Nghiên cứu tổng hợp vật liệu sắt oxit kích thước nano trên nền bentonit để xử lý asen trong nước ngầm

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU KÍCH THƯỚC NANO
SẮT OXIT TRÊN NỀN BENTONIT ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG
NƯỚC NGẦM
TRẦN QUỐC VIỆT
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ: 8440301
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. Hướng dẫn 1: PGS.TS.Đào Ngọc Nhiệm
Đơn vị công tác: Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam.
2. Hướng dẫn 2: TS. Mai Văn Tiến
Đơn vị công tác: Khoa Môi trường- Trường Đại học Tài nguyên và Môi
trường Hà Nội.

Hà Nội - Năm 2019


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU KÍCH THƯỚC NANO
SẮT OXIT TRÊN NỀN BENTONIT ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG
NƯỚC NGẦM

HUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

TRẦN QUỐC VIỆT

Hà Nội - Năm 2019


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hướng dẫn 1: PGS.TS.Đào Ngọc Nhiệm – Viện Vật Liệu – Viện Hàn
lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam.
Cán bộ hướng dẫn 2: TS. Mai Văn Tiến – Khoa Môi trường – Trường đại học
Tài nguyên và Môi trường Hà Nội.

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS.Nguyễn Huy Tùng
Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Trần Mạnh Trí

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 17 tháng 01 năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi.
Kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý
thuyết và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm tại Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS.Đào
Ngọc Nhiệm - Trưởng phòng Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Tôi xin cam đoan các kết quả này chưa được công bố trong bất kỳ nghiên cứu

nào khác. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đã trình bày trong bản báo
cáo này.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

TÁC GIẢ LUẬN VĂN
(Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Quốc Việt


XÁC NHẬN QUYỂN LUẬN VĂN ĐỦ ĐIỀU KIỆN NỘP LƯU CHIẾU
CHỦ NHIỆM KHOA QUẢN
LÝ CHUYÊN NGÀNH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS. Lê Thị Trinh

PGS.TS. Đào Ngọc Nhiệm

TS. Mai Văn Tiến


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đào Ngọc Nhiệm,
Trưởng phòng Vật liệu Vô cơ – Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Ban giám
hiệu và toàn thể quý thầy, cô giáo trong khoa Môi trường – Trường Đại học Tài
nguyên và Môi trường Hà Nội đã truyền đạt và giúp đỡ tôi suốt quá trình học tập và
rèn luyện, cũng như đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện được luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo TS. Mai Văn Tiến- Giảng viên Trường Đại học
Tài nguyên và Môi trường đã hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn trong suốt quá trình thực
hiện và hoàn thành nghiên cứu này.
Xin cảm ơn anh Phạm Ngọc Chức, anh Đoàn Trung Dũng, chị Nguyễn Hà Chi
phòng Phân tích Vô cơ- Viện Khoa họcVật liệu, đã giúp đỡ tôi về thiết bị máy móc sử
dụng.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều
kiện, quan tâm, giúp đỡ động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành
nghiên cứu này.
Trong thời gian khuôn khổ của một luận văn, chắc chắn sẽ không thể bao quát trọn
vẹn được hết các vấn đề xoay quanh nội dung cần nghiên cứu của luận văn. Vì vậy, tôi
xin chân thành cảm ơn và mong nhận được nhiều ý kiến từ các thầy, cô giáo góp ý bổ
sung cho luận văn này. Qua các ý kiến đóng góp, giúp tôi có thể hoàn thiện hơn vốn
kiến thức của mình trong ứng dụng các vấn đề nghiên cứu vào cuộc sống.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2019
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Trần Quốc Việt


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của luận văn..........................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................1

3. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................2
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .........................................................................................3
1.1. Nước ngầm và tình hình ô nhiễm ..........................................................................3
1.1.1. Asen và độc tính của asen .....................................................................................3
1.1.2. Sự ô nhiễm asen trong môi trường nước ở Việt Nam và trên thế giới ..................5
1.1.3. Tác hại của Asen đối với con người ......................................................................7
1.2. Tổng quan về bentonite ..........................................................................................8
1.2.1. Thành phần của bentonite......................................................................................8
1.2.2. Tính chất của bentonite .........................................................................................8
1.3. Hấp phụ và trao đổi ion của vật liệu ...................................................................10
1.3.1. Phương pháp trao đổi ion ....................................................................................11
1.3.2. Phương pháp hấp phụ ..........................................................................................11
1.3.3. Một số công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm asen .................................................19
1.4. Lựa chọn giải pháp loại bỏ asen bằng phương pháp hấp phụ trên nano Fe2O3
.......................................................................................................................................22
1.5. Phương pháp chế tạo tổng hợp nano sắt oxit.....................................................22
1.5.1. Giới thiệu về nano oxit sắt...................................................................................22
1.5.2. Các phương pháp tổng hợp nano oxit sắt ............................................................25
CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...30
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................30
2.1.1 Đối tượng nghiên cứu ...........................................................................................30
2.1.2 Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................30
2.2. Nguyên liệu, hóa chất dụng cụ và thiết bị nghiên cứu ......................................30
2.2.1. Thiết bị, dụng cụ ..................................................................................................30
2.2.2. Hóa chất ...............................................................................................................31
2.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu ...........................................................................31
2.3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu sắt oxit, kích thước nanomet ...................................31
2.3.2. Quy trình tổng hợp vật liệu sắt oxit/bentonit kích thước nanomet......................32
2.4. Khảo sát và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng tổng hợp vật liệu ..................34

2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới quá trình tổng hợp vật liệu .............34
2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel tới quá trình tổng hợp vật liệu....................34
2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ thể tích AT/PVA tới quá trình tổng hợp vật liệu.........34
2.4.4. Khảo sát nhiệt độ tạo gel tới quá trình tổng hợp của vật liệu..............................34
3+

2.4.5. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ thể tích Fe /(AT+PVA) tới quá trình tổng hợp vật
liệu.............................................................................................................................. ...3
4
2.5. Phương pháp nghiên cứu vật liệu .......................................................................35
2.5.1. Phương pháp phân tích nhiệt ...............................................................................35
2.5.2. Phương pháp nhiễu xạ rơnghen ...........................................................................36
2.5.3. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu ( kính hiển vi điện
tử quét SEM và hiển vi điện tử truyền qua TEM)........................................................38
2.5.4. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng ( phương pháp đo BET)
..................40
2.5.5. Phương pháp xác định điểm điện tích không của vật liệu...................................41
2.6. Phương pháp xác định hàm lượng kim loại asen trong nước ..........................42
2.6.1. Phương pháp phân tích asen theo tiêu chuẩn việt nam TCVN 6182:1996 (ISO
6595 : 1982 (E)).............................................................................................................42
2.6.2.Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử
Spectrophotometric- AAS)
.....................................................................................................42

(Atomic

Absorption

2.6.3. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng.......................................

