Nghiên cứu biến tính một số vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên để xử lý Amoni trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Vũ Tuấn Long

Nghiªn cøu biÕn tÝnh mét sè vËt liÖu
hÊp phô cã nguån gèc tù nhiªn §Ó
xö lý amoni trong n−íc

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

HÀ NỘI 2011

1


I HC QUC GIA H NI
TRNG I HC KHOA HC T NHIấN

V Tun Long

Nghiên cứu biến tính một số vật liệu
hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên Để
xử lý amoni trong nớc
Chuyên ngành: Khoa Học Môi Trờng
Mã số

: 60 85 02

LUN VN THC S KHOA HC

Cán bộ hớng dẫn khoa học: PGS.TS ng Kim Loan

H NI 2011

2


MC LC
Mở đầu........................................................................................................................ 1
Chơng 1 - tổng quan ............................................................................................. 3
1.1. Tổng quan về amoni............................................................................................. 3
1.1.1. Amoni trong môi trờng nớc [5] ................................................................. 3
1.1.2. Tác động của amoni tới nguồn nớc và sức khỏe con ngời......................... 4
1.1.3. Hiện trạng về ô nhiễm amoni trong một số nguồn nớc ở Hà Nội................ 5
1.1.4. Các phơng pháp hiện hành cho xử lý amoni trong nớc ............................. 6
1.2. Tổng quan về một số vật liệu có nguồn gốc tự nhiên dùng trong nghiên cứu ... 10
1.2.1. Bùn đỏ.......................................................................................................... 10
1.2.2. Bentonit........................................................................................................ 13
1.2.3. Laterit .......................................................................................................... 15
1.3. Phơng pháp hấp phụ [9] ................................................................................... 16
1.3.1. Khái niệm .................................................................................................... 16
1.3.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ [9] ................................................... 17
1.3.3. Một số nghiên cứu sử dụng chất hấp phụ để loại bỏ amoni trong nớc ...... 20
Chơng 2 - đối tợng và phơng pháp nghiên cứu ................................ 21
2.1. Đối tợng và mục tiêu nghiên cứu ..................................................................... 21
2.2. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất ............................................................................. 22
2.3. Các phơng pháp nghiên cứu ............................................................................. 22
2.3.1. Phơng pháp tổng quan tài liệu ................................................................... 22
2.3.2. Các phơng pháp thực nghiệm ................................................................... 22
2.3.3. Phơng pháp xác định tính chất vật liệu...................................................... 26

2.3.4. Phân tích đánh giá hiệu quả quá trình xử lý ................................................ 27
2.3.5. Phơng pháp tính toán tải trọng hấp phụ của vật liệu [7]............................ 28
Chơng 3 - Kết quả và thảo luận................................................................... 30
3.1. Kết quả xác định đặc trng cấu trúc của các vật liệu ........................................ 30
3.1.1.Bentonit (VL1) ............................................................................................. 30

4


3.1.2. Bùn đỏ (VL2)............................................................................................... 31
3.1.3. Fe(OH)3+ MnO2/Laterit (VL3)................................................................... 32
3.2. Lựa chọn và so sánh khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu......................... 33
3.2.1. So sánh hiệu suất hấp phụ amoni của vật liệu biến tính và vật liệu thô....... 33
3.2.2. Hiệu suất hấp phụ amoni của VL1; VL2; VL3 ........................................... 34
3.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ cực đại của VL1, VL2, VL3............................ 36
3.2.4. So sánh dung lợng hấp phụ cực đại của ba loại vật liệu ............................ 41
3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hởng đến quá trình hấp phụ amoni của VL2 ............ 42
3.3.1. Xác định tổng số tâm axit của VL2............................................................. 42
3.3.2. Khảo sát sự ảnh hởng của pH đến hiệu suất của quá trình hấp phụ .......... 44
3.3.3. Khảo sát sự ảnh hởng của nhiệt độ đến hiệu suất quá trình hấp phụ......... 46
3.3.4. Khảo sát sự ảnh hởng của nồng độ đến hiệu suất quá trình hấp phụ......... 48
3.3.5. Khảo sát ảnh hởng của khối lợng chất hấp phụ đến hiệu suất................. 49
3.4. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ biến tính trên pha động ............ 51
3.4.1. Thiết kế hệ thống hấp phụ ........................................................................... 51
3.4.2. Khảo sát với các tốc độ dòng khác nhau ..................................................... 52
3.4.3. Khảo sát với mẫu nớc thật ......................................................................... 59
3.4.4. Mô hình thí nghiệm tính toán khả năng áp dụng bùn đỏ biến tính xử lý
nớc nhiễm amoni quy mô hộ gia đình. ................................................................ 63
3.5. Khảo sát khả năng tái sinh của vật liệu.............................................................. 63
Kết luận và kiến nghị ...................................................................................... 65

Tài liệu tham khảo............................................................................................ 66

5


Danh mục bảng biểu
Bảng 1. Dạng tồn tại của amoni phụ thuộc vào pH ........................................................3
Bảng 2. Hàm lợng các hợp chất nitơ trớc và sau xử lý ở nhà máy nớc Tơng Mai
và Pháp Vân ................................................................................................................ 5
Bảng 3. Thành phần hóa học của bùn đỏ................................................................... 12
Bảng 4. Thành phần khoáng vật kết tinh trong laterit tự nhiên ................................. 16
Bảng 5. Danh mục các thiết bị, dụng cụ hóa chất sử dụng trong thực nghiệm ......... 22
Bảng 6: So sánh hiệu suất hấp phụ amoni của các loại vật liệu thô và biến tính .... ...........34
Bảng 7: So sánh hiệu suất hấp phụ amoni của ba loại vật liệu ................................. 35
Bảng 8: Khả năng hấp phụ amoni cực đại của VL1 .................................................. 37
Bảng 9: Khả năng hấp phụ amoni cực đại của VL2 .................................................. 38
Bảng 10: Khả năng hấp phụ amoni cực đại của VL3 ................................................ 40
Bảng 11: Kết quả xác định tâm axit trên bề mặt bùn đỏ ........................................... 43
Bảng 12: Kết quả khảo sát hiệu suất hấp phụ amoni của bùn đỏ theo pH ................ 45
Bảng 13: ảnh hởng của nhiệt độ đến hiệu suất của quá trình hấp phụ .................... 47
Bảng 14: Kết quả ảnh hởng của nồng độ amoni đến hiệu suất hấp phụ.................. 49
Bảng 15: Kết quả khảo sát ảnh hởng lợng bùn đỏ tới hiệu suất của quá trình...............50
Bảng 16: Kết quả xác định nitrit và nitrat trớc và sau lọc ....................................... 54
Bảng 17: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ với mẫu nớc pha ở tốc độ 0,5ml/phút ................ 55
Bảng 18: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ với mẫu nớc pha ở tốc độ 1 ml/phút................... 56
Bảng 19: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ với mẫu nớc pha ở tốc độ 1,5 ml/phút ............... 57
Bảng 20: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ với mẫu nớc pha ở tốc độ 2 ml/phút................... 58
Bảng 21: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ biến tính với mẫu 2......................... 60
Bảng 22: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ biến tính với mẫu 3......................... 61
Bảng 23: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ biến tính với mẫu 1......................... 62

