Nghiên cứu khả năng xử ly ô nhiễm As và Mn trong môi trường nước của vật liệu tổ hơp Graphen bùn đỏ (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

HOÀNG ĐỨC THUẬN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ Ô NHIỄM As
VÀ Mn TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC CỦA VẬT
LIỆU TỔ HỢP GRAPHEN – BÙN ĐỎ
Ngành: Khoa học môi trường
Mã ngành: 8 44 03 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. Hà Xuân Linh

Thái Nguyên - 2018


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu khả năng xử lý ô nhiễm As và Mn
trong môi trường nước của vật liệu tổ hợp graphen – bùn đỏ” là do bản thân tôi
thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin
chịu trách nhiệm.

Thái nguyên, tháng

năm 2018

Tác giả luận văn

Hoàng Đức Thuận


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn TS. Hà Xuân Linh, thầy giáo trực
tiếp hướng dẫn em làm luận văn này. Cảm ơn các thầy, cô giáo Khoa Khoa học môi
trường, các thầy cô Phòng Đào tạo, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại
học nông lâm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi và giúp
đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu, để hoàn thành luận văn khoa học.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Đặng Văn Thành, Ban giám hiệu
Trường Đại học Y Dược - Đại học Thái Nguyên đã cho phép em sử dụng cơ sở vật
chất và trang thiết bị trong quá trình thực hiện các công việc thực nghiệm.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi nguồn kinh phí của đề tài nghiên cứu đề tài
B2017-TNA-47 và DH2017-TN01-04 do TS. Hà Xuân Linh chủ trì. Em xin chân
thành cảm ơn sự giúp đỡ to lớn này.
Em cũng xin cảm ơn TS. Lê Hữu Phước, TS Nguyễn Văn Chiến tại Khoa Khoa
học và Kĩ thuật Vật liệu, Đại học Quốc gia Chiao Tung, Hsinchu, Đài Loan đã giúp đỡ
các phép đo SEM, TEM.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình, tất cả bạn
bè thân thiết đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như
trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành báo cáo này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu
của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu sót. Em rất
mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp
và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn
được hoàn thiện hơn.

Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng

năm 2018

Tác giả

Hoàng Đức Thuận


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... x
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................ 3
Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................... 4
1.1. Tổng quan về Asen và Mangan ....................................................................... 4
1.1.1. Asen và các phương pháp xử lý Asen ....................................................... 4
1.1.1.1. Tính chất vật lý và hóa học của Asen. ................................................ 4
1.1.1.2. Độc tính của Asen. .............................................................................. 5
1.1.1.3. Tình hình ô nhiễm Asen hiện nay. ...................................................... 6

1.1.1.4. Các phương pháp xử lý Asen. ............................................................. 6
1.1.2. Mangan và các phương pháp xử lý Mangan ............................................. 9
1.1.2.1. Tính chất vật lý và tính chất hóa học của mangan .............................. 9
1.1.2.2. Độc tính của Mangan .......................................................................... 9
1.1.2.3. Tình hình ô nhiễm Mangan hiện nay ................................................ 10
1.1.2.4. Các phương pháp xử lý Mangan. ...................................................... 11
1.1.3. Một số nghiên cứu chất hấp phụ để loại bỏ As(III) và Mn(II) trong
môi trường nước ................................................................................................ 12
1.1.3.1. Một số nghiên cứu chất hấp phụ để loại bỏ As(III) trong môi
trường nước .................................................................................................... 13
1.1.3.2. Một số nghiên cứu chất hấp phụ để loại bỏ Mn(II) trong môi
trường nước .................................................................................................... 14


iv

1.2. Giới thiệu chung về vật liệu hấp phụ graphen – bùn đỏ ................................ 15
1.2.1. Vật liệu hấp phụ ...................................................................................... 15
1.2.2. Bùn đỏ ..................................................................................................... 16
1.2.2.1. Nguồn gốc của bùn đỏ....................................................................... 16
1.2.2.2. Thành phần và đặc điểm của bùn đỏ. ................................................ 16
1.2.2.3. Tình hình bùn đỏ ở Tây Nguyên. ...................................................... 17
1.2.2.4. Các phương pháp xử lý bùn đỏ. ........................................................ 18
1.2.2.5. Một số kết quả nghiên cứu sử dụng bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ..... 19
1.2.3. Graphene ................................................................................................. 21
1.2.3.1. Giới thiệu chung về graphen ............................................................. 21
1.2.3.2. Một số kết quả nghiên cứu sử dụng graphene làm vật liệu hấp phụ . 22
1.2.4. Tổ hợp vật liệu graphen – bùn đỏ ........................................................... 23
Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ......................................................................................................... 25

2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 25
2.2.1. Đối tượng nghiên cứu.............................................................................. 25
2.2.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 25
2.2. Nội dung nghiên cứu...................................................................................... 25
2.2.1. Chế tạo và xác định đặc trưng cấu trúc, hình thái, kích thước của vật
liệu hấp phụ ....................................................................................................... 25
2.2.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) và Mn(II) của vật liệu hấp phụ... 25
2.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 26
2.3.1. Phương pháp chế tạo và xác định đặc trưng cấu trúc, hình thái, kích
thước của vật liệu hấp phụ ................................................................................ 26
2.3.1.1. Phương pháp chế tạo vật liệu ............................................................ 26
2.3.1.2. Phương pháp xác định đặc trưng cấu trúc, hình thái, kích thước
của vật liệu hấp phụ ........................................................................................ 27
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) và Mn(II) của vật
liệu hấp phụ ....................................................................................................... 27
2.3.2.1. Phương pháp xác định điểm đẳng điện của VLHP .................................. 29


v

2.3.2.2. Phương pháp khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ
As(III), Mn(II) của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh ........................... 29
2.3.2.3. Phương pháp thử nghiệm khả năng xử lý mẫu nước thực chứa ion
As(III), Mn(II) ................................................................................................ 30
2.3.3. Phương pháp phân tích kết quả ............................................................... 31
2.3.3.1. Phương pháp xác định nồng độ ion sau hấp phụ............................... 31
2.3.3.2. Phương pháp phân tích khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ ....... 32
Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................................... 35
3.1. Chế tạo và xác định đặc trưng cấu trúc, hình thái, kích thước của vật liệu
hấp phụ .................................................................................................................. 35

