khu, cụm, điểm công nghiệp thải ra khoảng 30 000 tấn
chất thải rắn, lỏng, khí và chất thải độc hại khác. Dọc lưu vực sông Đồng Nai, có 56
khu công nghiệp, khu chế xuất đang hoạt động nhưng chỉ có 21 khu có hệ thống xử
lý nước thải tập trung, số còn lại đều xả trực tiếp vào nguồn nước, gây tác động xấu
đến chất lượng nước của các nguồn tiếp nhận... Có nơi, hoạt động của các nhà máy
trong khu công nghiệp đã phá vỡ hệ thống thuỷ lợi, tạo ra những cánh đồng hạn
hán, ngập úng và ô nhiễm nguồn nước tưới, gây trở ngại rất lớn cho sản xuất nông
nghiệp của bà con nông dân.
Mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính
sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước là vấn đề
rất đáng lo ngại. Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân
số gây áp lực ngày càng nặng nề dối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ.
Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị
ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn. Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ
sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước


dokhông có công trình và thiết bị xử lý chất thải. Ô nhiễm nước do sản xuất công
nghiệp là rất nặng.
Hàm lượng nước thải của các ngành này có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84
lần, H2S vượt 4.2 lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây

ô nhiễm nặng nề các nguồn nước mặt trong vùng dân cư. Mức độ
ô nhiễm nước ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, cụm công nghiệp tập trung là

rất lớn.
Tại cụm công nghiệp Tham Lương, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nước bị
nhiễm bẩn bởi nước thải công nghiệp với tổng lượng nước thải ước tính 500.000
m3/ngày từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt. Ở thành phố Thái Nguyên, nước
thải công nghiệp thải ra từ các cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, luyện kim màu,
khai thác than; về mùa cạn tổng lượng nước thải khu vực thành phố Thái Nguyên
chiếm khoảng 15% lưu lượng sông Cầu; nước thải từ sản xuất giấy có pH từ 8.4-9
và hàm lượng NH4 là 4mg/1, hàm lượng chất hữu cơ cao, nước thải có màu nâu,
mùi khó chịu...
Khảo sát một số làng nghề sắt thép, đúc đồng, nhôm, chì, giấy, dệt nhuộm ở
Bắc Ninh cho thấy có lượng nước thải hàng ngàn m3/ ngày không qua xử lý, gây ô
nhiễm nguồn nước và môi trường trong khu vực.
Tình trạng ô nhiễm nước ở các đô thị thấy rõ nhất là ở thành phố Hà Nội và
thành phố Hồ Chí Minh.Ở các thành phố này, nước thải sinh hoạt không có hệ
thống xử lý tập trung mà trực tiếp xả ra nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mương).
Mặt khác, còn rất nhiều cơ sở sản xuất không xử lý nước thải, phần lớn các bệnh
viện và cơ sở y tế lớn chưa có hệ thống xử lý nước thải; một lượng rác thải rắn lớn
trong thành phố không thu gom hết đ ư ợ c . là những nguồn quan trọng gây ra ô
nhiễm nước. Hiện nay, mức độ ô nhiễm trong các kênh, sông, hồ ở các thành phố
lớn là rất nặng.


Tình trạng ô nhiễm nước ở nông thôn và khu vực sản xuất nông nghiệp, hiện
nay Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn là nơi cơ sở hạ tầng
còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên
thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi, làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước về mặt hữu
cơ và vi sinh vật ngày càng cao. Theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển

nông thôn, số vi khuẩn Feca coliform trung bình biến đổi từ 1500-3500MNP/100ml
ở các vùng ven sông Tiền và sông Hậu, tăng lên tới 3800-12500MNP/100ml ở các
kênh tưới tiêu.
Trong sản xuất nông nghiệp, do lạm dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật, các
nguồn nước ở sông, hồ, kênh, mương bị ô nhiễm, ảnh hưởng lớn đến môi trường
nước và sức khoẻ nhâmn dân. Nước thải bao gồm thành phần vật lý, hóa học, sinh
vật và vi sinh vật.
- Thành phần vật lý gồm các chất bẩn không tan trong nước:
•

Các tạp chất không tan ở dạng lơ lửng, kích thước lớn, với kích thước
hạt lớn hơn 10-4m. Chúng có thể ở dạng huyền phù, nhũ tương hoặc
kích thước lớn như giẻ, vải, giấy, que củi ...

