Nghiên cứu khả năng xử lý một số ion kim loại nặng Cu2, Pb2 và Cd2 bằng hạt hấp phụ hydroxyapatit (Luận văn thạc sĩ)

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ MỘT SỐ ION
KIM LOẠI NẶNG: Cu2+, Pb2+ VÀ Cd2+ BẰNG HẠT HẤP
PHỤ HYDROXYAPATIT
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

CAO THÙY LINH

HÀ NỘI, NĂM 2019


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ MỘT SỐ ION
KIM LOẠI NẶNG: Cu2+, Pb2+ VÀ Cd2+ BẰNG HẠT HẤP
PHỤ HYDROXYAPATIT

CAO THÙY LINH
CHUYÊN NGÀNH : KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG
MÃ SỐ

: 8440301

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. ĐINH THỊ MAI THANH
2. TS. LÊ NGỌC THUẤN

HÀ NỘI, NĂM 2019


CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hƣớng dẫn chính: PGS.TS. Đinh Thị Mai Thanh

Cán bộ hƣớng dẫn phụ: TS. Lê Ngọc Thuấn

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Huy Tùng

Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Mai Văn Tiến

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại: Đại học Tài nguyên và Môi trƣờng Hà Nội
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

Ngày 20 tháng 01 năm 2019


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các nội dung, số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung
thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình n ào khác.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Cao Thùy Linh


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hạt hấp phụ hydroxyapatit (hạt HAp) đƣợc chế tạo từ bột hydroxyapatit tổng
hợp và phụ gia polyvinyl ancol bằng phƣơng pháp thiêu ở điều kiện: mPVA/mHAp =
3/20, nhiệt độ nung 600 oC, thời gian nung 4 h. Đặc trƣng hóa lý của vật liệu hạt
HAp đã đƣợc nghiên cứu bởi màu sắc, độ bền trong nƣớc, nhiễu xạ tia X (XRD),
tán xạ năng lƣợng tia X (EDX), SEM và BET. Hạt HAp thu đƣợc có màu trắng, đơn
pha của HAp với diện tích bề mặt riê ng 73 m2/g, kích thƣớc hạt trung bình (2x10)
mm. Hạt đƣợc sử dụng để xử lý ion Cu2+, Pb2+ và Cd2+ trong nƣớc. Ảnh hƣởng của
một số yếu tố đến dung lƣợng và hiệu suất hấp phụ Cu 2+, Pb2+ và Cd2+ đã đƣợc
nghiên cứu. Dung lƣợng và hiệu suất hấp phụ dạng mẻ đạt : Q = 2,96 mg/g, H =
88% (đối với Cu2+); Q = 4,95 mg/g, H = 98,93% (đối với Pb 2+); Q = 4,2 mg/g, H =
84,4 % (đối với Cd2+). Hiệu suất hấp phụ dạng cột lần lƣợt đạt khoảng; 99,97; 99,99
và 99,9 % và dung lƣợng hấp phụ lần lƣợt là 3,3; 5 và 4,99 mg/g (đối với 2 lít dung
dịch chạy cột). Các dữ liệu thực nghiệm hấp phụ đƣợc mô tả bằng hai mô hình đẳng
nhiệt Langmuir và Freundlic và tuân theo phƣơng trình động học giả định bậc2. Từ
đó thiết lập đƣợc quy trình xử lý từng ion kim loại nặng: Cu 2+, Pb2+ và Cd2+ và Ứng
dụng quy trình để xử lý mẫu nƣớc ô nhiễm chì tại huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn.
Từ khóa: Hạt hydroxyapait, hấp phụ, loại bỏ Cu 2+, Pb2+ và Cd2+


iii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong khoa Môi Trƣờng Trƣờng Đại học Tài nguyên và Môi trƣờng Hà Nội đã tận tình dạy bảo, truyền đạt

cho tôi kiến thức nền tảng trong suốt thời gian học tập và tạo mọi điều kiện thuận
lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành luận văn.
Tôi đặc biệt xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Đinh Thị Mai Thanh, TS. Lê

Ngọc Thuấn - ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn khoa học đã đóng góp ý kiến và tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu khoa học và TS. Lê Thị

Duyên – Bộ môn hóa, Đại học Mỏ-Địa chất đã giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành
luận văn.
Chúng tôi xin cảm ơn chân thành tới Ban Lãnh đạo Viện Kỹ thuật Nhiệt Đới
- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các phòng chức năng đã tạo
điều kiện về cơ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận
văn.
Tôi cũng xin cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và ngƣời thân đã giúp đỡ,
động viên và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khoá h ọc và thực hiện thành công

luận văn này.
Luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận
đƣợc những ý kiến đóng góp quý báu từ phía hội đồng báo cáo, giáo viên phản biện

và các thầy cô trong khoa để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 20 tháng 01 năm 2019
Học viên

Cao Thùy Linh


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i
TÓM TẮT LUẬN VĂN .............................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
THÔNG TIN LUẬN VĂN .......................................................................................vii
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................................ viii
DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................ix
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................xi
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................................4
1.1. Giới thiệu chung về hydroxyapatit .......................................................................4
1.2. Giới thiệu về poly vinylancol (PVA) ................................................................12
1.3. Tình hình nghiên cứu về hydroxyapatit trong nƣớc ...........................................15
1.4. Tình hình nghiên cứu về HAp trên thế giới .......................................................17
1.5. Vấn đề ô nhiễm kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc và một số phƣơng pháp
xử lý ....................................................................................................................23
1.6. Hấp phụ ..............................................................................................................26
1.6.1. Hiện tượng hấp phụ ..................................................................................26
1.6.2. Một số phương trình hấp phụ đẳng nhiệt ................................................28


v

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................30
2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm ...........................................................30
2.1.1. Hóa chất ...................................................................................................30
2.1.2. Dụng cụ.....................................................................................................30
2.1.3. Thiết bị ......................................................................................................30
2.2. Chế tạo hạt hấp phụ hydroxyapatit ....................................................................31

2.3. Xác định pHPZC của hạt hấp phụ hydroxyapatit .................................................32
2.4. Nghiên cứu, lựa chọn các điều kiện hấp phụ một số ion kim loại nặng: Cu2+,

Pb2+ và Cd2+ bằng hạt hấp phụ hydroxyapatit ....................................................33
2.4.1. Nghiên cứu, lựa chọn các điều kiện hấp phụ tĩnh (hấp phụ mẻ) ..............33
2.4.2. Nghiên cứu, lựa chọn các điều kiện hấp phụ động (hấp phụ dạng cột) ...34
2.5. Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ .....................................................35
2.5.1. Phương trình động học giả định bậc một .................................................36
2.5.2. Phương trình động học giả định bậc hai ..................................................37
2.6. Xây dựng quy trình xử lý một số ion kim loại nặng: Cu2+, Pb2+ và Cd2+ bằng cột
hấp phụ ...............................................................................................................38
2.7. Các phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................39
2.7.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu ................................................................39

2.7.2. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng hóa lý của hạt hấp phụ
hydroxyapatit ......................................................................................................39
2.7.3. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) định lượng ion kim
loại nặng trong dung dịch ..................................................................................39
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................41
3.1. Chế tạo hạt hấp phụ hydroxyapatit và nghiên cứu một số đặc trƣng hóa lý......41
3.1.1. Chế tạo hạt hấp phụ hydroxyapatit ..........................................................41
3.1.2. Đánh giá đặc trưng hóa lý của hạt hấp phụ hydroxyapatit chế tạo được 41
3.2. Nghiên cứu, lựa chọn các điều kiện hấp phụ tĩnh (hấp phụ mẻ) một số ion kim
loại nặng: Cu2+, Pb2+ và Cd2+ bằng hạt hấp phụ hydroxyapatit ..........................43

3.2.1. Xác định pHpzc của hạt HAp .....................................................................43


vi

3.2.2. Nghiên cứu, lựa chọn các điều kiện hấp phụ Cu2+...................................44
3.2.3. Nghiên cứu, lựa chọn các điều kiện hấp phụ Pb2+ ...................................49
3.2.4. Nghiên cứu, lựa chọn các điều kiện hấp phụ Cd2+...................................53
3.3. Nghiên cứu, lựa chọn các điều kiện hấp phụ động (hấp phụ dạng cột) một số
ion kim loại nặng: Cu2+, Pb2+ và Cd2+ bằng hạt hấp phụ hydroxyapatit ............57
3.3.1. Ảnh hưởng của chiều cao vật liệu hấp phụ ..............................................57
3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian lưu đến quá trình hấp phụ ...............................58
3.4. Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ .....................................................59
3.4.1. Động học của quá trình hấp phụ Cu2+ .....................................................59
3.4.2. Động học của quá trình hấp phụ Pb2+ giả định bậc hai ..........................62
3.4.3. Động học của quá trình hấp phụ Cd2+ .....................................................62
3.5. Quy trình xử lý các ion kim loại nặng: Cu 2+, Pb2+ và Cd2+ bằng cột hấp phụ và
áp dụng để xử lý mẫu nƣớc sinh hoạt bị ô nhiễm Cu 2+, Pb2+ và Cd2+ ................63
3.5.1. Quy trình xử lý riêng từng ion kim loại nặng ...........................................63

3.5.2. Ứng dụng quy trình xử lý mẫu nước ô nhiễm kim loại nặng ....................66
KẾT LUẬN ...............................................................................................................69

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................70
PHỤ LỤC ..................................................................................................................79


vii

THÔNG TIN LUẬN VĂN

+ Họ và tên học viên: Cao Thùy Linh
+ Lớp:

CH2B.MT

Khoá: 2016 - 2018

+ Cán bộ hƣớng dẫn: - PGS.TS. Đinh Thị Mai Thanh

- TS. Lê Ngọc Thuấn
+ Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng xử lý một số ion kim loại nặng:

Cu2+, Pb2+ và Cd2+ bằng hạt hấp phụ hydroxyapatit
+ Tóm tắt:

- Tổng hợp và nghiên cứu các đặc trƣng hóa lý của hạt hấp phụ HAp
- Nghiên cứu, lựa chọn đƣợc điều kiện tối ƣu hấp phụ dạng mẻ các ion kim
loại nặng: Cu2+, Pb2+ và Cd2+

- Nghiên cứu, lựa chọn đƣợc điều kiện tối ƣu hấp phụ dạng cột các ion kim
loại nặng: Cu2+, Pb2+ và Cd2+

- Nghiên cứu, thiết lập đƣợc quy trình xử lý từng ion kim loại nặng: Cu 2+, Pb2+
và Cd2+

- Ứng dụng quy trình để xử lý mẫu nƣớc ô nhiễm chì tại huyện Chợ Đồn, tỉnh
Bắc Kạn. Kết quả thu đƣợc mẫu nƣớc sau khi xử lý có hàm lƣợng chì nằm
trong giới hạn cho phép, đáp ứng với QCVN08 -2015 (quy chuẩn kỹ thuật
Quốc gia về chất lƣợng nƣớc mặt).


viii

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

HAp

Hydroxyapatit

PVA

Poly vinylancol

M-HAp

Hydroxyapatit pha tạp một số nguyên tố

FHAp

Floapatit

n-HAp

Nano hydroxyapatit

FTIR

Phƣơng pháp phổ hồng ngoại

SEM

Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét

XRD

Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X

AAS

Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử

EDX

Phƣơng pháp phổ tán xạ năng lƣợng tia X

CS

Cộng sự

BET
Sr (BET)

Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng

theo Brunauer, Emmett và Teller
Diện tích bề mặt riêng theo Brunauer, Emmett
và Teller


ix

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HAp ...................................................5
Hình 1.2. Cấu trúc của HAp ........................................................................................5

Hình 1.3. Công thức cấu tạo của phân tử HAp [10] ...................................................6
Hình 1.4. Quá trình tạo và vỡ bọt dƣới tác dụng của sóng siêu âm ............................8
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp siêu âm ................................................8
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp phun sấy ..............................................9
Hình 1.7. Các hình ảnh SEM của vật liệu theo các tỷ lệ trộn khác nhau ..................18
Hình 1.8. Các hình ảnh SEM của vật liệu trong môi trƣờng tổng hợp không có axit
citric (a) trƣớc và sau khi ngâm trong 7 ngày (b), 28 ngày trong SBF (c), và
phổ EDX phân tích của mẫu (d). .................................................................19
Hình 1.9. Các hình ảnh SEM của vật liệu trong môi trƣờng tổng hợp có axit citric
(a) trƣớc và (b) sau khi ngâm trong 7 ngày, (c) 28 ngày trong SBF, và (d)
phân tích EDX của mẫu. ..............................................................................19
Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo hạt HAp ..............................................................................32
Hình 2.2. Sơ đồ cột hấp phụ ......................................................................................35
Hình 2.3. Đồ thị sự phụ thuộc của lg(qe – qt) vào t...................................................37
Hình 2.4. Quy trình hấp phụ dạng cột xử lý đồng thời Cu 2+, Pb2+ và Cd2+ bằng vật
liệu hạt HAp .................................................................................................38

Hình 3.1. Giản đồ XRD của mẫu hạt HAp ...............................................................42
Hình 3.2. Phổ EDX của mẫu hạt HAp ......................................................................42
Hình 3.3. Ảnh SEM mẫu hạt HAp ............................................................................43
Hình 3.4. Sự biến đổi rpH theo pHo .......................................................................44
Hình 3.5. Ảnh hƣởng của thời gian hấp phụ đến dung lƣợng và hiệu suất hấp phụ

ion Cu2+của hạt HAp, m hạt HAp = 6 g/L; Co = 20 mg/L; pHo 5,3; T = 30 oC 45
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn sự biển đổi của H và Q của quá trình hấp phụ ion

Cu2+phụ thuộc vào khối lƣợng vật liệu hấp phụ, pH = 5,3; Co = 20 mg/L; T
= 30 oC; tlắc = 50 phút ...................................................................................46

Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn Full