Động học quá trình hấp phụ fe3+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
===o0o===

NGUYỄN THỊ NHUNG

ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ Fe3+
TRÊN VẬT LIỆU HẤP THU
TỔNG HỢP TỪ BÃ CHÈ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa lý

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
===o0o===

NGUYỄN THỊ NHUNG

ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ Fe3+
TRÊN VẬT LIỆU HẤP THU
TỔNG HỢP TỪ BÃ CHÈ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa lý
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

ThS. TRẦN QUANG THIỆN

HÀ NỘI - 2018

LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy ThS. Trần Quang Thiện trong
suốt thời gian vừa qua đã hướng dẫn tận tình giúp đỡ em hoàn thành tốt bài
khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm
khoa Hóa học trường đại học sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện cơ sở vật
chất giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường.
Em muốn tỏ lòng biết ơn đến gia đình, anh chị em và người thân đã
luôn tin tưởng động viên và tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để em hoàn
thành tốt khóa luận này.
Trong quá trình thực hiện khoá luận mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng
chắc chắn không thể tránh được những thiếu sót. Vì vậy em rất mong nhận
được góp ý của thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày...tháng 5 năm 2018
Sinh viên

Nguyễn Thị Nhung


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu...................................................................................... 1
3. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2
5. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 2

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn....................................................................... 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 3
1.1 Bã chè .......................................................................................................... 3
1.1.1 Tổng quan bã chè ..................................................................................... 3
1.1.2 Thành phần hóa học của lá chè ................................................................ 3
1.2 Polyaniline (PANi) ...................................................................................... 4
1.2.1 Cấu trúc phân tử PANi ............................................................................. 4
1.2.2 Phương pháp tổng hợp PANi ................................................................... 5
1.2.3 Một số ứng dụng ...................................................................................... 6
1.3 Tình hình ô nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam ............................................ 7
1.4 Hấp phụ ....................................................................................................... 8
1.4.1 Khái niệm ................................................................................................. 8
1.4.3 Hiệu suất hấp phụ (H) .............................................................................. 9
1.4.4 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt ............................................................. 9
1.4.4.1 Khái niệm .............................................................................................. 9
1.4.4.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich...................................... 10
1.4.4.3 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ....................................... 12
1.5 Động học hấp phụ ..................................................................................... 14
CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 16
2.1 Thực nghiệm ............................................................................................. 16
2.1.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị thí nghiệm ................................................... 16
2.1.1.1 Hóa chất............................................................................................... 16
2.1.1.2 Dụng cụ ............................................................................................... 16


2.2 Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 17
2.2.1 Phương pháp phổ hồng ngoại IR ........................................................... 17
2.2.2 Phương pháp soi kính hiển vi quét SEM ............................................... 17
2.2.3 Phương pháp đo phổ hấp thụ AAS ........................................................ 18
2.2.3.1 Nguyên tắc của phương pháp .............................................................. 18

2.2.3.2. Phương trình cơ bản của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử ................. 19
2.2.3.3 Ưu, nhược điểm của pương pháp ........................................................ 20
2.3 Tổng hợp vật liệu hấp thu ......................................................................... 21
2.3.1 Xử lý bã chè trước khi tổng hợp ............................................................ 21
2.3.2 Tổng hợp vật liệu hấp thu ...................................................................... 21
2.3.3. Khả năng hấp phụ của các vật liệu đối với ion Fe3+ ............................. 23
2.3.3.1 Khảo sát sự ảnh hưởng thời gian khi hấp phụ ion kim loại nặng bằng
vật liệu tổng hợp .............................................................................................. 23
2.3.3.2 Khảo sát sự biến đổi nồng độ ion kim loại nặng khi hấp phụ bằng vật
liệu tổng hợp.................................................................................................... 23
2.3.3.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của pH khi hấp phụ ion kim loại nặng bằng vật
liệu tổng hợp.................................................................................................... 23
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 24
3.1 Tổng hợp vật liệu ...................................................................................... 24
3.1.1 Phổ hồng ngoại IR .................................................................................. 24
3.1.2 Kết quả phân tích SEM .......................................................................... 25
3.2 Khả năng xử lý ion kim loại nặng ............................................................. 26
3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian ........................................................................ 26
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu, C0 .................................................... 28
3.2.3. Ảnh hưởng của pH ................................................................................ 29
3.3. Nghiên cứu mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ................................ 30
KẾT LUẬN .................................................................................................... 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 34


DANH MỤC VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Tên tiếng Việt

AAS

Phương pháp phổ hấp thụ nguyên
tử

Atomic Absorption
Spectrometric

Phương pháp phổ hồng ngoại IR

Infrared

IR

Tên tiếng Anh

spectroscopy

SEM

Phương pháp kính hiển vi điện tử
quét

Scanning Electron
Microscop

ANi

Anilin

Aniline

PANi

Polyanilin

Polyaniline

BC
PANi - BC
PPNN

Bã chè
Polyanilin - bã chè
Phụ phẩm nông nghiệp


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Tên hình

Trang

Hình 1.1.