•

Các tạp chất bẩn dạng keo với kích thước hạt trong khoảng 10-4
đến10-6mm.

•

Các chất bẩn dạng tan có kích thước nhỏ hơn 10-6mm. Chúng có thể
ởdạng phân tử hoặc phân ly thành ion.

- Thành phần hóa học là các hợp chất hóa học dạng vô cơ từ nước cấp như

sắt, magiê, canxi, silic... và rất nhiều chất hữu cơ trong sinh hoạt. Nước thải vừa xả
ra thường có tính kiềm, nhưng dần trở nên có tính axit vì thối rữa. Các chất hữu cơ
trong nước thải có thể xuất xứ từ thực vật, động vật. Chất hữu có có thể chia thành
các chất chứa nitơ (urê, prôtêin, amin, axit amin...) hoặc không chứa nitơ (mỡ, xà

phòng, hyđrocacbon, xenlulô). Trong nước thải, các chất bẩn dạng vô cơ chiếm
khoảng 42% có phân bố chủ yếu ở dạng


tan, các chất bẩn dạng hữu cơ chiếm 58%, có phân bố nhiều ở dạng keo và không
tan.
- Thành phần sinh vật và vi sinh vật đó là nấm men, nấm mốc, tảo, vi khuẩn,

trong đó có loài vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ, thương hàn ... Những loài vi sinh vật này
chủ yếu đặc trưng cho nước thải sinh hoạt và một số nước thải sản xuất (lò mổ, nhà
máy da, len ...).
1.2.

Các phương pháp xử lý nước
Hiện nay, đa phần các cơ sở, nhà máy thường ưu tiên sử dụng các phương

pháp hóa học, hóa lý và sinh họctrong xử lý nước.
1.2.1. Phương pháp kết tủa hóa học [3]
Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa vào nước thải với các
kim loại cần tách ở độ pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được tách ra
khỏi nước bằng phương pháp lắng.
Phương pháp thường được dùng là kết tủa kim loại dưới dạng hydroxit bằng
cách trung hòa các chất thải axit.
Ưu điểm:
•

Đơn giản, dễ sử dụng.

•

Rẻ tiền, nguyên vật liệu dễ kiếm.

•

Xử lý được cùng lúc nhiều kim loại, hiệu quả xử lý cao.

•

Xử lý được nước thải đối với các nhà máy có quy mô lớn.

Nhược điểm:
•

Với nồng độ kim loại cao thì phương pháp này xử lý không triệt để.

•

Tạo ra bùn thải kim loại.

•

Tốn kinh phí như vận chuyển, chôn lấp khi đưa bùn thải đi xử lý.

•

Khi sử dụng tác nhân tạo kết tủa là OH- thì khó điều chỉnh pH đối với
nước thải chứa kim loại lưỡng tính, ví dụ Zn.


Nếu trong nước thải có nhiều kim loại nặng thì càng thuận tiện cho quá trình

kết tủa vì ở giá trị pH nhất định độ hòa tan của kim loại trong dung dịch có mặt các
kim loại sẽ giảm.
1.2.2. Phương pháp hấp phụ [3]
Hấp phụ là quá trình hút khí bay hơi hoặc chất hòa tan trong chất thải lỏng
lên bề mặt xốp. Vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại nặng, đó là than hoạt tính,
than bùn, vật liệu vô cơ như oxit sắt, oxit mangan, tro xỉ, các vật liệu polymer hóa
học hay polymer sinh học.
Trong hấp phụ thường diễn ra 2 kiểu hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ
hóa học. Hấp phụ vật lý là sự hấp phụ thuận nghịch nhờ lực hút tĩnh điện giữa các
ion kim loại và các tâm hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ. Các mối liên kết này yếu,
do vậy thuận lợi cho quá trình nhả hấp phụ và thu hồi kim loại quý. Hấp phụ hóa
học là hấp phụ xảy ra nhờ các phản ứng tạo liên kết hóa học giữa ion kim loại nặng
và các nhóm chức của tâm hấp phụ, thường là các ion kim loại nặng phản ứng tạo
phức đối với các nhóm chức trong chất hấp phụ. Mối liên kết này thường rất bền và
khó bị phá vỡ.
Sau khi thực hiện hấp phụ để xử lý chất độc trong nước nói chung
và kim loại nặng nói riêng thì người ta thường tiến hành nhả hấp phụ để hoàn
nguyên, tái sinh.
Ưu điểm:
•

Xử lý hiệu quả kim loại nặng ở nồng độ thấp.