3.1.1. Chế tạo vật liệu hấp phụ .......................................................................... 35
3.1.2. Xác định đặc trưng cấu trúc, hình thái, kích thước của vật liệu hấp phụ 36
3.2. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) và Mn(II) của vật liệu .......... 39
3.2.1. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ ....................................... 39
3.2.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ As(III) và Mn(II)
của vật liệu hấp phụ ........................................................................................... 40
3.2.2.1. Xác định đường chuẩn của Mn(II) .................................................... 40
3.2.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH .............................................................. 41
3.2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ..................................................... 46
3.2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng VLHP ...................................... 49
3.2.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu As(III), Mn(II) ...................... 52
3.2.2.6. Khảo sát dung lượng hấp phụ ion As(III), Mn(II) theo mô hình
hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ........................................................................ 55
3.2.2.7. Khảo sát dung lượng hấp phụ ion As(III), Mn(II) theo mô hình
hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich ....................................................................... 58
3.2.2.8. Động học hấp phụ ion As(III) và Mn(II) của VLHP ........................ 60
3.2.3. Thử nghiệm khả năng xử lý mẫu nước thực chứa As(III), Mn(II) của vật liệu 64
3.2.3.1. Khả năng xử lý mẫu nước thực chứa As(III), Mn(II) bằng phương
pháp tĩnh ......................................................................................................... 64


vi

3.2.3.1. Khả năng xử lý mẫu nước thực chứa As(III), Mn(II) bằng phương
pháp động ....................................................................................................... 65
KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 68
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ............................................. 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 71

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

SEM

Scanning Electron
Microscope

EDX

Energy-dispersive X-ray
spectroscopy

Phổ tán xạ năng lượng tia X

Single-walled carbon
nanotubes

Ống cacbon nano đơn vách

SWCNTs

Ống nano cacbon đơn vách hoạt

hóa axit

SWCNT-COOH
TEM

ICP - OES
VLHP

Hiển vi điện tử quét

Transmission Electron
Microscopy
Inductively coupled plasma
optical emission
spectrometry

Hiển vi điện tử truyền qua

Đo phổ phát xạ plasma cảm ứng
Vật liệu hấp phụ


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Thành phần nguyên tố của bùn đỏ Bảo Lộc (phương pháp phổ huỳnh
quang tia X – XRF) ....................................................................................................... 17
Bảng 1.2. Thành phần nguyên tố của bùn đỏ tại nhà máy Alumin Lâm Đồng ............ 17
Bảng 1.3. Thành phần bùn đỏ lấy từ nhà máy hóa chất Tân Bình tại thành phố

Hồ Chí Minh ................................................................................................................ 17
Bảng 3.1: Kết quả xác định điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ (VLHP) .............. 39
Bảng 3.2. Kết quả đo độ hấp thụ quang Mn(II) với các nồng độ khác nhau ............ 41
Bảng 3.3: Sự phụ thuộc dung lượng và hiệu suất hấp phụ As(III) vào pH ............... 42
Bảng 3.4: Sự phụ thuộc dung lượng và hiệu suất hấp phụ Mn(II) vào pH ............... 43
Bảng 3.5: So sánh pH tối ưu của vật liệu RMGC với một số loại vật liệu hấp
phụ khác......................................................................................................................... 44
Bảng 3.6: Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ As(III)
của VLHP ...................................................................................................................... 47
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ Mn(II)
của VLHP ...................................................................................................................... 47
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ
As(III) ............................................................................................................................ 50
Bảng 3.9: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ
As(III) ............................................................................................................................ 50
Bảng 3.10: Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ
As(III) ............................................................................................................................ 53
Bảng 3.11: Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ
Mn(II) ............................................................................................................................ 53
Bảng 3.12: Dung lượng hấp phụ cực đại qmax và hằng số Langmuir b...................... 56


ix

Bảng 3.13: So sánh khả năng hấp phụ của tổ hợp vật liệu với các vật liệu hấp
phụ khác......................................................................................................................... 57
Bảng 3.14: Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của lgq vào lgCcb trong quá trình hấp
phụ ion As(III), Mn(II) của VLHP .............................................................................. 58
Bảng 3.15: Các hằng số của phương trình Freundlich ............................................... 59
Bảng 3.16: Số liệu khảo sát động học hấp phụ ion As(III) và Mn(II) ....................... 60

Bảng 3.17: Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 đối với ion As(III) và Mn(II)........... 63
Bảng 3.18: Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 đối với ion As(III) và Mn(II) ............. 63
Bảng 3.19: Kết quả xử lí mẫu nước chứa As(III), Mn(II) theo phương pháp tĩnh ........ 64
Bảng 3.20: Kết quả loại bỏ As (III), Mn(II) khỏi nước mặt ....................................... 66


x

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Ảnh hưởng của pH đến dạng tồn tại của Asen [44] ...................................... 4
Hình 1.2: Ảnh hưởng của Asen lên da tay con người ................................................... 5
Hinh 1.3. Cấu trúc hóa học của một vài loại graphene ............................................... 21
Hình 2.1. Chế tạo vật liệu tổ hợp Graphen – Bùn đỏ .................................................. 26
Hình 2.2. Bố trí cột hấp phụ theo phương pháp hấp phụ động .................................. 31
Hình 3.1: Dung dịch điện ly (a) Bóc tách graphit (b) Sau điện ly (c) Lọc hút chân
không (d) Vật liệu hấp phụ sau sấy khô (e) ................................................................ 35
Hình 3.2: Ảnh SEM của (a) RM, (b) EEG, (c) độ phóng đại thấp and (d) độ
phóng đại cao RMGC.................................................................................................. 36
Hình 3.3: Ảnh TEM của EEG và RMGC ................................................................... 37
Hình 3.4: Phổ EDS của RMGC ghi đồng thời với quan sát ảnh TEM ......................... 37
Hình 3.5: Giản đồ XRD của RM, EEG và RMGC ..................................................... 38
Hình 3.6: Phổ Raman của EEG và RMGC ................................................................. 38
Hình 3.7: Đồ thị xác định điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ ................................. 40
Hình 3.8: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II) ............................................ 41
Hình 3.9: Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ As(III) vào pH ......................................... 43
Hình 3.10: Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ Mn(II) vào pH........................................ 44
Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởngcủa thời gian đến hiệu suất hấp phụ As(III)
của VLHP .................................................................................................................... 48
Hình 3.12: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởngcủa thời gian đến hiệu suất hấp phụ Mn(II)

