Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía (2018)

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

LÊ THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI
TRONG NƢỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA

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

HÀ NỘI, 2018


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

LÊ THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI
TRONG NƢỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA

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

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:

ThS. ĐỖ THỦY TIÊN

HÀ NỘI, 2018


LỜI CẢM ƠN
Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa hoá học
đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập dƣới mái
trƣờng ĐH sƣ phạm Hà Nội 2, đặc biệt là sự giúp đỡ của Ths. Đỗ Thuỷ Tiên.
Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn Ths. Đỗ Thủy
Tiên ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, dìu dắt, và chỉ bảo những kiến thức
chuyên môn thiết thực và những chỉ dẫn khoa học quý báu, giúp đỡ em hoàn
thành bài khóa luận tốt nghiệp này.
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 đƣợc sự góp ý của
thầy, cô giáo cũng nhƣ toàn thể các bạn để khóa luận của em có thể hoàn
thiện hơn.
Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Lê Thị Vân


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bài khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu
thực sự của cá nhân em, đƣợc thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết,
nghiên cứu khảo sát thực nghiệm dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của ThS. Đỗ
Thuỷ Tiên.
Các số liệu và những kết quả đo đƣợc trong khóa luận là trung thực, do
cá nhân em tiến hành thí nghiệm.

Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Lê Thị Vân


DANH MỤC VIẾT TẮT
Ký hiệu viết tắt

Tên đầy đủ

VLHP

Vật liệu hấp phụ

SEM

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

UV - Vis

Máy đo quang phổ (Ultraviolet Visble)


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................... 3
1.1. Ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm ........................................................ 3
1.1.1. Giới thiệu vài nét về nước ngầm ở Việt Nam ................................. 3

1.1.2. Ô nhiễm amoni trong nước ngầm.................................................. 3
1.1.3. Tác hại các nguồn nước nhiễm amoni........................................... 4
1.2. Các phƣơng pháp xử lý ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm .................... 6
1.2.1. Một số phương pháp xử lý amoni .................................................. 6
1.2.2. Phương pháp hấp phụ ................................................................. 10
1.2.3. Các đại lượng đánh giá hệ hấp phụ ............................................ 14
1.3. Một số hƣớng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm
VLHP ....................................................................................................... 16
1.4. Giới thiệu về nguyên liệu bã mía. ...................................................... 17
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .................................................................... 20
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ........................................................................ 20
2.2. Dụng cụ và hóa chất .......................................................................... 20
2.2.1. Dụng cụ ..................................................................................... 20
2.2.2. Hóa chất ..................................................................................... 20
2.3. Phƣơng pháp nghiêm cứu .................................................................. 21
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu ................................................ 21
2.3.2. Phương pháp phân tích ............................................................... 21
2.3.3. Phương pháp thực nghiệm .......................................................... 21
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 26
3.1. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn xác định amoni ................................ 26


3.2. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu hấp
phụ từ bã mía ............................................................................................ 27
3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ amoni của
vật liệu hấp phụ từ bã mía......................................................................... 28
3.3.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni ............................. 28
3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất xử lý amoni ......... 29
3.3.3. Ảnh hưởng của liều lượng của VLHP đến hiệu suất xử lý
amoni ................................................................................................... 31

3.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ amoni đến hiệu suất xử lý amoni ........... 32
3.4. Xây dựng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ ................................................. 33
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 39


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Thành phần hoá học của bã mía ................................................... 18
Bảng 2.1. Các thiết bị chính đƣợc sử dụng trong khoá luận .......................... 20
Bảng 3.1. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn amoni theo phƣơng pháp
nessler .......................................................................................... 26
Bảng 3.2. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ amoni của các loại vật
liệu ............................................................................................... 27
Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni .............................. 28
Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của thời gian khuấy đến hiệu suất xử lý amoni .......... 30
Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của liều lƣợng VLHP đến hiệu suất xử lý amoni ........ 31
Bảng 3.6. Ảnh hƣởng của nồng độ amoni đến hiệu suất xử lý amoni ........... 32
Bảng 3.7. Các thông số khảo sát sự hấp phụ amoni của VLHP ..................... 34
Bảng 3.8. So sánh khả năng hấp phụ amoni của VLHP từ bã mía với các
VLHP khác ................................................................................... 35