Cấu trúc phân tử PANi

4

Hình 1.2

Đồ thị sự phụ thuộc của lgq vào lg C

11

Hình 1.3

Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

13

Hình 1.4

Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C

13

Hình 1.5

Đồ thị sự phụ thuộc của lg(qe - qt) vào t

15

Hình 3.1

Phổ hồng ngoại của vật liệu: PANi, BC, PANi - BC

24

Hình 3.2

Phổ SEM của các mẫu PANi, BC, PANi - BC

25

Hình 3.3a Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ ion
Fe3+ của các vật liệu.
Hình 3.3b Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ ion Fe3+
của các vật liệu.

26
27

Hình 3.4

Ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ hấp phụ ion Fe3+
của các vật liệu

Hình 3.5

Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu đến nồng độ cân bằng
và hiệu suất của vật liệu

28

Hình 3.6

Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu đến dung lượng hấp
phụ của vật liệu

29

Hình 3.7

Ảnh hưởng của pH đến nồng độ cân bằng và dung
lượng hấp phụ của vật liệu

29

Hình 3.8

Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ của vật
liệu.

30

Hình 3.9

Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

31

Hình 3.10 Mối quan hệ giữa tham số RL với nồng độ chất bị hấp
thu ban đầu (C0) của ion Fe3+

27

32

DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Một số dạng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt

10

Bảng 1.2

Mối tương quan của RL và dạng mô hình

14

Bảng 3.1

Giá trị số sóng của các mẫu: PANi, BC, PANi - BC

25

Bảng 3.2

Các thông số của mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
của vật liệu hấp thu PANi - BC đối với ion Fe3+

32

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của con người. Nó chi
phối đến mọi hoạt động sống của chúng ta. Không những vậy, nước còn là
nơi sinh sống của hàng nghìn loài sinh vật khác trong tự nhiên. Tuy nhiên do
sự bùng nổ mạnh về dân số cùng với tốc độ công nghiệp hóa - hiện đại hóa,
kéo theo sự phát triển của các ngành công nghiệp như hóa chất, luyện kim,
khai thác khoáng sản… khiến cho nguồn nước sinh hoạt đang bị ô nhiễm trầm
trọng. Theo nghiên cứu hiện nay, chỉ số hàm lượng các kim loại nặng có trong
nước đang ở mức báo động của quy định cho phép. Những kim loại này khi
thải ra sẽ thâm nhập vào môi trường đất nước, không khí…
Con người tiếp xúc trực tiếp với kim loại nặng ở nhiều dạng thức khác
nhau. Các kim loại nặng tồn tại trong tự nhiên và có xu hướng tích tụ trong
các hệ thống sinh học. Sắt là một trong số các kim loại cần thiết cho sự sống,
tuy nhiên hàm lượng sắt nếu vượt mức quy định cho phép 0,5mg/l sẽ khiến
cho nước thường có mùi tanh khó chịu, chứa nhiều cặn bẩn màu vàng (kết tủa
hydroxit sắt (III)), màu đục, gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng của cuộc sống.
Đã có nhiều phương pháp được sử dụng để tách các ion kim loại nặng
ra khỏi môi trường như: Phương pháp lý học (phương pháp làm thoáng,…),
phương pháp hóa học, phương pháp sinh học, phương pháp hóa lý (phương
pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion,…) trong đó phương pháp hấp phụ là
một phương pháp được sử dụng phổ biến bởi nhiều ưu điểm so với phương
pháp khác.
Trong những năm trở lại đây, sử dụng polyanilin kết hợp với các phụ
phẩm nông nghiệp tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ ion kim loại Fe3+. Theo
hướng này sẽ giúp tiết kiệm về mặt kinh tế và hiệu quả mà nó đem lại.
Vì những lý do trên em lựa trọn đề tài: “Động học quá trình hấp phụ
Fe3+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè”.
2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Fe3+ và đánh giá khả
năng xử lý ion kim loại Fe3+ của vật liệu hấp phụ.