của VLHP .................................................................................................................... 48
Hình 3.13: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ
As(III) .......................................................................................................................... 51


xi

Hình 3.14: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ
Mn(II) .......................................................................................................................... 51
Hình 3.15: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ban đầu của ion As(III) ................ 54
Hình 3.16: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ban đầu của ion Mn(II) ................ 54
Hình 3.17: Đường đẳng nhiệt hấp ............................................................................... 56
phụ của VLHP đối với As(III) .................................................................................... 56
Hình 3.18: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với As(III) ....................................... 56
Hình 3.19: Đường đẳng nhiệt hấp phụ của VLHP đối với Mn(II).............................. 56
Hình 3.20: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Mn(II) ...................................... 56
Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc lgq vào lg Ccb đối với sự hấp phụ ion
As(III) .......................................................................................................................... 59
Hình 3.22: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc lgq vào lg Ccb đối với sự hấp phụ ion
Mn(II) .......................................................................................................................... 59
Hình 3.23: Đồ thị tuyến tính của động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren
với ion As(III) ............................................................................................................. 61
Hình 3.24: Đồ thị tuyến tính của động học hấp phụ biểu kiến bậc hai Lagergren
với ion As(III) ............................................................................................................. 61
Hình 3.25: Đồ thị tuyến tính của động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren
với ion Mn(II).............................................................................................................. 62
Hình 3.26: Đồ thị tuyến tính của động học hấp phụ biểu kiến bậc hai Lagergren
với ion Mn(II).............................................................................................................. 62

1
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của xã hội hiện đại, chất lượng cuộc sống của
con người ngày càng được nâng cao. Tuy nhiên kèm theo đó là sự ô nhiễm ngày càng
gia tăng của môi trường sống phát sinh từ các hoạt động công nghiệp và dân sinh. Các
hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp thuộc da, công nghiệp điện tử, mạ điện, lọc hóa
dầu hay công nghệ dệt nhuộm… đã tạo ra các nguồn ô nhiễm chính chứa các ion kim
loại nặng như: As, Mn, Pb, Cr… Những kim loại này có liên quan trực tiếp đến các
biến đổi gen, ung thư cũng như ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Một trong
các nhóm chất độc hại được qui định ngặt nghèo về hàm lượng giới hạn cho phép trong
bất kì một tiêu chuẩn nào cho các loại nguồn nước là nhóm các kim loại As, Mn. Do có
độc tính cao, nếu các kim loại này xâm nhập vào cơ thể sẽ gây ảnh hưởng nghiêm
trọng đến sức khỏe con người. Tuy nhiên, trước khi đưa ra môi trường hầu hết các kim
loại này chưa được xử lý hoặc chỉ xử lý sơ bộ, do vậy đã gây ô nhiễm môi trường, đặc
biệt là môi trường nước. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết phải xử lý nước thải nói
chung và nước thải có As, Mn nói riêng trước khi thải chúng ra môi trường.
Hiện nay, có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm loại bỏ các ion kim loại
nặng nước ô nhiễm như: phương pháp hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp
trao đổi ion,…), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học,… Trong đó, phương
pháp hấp phụ được áp dụng rộng rãi và cho kết quả rất khả thi. Thông thường, xử lý
nước thải bằng phương pháp hấp phụ sử dụng than hoạt tính được đánh giá là một
phương pháp hữu hiệu. Tuy nhiên, hiện nay than hoạt tính (được xem là chất hấp
phụ phổ biến nhất) chủ yếu làm bằng gáo dừa nên giá thành cao, nguồn cung hạn
chế. Gần đây, tận dụng lại chất thải công nghiệp sử dụng làm vật liệu hấp phụ là xu
hướng được quan tâm do ưu thế chi phí thấp.
Bùn đỏ là chất thải sinh ra trong quá trình sản xuất oxit nhôm từ quặng bauxite
theo công nghệ Bayer. Nó là hỗn hợp bùn nhão với hàm lượng chất rắn khoảng từ
20% đến 80% về khối lượng. Kích thước hạt trung bình của bùn đỏ từ 2 - 100µm

nên gây bụi trong không khí. Tuy nhiên, yếu tố gây hại nhất của bùn đỏ là pH cao,


2
pH > 12 (do sử dụng xút để chế biến bauxite) là nguy cơ chính gây ô nhiễm nguồn
nước và môi trường nên khi chảy ra ngoài môi trường sẽ phá hủy hoặc làm nguy hại
đến các sinh vật khi tiếp xúc với chúng, làm suy giảm chất lượng nước mặt và nước
ngầm. Tuy nhiên, bùn đỏ sau khi xử lý lại có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ để xử
lý nước thải ô nhiễm. Bên cạnh đó, việc sử dụng graphene làm vật liệu hấp phụ
trong những năm gần đây đang là đề tài thu hút được rất nhiều các nhà khoa học
trong và ngoài nước tham gia nghiên cứu. Tuy nhiên, tận dụng môi trường pH cao
của bùn đỏ để chế tạo thành vật liệu tổ hợp graphene/ bùn đỏ ứng dụng hấp phụ As,
Mn hiện tại chưa có các công bố. Thực tế trong thời gian qua, nhóm chúng tôi đã
bước đầu nghiên cứu chế tạo các vật liệu graphene, tổ hợp graphene-bùn đỏ để xử
lý hấp phụ metylene xanh, Cd trong môi trường nước. Các kết quả nghiên cứu cho
thấy tổ hợp vật liệu graphene-bùn đỏ có khả năng xử lý rất hiệu quả metylene xanh,
Cd trong môi trường nước. Tuy nhiên, mở rộng nghiên cứu khả năng xử lý ô nhiễm
cho các nguyên tố ô nhiễm As, Mn trong môi trường nước đòi hỏi thêm nhiều các
khảo sát chi tiết hơn.
Vì những lý do trên, tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng xử lý ô nhiễm
As và Mn trong môi trường nước của vật liệu tổ hợp graphen – bùn đỏ”.Việc
thực hiện đề tài trên không những đem lại lợi ích kinh tế, xã hội mà còn có ý nghĩa
quan trọng trong việc bảo vệ môi trường, phù hợp với chiến lược bảo vệ môi trường
quốc gia Việt Nam định hướng mục tiêu đến năm 2020 là “Hình thành và phát triển
ngành công nghiệp tái chế chất thải”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
2.1. Mục tiêu tổng quát
- Nghiên cứu, chế tạo được vật liệu mới và thử nghiệm khả năng xử lý ô
nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước
2.2. Mục tiêu cụ thể

