Nghiên cứu tổng hợp vật liệu gốc PANi bã chè hoạt hóa H3PO4 định hướng hấp phụ kim loại nặng fe2+ trong xử lý môi trường (2018)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

======

NGUYỄN THỊ NHUNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU
GỐC PANi/BÃ CHÈ HOẠT HÓA H3PO4
ĐỊNH HƯỚNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG
Fe2+ TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa học hữu cơ

HÀ NỘI – 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

======
NGUYỄN THỊ NHUNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU
GỐC PANi/BÃ CHÈ HOẠT HÓA H3PO4
ĐỊNH HƯỚNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG
Fe2+ TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa học hữu cơ
Người hướng dẫn khoa học

TS. DƯƠNG QUANG HUẤN

HÀ NỘI – 2018


LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Dương Quang Huấn đã hết
lòng hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá
trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của mình.
Em cũng xin cảm ơn TS. Nguyễn Quang Hợp, khoa Hóa học - Trường
Đại học Sư phạm Hà Nội 2 và ThS. NCS. Trần Thị Hà, Viện kĩ thuật Hóa
học, Sinh học và các thầy, cô giáo trong khoa Hóa học - Trường Đại học Sư
phạm Hà Nội 2 đã truyền đạt kiến thức và giúp đỡ em trong quá trình học tập
và nghiên cứu, hoàn thành khóa luận này.
Cuối cùng em xin cảm ơn sự trao đổi, đóng góp ý kiến nhiệt tình của
các bạn sinh viên lớp K40A - Sư phạm Hóa học - Trường Đại học Sư phạm
Hà Nội 2 và sự động viên, khích lệ của bạn bè, người thân đặc biệt là gia đình
đã tạo động lực cho em phấn đấu học tập và hoàn thiện khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên

Nguyễn Thị Nhung

i


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của em, dưới sự
hướng dẫn của TS. Dương Quang Huấn. Các nội dung nghiên cứu và kết quả

trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công
trình nghiên cứu nào trước đây. Nếu phát hiện bất kỳ sự gian lận nào em xin
hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng, cũng như kết quả khóa luận của
mình.
Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên

Nguyễn Thị Nhung

ii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Chữ viết đầy đủ

AAS

Atomic Absorption Spectrophotometric

ANi

Aniline

APS

Ammonium persulfate

BC

Bã chè

CV

Vòng tuần hoàn đa chu kỳ

IR

Phổ hồng ngoại

KLN

Kim loại nặng

PANi

Polyaniline

PANi/ BC; PANi/C6

Vật liệu tổng hợp Polyaniline trên chất
mang bã chè tỉ lệ 1:1

PCB

Polychlorinated Biphenyls

PPNN

Phụ phẩm nông nghiệp

SEM

Scanning Electron Microscope

THT

Than hoạt tính

VLHP

Vật liệu hấp phụ

WE

Điện cực làm việc

iii


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1
2. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 2
3. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2
4. Mục tiêu của đề tài ........................................................................................ 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn....................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 3

1.1. Các vấn đề ô nhiễm môi trường kim loại nặng hiện nay ........................... 3
1.1.1. Vài nét về kim loại nặng ......................................................................... 3
1.1.2. Tình trạng ô nhiễm KLN trên thế giới .................................................... 4
1.1.3. Tình trạng ô nhiễm KLN ở Việt Nam ..................................................... 5
1.1.4. Ảnh hưởng của kim loại nặng đối với con người và môi trường ........... 6
1.1.5. Phương pháp xử lý KLN trong nước ...................................................... 8
1.2. Ô nhiễm môi trường kim loại iron (sắt) hiện nay ở Việt Nam .................. 8
1.3. Tổng hợp và ứng dụng của PANi ............................................................ 10
1.3.1. Nghiên cứu tổng hợp PANi................................................................... 10
1.3.2. Phương pháp hóa học ............................................................................ 11
1.3.3. Phương pháp điện hóa ........................................................................... 12
1.3.4. Ứng dụng của polyaniline trong xử lý ô nhiễm môi trường ................. 13
1.4. Bã chè và ứng dụng của bã chè ................................................................ 14
1.4.1. Giới thiệu về cây chè ............................................................................. 14
1.4.2. Thành phần hóa học của bã chè ............................................................ 16
1.4.3. Cấu trúc và ứng dụng của bã chè .......................................................... 16
1.5. Phương pháp hấp phụ các chất ô nhiễm................................................... 16
1.5.1. Khái niệm ............................................................................................. 16

iv


1.5.2. Quy trình hấp phụ.................................................................................. 18
1.5.3. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ......................................... 19
1.5.4. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich........................................ 21
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ........ 23
2.1. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 23
2.1.1. Phương pháp phổ hồng ngoại IR .......................................................... 23
2.1.2. Ảnh hiển vi điện tử quét SEM............................................................... 23
2.1.3. Phương pháp AAS xác định hàm lượng kim loại nặng trong nước...... 24

