Nghiên cứu khả năng hấp phụ ni (II) của than hoạt tính biến tính từ vỏ cà phê

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

NGUYỄN THỊ HẰNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
Ni(II) CỦA THAN HOẠT TÍNH BIẾN
TÍNH TỪ VỎ CÀ PHÊ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường

HÀ NỘI, 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

NGUYỄN THỊ HẰNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
Ni(II) CỦA THAN HOẠT TÍNH BIẾN
TÍNH TỪ VỎ CÀ PHÊ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường
Người hướng dẫn khoa học

Th.S ĐỖ THỦY TIÊN

HÀ NỘI, 2018

LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn tới ThS. Đỗ
Thủy Tiên - trường ĐH sư phạm Hà Nội 2 đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ
em hoàn thành bản khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Hóa
học đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập dưới
mái trường ĐH Sư phạm Hà Nội 2.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn tạo mọi
điều kiện, động viên, giúp đỡ em trong quá trình học tập.
Do điều kiện thời gian và trình độ còn hạn chế, nên bản thân khóa luận
này không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của
thầy, cô giáo cũng như toàn thể các bạn để khóa luận của em có thể hoàn
thiện hơn.
Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hằng


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bài khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu
thực sự của cá nhân em, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết,
nghiên cứu khảo sát thực nghiệm dưới sự hướng dẫn khoa học của ThS.Đỗ
Thủy Tiên.
Các số liệu và những kết quả đo được trong khóa luận là trung thực, do
cá nhân em tiến hành thí nghiệm.
Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hằng


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu viết tắt

Tên đầy đủ

AC

Than hoạt tính (Activated carbon)

IR

Phương pháp phổ hồng ngoại (Infrared (IR) spectroscopy)

SEM

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron
Microscope)

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

VLHP

Vật liệu hấp phụ

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 : Một số đặc điểm của nguyên tố niken ........................................... 3
Bảng 1.2 : Một số hằng số vật lí của Niken ................................................... 3
Bảng 1.3. Giá trị giới hạn nồng độ của ion kim loại Ni2+ trong nước thải
công nghiệp .................................................................................... 5
Bảng 1.4. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ .................................................. 9
Bảng 1.5. Sự khác nhau về thành phần trong vỏ cà phê trồng tại tỉnh Đắk
Lắk và tỉnh Điện Biên .................................................................. 13
Bảng 3.1. Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch Ni (II) với các
nồng độ khác nhau ........................................................................ 22
Bảng 3.2. Hiệu suất hấp phụ Ni (II) của các VLHP với nồng độ chất hoạt
hóa HNO3 khác nhau .................................................................... 23
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni
(II) của VLHP............................................................................... 27
Bảng 3.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian khuấy đến khả năng
hấp phụ Ni (II) .............................................................................. 28
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến khả
năng hấp phụ Ni (II) ..................................................................... 29
Bảng 3.6. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Ni (II) ban đầu đến
hiệu suất hấp phụ của VLHP ........................................................ 31
Bảng 3.7. Các thông số khảo sát sự hấp phụ Ni (II) của VLHP .................... 32
Bảng 3.8 . So sánh một số chất hấp phụ được sử dụng để loại bỏ các ion
Ni(II) trong nước .......................................................................... 34


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir............................................ 11
Hình 3.1. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Ni (II) ............................... 22
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt hóa HNO3

đến khả năng hấp phụ Ni (II) của VLHP ....................................... 23
Hình 3.3. Kết quả phân tích trên phổ hồng IR của than chưa biến tính ......... 24
Hình 3.4. Kết quả phân tích trên phổ hồng ngoại IR của than biến tính
bằng HNO3 ................................................................................... 25
Hình 3.5. Than chưa biến tính ...................................................................... 26
Hình 3.6. Than biến tính bằng HNO3............................................................ 26
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni
(II) của VLHP............................................................................... 27
Hình 3.8 . Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian khuấy đến khả năng
hấp phụ Ni(II) ............................................................................... 28
Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến khả
năng hấp phụ Ni (II) ..................................................................... 30
Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ đầu Ni (II) đến hiệu
suất hấp phụ của VLHP ................................................................ 31
Hình 3.11. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với
Ni(II) ............................................................................................ 33
Hình 3.12. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của VLHP đối với Ni (II) .......... 33