- Chế tạo được vật liệu tổ hợp graphene – bùn đỏ.
- Nghiên cứu khả năng xử lý ô nhiễm As và Mn trong nước của tổ hợp vật liệu
graphen – bùn đỏ sử dụng phương pháp hấp phụ.


3
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
3.1. Ý nghĩa khoa học
- Nâng cao trình độ nghiên cứu khoa học cho học viên được đào tạo. Việc thực
hiện đề tài sẽ tạo điều kiện để các cán bộ trong nhóm nghiên cứu có cơ hội được cập
nhật với các vấn đề khoa học thời sự hiện nay trên thế giới, cũng như tự đào tạo để
nâng cao năng lực nghiên cứu.
- Làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sau về ứng dụng xử lý ô nhiễm
của vật liệu tổ hợp graphene - bùn đỏ.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
+ Tận dụng các phế thải của nông nghiệp và công nghiệp bùn đỏ thành vật liệu
hấp phụ.
+ Các số liệu thu thập, tổng hợp, phân tích được chính xác có thể sử dụng làm
căn cứ để đề xuất các giải pháp phù hợp.
+ Góp phần phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường.


4
Chương 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan về Asen và Mangan
1.1.1. Asen và các phương pháp xử lý Asen
1.1.1.1. Tính chất vật lý và hóa học của Asen.
Asen (As) hay còn gọi là thạch tín có số hiệu nguyên tử 33 trong hệ thống tuần
hoàn Mendeleev, được nhà bác học Albertus Magnus tìm thấy đầu tiên năm 1250.

Asen là một nguyên tố bán kim loại rất phổ biến và xếp thứ 20 trong tự nhiên,
chiếm khoảng 0,00005% trong vỏ trái đất, xếp thứ 14 trong nước biển và thứ 12
trong cơ thể người. Asen di chuyển trong tự nhiên nhờ các hoạt động của thời tiết,
của hệ sinh vật, các hoạt động địa lý, các đợt phun trào núi lửa và các hoạt động của
con người [37].
Tùy theo từng điều kiện môi trường mà Asen có thể tồn tại ở nhiều trạng
thái oxi hóa khác nhau: -3, 0, +3,+5. Trong nước tự nhiên, Asen tồn tại chủ yếu ở
2 dạng hợp chất vô cơ là asenat As(V), asenit As(III). As(V) là dạng tồn tại chủ
yếu của asen trong nước bề mặt và As(III) là dạng chủ yếu của Asen trong nước
ngầm. Dạng As(V) hay các asenat gồm AsO43-, HAsO42-, H2AsO4-, H3AsO4; còn
dạng As(III) hay các asenit gồm H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32- và AsO33- [37].
Hình 1.1 cho thấy tại pH trung tính, H 3AsO 3 chiếm tỉ lệ chính trong khi
chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ (<1%) và sự có mặt của
là không có ý nghĩa.

Hình 1.1: Ảnh hưởng của pH đến dạng tồn tại của Asen [44]

và


5
Trong nước ngầm Asen tồn tại ở trạng thái yếm khí dưới dạng As(III) và dạng
trung tính. Khi tiếp xúc với không khí (nước mặt) một phần lớn As(III) bị chuyển
thành As(V). Các hợp chất của As(III) có tính độc cao hơn. Asen ở dạng đơn chất
và dạng hợp chất đều có tính chất vừa kim loại vừa không kim loại nên được gọi là
nguyên tố nửa kim loại.
1.1.1.2. Độc tính của Asen.
Asen là chất cực kì độc hại, theo IARC (Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc
tế, 2004) đã công nhận asen nguyên tố và các hợp chất của asen như là các chất gây
ung thư nhóm 1. Nguồn nước ngầm nhiễm nồng độ asen cao, lâu dài có thể làm gia

tăng những căn bệnh ảnh hưởng do asen như các bệnh liên quan đến da, phổi, bàng
quang và ưng thư thận, cũng như thay đổi sắc tố da, rối loạn thần kinh, suy nhược
cơ thể, chán ăn, buồn nôn [26, 37].
Biểu hiện lâm sàng của bệnh rất đa dạng, do Asen gây tác hại rộng rãi tới chức
năng của nhiều hệ cơ quan: thần kinh, tim mạch, tiêu hóa, hô hấp... Mức độ tổn
thương phụ thuộc vào độ nhạy cảm của từng cá thể, vào liều lượng và thời gian tiếp
xúc. Quá trình phát triển bệnh âm ỉ, kéo dài. Nguy cơ mắc bệnh tăng ngay cả khi
uống nước có nồng độ Asen < 0,05mg/l. Bệnh thường phát triển sau khi tiếp xúc
một thời gian dài ủ bệnh (5-10 năm, có thể là lâu hơn).