43
2.7. Phương pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu ................................44
2.7.1. Phương pháp hấp phụ tĩnh ...................................................................................44
2.7.2. Phương pháp hấp phụ động .................................................................................44
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...........................................................47
3.1. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành pha của vật liệu
như nhiệt độ nung, pH tạo gel, tỉ lệ theo thể tích KL/PVA, nhiệt độ tạo gel,... .....47
3.1.1. Vật liệu oxit nano Fe2O3 ......................................................................................47
3.1.2. Vật liệu oxit nano Fe2O3/bentonit........................................................................54
3.2. Nghiên cứu khả năng tái sinh của vật liệu GB...................................................59
3.3. Kết quả thử nghiệm hiệu quả xử lý Asen đối với mẫu nước thực tế ...............62
3.4. So sánh với các nghiên cứu đã thực hiện............................................................62
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................63
1. Kết luận......................................................................................................................63
2. Kiến nghị ...................................................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 64


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BET

Brunauer- Emmett- Teller: Phương pháp xác định diện tích bề mặt
riêng lấy theo tên riêng của 3 nhà khoa học

SEM

Scanning Electron Microscopy: Hiển vi điện tử quét

TEM

Transmission Electron Microscopy: Hiển vi điện tử truyền qua

XRD

X-Ray Diffraction: Nhiễm xạ Rơnghen

PVA

Poli Vinyl Ancol

AT

Axit tartaric

VLHP

Vật liệu hấp phụ

HPVL

Hấp phụ vật lý

HPHH

Hấp phụ hóa học

GB

Vật liệu Fe2O3/Bentonit

qmax

Dung lượng hấp phụ cực đại đơn lớp

Qan toàn

Dung lượng hấp phụ an toàn trên cột


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm asen ..........................................19
Bảng 1.2. Đánh giá sơ bộ khả năng xử lý của các loại vật liệu đang được nghiên cứu
và sử dụng ở Việt Nam. .................................................................................................21
Bảng 3.1. Giá trị ∆pH của dung dịch hấp thụ tại các khoảng ph khác nhau .................51
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ (H%) đối với as(V) của oxit nano
Fe2O3 ..............................................................................................................................52
Bảng 3.3. Dung lượng hấp phụ của Fe2O3 kích thước nanomet đối với as(V) .............53
Bảng 3.4. Kết quả xác định hàm lượng sắt trên bentonit .............................................54
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ as(V). ...............................55
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ As(V) đến dung lượng hấp phụ của vật liệu GB1,
GB2, GB3. .....................................................................................................................56
Bảng 3.7. Các thông số của phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với As(V)
trên các vật liệu GB1, GB2 và GB3 ..............................................................................57
Bảng 3.8. Dung lượng hấp phụ asen của một số oxit sắt phủ bentonit theo phương
trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ...............................................................................58
Bảng 3.9. Nồng độ ion Asen (V) còn lại trong dung dịch sau khi đi qua cột hấp phụ..58
Bảng 3.10. Kết quả chạy cột đối với asen lần một trên vật liệu GB .............................59
Bảng 3.11. Nồng độ asen thu hồi được khi giải hấp trên vật liệu GB...........................60
Bảng 3.12. Kết quả chạy cột đối với asen lần hai trên vật liệu GB...............................61

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của α-Fe2o3 (a) và γ-Fe2o3 (b) .............................................23
Hình 1.2. Cơ chế hình thành oxit sắt trong mạng PVA .................................................25
Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp oxit bằng phương pháp đốt cháy gel PVA ...........................32
Hình 2.2. Sơ đồ chế tạo vật liệu Fe2O3/bentonit............................................................33
Hình 2.3. Thiết bị phân tích nhiệt labsysevo .................................................................35
Hình 2.4. Hiện tượng các tia x nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn ........................37
Hình 2.5. Kính hiển vi điện tử quét Fesem (hitachi s-4800) .........................................38
Hình 2.6. Kính hiển vi điện tử truyền qua tem (h-7600, hitachi) ..................................39
Hình 2.7. Hình ảnh máy hấp thụ nguyên tử analyst 200 ...............................................43
Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel .............................................................47
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ở các nhiệt độ nung khác nhau ..................48
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các giá trị pH khác nhau ..................48
Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các tỉ lệ AT:PVA khác nhau ............49
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau .........49
3+

Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các tỉ lệ Fe /(AT+PVA) khác nhau 50
Hình 3.7. Ảnh SEM (a) và TEM (b) của oxit Fe2O3 .....................................................51
Hình 3.8. Đồ thị xác định điểm điện tích không của oxit nano Fe2O3 ..........................52
Hình 3.9. Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(V) của Fe2O3 kích thước nanomet ..............53
Hình 3.10. Ảnh SEM của bentonit trước khi phủ Fe2O3 ...............................................54
Hình 3.11. Ảnh SEM của bentonit sau khi phủ Fe2O3 ..................................................55
Hình 3.12. Đường cong đẳng nhiệt hấp phụ asen của vật liệu GB1(a), GB2 (b) và
GB3 (c) ..........................................................................................................................57


