NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Fe(II) CỦA HẠT NANO SILICA TỔNG HỢP TỪ RHA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

BÙI THỊ TRÀ MI

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Fe(II) CỦA
HẠT NANO SILICA TỔNG HỢP TỪ RHA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CỬ NHÂN HÓA HỌC

2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

BÙI THỊ TRÀ MI

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Fe(II) CỦA
HẠT NANO SILICA TỔNG HỢP TỪ RHA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CỬ NHÂN HÓA HỌC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Ts. LƯƠNG HUỲNH VỦ THANH

2017

Trường Đại Học Cần Thơ Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Bộ Môn Hóa Học

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
------------

NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
1. Cán bộ hướng dẫn: Ts. Lương Huỳnh Vủ Thanh
2. Đề tài: “NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Fe(II) CỦA HẠT
NANO SILICA TỔNG HỢP TỪ RHA”.
3. Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Trà Mi MSSV: B1303942
Lớp: Hóa Học - Khóa: 39
4. Nội dung nhận xét:
a) Nhận xét về hình thức của LVTN:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
b) Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):
 Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
 Những vấn đề còn hạn chế:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
c) Nhận xét đối với sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung
chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................

d) Kết luận, đề nghị và điểm:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
Cần Thơ, ngày… tháng… năm 2017
Cán bộ hướng dẫn

Ts. Lương Huỳnh Vủ Thanh

i


Trường Đại Học Cần Thơ
Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Bộ Môn Hóa Học

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
------------

NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
1. Cán bộ phản biện: ……………………………………………………………
2. Đề tài: “NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Fe (II) CỦA HẠT
NANO SILICA TỔNG HỢP TỪ RHA”.
3. Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Trà Mi MSSV: B1303942
Lớp: Hóa Học - Khóa: 39
4. Nội dung nhận xét:
a) Nhận xét về hình thức của LVTN:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
b) Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):

 Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
 Những vấn đề còn hạn chế:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
c) Nhận xét đối với sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung
chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
d) Kết luận, đề nghị và điểm:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
Cần Thơ, ngày… tháng… năm 2017
Cán bộ phản biện

ii


Trường Đại Học Cần Thơ
Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Bộ Môn Hóa Học

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
------------

NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
1. Cán bộ phản biện: ……………………………………………………………
2. Đề tài: “NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Fe (II) CỦA HẠT

NANO SILICA TỔNG HỢP TỪ RHA”.
3. Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Trà Mi MSSV: B1303942
Lớp: Hóa Học - Khóa: 39
4. Nội dung nhận xét:
a) Nhận xét về hình thức của LVTN:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
b) Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):
 Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
 Những vấn đề còn hạn chế:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
c) Nhận xét đối với sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung
chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
d) Kết luận, đề nghị và điểm:
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
Cần Thơ, ngày… tháng… năm 2017
Cán bộ phản biện

iii


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ts. Lương Huỳnh Vủ

Thanh. Thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ em tận tình cho em trong suốt quá trình
thực hiện luận văn.
Em xin cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Công Nghệ và Khoa Khoa Học Tự
Nhiên- Trường Đại Học Cần Thơ đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt
quá trình làm luận văn.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân, bạn bè
đã luôn động viên, quan tâm, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận
văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Chân thành cảm ơn!

BÙI THỊ TRÀ MI

iv


TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, các hạt nano silica được tổng hợp từ tro vỏ trấu
(RHA) bằng phương pháp kết tủa. Mẫu nano silica được đem đo phổ nhiễu xạ
tia X (XRD), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và được đem chụp
ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM), ảnh hiển vi điện tử truyền qua
(TEM) để xác định kích thước hạt, hình thái học và tính chất lý hóa của vật liệu.
Ngoài ra, mẫu còn được đo đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET) để xác
định diện tích bề mặt BET và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để xác định
lượng nước ngậm trong mẫu. Kết quả cho thấy những hạt nano silica điều chế
được có pha vô định hình, dạng hình cầu, kích thước hạt từ 15 – 20 nm, độ tinh
khiết cao. Hiệu suất của quá trình la 80,79%, diện tích bề mặt BET là 62,4718
m2/g. Thử nghiệm khả năng hấp phụ Fe(II) của vật liệu hấp phụ cho thấy với
thời gian hấp phụ 60 phút khi tiến hành phấp phụ ion Fe(II) tại pH 3 với lượng
nano silica m = 0,6 g thì hiệu suất hấp phụ ion Fe(II) của hạt silica là 88,85%.