Hình 1.2: Ảnh hưởng của Asen lên da tay con người
Ngoài ra Asen có thể làm tổn thương thần kinh, ảnh hưởng đến việc sinh
sản ở phụ nữ và tăng nguy cơ mắc bệnh xơ gan, thiếu máu, rối loạn chuyển hóa
protein và đường.
Mặc dù có tính độc như trên, song không phải tất cả các dạng Asen đều độc và
kể cả những dạng Asen có tính độc thì ở hàm lượng nhỏ Asen lại có khả năng kích


6
thích sự phát triển của sinh vật. Theo các công trình nghiên cứu, thì Asen vô cơ độc
hơn Asen hữu cơ.
1.1.1.3. Tình hình ô nhiễm Asen hiện nay.
Hiện nay trên thế giới có hàng chục triệu người đã bị bệnh đen và rụng móng
chân, sừng hoá da, ung thư da… do sử dụng nguồn nước sinh hoạt có nồng độ asen
cao. Nhiều nước đã phát hiện hàm lượng asen rất cao trong nguồn nước sinh hoạt
như Canada, Alaska, Chile, Arhentina, Trung Quốc, India, Thái Lan, Bangladesh,…
Ở Việt Nam, theo số liệu nghiên cứu của Tổng cục Thủy lợi (Bộ NN&PTNT,
năm 2012) về phân bố asen trong đất và nước tại Hà Nội, khoảng 1/4 số hộ gia đình
sử dụng trực tiếp nước ngầm không xử lý ở khu vực ngoại thành bị ô nhiễm nặng,
trong đó nước có chứa asen, tập trung tại các huyện Thanh Trì, Gia Lâm.

Hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản tại xã Hà Thượng-Đại Từ-Thái
Nguyên diễn ra đã làm cho môi trường đất, nước ở đây bị ô nhiễm nghiêm trọng,
đặc biệt là sự ô nhiễm Asen. Tác giả Vi Thị Mai Hương cùng cộng sự [9] đã trình
bày nghiên cứu bước đầu về ảnh hưởng của sự ô nhiễm Asen đối với sức khỏe
người dân tại xã Hà Thượng. Kết quả quan trắc chất lượng nước mặt xã Hà Thượng
cho thấy: hàm lượng Asen tại suối Thủy Tiên 8/2010 là 3,34 mg/L vượt QCVN 334
lần và hàm lượng Asen trong nước suối Cát 8/2011 là 0,061 mg/L vượt tiêu chuẩn
cho phép 6,1 lần. Hàm lượng As trong nước ngầm tại các điểm quan trắc dao động
trong khoảng 0,075 – 4,074 mg/L.
Cũng theo khảo sát của nhóm tác giả thuộc Trường Đại học Nông Lâm Thái
Nguyên đăng trên Tạp chí Khoa học Đất số 36/2011, hầu hết các mẫu đất tại các
khu vực khai khoáng đều có biểu hiện ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt, một số mẫu
gần khu sinh sống của dân cư cũng đang bị ô nhiễm. Cụ thể, hàm lượng asen tại mỏ
sắt Trại Cau và mỏ thiếc Đại Từ vượt chuẩn 12 mg/L.
1.1.1.4. Các phương pháp xử lý Asen.
* Các phương pháp hóa học:
Thông thường xử lý As (V) có hiệu quả hơn xử lý As (III). Nhiều hệ thống xử
lý bao gồm cả bước oxy hóa chuyển đổi As(III) thành As(V). Quá trình oxy hóa


7
không loại bỏ asen khỏi dung dịch nhưng nâng cao hiệu quả các quá trình xử lý tiếp
theo như cộng kết tủa, hấp phụ, lọc.
- Oxy hóa bằng không khí: Quá trình diễn ra chậm, thời gian đến hàng tuần.
Quá trình oxy hóa có thể được xúc tác bằng vi khuẩn, axit mạnh hoặc dung dịch
kiềm, đồng, bột cacbon hoạt tính và nhiệt độ cao [2].
- Oxy hóa bằng tác nhân hóa học: Oxy hóa trực tiếp bởi nhiều chất khác như
Clo, hypoclorit, ozon, permanganate, H2O2, tác nhân Fenton (H2O2/Fe2+)[3].
- Oxy hóa và loại asen bằng năng lượng mặt trời (SORAS): Sử dụng phản ứng
oxy hóa quang hóa As(III) thành As(V) nhờ ánh sáng mặt trời, sau đó tách As(V) ra

khỏi nước nhờ hấp phụ bằng các hạt Fe(III) [1].
* Các phương pháp hóa lý:
- Kết tủa và lọc [7]: Muối nhôm và Sắt được thêm vào nước sẽ hình thành
dung dịch hydroxit không hòa tan. Những hydroxit kim loại kết tủa kéo theo Asen
theo cơ chế cộng kết – hấp phụ. Hiệu quả xử lý ở quy mô phòng thí nghiệm có thể
đạt tới 99% ở các điều kiện tối ưu và nồng độ Asen còn dưới 1 ppb. Còn với các hệ
thống xử lý thực tiễn ngoài hiện trường thì hiệu quả xử lý thấp hơn trong khoảng
59-90%.
- Làm mềm bằng vôi: Quá trình làm mềm nước bằng vôi có hiệu quả trong
việc loại bỏ các ion gây độ cứng đồng thời cũng có hiệu quả trong việc loại bỏ asen
tương tự như quá trình kết tủa với muối kim loại.
*Phương pháp hấp phụ:
- Hấp phụ lên vật liệu có thành phần là Sắt: Mạt Sắt (Sắt kim loại), Sắt
hydroxit, các vật liệu phủ Sắt, oxit Sắt là những vật liệu được sử dụng cho quá trình
hấp phụ asen từ nước ngầm. Hiệu quả loại bỏ Asen vô cơ ra khỏi dung dịch của Sắt
đạt trên 95% ở cả trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường [8].
- Hấp phụ lên nhôm và các hợp chất của nhôm: oxit nhôm hoạt hóa có khả
năng hấp phụ cao hơn 10 lần so với các vật liệu thông thường khi có mặt ion cạnh
tranh. Nhôm hoạt hóa sử dụng xử lý hiệu quả đối với nước có hàm lượng chất rắn
hòa tan cao. Tuy nhiên, nếu trong nước có các hợp chất của selen, florua, clorua,
sulfat với hàm lượng cao chúng có thể cạnh tranh vị trí hấp phụ.