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận văn

Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm môi trường nước nói
riêng đang trở nên ngày càng nghiêm trọng. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ
thuật và công nghệ, môi trường sống của con người ngày càng bị ô nhiễm, ảnh hưởng
trực tiếp đến đời sống và sức khỏe con người, trong đó nghiêm trọng nhất là môi
trường nước. Thật không khó để chúng ta bắt gặp những thông tin về ô nhiễm môi
trường trên các phương tiện truyền thông. Có rất nhiều nguyên nhân gây ra tình trọng
ô nhiễm môi trường hiện nay mà chúng ta có thể kể đến đó là sự phát triển kinh tế, sự
phát triển về công nghiệp, nông nghiệp, quá trình đô thị hóa và rất nhiều các nguyên
nhân khác nữa.
Nguồn nước chủ yếu được khai thác là nước ngầm. Nước ngầm thường chứa các
chất có hại cho sức khỏe của con người như kim loại, hợp chất lưu huỳnh, hợp chất
nito, halogel và một số các hợp chất khác. Đặc biệt Asen (còn gọi là thạch tín) là một
nguyên tố có hại cho sức khỏe con người như mẩn ngứa, ung thư.
Các phương pháp hóa học, hóa- lý được lựa chọn để xử lý nước như kết tủa, hấp
thụ, hấp phụ, trao đổi ion, oxi hóa khử, tạo phức, keo tụ, sa lắng, lọc màng và thẩm
thấu ngược. Tùy trong yêu cầu cụ thể mà chọn phương pháp xử lý đơn lẻ hay tổ hợp.
Nhu cầu về nước sạch ngày càng tăng cả về chất lượng và số lượng. Trong một vài
năm tới chúng ta phải đảm bảo cho 80% dân số được sử dụng nước sạch. Để đáp ứng
nhu cầu nước sinh hoạt cho người dân, nhất là những hộ dân đang sử dụng nước từ các
giếng khoan ở những vùng nước ngầm ô nhiễm asen, vấn đề loại bỏ asen là cần thiết
và cấp bách.
Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng của vật liệu mới vào xử lý môi
trường đặc biệt là môi trường nước ngầm, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật
liệu kích thước nano sắt oxit trên nền bentonit để xử lý asen trong nước ngầm” để
nghiên cứu.
Dựa trên các kết quả thực hiện đề tài, hướng ứng dụng công nghệ chế tạo vật
liệu có kích thước nanomet trong lĩnh vực môi trường nước đáp ứng một phần nhu cầu
về nước sạch hiện nay được đề xuất.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tổng hợp được vật liệu kích thước nano sắt oxit trên nền bentonit.

1


- Đánh giá được khả năng hấp phụ xử lý asen trong nước ngầm của vật liệu có
kích thước nano sắt oxit, sắt oxit / bentonit.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu sắt oxit trên nền bentonit có kích thước nano bằng
phương pháp đốt cháy gel PVA.
- Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành pha của vật
liệu như nhiệt độ nung, pH tạo gel, tỉ lệ theo thể tích KL/PVA, nhiệt độ tạo gel,....
- Phân tích đặc trưng cấu trúc tính chất của vật liệu.
- Thử nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ xử lý asen trong nước ngầm của vật
liệu nano sắt oxit và vật liệu sắt oxit-bentonit..

2


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Nước ngầm và tình hình ô nhiễm
Nhu cầu của nước sinh hoạt và công nghiệp tồn tại song song với sự phát triển
của con người, ở đâu có nước thì ở đó có sự sống. Thực tế lượng nước dự trữ trên trái
đất hiếm hoi mà nhu cầu sử dụng lại lớn. Để đáp ứng nhu cầu dùng nước con người
không ngừng tìm các nguồn gốc khác nhau là nước mặt và nước ngầm. Nước mặt là
nước trong ao, hồ, sông, suối. Nước sông chảy qua nhiều vùng đất khác nhau vì thế lẫn
nhiều tạp chất hàm lượng cặn cao ( nhất là vào mùa lũ) có nhiều chất hữu xơ, rong tảo,
vi trùng, đều bị ô nhiễm. Nguồn nước ngầm có được là do sự thẩm thấu của nước mặt,
nước mưa, nước trong không khí, qua các tầng vỉ đất đá tạo nên những túi nước trong
lòng đất. Trong quá trình thẩm thấu một phần nước bị giữ lại ở các khe núi hay các lỗ
xốp của các tầng đất đá tạo nên các tầng ngậm nước. Thông thường nước ngầm di

chuyển qua một số lớp như: sỏi, cát thô, cát trung, cát mịn và đá vôi. Cho đến tầng
không ngấm nước (đất sét và hoàng thổ). Nước ngầm có ưu điểm là tính ổn định, ít bị
ô nhiễm hơn nước mặt. Việc chọn nguồn nước là quá trình rất phức tạp, ngoài vấn đề
kinh tế thì việc đánh giá chất lượng nước luôn được xem là quan trọng. Việc đánh giá
thường được thực hiện thông qua một số chỉ tiêu của nước, qua đó có thể xác định
công nghệ xử lý thích hợp tùy theo những khu vực nhất định có những điều kiện cụ thể
mà cần đánh giá khảo sát cho phù hợp.
1.1.1. Asen và độc tính của Asen
Asen là nguyên tố phổ biến thứ 20 trong các nguyên tố có trên bề mặt trái đất.
Nó nằm ở vị trí 33 trong bảng tuần hoàn, được xem là một dạng á kim có độc tính
tương tự các kim loại nặng như chì, thủy ngân. Vỏ trái đất chỉ chứa một hàm lượng rất
nhỏ asen (~0,0001%); tuy nhiên, nó lại phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Trong tự
nhiên, nguyên tố asen tồn tại ở dạng nguyên chất với ba dạng hình thù (dạng α có màu
vàng, dạng β có màu đen, dạng γ có màu xám). Nguyên tố asen cũng tồn tại ở một số
dạng ion khác [30].
Asen thường tồn tại dưới dạng hợp chất. Chính các hợp chất của asen mới là
những chất độc cực mạnh. Các dạng hợp chất As (III) có độc tính cao hơn dạng As(V).
Trong nước, asen tồn tại ở các dạng khác nhau phụ thuộc vào pH dung dịch.
-