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir............................................ 16
Hình 1.2. Sự phụ thuộc của

vào Ccb ................................................... 16

Hình 3.1. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ amoni ......................................... 26

Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ của các VLHP từ bã mía ........ 27
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni ..... 29
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của thời gian khuấy đến hiệu suất
hấp phụ amoni .............................................................................. 30
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của liều lƣợng VLHP đến hiệu suất
xử lý amoni ................................................................................... 31
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của nồng độ amoni đến hiệu suất
xử lý amoni ................................................................................... 33
Hình 3.7. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir............................................ 34
Hình 3.8. Đồ thị biểu biễn sự phụ thuộc của Ccb/q và Ccb ........................... 34
Hình 3.9. Ảnh SEM của nguyên liệu ............................................................ 36
Hình 3.10. Ảnh SEM của VLHP .................................................................. 36


Trường ĐHSP Hà Nội 2

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

Chất lƣợng nƣớc có vai trò hết sức quan trọng trong sự nghiệp bảo vệ và
chăm sóc sức khoẻ cộng đồng. Các nguồn nƣớc đƣợc sử dụng chủ yếu là
nƣớc mặt và nƣớc ngầm đã qua xử lý hoặc sử dụng trực tiếp. Phần lớn chúng
đều bị ô nhiễm bởi các tạp chất với thành phần và mức độ khác nhau tuỳ
thuộc vào điều kiện địa lý, đặc thù sản xuất, sinh hoạt của từng vùng và phụ
thuộc vào địa hình mà nó chảy qua hay vị trí tích tụ. Ngày nay, với sự phát
triển của nền công nghiệp, quá trình đô thị hoá và bùng nổ dân số đã làm cho
nguồn nƣớc tự nhiên ngày ngày càng cạn kiệt và ngày càng ô nhiễm.
Hoạt động nông nghiệp gắn liền với các loại phân bón trên diện rộng,
các loại nƣớc thải nông nghiệp, sinh hoạt giàu hợp chất nitơ thải vào môi

trƣờng làm cho nƣớc ngầm ngày càng bị ô nhiễm các hợp chất nitơ mà chủ
yếu là amoni.
Amoni không gây độc trực tiếp cho con ngƣời nhƣng sản phẩm chuyển
hoá từ amoni là nitrit và nitrat là yếu tố gây độc. Các hợp chất nitrit và nitrat
hình thành do quá trình oxi hoá của vi sinh vật trong quá trình xử lý, tàng trữ
và chuyển tải nƣớc đến ngƣời tiêu dùng. Vì vậy việc xử lý amoni trong nƣớc
là đối tƣợng rất đáng quan tâm.
Hiện nay, phƣơng pháp hấp phụ để xử lý amoni bằng việc tận dụng
nguồn nguyên liệu là các phế thải trong quá trình sản xuất nông nghiệp đang
cho thấy là giải pháp đem lại nhiều ƣu điểm nhất nhƣ không đƣa vào nguồn
nƣớc các hóa chất độc hại, xử lý hiệu quả amoni và nguyên liệu em dùng để
sản xuất vật liệu hấp phụ ở đây là bã mía có giá thành rẻ, dễ kiếm.
Với các lý do trên em đã chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ
amoni trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía”.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

1


Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

 Mục đích nghiên cứu
Khoá luận đƣợc thực hiện nhằm chế tạo ra các vật liệu hấp phụ từ bã mía
bằng các phƣơng pháp khác nhau. Sau đó sử dụng vật liệu hấp phụ đã chế tạo
để xử lý amoni trong nƣớc.
 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo các vật liệu hấp phụ từ bã mía.