1


3. Nội dung nghiên cứu
- Tổng hợp vật liệu hấp phụ từ polyanilin và phụ phẩm nông nghiệp bã
chè.
- Đánh giá khả năng hấp phụ ion Fe3+ của vật liệu hấp thu điều chế từ
bã chè.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) xác định được vị trí của vân phổ.
- Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) xác định hình dạng, cấu
trúc bề mặt vật liệu.
- Phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) xác định hàm lượng
các ion nguyên tử trước và sau khi hấp phụ.
5. Đối tƣợng nghiên cứu
- Vật liệu hấp phụ.
- Ion kim loại nặng.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp thu:
nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ, thời gian hấp phụ, môi trường pH.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Tổng hợp được vật liệu PANi, PANi -BC hấp phụ ion kim loại nặng
Fe trong nước thải với nguồn nguyên liệu tổng hợp có sẵn, phong phú, vật
liệu thân thiện với môi trường.
3+

2

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Bã chè
1.1.1 Tổng quan bã chè
Cây chè là cây công nghiệp dài ngày có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới và
á nhiệt đới, là cây trồng xuất hiện từ lâu đời, được trồng khá phổ biến trên thế
giới. Đặc biệt là một số quốc gia khu vực Châu Á như Việt Nam, Trung
Quốc, Nhật Bản. Việt Nam là một nước có điều kiện tự nhiên thích hợp cho
cây chè phát triển. Chè có lịch sử phát triển trên 4000 năm, cây chè ở Việt
Nam cho năng suất, sản lượng tương đối ổn định và có giá trị kinh tế. Tạo
nhiều việc làm cũng như thu nhập cho người lao động, đặc biệt là các tỉnh
trung du và miền núi. Với ưu thế là một cây công nghiệp dễ khai thác nguồn
sản phẩm đang có nhu cầu lớn về suất khẩu cũng như tiêu dùng trong nước,
cây chè được coi là cây trồng mũi nhọn, một thế mạnh của khu vực trung du
và miền núi.
Uống trà là một thói quen bình dị và dân dã trong đời sống hàng ngày,
có nhiều lợi ích cho sức khỏe như: chống lạnh, khắc phục sự mệt mỏi của cơ
thể, kích thích hoạt động của hệ thần kinh, hệ tiêu hóa, phòng chống bệnh tim
mạch và chữa được một số bệnh đường ruột. Đặc biệt chất Tanin trong chè có
khả năng hút chất phóng xạ do đó nó có khả năng chống được một số bệnh do
các chất phóng xạ gây ra.
1.1.2 Thành phần hóa học của lá chè
Nước là một hợp chất không thể thiếu trong thành phần cấu tạo của tất
cả các loài sinh vật. Trong lá chè, nước chiếm 75 - 82%.
Aminoaxit chiếm 50% thành phần cấu tạo của lá chè, aminoaxit là hợp
chất hữu cơ kết hợp với nhau dưới dạng chuỗi để tạo thành protein. Protein trong
thành phần hóa học của lá chè có tên gọi là theanine, chất này có vai trò quyết
định hương vị của lá chè. Sự chuyển hóa 36% aminoaxit trong quá trình quang
hợp tạo ra flavonoid (polyphenol) là chất có vai trò chống oxi hóa, các hợp chất
flavonoid có trong lá chè đó là: catechin (C), epicatechin (EC), epigallocatechin

gallate (EGCG)….

3


Enzyme là chất xúc tác sinh học có vai trò làm tăng cường độ phản ứng
hóa học, trong chè có 2 loại enzyme là: polyphenol oxidase và peroxidase.
Carbonhydrate hay còn gọi là tinh bột chiếm 25% thành phần cấu tạo
của lá chè. Thành phần carbonhydate của lá chè gồm: xenlulozo,
hexmixenlulozo, lignin và một số chất khác. Sự kết hợp giữa xenlulozo và
hexmixenlulozo được gọi là holoxenlulozo có chứa nhiều nhóm - OH, thuận
lợi khả năng hấp phụ thông qua liên kết hidro.
Ngoài ra còn có một số chất chứa hàm lượng nhỏ có trong lá chè như:
các vitamin (A, B2, C,…), các chất khoáng (flo, asen, niken, iot…) [7, 17].
Với một lượng lớn, sản lượng chè được sản xuất và tiêu thụ trên thị
trường hiện nay, nếu tận dụng được nguồn phế thải là bã chè để tổng hợp lên
vật liệu hấp phụ PANi - BC, hấp phụ kim loại nặng sẽ có ý nghĩa khoa học rất
lớn về nhiều mặt, vừa tận dụng được phế thải, vừa giải quyết được vấn đề bảo
vệ môi trường.
1.2 Polyanilin (PANi)
1.2.1 Cấu trúc phân tử PANi
PANi là sản phẩm cộng hợp của nhiều phân tử anilin trong điều kiện có
mặt tác nhân oxi hóa làm xúc tác. Dạng tổng quát của PANi gồm 2 nhóm cấu
trúc a và b như sau:
H
N
H