Quá trình hấp phụ phù hợp với phương trình biểu kiến bậc 2 và mô hình đẳng
nhiệt hấp phụ Langmuir với dung lượng hấp phụ cực đại Qmax = 3,723 (mg/g) ở
30 oC.
Từ khóa: Hạt nano silica, tro vỏ trấu, hấp phụ, ion Fe(II)

v


LỜI CAM KẾT
Tôi xin cam kết luận văn này được hoàn thành dựa trên các kết quả
nghiên cứu của tôi và các kết quả của nghiên cứu này chưa được dùng cho bất
cứ luận văn cùng cấp nào khác.
Cần Thơ, ngày tháng năm 2017
Cán bộ hướng dẫn

Sinh viên ký tên

Ts. Lương Huỳnh Vủ Thanh

Bùi Thị Trà Mi

vi


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ iv
TÓM TẮT......................................................................................................... v
LỜI CAM KẾT .............................................................................................. vii
DANH SÁCH BẢNG ....................................................................................... x
DANH SÁCH HÌNH ....................................................................................... xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ xii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ............................................................................. 1
1.1 Lý do chọn đề tài................................................................................. 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................... 2
1.3 Đối tượng nghiên cứu ......................................................................... 2
1.4 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................... 4
2.1 Tổng quan về trấu, tro trấu và SiO2 .................................................... 4
2.1.1 Giới thiệu chung về trấu và hiện trạng sử dụng trấu ở nước ta 4
2.1.2 Khai thác trấu và sử dụng trấu trong sản xuất công nghiệp..... 4
2.1.3 Sơ lược về thành phần hóa học của tro trấu ............................. 5
2.1.4 Đặc điểm cấu tạo và ứng dụng của SiO2 ................................. 7
2.2 Tổng quan về nước ngầm.................................................................... 8
2.2.1 Trạng thái tồn tại của sắt trong nước ngầm ............................. 8
2.2.2 Nguồn gốc của sắt có trong nước ngầm................................... 9
2.2.3 Tác hại của ô nhiễm sắt trong nước ngầm ............................. 10
2.3 Một số phương pháp xử lý sắt trong nước ........................................ 10
2.3.1 Phương pháp oxy hóa ............................................................ 10
2.3.2 Phương pháp sinh học ............................................................ 11
2.3.3 Phương pháp sử dụng vật liệu lọc .......................................... 11
2.3.4 Phương pháp hấp phụ ............................................................ 11
vii


CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM .... 14
3.1 Phương tiện nghiên cứu .................................................................... 14
3.1.1 Địa điểm và thời gian tiến hành ............................................. 14
3.1.2 Hóa chất và vật liệu................................................................ 14

3.2 Thực nghiệm ..................................................................................... 14
3.2.1 Tổng hợp hạt nano silica từ tro vỏ trấu bằng phương pháp kết
tủa ............................................................................................................ 14
3.2.2 Đánh giá tính chất lý hóa của hạt nano silica ........................ 15
3.2.3 Xác định hàm lượng ion Fe(II) trong dung dịch .................... 15
3.2.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Fe(II)
trong dung dịch của hạt nano silica ......................................................... 15
3.2.5 Xử lý thử nghiệm mẫu nước ngầm chứa ion Fe(II). .............. 17
3.3 Phương pháp phân tích tính chất lý hóa của hạt nano silica ............. 17
3.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................... 17
3.3.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ................................. 18
3.3.3 Phổ hồng ngoại (IR) ............................................................... 18
3.3.4 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ........................................... 19
3.3.5 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ- khử hấp phụ N2 (BET) .... 20
3.3.6 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS) ........................ 22

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 23
4.1 Hiệu suất thu hồi SiO2....................................................................... 23
4.1.1 Kết quả đo TGA ..................................................................... 23
4.1.2 Hiệu suất của quá trình tổng hợp hạt nano silica từ tro vỏ trấu
................................................................................................................. 24
4.2 Tính chất lý hóa của hạt nano silica .................................................. 24
4.2.1 Kết quả đo XRD..................................................................... 24
4.2.2 Kết quả đo FTIR .................................................................... 25
4.2.3 Kết quả chụp ảnh FESEM ..................................................... 26
viii


4.2.4 Kết quả chụp ảnh TEM .......................................................... 28
4.2.5 Kết quả đo BET ..................................................................... 29

4.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Fe(II) trong
dung dịch của VLHP ....................................................................................... 30
4.3.1 Đường chuẩn của dung dịchFe(II): ........................................ 30
4.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ............... 30
4.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ - Động học hấp phụ
................................................................................................................. 31
4.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến khả năng hấp
phụ ........................................................................................................... 35
4.3.5 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ dung dịch Fe(II) đến khả năng hấp
phụ - Đẳng nhiệt hấp phụ ........................................................................ 36

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................... 40
5.1 Kết luận ............................................................................................. 40
5.2 Kiến nghị ........................................................................................... 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 41
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 44

ix


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của tro trấu xác định bởi huỳnh quang tia X
(XRF) ................................................................................................................ 6
Bảng 3.1 Xây dựng đường chuẩn dung dịch Fe(II) .................................... 15
Bảng 3.2 Một số địa điểm thu mẫu............................................................... 17
Bảng 4.1 Khối lượng tro trấu và khối lượng nano silica thu được ........... 24
Bảng 4.2 Ảnh hưởng pH đến khả năng hấp phụ ion Fe(II) của vật liệu .. 30
Bảng 4.3 Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ ion Fe(II) của vật liệu.......... 31
Bảng 4.4 Các giá trị ln(Qe – Qt) theo thời gian t ......................................... 33