6


Danh mục hình vẽ

Hình 1. Sơ đồ công nghệ xử lý nớc ngầm tại các nhà máy nớc Hà Nội.................. 5
Hình 2. Bùn đỏ sinh ra từ công nghệ Bayer............................................................... 11
Hình 3. Vật liệu bùn đỏ ............................................................................................. 12
Hình 4. Cấu trúc mạng không gian của Bentonit ...................................................... 16
Hình 5. Vật liệu Laterit ............................................................................................. 16
Hình 6: Mô tả quy trình thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ amoni của vật liệu....................25
Hình 7: Hệ thống cột lọc ........................................................................................... 26
Hình 8 : Đờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ......................................................... 28
Hình 9: Đồ thị xác định các hằng số trong phơng trình Langmuir ......................... 29
Hình 10: Phổ nhiễu xạ tia X của VL1 ....................................................................... 30
Hình 11: ảnh chụp SEM của VL1 ............................................................................. 30
Hình 12: Phổ nhiễu xạ tia X của VL2 ....................................................................... 31
Hình 13: ảnh chụp SEM bề mặt của VL2 ở các độ phóng đại khác nhau................. 32
Hình 14: Phổ nhiễu xạ tia X của VL3 ....................................................................... 33
Hình 15: ảnh chụp SEM của VL3 ............................................................................. 33
Hình 16: So sánh hiệu suất hấp phụ amoni của ba loại vật liệu ............................... 35
Hình 17: Đờng cong hấp phụ amoni của VL1 ........................................................ 37
Hình 18: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Cl/Cr vào Cl của VL1........................... 38
Hình 19: Đờng cong hấp phụ amoni của VL2 ........................................................ 39
Hình 20: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Cl/Cr vào Cl của VL2........................... 39
Hình 21: Đờng cong hấp phụ amoni của VL3 ........................................................ 40
Hình 22: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Cl/Cr vào Cl củaVL3............................ 41
Hình 23: Dung lợng hấp phụ amoni cực đại của các vật liệu.................................. 42
Hình 24: Nồng độ NaOH còn lại khi cân bằng theo thời gian .................................. 44

7


Hình 25: Sự ảnh hởng của pH đến hiệu suất hấp phụ amoni của bùn đỏ ................ 46
Hình 26: ảnh hởng của nhiệt độ tới hiệu suất của quá trình hấp phụ ...................... 48
Hình 27: ảnh hởng của nồng độ amoni đến hiệu suất của quá trình hấp phụ ......... 49
Hình 28: ảnh hởng của lợng chất hấp phụ tới hiệu suất ........................................ 51
Hình 29 : Sự thay đổi hằng số phân bố khi thay đổi lợng chất hấp phụ.................. 51
Hình 30: Đồ thị hấp phụ amoni ở pha động của bùn đỏ (tốc độ 0.5 ml/phút) .......... 55
Hình 31: Đồ thị hấp phụ amoni ở pha động của bùn đỏ (tốc độ 1 ml/phút) ............. 56
Hình 32: Đồ thị hấp phụ amoni ở pha động của bùn đỏ (tốc độ 1.5 ml/phút) .......... 57
Hình 33: Đồ thị hấp phụ amoni ở pha động của bùn đỏ (tốc độ 2 ml/phút) ............. 58
Hình 34: Đồ thị hấp phụ amoni ở mẫu 2 của bùn đỏ biến tính ................................ 60
Hình 35: Đồ thị hấp phụ amoni ở mẫu 3 của bùn đỏ biến tính ................................ 61
Hình 36: Đồ thị hấp phụ amoni ở mẫu 1 của bùn đỏ biến tính ................................. 62

8


Mở đầu
Trong nhiều thập kỷ qua, các phơng pháp công nghệ nghiên cứu xử lý nớc
đ đợc áp dụng nh công nghệ truyền thống: kết tủa và keo tụ, lắng và lọc, sinh
học hoặc công nghệ hiện đại: thẩm thấu ngợc, lọc nano, trao đổi ion, oxy
hóa...nhng những nhợc điểm của các phơng pháp này là hiệu quả xử lý amoni
không cao hoặc giá thành công nghệ rất đắt. Thời gian gần đây ô nhiễm amoni trong
nguồn nớc đặc biệt là nguồn nớc cấp đang là một vấn đề thời sự đợc rất nhiều
ngời quan tâm. Do đó việc nghiên cứu các phơng pháp để loại bỏ amoni là một
vấn đề cấp thiết đáp ứng các nhu cầu thực tế.
Để giải quyết vấn đề bức xúc này, gần đây trên thế giới đ có các nghiên cứu

ứng dụng các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên để loại bỏ amoni trong nớc.
Đây là hớng đi rất có triển vọng đối với các vấn đề về ô nhiễm amoni, và cả về khía
cạnh kinh tế, vì các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên có giá thành tơng đối
rẻ. Tại Việt Nam, có rất nhiều mỏ với trữ lợng lớn các vật liệu: bentonit, laterit, và
đặc biệt là bùn đỏ. Các dự án khai thác quặng bôxit ở Tây Nguyên đang đợc triển
khai đồng thời cũng đặt ra một thách thức lớn đối với việc quản lý và xử lý bùn đỏ,
một chất thải độc hại.
Bentonit, laterit và bùn đỏ là các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên với các thành
phần chủ yếu là các oxit kim loại nh: Al2O3, Fe2O3 ... và chúng có độ xốp cao nên
đ đợc nghiên cứu sử dụng làm vật liệu hấp phụ. Để tạo cơ sở cho việc ứng dụng
các vật liệu trên làm vật liệu hấp phụ để xử lý amoni trong nớc trớc tiên cần
chứng minh đợc hiệu quả xử lý của chúng. Đó chính là lý do đề xuất đề tài: "
Nghiên cứu biến tính một số vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên để xử lý
amoni trong nớc".
Mục tiên nghiên cứu của luận văn : nghiên cứu các vật liệu có nguồn gốc tự
nhiên và tận dụng các chất thải làm chất hấp phụ loại bỏ amoni trong môi trờng
nớc.