N

N

a

N

b

Hình 1.1. Cấu trúc phân tử PANi
Các giá trị a và b thay đổi: a, b = 0,1,2,3… ở mỗi giá trị a và b sẽ cho
một màu sắc đặc trưng.
PANi tồn tại ở ba trạng thái oxi hóa khác nhau: Leucomeraldin,
emeraldin và pernigranilin. Các trạng thái này có thể chuyển hóa thuận nghịch
lẫn nhau khi môi trường pH thay đổi [11].

4


1.2.2 Phƣơng pháp tổng hợp PANi
PANi được tổng hợp bằng các phương pháp điện hóa khác nhau như:
quét thế tuần hoàn, phương dòng xung, phương pháp thế tĩnh và phương pháp
dòng tĩnh [3], ngoài ra để tổng hợp ra một lượng lớn PANi người ta sẽ sử
dụng phương pháp hóa học [11,16].
 Phương pháp điện hóa
Nguyên tắc: Dùng dòng điện để tạo nên sự phân cực với điện thế thích
hợp để oxi hóa ANi trên bề mặt điện cực.
Quá trình điện hóa kết tủa polyme bao gồm cả giai đoạn khơi mào và
giai đoạn phát triển mạch xảy ra trên bề mặt điện cực. Các giá trị thông số đặc
biệt của quá trình điện hóa ta có thể điều chỉnh được để thu được sản phẩm
polyme có tính chất cơ lý, điện, quang tốt.

Để tổng hợp PANi người ta thường dùng các phương pháp điện hóa
như: quét thế tuần hoàn, xung dòng, xung thế, dòng tĩnh, thế tĩnh.
Cho đến nay cơ chế tổng hợp PANi nói riêng và vật liệu polyme dẫn
nói chung chưa được lý giải một cách thuyết phục. Tuy nhiên tổng thể cơ chế
polyme hóa điện hóa PANi được mô tả gồm các giai đoạn chính như sau:
Khuếch tán và hấp phụ ANi
 Oxi hóa ANi,
 Hình thành polymer trên bề mặt điện cực,
 Ổn định màng polyme,
 Oxi hóa khử bản thân màng PANi,
Theo cơ chế tổng hợp trên có sự xuất hiện của hai giai đoạn là: giai
đoạn khuếch tán và giai đoạn hấp phụ liên quan trực tiếp đến phản ứng tổng
hợp PANi, 2 giai đoạn này phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ monome. Giai
đoạn oxi hóa ANi phụ thuộc vào sự phân cực điện hóa.
Tốc độ và hiệu suất polyme hóa bị ảnh hưởng trực tiếp bởi 2 yếu tố là
nồng độ monome và mật độ dòng. Ngoài hai yếu tố kể trên tính chất sản phẩm
polyme còn phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ, dung dịch điện ly, pH, vật liệu
làm điện cực nghiên cứu.

5


 Phương pháp hóa học
Nguyên tắc: Sử dụng các chất oxi hóa để oxi hóa ANi trong môi trường axit.
Để tổng hợp một lượng lớn PANi, người ta sử dụng phương pháp hóa
học, PANi tạo thành ở dạng bột.
Trong phương pháp này PANi được tổng hợp bằng cách sử dụng các
chất oxi hóa như amonipesunfat (NH4)2S2O8. Bởi (NH4)2S2O8 tạo được
polyme có khối lượng phân tử cao và độ dẫn tối ưu hơn so với các chất oxi
hóa khác.