- Đánh giá khả năng hấp phụ amoni của các VLHP chế tạo từ bã mía.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng (pH, thời gian, liều lƣợng, nồng độ) tới
khả năng hấp phụ amoni của vật liệu hấp phụ đã chọn.
- Đánh giá cấu trúc bề mặt của VLHP.
 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu.
- Phƣơng pháp phân tích:
+ Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM).
+ Phƣơng pháp quang phổ UV-Vis.
- Phƣơng pháp thực nghiệm.
 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Điều chế đƣợc VLHP từ bã mía để ứng dụng làm vật hấp phụ các ion
kim loại, các chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trƣờng.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

2


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm
1.1.1. Giới thiệu vài nét về nước ngầm ở Việt Nam
Ở Việt Nam, nƣớc ngầm là một hợp phần quan trọng của tài nguyên
nƣớc, là ngồn cung cấp nƣớc rất quan trọng cho sinh hoạt, nông nghiệp và
công nghiệp. Nƣớc ngầm tồn tại trong các lỗ hổng và các khe nứt của đất đá,
đƣợc tạo thành trong giai đoạn trầm tích hoặc do sự thẩm thấu của nguồn

nƣớc mặt, nƣớc mƣa... Nƣớc ngầm có thể tồn tại cách mặt đất vài mét, vài
chục mét, hay hàng trăm mét. Hiện nay nguồn nƣớc ngầm chiếm 35-50% tổng
lƣợng nƣớc cấp cho sinh hoạt ở các đô thị trên toàn quốc [1],[5].
Các nguồn nƣớc ngầm hầu nhƣ không chứa rong tảo, một trong những
nguyên nhân gây ô nhiễm nƣớc. Thành phần đáng quan tâm trong nƣớc ngầm
là các tạp chất hòa tan do ảnh hƣởng của điều kiện địa tầng, thời tiết, các quá
trình phong hóa, sinh hóa trong khu vực. Ở những vùng có điều kiện phong
hóa tốt, có nhiều chất bẩn và lƣợng mƣa lớn thì chất lƣợng nƣớc ngầm dễ bị ô
nhiễm bởi các chất khoáng hòa tan, các chất hữu cơ và mùn lâu ngày theo
nƣớc mƣa ngấm vào đất. Ngoài ra, nƣớc ngầm cũng có thể bị ảnh hƣởng do
tác động của con ngƣời. Các chất thải của con ngƣời và động vật, chất thải
sinh hoạt, chất thải hóa học, công nghiệp và việc sử dụng phân bón hóa học
theo thời gian sẽ ngấm vào nguồn nƣớc, tích tụ dần và làm ô nhiễm nguồn
nƣớc ngầm.
1.1.2. Ô nhiễm amoni trong nước ngầm.
 Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Việt Nam
Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm amoni và các chất hữu
cơ trong nƣớc ngầm nhƣng một trong những nguyên nhân chính là do việc sử
dụng quá mức lƣợng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hoá chất bảo vệ thực vật

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

3


Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

đã gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến nguồn nƣớc, hoặc do quá trình phân huỷ

các hợp chất hữu cơ và các chất trên càng làm đẩy nhanh quá trình nhiễm
amoni trong nƣớc ngầm. Ngoài ra mức độ ô nhiễm còn phụ thuộc vào loại
hình canh tác của từng khu vực nhƣ: [2].
Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng.
Do sự tồn tại của nguồn ô nhiễm nằm ở phía trên mặt đất.
Do độ dốc thuỷ lực lớn.
* Vài nét về ô nhiễm nước ngầm tại Hà Nội:
Hà Nội do nền kinh tế phát triển lại là trung tâm của đất nƣớc nên dân số
tập trung rất đông, vì vậy khiến cho lƣợng nƣớc dùng cho sinh hoạt và sản
xuất tăng nhanh đó là lý do khiến nguồn nƣớc ngầm nơi đây ngày càng cạn
kiệt, bên cạnh đó nguồn nƣớc thải công nghiệp, sinh hoạt thải ra môi trƣờng
đất, nƣớc làm nguồn nƣớc ngầm ngày càng ô nhiễm. Theo nghiên cứu của
nhiều nhà khoa học cho biết, nguồn nƣớc ngầm tự nhiên ở Hà Nội hiện có
hàm lƣợng asen, amoni trong nƣớc khá cao. Điểm đáng báo động hiện nay là
việc nƣớc nhiễm amoni, với hàm lƣợng cho phép là dƣới 1.5 mg/l nhƣng
nhiều khu vực ở Hà Nội có mức nhiễm amoni nặng, cao hơn 20-30 lần mức
cho phép, nhƣ ở khu vực Hạ Đình, Pháp Vân, Linh Đàm, khu vực Cầu
Giấy,… và đang lan rộng trên toàn thành phố. Đáng nguy hại hơn là mức độ
ô nhiễm đang tăng dần theo thời gian [5].
1.1.3. Tác hại các nguồn nước nhiễm amoni
* Tác hại đối với môi trường:
Nƣớc thải chứa nhiều amoni nếu không đƣợc xử lý trƣớc khi thải vào
môi trƣờng sẽ gây ra những ảnh hƣởng sau:
- Gây hiện tƣợng phú dƣỡng trong hệ sinh thái.
- Làm cạn kiệt lƣợng oxi hoà tan trong nƣớc.
- Gây độc với hệ sinh vật nƣớc.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