2-

3-

Dạng oxianion của As(V) có 4 dạng gồm H3AsO4, H2AsO4 , HAsO4 và AsO4 tương
ứng với khoảng pH < 2; 2-7; 7-12 và > 12 [30,32] với các giá trị pKa như sau:
+

-H
H3AsO4pK = 2,1

a

H2AsO4

-

+

-H
2pKa = 6,7 HAsO4
3

+

-H AsO 34
pKa = 11,2


-

Dạng oxianion của As(III) có 4 dạng gồm H3AsO3, H2AsO3 , HAsO3

2-

và

3-

AsO3 [27] với các giá trị pKa như sau:

H3AsO3

+

-H
pKa = 9,1

-

H2AsO3

+

2-H
HAsO3
pKa = 12,1

-H+ AsO 33
pKa = 13,4

Asen là nguyên tố vi lượng, rất cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của
con người và sinh vật nhưng phải ở một mức độ nhất định. Asen đóng vai trò trong
trao đổi chất nuclein, tổng hợp protit và hemoglobin.
Khi hàm lượng asen vượt quá mức cho phép (0,01mg/l đối với nước sinh hoạt,
nước uống) thì chúng rất nguy hiểm. Bởi vì nó có khả năng tấn công vào các nhóm
hoạt động –SH của enzim, làm cản trở hoạt động của engim:

Các enzim sản sinh năng lượng của tế bào (ATP) trong chu trình của axit nitric bị ảnh
hưởng rất lớn bởi sự hình thành phức của engim với As(III).

Do có sự tương tự về tính chất hóa học với photpho, asen can thiệp vào một số
quá trình hóa sinh làm rối loạn photpho. Trong cơ thể, chất sinh năng lượng chủ yếu là
adennozin triphotphat (ATP). Một giai đoạn quan trọng trong quá trình hình thành và
phát triển của ATP là tổng hợp enzim của 1,3-diphotphoglixerat từ glixerandehit-3photphat. Phức 1-aseno-3-photpho glixerat được tạo thành khi có mặt asen sẽ gây cản


trở giai đoạn này. Sự photpho hóa được thay bằng sự asen hóa, quá trình này kèm theo
sự thủy phân tự nhiên tạo thành 3-photphoglixerat và asenit.
As(III) ở nồng độ cao làm đông tụ các protein là do sự tấn công liên kết của
nhóm sunfua bảo toàn các cấu trúc bậc 2 và bậc 3.
Như vậy, asen có 3 tác dụng hóa sinh là: làm đông tụ protein, tạo phức với
enzim và phá hủy quá trình photpho hóa.

Các chất chống tính độc của asen là chất có chứa nhóm –SH như 2,3đimecaptopropanol (HS-CH2-CH(SH)-CH2OH) có khả năng tạo liên kết với As(III).
Nhu cầu về nước sạch ngày càng tăng cả về chất lượng và số lượng. Trong một
vài năm tới chúng ta phải đảm bảo cho 80% dân số được sử dụng nước sạch. Nguồn
nước chủ yếu được khai thai thác là nước ngầm. Theo thống kê chưa đầy đủ cả nước
hiện nay có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan, trong đó nhiều giếng có nồng độ asen cao
hơn nhiều lần nồng độ cho phép.
Các dạng asen trong nước ngầm phụ thuộc vào trạng thái và tính chất của nước.
Dạng As tồn tại chủ yếu trong nước ngầm là H2AsO4- (trong môi trường pH đến gần
trung tính), HAsO4- (trong môi trường kiềm). Hợp chất H3AsO+ được hình thành chủ
yếu trong môi trường oxi-hóa khử yếu. Các hợp chất As hữu cơ có độ hòa tan kém
hơn, đặc biệt là phức Asen-acid fulvic trong môi trường có pH trung tính và nghèo Ca.
Tại những vùng trầm tích núi lửa, một số khu vực quặng phong hóa nguồn gốc nhiệt
dịch, mỏ dầu – khí, mỏ than thường giàu asen.
1.1.2. Sự ô nhiễm asen trong môi trường nước ở Việt Nam và trên thế giới
Tốc độ công nghiệp hoá, đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực
ngày càng nặng nề đối với môi trường nước. Môi trường nước bị ô nhiễm bởi các chất
5

vô cơ và hữu cơ. Trong số các chất ô nhiễm vô cơ, kim loại nặng gây ra nhiều tác hại
nguy hiểm đối với con người và môi trường sống của động thực vật trong nước ô
nhiễm. Một trong các kim loại nặng đặc biệt nguy hiểm là asen vì nó làm ảnh hưởng
rất lớn đến sức khỏe của con người ở nhiều nước trên thế giới. Achentina, Mexico, Chi
Lê, Mỹ, Trung Quốc, Mông Cổ, Thái Lan, Philippin, Đài Loan, Ấn Độ, Bangladet và
Việt Nam là các quốc gia có sự ô nhiễm asen đáng báo động [47]. Bangladet được
đánh giá là nước có mức độ ô nhiễm asen trong nước sinh hoạt cao nhất với nguy cơ
gây tử vong hàng trăm nghìn người. Tại các nước phát triển, asen cũng được tìm thấy
trong nước và các hoạt động công nghiệp như khai khoáng. Vụ ô nhiễm asen trong
nước ngầm ở Bangladet được coi là vụ ngộ độc asen lớn nhất trong lịch sử loài người.
Hiện tượng nước uống nhiễm độc asen không chỉ đe dọa người dân Bangladet; các
nghiên cứu mới đây cho thấy, vấn đề này đã ảnh hưởng đến cuộc sống của người dân
17 nước trên thế giới, trong đó có nửa tỉ dân ở khu vực châu thổ sông Hằng. Năm
1991, lần đầu tiên thế giới phát hiện ra ô nhiễm asen trong nước ngầm tại Đài Loan, số
người bị ảnh hưởng lên tới 100.000.
Ở Việt Nam, asen trong nước ngầm đã phát hiện được đầu tiên vào năm 1993,
sau đó tổ chức Y tế thế giới WHO và UNICEF nhận thấy cấu trúc địa chất của Việt
Nam có những đặc thù tương tự như của Bangladet nên đã khuyến cáo về khả năng có
thể có sự hiện diện của asen trong nước ngầm. Theo thông báo của Bộ Tài nguyên và
Môi trường các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ như Hà Nam, Hà Nội, Hưng Yên, Hải Dương,
Vĩnh Phúc đều có hiện tượng ô nhiễm asen. Trên bản đồ điều tra về tình hình ô nhiễm
asen của nước ngầm tại thành phố Hà Nội và một số khu vực ngoại thành cho thấy sự
báo động về tình hình ô nhiễm asen trong nước ngầm, chỉ rất ít những khu vực có
nồng độ asen ở mức an toàn còn lại chủ yếu nồng độ asen đều vượt ngưỡng cho phép,
đặc biệt khu vực phía nam Hà Nội có nơi nồng độ asen > 0,3 mg/l, lớn hơn 30 lần chỉ
tiêu cho phép [24].
Không chỉ ở đồng bằng Bắc Bộ, khu vực miền Trung cũng có biểu hiện ô
nhiễm asen với mức độ khác nhau. Khu vực đồng bằng sông Cửu Long mức độ ô