Môi trường axit là: H2SO4, H3PO4, HCl…hay môi trường có hoạt chất
oxi hóa như các tetrafluaroborat khác nhau (NaBF4, NO2BF4, Et4NBF4 ). Do
tính chất thủy phân yếu của các cation nên anion sẽ thủy phân tạo ra HBF4 đóng vai trò như một tác nhân proton hóa rất hiệu quả, được sử dụng để làm
tăng độ dẫn polyme.
Quá trình tạo PANi bắt đầu cùng với quá trình tạo gốc cation anilinium,
đây là giai đoạn quyết định tốc độ của quá trình. Hai gốc cation kết hợp lại để
tạo ra N - phenyl - 1,4 - phenylendiamine hoặc gốc không mang điện sẽ kết
hợp với gốc cation anilinium tạo thành dạng trime, trime này dễ dàng bị oxi
hóa thành một gốc cation mới và lại dễ dàng kết hợp với một gốc cation
anilinium khác để tạo thành dạng tetrame. Chuỗi phản ứng tiếp tục xảy ra liên
tiếp cho đến khi tạo ra polyme có khối lượng phân tử lớn. Bản chất của phản
ứng polyme hóa này là tự xúc tác [7].
1.2.3 Một số ứng dụng
Ngày nay, PANi được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác
nhau như: bảo vệ ăn mòn kim loại, vật liệu nguồn điện, tế bào quang điện,
vật liệu tàng hình, sensor, linh kiện điện tử, xử lý môi trường…[1].
Do tính chất dẫn điện nên nó được thay thế bởi một số vật liệu truyền
thống đắt tiền và hiếm như: silic, gecman. Nhờ tính chất bán dẫn mà người ta
có thể sử dụng vào việc chế tạo các thiết bị điện, điện tử: đi ốt, tranzito, linh
kiện bộ nhớ, tế bào vi điện tử… Ngoải ra nó còn có khả năng tích trữ năng
lượng nên có thể sử dụng làm hai bản của điện cực, tụ điện.

6


Màng PANi có thể tồn tại ở các trạng thái oxi hóa khử khác nhau tương
ứng với các màu sắc khác nhau tùy thuộc pH của dung dịch điện ly và thế đặt
vào. Nhờ tính chất này PANi phủ lên vật liệu vô cơ như: nhôm, sắt,
platin…để tạo ra linh kiện hiển thị điện sắc gồm hai điện cực, ví dụ: chế tạo
màn hình tinh thể lỏng [11]

PANi có ứng dụng rộng rãi trong việc bảo vệ kim loại, do khả năng
bám dính cao, có thế điện dương nên màng PANi có khả năng chống ăn mòn
cao, có triển vọng khả quan thay thế một số màng phủ gây độc hại, ô nhiễm
môi trường.
Ngoài ra, do PANi có khả năng hấp phụ kim loại nặng nên người ta có
thể dùng nó để hấp phụ các ion kim loại nặng có trong nước thải công nghiệp
cũng như nước thải dân dụng để tăng quá trình hấp phụ và làm giảm giá thành
sản phẩm người ta phủ lên các chất phụ phẩm nông nghiệp một lớp màng
PANi mỏng (rễ kiếm, rẻ tiền) như: sơ dừa, vỏ lạc, bã chè, bã cà phê…[2,7].
1.3 Tình hình ô nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam
Ngày nay, khi xã hội phát triển kéo theo sự phát triển không ngừng nghỉ
của các khu công nghiệp, các nhà máy xí nghiệp, các cơ sở hóa chất. Mỗi ngày
đào thải ra môi trường hàng tấn các chất thải gây ô nhiễm môi trường trầm
trọng, ảnh hưởng tới chất lượng cuộc sống của con người và sinh vật.
Khi các kim loại nặng xâm nhập vào môi trường sẽ làm biến đổi điều
kiện sống, tồn tại của sinh vật sống trong môi trường đó. Kim loại nặng gây
độc hại tới môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá
tiêu chuẩn cho phép.
Một số kim loại nặng (Pb, Mn, Cd, Fe, Pb, Hg…) đi vào nước từ nguồn
nước thải sinh hoạt hoặc nước thải công nghiệp. Các kim loại nặng trong môi
trường pH khác nhau, chúng sẽ tồn tại những dạng khác nhau gây ô nhiễm nước.
Sắt là một nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể, tuy nhiên nước có
hàm lượng sắt cao hơn 0,5mg/l thường có mùi tanh khó chịu, chứa nhiều cặn
bẩn màu vàng (kết tủa sắt (III) hydroxit), nước thường đục, gây ảnh hưởng
xấu tới chất lượng nước ăn uống, sinh hoạt, sản xuất: làm ố vàng quần áo khi
giặt, làm hỏng sản phẩm của các ngành dệt, giấy, phim ảnh, đồ hộp…các cặn
7