1


Nội dung nghiên cứu trong luận văn là:
Biến tính các vật liệu: Bentonit, bùn đỏ, laterit.
Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu đ biến tính và tìm chọn
vật liệu có khả năng hấp phụ amoni tốt nhất.
Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ amoni trên vật liệu đ chọn.
Nghiên cứu quá trình hấp phụ amoni trên mô hình động với mẫu nớc giả và
mẫu nớc thật.
Tính toán mô hình xủa lý cho nguồn nớc nhiễm amoni ở quy mô hộ gia
đình.

Đề xuất phơng án tái sinh vật liệu.

2


Chơng 1 - tổng quan
1.1. Tổng quan về amoni
1.1.1. Amoni trong môi trờng nớc [5]
Amoni là một sản phẩm phụ độc sinh ra trong quá trình trao đổi chất ở cơ
thể động vật và là sản phẩm của sự phân hủy tự nhiên các chất thải động thực
vật. Trong môi trờng nớc, amoni tồn tại ở cả dạng phân tử (NH3) và ion (NH4+)
phụ thuộc mạnh vào pH, nhiệt độ và độ mặn, nhng pH ảnh hởng quan trọng
hơn cả. Sự xuất hiện amoni trong nớc là hiệu báo nguồn nớc bị ô nhiễm, cần
phải kiểm soát chặt chẽ các chỉ tiêu khác có nguy cơ gây hại cho sức khỏe nh
nitrat, nitrit và vi sinh. Theo QCVN 2008/BTNMT quy định cho nớc mặt: loại A
(amoni 0,1-0,2; nitrit 0,01-0,02; nitrat 2-5 (mg N/l)), loại B (amoni 0,5-1,0;
nitrit 0,04-0,05; nitrat 10-15 (mg N/l); cho nớc ngầm: amoni 0,1; nitrit 1,0 và
nitrat 15 mg N/l.
Độ độc của amoni phụ thuộc cao vào pH nớc (mà cụ thể vào dạng phân
tử). Mức amoni tổng (NH3 + NH4+) ở khoảng 0,25 mg/L đ có thể gây nguy hại cho
cá và các loài sinh vật nớc khác. Riêng dạng phân tử (NH3), chỉ cần ở nồng độ rất
thấp (0,01 - 0,02 mg/L) cũng đ có thể giết chết cá [22] .
Bảng 1. Dạng tồn tại của amoni phụ thuộc vào pH (tỷ lệ nồng độ %) [19]
pH

6

7

8

9

10

11

%NH3

0

1

4

25

78

96

%NH4+

100

99

96

75

22

Quỹ lơng thực thế giới (FAO) quy định cho nớc nuôi cá: amoni <0,2mg/L,
đối với họ cá Salmonid (cá hồi) và 0,8mg/L đối với họ cá Cyprinid (cá chép) [14].
Amoni là một thông số không bền, khi ở dạng ion, nó lấy oxy trong nớc để
bị oxy hoá trở thành nitrat [4]. Trong trờng hợp đó, nó là độc tố đối với đời sống
của thuỷ sinh vật trong môi trờng nớc (làm giảm pH và giảm nồng độ oxy trong

3


nớc) theo phơng trình dới đây:
NH4+ + 2 O2 NO3- + H2O + 2 H+

(1)

1.1.2. Tác động của amoni tới nguồn nớc và sức khỏe con ngời
Theo tài liệu của Tổ chức y tế thế giới WHO có thể tóm tắt ảnh hởng của Namoni trong nớc cấp nh sau:
- Amoni trong nớc sẽ làm giảm hiệu quả và độ tin cậy của quá trình clo hóa
sát trùng - bớc cuối cùng trong quy trình công nghệ xử lý nớc nhằm đảm bảo
nớc sạch hoàn toàn về mặt vi sinh khi đến với ngời sử dụng. Sự kết hợp giữa clo tự
do với amoni sẽ chuyển hóa thành cloramin có tác dụng sát khuẩn kém hơn hàng
trăm lần so với clo. Ngoài ra amoni còn làm giảm khả năng xử lý mangan bằng công
nghệ truyền thống.
- Không những vậy N-amoni còn là nguồn dinh dỡng đối với các vi sinh vật
sống trong nớc, kể cả tảo. Do đó trong nguồn nớc nhiễm amoni các vi sinh vật và
tảo phát triển rất nhanh từ đó gây ảnh hởng đến chất lợng nguồn nớc về mặt cảm
quan nh: độ trong, độ màu, mùi, vị...
- Đặc biệt khi có mặt trong nớc lâu amoni có thể bị oxy hóa thành nitrit

(NO2-) và nitrat (NO3-). Nitrit là chất độc rất có hại cho con ngời do nó có thể
chuyển thành nitroamin, một chất có thể gây ung th ở ngời. Hàm lợng nitrit cao
trong nớc uống là 1 vấn đề đáng quan tâm do chúng là nguồn gốc gây bệnh
methemoglobin cho ngời nhất là trẻ em dới 6 tuổi. Làm cho da ngời có mầu
xanh xỉn, gây kích thích, hôn mê và nếu ở thể nặng, không đợc chữa kịp thời có thể
dẫn đến tử vong mà ngời ta thờng gọi là hội chứng Blue Syndrome hay gọi tắt là
BBS [19].
Chính vì vậy tiêu chuẩn về hàm lợng các hợp chất nitơ trong nớc cấp của
Việt Nam cũng nh trên thế giới đều quy định rất nghiêm ngặt. Theo quy định tiêu
chuẩn vệ sinh nớc ăn uống 1329/2002/QĐ-BYT thì chỉ tiêu amoni là 1,5 mg/l,
QCVN 01/02:2009/BYT là 3mg/l, theo WHO là 1,5mg/l, EU là 0,5 mg/l.