4

Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Hiện tƣợng phú dƣỡng trong nƣớc là do dƣ thừa chất dinh dƣỡng dẫn
đến sự phát triển bùng nổ của các loại tảo và vi sinh vật. Khi đó, mật độ thuỷ
sinh trong hồ rất dày đặc, làm cho nƣớc có độ màu, độ đục cao. Ngoài ra khi
một lƣợng lớn tảo chết đi sẽ cần lƣợng oxi lớn tƣớng ứng để phân huỷ dẫn
đến hàm lƣợng oxi hoà tan trong nƣớc bị cạn kiệt, làm chết đi các sinh vật
sống trong nƣớc.
Amoni là nguồn dinh dƣỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật phát triển
trong đƣờng ống gây ăn mòn, rò rỉ và mất mỹ quan [1].
* Tác hại đối với sức khoẻ con người.
Amoni không gây ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khoẻ con ngƣời, nhƣng
trong quá trình khai thác, lƣu trữ và xử lý... amoni đƣợc chuyển hoá thành
nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại, vì nó có thể
chuyển hoá thành nitrosamin có khả năng gây ung thƣ cho con ngƣời. Chính
vì vậy quy định nồng độ nitrit cho phép trong nƣớc sinh hoạt là khá thấp.
Nhƣ vậy ở trong nƣớc ngầm, amoni không thể chuyển hoá đƣợc do thiếu
oxy, khi khai thác lên vi sinh vật trong nƣớc nhờ oxy trong không khí chuyển
amoni thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) tích tụ trong thức ăn. Khi ăn uống
nƣớc có chứa nitrit thì cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ chiếm
oxy của hồng cầu làm hemoglobin mất khả năng lấy oxy, dẫn đến tình trạng
thiếu máu, xanh da. Vì vậy, nitrit đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ mới sinh dƣới
sáu tháng tuổi, nó có thể làm chậm sự phát triển, gây bệnh ở đƣờng hô hấp.
Đối với ngƣời lớn, nitrit kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm thành
một họ chất nitrosamin. Nitrosamin có thể gây tổn thƣơng di truyền tế bào,
nguyên nhân gây ung thƣ. Những thí nghiệm cho nitrit vào trong thức ăn, thức

uống của chuột, thỏ.. . với hàm lƣợng vƣợt ngƣỡng cho phép thì thấy sau một
thời gian có những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của chúng.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

5


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

Các hợp chất nitơ trong nƣớc có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho
ngƣời sử dụng nƣớc. Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với
các amin để tạo nên những nitrosamin là nguyên nhân gây ung thƣ ở ngƣời
cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua
nƣớc dùng để pha sữa. Sau khi lọt vào cơ thể, nitrat đƣợc chuyển hóa nhanh
thành nitrit nhờ vi khuẩn đƣờng ruột. Ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối
với sức khỏe con ngƣời. Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong
cơ thể ngƣời chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thƣ.
Bên cạnh đó hàm lƣợng amoni trong nƣớc uống cao có thể gây một số
hậu quả nhƣ sau:
- Nó có thể kết họp với Clo tạo ra Cloramin là một chất làm cho hiệu quả
khử trùng giảm đi rất nhiều so với Clo gốc.
- Nó là nguồn Nitơ thứ cấp sinh ra nitrit trong nƣớc, một chất có tiềm
năng gây ung thƣ [1],[7].
1.2. Các phƣơng pháp xử lý ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm
1.2.1. Một số phương pháp xử lý amoni
 Phương pháp kiềm hóa và làm thoáng [8],[3].
Amoni ở trong nƣớc tồn tại dƣới dạng cân bằng:

NH4+

NH3 (khí hoà tan) + H+

pKa = 9,25

Nhƣ vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lƣợng rất nhỏ khí NH3 so với ion amoni.
Nếu ta nâng pH tới 9,25 tỷ lệ [NH3]/[ NH4+] = 1 và càng tăng pH cân bằng
càng chuyển về phía tạo thành NH3. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí
hoặc thổi khí thì NH3 sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng
về phía phải:
NH4+ + OH -

NH3 + H2O

Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lƣợng khí cần để đuổi NH4 ở
mức 1600m3 không khí/m3 nƣớc và quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của môi

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

6


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

trƣờng. Phƣơng pháp này áp dụng đƣợc cho nƣớc thải, khó có thể đƣa đƣợc
nồng độ amoni xuống dƣới 1,5mg/l nên rất hiếm khi đƣợc áp dụng để xử lý
nƣớc cấp.

 Phương pháp Ozon hoá với xúc tác Bromua(Br-) [3].
Để khắc phục nhƣợc điểm của phƣơng pháp Clo hoá điểm đột biến
ngƣời ta có thể thay thế một số tác nhân oxi hoá khác là ozon với sự có mặt
của Br- về cơ bản xử lý amoni bằng O3 với sự có mặt của Brom cũng diễn ra
theo cơ chế giống nhƣ phƣơng pháp xử lý dùng Clo. Dƣới tác dụng của O3,
Br- bị oxi hoá thành BrO theo phản ứng sau đây:
Br-+ O3 + H+ → HBrO + O2
Phản ứng oxy hoá amoni đƣợc thực hiện bởi ion BrO- giống nhƣ của ion
CIO-:
NH3 + HBrO → NH2Br + H2O
NH2Br + HBrO → NHBr2 + H2O
NH2Br + NHBr2 →N2 + 3Br- + 3H+
 Phương pháp trao đổi ion [3].
Phƣơng pháp trao đổi ion đƣợc sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý
nƣớc thải cũng nhƣ nƣớc cấp. Trong xử lý nƣớc cấp, phƣơng pháp trao đổi
ion thƣờng đƣợc sử dụng để khử các muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat,
khử màu, khử kim loại, các ion kim loại nặng và các ion kim loại khác có
trong nƣớc.
Trong xử lý nƣớc thải, phƣơng pháp trao đổi ion đƣợc sử dụng để loại ra
khỏi nƣớc các kim loại (kẽm, đồng, crom, nikel, chì, thủy ngân, cadimi,
mangan...) các hợp chất của asen, photpho, xianua, và các chất phóng xạ.
Phƣơng pháp này cho phép thu hồi các chất có giá trị với độ làm sạch nƣớc
cao. Nhƣợc điểm chính của phƣơng pháp này là chi phí đầu tƣ và chi phí vận
hành khá cao nên ít đƣợc sử dụng cho các công trình lớn và thƣờng sử dụng

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

7

Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

cho các trƣờng hợp đòi hỏi chất lƣợng xử lý cao. Ƣu điểm của phƣơng pháp
là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đối tƣợng. Thực chất của phƣơng pháp này
là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tƣơng tác hóa học giữa ion trong pha lỏng
và ion trong pha rắn. Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hóa học
đổi chỗ (phản ứng thế) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn
(là nhựa trao đổi). Sự ƣu tiên hấp thụ của nhựa trao đổi dành cho các ion trong
pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chỗ các ion có trên khung
mang của nhựa trao đổi. Quá trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi
và các loại ion khác nhau.
 Phương pháp sinh học [3].
Ở phƣơng pháp sinh học bao gồm hai quá trình nối tiếp nhau là nitrat
hoá và khử nitrat hoá nhƣ sau:
a) Quá trình nitrat hoá:

Quá trình chuyển hoá về mặt hoá học đƣợc viết nhƣ sau:
NH4+ + 3/2O2 → NO2 - + 2H+ + H2O
NO2 - + 1/2O2 → NO3 Phƣơng trình tổng:
NH4+ + 2O2 → NO3 - + 2H+ + H2O
Đầu tiên, amoni đƣợc oxy hóa thành các nitrit nhờ các vi khuẩn
Nitrosomonas, Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus. Sau đó các ion
nitrit bị oxy hóa thành nitrat nhờ các vi khuẩn Nitrobacter, Nitrospina,
Nitrococcus. Các vi khuẩn nitrat hóa Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại
vi khuẩn tự dƣỡng hóa năng. Năng lƣợng sinh ra từ phản ứng nitrat hóa đƣợc
vi khuẩn sử dụng trong quá trình tổng hợp tế bào. Nguồn cacbon để sinh tổng
họp ra các tế bào vi khuẩn mới là cacbon vô cơ (HCO 3- là chính). Ngoài ra
chúng tiêu thụ mạnh O2.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

8


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

Quá trình trên thƣờng đƣợc thực hiện trong bể phản ứng sinh học với lớp
bùn dính bám trên các vật liệu mang - giá thể vi sinh. Vận tốc quá trình oxy
hóa nitơ amoni phụ thuộc vào tuổi thọ bùn (màng vi sinh vật), nhiệt độ, pH
của môi trƣờng, nồng độ vi sinh vật, hàm lƣợng nitơ amoni, oxy hòa tan, vật
liệu lọc... Các vi khuẩn nitrat hóa có khả năng kết hợp thấp, do vậy việc lựa
chọn vật liệu lọc nơi các màng vi sinh vật dính bám cũng có ảnh hƣởng quan
trọng đến hiệu suất làm sạch và sự tƣơng quan sản phẩm của phản ứng sinh
hóa. Sử dụng vật liệu mang phù họp làm giá thể cố định vi sinh cho phép giữ
đƣợc sinh khối trên giá thể, tăng tuổi thọ bùn, nâng cao và ổn định hiệu suất
xử lý trong cùng một khối tích công trình cũng nhƣ tránh đƣợc những sốc do
thay đổi điều kiện môi trƣờng.
b) Quá trình khử nitrat hoá:

Để loại bỏ nitrat trong nƣớc, sau công đoạn nitrat hóa amoni là khầu khử
nitrat sinh hóa nhờ các vi sinh vật dị dƣỡng trong điều kiện thiếu khí (anoxic).
Nitrit và nitrat sẽ chuyển thành dạng khí N2.
Quá trình khử nitrat hoá là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp nhau:
NO3 → NO2 → NO → N2O → N2
Vi khuẩn khử tham gia vào quá trình khử nitrat bao gồm Bacilus,
Pseudomnas, Methanomonas, Paracocas, Spiritum, Thiobacilus, ...

Để thực hiện phƣơng pháp này, ngƣời ta cho nƣớc qua bể lọc kỵ khí với
vật liệu lọc, nơi dính bám và sinh trƣởng của vi sinh vật khử nitrat. Quá trình
này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử. Chúng có thể là chất hữu cơ,
H2S, ... Nếu trong nƣớc không có oxy nhƣng có mặt các hợp chất hữu cơ mà
vi sinh hấp thụ đƣợc, trong môi trƣờng anoxic, khi đó vi khuẩn dị dƣỡng sẽ sử
dụng NO3- nhƣ nguồn oxy để oxy hóa chất hữu cơ (chất nhƣờng điện tử), còn
NO3- (chất nhận điện tử) bị khử thành khí N2.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

9


Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Vi khuẩn thu năng lƣợng để tăng trƣởng từ quá trình chuyển hoá NO 3thành khí N2 và cần có nguồn cacbon để tổng hợp tế bào. Do đó khi khử NO3sau quá trình nitrat hóa mà thiếu các hợp chất hữu cơ chứa cacbon thì phải
đƣa thêm các chất này vào nƣớc. Hiện nay, ngƣời ta thƣờng sử dụng khí tự
nhiên (chứa metan), rƣợu, đƣờng, cồn, dấm, axetat natri, ... Axetat natri là
một trong những hoá chất thích hợp nhất.
Mặc dù có nhiều phƣơng pháp xử lý amoni, nhƣng phƣơng pháp hấp phụ
amoni là phƣơng pháp hiệu quả và đơn giản về kĩ thuật nhất hiện nay.
1.2.2. Phương pháp hấp phụ
 Hấp phụ: là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha
(rắn - khí, rắn - lỏng, khí - lỏng, lỏng - lỏng).
Trong đó:
- Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các
phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó.
- Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề

mặt chất hấp phụ.
- Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ.
Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt. Ngƣợc 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
tƣơng tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ ngƣời ta phân
biệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [3].
 Hấp phụ vật lý
Định nghĩa: 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 hƣớng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Vì
vậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