Bảng 4.5 Các giá trị t/Qt theo thời gian t ..................................................... 34
Bảng 4.6 Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ ...... 35
Bảng 4.7 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Fe(II) đến khả năng hấp phụ
......................................................................................................................... 36
Bảng 4.8 Các giá trị Ce/Qe theo Ce................................................................ 37
Bảng 4.9 phân loại sự phù hợp của mô hình đẳng nhiệt bằng tham số RL
......................................................................................................................... 38
Bảng 4.10 Giá trị tham số cân bằng RL của quá trình hấp phụ bằng VLHP
......................................................................................................................... 39

x


DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1 Cây lúa và vỏ trấu ........................................................................... 4
Hình 2.2 Tro trấu sau khi đốt trấu trong không khí ở điều kiện thường... 5
Hình 2.3 Cấu trúc liên kết trên bề mặt của tro trấu .................................... 6
Hình 2.4 Cấu trúc tinh thể SiO2 ..................................................................... 7
Hình 3.1 Sự phân vùng bước sóng các loại bức xạ ..................................... 19
Hình 3.2 Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ theo phân loại
của IUPAC ...................................................................................................... 21
Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của P/[V(Po - P)] theo P/Po ......... 21
Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn kết quả đo TGA của mẫu .................................. 23
Hình 4.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano silica tổng hợp từ tro vỏ trấu
......................................................................................................................... 25
Hình 4.3 Phổ FTIR của hạt nano silica ........................................................ 25
Hình 4.4 Ảnh FESEM của mẫu với độ phóng đại ...................................... 26
Hình 4.5 Ảnh TEM của mẫu với độ phóng đại: 83.200 lần ....................... 28
Hình 4.6 Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 của mẫu ở 77K .............. 29
Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Fe(II).

......................................................................................................................... 30
Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ
Fe(II). .............................................................................................................. 32
Hình 4.9 Sự phụ thuộc của ln(Qe – Qt) theo thời gian t ............................. 33
Hình 4.10 Sự phụ thuộc của t/Qt theo thời gian t ....................................... 34
Hình 4.11 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến khả năng
hấp phụ. .......................................................................................................... 35
Hình 4.12 Ảnh hưởng của nồng độ Fe(II) ban đầu đến hiệu suất hấp phụ
Fe(II) ............................................................................................................... 36
Hình 4.13 Sự phụ thuộc của Ce/Qe theo Ce .................................................. 38

xi


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
XRD

X-ray Diffraction

FTIR

Fourier Transform Infrared Spectroscopy

FESEM

Field-emission Scanning Electron Microscope

BET

Brunauer-Emmett-Teller

FESEM

Field Emission Scanning Electron Microscopy

UV-VIS

Ultraviolet-Visible

IUPAC

International Union of Pure and Applied Chemistry

xii


Luận văn Đại học – Hóa học

CBHD: Lương Huỳnh Vủ Thanh

CHƯƠNG 1
------------ GIỚI THIỆU -----------1.1 Lý do chọn đề tài
Nước - nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá và có hạn, có vai trò quan
trọng đối với cuộc sống con người và môi trường. Nước được sử dụng rộng rãi trong
các hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, chăn nuôi,
thủy lợi và đặc biệt là trong sinh hoạt hằng ngày của con người. Hiện nay nguồn
nước chúng ta đang sử dụng (kể cả nước mặt và nước ngầm) đang bị ô nhiễm trầm
trọng mà nguyên nhân chính là do các hoạt động sản xuất và ý thức kém của con
người. Nước ta hiện nay đang trong quá trình phát triển mạnh mẽ các ngành công
nghiệp, dịch vụ và đây là một trong các nguyên nhân chính làm cho nhiều nguồn

nước bị ô nhiễm trong đó có nước ngầm. Nước ngầm ở Việt Nam chứa các ion kim
loại nặng như crom, mangan, sắt, asen, gây tác động xấu đến con người như ung thư,
biến đổi gen và tác động không nhỏ đến các hệ sinh . Nước ngầm chứa một lượng
sắt đáng kể và thường tồn tại dưới dạng ion Fe(II). Do sự thay đổi điều kiện môi
trường dưới tác dụng của các phản ứng sinh học, những nguồn nước này khi tiếp xúc
với oxy không khí trở nên đục và tạo cảm quan không tốt đối với người sử dụng do
sự oxy hóa sắt thành Fe(III) tồn tại dưới dạng kết tủa keo. Tiêu chuẩn nồng độ ion
Fe(II) đối với nước sinh hoạt là nhỏ hơn 0,5mg/L (QCVN 02:2009/BYT). Nước là
tài nguyên thiết yếu và có thể tái tạo, do đó cần thiết phải xử lý và tái sử dụng một
cách hợp lý để duy trì khả năng tái tạo của nó. Hiện nay việc loại bỏ các ion kim loại
nặng, đặc biệt là sắt ra khỏi nước ngầm đã và đang nhận được nhiều sự quan tâm từ
các nhà nghiên cứu về môi trường và có khá nhiều phương pháp đã được đề xuất để
tách các ion kim loại nặng ra khỏi nước ngầm. Trong đó, phương pháp hấp phụ với
nhiều ưu điểm vượt trội đã được sử dụng rộng rãi do dễ chế tạo thiết bị, việc xử lý ít
tốn kém, chất hấp phụ có thể tái sử dụng nhiều lần và ít tạo ra chất độc hại sau quá
trình xử lý. Trong phương pháp hấp phụ thì chất hấp phụ được xem như là một nhân
tố trọng tâm cần được nghiên cứu. Để một chất hấp phụ có khả năng thương mại hóa
trong việc xử lý các ion kim loại nặng, nó cần sở hữu một số tính chất như có khả
năng hấp phụ tốt, bền, có thể tìm kiếm dễ dàng, rẻ tiền, và nếu có nguồn gốc từ nông
Bùi Thị Trà Mi