4


1.1.3. Hiện trạng về ô nhiễm amoni trong một số nguồn nớc ở Hà Nội
Nớc
ngầm

Làm
thoáng

Lắng tiếp
xúc

Lọc

Clo hóa

Vào hệ phân phối

Bùn thải hoặc đi xử lý

Hình 1. Sơ đồ công nghệ xử lý nớc ngầm tại các nhà máy nớc Hà Nội
Trong khi những nghiên cứu về tình hình ô nhiễm amoni trong nguồn nớc
ngầm cho các kết quả báo động thì công nghệ xử lý nớc cấp của phần lớn các nhà
máy nớc tại Hà Nội vẫn là những quy trình công nghệ truyền thống theo sơ đồ
công nghệ trên hình 1. Với công nghệ xử lý này, sắt trong nớc ngầm hầu nh đợc
loại bỏ hoàn toàn, ở mức độ nhất định xử lý đợc đồng thời cả sắt và mangan.
Nhng những thiết kế công nghệ hiện tại lại cha tính đến các khả năng đối phó với
các nguy cơ ô nhiễm amoni, ô nhiễm nớc thải công nghiệp, nớc thải sinh hoạt, cơ
clo do sát trùng...[3].
Bảng 2. Hàm lợng các hợp chất nitơ trớc và sau xử lý ở nhà máy nớc
Tơng Mai và Pháp Vân ( 2/2003-4/2003) [3]
Chỉ tiêu
chất lợng

Kết quả xác định

Đơn vị

Trớc xử lý sắt

Sau xử lý sắt

NMN Tơng Mai
NH4+

mg/l

12,5-20,4

9,3-15,8

NO2-

mg/l

Kph-0,06

0,62-0,98

NO3-

mg/l

0,85-1,2

2,46-3,68

NH4+

mg/l

14,86-28,07

10,18-14,59

NO2-

mg/l

Kph-0,048

0,462-1,459

NO3-

mg/l

0,658-1,148

1,972-4,134

NMN Pháp Vân

5


Từ bảng 2 cho thấy hàm lợng amoni trong nớc sau xử lý giảm không đáng
kể, hàm lợng NO2- biến đổi theo chiều hớng tăng lên, từ 0-0,06 mg/l trong nớc
thô, sau quá trình xử lý sắt đ lên tới 0.98 mg/l ( nhà máy nớc Tơng Mai) và từ
0,048 mg/l lên 1,46 (nhà máy nớc Pháp Vân. Trong khi cha đủ chứng cớ đánh giá
mức độ tác hại của amoni lên cơ thể con ngời thì tác hại của NO2- đ đợc biết rõ.
Với hàm lợng NO2- trong nớc uống > 3 mg/l (QCVN/01/BYT 2009) dễ có khả
năng hủy hoại hồng cầu trẻ em.
Ngoài ra, nguồn nớc mặt cũng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Nguyên nhân
chính là do nớc thải của các hoạt động sản xuất công nghiệp, nớc thải sinh hoạt,
nớc thải của các làng nghề, lò mỏ, b i rác và hoạt động canh tác nông nghiệp...
cũng đang gây ra sự ô nhiễm amoni một cách đáng báo động. Nếu các loại nớc thải

này đợc thải bỏ trực tiếp ra ngoài môi trờng nh nớc rác với hàm lợng amoni
lên đến 500 mg/l, nớc thải lò mỏ hàm lợng amoni là 100mg/l... thì sẽ gây nên
hiện tợng phú dỡng cho nguồn nớc trong một thời gian ngắn.
Nh vậy từ thực trạng của tình hình ô nhiễm amoni và công nghệ xử lý nớc
hiện tại đặt ra một vấn đề hết sức bức thiết là: nghiên cứu các phơng pháp xử lý thích
hợp để xử lý amoni trong các nguồn nớc mặt và cải tạo hoặc xây dựng mới các nhà
máy nớc với công nghệ có khả năng sản xuất nớc đạt tiêu chuẩn chất lợng, giá cả
chấp nhận đợc đối với tất cả các chỉ tiêu, đặc biệt là chỉ tiêu về N-amoni.
1.1.4. Các phơng pháp hiện hành cho xử lý amoni trong nớc
Hiện tại một số phơng pháp xử lý amoni đ và đang đợc áp dụng nhiều là: clo
hóa đến điểm đột biến, trao đổi ion, thổi khí ở pH cao, Ozon hóa với xúc tác Br-, lọc
nano, thẩm thấu ngợc (RO), phơng pháp sinh học và phơng pháp điện thẩm tách.
1.1.4.1. Phơng pháp clo hóa đến điểm đột biến
Clo gần nh là hóa chất duy nhất có khả năng oxy hóa amoni ở nhiệt độ
phòng thành N2. Khi hòa tan clo hoặc các hợp chất clo trong nớc, tùy theo pH của
nớc mà clo có thể nằm ở dạng HClO hay ClO- theo phơng trình:

6


Cl2

+ H2O (pH<5)

HCl + HClO (pH<7) H+ + ClO-

(2)

Khi trong nớc có mạt amoni sẽ xảy ra phản ứng giữa HClO với amoni tạo ra
các cloramin. Nếu d clo sẽ xảy ra các phản ứng phân hủy các cloramin. Lúc này

lợng clo d trong nớc sẽ giảm xuống mức thấp nhất vì xảy ra quá trình phân hủy
cloramin, điểm tơng ứng với giá trị này gọi là điểm đột biến.
Theo lý thuyết để xử lý hết amoni trong nớc phải đảm bảo tỷ lệ Cl : N = 7,6 :
1, song thực tế phải tăng tỷ lệ lên 8 : 1 hoặc cao hơn mới oxi hóa hoàn toàn amoni [8].
Những nghiên cứu trớc đây cho thấy tốc độ clo hóa với các chất hữu cơ chỉ
bằng nửa tốc độ oxy hóa amoni, khi amoni phản ứng gần hết thì lúc đó clo sẽ phản
ứng với các chất hữu cơ có trong nớc tạo nên các chất cơ clo có mùi đặc trng khó
chịu và có độc tính cao. Trong đó có khoảng 15% tạo thành nhóm các hợp chất THMtrihalometan và HA-axitaxetichalogen là các chất có thể gây ung th ở ngời [7].
Ngoài ra với việc sử dụng lợng clo rất lớn và qua nhiều công đoạn khác
nhau nh trên sẽ làm cho việc sử dụng và xây dựng quy trình sản xuất rất khó đợc
áp dụng mặc dù giá thành rẻ.
1.1.4.2. Phơng pháp điện thẩm tách
Điện thẩm thách đợc thực hiện bằng cách đặt các màng có tính chọn lọc với
cation và anion luân phiên nhau dọc theo dòng điện. Phơng pháp này hiện đang
mang lại hiệu quả tơng đối cao trong việc xử lý amoni. Công nghệ điện thẩm tách
sử dụng để tách loại amoni có nhiều u điểm vì đồng thời có thể tách loại đợc một
số kim loại nặng có mặt trong nớc ngầm nh As, Cd...[9].
Tuy nhiên điện thẩm tách cũng còn một số hạn chế nh: cần có hệ thống lọc sơ
bộ để loại sắt và cặn, tiêu tốn nớc vì có tỉ lệ nớc thải khá cao và kinh phí tốn kém.
1.1.4.3. Thẩm thấu ngợc
Thẩm thấu đợc định nghĩa là sự di chuyển tự phát của dung môi từ một dung
dịch lo ng vào một dung dịch đậm đặc qua một màng bán thấm. Tại một áp suất nhất
định sự cân bằng đợc thiết lập thì áp suất đó đợc gọi là áp suất thẩm thấu.