2.1.4. Phần mềm xử lí số liệu Origin và Excel ............................................... 25
2.1.4.1. Phần mềm Origin ............................................................................... 25
2.1.4.2. Phần mềm Excel ................................................................................. 25
2.2. Thực nghiệm ............................................................................................ 26
2.2.1. Dụng cụ và hóa chất .............................................................................. 26
2.2.2. Máy móc và thiết bị............................................................................... 26
2.2.3. Tiến hành thí nghiệm ............................................................................ 26
2.2.3.1. Tổng hợp và chế tạo vật liệu hấp phụ ................................................ 26
2.2.3.2. Thí nghiệm hấp phụ ........................................................................... 28
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 31
3.1. Đặc trưng vật liệu tổng hợp...................................................................... 31
3.1.1. Hiệu suất tổng hợp VLHP ..................................................................... 31
3.1.2. Phổ hồng ngoại của các vật liệu ............................................................ 31
3.1.3. Đặc trưng ảnh quét SEM của bã chè và PANi/ bã chè ......................... 35
3.2. Khả năng hấp phụ của vật liệu ................................................................. 37
3.2.1. Ảnh hưởng của bản chất vật liệu hấp phụ ............................................. 37
3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian ....................................................................... 37
3.2.3. Ảnh hưởng của khối lượng ................................................................... 38
3.2.4. Ảnh hưởng của pH ................................................................................ 39

v


3.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu .......................................................... 40
3.3. Mô hình hấp phụ ...................................................................................... 41
3.3.1. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir................................................. 41
3.3.2. Mô hình đẳng nhiệt Freundlich ............................................................. 43
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 44
1. Kết luận ....................................................................................................... 44
2. Kiến nghị ..................................................................................................... 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 45

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ tổng hợp PANi từ ANi và (NH4)2S2O8 ................................. 12
Hình 1.2. Đường đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir ..................................... 20
Hình 1.3. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C ............................................... 20
Hình 1.4. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich . ......................................... 21
Hình 1.5. Đồ thị để tìm các hằng số trong phương trình Freundlich . ............ 21
Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp bã chè hoạt hóa H3PO4 .......................................... 26
Hình 2.2. Sơ đồ tổng hợp vật liệu PANi/bã chè.............................................. 28
Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của bã chè hoạt hoá H3PO4 ................................... 32
Hình 3.2. Phổ hồng ngoại của PANi ............................................................... 33
Hình 3.3. Phổ hồng ngoại của PANi-bã chè ................................................... 34
Hình 3.4: Ảnh SEM của bã chè....................................................................... 35
Hình 3.5. Ảnh SEM của PANi ........................................................................ 35
Hình 3.6. Ảnh SEM của PANi/bã chè ............................................................ 36
Hình 3.7. Biểu đồ hiệu suất hấp phụ Fe2+ theo vật liệu .................................. 37
Hình 3.8. Biểu đồ dung lượng hấp phụ Fe2+ theo vật liệu .............................. 37
Hình 3.9: Biểu đồ dung lượng hấp phụ Fe2+ theo thời gian của từng vật liệu 38
Hình 3.10: Biểu đồ hiệu suất hấp phụ Fe2+ theo thời gian của từng vật liệu .. 38
Hình 3.11. Biểu đồ hiệu suất và dung lượng hấp phụ Fe2+ theo khối lượng .. 38
Hình 3.12. Biểu đồ hiệu suất và dung lượng hấp phụ Fe2+ theo pH ............... 39
Hình 3.13. Biểu đồ hiệu suất và dung lượng hấp phụ Fe2+ theo nồng độ ban
đầu ................................................................................................................... 40
Hình 3.14. Đường đẳng nhiệt hấp phụ sự phụ thuộc q vào C của vật liệu
PANi/BC hấp phụ Fe2+ .................................................................................... 41
Hình 3.15. Đồ thị hấp phụ Langmuir sự phụ thuộc C/q vào C của vật liệu

PANi/BC hấp phụ Fe2+ .................................................................................... 41

vii


Hình 3.16. Mối quan hệ giữa RL với nồng độ của Fe2+ ban đầu Co ................ 42
Hình 3.17. Đồ thị hấp phụ Freundlich sự phụ thuộc C/q vào C của vật liệu
PANi/BC hấp phụ Fe2+ .................................................................................... 43