1

B1303942


Luận văn Đại học – Hóa học

CBHD: Lương Huỳnh Vủ Thanh

nghiệp và sinh học thì càng làm tăng tính khả thi. Do vậy, các phụ phẩm trong nông
nghiệp là những chất hấp phụ có tiềm năng và được quan tâm nhất hiện nay.
Tro trấu là một trong những vật liệu từ phụ phẩm nông nghiệp với ưu điểm dễ
tìm, giá thành rẻ, không ảnh hưởng đến nguồn nước, được xem là vật liệu hấp phụ
có nhiều triển vọng, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong việc nghiên
cứu về ion kim loại nặng trong các nguồn nước. Ví dụ như sử dụng tro trấu hấp phụ
ion Pb(II) trong nước thải của Tarun Kumar Naiya, 2010. Hấp phụ ion Cu(II) và
Pb(II) sử dụng tro trấu trong hệ thống động của M.G.A.Vieira, 2013. Loại ion đồng
(II) bằng tro trấu của Đoàn Văn Hồng Thiện. Hấp phụ chì và thủy ngân bằng tro trấu
của Qingge Feng. Hấp phụ ion kim loại cadimi, niken, kẽm từ dung dịch sử dụng tro
trấu của Vimal Chandra Srivastava…. Từ những nghiên cứu ở trên, ta có thể thấy
được nhiều ứng dụng mà tro trấu mang lại trong việc xử lý ion kim loại trong nước.
Tuy nhiên, việc sử dụng tro trấu để hấp phụ ion kim loại sắt (II) chưa được chú ý
nhiều và còn ít nghiên cứu về chúng. Hơn nữa, phần than cacbon từ tro trấu phụ
phẩm ít được quan tâm, thường thải bỏ ra môi trường, việc sử dụng phần than này
cho nghiên cứu hấp phụ cũng còn rất ít nghiên cứu về nó, chủ yếu dừng lại ở việc
điều chế. Với sự cấp thiết cần có một nguồn nước “sạch” cung cấp cho tiêu dùng và
sản xuất, cùng với sự phong phú của các nguồn phế phẩm từ nông nghiệp, đề tài
“Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Fe(II) bằng tro trấu biến tính và ứng dụng
trong xử lý nước ngầm” đã được đề xuất với mục đích xử lý ion kim loại sắt (II)
trong nước ngầm để có một nguồn nước “sạch” hơn, đồng thời nâng cao giá trị cho
một phụ phẩm nông nghiệp khá dồi dào ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long, đó là tro
trấu.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu này được tiến hành với mục tiêu:
 Tổng hợp hạt nano silica từ tro vỏ trấu
 Đánh giá tính chất lý hóa của hạt nano silica
 Khảo sát khả năng hấp phụ Fe(II) trong nước ngầm của hạt nano silica
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nguồn tro trấu lấy từ lò gạch quận Cái Răng,

dung dịch Fe(II) và các mẫu nước ngầm lấy từ hộ dân thuộc một số tỉnh ở đồng bằng
sông Cửu Long.

Bùi Thị Trà Mi

2

B1303942


Luận văn Đại học – Hóa học

CBHD: Lương Huỳnh Vủ Thanh

1.4 Phạm vi nghiên cứu
Do trang thiết bị còn hạn chế và thời gian có hạn nên đề tài tập trung vào nghiên
cứu động học quá trình hấp phụ ion kim loại nặng Fe(II) bằng hạt nano silica, từ đó
rút ra kết luận khả năng hấp phụ ion kim loại của nano silica và thử nghiệm trên mẫu
nước ngầm lấy từ hộ dân.

Bùi Thị Trà Mi

3

B1303942


Luận văn Đại học – Hóa học

CBHD: Lương Huỳnh Vủ Thanh

CHƯƠNG 2
------------ TỔNG QUAN TÀI LIỆU-----------2.1 Tổng quan về trấu, tro trấu và SiO2
2.1.1 Giới thiệu chung về trấu và hiện trạng sử dụng trấu ở nước ta
Việt Nam là nước xuất khẩu gạo lớn thứ hai thế giới với sản lượng lúa năm
2011 đạt khoảng 42 triệu tấn. Theo báo cáo của Tổ chức Nông Lương của Liên Hiệp
Quốc (FAO), Việt Nam giữ vị trí lớn thứ hai thế giới về tiêu thụ gạo tính theo bình
quân đầu người với 166 kg/người/năm. Do đó, lượng vỏ trấu được tạo ra hàng năm
ở Việt Nam là rất lớn, khoảng 7 – 8 triệu tấn/năm, như một loại vật liệu thải của
ngành nông nghiệp mà chưa được khai thác hợp lý nên rất lãng phí. Trấu là lớp vỏ
ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát. Trong vỏ trấu chứa
khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn
lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chứa chủ yếu là cellulose, lignin và Hemi –
cellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ. Lignin
chiếm khoảng 25 – 30% và cellulose chiếm khoảng 35 – 40%

.