7


Khi áp suất tăng trên áp suất thẩm thấu ở phía dung dịch có màng thì xuất
hiện dòng di chuyển ngợc, nghĩa là sẽ di chuyển từ nơi có nồng độ thấp đến nơi có
nồng độ cao hơn. Vì vậy có thể định nghĩa thẩm thấu ngợc là quá trình lọc dung

dịch qua màng bán thấm với áp suất cao hơn áp suất thẩm thấu.
Thẩm thấu ngợc áp dụng đặc tính của màng bán thấm là cho nớc đi qua
màng giữ lại các chất hòa tan trừ một vài phân tử hữu cơ giống nớc (có trọng lợng
phân tử bé và độ phân cực cao).
Tại Thổ Nhĩ Kỳ, các nghiên cứu của khoa môi trờng, trờng đại học kĩ thuật
Istanbul, xử lý amoni trong nớc hồ Elmali bằng phơng pháp thẩm thấu ngợc
(năm 2001). Kết quả đ xử lý hiệu quả đợc 95% nồng độ amoni trong nớc hồ, từ 4
mg/l xuống còn 0,2 mg/l. Tuy nhiên chi phí xủa lý cao, ớc tính khoảng 0,95-1,06
USA/1m3 để xử lý nớc cho mục đích ăn uống [21].
1.1.4.4. Phơng pháp lọc nano
Lọc nano là một phơng pháp biến tớng của quá trình thẩm thấu ngợc. Nó
có cơ chế giống nh quá trình thẩm thấu ngợc nhng có điểm khác là kích thớc
mao quản của màng cỡ có kích thớc nano, nhỏ hơn kích thớc mao quản của màng
thẩm thấu ngợc có kích cỡ .
Theo nghiên cứu của Khoa kỹ thuật khoáng sản, Trờng đại học Osmanganzi,
Thổ Nhĩ Kỳ, sử dụng phơng pháp lọc nano để xử lý amoni trong nớc cấp cho
ngời dân ở Eskisehir với công suất 80.000 m3/ngày. Kết quả thu đợc khá tốt, nồng
độ amoni giảm từ 6,5 mg/l xuống còn 0,2 mg/l [21].
1.1.4.5. Phơng pháp sinh học [8]
Phơng pháp vi sinh xử lý tơng đối hiệu quả các nhân tố gây ô nhiễm môi
trờng nớc và có u điểm không gây ô nhiễm thứ cấp cho nguồn nớc, đảm bảo
chất lợng nớc sạch về mặt hóa chất độc hại, có tính ổn định cao và an toàn với hệ
thống phân phối.

8


Trong phơng pháp này, amoni sẽ đợc chuyển hóa thành nitrat hoặc khí nitơ
nhờ hoạt tính của các vi sinh vật có trong tự nhiên. Trong quá trình sinh trởng vi
sinh vật sẽ cần các nguồn dinh dỡng là C, N, chúng lấy N từ nguồn N-Amoni và C

từ hóa chất hữa cơ bổ xung trong quá trình xử lý. Vi sinh vật sẽ tạo ra các điều kiện
về dinh dỡng cũng nh các yếu tố khác để làm cho nó có hoạt tính cao nhất.
Phơng pháp này có chi phí thấp nên đang là một triển vọng có thể áp dụng đợc ở
điều kiện kinh tế của chúng ta.
1.1.4.6. Phơng pháp Ozon (O3) hóa với xúc tác Br- [9]
Để khắc phục nhợc điểm của phơng pháp clo hóa đến điểm đột biến ngời
ta có thể thay thế một tác nhân oxy hóa khác nh O3 với sự có mặt của ion Br-. Về
cơ bản xử lý amoni bằng O3 với sự có mặt của ion Br- trong môi trờng axit cũng
diễn ra theo cơ chế giống nh phơng pháp clo hóa tới điểm đột biến. Dới tác dụng
của O3 , Br- bị oxy hóa thành BrO- theo phản ứng sau :
Br- + O3 + H+ HBrO + O2

(3)

Tiếp sau đó ion BrO- sẽ oxy hóa amoni theo các phản ứng sau:
NH3 + HBrO

NH2Br + H2O

(4)

NH2Br + NHBr2 NHBr + H2O

(5)

NH2Br

+ NHBr N2 + 3Br- + 3H+

(6)

Đây chính là điểm tơng đồng giữa hai phơng pháp ozon hóa và clo hóa xúc
tác Br- do Galat-Gorhev và Moris tìm ra năm 1975.
1.1.4.7. Phơng pháp trao đổi ion
Quá trình trao đổi ion là quá trình hóa lý thuận nghịch trong đó xảy ra phản
ứng trao đổi ion trong dung dịch điện ly với các ion trên bề mặt hoặc bên trong của
pha rắn tiếp xúc với nó.
Nhựa trao đổi ion (cationit) dạng rắn đợc dùng để thu những ion nhất định
trong dung dịch và giải phóng vào dung dịch một lợng tơng đơng các ion khác

9


có cùng điện tích. Nhựa trao đổi ion là những hợp chất cao phân tử hữu cơ có chứa
các nhóm chức có khả năng trao đổi ion với công thức chung là RX, trong đó R là
gốc hữu cơ phức tạp, X có thể là nhóm sulfonic ( -SO3H-) là một axit mạnh sẵn sàng
trao đổi H+ với các cation khác theo phơng trình sau:
R-X-H+ + NH4+ R-X-NH4+ + H+