nhiễm tương đối nặng nề, đặc biệt là các tỉnh Long An, Đồng Tháp, An Giang, Kiên
Giang.

6


Theo đánh giá của WHO, nước ta có trên mười triệu người có thể phải đối mặt
với nguy cơ tiềm tàng về nhiễm độc asen.
1.1.3. Tác hại của asen đối với con người
Asen (còn gọi là thạch tín) là 1 nguyên tố phân tán trên trái đất, hầu như có mặt
trong tất cả các mẫu đất đá, khoáng vật và trong các mẫu động thực vật. Asen tồn tại
trong tự nhiên thường ở dạng As(III) và As(V) trong đó trạng thái As(III) thường độc
hơn trạng thái As(V).
Từ lâu con người biết đến ô nhiễm asen qua đường hô hấp và đường tiêu hóa.
Đối với con người asen tích lũy trong gan, thận, hồng cầu, hemoglobin và đặc biệt tụ
tập trong não, xương, da, phổi và tóc.
Sự ô nhiễm asen xuất hiện như một thảm họa môi trường đối với sức khỏe con
người. Các biểu hiện đầu tiên của bệnh nhiễm độc asen là chứng sạm da, dầy biểu bì,
sừng hóa từ đó dẫn đến hoại thư hay ung thư da. Các điều tra tại Đài Loan đã tìm thấy
một loạt sự liên quan giữa việc nhiễm asen với các bệnh tắc nghẽn mạch máu ngoại
biên (bệnh chân đen vì các chi bị chuyển thành mầu đen do bị hoại thư). Ngày nay
khoa học đã chứng minh được asen còn là nguyên nhân của rất nhiều căn bệnh nguy
hiểm khác như ung thư thận, phổi, bàng quang, ruột kết, mũi. Điểm đặc biệt nguy hiểm
là cả hai dạng As(III) và As(V) đều là các chất dễ hòa tan trong nước và không mầu,
không vị do đó không thể phát hiện bằng trực giác. Sự phát hiện người nhiễm asen rất
khó do những triệu chứng của bệnh phải từ 5-15 năm sau mới xuất hiện. Chính vì thế
mà các nhà khoa học gọi chúng là “sát thủ vô hình”. Và điều đáng lưu ý là asen độc
gấp bốn lần so với thủy ngân. Nếu bị ngộ độc cấp tính bởi asen sẽ có biểu hiện: khát
nước dữ dội, đau bụng, nôn mửa, tiêu chảy, mạch đập yếu, mặt nhợt nhạt rồi thâm tím,
bí tiểu và tử vong nhanh. Nếu bị nhiễm độc asen ở mức độ thấp, mỗi ngày một lượng

dù nhỏ nhưng trong một thời gian dài sẽ gây mệt mỏi, buồn nôn và nôn, hồng cầu và
bạch cầu giảm, da sạm, rụng tóc, sút cân, giảm trí nhớ, mạch máu bị tổn thương, rối
loạn nhịp tim...
Đáng tiếc là mặc dù đã tốn rất nhiều đầu tư trong y học nhằm tìm kiếm thuốc và
phác đồ điều trị các bệnh liên quan đến nhiễm độc asen nhưng cho đến nay cộng đồng
y học thế giới vẫn chưa tìm ra một giải pháp hữu hiệu nào.

7


1.2. Tổng quan về bentonite
1.2.1. Thành phần của bentonite
Bentonit là loại khoáng sét thiên nhiên phyllosilicat nhôm hút nước thuộc nhóm
smectit. Thành phần chính của bentonit là montmorillonit (MMT), ngoài ra còn có một
số khoáng chất khác như quartz, cristobalit, feldespar, biotit, kaolinit, illit, pyroxen,
zircon, calcit,... Công thức đơn giản nhất của montmorillonit (Al2O3.4SiO2.nH2O) ứng
với nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Công thức lý tưởng của montomrillonit là
Si8Al4O20(OH)4 cho một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên, thành phần hoá học của
montmorillonit luôn khác với thành phần biểu diễn theo lý thuyết do có sự thay thế
3+

2+

2+

đồng hình của các cation kim loại như Al , Fe , Mg ,… với Si trong tứ diện và Al
trong bát diện [1].
Khoáng sét xuất hiện trong tự nhiên với sự biến thiên trong thành phần phụ
thuộc trên nhóm của họ và nguồn gốc của chúng. Công thức phân tử chung của MMT
+