Hình 2.1 Cây lúa và vỏ trấu
Từ lâu, vỏ trấu đã là một loại chất đốt rất quen thuộc với người dân. Chất đốt
từ vỏ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt lẫn hoạt động sản xuất. Trấu là
nguồn nguyên liệu rất dồi dào và rẻ tiền.
2.1.2 Khai thác trấu và sử dụng trấu trong sản xuất công nghiệp
Hiện nay, trấu đã được tận dụng làm nhiên liệu trong các lò đốt (nhà máy nhiệt
điện, lò sản xuất gạch,…), trong sản xuất giấy,… Tuy nhiên, một vấn đề gặp phải
Bùi Thị Trà Mi

4

B1303942

Luận văn Đại học – Hóa học

CBHD: Lương Huỳnh Vủ Thanh

trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng trấu làm chất đốt là lượng phế phẩm tro trấu
thải ra sau quá trình đốt, nung là rất lớn. Phế phẩm này là rất khó xử lý, do chứa một
lượng lớn SiO2, nên hầu hết được thải ra môi trường. Trong nhiều năm gần đây, tận
dụng tro trấu từ vỏ trấu vào các ngành sản xuất khác nhau đã được tập trung nghiên
cứu. Hiện nay, tro trấu cũng đã được sử dụng có hiệu quả trong các ngành công
nghiệp như: công nghiệp sản xuất xi măng, chế biến cao su, công nghiệp thép để sản
xuất các loại thép tấm chất lượng cao và vật liệu cách nhiệt. Một số loại tro trấu chất
lượng cao đã được sản xuất thành công để làm phụ gia hoạt tính nhằm nâng cao chất
lượng cho bê tông xi măng. Tro trấu cũng được ứng dụng để sản xuất viên nhiên liệu
hoặc sản xuất nhiên liệu lỏng. Điều đặc biệt của SiO2 thu hồi từ tro trấu là khả năng
phục hồi và tái sinh cao, giá thành rẻ. Với nhiều ứng dụng như thế nên việc nghiên
cứu thu hồi SiO2 có nhiều ý nghĩa thực tế.
2.1.3 Sơ lược về thành phần hóa học của tro trấu
Tro trấu là một sản phẩm của quá trình đốt cháy vỏ trấu trong không khí. Vỏ
trấu sau khi cháy các thành phần hữu cơ sẽ chuyển thành CO, CO2 và H2O và phần
còn lại là tro chứa các thành phần oxit kim loại và cacbon (than).

Hình 2.2 Tro trấu sau khi đốt trấu trong không khí ở điều kiện thường
Đối với 1.000 kg thóc xay, khoảng 220 kg (22%) của vỏ trấu được tạo ra, và
khi vỏ này được nung ở những điều kiện cụ thể ở nhiệt độ cao, khoảng 55 kg (25%)
của tro trấu được tạo ra. Thành phần hóa học của tro trấu thành phẩm phụ thuộc vào
nhiều yếu tố như: loại vỏ trấu, điều kiện xử lý ban đầu của vỏ trấu, điều kiện đốt của
vỏ trấu. Tùy thành phần hóa học của tro trấu chế tạo được ở các điều kiện khác nhau
thì khác nhau, nhưng không có sự chênh lệch nhiều. SiO2 là chất chiếm tỉ lệ cao nhất

Bùi Thị Trà Mi

5

B1303942


Luận văn Đại học – Hóa học

CBHD: Lương Huỳnh Vủ Thanh

về phần trăm khối lượng trong thành phần tro trấu sau khi nung, chiếm khoảng 80 90% và còn lại là những hợp chất vô cơ khác.
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của tro trấu xác định bởi huỳnh quang tia X
(XRF)
Thành phần hóa học của tro trấu

Thành phần %

SiO2

89.00

Al2O3

1.20

Fe2O3

1.28

K2 O

1.22

CaO

1.00

Tro trấu có cấu trúc của silica ở dạng tinh thể hoặc vô định hình, có bề mặt
xốp, màu trắng hoặc trắng xám, các thông số vật lý như: khối lượng riêng, diện tích
bề mặt… đều phụ thuộc vào quá trình chế tạo và nhiệt độ nung trấu. Ngoài thành
phần chính là SiO2, các hợp chất vô cơ và carbon, trên bề mặt tro trấu còn có các
nhóm hydroxyl (-OH).