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................... 3
1.1. Giới thiệu về nguyên tố niken .............................................................. 3
1.1.1. Tính chất vật lý, hóa học của niken ............................................... 3
1.1.2. Công dụng của niken .................................................................... 4
1.1.3. Ảnh hưởng của niken .................................................................... 4
1.1.4. Các phương pháp xử lí kim loại nặng trong nước ......................... 5
1.2. Phương pháp hấp phụ .......................................................................... 6
1.2.1. Các khái niệm ............................................................................... 6
1.2.2. Cân bằng hấp phụ - các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ ........... 8

1.3. Giới thiệu vỏ cà phê........................................................................... 11
1.4. Than hoạt tính (AC) và cấu trúc bề mặt của AC ................................ 13
1.4.1. Giới thiệu về than hoạt tính ........................................................ 13
1.4.2. Các phương pháp sản xuất than hoạt tính................................... 13
1.4.3. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính ...................................... 15
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM .................................................................... 17
2.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 17
2.2. Hóa chất và dụng cụ .......................................................................... 17
2.2.1. Hóa chất ..................................................................................... 17
2.2.2. Thiết bị nghiên cứu và dụng cụ ................................................... 17
2.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 18
2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu..................................................... 18
2.3.2. Phương pháp phân tích ............................................................... 18
2.3.3. Phương pháp thực nghiệm .......................................................... 18
2.3.3.1. Xây dựng đường chuẩn Ni (II) .............................................. 18


2.3.3.2. Thực nghiệm chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ cà phê............... 19
2.3.3.3. Thực nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng
hấp phụ Ni(II) của VLHP................................................................... 20
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 22
3.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định Ni (II) ................................ 22
3.2. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ Ni (II) của các vật liệu hấp phụ .. 22
3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt hóa HNO3 đến khả năng
hấp phụ Ni(II)....................................................................................... 22
3.2.2. Kết quả đánh giá cấu trúc bề mặt của vật liệu hấp phụ............... 24
3.3. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Ni(II)
của VLHP................................................................................................. 26
3.3.1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni (II) của VLHP ...... 26
3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến khả năng hấp phụ Ni (II)

của VLHP ............................................................................................. 27
3.3.3. Ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến khả năng hấp phụ Ni (II).. 29
3.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ Ni (II) ban đầu đến khả năng hấp phụ
của VLHP ............................................................................................. 30
3.4. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ ................................................. 32
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 36


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp
MỞ ĐẦU
 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm kim loại nặng trên thế giới nói chung và ở
nước ta nói riêng đang ngày càng gia tăng cùng với sự phát triển của nhiều
ngành công nghiệp sản xuất, gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho môi
trường và con người. Trong số các kim loại nặng thì niken có độc tính cao.
Ngộ độc niken cũng như các hợp chất của nó sẽ gây đau đầu, tức ngực, ho,
khó thở, tổn thương tim mạch- hệ hô hấp, suy thận,…[8,13,15,18]. Vì vậy
việc loại bỏ thành phần kim loại nặng đặc biệt là Ni (II) ra khỏi nguồn nước
ngầm hay nước thải công nghiệp đang là một trong những vấn đề quan trọng
cần phải giải quyết hiện nay.
Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về phương pháp xử lý các
nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng như phương pháp kết tủa, trao đổi ion,
phương pháp sinh học, phương pháp hóa học ,…các phương pháp này thường
khá tốn kém hoặc có thể đưa vào môi trường những chất ô nhiễm khác. Trong
đó phương pháp hấp phụ có ưu điểm xử lý nhanh và cho kết quả rất khả thi
[12]. Than hoạt tính (AC) với khả năng hấp phụ lớn là vật liệu rất cần thiết