(7)

1.1.4.8. Phơng pháp thổi khí ở pH cao
Amoni tồn tại trong nớc ở dạng cân bằng:
NH4+ NH3 (khí hòa tan) + H+

với pKa = 9,5

(8)

Nh vậy ở pH gần 7 chỉ có một lợng rất nhỏ khí NH3 so với ion NH4+ . Nếu

ta nâng pH lên tới 9,5 thì tỷ lệ [NH3]/[NH4+ ] = 1 và càng tăng pH cân bằng càng
chuyển nhanh về phía NH3.
Vì NH3 là một khí nhẹ hơn không khí, do đó nếu áp dụng các biện pháp sục
hoặc thổi khí thì NH3 sẽ thoát ra khỏi nớc; theo định luật Henry làm chuyển dịch
cân bằng về phía phải
NH4+ + OH- NH3 + H2

(9)

Trong thực tế, pH phải tăng lên xấp xỉ 11mới có thể chuyển tối đa NH4+
thành NH3; lợng khí cần để NH3 thoát ra ngoài phải ở mức 1600m3 không khí/ m3
nớc. Quá trình này phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ môi trờng. Và vì thế, phơng
pháp này thờng chỉ đợc sử dụng để xử lý amoni trong nớc thải, rất hiếm khi đợc
áp dụng trong xử lý nớc cấp vì khó có thể đẩy nồng độ NH4+ xuống dới 1,5 mg/l
trong trờng hợp thổi khí.
1.2. Tổng quan về một số vật liệu có nguồn gốc tự nhiên dùng trong nghiên cứu
1.2.1. Bùn đỏ
1.2.1.1. Định nghĩa
Bùn đỏ là chất thải sinh ra trong quá trình sản xuất ôxit nhôm từ quặng bôxit
theo công nghệ Bayer. Công nghệ Bayer là phơng thức sản xuất chính trong quá
trình tinh luyện quặng thô bôxit để sản xuất nhôm. Trong quặng bôxit có khoảng
30-54% là Al, Al2O3, phần còn là oxit silic, nhiều dạng oxit sắt và đioxit titan [24].

10


Trong tiến trình Bayer, bôxit đợc nghiền nát và đa vào lò phản ứng với một
lợng d dung dịch NaOH nóng lên đến 1750C để Al2O3 (ở dạng bền) chuyển thành
Al(OH)3, sau đó đợc chuyển hóa về Al2O3 theo các phản ứng sau :
Al2O3 + 2OH + 3H2O 2(Al(OH)4)

(Al(OH)4)- + Na+ Al(OH)3 + Na + OH2Al(OH)3 Al2O3 + 3H2O

(10)
(11)
(12)

Các thành phần khác trong bôxit không bị hòa tan theo các phản ứng trên
đợc lọc và loại bỏ ra khỏi dung dịch tạo thành bùn đỏ (hình 2). Chính thành phần
bùn đỏ này gây nên vấn nạn môi trờng về vấn đề đổ thải giống nh các loại quặng
đuôi của các khoáng sản kim loại màu nói chung.
Năm 2008 có khoảng 60,5 triệu tấn Al2O3 đ đợc sản xuất trên toàn thế giới.
Theo mức trung bình toàn cầu việc sản xuất 1 tấn Al2O3 sinh ra 1,5 tấn bùn đỏ [27].
Tại Việt Nam, vùng có trữ lợng quạng bôxit lớn nhất là Tây nguyên, Tây nguyên
có trữ lợng quặng bôxit vào khoảng 8 tỷ tấn. Nh vậy nếu khai thác hết lợng bôxit
ở Tây Nguyên để sản xuất nhôm theo công nghệ Bayer, sẽ thải ra khoảng 12 tỷ tấn
bùn đỏ, đây cũng chính là một sức ép đáng kể đối với các vấn đề môi trờng ở Việt
Nam .
Bùn đỏ
o

T=170-180 C

Bôxit

Nghiền nát

Buồng phản
ứng áp lực cao

Na[Al(OH)4]

Lọc

ất

Làm
lạnh
Al(OH)3 dạng
hạt kết tinh

NaOH

Nhôm ôxít

Kết tinh

Lò quay
Nớc

Hình 2. Bùn đỏ sinh ra từ công nghệ Bayer

11


1.2.1.2. Thành phần, tính chất và tác hại của bùn đỏ [23]
Bùn đỏ là hỗn hợp bùn nh o với hàm lợng chất rắn khoảng từ 20% đến 80%
về khối lợng phụ thuộc vào phơng pháp của quá trình tinh luyện. Tỷ lệ về hàm
lợng các nguyên tố chính trong bùn đỏ là Fe > Si ~ Ti >Al >Ca > Navà một số
các kim loại vết. Thành phần hóa học của bùn đỏ đợc trình bày trong bảng 3.
Bùn đỏ có diện tích bề mặt riêng trung bình là 32.7 12.2 m2g-1 và tỷ khối
trung bình là 2.5 0.7 g.cm-3, trong khi yêu cầu về đất (thổ nhỡng) cần phải có tỷ

khối < 1,5 g.cm-3. Các vùng có tỷ khối vợt quá 1,5 g.cm-3 sẽ ngăn trở quá trình
thâm nhập của rễ cây và do vậy ngăn cản cả việc hình thành hệ thực vật, với những
nơi tỷ khối trên 1,6 g.cm-3 thực vật không thể sinh trởng bình thờng đợc. Kích
thớc hạt bùn đỏ trung bình từ 2-100 àm; với kích thớc hạt rất nhỏ sẽ gây bụi làm
ô nhiễm không khí .
Nhng tác hại chủ yếu và nghiêm trọng nhất của bùn đỏ phải nói là pH; với
pH > 11% đ gây nguy hại khi tiếp xúc trực tiếp đối với ngời và động vật. Đối với
môi trờng, nớc chảy qua bùn đỏ khi chảy xuống sông sẽ làm chết tôm cá và thủy
sinh vật, làm suy giảm nguồn nớc mặt và nớc ngầm, có nguy cơ bị nhiễm các kim
loại nặng độc hại có thể gây ung th hoặc chết đối với con ngời và động thực vật.
Bảng 3. Thành phần hóa học của bùn đỏ[26]
Thnh
T l (%)
phn