Hình 2.3 Cấu trúc liên kết trên bề mặt của tro trấu

Bùi Thị Trà Mi

6

B1303942


Luận văn Đại học – Hóa học

CBHD: Lương Huỳnh Vủ Thanh

2.1.4 Đặc điểm cấu tạo và ứng dụng của SiO2

Hình 2.4 Cấu trúc tinh thể SiO2

SiO2 không tồn tại dưới dạng phân tử riêng rẽ mà tồn tại dưới dạng tinh thể
hoặc vô định hình, nghĩa là dưới dạng một phân tử khổng lồ. Trong tự nhiên, ở điều
kiện thường nó có dạng tinh thể là thạch anh, triđimit và cristobalit. Mỗi dạng đa
hình này lại có hai dạng: dạng α bền ở nhiệt độ thấp, dạng β bền ở nhiệt độ cao. Đa
số SiO2 tổng hợp nhân tạo đều được tạo ra ở dạng bột hoặc dạng keo và có cấu trúc
vô định hình. Tất cả những dạng tinh thể này đều bao gồm những nhóm tứ diện SiO4
nối với nhau qua những nguyên tử O chung. Trong tứ diện SiO4, nguyên tử Si nằm
ở tâm của tứ diện liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở các đỉnh của tứ
diện. Như vậy mỗi nguyên tử O liên kết với hai nguyên tử Si ở hai tứ diện khác nhau
và tính trung bình cứ trên một nguyên tử Si có hai nguyên tử O và công thức kinh
nghiệm của silica là SiO2. Silica bất kì dạng nào đã nóng chảy hoặc khi nung khi để
nguội chậm đến nhiệt độ hóa mềm, ta đều thu được một loại vật liệu vô định hình
giống như thủy tinh.
Ứng dụng:
- Trong xây dựng: dùng làm chất phụ gia xi măng, gạch chịu lửa và ngói, ...
- Trong đời sống: dùng làm chất hút ẩm, chế tạo thiết bị lọc nước, đồ dùng
bằng thủy tinh, chất bán dẫn, ... Ngày nay, SiO2 còn được dùng làm nguyên liệu để
sản xuất vật liệu xúc tác mao quản trung bình như: MCM-41, MCM-48, SBA-15,
SBA-16...

Bùi Thị Trà Mi

7

B1303942


Luận văn Đại học – Hóa học

CBHD: Lương Huỳnh Vủ Thanh

2.2 Tổng quan về nước ngầm
Nước ngầm là nguồn tài nguyên nước ngọt có giá trị và chiếm khoảng hai phần
ba trữ lượng nước ngọt của thế giới (không xét đến băng ở hai cực và các dòng sông
băng). Nước ngầm tồn tại trong các lỗ hổng và các khe nứt của đất đá, được tạo thành
trong các lớp trầm tích hoặc do sự thẩm thấu, thấm qua của nguồn nước mặt, nước
mưa. Khi mưa rơi, một số thấm vào đất, một phần của độ ẩm này được đưa lên bởi
các rễ cây và một số di chuyển sâu hơn dưới ảnh hưởng của trọng lực. Nước ngầm
có thể tồn tại cách mặt đất vài mét, vài chục mét hoặc vài trăm mét. Đối với các hệ
thống cấp nước công cộng thì nguồn nước ngầm luôn luôn là nguồn nước được ưa
thích. Bởi vì các nguồn nước mặt thường hay bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phải
phụ thuộc vào sự biến động theo mùa. Nguồn nước ngầm ít chịu ảnh hưởng bởi tác
động của con người. Chất lượng nước ngầm thường tốt hơn chất lượng nước mặt.
Trong nước ngầm hầu như không có các hạt keo hay các hạt lơ lửng và vi sinh, vi
trùng gây bệnh thấp. Các nguồn nước ngầm hầu như không chứa rong tảo, một trong
những nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước. Thành phần đáng quan tâm trong nước
ngầm là các tạp chất hòa tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, thời tiết, các quá
trình phong hóa và sinh hóa trong khu vực. Ở những vùng có điều kiện phong hóa
tốt, có nhiều chất bẩn và lượng mưa lớn thì chất lượng nước ngầm dễ bị ô nhiễm bởi
các khoáng chất hòa tan, các chất hữu cơ, mùn lâu ngày theo nước mưa thấm vào
đất. Nước ngầm có thể bị nhiễm bẫn do tác động của con người. Các chất thải của
con người và động vật, các chất thải sinh hoạt, chất thải hóa học, việc sử dụng phân
bón hóa học,… theo thời gian sẽ ngấm vào nguồn nước, tích tụ dần và làm ô nhiễm
nguồn nước ngầm. Giá trị tổng chất rắn hòa tan (TDS) là một chỉ số tốt về đặc tính
của nước. Nước ngầm có ít hơn 500 mg/L tổng chất rắn hòa tan được xem là đạt yêu
cầu sử dụng nước. Một số tính chất khác trong việc xác định chất lượng nước ngầm
là độ cứng, độ dẫn điện và pH của nước. Những thành phần này có thể xác định bởi
các thiết bị đơn giản. Nước ngầm có vai trò quan trọng đối với đời sống con người
và hoạt động kinh tế. Do đó, việc sử dụng và bảo vệ nguồn nước ngầm là rất cần
thiết.