cho ứng dụng để thanh lọc trong các ngành công nghiệp khác nhau và trong
xử lý nước thải [1]. Tuy nhiên giá của các loại AC là rất đắt tiền do hầu hết
các sản phẩm AC có nguồn gốc chung từ các nguyên liệu tự nhiên tốn kém
như gỗ hoặc than. Do đó việc tận dụng phụ phẩm nông nghiệp như bã chè
[16], vỏ cà phê [29], bã mía [7], vỏ trấu [18] ,… đang được các nhà khoa học
quan tâm bởi tính kinh tế cũng như hiệu quả mà nó mang lại. Một trong các
nguồn phụ phẩm nông nghiệp có khối lượng lớn ở nước ta là vỏ cà phê với
thành phần chính là xenlulozo, hemixenlulozo, lignin rất thích hợp cho việc
nghiên cứu biến đổi tạo ra các vật liệu hấp phụ kim loại nặng trong nước
trong đó có niken.

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

1


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Từ những lý do trên, em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ
Ni (II) của than hoạt tính biến tính từ vỏ cà phê”.
 Mục đích nghiên cứu
Chế tạo được các loại than hoạt tính với chất hoạt hóa là HNO3 từ vỏ cà
phê với nồng độ chất hoạt hóa khác nhau. Sau đó, đánh giá khả năng hấp phụ
Ni (II) trong nước của các VLHP chế tạo được và khảo sát các yếu tố ảnh
hưởng tới quá trình hấp phụ Ni (II) của VLHP (pH, thời gian, khối lượng,…).
 Nội dung nghiên cứu
- Chế tạo các vật liệu hấp phụ từ vỏ cà phê.
- Đánh giá cấu trúc bề mặt của VLHP thông qua IR và SEM.

- Đánh giá khả năng hấp phụ Ni (II) của VLHP chế tạo được, khảo sát
các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ (pH, thời gian, khối lượng,…).
- Xác định dung lượng của VLHP.
 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Điều chế được VLHP từ vỏ cà phê để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ các
ion kim loại nặng, những ion kim loại gây ô nhiễm môi trường.
Về mặt kinh tế thì đây là phế liệu nông nghiệp sẵn có và tiềm năng ở
Việt Nam, là một dạng vật liệu hấp phụ đặc biệt và giá thành hợp lý, phù hợp
với điều kiện kinh tế của Việt Nam.

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

2


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về nguyên tố niken
1.1.1. Tính chất vật lý, hóa học của niken
 Tính chất vật lý

Trong vỏ trái đất niken chiếm khoảng 0,015 % (theo khối lượng). Niken
(Z = 28) thuộc nhóm VIIIB trong bảng tuần hoàn.
Bảng 1.1 : Một số đặc điểm của nguyên tố niken
STT

Cấu hình electron

Bán kính nguyên tử, AO

28

[Ar] 3d84s2

1,24

Niken là kim loại có ánh kim, màu trắng bạc, bề mặt bóng láng. Đặc tính
cơ học: cứng, dễ dát mỏng và dễ uốn, dễ kéo sợi. Trong thiên nhiên niken có
5 đồng vị bền: 58Ni (67,7%) ,60Ni ,61Ni ,62Ni ,64 Ni. Số oxi hóa phổ biến của
niken là + 2, mặc dù 0, +1, và +3 của phức niken cũng được quan sát.
Trong tự nhiên, niken xuất hiện ở dạng hợp chất với lưu huỳnh trong
khoáng chất millerit, với asen trong khoáng chất niccolit, và với asen cùng
lưu huỳnh trong quặng niken.
Bảng 1.2 : Một số hằng số vật lí của Niken [13]
Nhiệt độ nóng Nhiệt độ sôi,
chảy, oC
1453

Nhiệt thăng

Độ cứng

C

hoa, KJ/mol

(thang Moxơ)

3185

424

5

o

Độ dẫn điện
14

 Tính chất hóa học
Niken là kim loại có tính hoạt động trung bình, khả năng phản ứng kém
hơn sắt và coban. Ở điều kiện thường nếu không có hơi ẩm, nó không tác
dụng rõ rệt ngay với những nguyên tố không kim loại điển hình như O 2, S,
Cl2, Br2 vì có màng oxit bảo vệ. Khi đun nóng nó phản ứng mãnh liệt nhất là