10


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

Hấp phụ vật lý không có tính chọn lọc. Quá trình hấp phụ vật lý là một
quá trình thuận nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấp
phụ. Nhiệt lƣợng tỏa ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2÷6 kcal/mol. Sự hấp phụ
vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học của bề mặt, không có sự biến đổi cấu
trúc của các phân tử chất hấp phụ và bị hấp phụ [3].
 Hấp phụ hóa học
Định nghĩa: Hấp phụ hóa học đƣợc gây ra bởi các liên kết hóa học (liên
kết cộng hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí). Trong hấp phụ hóa học có sự
trao đổi electron giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Cấu trúc electron phân

tử các chất tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình
thành liên kết hóa học. Nhiệt lƣợng tỏa ra khi hấp phụ hóa học thƣờng lớn
hơn 22 kcal/mol.
Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là
tƣơng đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trƣờng 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.
Rất khó phân biệt rõ ràng hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý. Tốc độ của
quá trình hấp phụ vật lý thƣờng cao còn hấp phụ hóa học thì ngƣợc lại và
đƣợc xác định theo công thức:
Khpc= k0.z.e –E/RT
Trong đó:

Khpc: hằng số tốc độ của hấp phụ hóa học
K0 : hệ số hấp phụ
E: năng lƣợng hoạt hóa
z: số va chạm của phần tử chất bị hấp phụ trên một đơn vị
bề mặt trong một đơn vị thời gian

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

11


Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc [7].

Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ít
nhất ba thành phần gây tƣơng tác là: nƣớc - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ.
Do sự có mặt của nƣớc nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và
có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nƣớc tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị
hấp phụ - chất hấp phụ; nƣớc - chất hấp phụ, cặp nào có tƣơng 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 nƣớc, tính ƣa nƣớc hoặc kị nƣớc của chất hấp phụ, mức
độ kị nƣớc của chất bị hấp phụ trong nƣớc. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất
hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trƣớc tiên phụ thuộc vào tính tƣơng đồng về
độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực đƣợc hấp phụ tốt
trên chất hấp phụ không phân cực và ngƣợc lại. Đối với các chất có độ phân
cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion nhƣ SO42-,
PO43- ,CrO42-… thì quá trình hấp phụ xảy ra do tƣơng tác tĩnh điện thông qua
lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực cao trong nƣớc bị bao
bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nƣớc, do đó bán kính (độ lớn) của các ion,
các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hƣởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ
do tƣơng tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn
sẽ đƣợc hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hyđrat nhỏ hơn.
Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc còn bị ảnh hƣởng nhiều bởi pH của
dung dịch. Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ
và chất hấp phụ. Các chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu,
bazơ yếu hoặc lƣỡng tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dƣơng hoặc trung hoà
tùy thuộc giá trị pH. Tại giá trị pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt
chất hấp phụ bằng không, trên giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện âm và
dƣới giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện dƣơng. Đối với các chất trao đổi

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

12

Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm chức và các
cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môi trƣờng, đồng thời trong hệ
cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất.
Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thƣớc mao
quản cũng ảnh hƣởng tới sự hấp phụ.
Đối với các hợp chất hữu cơ, trong môi trƣờng nƣớc chúng có độ tan
khác nhau do đó khả năng hấp phụ chúng trên VLHP là khác nhau. Phần lớn
các chất hữu cơ tồn tại trong nƣớc dạng phân tử trung hòa, ít bị phân cực nên
quá trình hấp phụ trên VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơ chế hấp phụ
vật lý. Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụ thuộc vào: pH của
môi trƣờng, lƣợng chất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ…
Đặc tính của ion kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc: để tồn tại đƣợc ở
trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trƣờng nƣớc bị hydrat hóa tạo ra lớp
vỏ là các phân tử nƣớc, các phức chất hidroxo, các cặp ion hay phức chất
khác. Tùy thuộc vào bản chất hóa học của các ion, pH của môi trƣờng, các
thành phần khác cùng có mặt mà hình thành các dạng tồn tại khác nhau.
 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
Quá trình hấp phụ về cơ bản ảnh hƣởng bởi các yếu tố sau:
- Khối lƣợng phân tử
- Cấu trúc phân tử
- Loại và số lƣợng các nhóm chức
- Hàm lƣợng tro và các hợp chất dễ bay hơi
- Diện tích bề mặt riêng
- Số lƣợng vi lỗ có trong vật liệu