2.2.1 Trạng thái tồn tại của sắt trong nước ngầm
Sắt trong nước ngầm thường tồn tại ở hai trạng thái: trạng thái khử (sắt hòa
tan Fe(II)) và trạng thái oxy hóa (sắt dạng không tan Fe(III)). Sắt có thể hiện diện
trong nước ngầm dưới năm hình thái là: dạng sắt hòa tan, dạng phức vô cơ, dạng
phức hữu cơ, dạng keo và dạng lơ lửng. Các hình thái này phụ thuộc vào pH và thế
oxi hóa khử pe trong nước.
Bùi Thị Trà Mi

8

B1303942


Luận văn Đại học – Hóa học

CBHD: Lương Huỳnh Vủ Thanh

Trong điều kiện yếm khí sắt sẽ tồn tại ở dạng khử (ion Fe(II)). Quá trình oxy
hóa ion Fe(II) thành ion Fe(III) được mô tả bởi phản ứng:
Fe3+ + e–

Fe2+

Trong trường hợp nồng độ oxy hòa tan cao, ion Fe(III) có thể phản ứng với
ion hydroxide để hình thành kết tủa theo phản ứng:
Fe3+ + 3OH-

Fe(OH)3

Độ tan của sắt (III) hydroxide khi hình thành là rất nhỏ (S = 2.10-39 ở 25 oC)

và dần dần thủy phân để hình thành những bông cặn, sau đó được loại ra nhờ quá
trình lọc. Phản ứng tổng quát được viết thành:
Fe2+ + 3H2O

Fe(OH)3 + 3H+ + e-

Quá trình oxi hóa hay thủy phân phụ thuộc mạnh vào pH. Tại giá trị pH thấp,
tốc độ phản ứng là thấp, tốc độ phản ứng tăng với sự tăng pH tạo ion Fe(II) hòa tan
trong dung dịch. Độ bền của ion sắt không chỉ phụ thuộc vào pH mà còn phụ thuộc
vào độ linh động của electron mà nó được biểu thị bởi thế oxy hóa khử pe. Giá trị pe
càng dương biểu thị cho trạng thái oxy hóa của sắt không tan và giá trị pe càng thấp
biểu thị cho trạng thái khử của sắt hòa tan trong dung dịch.
2.2.2 Nguồn gốc của sắt có trong nước ngầm
Nguồn tự nhiên của sắt có thể bao gồm quá trình phong hoá các khoáng vật
như amphibol, sunfua sắt và các khoáng vật giàu sắt... Ở những nơi có dòng nước
ngầm chảy qua, sắt cũng sẽ hòa tan trong nước ngầm. Dưới đây là một số phương
trình hình thành ion Fe(II) trong nước.
2FeS2 + 7O2 + 2H2O ⇌ 2Fe2+ + 4SO42- + 4H+
5FeS2 + 14NO3- + 4CO2 + 2H2O ⇌ 5Fe2+ + 10SO42- + 7N2 + 4HCO3FeCO3 + CO2 + H2O ⇌ Fe2+ + 2HCO3Sắt cũng có thể có các nguồn nhân tạo bao gồm cả chất thải công nghiệp, sự
cố rò rỉ bãi rác và thoát nước mỏ acid, các bộ phận bơm, đường ống và bể chứa cũng
có thể góp phần sắt trong nước ngầm.
Trong điều kiện tự nhiên, khi nước thấm qua các lớp đất hữu cơ, oxy hòa tan
được tiêu thụ bởi các vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ trong đất, quá trình phân
hủy làm giảm pH do tác động của vi sinh vật. Khi không bị vi sinh vật tiêu thụ oxy
Bùi Thị Trà Mi

9

B1303942

Luận văn Đại học – Hóa học

CBHD: Lương Huỳnh Vủ Thanh

hòa tan, trong sự kết hợp với sự thiếu oxy, sắt hóa trị ba sẽ bị khử thành sắt hóa trị
hai. Ở điều kiện pH nằm trong khoảng từ 5 đến 8, sắt ở dạng hoà tan là Fe(II). Khi
nước ngầm được bơm lên đến bề mặt nó được tiếp xúc với oxy không khí và bắt đầu
quá trình oxy hóa tạo thành CO2 từ nước ngầm vào khí quyển. Khi điều này xảy ra,
giá trị pH tăng lên và do đó Fe(II) lại chuyển thành Fe(III).
2.2.3 Tác hại của ô nhiễm sắt trong nước ngầm
Hàm lượng sắt cao trong nước ngầm đã được báo cáo rộng rãi từ các nước
đang phát triển, những nơi mà chất lượng nước là một vấn đề rất quan trọng. Người
tiêu dùng có quyền từ chối nguồn nước ngầm chưa được xử lý từ nguồn cung cấp
nếu có phát hiện hàm lượng sắt trong nước cao hoặc nguồn nước tuy có hàm lượng
sắt thấp nhưng bị ô nhiễm do vi khuẩn.
Sắt trong nước ngầm không gây độc hại cho cơ thể, tuy nhiên nước có hàm
lượng sắt cao thường có mùi tanh khó chịu, chứa nhiều cặn bẩn, nước thường đục,
gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước ăn uống, sinh hoạt, sản xuất, tạo cảm quan
không tốt đối với người sử dụng.
Sự hiện diện của sắt trong nước sẽ làm vàng ố quần áo khi giặt, làm hỏng các
sản phẩm của các ngành dệt may, giấy, phim ảnh. Các cặn sắt kết tủa có thể làm tắc
nghẽn hoặc làm giảm khả năng vận chuyển của các ống dẫn nước.
Có một vấn đề khác liên quan đến sắt trong nước là vi khuẩn sắt. Những vi
khuẩn này không gây ra bất cứ mối đe dọa sức khỏe nào đến con người nhưng chúng
có thể gây ra màu nâu đỏ của sắt, chất nhờn trong các bể xí, có thể gây tắc nghẽn hệ
thống nước và giảm tốc độ dòng chảy. Những vi khuẩn sắt có thể phát triển trong
bóng tối hoặc trong ánh sáng.
Tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã thông qua việc loại bỏ sắt khi nồng độ cao
hơn 0,3 mg/L. Liên minh châu Âu đã đề nghị mức 0,2 mg/L đối với sắt. Cơ quan