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Hàm lượng ô nhiễm KLN ở một số nơi trên thế giới ....................... 4
Bảng 1.2. Hàm lượng một số kim loại nặng trong nước thải của một số làng
nghề tái chế kim loại (mg/l) .............................................................................. 6
Bảng 1.3. Diện tích trồng chè ở một số nước ................................................. 14
Bảng 1.4. Mối tương quan RL và dạng mô hình ............................................ 20
Bảng 3.1. Quy kết các nhóm chức của bã chè hoạt hoá H3PO4 ...................... 32
Bảng 3.2. Quy kết các nhóm chức của PANi.................................................. 33
Bảng 3.3. Quy kết các nhóm chức của PANi-bã chè ...................................... 35
Bảng 3.4. Bảng giá trị thông số cho mô hình đẳng nhiệt Langmuir ............... 41
Bảng 3.5. Bảng giá trị thông số cho mô hình đẳng nhiệt Freundlich ............. 43

ix


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
“Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế cũng như sự tăng dân số

một cách nhanh chóng đã tạo ra nhiều sức ép lên môi trường sống của chúng
ta, một trong số đó là vấn đề ô nhiễm kim loại nặng (KLN) trong nước. Từ
các hoạt động công nghiệp hay các hoạt động sinh hoạt của con người đã phát
thải ra một số lượng lớn kim loại độc hại vào môi trường đất và nước, qua các
quá trình nó tích lũy trong chuỗi thức ăn và cuối cùng tác động đến con người
[1].”
“Trong thời gian qua, những nghiên cứu về sử dụng phụ phẩm nông
nghiệp (PPNN) để xử lý KLN trong nước đang được rất nhiều quan tâm bởi
tính kinh tế cũng như hiệu quả mà nó mang lại. Từ những nghiên cứu tiến
hành biến tính một số vật liệu từ phụ phẩm nông nghiệp bằng acid H3PO4,
nhận thấy vật liệu sau biến tính có khả năng hấp phụ xanh methylene tương
đối cao, cao hơn so với vật liệu gốc từ 2 đến 5 lần [2]. Các nghiên cứu trên thế
giới cũng như tại Việt Nam về khả năng hấp phụ của một số vật liệu từ PPNN
tự nhiên như vỏ lạc, xơ dừa và vỏ trấu [3,4,5],... trong việc xử lý KLN và
bước đầu cũng đã có những kết quả khả quan.”
“Với mục tiêu là tìm kiếm một loại phụ phẩm nông nghiệp mà có khả
năng xử lý hiệu quả KLN Fe2+, trong nghiên cứu ban đầu này em chọn sản
phẩm là bã chè đã hoạt hóa H3PO4 để tổng hợp PANi/BC khảo sát khả năng
hấp phụ Fe2+ trong nước.”
Từ những lý do khách quan trên em chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp
vật liệu gốc PANi/bã chè hoạt hóa H3PO4 định hướng hấp phụ kim loại
nặng Fe2+ trong xử lý môi trường”.

1


2. Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu phương pháp tổng hợp hóa học PANi/bã chè đã hoạt hóa
H3PO4.
- Nghiên cứu hấp phụ ion Fe2+ bằng PANi/bã chè đã hoạt hóa H3PO4 ở các

điều kiện khác nhau như: thời gian, khối lượng vật liệu, nồng độ ion Fe2+ và
các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt.
- Phân tích, đánh giá kết quả mẫu nước có chứa ion kim loại Fe2+ đã được
hấp phụ.”
3. Phương pháp nghiên cứu
- Đọc và tìm hiểu tài liệu có liên quan tới PANi, bã chè và ion Fe2+, phương
pháp hấp phụ chất gây ô nhiễm môi trường.
- Sử dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại để đánh giá PANi/bã chè
(IR, SEM, …).
- Sử dụng phương pháp phân tích hàm lượng ion kim loại Fe2+ (AAS).
- Đánh giá, phân tích và xử lý số liệu thu được bằng các phần mềm thông
dụng.
4. Mục tiêu của đề tài
-“Tổng hợp PANi/bã chè bằng phương pháp hóa học.”
-“Hấp phụ ion Fe2+ bằng PANi/bã chè hoạt hóa H3PO4 và nghiên cứu các
điều kiện ảnh hưởng của quá trình hấp phụ.”
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
“Kết quả nghiên cứu của đề tài là một nguồn tài liệu tham khảo cho các
nghiên cứu về xử lý ô nhiễm KLN Fe2+ trong nước ở hiện tại và tương lai.
Đồng thời góp phần làm cơ sở khoa học để mở ra một phương pháp xử lí ô
nhiễm KLN Fe2+ để giảm thiểu sự ô nhiễm kim loại trong môi trường nước.”