Hình 3. Vật liệu bùn đỏ

12

Thnh
T l (%)
phn

Al2O3

14.14

P2O5

0.297

SiO2

11.53

V2O5

0.116

Fe2O3

48.50

ZnO

0.027

TiO2

5.42

MgO

0.049

CaO

3.96

MnO

0.17

Na2O

7.50

K2O5

0.58

L.O.L

7.52


1.2.1.3. Một số thông tin chung về việc xử lý, quản lý và sử dụng bùn đỏ
Năm 2000 công ty Virotec International Ltd đ nghiên cứu thành công và đa
ra công nghệ mới về xử lý bùn đỏ có tên là công nghệ BaseconTM và sản phẩm
BauxsolTM. Công nghệ này sử dụng nớc biển để trung hòa kiềm d trong bùn đỏ
[26].
Trong một báo cáo của Al Agrawal năm 2004 cho biết: trong số 84 nhà máy
sản xuất nhôm trên thế giới, chỉ có 7 nhà máy thực hiện xử lý bùn đỏ bằng cách
trung hòa bùn đỏ với nớc biển do tại đó không xây dựng đợc hồ chứa bùn đỏ[25].
Tại Trung Quốc, hầu nh lợng bùn đỏ thải ra đều đợc chôn lấp; Tuy nhiên
hiện có khoảng 10% lợng bùn đỏ đợc tái chế để thu hồi kim loại quý hoặc làm
nguyên liệu cho quá trình sản xuất gạch và đồ gốm [22].
Tóm lại, bên cạnh những công trình nghiên cứu xử lý và quản lý nhằm giảm
các tác động xấu của bùn đỏ đến môi trờng và con ngời, những hớng tái sử dụng
bùn đỏ sau cũng đ đợc quan tâm:

- Sản xuất gốm thủy tinh

- Sản xuất xi măng

- Sản xuất gạch chịu lửa và không chịu lửa

- Xử lý đất

- Thu hồi kim loại, và kim loại quý

- Hấp thụ làm sạch gas

- Xử lý nớc thải
1.2.2. Bentonit
1.2.2.1. Bentonit trong tự nhiên
Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên có thành phần chính là montmorillonit.
Công thức đơn giản nhất ứng với nửa "tế bào" đơn vị cấu trúc của montmorillonit là
Al2O3.4SiO2.nH2O. Trong trờng hợp lý tởng công thức của montmorillonit là
Si8Al4O20(OH)4 ứng với 1 đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên trên thực tế thành phần của
bentonit luôn khác với thành phần đợc miêu tả trên theo lý thuyết vì trong cấu trúc

13


luôn có sự thay thế đồng hình của ion kim loại Al3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+ với ion Si4+
trong tứ diện SiO4 và Al3+ trong bát diện AlO6[17,18,27].
Nh vậy trong thành phần hóa học của montmorillonit ngoài sự có mặt của
Si và Al còn thấy các nguyên tố khác nh Fe, Mn, Zn, Na, K trong đó tỷ lệ Al2O3
: SiO2 thay đổi từ 1:2 đến 1:4 [17,18,27].
Đặc trng cơ bản của bentonit là khả năng trao đổi ion, do có sự thay thế

đồng hình cation. Khả năng này phụ thuộc vào lợng điện tích âm bề mặt và số
lợng ion trao đổi. Nếu số lợng điện tích âm càng lớn và số lợng cation trao đổi
càng nhiều thì dung lợng trao đổi ion càng lớn.
Hình 4 dới đây minh họa cấu trúc mạng không gian của khoáng vật
bentonit.

Hình 4. Cấu trúc mạng không gian của Bentonit
Tính chất hấp phụ của bentonit đợc quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu
trúc lớp của chúng. Do bentonit có cấu trúc tinh thể và độ phân tán cao nên có cấu
trúc xốp và bề mặt riệng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hởng lớn đến tính chất hấp phụ của
các chất, đặc trng của nó là tính chọn lọc chất bị hấp phụ, chỉ có phân tử nào có
đờng kính đủ nhỏ so với lỗ xốp thì mới chui vào đợc bên trong vật liệu hấp phụ.
Dựa vào đặc tính này ngời ta có thể hoạt hóa bentonit dùng để tách một số chất.
Đây cũng là một đặc tính khác biệt của bentonit với một số các chất hấp phụ khác.

14


Hiện nay ở nớc ta có nguồn bentonit khá phong phú, có thể cho khai thác
với trữ lợng 20.000-24.000 tấn/năm trong khoảng 15 năm. Bentonit phân bố ở Cổ
Định (Thanh Hóa), Tam Bố, Đa Lé (Lâm Đồng), Nha Mé (Bình Thuận) và Bà Rịa Vũng Tàu [8]. Trữ lợng quặng bentonit của Việt Nam đ xác định dự báo khoảng
95 triệu tấn [11]. Mỏ sét Nha mé (tại x Phong Phú - Tuy Phong - Bình Thuận) là
mỏ sét kiềm duy nhất tại Việt Nam có trữ lợng hàng triệu tấn, thuộc loại lớn trên
thế giới hiện nay [8].
1.2.2.2. ứng dụng của bentonit [11]
Nhờ khả năng hấp phụ cao nên bentonit đợc sử dụng rộng r i trong các
ngành công nghiệp. Ngành công nghiệp sử dụng nhiều bentonit đó là ngành dầu mỏ,
sử dụng để xử lý trng cất dầu mỏ, làm dung dịch khoan trong ngành khai thác dầu
khí, làm keo chống thấm trong các đập nớc thủy điện, thủy lợi, nguyên liệu hấp
phụ tẩy rửa, làm chất kết dính trong khuôn đúc hay chất phụ gia tăng dẻo trong gốm

sứ, dùng làm chất xúc tác cho một loạt các phản ứng nh oxy hóa các alcol, oxy hóa
ghép đôi các thiol, các phản ứng tạo ra các nhóm cacbonyl từ thioaxetal hoặc
thiocacbonyl...các phản ứng này dễ dàng xảy ra và cho độ chọn lọc cao.
Bentonit không độc hại, còn có thể ăn đợc và có tính trơ, bền hóa học nên
trong công nghiệp thực phẩm dùng bentonit để sản xuất thức ăn chăn nuôi, làm chất
lọc sạch và tẩy màu cho bia, rợu vang và mật ong, chất độn cho mỹ phẩm.
Trong lĩnh vực môi trờng bentonit đợc dùng cho việc cải tạo đất, làm tăng
khả năng giữ ẩm cho đất, tăng tính trơng, tính dẻo, độ bền cơ học, khả năng giữ các
chất dinh dỡng, hạn chế sụ rửa trôi. Ngoài ra bentonit còn đợc sử dụng trong
ngành xử lý nớc thải do có khả năng hấp phụ cao có thể giữ lại và tách các chất ô
nhiễm ra khỏi nguồn nớc, ...
1.2.3. Laterit
Laterit có mặt chủ yếu ở các vùng trung du, đồng bằng bắc bộ nh Hà Nội
(vùng Hà Tây cũ), Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Bắc Giang ngoài ra tại các tỉnh Thanh
Hóa, Nghệ An, Ninh Bình cũng có trữ lợng laterit đáng kể. Laterit là những tầng
đất đá của vỏ phong hóa có chứa nhiều sắt, mangan, nhôm và một vài kim loại khác
[11].