bảo vệ môi trường (EPA) đã thiết lập các tiêu chuẩn thứ cấp là 0,3 mg/L đối với sắt.
Vì vậy, nếu nồng độ cao hơn so với các tiêu chuẩn, nước phải được xử lý trước khi
sử dụng.
2.3 Một số phương pháp xử lý sắt trong nước
2.3.1 Phương pháp oxy hóa
Các chất oxi hoá mạnh thường sử dụng để khử sắt là: Cl2, KMnO4, H2O2, O3…
Khi cho các chất oxi hoá mạnh vào nước, phản ứng diễn ra:
2Fe2+ + Cl2 + 6H2O ⇌ 2Fe(OH)3 + 2Cl- + 6H+

Bùi Thị Trà Mi

10

B1303942


Luận văn Đại học – Hóa học

CBHD: Lương Huỳnh Vủ Thanh

3Fe2+ + KMnO4 + 7H2O ⇌ 3Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5H+
2Fe2+ + H2O2 + 4OH- ⇌ 2Fe(OH)3
2Fe2+ + O3 + 5H2O ⇌ 2Fe(OH)3 + O2 + 4H+
Khử sắt bằng vôi thường kết hợp với quá trình làm ổn định hoặc làm mềm
nước. Khi cho vôi vào nước, độ pH của nước tăng lên. Ở điều kiện giàu ion OH-, các
ion Fe(II) thủy phân nhanh chóng thành Fe(OH)3 kết tụ thành bông cặn, lắng trong
bể lắng và có thể dễ dàng tách ra khỏi nước.
2.3.2 Phương pháp sinh học
Loại bỏ sắt bằng phương pháp sinh học phụ thuộc vào các hoạt động của các
vi sinh vật. Vi sinh vật có các đặc trưng riêng gây ra các quá trình oxy hóa hoặc kết

tủa sắt hòa tan dưới điều kiện pH và thế oxy hóa khử của sắt trong nước ngầm.
Một số loài vi sinh vật có khả năng oxy hóa sắt trong điều kiện mà quá trình
oxy hóa hóa học xảy ra rất khó khăn. Các loài vi khuẩn này xúc tiến cho sự oxy hóa
và kết tủa nhanh sắt trong lớp vật liệu lọc. Từ thực tế quan sát thấy luôn xuất hiện
một số vi khuẩn sắt trong các công trình khử sắt như bể lọc dù bể lọc được thổi rửa
thường xuyên. Một số loài vi sinh vật có khả năng oxy hóa sắt trong điều kiện mà
quá trình oxy hóa hóa học xảy ra rất khó khăn. Các loài vi khuẩn này xúc tiến cho
sự oxy hóa và kết tủa nhanh sắt trong lớp vật liệu học. Dựa vào đặc điểm đó, người
ta có thể cấy các mầm vi khuẩn sắt trong lớp đáy lọc của bể, thông qua hoạt động
của các vi khuẩn, sắt được loại ra khỏi nước. Thường sử dụng thiết bị lọc chậm để
khử sắt.
Ưu điểm của phương pháp này là tỉ lệ lọc và khả năng lưu trữ cao. Tuy nhiên,
tỉ lệ hấp phụ bởi các vi sinh vật thường bị hạn chế do phải cần thời gian dài trưởng
thành trước khi đạt được hiệu quả hoàn toàn.
2.3.3 Phương pháp sử dụng vật liệu lọc
Trong xử lý nước, lọc là một quá trình thanh lọc, trong đó nước chảy qua một
vật liệu dạng hạt. Trong quá trình này, các chất rắn lơ lửng được giữ lại. Do sự tích
tụ của các chất rắn lơ lửng trong bể lọc, các bộ lọc cần phải được làm sạch thường
xuyên bằng cách rửa ngược. Một số vật liệu lọc thường sử dụng như cát đen, hạt
Brim khử sắt, than hoạt tính.
2.3.4 Phương pháp hấp phụ
Hiện nay, phương pháp hấp phụ đang được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước
thải vì nó cho phép tách loại đồng thời nhiều chất bẩn (bao gồm cả chất vô cơ và
Bùi Thị Trà Mi

11

B1303942