- pH của môi trƣờng hấp phụ và pH của vật liệu
- Liều lƣợng vật liệu hấp phụ
- Thời gian hấp phụ
- Nồng độ chất hấp phụ.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

13


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp
1.2.3. Các đại lượng đánh giá hệ hấp phụ
❖ Dung lượng hấp phụ

Dung lƣợng hấp phụ là khối lƣợng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối
lƣợng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ
và nhiệt độ.
Nếu gọi Co và Ccb là nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu và ở
trạng thái cân bằng, V là thể tích dung dịch, m là khối lƣợng chất bị hấp phụ,
trong thí nghiệm ở trạng thái tĩnh có thể xác định:
q=

(

)

q: mg/g hoặc mol/g; Co,Ccb: mg/l hoặc mol/l
 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=

(

)

. 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).
- Mối quan hệ q = f(C) đƣợc gọi là phƣơng trình đẳng nhiệt, nó có thể
đƣợc xây dựng trên cơ sở lý thuyết hoặc thực nghiệm. Các phƣơng trình đẳng
nhiệt thƣờng dùng là Langmuir và Freudlich.
❖ Phương trình đẳng nhiệt Langmuir.

Q = qmax
Trong đó: q - dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng
qmax - dung lƣợng hấp phụ cực đại
Ccb - nồng độ tại thời điểm cân bằng
KL - hằng số đặc trƣng tƣơng tác của chất hấp phụ và chất bị
hấp phụ.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

14

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp
❖ Phương trình đẳng nhiệt Freudlich.

q=kF.ccb1/n
Phƣơng trình đƣợc chuyển về dạng phƣơng trình đƣờng thẳng
logq = logkF +
Trong đó:

logCcb

q - dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)
k,n - hằng số liên quan đến nhiệt độ, đặc trƣng cho hệ hấp phụ

Trong đề tài này, em nghiên cứu cân bằng hấp phụ của các VLHP với
ion NH4+ trong môi trƣờng nƣớc theo mô hình đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir.
Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đƣợc 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 lƣợng hấp phụ trên
các tiểu phân là nhƣ nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân
hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.
Phƣơng trình Langmuir đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
(1.3)

=θ=
Trong đó:

q, qm: dung lƣợng hấp phụ cân bằng, dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g)
: độ che phủ
KL: hằng số Langmuir
Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng hấp phụ (mg/l)
Phƣơng trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trƣng của hệ:
- Trong vùng nồng độ nhỏ: KL.Ccb << 1 thì q =

. KL. Ccb mô tả vùng

hấp phụ tuyến tính.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

15


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp
- Trong vùng nồng độ cao: KL.Ccb >> 1 thì q =

mô tả vùng hấp phụ

bão hòa.
Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đƣờng đẳng
nhiệt biểu diễn là một đoạn cong. Để xác định các hằng số trong phƣơng trình
đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, đƣa phƣơng trình (1.3) về dạng phƣơng trình

đƣờng thẳng:
Ccb
1
1

 .Ccb
q
K L .qm qm

(1.4)

Ccb
vào Ccb sẽ xác định đƣợc các hằng
q
số KL, qm trong phƣơng trình. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng
Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của

nhƣ Hình 1.1 và Hình 1.2.

Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp
phụ Langmuir
Tg α=

=> qm =

Hình 1.2. Sự phụ thuộc của
vào Ccb
KL =

1.3. Một số hƣớng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP

Ngày nay, trên thế giới và ở Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên
cứu, nhiều đề tài khoa học nhằm tìm các giải pháp sử dụng vật liệu hấp phụ từ
phụ phẩm nông nghiệp để loại bỏ kim loại nặng trong nƣớc thải. Nhiều công

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

16