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Các vấn đề ô nhiễm môi trường kim loại nặng hiện nay
1.1.1. Vài nét về kim loại nặng
“Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm3.
Những kim loại có ảnh hưởng lớn đến môi trường và con người cần được xử

lý trong nước như là Zn, Pb, Cu, Ni, Cd, Hg, Cr, As…Trong đó, một vài kim
loại như Zn, Cu, Fe…[6,7] có thể cần thiết cho cơ thể sống khi chúng ở một
hàm lượng nhất định, nhưng khi ở một lượng lớn hơn hàm lượng cho phép
chúng sẽ trở nên độc hại. Những nguyên tố như Pb, Cd, Ni thì không có lợi
ích nào cho cơ thể sống, chúng có thể gây độc ngay cả khi ở dạng vết [6,7].”
“Trong tự nhiên KLN tồn tại ở 3 môi trường là đất, nước và không khí.
Trong đó môi trường nước là môi trường mà có khả năng phát tán KLN đi xa
nhất và rộng nhất, chúng thường tồn tại dưới dạng ion hoặc phức chất…. Khi
ở trong những điều kiện thích hợp KLN trong môi trường nước có thể phát
tán vào trong các môi trường như môi trường đất hoặc môi trường khí. KLN
trong môi trường nước có thể đi vào cơ thể con người thông qua con đường
ăn hoặc uống [6,7].”
Trong môi trường nhân tạo, các quá trình sản xuất công nghiệp, khai
khoáng, tinh chế quặng, kim loại, sản xuất kim loại thành phẩm… cũng là các
nguồn chính gây nên ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước. Thêm
vào đó, trong quá trình tạo màu và nhuộm ở các sản phẩm của thuộc da, cao
su, giấy, dệt, luyện kim, mạ điện và nhiều ngành khác,… các hợp chất của
kim loại nặng được sử dụng rộng rãi cũng là nguồn đáng kể gây ô nhiễm kim
loại nặng. Ngoài ra, khác biệt so với nước thải ngành công nghiệp thì nước
thải sinh hoạt thường có chứa trong đó một lượng kim loại nhất định bởi quá
trình tiếp xúc lâu dài với Cu, Zn hoặc Pb trong các đường ống hoặc các bể
chứa cũng gây nên ô nhiễm KLN [6,7].

3


1.1.2. Tình trạng ô nhiễm KLN trên thế giới
Trên thế giới tại các vùng cửa sông, vùng ven biển và biển thì tình trạng
ô nhiễm KLN ở tại các nơi này là vấn đề được rất nhiều quan tâm. Sự phát
triển kinh tế kéo theo đó là các hệ lụy về môi trường. Theo nghiên cứu thì

hàm lượng KLN từ các ngành công nghiệp thải ra tồn tại trong môi trường
nước theo dòng chảy lắng đọng ở các vùng cửa sông, vùng ven biển và biển là
rất cao (bảng 1.1).
Bảng 1.1. Hàm lượng ô nhiễm KLN ở một số nơi trên thế giới
KLN có
STT

Nơi bị ô nhiễm

trong

Hàm lượng

khảo

nước
1

Các cửa sông ở Úc

Pb, Zn

(có thể tìm thấy trong

Tài liệu tham

1000 µg. g-1 Pb,

(Irvine &

2000 µg. g-1 Zn

Birch, 1998

các trầm tích bị ô

trích trong

nhiễm)

McFarlane &
Burchett,
2002) [8]

2

Trong trầm tích cửa

chì vô

biến động từ 25

Bryan et al.

sông ở Anh và trong

cơ

µg. g-1 đến hơn

(1985) trích

2700 µg. g-1

trong Bryan

cửa sông Gannel nơi

3

nhận chất thải từ việc

& Langston

khai thác mỏ chì

(1992) [9]
xác định từ 5

Langstone,

trong các cửa sông

µg. g-1 đến lớn hơn

1985 trích

Restronguet Creek,

1000 µg. g-1

trong Bryan

Cửa sông Axe và

As

Cornwall nơi nhận

& Langston,

4


KLN có
STT

Nơi bị ô nhiễm

trong

Hàm lượng

Tài liệu tham
khảo

nước
nước thải từ các khu

1992) [9]

vực khai thác quặng
mỏ kim loại
4

Ở Anh tại các cửa

10 µg. g-1

Cd

sông bị ô nhiễm

(Bryan &
Langston,
1992) [9]

5

Sông Deule ở Pháp

KLN do
chất thải

480 mg. kg-1

(Neda et al,
2006) [10]

từ nhà

máy
1.1.3. Tình trạng ô nhiễm KLN ở Việt Nam
“Hiện nay ở Việt Nam, vấn đề ô nhiễm KLN cũng là một vấn đề cấp
thiết cần được quan tâm và nghiên cứu xử lí nhằm giảm thiểu hậu quả do ô
nhiễm KLN mang lại. Ở các thành phố lớn, sự phát triển kinh tế với sự hội
nhập các nước hiện nay tạo cơ hội cho nhiều công ty nhà máy, xí nghiệp phát
triển. Chính vì vậy mà một lượng lớn KLN được thải ra môi trường gây ra các
vấn đề về ô nhiễm môi trường đặc biệt là môi trường nước do không có hoặc
còn yếu kém chưa có đầy đủ công trình và thiết bị xử lý. Theo đánh giá của
một số các công trình nghiên cứu, hầu hết các sông, hồ ở hai thành phố lớn là
Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh và một số thành phố có các khu công nghiệp
lớn như Bình Dương nồng độ kim loại nặng của các sông ở các khu vực này
đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 3 đến 4 lần, có thể kể đến các sông ở Hà
Nội như sông Tô Lịch, sông Nhuệ (nơi tập trung nhiều nhà máy, khu công