•

Đơn giản, dễ sử dụng.

•

Có thể tận dụng một số vật liệu là chất thải của các ngành khác như

Fe2O3.

•

Có thể nhả hấp phụ để tái sinh vật liệu hấp phụ.

Nhược điểm:
• Chi phí xử lý cao.


1.2.3. Phương pháp trao đổi ion [3]
Phương pháp trao đổi ion là phương pháp ứng dụng nguyên tắc trao đổi ion
thuận nghịch của chất rắn và chất lỏng mà không làm thay đổi cấu trúc của chất rắn.
Quá trình này ứng dụng để loại bỏ các cation và anion trong nước thải. Các cation
sẽ trao đổi với ion hydrogen hay sodium, các anion sẽ trao đổi với ion hydroxyl của
nhựa trao đổi ion.
Có hai phương pháp sử dụng trao đổi ion:
•

Trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động, vận hành và tái sinh liên tục.

•

Trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên,vận hành và tái sinh gián
đoạn.

Hầu hết các loại nhựa trao đổi ion là các hợp chất tổng hợp. Nó là các chất
hữu cơ hoặc vô cơ cao phân tử đính kết với các nhóm chức. Các nhựa trao đổi ion
dùng trong xử lý nước thải là các hợp chất hữu cơ cao phân tử có cấu trúc không
gian 3 chiều và có lổ rỗng. Các nhóm chức được đính vào cấu trúc cao phân tử bằng

cách cho hợp chất này phản ứng với các hóa chất chứa nhóm chức thích hợp. Khả
năng trao đổi ion được tính bằng số nhóm chức trên một đơn vị trọng lượng nhựa
trao đổi ion. Hoạt động và hiệu quả kinh tế của phương pháp này phụ thuộc vào khả
năng trao đổi ion và lượng chất tái sinh cần sử dụng.
Cấu tạo của hạt nhựa có thể phân ra hai phần. Một phần gọi là gốc của chất
trao đổi ion, một phần khác gọi là nhóm ion có thể trao đổi (nhóm hoạt tính). Chúng
hoá hợp trên cốt cao phân tử. Các vật liệu nhựa này có thể thay thế được mà không
làm thay đổi tính chất vật lý của các chất trong dung dịch và cũng không làm biến
mất hoặc hòa tan. Khi nhựa trao đổiion đã hết khả năng trao đổi ion, nó sẽ được tái
sinh lại bằng các chất tái sinh thích hợp.Sau quá trình tái sinh các chất tái sinh sẽ
được rửa đi bằng nước.


Ưu điểm:
•

Khả năng trao đổi ion lớn, hiệu quả xử lý kim loại cao.

•

Đơn giản, dễ sử dụng.

•

Không gian xử lý nhỏ.

•

Có khả năng thu hồi kim loại có giá trị, không tạo ra chất thải thứ cấp.

•

Chi phí xử lý cao do đó không phù hợp với các nhà máy có quy mô

lớn.
1.2.4. Phương pháp điện hóa [3]
Phương pháp điện hóa xử lý kim loại là phương pháp dựa vào quá trình kết
tủa kim loại nặng tại cathode trong hệ điện hóa với sự trợ giúp dòng điện một chiều.
Khi đặt một điện thế đủ lớn vào hệ điện hóa, ở điện cực sẽ xảy ra phản ứng:
Ở anot xảy ra quá trình oxi hóa anion hoặc OH- hoặc chất làm anot: M -

ne = Mn+
Ớ catot xảy ra quá trình khử các ion kim loại nặng, và có thể ion H+:

Mn+ + ne = M
2H+ + 2e = H2
Ưu điểm:
•

Đơn giản, dễ sử dụng.