15


Hình 5. Vật liệu Laterit

Thành phần

% khối lợng

SiO2

40,69

Al2O3

14,83

Fe2O3

32,14

CaO

0,14

MgO

0,18

MsiO3

1,94

K 2O

0,33

Bảng 4. Thành phần khoáng vật kết tinh
trong laterit tự nhiên

Laterit là một trong các khoáng tự nhiên có chứa sắt điển hình nhất với thành
phần chủ yếu là Fe2O3 lên tới 30% và là khoáng chất có cấu trúc xốp gồm nhiều lỗ

rỗng có kích thớc cỡ từ 200-600nm giống nh tổ ong nên trong dân gian còn gọi là
đá ong. Với cấu trúc và thành phần khoáng nh thế nên laterit rất dễ hình thành các
tâm hấp phụ các hạt mang điện tích, tạo nên khả năng hấp phụ cho chúng [8,11].
Laterit tự nhiên thờng chứa một lợng sét khá lớn và một vài thành phần
khác dễ tan trong nớc, nên laterit tự nhiên có tính cơ lý kém, dễ bị vỡ hạt và bị thôi
sét. Vì thế khi tiến hành hấp phụ, nó sẽ làm đục nớc cần xử lý và làm giảm hiệu
quả của quá trình, do đó cần phải biến tính trớc khi sử dụng laterit làm chất hấp
phụ để xử lý nớc.
1.3. Phơng pháp hấp phụ [9]
1.3.1. Khái niệm
Hấp phụ đợc xem là hiện tợng tích tụ một hoặc một hỗn hợp chất (chất bị
hấp phụ) trên bề mặt dị thể của một chất khác (chất hấp phụ). Hiện tợng hấp phụ
thờng gặp trong thực tế là quá trình hấp phụ trên bề mặt một chất rắn.
Đặc trng rõ nhất của chất hấp phụ so với các chất rắn khác là chúng có cấu
trúc xốp và diện tích bề mặt riêng lớn. Một vật liệu rắn có độ phân tán cao (kích

16


thớc nhỏ, dạng bột) có diện tích lớn hơn loại có độ phân tán thấp, nói cách khác,
diện tích bề mặt của một chất rắn tỉ lệ thuận với độ phân tán. Chất rắn có cấu trúc
xốp là hệ phân tán cao.
Cấu trúc xốp đợc đặc trng bởi độ xốp cấu thành từ các mao quản; diện tích
bề mặt là tổng diện tích của các thành mao quản. Các mao quản tạo thành hệ lỗ xốp
có hình dạng khác nhau: hình trụ, hình cầu, hình cổ chai đợc sắp xếp theo cùng
chiều hoặc ngẫu nhiên.
1.3.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ [9]
Quá trình hấp phụ là quá trình thuận nghịch và có thể biểu diễn tơng tự dới
dạng nh một phản ứng hóa học:
k1

A

+

O



A'

(13)

k2

A : chất hấp phụ
O : phần bề mặt chất hấp phụ còn trống
A' : phần bề mặt chất hấp phụ đ bị chiếm chỗ bởi chất bị hấp phụ
k1, k2 : các hằng số tốc độ của các quá trình hấp phụ và giải hấp
Do vậy, các phân tử của chất bị hấp phụ khi đ hấp phụ lên bề mặt chất hấp
phụ vẫn có thể di chuyển trở lại pha lỏng hoặc pha khí. Theo thời gian, phần tử chất
lỏng hoặc chất khí di chuyển lên bề mặt chất rắn càng nhiều thì sự di chuyển ngợc
trở lại pha lỏng hoặc khí của chúng càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp
phụ lên bề mặt của chất hấp phụ sẽ bằng tốc độ di chuyển của chúng ra ngoài pha
lỏng hoặc khí. Khi đó, quá trình hấp phụ sẽ đạt tới trạng thái cân bằng.
Tải trọng hấp phụ cân bằng là một đại lợng biểu thị khối lợng của chất bị
hấp phụ trên một đơn vị khối lợng của chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng, ở một
nồng độ và nhiệt độ xác định:

17

q=

(C0 Cl ).V
m

V : Thể tích dung dịch
m : khối lợng chất hấp phụ
C0 : nồng độ dung dịch đầu
Cl : nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ
Phơng trình động học hấp phụ:
Quá trình hấp phụ là quá trình các phân tử chất hấp phụ tích lũy lên bề mặt
vật rắn. Để thực hiện điều này thì các phần tử cần đợc khuyếch tán từ dung dịch
đến bề mặt vật rắn (quá trình khuyếch tán trong). Tải trọng hấp phụ sẽ thay đổi theo
thời gian cho đến khi quá trình hấp phụ đạt đến cân bằng.
Gọi tốc độ hấp phụ r là biến thiên nồng độ chất bị hấp phụ theo thời gian ta
có:

r=

dx
dt

Tốc độ hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo thời gian
r=

dx
= (C0 Cl ) = k (qmax q )
dt

: Hệ số chuyển khối
q : Tải trọng hấp phụ tại thời điểm t
qmâx : tải trọng hấp phụ cực đại
Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt:
Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt có ý nghĩa và vai trò quan trọng trong việc
đánh giá hiệu quả của một mô hình hấp phụ. Đờng hấp phụ đẳng nhiệt mô tả sự
phụ thuộc giữa tải trọng hấp phụ vào nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong
dung dịch tại một nhiệt độ xác định. Các hằng số trong các phơng trình hấp phụ
đẳng nhiệt là các chỉ số đánh giá các tính chất và ái lực bề mặt của các chất hấp phụ.

18