5


nghiệp), ở thành phố Hồ Chí Minh là sông Sài Gòn và kênh Nhiêu Lộc, kênh
Sài Gòn,... [11,12] làm ảnh hưởng đến môi trường sống của các sinh vật thủy
sinh và sức khỏe con người.”
Ngoài ra khi xét mẫu nước lấy ở một số tỉnh thành của một số làng nghề
tái chế kim loại ở Việt Nam đem phân tích ta thu được số liệu như bảng 1.2
[13].
Bảng 1.2. Hàm lượng một số kim loại nặng trong nước thải của một số làng
nghề tái chế kim loại (mg/l)
STT

Nơi lấy mẫu

Cr2+

Fe

Pb2+

Cu2+

Zn2+

Al3+

1

Chỉ Đạo - Bắc Ninh

0,04

0,4

0,35

0,1

0,6

-

2

Vân Chàng - Nam Định

63

12

0,9

1,5

8,7

10,4

3

Phước Kiều - Quảng Ninh

0,2

7,6

0,6

1,5

1,8

2,1

4

Xuân Tiến - Nam Định

0,8

0,3

0,44

3,1

2,15

0,32

TCVN 5845 - 1995

1

5

0,1

3,25

2

-

Từ những thực trạng nghiên cứu về KLN mà chúng ta có thể thấy được
việc xử lý nước thải ngay tại các nhà máy, các khu công nghiệp là vô cùng
cần thiết để giảm thiểu ảnh hưởng của nó đến môi trường cũng như đối với
con người và động thực vật xung quanh.
1.1.4. Ảnh hưởng của kim loại nặng đối với con người và môi trường
“Một số kim loại nặng khi ở nồng độ vi lượng là các nguyên tố dinh
dưỡng cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người và động, thực
vật. Tuy nhiên nếu như nồng độ của chúng vượt quá hàm lượng cho phép thì
chúng lại gây ra các tác động hết sức nguy hại tới sức khỏe con người và môi
trường sống.”
“Các KLN khi xâm nhập vào cơ thể thông qua các chu trình thức ăn. Khi
đó, chúng sẽ tác động đến các quá trình sinh hóa làm thay đổi các quá trình,

6


sự phát triển không còn bình thường và trong nhiều trường hợp dẫn đến
những hậu quả nghiêm trọng về mặt sinh hóa. Theo một số nghiên cứu thì các
KLN có ái lực lớn với các nhóm - SH, - SCH3 của các nhóm enzyme trong cơ
thể. Chính vì vậy mà các enzyme bị mất hoạt tính, làm cản trở quá trình tổng
hợp protein của cơ thể [14].”
Lịch sử đã cho chúng ta thấy những thảm họa môi trường do sự ô nhiễm
môi trường gây ra đặc biệt là bởi KLN. Những thảm họa ấy đã để lại hậu quả
vô cùng nghiêm trọng đối với con người, sinh vật và môi trường xung quanh.
Ví dụ như ở Nhật Bản, một đất nước cũng đã phải gánh chịu hậu quả rất nặng
nề từ việc ô nhiễm môi trường KLN như là: Ở vùng Minatama (một thị trấn
nhỏ nằm ở ven biển Shirami) người dân ở nơi đây mắc một chứng bệnh lạ về
thần kinh. Và sau nhiều nghiên cứu thì nguyên nhân của bệnh này là do bị
nhiễm độc thủy ngân từ thực phẩm biển và do nhà máy hóa chất Chisso thải
ra (1953), hay như bệnh Itai Itai mà người dân sống ở lưu vực sông Tisu

(1912 - 1926) mắc phải nguyên nhân là do bị nhiễm độc Cd. Ngoài ra thì ở
Bangladesh người dân ở nơi đây cũng đang bị đe dọa bởi nguồn nước của họ
bị nhiễm arsenic nặng. Hay ô nhiễm ở sông The Severn Estuary là một trong
những con sông lớn nhất ở Anh là nơi ở và sinh sản của nhiều loài cá. Nhiều
thập kỉ qua, sông này đã phải hứng chịu nhiều ô nhiễm kim loại nặng như
plumbum, cadmium và nhiều nguyên tố khác từ nhiều nguồn khác nhau
(Owens, 1984 trích trong WHO, 1992). Những ảnh hưởng của ô nhiễm này có
thể là một trong những nguyên nhân gây suy giảm quần thể cá. Nhiều nghiên
cứu về ảnh hưởng ô nhiễm kim loại trong vùng phụ cận của nơi tinh luyện chì
lớn nhất thế giới tại Port Pirie nước Úc đã cho thấy rằng 20 loài cá và giáp
xác đã bị biến mất hoặc giảm số lượng (Ward & Young, 1982 trích trong
Bryan & Langston, 1992),…

7


1.1.5. Phương pháp xử lý KLN trong nước
“Trên thực tế đã có rất nhiều phương pháp để làm giảm hàm lượng các
kim loại trong nước thải, nước ngầm như: phương pháp hóa học, phương
pháp kết tủa, phương pháp điện hóa, phương pháp nhiệt, phương pháp trao
đổi, phương pháp sinh học. Tùy vào đặc điểm tính chất của từng kim loại và
hàm lượng mà chúng ta có thể được phép sử dụng, chúng ta sẽ có các phương
pháp xử lí làm giảm hàm lượng kim loại nặng khác nhau hoặc kết hợp các
phương pháp với nhau sao cho đạt hiệu quả cao nhất. Hiện nay phương pháp
sử dụng vật liệu PANi để hấp phụ KLN cũng đang được nghiên cứu ứng dụng
và quan tâm, phát triển. Phương pháp này cũng thu được nhiều kết quả cao
trong hấp phụ KLN.”
1.2. Ô nhiễm môi trường kim loại iron (sắt) hiện nay ở Việt Nam
Vấn đề ô nhiễm nguồn nước hiện nay đang là vấn đề cấp thiết và nhận
được nhiều quan tâm, gây nên bởi các tác nhân tự nhiên hoặc do hoạt động

của con người gây ảnh hưởng to lớn đến đời sống và sức khỏe của con người
cũng như môi trường xung quanh. Một trong các ô nhiễm thường gặp phải kể
đến đó là hiện trạng nước sông ngòi và nước giếng khoan bị nhiễm phèn iron
với hàm lượng iron trong nước vượt nhiều lần so với quy chuẩn hiện hành. Ô
nhiễm môi trường nước bởi iron tìm thấy ở rất nhiều nơi. Ví dụ như ở các khu
vực như Hà Đông, Thanh Trì, Hoài Đức với hàm lượng iron gấp từ 2-13 lần
so với quy chuẩn cho phép dành cho nước ăn uống và nước sinh hoạt. Theo
như kết quả xét nghiệm một số mẫu nước giếng khoan ở khu vực Ba La - Hà
Đông cho thấy hàm lượng iron vượt quá 10 lần so với quy chuẩn cho phép.
Với mẫu nước giếng ở Hoài Đức, hàm lượng iron gấp 7 lần so với quy chuẩn
cho phép và amoni gấp 2 lần. Đáng quan tâm nhất là nước giếng ở Thanh Trì
bởi nước ở đây có chất lượng kém nhất, không chỉ nhiễm iron với hàm lượng

8


gấp 13 lần mà chỉ tiêu amoni và nitrat cũng bị nhiễm với hàm lượng gấp 2
đến 3 lần cho phép [15].
a) Ảnh hưởng của nguồn nước bị nhiễm iron (sắt) đến sức khỏe và đời sống
sinh hoạt của con người
Iron hòa tan trong nước là iron II (Fe2+) sẽ gây cho nước có mùi tanh rất
khó chịu. Khi mà tiếp xúc với không khí thì iron II (Fe2+) sẽ chuyển hóa thành
iron III (Fe3+) kết tủa tạo màu đỏ nâu gây mất thẩm mĩ cho nước [16,17].
Trong nước sự có mặt của iron làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm
công nghiệp và sinh hoạt. Trong công nghiệp giấy sự có mặt của iron cũng sẽ
làm giảm chất lượng giấy. Trong công nghiệp dệt, iron ảnh hưởng đến khâu
nhuộm và ăn màu. Trong công nghiệp thực phẩm (bia, rượu, nước khoáng,
nước ngọt, …) gây ra màu, mùi lạ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm,
hương vị của sản phẩm. Trong sinh hoạt, sự có mặt của iron làm giảm tác
dụng của xà phòng, làm cho quần áo bị ố vàng, sàn nhà, dụng cụ bị ố màu nâu

đỏ.… và khi nước chảy qua đường ống, iron sẽ lắng cặn gây gỉ sét, tắc nghẽn
trong đường ống. Hơn nữa, khi trong nước uống nếu hàm lượng iron lớn có
thể gây ngộ độc. Chính vì thế chúng ta cần làm giảm hàm lượng của chúng
trong nước xuống dưới mức cho phép nhằm mang lại lợi ích cho con người
cũng như các sinh vật khác [16, 17].
b) Dấu hiệu nhận biết nước bị nhiễm iron (sắt)
- Màu sắc: Nước nhiễm iron thường trong, khi hứng trong vật chứa 1 thời
gian, lúc này iron tiếp xúc với không khí thì iron II (Fe2+) sẽ chuyển hóa thành
iron III (Fe3+) kết tủa tạo màu đỏ nâu.
- Mùi vị: Nước nhiễm iron có thành phần iron II (Fe2+) cao gây cho nước có
mùi tanh rất khó chịu.
- Có thể nhận biết nước có màu hay mùi, tuy nhiên không thể đánh giá nguồn
nước đang sử dụng có đạt chất lượng hay không với các thành phần cảm