•

Không sử dụng hóa chất.

Nhược điểm:
•

Tiêu hao năng lượng lớn,chi phí xử lý cao.

•

Chỉ thích hợp với nước thải có nồng độ kim loại cao.

•

Mặc dù hiệu suất xử lý đạt tới 90% hoặc hơn, nhưng nồng độ kim loại
trong nước thải vẫn còn cao.


1.2.5. Phương pháp sinh học [3]
Phương pháp sinh học là phương pháp sử dụng những vi sinh vật đặc trưng
chỉ xuất hiện trong môi trường bị ô nhiễm kim loại nặng và có khả năng tích lũy
kim loại nặng trong cơ thể. Các vi sinh vật thường sử dụng như tảo, nấm, vi
khuẩn... Ngoài ra, còn có một số loài thực vật sống trong môi trường
ô nhiễm kim loại nặng có khả năng hấp thụ và tách các kim loại nặng độc hại như

cỏ Vertiver, cải xoong, cây dương xỉ, cây thơm ổi... Thực vật phản ứng khác nhau
đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trường.
Cơ chế hấp thụ kim loại nặng ở vi khuẩn như sau:
•

Giai đoạn 1: Tích tụ các kim loại nặng và sinh khối, làm giảm nồng độ
các kim loại này ở trong nước.

•

Giai đoạn 2: Sau quá trình phát triển ở mức tối đa sinh khối, vi sinh vật
thường lắng xuống đáy bùn hoặc kết thành mảng nổi trên bề mặt
và cần phải lọc hoặc thu sinh khối ra khỏi môi trường nước.

Ưu điểm:
•

Thu nhận kim loại nặng ở mức độ cao.

•

Diện tích bề mặt riêng của sinh khối lớn.

•

Giá thành thấp.

•

Diện tích mặt bằng rất lớn.

•

Sinh khối phát sinh ra sẽ chứa toàn kim loại nặng khó xử lý.

1.2.6. Giới thiệu vật liệu hấp phụ
Phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công
nghiệp vì nó cho phép tách loại đồng thời nhiều chất bẩn từ một nguồn nước ô
nhiễm và tách loại tốt ngay khi chúng ở nồng độ thấp.
Bên cạnh đó, sử dụng phương pháp hấp phụ còn tỏ ra có nhiều ưu thế hơn
các phương pháp khác và giá thành xử lý thấp. Vật liệu hấp phụ có thể

được chế tạo từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, theo những phương pháp
khác nhau, đặc biệt nó có thể chế tạo bằng cách biến tính các chất thải
ô nhiễm môi trường như tro bay, than bùn hay các phế thải nông nghiệp như vỏ

trấu, vỏ đậu, bã mía, bã cà phê, mùn cưa, lõingô...
1.2.7. Nhóm khoáng tự nhiên
Diatomit là một loại khoáng vật tự nhiên có thành phần chủ yếu là SiO2
ngoài ra còncó Al2O3cùng một số oxit khác với hàm lượng nhỏ hơn. Diatomit là
một loại khoáng có cấu trúc xốp, thường ở trạng thái phân tán cao. Do có độ xốp
lớn lên diatomit có thể được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như
vật liệu cách điện, cách âm, bê tông nhẹ, dung dị ch khoan. Khi diatomit chứa
không ít hơn 90% SiO2 không quá 2% Fe2O3, 3%
các hợp chất hữu cơ và có độ ẩm khoảng trên 2% thì nó được sử dụng làm chất trợ
lắng, trợ lọc và làm trong nước giảm độ cứng của nước sinh hoạt dùng để loại bỏ
chất phóng xạ trong nướcthải.
Bentonit là khoáng sét phi kim thuộc loại alumono silicat, thành phần hóa
học có thể viết là Si8(Alx My)O20trong đó M là Ca, Mg, Na. Có hai loại bentonit
là bentonit kiềm (Na, K) và bentonit kiềm thổ (Mg,Ca). Nhìn chung, bentonit xử lý
hiệu quả đối với nước thải chứa chất không tan như các chất hữu cơ, dầu, vi sinh
vật. Để xử lý các muối tan chứa các ion kim loại người ta sử dụng bentonit đã hoạt
hóa biến tính.
1.2.8. Nhóm nguyên liệu tự nhiên và phế thải nông nghiệp
Vỏ lạc được sử dụng để chế tạo than hoạt tính với khả năng tách loại ion
Cd(II) rất cao. Chỉ cần hàm lượng than hoạt tính là 0,7 g/l có thể hấp phụ dung dịch
hấp phụ chứa Cd(II) nồng độ 20 mg/l. Nếu so sánh với các loại than hoạt tính (dạng
viên) có trên thị trường thì khả năng hấp phụ của nó cao gấp 31lần.
Một nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học Khoa Công nghệ Môi