sắt kết tủa có thể làm tắc hoặc làm giảm khả năng vận chuyển của các ống

dẫn nước [21].
Tiêu chuẩn cho phép của WHO nồng độ sắt trong nước không được
vượt quá 0.5 mg/l.
1.4 Hấp phụ
1.4.1 Khái niệm
Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách pha (khí - rắn,
lỏng - rắn, khí - lỏng, lỏng - lỏng). Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ
gọi là chất hấp phụ, còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là
chất bị hấp phụ [9].
Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp
phụ, người ta chia làm 2 loại hấp phụ: Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
Hấp phụ vật lý: được gây ra bởi lực VanderWaals yếu, có bản chất vật
lý và ở đó không xảy ra phản ứng hóa học. Hấp phụ vật lý là tổng hợp của
nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng.
Trong hấp phụ vật lý chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia
pha và bị giữ lại ở đó mà không có sự hình thành liên kết hóa học. Nhiệt hấp
phụ vật lý thường không lớn, xảy ra nhanh, nhiệt độ thấp, không đòi hỏi sự
hoạt hóa phân tử, ít phụ thuộc vào bản chất hóa học của bề mặt [7].
Hấp phụ hóa học: xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa
học với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên
kết hóa học thông thường (liên kết ion, cộng hóa trị, liên kết phối trí…). Hấp
phụ hóa học thường xảy ra ở nhiệt độ cao với tốc độ hấp phụ chậm và thường
kèm theo sự hoạt hóa phân tử bị hấp phụ nên còn được gọi là hấp phụ hoạt
hóa. Hấp phụ hóa học là giai đoạn đầu của phản ứng xúc tác dị thể [7].
1.4.2 Dung lƣợng hấp phụ (q)
Dung lượng hấp phụ là lượng chất bị hấp phụ (độ hấp phụ) bởi 1 gam
chất hấp phụ rắn được tính theo công thức [7].

q

 Co  C V
m
8

(1.1)


Trong đó
q: dung lượng hấp phụ (mg/g),
Co: nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ (mg/l),
C: nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/l),
V: thể tích dung dịch (l),
m: khối lượng chất hấp phụ (g),
1.4.3 Hiệu suất hấp phụ (H)
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ (C) và
nồng độ dung dịch ban dầu(Co), được tính bởi [7]:

H

(Co  C )
.100 (1.2)
C

1.4.4 Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt
1.4.4.1 Khái niệm
Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ
là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ:
q = f (T, P hoặc C)
Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn q = f (T) (P hoặc C)
được gọi là đường hấp phụ đẳng nhiệt. Đường hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn

sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng
hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định [6].
Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì
đường hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình hấp phụ đẳng
nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir,…Một số đường hấp phụ đẳng nhiệt thông
dụng được nêu ở bảng 1.1.

9


Bảng 1.1. Một số dạng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt[6]
Đƣờng hấp phụ

Bản chất

Phƣơng trình

đẳng nhiệt

của sự hấp phụ

Henry

q=K.P

Vật lý và hóa học

Freundlich

q = K . C , (n >1)

Vật lý và hóa học

Langmuir

q=

Brunauer - Emmett
- Teller (BET)

K L .C
q
=
q m 1+ K L .C

P
1
C 1 1
=
+
.
V(P0  P) Vm .C Vm .C P0

Vật lý và hóa học

Vật lý, nhiều lớp

Trong các phương trình trên ta có:
V: thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l),
Vm: thể tích dung dịch chất bị hấp phụ cực đại (l),

P: áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí (atm),
P0: áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết
ở cùng nhiệt độ (atm),
C: nồng độ chất bị hấp phụ (mg/l),
K: hằng số Freundlich,
KL: hằng số Langmuir,
1.4.4.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich là phương trình thực
nghiệm mô tả sự hấp phụ khí hoặc chất tan lên vật hấp phụ rắn trong phạm vi
một lớp [7,11].
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich có dạng:
1/ n
q  K F .Ccb
(1.3)

10


Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g),
KF: hằng số hấp phụ Freundlich,
Ccb: nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân
bằng (mg/l),
n: hằng số (n > 1),
Khi giá trị C = 1, KF = q