9


quan, cần có kết quả xét nghiệm các chỉ tiêu trong nguồn nước, tùy vào mục
đích sử dụng để đánh giá nguồn nước đạt hay không đạt. Nước sử dụng cho
mục đích sinh hoạt đánh giá theo QCVN 02:2009/BYT; nước sử dụng cho
mục đích ăn uống đánh giá theo QCVN 01:2009/BYT [16,17].
c) Các biện pháp xử lí ô nhiễm môi trường kim loại iron (sắt) hiện nay
Một số phương pháp khử iron (sắt)
- Phương pháp làm thoáng: Sử dụng giàn mưa hay quạt gió.
- Khử bằng hóa chất như chloro, kali permanganate, vôi, trao đổi cation, điện
phân, dùng vi sinh vật, … [18]
- Sử dụng vật liệu học như cát đen, cát xanh mangan khử iron, hạt Birm, vật
liệu đa năng ODM - 2F, cát thạch anh, sỏi đỡ, than hoạt tính, … [18]
- Tùy theo quy mô và nồng độ iron mà chọn phương pháp loại bỏ phù hợp.
- Xử lí nước ngầm có hàm lượng iron cao (hàm lượng iron > 10mg/l) dùng

công nghệ xử lí kết hợp các phương pháp làm thoáng, lắng tiếp xúc và lọc
[18].
1.3. Tổng hợp và ứng dụng của PANi
1.3.1. Nghiên cứu tổng hợp PANi
“Trải qua rất nhiều năm nghiên cứu đã có nhiều báo cáo, bài báo khoa
học, nghiên cứu về vật liệu PANi. PANi là vật liệu dễ tổng hợp và khá thân
thiện với môi trường, chúng ta có thể tổng hợp PANi bằng 2 phương pháp
sau: Phương pháp điện hóa và Phương pháp hóa học.
Khi tổng hợp bằng phương pháp hóa học cho polymer ở dạng bột và
phương pháp điện hóa cho polymer ở dạng màng. Những polymer dẫn điện
thông dụng như polypyrrole (PPy), polyaniline (PANi) và polythiophene (PT)
thì có thể được tổng hợp bằng cả hai phương pháp điện hóa và hóa học [19].”

10


1.3.2. Phương pháp hóa học
“Phương pháp tổng hợp polymer hóa aniline theo con đường hóa học đã
được biết đến từ lâu. Nhưng cho đến khi phát hiện ra tính chất dẫn điện của
PANi thì việc nghiên cứu các phương pháp tổng hợp được quan tâm đến
nhiều hơn. Có thể như polymer hóa aniline trong môi trường axit để tạo thành
polyaniline có cấu tạo cơ bản như sau:”

Polyaniline (PANi)
“Nguyên tắc tổng hợp PANi theo phương pháp hoá học là sử dụng các
chất oxi hoá như (NH4)2S2O8, Na2S2O8, K2Cr2O7, KMnO4, FeCl3, H2O2...
trong môi trường acid. Thế oxi hoá ANi khoảng 0,7V. Chính vì vậy, chỉ cần
dùng các chất oxi hoá có thế oxi hoá trong khoảng này là có thể oxi hoá được
ANi. Các chất này vừa oxi hoá ANi, PANi, vừa đóng vai trò là chất doping
PANi. Trong các chất nói trên thì (NH4)2S2O8 được quan tâm nhiều hơn vì thế

oxi hoá - khử của nó cao, khoảng 2,01V và PANi tổng hợp bằng chất này có
khả năng dẫn điện cao. PANi được tổng hợp bằng (NH4)2S2O8 có thể thực
hiện trong môi trường acid như HCl, H2SO4 [19].”
“PANi được tổng hợp theo phương pháp hóa học từ aniline bằng cách sử
dụng ammonium persulfate và acid dodecylbenzenesulfonic như một chất oxi
hóa và dopant.”
Quá trình hóa học xảy ra như sau (hình 1.1):

11


Hình 1.1. Sơ đồ tổng hợp PANi từ ANi và (NH4)2S2O8
“PANi được tổng hợp theo phương pháp hóa học trên có những tính chất
như: có độ ổn định và giữ nhiệt tốt, có thể tan tốt trong các dung môi hữu cơ
như chloroform, m-cresol, dimethylformamide,…”
1.3.3. Phương pháp điện hóa
”Ngoài phương pháp tổng hợp hóa học thông thường, do có tính chất dẫn
điện nên các polymer dẫn điện còn được tổng hợp bằng phương pháp điện
hóa.”
”Nguyên tắc của phương pháp điện hóa là dùng dòng điện để tạo nên sự
phân cực với điện thế thích hợp, sao cho đủ năng lượng để oxi hóa monome
trên bề mặt điện cực, khơi mào cho polymer hóa điện hóa tạo màng dẫn điện
phủ trên bề mặt điện cực làm việc (WE). Điện cực làm việc có thể là Au, Pt,
thép CT3, thép 316L,... Đối với aniline, trước khi polymer hóa điện hóa,