trường, trường đại học Mersin, Thổ Nhĩ Kỳ cho thấy vỏ lạc có thể sử dụng để cải

tạo ruộng, lọc các nguồn nước bị ô nhiễm kim loại độc do các nhà máy thải ra, đặc
biệt là ở các vùng đất, nguồn nước bị nhiễm ion kim loại và vỏ lạc có thể loại bỏ
95% ion đồng khỏi nước thải công nghiệp.
Vỏ đậu tương có khả năng hấp phụ tốt đối với nhiều ion kim loại nặng như
Cu(II), Zn(II) và các hợp chất hữu cơ. So sánh với một số vật liệu tự nhiên khác, vỏ
đậu tương thể hiện khả năng hấp phụ cao hơn, đặc biệt đối với các ion kim loại
nặng. Vỏ đậu tương sau khi được xử lý với axit ctric thì dung lượng hấp phụ cực
đại đối với đồng đạt đến 1.7 mmol/g (ứng với 108mg/g).
Bã míađược đánh giá như phương tiện lọc chất bẩn từ dung dịch nước và
được ví như than hoạt tính trong việc loại bỏ các ion kim loại nặng như Cr(III),
Ni(II), Cu(II)...Bên cạnh khả năng tách loại kim loại nặng, bã mía còn thể hiện khả
năng hấp phụ tốt đối vớidầu.
Lõi ngô. Nhóm nghiên cứu ở trường đại học North Carolina (Hoa Kì) đã tiến
hành nghiên cứu và đề xuất quy trình xử lý lõi ngô bằng dung dịch NaOH và
H3PO4 để chế tạo vật liệu hấp phụ kim loại nặng. Hiệu quả xử lý của vật liệu hấp
phụ tương đối cao. Dung lượng hấp phụ cực đại của hai kim loại nặng Cu và Cd lần
lượt là 0,39mol/g và 0,62mol/g vậtliệu.
Xơ dừa và vỏ trấu là hai phụ phẩm phổ biến của đồng bằng sông Cửu Long.
Chúng có khả năng tách một số ion kim loại nặng trong nước như Ni(II), Cd(II) đặc
biệt khi chúng được hoạt hóa bằng dung dịch axitcitric bão hòa, có khả năng hấp
phụ/trao đổi ion cao ngang bằng nhựa trao đổi ion thông dụng hoặc zeolite... Hiệu
suất xử lý khá cao khoảng 40-45% đối với vỏ trấu và 50-60% với xơ dừa. Khả năng
hấp phụ /trao đổi ion trên của vỏ trấu hoạt hóa thấp hơn so với xơ dừa hoạthóa.
1.2.9. Một số loại vật liệu hấpphụkhác a.
Than hoạttính


Than hoạt tính được sản xuất theo 2 phương pháp:
- Phương pháp hoạt hoá hóa học: bằng cách trộn hay tẩm nguyên liệu với các
hoá chất và đốt yếm khí từ 500-900oC. Các hoá chất vô cơ khi đốt sẽ phân huỷ ra

các khí có tính oxy hoá hoặc phân huỷ các phân tử hữu cơ qua phản ứng
dehydrathoá.
- Phương pháp hoạt hoá vật lý thường tiến hành theo 2 giai đoạn: than hoá

và hoạthoá.Giai đoạn than hoá là giai đoạn đốt yếm khí tại 400-500oC nhằmloại
bỏ thành phần bay hơi trong nguyên liệu, đưa nguyên liệu trở về dạng cacbon.
Bước hoạt hoá là phát triển độ xốp của nguyên liệu thông qua
phản ứng oxy hoá ở nhiệt độ cao 800-1000oC. Trong quá trình oxy hoá, một số
nguyên tử cacbon bị đốt cháy thành khí (CO, CO2), khí này bay đi để lại chỗ
trống, đó chính là cơ chế tạo độ xốp. Quá trình hoạt hoá này vì thế gọilàquá trình
khí hoá. Tác nhân oxy hoá có thể là oxy không khí, hơi nước, khí cacbonic, khí
thải. Chế độ hoạt hoá quyết định chất lượng của than hoạt tính.
Than hoạt tính có thể dùng để tẩy màu, làm trong, khử mùi, tinh chế
thực phẩm, đồ uống, dầu mỡ. Ngoài ra, một số loại than hoạt tính có đặc thù
riêng: dùng trong y học, than hấp phụ kim loại, than dùng trong mặt nạ, than
oxy hoá dùng để xử lý phóng xạ. Phần lớn các loại than này đều được biến
tính bề mặt để tăng cường thêm các nhóm chức qua phản ứng oxy hoá hoặc
tẩm một số xúc tác.
b. Silicalgel
Silicalgel là một loại chất hấp phụ có thành phần hoá học chủ yếu là silic
oxit (SiO2) có cấu trúc rất xốp.Độ xốp của silicalgel có thể đạt 50-60%, diện tích
bề mặt có thể đạt tới 800 m2/g.
Nguyên liệu để tổng hợp silicalgel là axit silicic, axit đơn H2SiO4 là axit rất
yếu. Khi vượt quá độ hoà tan nó không kết tủa mà tạo thành polymer


thông qua phản ứng trùng ngưng, giai đoạn đầu của phản ứng trùng ngưng là:
2H2SĨO4 ^ H2SĨ2O7 + H2O
Phản ứng trùng ngưng tiếp diễn hình thành các phân tử polymer lớn cho tới
khi nồng độ axit đơn dư trong dung dịch nằm trong khoảng 100-150 mg/l tuỳ

thuộc vàopH.
Silicalgel thường được chế tạo bằng cách kết tủa SiO2 từ dung dịch thuỷ
tinh lỏng với axit (chủ yếu là axit sunfuric), trong một số trường hợp có thể thuỷ
phân SiCl4 hoặc các hợp chất silic khác dễ thuỷphân.
Trong quá trình thủy phân với axit sunfuric sẽ hình thành axit silicic yếu và
ngay lập tức xảy ra phản ứng trùng ngưng tạo thành dạng gel đặc và trong,
chứakhoảng 90% nước hay 300 phân tử nước trên 1 phân tử SiO2.
Tính chất của silicalgel phụ thuộc vào các yếu tố thực hiện khi chế tạo như:
nồng độ, pH, nhiệt độ. Hạt keo càng nhỏ thì diện tích bề mặt càng lớn. Thông
thường khi thủy phân ở vùng pH thấp, hạt keo nhỏ thì thời gian đông tụ kéo dài.Ở
vùng nồng độ loãng và nhiệt độ cao cũng tạo ra những hạt keo nhỏ. Tỉ lệ thành
phần tham gia phản ứng, tốc độ khuấy trộn, chất đưa thêm vào, thứ tự đưa chất vào
đều ảnh hưởng đến chất lượng sảnphẩm.
Silicalgel được sử dụng chủ yếu làm chất hút ẩm, một phần làm mang xúc
tác. Trong phân tích nó chủ yếu được dùng làm chất hấp phụ hay chất mang sắc
kí. Gần đây có một số nghiên cứu sử dụng silicalgel để xử lý nước thải chứa kim
loại nặng và chất phóng xạ. c. Nhômoxit
Nhôm oxit là vật liệu màu trắng ngà, không tan trong nước nhưng tan trong
axit đặc, khi nung ở nhiệt độ cao nó sẽ chuyển sang dạng thù hình khác và không
tan trong axit. Nhôm oxit tồn tại dưới nhiều dạng thù hình. Khi loại bỏ nước của
nhôm hydroxit thu được AhO3 dạng ortho hay meta, khi nung nhôm oxihidrat sẽ
hình thành Y-Al2O3 tinh thể.