Hình 1.2. Đồ thị sự phụ thuộc của lgq vào lg C
Đối với sự hấp phụ khí hoặc hơi thì 1/n = 0,2 ÷ 1 khi phương trình
Freundlich áp dụng tốt cho vùng áp suất và nồng độ trung bình.
KF và n có thể xác định bằng phương pháp đồ thị nhờ logarit hóa

1
lg q  lg K F  .lg C (1.4)
n
Giá trị KF và n được tính theo giản đồ sự phụ thuộc giữa lnq và ln C
(hoặc log q và log C) như hình 1.2 bằng phương pháp hồi quy tuyến tính từ
các số liệu thực nghiệm.
OM  lg KF ;

11

tg  =

1
q max


1.4.4.3 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Khi thiết lập phương trình hấp phụ, Langmuir đã đưa ra các giả thiết sau:
 Những tiểu phân bị hấp phụ liên kết với những trung tâm hấp phụ xác
định trên bề mặt chất hấp phụ,
 Một tâm hấp phụ có thể liên kết với một và chỉ một tiểu phân bị hấp phụ,
 Các tiểu phân bị hấp phụ không tương tác lẫn nhau,
 Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là, năng lượng hấp phụ trên tất
cả các trung tâm là như nhau [7]
Trong pha lỏng, phương trình Langmuir có dạng

q  qmax

K L .C

1  K LC (1.5)

Trong đó:
q: là dung lượng hấp phụ (mg/g),
qmax: là dung lượng hấp phụ tối đa của chất hấp phụ (mg/g),
KL: là hằng số (cân bằng) hấp phụ langmuir,
C: nồng độ dung dịch hấp phụ(mg/l),
Phương trình (1.5) có thể viết dưới dạng:

q  qmax

C
1
C
KL

 qmax

C
a  C (1.6)

+ Nếu C << a tức nồng độ C rất nhỏ thì (1.6) có thể viết: q = q max

C
,
a

nghĩa là đại lượng q tỉ lệ bậc nhất vào C. Đường biểu diễn q - C là một đường
thẳng đi qua gốc tọa độ.
+ Nếu C >> a thì (1.6) chuyển thành: q = qmax, nghĩa là đại lượng hấp

phụ là một hằng số. Khi đó, đường biểu diễn ở vùng nồng độ lớn là một
đường thẳng song song. Ở vùng nồng độ trung gian, đường biểu diễn là một
đoạn đường cong. Để xác định phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir,
người ta chuyển phương trình (1.6) về dạng tuyến tính sau:

12


C
1
1


.C (1.7)
q K L .qmax qmax
Trong đó 1/KL được thay thế bằng a - là một giá trị hằng số.

Hình 1.3. Đường hấp phụ đẳng
nhiệt Langmuir

Hình 1.4. Đồ thị sự phụ
thuộc của C/q vào C

Từ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của C/q vào C ta sẽ tính được giá trị
KL và qmax:

1
;
q max .K L

OM =

KL 

tg  =

1
q max

1
C
.qmax  C
q

Từ giá trị KL có thể xác định được tham số cân bằng RL:

RL 
Trong đó

1
1  C0 .K L

RL: tham số cân bằng,
C0: nồng độ ban đầu (mg/l),
KL: hằng số Langmuir (l/mg),

13


Mối tương quan giữa các giá trị của KL và các dạng của mô hình hấp

phụ đẳng nhiệt Langmuir thực nghiệm được thể hiện trong bảng 1.2.
Phương trình Langmuir xác định được dung lượng hấp phụ cực đại và
mối tương quan giữa quá trình hấp phụ và giải hấp phụ thông qua hằng số
Langmuir KL, sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm, do vậy đây là cơ sở
để lựa chọn chất hấp phụ thích hợp cho hệ hấp phụ [5,6].
Bảng 1.2. Mối tương quan của RL và dạng mô hình
Giá trị RL

Kiểu mô hình

RL > 1

Không phù hợp

RL = 1

Tuyến tính

0 < RL < 1

Phù hợp

RL = 0

Không thuận nghịch

1.5. Động học hấp phụ
Đối với hệ hấp phụ lỏng - rắn, động học hấp phụ xảy ra theo một loạt
các giai đoạn kế tiếp nhau:
- Chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai

đoạn khuếch tán trong dung dịch.
- Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp
phụ chứa các hệ mao quản là giai đoạn khuếch tán màng.
- Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp
phụ là giai đoạn khuếch tán trong mao quản.
- Các phân tử chất bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ (giai
đoạn hấp phụ thực sự). Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ
chậm nhất sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình động học
hấp phụ. Với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá trình khuếch tán thường
chậm và đóng vai trò quyết định. Tốc độ của một quá trình hấp phụ được xác