8

- Hấp phụ lên vật liệu có thành phần Mangan dioxit.
- Trao đổi ion: Đây là quá trình trao đổi giữa các ion trong pha rắn và
pha lỏng, không làm thay đổi cấu trúc chất rắn. Vật liệu trao đổi ion có ưu điểm
là có thể sử dụng dung dịch muối NaCl đậm đặc để hoàn nguyên hạt trao đổi đã
bão hòa asen.

*Các phương pháp màng:
Sử dụng các loại màng vi lọc (MF), siêu lọc (UF), lọc Nano (NF) và thẩm thấu
ngược (RO) để lọc nước loại bỏ asen với hiệu quả loại bỏ và chi phí đầu tư cũng
như có những ưu nhược điểm khác nhau.
*Phương pháp sinh học:
Xử lý asen bằng công nghệ vi sinh đang được xem như phương pháp thay thế
các biện pháp kĩ thuật thông thường. Hơn nữa nó còn khá mới mẻ không chỉ ở Việt
Nam mà cả trên thế giới. Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy, phương pháp oxi hóa
bằng vi sinh mang lại rất nhiều ưu điểm như không gây ô nhiễm, không cần giai
đoạn xử lý phụ như phương pháp clo hóa, nhưng tốn kém trong công đoạn hoàn
nguyên vật liệu như trao đổi cation.
Parknikar (1998) [39] mô tả hai loại tương tác giữa vi khuẩn và kim loại để
loại bỏ asen: 1 là vi khuẩn oxy hóa và kết tủa As(III) với As(V) và 2 là tích lũy asen
trong sinh khối vi sinh vật.
Lehimans và cộng sự (2001) [36] tiến hành nghiên cứu áp dụng lọc sinh học
để loại bỏ asen (III), trạng thái oxy hóa của asen khó xử lý nhất. Khi nước ngầm qua
lớp cát lọc, asen bị giữ lại trên các kết tủa oxit sắt được hình thành liên tục nhờ hoạt
động của vi khuẩn sắt. Kết luận rằng ở nhiệt độ, độ pH và điều kiện oxy hóa tối ưu
và có đủ sắt thì lọc sinh học cho phép loại bỏ đồng thời cả Fe và As.
Nhìn chung, các cách xử lý trên đều mắc phải một số nhược điểm chung là công
nghệ phức tạp, phải kết hợp nhiều phương pháp, giá đầu tư và chi phí vận hành quá cao
và đòi hỏi trình độ kỹ thuật. Do đó, việc ứng dụng với quy mô công nghiệp ở nước ta
vẫn còn nhiều hạn chế. Công nghệ xử lý bằng phương pháp hấp phụ với vật liệu là phụ
phẩm công nghiệp là một hướng đi phù hợp với thực tiễn sản xuất ở nước ta.


9
1.1.2. Mangan và các phương pháp xử lý Mangan
Mangan chiếm khoảng 1000 ppm (0,1%) trong vỏ Trái Đất, đứng hàng thứ 12
về mức độ phổ biến của các nguyên tố [28]. Đất chứa 7–9000 ppm mangan với hàm

lượng trung bình 440 ppm. Nước biển chỉ chứa 10 ppm mangan và trong khí quyển
là 0,01 µg/m3. Mangan có mặt chủ yếu trong pyrolusit (MnO2), braunit,
(Mn2+Mn3+) (SiO2) [27], psilomelan (Ba,H2O)2Mn5O10, và ít hơn trong rhodochrosit
(MnCO3).
1.1.2.1. Tính chất vật lý và tính chất hóa học của mangan
Mangan là kim loại màu trắng xám, giống sắt. Nó là kim loại cứng và rất giòn,
khó nóng chảy, nhưng lại bị ôxi hóa dễ dàng. Mangan kim loại chỉ có từ tính sau
khi đã qua xử lý đặc biệt [30]. Kim loại mangan và các ion phổ biến của nó có tính
chất thuận từ [33].
Trạng thái ôxi hóa phổ biến của nó là +2, +3, +4, +6 và +7, mặc dù trạng thái
ôxi hóa từ +1 đến +7 đã được ghi nhận. Mn2+ thường tương tác với Mg2+ trong
các hệ thống sinh học, và các hợp chất có mangan mang trạng thái ôxi hóa +7 là
những tác nhân ôxi hóa mạnh như Mn2O7 [30]. Các hợp chất có trạng thái ôxy hóa
+5 (lam) và +6 (lục) là các chất ôxy hóa mạnh.
Trạng thái ôxy hóa ổn định nhất là mangan +2, nó có màu hồng nhạt, và một
số hợp chất mangan (II) đã được biết như mangan(II) sulfat (MnSO4) và mangan(II)
clorua (MnCl2). Trạng thái ôxy hóa này cũng được gặp trong khoáng rhodochrosit,
(mangan(II) cacbonat). Trạng thái ôxy hóa +2 là trạng thái được sử dụng trong các
sinh vật sống cho chức năng cảm giác; các trạng thái khác đều là chất độc đối với
cơ thể con người [41].
1.1.2.2. Độc tính của Mangan
Mangan có mặt trong nước ở dạng ion hòa tan Mn(II). Nếu ở hàm lượng
nhỏ dưới 0,1mg/lít thì mangan có lợi cho sức khỏe. Tuy nhiên nếu hàm lượng
mangan cao từ 1-5mg/L sẽ gây ra không ít ảnh hưởng đến một số cơ quan nội
tạng của cơ thể.
Sự tích lũy mangan trong tóc: Tóc được tạo thành từ các sợi keratin (còn gọi là
sừng) cứng gồm các nguyên tố hóa học chủ yếu là C, H, O, N và một số kim loại
khác trong đó có mangan với hàm lượng thường là <0,3 mg/kg [32]. Khi vào cơ thể,