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

3


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

khi niken được chia nhỏ. Niken tinh khiết bền với không khí và nước, người
ta dùng niken để mạ ngoài các đồ bằng kim loại.
1.1.2. Công dụng của Niken
Niken có nhiều tính năng đặc biệt. Niken cứng nhưng lại dẻo, dễ cán kéo

và rèn nên dễ gia công thành nhiều dạng khác nhau: tấm mỏng, băng, ống.
Những hợp kim của nó với một số kim loại khác dùng trong kỹ thuật lại là
những hợp kim rất cứng, vì vậy người ta thường đưa vào thép để tăng độ
cứng, độ bền nhiệt, chống ăn mòn cho các loại thép hợp kim đặc biệt [3].
Do tính chất khó bị oxi hóa nên niken được dùng trong công nghiệp mạ
để bảo vệ các kim loại dễ bị gỉ sét. Một số lượng lớn niken dùng để chế tạo ắc
quy kiềm có dung lượng cao và bền vững. Ngoài ra, hợp kim chứa 6%- 8%
niken (18%-20% crom) là thép không gỉ cao cấp, bền ăn mòn trong các môi
trường xâm thực mạnh. Vì vậy, chúng được dùng trong nhiều ngành công
nghiệp: chế tạo máy, hàng không, tên lửa, chế tạo ô tô, thiết bị y tế, xây
dựng,… Trong đời sống hàng ngày, hợp kim niken được dùng trong nhiều
làm dụng cụ gia đình, bộ đồ bếp.
1.1.3. Ảnh hưởng của Niken
Niken được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hóa chất, luyện
kim, xi mạ, điện tử, ... Niken vào cơ thể chủ yếu qua con đường hô hấp, nó
gây ra các triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đầu, nếu tiếp xúc nhiều sẽ ảnh
hưởng đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan, thận , còn nếu da tiếp xúc lâu
dài với niken sẽ gây hiện tượng viêm da, xuất hiện dị ứng,… [8,13,15,18].
Hợp chất nikencacbonyl có độc tính cao (hơn khí CO 100 lần). Những nghiên
cứu đã cho thấy độc tính đặc biệt cao của nikencacbonyl thể hiện dưới dạng
hạt nhỏ, mịn lắng đọng trong phổi. Ở điều kiện ẩm của dịch phổi gây kích ứng
sưng huyết và phù nề phổi.

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

4


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chứa niken (II) [1]. QCVN
40:2011/BTNMT quy định nồng độ của niken (II) trong nước thải công
nghiệp như sau:
Bảng 1.3. Giá trị giới hạn nồng độ của ion kim loại Ni2+
trong nước thải công nghiệp
Nguyên tố

Đơn vị

Niken

mg/l

Giá trị C
A

B

0,2

0,5

Trong đó:
Cột A quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công
nghiệp khi xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt;
Cột B quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công
nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt;
Mục đích sử dụng của nguồn tiếp nhận nước thải được xác định tại khu

vực tiếp nhận nước thải.
1.1.4. Các phương pháp xử lí kim loại nặng trong nước


Phương pháp sinh học:

- Hấp thụ sinh học
- Chuyển hóa sinh học
- Phương pháp bãi lau sậy
- Các quá trình sử dụng enzyme khác


Phương pháp kết tủa:

- Quá trình oxi hóa khử
- Quá trình kết tủa hiđroxit
- Quá trình kết tủa sunfit
- Quá trình photphat hóa

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

5


Khóa luận tốt nghiệp


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Quá trình điện hóa:

- Kết tủa điện hóa
- Thẩm tách điện hóa
- Đông tụ điện hóa
- Trao đổi ion điện hóa


Hấp phụ và trao đổi ion:

- Hấp phụ (vật lý, hóa học)
- Trao đổi ion


Phương pháp màng: thẩm thấu ngược và lọc Nano (10-9m),

- Vi lọc
- Quá trình màng lỏng


Ngoài ra, còn có các phương pháp như trích ly và phương pháp quang

hóa.
1.2. Phương pháp hấp phụ
1.2.1. Các khái niệm
 Hấp phụ
Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách các pha (khí - rắn,
lỏng - rắn, khí - lỏng, lỏng - lỏng). Trong đó, các cấu tử từ hỗn hợp lỏng hoặc
khí hấp phụ trên bề mặt chất rắn, xốp. 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; pha mang là hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ.

Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt. Ngược với sự hấp phụ là quá trình đi
ra khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực
tương tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta phân
biệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [2].
Hấp phụ vật lý

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

6


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander Walls giữa
phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba loại lực: cảm
ứng, định hướng, khuếch tán) liên kết này yếu dễ bị phá vỡ.
Hấp phụ hóa học
Hấp phụ hóa học được gây ra bởi lực liên kết hóa học ( liên kết cộng hóa
trị, lực ion, lực liên kết phối trí) giữa bề mặt chất hấp phụ và phần tử chất bị
hấp phụ, liên kết này bền, khó bị phá vỡ. Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ hóa
học thường lớn hơn 22 kcal/mol.
Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là
tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trường hợp tồn tại cả
quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá
trình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả
năng hấp phụ hóa học tăng lên [9], [11].
 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước [2]
Hấp phụ trong môi trường nước là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ít

nhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ.
Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và
có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị
hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn
thì hấp phụ xảy ra với cặp đó.
Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của
chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức
độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất
hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về
độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt
trên chất hấp phụ không phân cực và ngược lại. Hấp phụ trong môi trường
nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung dịch, độ xốp, sự phân bố lỗ
xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ.

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

7


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
Quá trình hấp phụ về cơ bản ảnh hưởng bởi các yếu tố sau: Khối lượng
phân tử, cấu trúc phân tử, loại và số lượng các nhóm chức, hàm lượng tro và
các hợp chất dễ bay hơi, diện tích bề mặt riêng, số lượng vi lỗ có trong vật
liệu, pH của môi trường hấp phụ và pH của vật liệu, liều lượng vật liệu hấp
phụ,thời gian hấp phụ, nồng độ chất hấp phụ.
1.2.2. Cân bằng hấp phụ - các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

 Cân bằng hấp phụ
Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp
phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược pha
mang (hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ). Theo thời gian, lượng chất bị hấp
phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở
lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ (quá trình
thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đạt
trạng thái cân bằng [9], [11].
- Dung lượng hấp phụ cân bằng: biểu thị khối lượng chất bị hấp phụ trên
một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác
định về nồng độ và nhiệt độ [11].
Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:
q=

(Co −Ccb )V
m

(1.1)

Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ (mg/g)
V: thể tích dung dịch (l)
m: khối lượng chất hấp phụ (g )
Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

8

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

- Dung lượng hấp phụ bão hòa: là dung lượng ở trạng thái cân bằng.
- Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ
dung dịch ban đầu.
H=

(Co −Ccb )
Co

× 100%

(1.2)

Trong đó:
H: hiệu suất hấp phụ (%)
Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l).
 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Bảng 1.4. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ
STT

Tên đường đẳng nhiệt
hấp phụ

1

Langmuir

2

Henry

3

Freundlich

4

Shlygin-Frumkin-Temkin

5

Brunauer-Emmett-Teller
(BET)

Phương trình
v
KL.p

v0 1  K L . p

Bản chất sự
hấp phụ
Vật lý và Hóa
học

Vật lý và Hóa

v  k. p

học
Vật lý và Hóa

v  k. p1 / n (n  1)

học

v
1
 ln C 0 . p
vm a

Hóa học

p
1 C  1 p


.
v.( p0  p) vm C vm C p0

Vật lý, nhiều
lớp

Trong các phương trình trên, v là thể tích chất bị hấp phụ, v 0 là thể tích
hấp phụ cực đại, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, p0 là áp suất hơi bão