14


định bởi sự thay đổi nồng độ của chất bị hấp phụ theo thời gian. Vận dụng mô
hình động học hấp phụ bậc 1 để giải thích cơ chế hấp phụ.
* Mô hình động học hấp phụ bậc 1
Theo mô hình này, tốc độ của quá trình hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào
dung lượng chất hấp phụ.

dq t
= k1 (q e  q t )
dt

(1.8)

Trong đó:
qe, qt: là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và tại thời điểm t (mg/g),
k1: là hằng số tốc độ phản ứng theo mô hình động học bậc 1 (thời gian 1),

Hình 1.5 Đồ thị sự phụ thuộc của lg(qe - qt) vào t
Áp dụng điều kiện biên tại thời điểm t = 0, q0 = 0 và t = t, qt = qt,
phương trình (1.8) trở thành:

lg(qe  qt )  lg qe 

k1.t
(1.9)
2,303

Phương trình (1.9) có dạng tuyến tính bậc nhất.
Từ (1.9) ta xác định được qe và hằng số
K1.tg  

K1
(1.10)
2,303

OM = lg qe

15


CHƢƠNG 2
THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Thực nghiệm
2.1.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị thí nghiệm
2.1.1.1 Hóa chất
- Dung dịch sunfuric đặc H2SO4 98% (d = 1,174g/ml) do Trung Quốc

sản xuất.
- Dung dịch Clohidric HCl 36,5% do Trung Quốc sản xuất.
- Aniline C6H5NH2 99,99% (d = 1,023 g/ml) do Trung Quốc sản xuất.
- Tinh thể Amonium persunfate màu trắng do Merk - Đức sản xuất.
- Tinh thể NaOH 99,99% do Trung Quốc sản xuất.
- Ion Fe3+ do Trung Quốc sản xuất.
- Axeton do Trung Quốc sản xuất.
- Methanol do Trung Quốc sản xuất.
2.1.1.2 Dụng cụ
- Bình định mức 1000ml, 500ml, 100ml.
- Bình tam giác 250ml.
- Cốc thủy tinh 1000ml, 250ml.
- Pipet có vạch chia 5, 10, 20ml.
- Phễu thủy tinh, thìa thủy tinh, giấy lọc.
- Cối, chày.
- Giấy bạc, bông, màng bọc thực phẩm.
- Xilanh.
- Rây.
- Các khay lọ đựng sản phẩm.

16


2.1.1.3 Thiết bị
- Tủ sấy Shellab (Mỹ).
- Máy hút chân không SPT (Ý).
- Cân phân tích PA214 (Mỹ).
- Máy khuấy từ IKA (Đức).
- Thiết bị chụp ảnh SEM thực hiện trên máy PE - SEM Hitachi S 4800 (Nhật) (Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam).

- Thiết bị đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS (Viện Kỹ thuật Nhiệt đới).
- Thiết bị đo phổ hồng ngoại IR (Viện Kỹ thuật Nhiệt đới).
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR
Quang phổ hồng ngoại (gọi tắt là quang phổ IR) là quang phổ được
thực hiện ở vùng hồng ngoại của phổ bức xạ điện từ, ánh sáng vùng này có
bước sóng dài hơn và tần số thấp hơn so với vùng ánh sáng nhìn thấy.
Quang phổ hồng ngoại được sử dụng trong công tác xác định và nghiên
cứu các cấu trúc phân tử của chất nghiên cứu từ các tần số của vân phổ thu
được.
Nguyên tắc: phương pháp phổ hồng ngoại IR dựa trên sự tương tác của
các bức xạ điện từ từ miền hồng ngoại (400-4000 cm-1) với các phân tử cần
nghiên cứu. Kết quả là có sự hấp phụ năng lượng liên quan chặt chẽ đến cấu
trúc của các phân tử [3,4].
2.2.2 Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét SEM
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM được dùng để xác định
hình thái và cấu trúc bề mặt của vật liệu nghiên cứu [9,19].
Nguyên lý của SEM: kính hiển vi điện tử quét (SEM) quét bề mặt mẫu bằng
một chùm điện tử hội tụ cao trong chân không, thu thập thông tin từ mẫu phát ra, tái
tạo thành một hình ảnh lớn hơn của bề mặt mẫu và hiển thị lên màn hình.

17