10
mangan sẽ được lưu giữ và tích lũy trong tóc với nồng độ cao hơn hàng trăm lần so
với trong các loại mô khác [32]. Sự có mặt của mangan trong tóc giúp chúng ta xác
định được tình trạng nhiễm độc không chỉ ở thể cấp tính mà cả nhiễm độc trường
diễn [18]. Thêm vào đó, việc lấy mẫu tóc dễ dàng, bảo quản mẫu không quá khó
khăn. Do đó, tóc được xem là một chỉ thị hữu hiệu cho việc nghiên cứu sự nhiễm
độc mangan mãn tính với thời gian phơi nhiễm lâu dài như sự phơi nhiễm mangan
từ nước ngầm.
Ở Việt Nam, vấn đề ô nhiễm mangan trong nước ngầm mới chỉ được xem xét
trong vài năm gần đây. Do đó, những nghiên cứu về sự tích lũy mangan trong tóc
người dân còn rất ít. Trong một cuộc khảo sát được tiến hành năm 2005, hàm lượng
mangan trung bình trong mẫu tóc người dân huyện Gia Lâm (n=20) là 15,5 mg/kg
và người dân huyện Thanh Trì (n=39) là 38,9 mg/kg [45]. Không chỉ từ nguồn
nước, những công nhân làm việc tại các khu khai thác mỏ cũng bị ảnh hưởng bởi sự
phơi nhiễm mangan trong môi trường.
1.1.2.3. Tình hình ô nhiễm Mangan hiện nay
Tình trạng ô nhiễm mangan trong nước ngầm đang xảy ra tại nhiều quốc gia
trên thế giới, trong đó đáng chú ý nhất là ở Băng-la-đét, Cam-pu-chia và đồng bằng
sông Mê-kông [43].
Agusa và cộng sự (2005) đã tìm thấy nồng độ asen, mangan và bari cao khi
phân tích 25 mẫu nước giếng khoan tại 2 huyện vùng ngoại ô Hà Nội là Gia Lâm và
Thanh Trì. Giá trị trung vị của nồng độ mangan ở cả Gia Lâm và Thanh Trì đều lớn
hơn 1 mg/L, 76% số mẫu nước ngầm có nồng độ mangan cao hơn tiêu chuẩn cho
phép của WHO (0,4 mg/L)
Tình trạng ô nhiễm nước ngầm ở đồng bằng sông Mê-kông, miền nam Việt
Nam có phần nặng nề hơn so với đồng bằng sông Hồng. Một nghiên cứu đã được
tiến hành vào năm 2007 - 2008 tại 4 tỉnh An Giang (n=107), Đồng Tháp (n=86),
Kiên Giang (n=122) và Long An (n=89) với tổng số mẫu thu thập được là 404 mẫu.
Khoảng nồng độ mangan trong nước thay đổi từ < 0,01 mg/L đến 14 mg/L. Trong
đó, khi xét chung toàn đồng bằng thì 74% số mẫu nước ngầm có nồng độ >

0,05mg/L [29]. Đây là những bằng chứng ban đầu về tình trạng ô nhiễm mangan
trong nước giếng khoan tại Việt Nam.


11
1.1.2.4. Các phương pháp xử lý Mangan.
* Phương pháp làm thoáng
Nguyên lý của phương pháp làm thoáng để loại bỏ mangan ra khỏi nước là
làm giàu oxi, tạo điều kiện để oxi rồi phân hủy tạo thành hợp chất ít tan Mn(II)
thành Mn(IV) kết tủa. Trong quá hình làm thoáng nước , oxi được đưa vào sẽ oxi
hóa 1 số hợp chất hữu cơ, đẩy CO2 ra, làm cho pH của nước tăng đẩy nhanh quá
trình oxy hoá và thuỷ phân mangan trong dây chuyền công nghệ khử mangan.
2Mn(HC03)2 + 02 + 6H20 = 2Mn(OH)4

+ 4H+ + 4HCO3-

(1.1)

(pH tối ưu cho quá trình này là =8.5-9.5)
* Khử Mangan bằng hóa chất
So sánh với phương pháp khử mangan bằng làm thoáng ta thấy, dùng chất oxy
hóa mạnh, phản ứng xảy ra nhanh hơn. Tuy nhiên nếu trong nước có tồn tại các chất
như H2S, NH3 thì chúng sẽ gây ảnh hưởng tới quá trình khử do xảy ra phản ứng:
2H2S + 02 = 2S + 2H20

(1.2)

Khi trong nước nguồn có hàm lượng tạp chất hữu cơ cao, các chất hữu cơ sẽ
tạo ra dạng keo bảo vệ các ion Mangan, như vậy muốn khử Mn phải phá vỡ được
màng hữu cơ bảo vệ bằng tác dụng của các chất ôxy hoá mạnh. Đối với nước ngầm,

khi làm lượng mangan quá cao đồng thời tồn tại cả H2S thì lượng ôxy thu được nhờ
làm thoáng không đủ để ôxy hoá hết mangan và sắt, trong trường hợp này cần phải
dùng đến hoá chất. Các loại hóa chất được dùng để khử Mangan là: Clo (Cl), Kali
Permanganat (KMnO4), H2O2, Vôi (Ca(OH)2)…
3Mn2+ +2Mn04- +40H-

5Mn02

+ 2H20

(1.3)

* Dùng vi sinh vật
Từ thực thế quan sát thấy luôn xuất hiện một số loài vi khuẩn trong các công
trình khử Mangan như bể lọc dù bể lọc được thổi rửa thường xuyên.
Một số loài vi sinh vật có khả năng oxy hóa Mangan trong điều kiện mà quá
trình oxy hóa hóa học xảy ra khó khăn. Các loài vi khuẩn này xúc tiến cho sự oxy
hóa và kết tủa nhanh Mn trong lớp vật liệu lọc - tương đương việc sử dụng chất xúc
tác hay chất oxy hóa/ keo tụ bằng hóa học. Lợi dụng đặc điểm đó, chúng ta có thể
cấy các mầm khuẩn Mn trong lớp cáy lọc của bể lọc, thông qua hoạt động của các


12

vi khuẩn, xác vi sinh vật sẽ tạo thành lớp màng ôxit mangan trên bề mặt hạt vật liệu
lọc. Lớp màng này có tác dụng xúc tác quá trình khử mangan.
* Phương pháp sử dụng vật liệu lọc hấp phụ
So với các phương pháp xử lý nước thải khác, phương pháp hấp phụ có các
đặc tính ưu việt hơn hẳn. Vật liệu hấp phụ được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự
nhiên và các phế thải nông nghiệp, công nghiệp sẵn có [6], dễ kiếm, quy trình xử lý

đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp, chi phí thấp, đặc biệt, các
vật liệu hấp phụ này có độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành
thấp, hiệu quả cao.
Các vật liệu đặc biệt có khả năng xúc tác, đẩy nhanh quá trình ôxy hoá khử
Mn2+ thành Mn4+ và giữ lại trong tầng lọc. Quá trình diễn ra rẩt nhanh chóng và có
hiệu quả cao. Chúng hoạt động như một chất oxi hóa bề mặt dùng để kết tủa
Mangan tạo thành chất bẩn kết tủa bám vào bề mặt các hạt lọc và sẽ được thải ra
ngoài bằng cơ chế rửa ngược. Một số vật liệu phổ biến được sử dụng hiện nay như:
Cát đen, cát xanh mangan, vật liệu đa năng OM-2F và than hoạt tính… bước đầu đã
đem lại hiệu quả. Tuy nhiên thực tế vẫn đòi hỏi các nhà khoa học tìm tòi, chế tạo ra
các loại vật liệu có khả năng hấp thụ cao hơn nữa với chi phí cũng như giá thành rẻ
hơn trong quá trình xử lý các ion kim loại nặng trong nước.
1.1.3. Một số nghiên cứu chất hấp phụ để loại bỏ As(III) và Mn(II) trong môi
trường nước
Hấp phụ là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên bề mặt
một chất rắn xốp hoặc là sự gia tăng nồng độ của chất này trên bề mặt chất khác.
Hiện nay có rất nhiều chất hấp phụ với khả năng hấp phụ khác nhau như: than hoạt
tính, silicagel, nhựa tổng hợp có khả năng trao đổi ion, cacbon sunfua, than nâu,
than bùn, than cốc, đôlomit, cao lanh, tro và các dung dịch hấp phụ lỏng. Bông cặn
của những chất keo tụ (hydroxit kim loại) và bùn hoạt tính từ bể aroten cũng có khả
năng hấp phụ…
Có hai kỹ thuật hấp phụ thường được sử dụng chính đó là: hấp phụ trong
điều kiện tĩnh (phương pháp gián đoạn theo mẻ) hoặc hấp phụ trong điều kiện động
(phương pháp cột).


13
1.1.3.1. Một số nghiên cứu chất hấp phụ để loại bỏ As(III) trong môi trường nước
Basu và các cộng sự [26] đã tổng hợp thành công vật liệu nano Ce(IV)-Fe(III)
và định hướng vào việc xử lý ô nhiễm asen trong nước. Cơ chế hấp phụ As(III)

được cho là do các chất oxi hóa của Ce(IV) gây ra. Dung lượng hấp phụ cực đại đạt
được là 55,5 mg/g và 85,6 mg/g cho sự hấp phụ As(III) và As(V). Ngoài ra, sự xuất
hiện của ion photphat cũng làm giảm khả năng hấp phụ. Thực nghiệm cho thấy rằng
ở nồng độ 50 mg/L sự xuất hiện của ion photphat thì dung lượng hấp phụ cực đại
của As(III) và As(V) giảm xuống còn 29,9 mg/g và 64,8 mg/g.
Tác giả Phạm Ngọc Chức [4] và các cộng sự đã chế tạo thành công các hạt
nano bằng cách tổng hợp các hạt hỗn hợp hệ Mn – Fe. Đã ứng dụng oxit phức hợp
Fe2O3 - Mn2O3 có kích thước nanomet để hấp phụ As(III), As(V), Fe(III) và Mn(II)
ở pH = 7 theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và xác định được dung lượng
hấp phụ cực đại của oxit phức hợp Fe2O3 - Mn2O3 có kích thước nanomet đối với
As(III) là 41,117 mg/g, đối với As(V) là 48,437 mg/g, đối với Fe(III) là 111,04
mg/g, đối với Mn(II) là 98,09mg/g.
Tác giả Lưu Minh Đại [5] và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp được MnO2 kích
thước nanomet và tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố pH, nhiệt độ, nồng
độ, ion cạnh tranh đến quá trình hấp phụ As(V). Kết quả cho thấy, trong khoảng pH
6 ÷ 8,5, dung lượng hấp phụ thay đổi không đáng kể. Trong khoảng nhiệt độ từ 15 ÷
45oC, dung lượng hấp phụ giảm khi nhiệt độ tăng, ∆H = 29,16 kJ/mol. Khi tăng
nồng độ As(V) thì dung lượng hấp phụ tăng và dung lượng hấp phụ cực đại đối với
As(V) là 36,32 mg/g.
Yang và cộng sự [47] đã dùng lá chè xanh biến tính và kết hợp với sự có mặt
của ion Cl- nghiên cứu xử lý As(III) và Ni(II) trong nước. Trong quá trình nghiên
cứu, tác giả đã cho thấy rằng pH tối ưu cho As(III) và Ni(II) tương ứng là pH = 3 và
pH = 7. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir mô tả sự hấp phụ As(III) tốt hơn,
còn Ni(II) thì phù hợp với mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Frendlich. Dung lượng hấp
phụ cực đại cho As(III) và Ni(II) là 0,4212 và 0,3116 mg/g. Ngoài ra, còn tác giả
Hossain và cộng sự [31] cũng nghiên cứu sự hấp phụ asen trên bã chè biến tính kết
hợp với sự có mặt của ion Fe(III) để tăng khả năng hấp phụ.