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

9


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết trong cùng nhiệt độ. Các
ký hiệu KL, k, a, n là các hằng số.
Trong đề tài này, em nghiên cứu cân bằng hấp phụ của VLHP với ion
kim loại nặng Ni2+ trong môi trường nước theo mô hình đường đẳng nhiệt hấp
phụ Langmuir.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên các
giả thuyết:
- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.
- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
- Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên
các tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân
hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir nêu ở Bảng 1.4 được xây
dựng cho hệ hấp phụ rắn - khí. Tuy nhiên, phương trình trên cũng có thể áp
dụng cho hấp phụ trong môi trường nước. Khi đó phương trình Langmuir
được biểu diễn như sau:
q
qm

b.C

= θ = 1+b.Ccb

(1.3)

cb

Trong đó:
q, qm : dung lượng hấp phụ cân bằng, dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)
θ : độ che phủ
b : hằng số Langmuir
Ccb : nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng hấp phụ (mg/l)
Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:
- Trong vùng nồng độ nhỏ: b.Ccb << 1 thì q = 𝑞𝑚 . b. Ccb mô tả vùng hấp
phụ tuyến tính.

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

10


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

- Trong vùng nồng độ cao: b.Ccb >> 1 thì q = 𝑞𝑚 mô tả vùng hấp phụ
bão hòa.
Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳng
nhiệt biểu diễn là một đoạn cong. Để xác định các hằng số trong phương trình
đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, đưa phương trình (1.3) về dạng phương trình

đường thẳng:
Ccb
1
1

 .Ccb
q
b.qm qm

(1.4)

Ccb
vào C cb sẽ xác định được các hằng
q
số KL, qm trong phương trình. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng
Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của

như Hình 1.1 và Hình 1.2.

Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir

tg 

1
1
 qm 
qm
tg

Hình 1.2. Sự phụ thuộc của
𝑪𝒄𝒃
𝒒

vào Ccb

ON 

1
qm .K L

1.3. Giới thiệu vỏ cà phê
Hiện nay, cà phê đang là mặt hàng nông sản đạt giá trị xuất khẩu lớn
nhất của nước ta. Nó đã được trồng rộng rãi ở các tỉnh Điện Biên, Sơn La,
Quảng Trị, Bình Phước, Đồng Nai, Bà Rịa Vũng Tàu và 5 tỉnh Tây nguyên.

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

11


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Tổng diện tích cà phê cả nước là 614,545 ha, trong đó Tây Nguyên chiếm tỷ
lệ khoảng 92% (Cục Trồng trọt, 2012). Đắk Lắk là tỉnh có diện tích trồng cà
phê lớn nhất cả nước. Theo báo cáo của Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông
thôn tỉnh Đắk Lắk, sản lượng cà phê thành phẩm thu được hàng năm khoảng
là 460,000 tấn, với tỷ lệ vỏ cà phê chiếm 40% thì hàng năm sẽ thải ra gần

200,000 tấn vỏ khô cà phê [14]. Sau mỗi vụ thu hoạch, phơi khô, các nông hộ
tập trung xay xát vất vỏ cà phê bừa bãi ra ven đường, gò đồi, hoặc chất thành
đống đốt gây ô nhiễm môi trường xung quanh. Chính vì vậy việc tận dụng vỏ
cà phê để chế tạo AC là một hướng nghiên cứu mới có nhiều triển vọng về
mặt kinh tế cũng như ứng dụng cải thiện môi trường.
Thành phần chính của vỏ cà phê là Gluxit gồm xenlulozo,
hemixenlulozo, lignin và một số hợp chất khác. Sự kết hợp giữa xenlulozo và
hemixenlulozo có chứa nhiều nhóm –OH, thuận lợi cho khả năng hấp phụ
thông qua liên kết hidro.
Xenlulozo là polisaccarit cao phân tử do các mắt xích 𝛽-glucozơ
[C6H7O2(OH)3]n liên kết với nhau bằng liên kết 𝛽-1,4-glucozit. Phân tử khối
của xenlulozo rất lớn khoảng từ 100000-250000 đ.v.c.
Hemixenlulozo là polisaccarat giống như xenlulozo nhưng có số mắt
xích nhỏ hơn và thường bao gồm nhiều loại mắt xích có chứa nhóm axetyl và
metyl.
Lignin là hợp chất cao phân tử, là loại polime được tạo bởi các mắt xích
phenylpropan. Lignin giữ vai trò kết nối giữa xenlulozo và hemixenlulozo,
làm tăng độ bền cơ học của tế bào, tăng khả năng chống thấm nước, ngăn độc
tố và các vi sinh vật bên ngoài.

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

12


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Bảng 1.5. Sự khác nhau về thành phần trong vỏ cà phê trồng

tại tỉnh Đắk Lắk và tỉnh Điện Biên [10]
STT Thành phần vỏ cà phê

Trồng tại Đắk Lắk

Trồng tại Điện Biên

1

% hemixenlulozo

13,06

9,187

2

% lignin

19,182

19,58

3

% xenlulozo

67,758

61,473

1.4. Than hoạt tính (AC) và cấu trúc bề mặt của AC
1.4.1. Giới thiệu về than hoạt tính
AC là một dạng của cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc rất
xốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn.
Cacbon là thành phần chủ yếu của AC với hàm lượng khoảng 85-95%.
Bên cạnh đó AC còn chứa các nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh và
oxi. Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu
hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trình khác.
Thành phần các nguyên tố trong AC thường là 88% C, 0,5% H, 6-7% O, 0,5%
N, 1% S. Tuy nhiên hàm lượng oxy trong AC có thể thay đổi từ 1-20% phụ
thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế. AC thường có diện tích
bề mặt nằm trong khoảng 800 đến 1500m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0,2- 0,6cm3/g
[19]. Diện tích bề mặt AC chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2nm.
1.4.2. Các phương pháp sản xuất than hoạt tính
AC chủ yếu được điều chế bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô chứa
cacbon ở nhiệt độ nhỏ hơn 10000C. Điều chế than hoạt tính gồm 2 quá trình:
than hóa và hoạt hóa. Than hóa là giai đoạn chuyển hóa nguyên liệu về dạng
than, làm tăng hàm lượng cacbon và tạo bề mặt xốp ban đầu. Hoạt hóa (vật lý,
hóa học) với mục đích phát triển lỗ xốp, tăng diện tích bề mặt của than. Hoạt hóa
là giai đoạn khó thực hiện hơn và là giai đoạn quyết định chất lượng sản phẩm.

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

13


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

 Quá trình than hóa
Quá trình than hóa là dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu, đưa nó về
dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp ban
đầu cho than, chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình hoạt hóa than. Quá
trình than hóa có thể xảy ra trong pha rắn, lỏng và khí [25].
 Quá trình hoạt hóa
Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon dưới tác dụng
của nhiệt và tác nhân hoạt hóa, tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có
kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt [28].
Mục đích của giai đoạn hoạt hóa là phát triển mạnh bề mặt riêng của than thu
được sau giai đoạn than hóa. Quá trình hoạt hóa được chia làm hoạt hóa vật lý
và hoạt hóa hóa học.
Hoạt hóa vật lý: sử dụng tác nhân nhiệt độ để thay đổi cấu trúc bề
mặt của than (có thể sử dụng hơi nước hoặc khí CO2 làm tác nhân hoạt hóa).
Hoạt hóa hóa học : dựa vào phản ứng hóa học của chất hoạt hóa với
bề mặt than để thay đổi cấu trúc bề mặt than. Dưới sự có mặt của các chất
hoạt hóa xảy ra phản ứng ăn mòn bề mặt than, kết quả làm tăng cấu trúc xốp
của bề mặt than. Phương pháp này thường dùng các hợp chất dễ phân hủy
như: HNO3, H3PO4, KOH, NaOH,… tẩm hoặc trộn với than và gia nhiệt đến
nhiệt độ phân hủy. Axit nitric làm cho gỗ nở ra và mở cấu trúc xenlulozo của
gỗ. Kết quả là than xốp hơn và chứa đầy axit nitric.
Tất cả các nguyên liệu chứa cacbon đều có thể chuyển thành than hoạt
tính, tất nhiên sản phẩm thu được sẽ có sự khác nhau phụ thuộc vào bản chất
của nguyên liệu được sử dụng, bản chất của tác nhân hoạt hóa và điều kiện
hoạt hóa. Trong quá trình hoạt hóa hầu hết các nguyên tố khác trong nguyên
liệu tạo thành sản phẩm khí và bay hơi bởi nhiệt phân hủy nguyên liệu ban
đầu. Các nguyên tử cacbon sẽ nhóm lại với nhau thành các lớp thơm liên kết

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

14


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

với nhau một cách ngẫu nhiên. Sự sắp xếp của các lớp thơm này không tuân
theo qui luật do đó để lại các chỗ trống giữa các lớp. Các chỗ trống này tăng
lên thành lỗ xốp làm than hoạt tính thành chất hấp phụ tuyệt vời.
1.4.3. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính [19]
AC với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết ngang
bền giữa chúng, làm cho AC có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển. Quá trình
hoạt hóa làm tăng thể tích và làm rộng đường kính lỗ. Cấu trúc lỗ và sự phân
bố cấu trúc lỗ của chúng được quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu ban
đầu và phương pháp than hóa. Sự hoạt hóa cũng loại bỏ cacbon không phải
trong cấu trúc, làm lộ ra các tinh thể dưới sự hoạt động của các tác nhân hoạt
hóa và cho phép phát triển cấu trúc vi lỗ xốp. Trong pha sau cùng của phản
ứng, sự mở rộng của các lỗ tồn tại và sự tạo thành các lỗ lớn bằng sự đốt cháy
các vách ngăn giữa các lỗ cạnh nhau được diễn ra. Điều này làm cho các lỗ
trống có chức năng vận chuyển và các lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thể
tích vi lỗ.
Theo Dubinin và Zaveria, AC vi lỗ xốp được tạo ra khi mức độ đốt cháy
(burn-off) nhỏ hơn 50% và AC lỗ macro khi mức độ đốt cháy là lớn hơn 75%.
Khi mức độ đốt cháy trong khoảng 50-75% sản phẩm có hỗn hợp cấu trúc lỗ
xốp chứa tất cả các loại lỗ.
AC có lỗ xốp từ 1 nm đến vài nghìn nm. Dubinin đề xuất một cách phân
loại lỗ xốp đã được IUPAC chấp nhận. Sự phân loại này dựa trên chiều rộng
của chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnh

hoặc bán kính của lỗ dạng ống. Các lỗ được chia thành 3 nhóm: lỗ nhỏ, lỗ
trung và lỗ lớn.
- Lỗ nhỏ (Micropores): có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng
nhỏ hơn 2nm. Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích
lỗ, và không xảy ra sự ngưng tụ mao quản. Năng lượng hấp phụ trong các lỗ

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

15


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

này lớn hơn rất nhiều so với lỗ trung hay bề mặt không xốp vì sự nhân đôi của
lực hấp phụ từ các vách đối diện nhau của vi lỗ. Nói chung chúng có thể tích
lỗ từ 0,15-0,7cm3/g. Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện
tích bề mặt của than hoạt tính.
- Lỗ trung (Mesopore) hay còn gọi là lỗ vận chuyển có bán kính hiệu
dụng từ 2-50nm, thể tích của chúng thường từ 0,1-0,2cm3/g. Diện tích bề mặt
của lỗ này chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than. Các lỗ này
đặc trưng bằng sự ngưng tụ mao quản của chất hấp phụ với sự tạo thành mặt
khum của chất lỏng bị hấp phụ.
- Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ
của than hoạt tính bởi vì chúng có diện tích bề mặt rất nhỏ và không vượt quá
0,5m2/g, với thể tích lỗ từ 0,2-0,4cm3/g. Chúng hoạt động như một kênh cho
chất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung. Các lỗ lớn không được lấp đầy
bằng sự ngưng tụ mao quản. Do đó, cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính có ba
loại bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn. Mỗi nhóm này thể hiện một vai trò

nhất định trong quá trình hấp phụ. Lỗ nhỏ chiếm diện tích bề mặt và thể tích
lớn do đó đóng góp lớn vào khả năng hấp phụ của than hoạt tính, miễn là kích
thước phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn để đi vào lỗ nhỏ. Lỗ nhỏ
được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối thấp trước khi bắt đầu ngưng tụ mao
quản. Mặt khác, lỗ trung được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối cao với sự xảy
ra ngưng tụ mao quản. Lỗ lớn có thể cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyển
nhanh tới lỗ nhỏ hơn.

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học

16