12


aniline được hòa tan trong dung dịch acid như H2SO4, HCl, (COOH)2... Như
vậy, có thể tạo trực tiếp PANi lên mẫu kim loại cần bảo vệ; do đó việc chống

ăn mòn và bảo vệ kim loại bằng phương pháp điện hóa có ưu việt hơn cả. Do
thế oxi hoá của ANi khoảng 0,7V nên có thể sử dụng phương pháp phân cực
thế động trong khoảng thế từ -0,2 đến 1,2V bằng thiết bị điện hoá potentiostat
- là thiết bị tạo được điện thế hay dòng điện theo yêu cầu để áp lên hệ điện
cực, đồng thời cho phép ghi lại các tín hiệu phản hồi (áp dòng ghi lại điện thế
hoặc ngược lại). Từ các số liệu về thế hoặc dòng phân cực tạo ra từ máy
potentiostat và các số liệu phản hồi ghi được đồ thị thế - dòng hay ngược lại là
dòng - thế gọi là đường cong phân cực. Qua các đặc trưng của đường cong
phân cực có thể xác định được đặc điểm, tính chất điện hóa của hệ đó [19].”
Ưu điểm của phương pháp:
- Có thể kiểm soát và điều chỉnh được tốc độ phản ứng.
- Cho phép chế tạo được màng mỏng đồng thể, bám dính tốt trên bề mặt
mẫu.
”Việc tiến hành tổng hợp PANi bằng phương pháp điện hoá được tiến
hành trong môi trường axit thu được PANi dẫn điện tốt, hơn nữa aniline tạo
muối tan trong axit. Trong môi trường kiềm PANi không dẫn điện, sản phẩm
có khối lượng phân tử thấp.”
1.3.4. Ứng dụng của polyaniline trong xử lý ô nhiễm môi trường
”PANi được ứng dụng rất rộng rãi vì ưu điểm dễ tổng hợp và thân thiện
với môi trường của nó. Có thể kể đến một số ứng dụng như trong các ngành
điện tử, cảm biến sinh học và vật liệu nguồn điện hóa học. Ngoài ra PANi còn
được ứng dụng làm màng điện sắc do màu của nó thay đổi tuỳ thuộc vào phản
ứng oxi hoá-khử của màng, làm chỉ thị màu, ... đặc biệt là khả năng chống ăn
mòn và bảo vệ theo chiều cơ chế bổ sung cho nhau, có khả năng tạo màng lớp
lót trong thụ động bề mặt kim loại, tính ức chế thay thế cho các lớp chromate

13


độc hại [20]. Ngoài ra PANi còn được sử dụng là vật liệu để hấp phụ KLN

một cách hiệu quả.”
1.4. Bã chè và ứng dụng của bã chè
1.4.1. Giới thiệu về cây chè
Cây chè là một cây có giá trị kinh tế và được trồng phổ biến ở các vùng
đồi núi ở Việt Nam. Cây chè hay còn gọi là trà, tên khoa học là Camellia
sinensis O. Ktze, thuộc họ chè Theaceae. Nguồn gốc từ Trung Quốc, tại Việt
Nam chè được trồng nhiều ở các tỉnh Phú Thọ, Tuyên Quang, Hà Giang, Thái
Nguyên, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Đắc Lắc, Lâm Đồng, …
Chè được sử dụng phổ biến làm nước uống. Nước chè là đồ uống phổ
biến thứ hai trên thế giới. Nước chè được chế biến bằng cách ngâm lá, chồi
hay cành của cây chè vào nước sôi chừng vài phút là dùng được. Nước chè
thường có mùi thơm, vị hơi đắng và chát. Nó có nhiều tác dụng đối với sức
khỏe của con người. Chè được qua chế biến thường có nhiều tên gọi và được
phân thành nhiều loại chè khác nhau như: chè tươi, chè lá, chè búp, chè
cám,... Khi ướp các hương vị hoa được gọi là chè ướp hoa như chè sen (ướp
với hoa sen), chè nhài (ướp với hoa nhài),...
Chè đã được sản xuất ở gần 40 nước trên thế giới với diện tích lên đến
2,25 triệu ha, tập trung chủ yếu ở một số nước như:
Bảng 1.3. Diện tích trồng chè ở một số nước
Tên nước

Diện tích trồng (ha)

Trung Quốc

1,1 triệu

Ấn Độ

486 nghìn

Srilanca

190 nghìn

Thổ Nhĩ Kỳ

80 nghìn

Kenia

120 nghìn

14