được biết thông thường là (M+x.nH2O)(Al2-yMgx)Si410(OH)2, trong đó M là cation
+

+

+

2+

2+

trao đổi giữa lớp (M = Na , K , Mg hay Ca ), trong điều kiện lý tưởng, x = 0,33
[2].
Như vậy thành phần hoá học của montmorillonit với thành phần chủ yếu là các
nguyên tố Si và Al, còn có các nguyên tố như Mg, Fe, Na, Ca,…Ngoài ra trong
khoáng có thêm một số nguyên tố vi lượng khác như: Ti, Tl,... Trong đó tỷ lệ của
Al2O3 : SiO2 dao động từ 1:2 đến 1:4.
Ở Việt Nam có một trữ lượng dồi dào song mới được khai thác trong phạm vi
nhỏ và mới được sử dụng làm vật liệu gốm, vật liệu xây dựng,... mà chưa được nghiên
cứu nhiều để nâng cao tính năng sử dụng.
1.2.2. Tính chất của bentonite
Bentonit thể hiện một số tính chất đặc trưng là trương nở, kết dính, hấp phụ, trơ,
nhớt và dẻo. Do những tính chất này mà bentonite được ứng dụng từ xa xưa như làm
đồ gia dụng: bát, đĩa, chum, vại... vầ ngày nay được sử dụng làm chất xúc tác, chất tạo
huyền phù trong sơn, thuốc nhuộm, khử giấy...
- Tính dẻo: Do có cấu trúc lớp, có độ xốp cao, có khả năng trương nở mạnh trong
nước nên bentonit có tính nhớt và dẻo.
- Tính kết dính: khi kết hợp với nước, bentonite có tính kết dính mạnh, ứng dụng
nhiều trong đời sống hang ngày.

8


- Tính co: khi đem bentonite nung với nhiệt, nước trong bentonite sẽ bị bay hơi, dẫn
đến sự giảm thể tích.
- Tính keo tụ lưu biến: vì bentonit có tính nhớt, kết hợp với kích thước hạt bé, lại
phức tạp nên khi hấp thụ một lượng nước nhất định, bentonit có tính lưu biến.
- Tính trơ: bentonit trơ và bền hóa học nên không độc, có thể ăn được. Người ta dùng
bentonit làm chất độn trong dược phẩm, thức ăn gia súc, mỹ phẩm, làm chất lọc sạch
và tẩy màu cho bia, rượu vang và mật ong.
- Tính hấp phụ: Tính chất hấp phụ của bentonit được quyết định bởi đặc tính bề mặt
và cấu trúc mao quản của nó. Với kích thước hạt nhỏ hơn 2 μm và do đặc điểm của
cấu trúc mạng lưới tinh thể, bentonit có diện tích bề mặt riêng lớn. Diện tích bề mặt
của bentonit gồm diện tích bề mặt ngoài và bề mặt trong. Diện tích bề mặt trong được
xác định bởi bề mặt của khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể. Do
khoảng cách cơ bản giữa các lớp bị thay đổi phụ thuộc vào loại cation trao đổi giữa
các lớp, phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của chất bị hấp phụ, nên bề mặt trong của
bentonit cũng bị thay đổi trong quá trình hấp phụ. Diện tích bề mặt ngoài được xác
định bởi bề mặt của các mao quản hình thành giữa các hạt bentonit. Diện tích bề mặt
ngoài phụ thuộc vào kích thước hạt bentonit. Hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt ngoài
càng lớn [3]. Khả năng hấp phụ của bentonit còn phụ thuộc vào tính chất, kích thước,
hình dạng của các chất bị hấp phụ. Các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối
lượng phân tử nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao đổi nằm
ở giữa các lớp; liên kết với các cation đó qua các phân tử nước, nên phụ thuộc vào số
lượng phân tử nước liên kết ở không gian giữa các lớp. Nếu các chất hữu cơ phân cực
có kích thước và khối lượng phân tử lớn, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào vị trí oxy
đáy của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bởi lực VanderWalls hoặc liên kết hiđro. Với
các chất hữu cơ không phân cực, chất cao phân tử và đặc biệt là vi khuẩn thì sự hấp
phụ chỉ xảy ra trên bề mặt ngoài của bentonit. Nhờ khả năng hấp phụ lớn và đa dạng
mà bentonit được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong nền kinh tế với

vai trò là một vật liệu hấp phụ tự nhiên. Việc nghiên cứu tính chất hấp phụ của
bentonit có ý nghĩa khoa học cũng như ý nghĩa thực tiễn rất lớn.
- Tính trương nở: Khi kết hợp với nước, các phân tử phân cực hoặc các cation bị hấp
phụ vào khe trống giữa các lớp sẽ làm tăng chiều dày lớp cấu trúc, tăng thể tích của
bentonit ban đầu. Độ trương nở là mức độ tăng thể tích khi bị làm ướt nước. Độ trương
nở của bentonite phụ thuộc vào bản chất cation trao đổi trên bề mặt lớp sét. Mức độ
9


trương nở còn phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, sự thay thế đồng hình của các ion
trong các lớp và sự có mặt của các ion, các phân tử phân cực trong môi trường phân
tán. Lượng nước được hấp phụ vào giữa các lớp sét phụ thuộc vào khả năng hydrat hóa
của các cation trao đổi.
- Tính trao đổi cation: đặc trưng cơ bản của bentonite là khả năng trao đổi ion vì trên
bề mặt của các lớp sét có các trung tâm (O, OH) mang điện tích âm có khả năng hấp
phụ và trao đổi cation. Đồng thời, tính chất đó có được là do sự thay thế đồng hình của
các cation. Ví dụ như khi Si