Nhôm oxit được hình thành khi đốt nhôm kim loại hoặc nung
nhômhidroxit hay các muối nhôm có gốc là các axit yếu dễ bay hơi.
Quặng boxit là quặng chứa nhôm, nguyên liệu chủ yếu để sản xuất nhôm
trong công nghiệp. Boxit là dạng nguyên khai có khả năng hấp phụ thấp, thông
qua hoạt hóa nhiệt làm tăng khả năng hấp phụ. Có mối quan hệ giữa nhiệt độ hoạt
hóa, thời gian hoạt hóa, hàm lượng tạp chất dư dễ bay hơi với diện tích bề mặt, độ

xốp và khả năng hấp phụ của sản phẩm. Nhiệt độ hoạt hóa từ 370- 400oC thường
cho sản phẩm có dung lượng hấp phụ cao, giảm được khả năng bay hơi từ 30%
xuống còn 6-8%.Sản phẩm có thể tái sinh ở nhiệt độ 150-250oC. Trong một số
trường hợp người ta còn phải loại bỏ một số tạp chất trong quặng bằng cách xử lý
với axit clohyđric hay axit ílohyđricloãng.

d. Than bùn
Than bùn là sản phẩm phân hủy thực vật, có màu đen hoặc nâu sáng. Ngoài
thành phần hữu cơ còn có thành phần vô cơ (tro) là các oxit kim loại. Thành phần
chính của than bùn là axit humic, axit fulvic, các axit này có cấu trúc hóa học
không cố định. Nó là tập hợp các axit có phân tử lượng lớn chứa nhiều nhóm
chức, chứa đa phần các nhân thơm. Nó không bị vi sinh vật phân hủy và là một
trong những phân đoạn hữu cơ bền nhất trong tự nhiên.
Than bùn là loại vật liệu hỗn hợp của nhiều loại hợp chất hữu cơ chứa
nhiều nhóm chức phân cực nên có khả năng hấp phụ các chất hữu cơ phân cực và
các kim loại chuyểntiếp.
1.3.

Giới thiệu về bã cà phê[5]
Diện tích trồng cà phê nước ta ngày càng được mở rộng trong vài năm trở

lại đây. Theo Bộ Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, diện tích trồng cà phê
tăng 8% trong năm 2012 đạt mức 616000 ha so với 571 000


năm 2011 và sản lượng đạt 1.49 triệu tấn. Diện tích trồng cà phê nước ta năm
2014 ước tính vào khoảng 653 000 ha, tăng 2% so với năm 2013 (633000 ha). Tuy
nhiên, thực tế diện tích gieo trồng có thể vượt quá 660000 ha. Sản xuất cà phê
nước ta tăng đều đặn trong vòng 3 năm gầnđây.
Chính vì thế cà phê là một tiềm năng rất lớn, chúng ta có thể tận dụng, tái

chế bã cà phê để đem lại những lợi ích về kinh tế, xã hội, và còn có ý nghĩa quan
trọng trong việc bảo vệ môitrường.
Bã cà phê là một vật liệu lignocellulose, có khả năng tách kim loại nặng
hòa tan và màu trong nước nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần cellulose. Các
nhóm hydroxyl trên cellulose đóng vai trò quan trọng trong khả năng trao đổi ion,
nhóm hydroxyl này có khả năng trao đổi yếu vì liên kết OH phân cực không
mạnh. Nhiều biện pháp biến tính đã được công bố như oxy hóa các nhóm
hydroxyl thành các nhóm chức acid hoặc sulfo hóa bằng acid sulfuric.
Thành phần hóa học của bã cà phê được trình bày ở bảng 1.1.
Bảng 1.1: Thành phần của cà phê
Thành phần

% khối lượng

Nước

10- 12% ở dạng liên kết

Chất khoáng (K, Mg, P, N, Cl)

3-5%

Glucid

^2 tổng số chất khô

Protein

9-11%

Lipid

10-13%

Caffein

1-3%
Các thành phần khác

1.4.

Tổngquan tình hình nghiên cứu tính chất hấp phụ của bã cà phê