4+

trong mạng tứ diện bị thay thế bởi Al

3+

2+

3+

3+

3+

3+

hoặc Fe , hoặc

2+

Al trong mạng bát diện bị thay thế bởi Mg , Fe , Cr , Zn ..., sự thay thế các ion
điện tích cao này bằng các ion điện tích thấp hơn sẽ gây ra sự thiếu hụt điện tích dương
trong cấu trúc tứ diện và bát diện tạo ra điện tích âm trên bề mặt phiến sét. Do đó liên
kết của cation với bề mặt lớp sét là liên kết yếu và các cation đó có thể bị thay thế bởi
các cation khác. Đối với bentonit, sự thay thế đồng hình chủ yếu xảy ra trong lớp bát
diện, ở giữa hai lớp tứ diện của phiến sét. Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc
vào lượng điện tích âm bề mặt và số lượng ion trao đổi. Nếu số lượng điện tích âm
càng lớn, số lượng cation trao đổi càng lớn thì dung lượng trao đổi càng lớn.
1.3. Hấp phụ và trao đổi ion của vật liệu
1.3.1. Phương pháp trao đổi ion
Cơ sở của phương pháp dựa trên quá trình trao đổi ion bề mặt chất rắn với các
ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là các
chất ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước. Các chất có khả
năng trao đổi ion dương từ dung dịch điện ly gọi là các cationit, những chất này mang
tính axit. Các chất có khả năng trao đổi ion âm gọi là các anionit, chúng mang tính
kiềm. Các ion có khả năng trao đổi cả cation và anion gọi là ionit lưỡng tính. Chất trao
đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay được tổng hợp:
- Các chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên: zeolit, đất sét, fespat...
- Các chất trao đổi ion có nguồn gốc vô cơ tổng hợp: silicagen, các oxit và hidroxit
khó tan của 1 số kim loại: Al, Cr, Zn...
- Các chất trao đổi ion hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên: axit humic của đất (chất mùn).
- Các chất trao đổi ion tổng hợp gồm các khung polumer hữu cơ được gắn các nhóm

có khả năng trao đổi với các anion, cation như: RSO3.RCOOH,ROH...Phương pháp
này có lợi thế về nhiều mặt:
- Cho phép thu hồi chất có giá trị với mức độ làm sạch cao.
10


- Thiết bị vận hành đơn giản.
- Vật liệu có thể tái sinh được nhiều lần.
Trong thực tế, nhựa trao đổi ion cần đến 60% thể tích bình chứa và 40% còn lại
là thể tích dung dịch đi vào. Do vậy, phương pháp này phù hợp cho quy trình sản xuất
nhỏ, còn với quy trình sản xuất lớn bị hạn chế.
1.3.2. Phương pháp hấp phụ
Khi xem xét các quy trình công nghệ xử lý nước, người ta chú ý nhiều đến
phương pháp hóa lý. Phương pháp hấp phụ là một phương pháp được biết từ xa xưa,
như trong việc lọc nước bằng than, cát, sỏi...mà trước đây con người đã xây dựng
thành nền kỹ thuật lọc nước sạch phục vụ đời sống.
Nước bị ô nhiễm thường chứa nhiều loại chất tan khác nhau, khó tách lọc bằng
những phương pháp thông thường, nếu dùng phương pháp oxi hóa-khử để loại bỏ
chúng thì khá tốn kém và thường gặp nhiều khó khăn, nhưng dùng phương pháp hóa lý
hấp phụ thì có thể đạt hiệu quả cao hơn. Người ta thường xử dụng các loại chất hấp
phụ như than hoạt tính, than củi... để xử lý; còn đối với các chất tan phân cực như các
2+

2+

-

2-

ion kim loại, cation kim loại kiềm thổ (Ca , Mg ...), anion gốc axit (Cl ,SO4 ,...) thì

dùng các chất hấp phụ có khả năng hấp phụ hóa học các chất phân cực như các chất
hấp phụ vô cơ, chất hấp phụ vật liệu tổng hợp như polyurethane, sợi polistiren,...
Trong nhiều giai đoạn của quá trình công nghệ xử lý nước, ta có thể thấy không
thể thiếu được vai trò của chất hấp phụ, bởi vì, muốn xử lý triệt để các chất ô nhiễm
trong nước thì việc dùng các chất hấp phụ thường cho hiệu quả cao; đồng thời có
nhiều kiểu loại chất hấp phụ cho phép tách loại các chất tan gây ô nhiễm ở hai dạng:
các chất vô cơ và các chất hữu cơ (hay các chất phân cực và không phân cực).
Điều này cho thấy tính ưu việt của phương pháp hấp phụ và vai trò của các chất
hấp phụ là rất quan trọng, rất cần thiết trong các quá trình làm sạch nước, xử lý nước
từ đó tìm kiếm và nghiên cứu chế tại các chất hấp phụ thích hợp dùng trong phương
pháp xử lý.
1.3.2.1. Khái niệm chung
Hấp phụ là phương pháp tách chất, trong đó các cấu tử từ hỗn hợp lỏng hoặc
khí hấp phụ trên bề mặt chất rắn, xốp.
Chất hấp phụ: Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ.
Chất bị hấp phụ: Chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ
Chất mang: Hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ
11


Quá trình hấp phụ là hiện tượng tăng nồng độ của một chất (lỏng hoặc khí) trên
bề mặt của một chất rắn so với nồng độ của chúng trong môi trường liên tục [16]. Chất
rắn được gọi là chất hấp phụ, chất bị thu hút lên bề mặt chất rắn được gọi là chất bị
hấp phụ. Quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt tiếp xúc giữa chất rắn (chất hấp
phụ) và môi trường liên tục. Hiện tượng xảy ra ngược lại với hấp phụ là khử hấp phụ.
Trong hấp phụ, các phân tử (nguyên tử hoặc ion) của chất bị hấp phụ liên kết
với bề mặt chất hấp phụ bằng các lực tương tác khác nhau. Tùy thuộc vào kiểu lực hấp
phụ, người ta chia thành hai dạng hấp phụ: hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học.
1.3.2.2. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
 Hấp phụ vật lý

Hấp phụ vật lí (HPVL) gây ra do lực tương tác Van der Valls giữa các phân tử
(hoặc các nhóm phân tử), lực này yếu dần và giảm nhanh theo khoảng cách giữa các
phân tử. Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không
tạo thành hợp chất hoá học (không tạo thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ
chỉ ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ. Do vậy,
trong quá trình hấp phụ vật lý không có sự biến đổi đáng kể cấu trúc diện tử của cả
chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Hấp phụ vật lý có thể dễ dàng tái sinh vật liệu sau quá
trình hấp phụ mà bản chất vật liệu không thay đổi, tốc độ hấp phụ diễn ra nhanh. Tuy
nhiên quá trình diễn ra chậm hơn hấp phụ hóa học, không có tính chọn lọc cao và tốn
chi phí cho việc hoàn nguyên vật liệu, thường được ứng dụng thực tế để hấp phụ hơi
nước bằng silicagen, than hoạt tính hấp phụ SO2.
 Hấp phụ hóa học
Hấp phụ hóa học (HPHH) được thực hiện bởi lực liên kết hóa học giữa chất hấp
phụ và bị hấp phụ, liên kết này tương đối bền và khó bị phá vỡ. Nhiệt hấp phụ hóa học
tương đương với nhiệt phản ứng hóa học và có thể đạt tới giá trị 100 kcal/mol. Cấu
trúc điện tử của cả chất hấp phụ và chất bị hấp phụ dều có sự biến dổi sâu sắc, tạo
thành liên kết hóa học. Hấp phụ hóa học có tốc độ hấp phụ nhanh và có tính chọn lọc
với chất bị hấp phụ, tuy nhiên chi phí vật liệu hấp phụ hóa học cao và không có khả
năng hoàn nguyên, được ứng dụng thực tế để hấp phụ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
bằng Al2O3-zeolit.

12


Thông thường trong một hệ luôn tồn tại đồng thời hai quá trình HPVL và
HPHH. Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trình HPVL, khi tăng nhiệt độ khả năng
HPVL giảm và khả năng HPHH tăng lên.
 Quá trình giải hấp phụ
Giải hấp phụ là quá trình tách chất hấp phụ trên bề mặt chất rắn ra ngoài dung
dịch. Ðây là phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đặc trưng về hiệu quả

kinh tế. Quá trình này dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình
hấp phụ:
- Giảm hàm lượng chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ đối
với hấp phụ vật lý.
- Thay đổi bản chất tương tác của hệ thống thông qua thay đổi pH của môi trường.
- Tăng nhiệt độ làm lệch hệ số cân bằng: làm yếu tương tác giữa chất hấp phụ và chất
bị hấp phụ.
- Sử dụng tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã bị hấp phụ trên bề mặt chất
hấp phụ cũ.
- Sử dụng tác nhân vi sinh vật để phục vụ quá trình giải hấp phụ.
1.3.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của vật liệu
Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của vật liệu gồm có: bản chất liên kết
giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, thời gian, áp suất.
Thời gian tiếp xúc giữa chất rắn và chất hòa tan khi cân bằng có sự trao đổi động
lực giữa các phân tử của pha hấp phụ và các phân tử ở lại trong dung dịch.
Áp suất của chất khí (nếu chất lỏng là áp suất thủy tĩnh): áp suất tăng hấp phụ
tăng.
Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự linh động của các phân tử, phân tử càng
linh động càng khó để thực hiện hấp phụ chúng (giữ vào bề mặt hấp phụ). Nhiệt độ
tăng thì bề mặt chất hấp phụ cũng tăng (chắc chắn là không nhiều) điều này có lợi cho
cả hấp phụ và nhả hấp phụ.
Bản chất hấp phụ và bị hấp phụ: với chất hấp phụ chính là bề mặt hấp phụ, được
2

đặc trưng bằng đại lượng bề mặt riêng (m /g). Bề mặt riêng càng lớn hấp phụ càng tốt.
Còn với chất bị hấp phụ chính là việc sự tương thích với chất hấp phụ.

13

1.3.2.4. Cân bằng hấp phụ, một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Trong một hệ hấp phụ, quá trình hấp phụ xảy ra đến lúc nào đó nồng độ chất bị
hấp phụ ở pha liên tục và trên bề mặt chất hấp phụ có một cân bằng động được xác
định. Đường đẳng nhiệt hấp phụ là đường biểu diễn sự phụ thuộc lượng chất bị hấp
phụ trên bề mặt chất rắn vào nồng độ cân bằng của nó ở pha liên tục tại một nhiệt độ
xác định. Trong thực tế, thường sử dụng một số phương trình đẳng nhiệt như:
Langmuir, Freundlich, Brunauer- Emmett- Teller (BET)…[16].
a. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
Đường đẳng nhiệt hấp phụ là đường mô tả sự phụ thuộc giữa dung lượng hấp
phụ tại thời điểm vào nồng độ cân bằng của chất hấp phụ trong dung dịch (hay áp suất
riêng phần trong pha khí) tại thời điểm đó. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể xây
dựng tại một nhiệt độ nào đó bằng cách cho một lượng xác định chất hấp phụ vào
dung dịch chất bị hấp phụ có nồng độ đã biết. Sau một thời gian xác định nồng độ cân
bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch. Tuỳ theo bản chất của quá trình hấp phụ mà
người ta đưa ra các dạng phương trình đẳng nhiệt hấp phụ khác nhau để mô tả quá
trình hấp phụ đó. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir được áp dụng rộng rãi
cho quá trình hấp phụ đơn lớp với các giả thiết sau:
- Các phần tử được hấp phụ đơn lớp trên bề mặt chất hấp phụ.
-Một tâm hấp phụ chỉ hấp phụ một phân tử (nguyên tử) chất bị hấp phụ. Sự hấp phụ là
chọn lọc.
-Giữa các phần tử chất hấp phụ không có tương tác qua lại với nhau.
-Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về năng lượng, nghĩa là sự hấp phụ xảy ra trên bất kì
chỗ nào với cùng một giá trị nhiệt hấp phụ. Nói cách khác, trên bề mặt chất hấp phụ
không có những trung tâm hoạt động.
- Giữa các phần tử trên lớp bề mặt và bên trong lớp thể tích có cân bằng động học.
Nghĩa là ở trạng thái cân bằng tốc độ hấp phụ bằng tốc độ khử hấp phụ.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir cho sự hấp phụ chất tan trong dung dịch
trên bề mặt rắn có dạng sau :
q

qmax .b.C f
(1 b.C f )

Trong đó: q là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng.