Nghiên cứu, đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng trong nước của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------------

NGUYỄN THỊ HẢI

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC CỦA BÙN THẢI
KHU CHẾ BIẾN SẮT BẢN CUÔN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------------

NGUYỄN THỊ HẢI

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC CỦA BÙN THẢI
KHU CHẾ BIẾN SẮT BẢN CUÔN
Chuyên ngành: Địa chất môi trƣờng
Mã số: Chƣơng trình đào tại thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THỊ HOÀNG HÀ
XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG

Giáo viên hướng dẫn

Chủ tịch hội đồng chấm luận văn
thạc sĩ khoa học

TS. Nguyễn Thị Hoàng Hà

PGS.TS. Hoàng Thị Minh Thảo

Hà Nội - 2017


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới giáo viên hướng dẫn của
mình, TS. Nguyễn Thị Hoàng Hà người đã truyền cho tôi tri thức, niềm đam mê
khoa học và luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn
thành bản luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô trong Khoa Địa chất, Trung tâm
Nghiên cứu Biển và Đảo, Phòng thí nghiệm trọng điểm Địa môi trường và Ứng phó
biến đổi khí hậu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi về
cơ sở vật chất, trợ giúp tôi rất nhiều để tôi hoàn thành luận văn.
Tôi xin cảm ơn Đề tài “Nghiên cứu, áp dụng công nghệ tích hợp địa môi
trường - địa sinh thái nhằm ngăn ngừa, xử lý ô nhiễm môi trường nước tại một số
điểm ở các lưu vực sông vùng Tây Bắc” (Mã số KHCN-TB.02C/13-18) thuộc
Chương trình Khoa học và Công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước giai đoạn 2013-2018
“Khoa học và Công nghệ phục vụ phát triển bền vững vùng Tây Bắc” đã cho phép sử
dụng thông tin, dữ liệu và kết quả nghiên cứu của đề tài để thực hiện luận văn.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân và bạn
bè đã luôn tin tưởng động viên, chia sẻ và tiếp sức cho tôi có thêm nghị lực để tôi
vững bước và vượt qua những khó khăn trong suốt thời gian qua để có thể hoàn thiện

luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Học viên

Nguyễn Thị Hải

i


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................. 3
1.1. Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước ................................................... 3
1.2. Một số phương pháp loại bỏ kim loại nặng trong môi trường nước.................... 6
1.2.1. Phương pháp kết tủa ................................................................................. 6
1.2.2. Phương pháp trao đổi ion .......................................................................... 7
1.2.3. Phương pháp keo tụ - bông tủa ................................................................. 8
1.2.4. Phương pháp màng lọc ............................................................................. 8
1.2.5. Phương pháp sử dụng thực vật ................................................................. 9
1.3. Phương pháp hấp phụ ........................................................................................ 11
1.3.1. Cơ chế của phương pháp ........................................................................ 11
1.3.2. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ ............................................. 13
1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng ............................................................................. 14
1.3.4. Mô hình hấp phụ ..................................................................................... 15

1.4. Vật liệu hấp phụ ................................................................................................. 18
1.4.1. Một số nhóm khoáng vật điển hình ........................................................ 18
1.4.2. Tình hình sử dụng vật liệu hấp phụ trên thế giới và Việt Nam .............. 20
1.5. Giới thiệu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn ................................................. 26
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................. 28
2.1. Phương pháp kế thừa, tổng hợp tài liệu ............................................................. 28
2.2. Phương pháp khảo sát thực địa và lấy mẫu ....................................................... 28
2.3. Thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng của bùn thải
khu chế biến sắt Bản Cuôn ....................................................................................... 29
2.3.1. Hóa chất .................................................................................................. 29
2.3.2. Thí nghiệm xác định điểm điện tích không pHPZC ................................. 29
2.3.3. Thí nghiệm ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ kim loại nặng ..... 30
2.3.4. Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng hạt vật liệu đến khả năng
hấp phụ kim loại nặng ....................................................................................... 30
2.3.5. Thí nghiệm ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tới khả năng hấp phụ
kim loại nặng .................................................................................................... 31
2.3.6. Thí nghiệm ảnh hưởng của nồng độ tới khả năng hấp phụ
kim loại nặng .................................................................................................... 31
ii


2.4. Phương pháp xử lý và phân tích mẫu ................................................................ 32
2.4.1. Nhóm phương pháp xác định đặc trưng khả năng hấp phụ của vật liệu...... 32
2.4.2. Phương pháp xác định hàm lượng kim loại nặng trong nước và vật liệu .... 32
2.5. Xử lý số liệu phân tích ....................................................................................... 34
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .............................. 35
3.1. Đặc trưng khả năng hấp phụ của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn ............. 35
3.1.1. Thành phần khoáng vật ........................................................................... 35
3.1.2. Thành phần nguyên tố............................................................................. 36
3.1.3. Hình thái vật liệu..................................................................................... 37

3.1.4. Nhóm chức hoạt động bề mặt (FTIR) ..................................................... 37
3.1.5. Diện tích bề mặt và điện tích bề mặt ...................................................... 39
3.1.6. Điểm điện tích không pHPZC ................................................................... 39
3.2. Khả năng hấp phụ kim loại nặng của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn ...... 40
3.2.1. Ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ kim loại nặng ........................ 40
3.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng vật liệu tới khả năng hấp phụ
kim loại nặng .................................................................................................... 41
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tới khả năng hấp phụ
kim loại nặng .................................................................................................... 43
3.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ kim loại ban đầu tới khả năng hấp phụ
kim loại nặng .................................................................................................... 44
3.2.5. Động học hấp phụ ................................................................................... 45
3.2.6. Đẳng nhiệt hấp phụ ................................................................................. 48
3.3. Cơ chế hấp phụ kim loại nặng của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn........... 51
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 57
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ..................... 65

iii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Lấy mẫu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn, Bắc Kạn ............................. 28
Hình 2. Mẫu bùn thải khu chế biến sắt sau khi được nghiền mịn ............................ 28
Hình 3. Quy trình phá mẫu vật liệu .......................................................................... 33
Hình 4. Một số hình ảnh thí nghiệm ......................................................................... 34
Hình 5. Kết quả đo XRD mẫu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn ........................ 36
Hình 6. Ảnh SEM của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn ..................................... 37
Hình 7. Phổ FTIR của vật liệu hấp phụ SBC2-BR ................................................... 38
Hình 8. Điểm điện tích không pHPZC của SBC2-BR ................................................ 40

Hình 9. Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất hấp phụ KLN của SBC2-BR ................... 41
Hình 10. Ảnh hưởng khối lượng của vật liệu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn
tới khả năng hấp phụ Mn, Zn, Pb và As ................................................................... 42
Hình 11. Ảnh hưởng thời gian hấp phụ tới khả năng hấp phụ Mn, Zn, Cd, Pb và As
của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn ................................................................... 43
Hình 12. Ảnh hưởng của nồng độ kim loại ban đầu Mn, Zn, Cd, Pb và As
tới khả năng hấp phụ của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn ................................ 44
Hình 13. Phương trình động học hấp phụ bậc nhất của SBC2-BR với Mn, Zn,
Cd, Pb và As ............................................................................................................. 47
Hình 14. Phương trình động học hấp phụ bậc hai của SBC2-BR với Mn, Zn,
Cd, Pb và As ............................................................................................................. 47
Hình 15. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính của quá trình
hấp phụ Mn, Zn, Cd, Pb, As lên SBC2-BR .............................................................. 50
Hình 16. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính của quá trình
hấp phụ Mn, Zn, Cd, Pb, As lên SBC2-BR .............................................................. 50
Hình 17. So sánh lượng kim loại giảm đi trong dung dịch và lượng kim loại
tăng lên trong vật liệu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn ..................................... 53

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Một số phương pháp trong xử lý nước, nước thải ....................................... 10
Bảng 2: Thống kê số mẫu xử lý và phân tích ........................................................... 33
Bảng 3: Thành phần khoáng vật của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn............... 35
Bảng 4: Thành phần hóa học của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn .................... 36
Bảng 5: Nhóm hoạt động bề mặt bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn .................... 38
Bảng 6: Mô hình động học hấp phụ của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn ......... 47
Bảng 7: Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn ....... 50
Bảng 8. So sánh khả năng hấp phụ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn

và

một số vật liệu khác .................................................................................................. 54

v


MỞ ĐẦU
Ô nhiễm môi trường nước bởi kim loại nặng (KLN) đang là vấn đề được xã
hội và các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu hiện nay. Bên cạnh các quá trình tự
nhiên, hoạt động công nghiệp, hoạt động khai thác, chế biến khoáng sản, nông
nghiệp được xem như là nguồn gốc chính gây phát tán KLN vào môi trường. Sự có
mặt các KLN (Pb, Cd, As, Zn, Mn…) trong môi trường nước với hàm lượng vượt
quá giới hạn cho phép là tác nhân tiềm ẩn những ảnh hưởng tiêu cực tới hệ sinh thái
và sức khỏe con người.
Hiện nay, rất nhiều công nghệ và phương pháp đã được nghiên cứu và triển
khai nhằm xử lý các ion KLN trong nước gồm phương pháp hấp phụ (Lin và Wu,
2011), phương pháp trao đổi ion (Kim và Benjamin, 2004), phương pháp keo tụ tạo bông (Hering và nnk, 1997), phương pháp màng lọc (Fang và nnk, 2017),
phương pháp xử lý bằng thực vật (Katsoyiannis và Zouboulis, 2002). Trong đó,
phương pháp hấp phụ có nhiều ưu điểm như hiệu quả xử lý cao, giá thành thấp và
dễ dàng thực hiện (Abas và nnk, 2013). Các vật liệu hấp phụ đượcnghiên cứu và áp
dụng phổ biến gồm có vật liệu tự nhiên (đá ong, các khoáng vật sét, bùn đỏ…) và
vật liệu biến tính (Babel và Kurniawan, 2003).
Bên cạnh đó, hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản làm sản sinh một
khối lượng lớn bùn thải làm ảnh hưởng tới môi trường và hệ sinh thái. Việc ứng
dụng bùn đỏ, bùn thải từ khai thác than làm vật liệu hấp phụ đã được nghiên cứu áp
dụng và rất có tiềm năng trong xử lý ô nhiễm KLN trong nước (Nguyễn Trung
Minh và nnk, 2010, Doãn Đình Hùng và nnk, 2011, Phạm Thị Thúy và nnk, 2016).
Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng bùn thải từ các khu chế biến sắt để ứng dụng

làm vật liệu hấp phụ tại Việt Nam vẫn chưa được đánh giá.
Xuất phát từ những ý nghĩa đó, luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu, đánh giá
khả năng hấp phụ kim loại nặng trong nƣớc của bùn thải khu chế biến sắt Bản
Cuôn” được thực hiện với những mục tiêu và nhiệm vụ sau:
1


Mục tiêu nghiên cứu: Đánh giá khả năng hấp phụ và luận giải cơ chế hấp phụ
KLN trong môi trường nước của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn.
Nội dung nghiên cứu:
- Tổng quan các tài liệu có liên quan về công nghệ xử lý nước thải, về vật
liệu hấp phụ, về KLN và độc tố của chúng trong môi trường nước;
- Nghiên cứu, xác định đặc trưng của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn:
(1) Thành phần nguyên tố, (2) Thành phần khoáng vật, (3) Điện tích bề
mặt, (4) Diện tích bề mặt, (5) Nhóm chức hoạt động bề mặt, (6) Hình
thái cấu trúc vật liệu (SEM);
- Nghiên cứu, đánh giá khả năng hấp phụ KLN trong môi trường nước
của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn thông qua các thí nghiệm: (1)
Xác định pHPZC, (2) Khảo sát ảnh hưởng của pH, (3) Khảo sát ảnh
hưởng của khối lượng vật liệu; (4) Khảo sát ảnh hưởng của thời gian và
(5) Khảo sát ảnh hưởng nồng độ KLN ban đầu tới khả năng hấp phụ;
- Luận giải cơ chế hấp phụ KLN trong môi trường nước của bùn thải khu
chế biến sắt Bản Cuôn.

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc
Ô nhiễm KLN trong môi trường nước đã và đang là mối de dọa tới môi

trường, hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. KLN là những kim loại có khối lượng
riêng lớn hơn 5g/cm3 và có khối lượng nguyên tử nằm trong khoảng 63,5 và 200,6
đvC (Fu và Wang, 2011). Một số KLN là các nguyên tố vi lượng cần thiết cho sinh
vật (Cu, Zn, Mn, Mo, Ni…). Khác với các chất thải hữu cơ có thể tự phân hủy trong
đa số trường hợp, các KLN khi thải vào môi trường thường tồn tại lâu dài. KLN gây
độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu
chuẩn cho phép. Chì (Pb), Cadimi (Cd), Asen (As) được xếp loại là những độc tố
loại A và là những KLN có khả năng gây nguy hại nhất đối với sức khỏe con người.
Trong nước thải công nghiệp KLN thường bao gồm Pb, Cr, Hg, Se, Zn, As, Cd,
Mn, Ni…, chúng được sinh ra do hoạt động khai thác, chế biến khoáng sản, hoạt
động nông nghiệp, quá trình công nghiệp hóa và quá trình địa chất tự nhiên (Kyle
và nnk, 2011; Johnson và Hallberg, 2015). Nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm KLN
là do nước thải công nghiệp và nước thải độc hại không qua xử lý hoặc xử lý không
đạt yêu cầu được xả trực tiếp vào môi trường. Ion KLN dễ kết hợp với nước tạo ra
các hydroxit. Khả năng hòa tan của các hydroxit kim loại phụ thuộc vào pH của
nước. Trong khai thác và chế biến khoáng sản thường sinh ra dòng thải axit mỏ có
pH dao dộng 3 - 5,5 và thường có hàm lượng As, Pb, Zn, Cd và Mn cao, chúng tồn
tại ở dạng ion hòa tan dễ dàng di chuyển và tích tụ trong môi trường đất và trầm tích
(Johnson và Hallberg, 2015). Các KLN tồn tại trong môi trường đất, nước, đi vào cơ
thể của sinh vật và con người qua con đường hấp thụ như hô hấp, tiêu hóa và qua
da; thường tích lũy trong cơ thể và gây ô nhiễm do chúng không hoặc ít tham gia
vào các quá trình sinh hóa của cơ thể sinh vật.
Asen (As)
Asen là một trong những chất có độc tính cao, có tỷ trọng 5,73g/cm3 và được
xếp vào nhóm độc loại A cùng với Hg, Se, Pb, Cd. Trong tự nhiên, nguồn As xuất
3


phát chủ yếu từ các mỏ quặng chứa sulfua và các đá khoáng vật chứa As (Smedley
và Kinniburgh, 2002). Hai dạng tồn tại chính của As vô vơ được tìm thấy trong môi

trường là arsenit (As (III)) và arsenat (As (V)). Độc tính của As phụ thuộc vào trạng
thái tồn tại của nó, các dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ của As hóa trị (III) có độc
tính cao hơn dạng hóa trị (V) (Zhang và nnk, 2002). Con người có thể bị phơi
nhiễm As qua hít thở không khí, hấp thu thức ăn và nước uống. Một lượng nhỏ As
trong nước có thể đe dọa đến sức khỏe con người bởi vì phần lớn các hợp chất As
trong nước uống đều ở dạng vô cơ rất độc. Một số hợp chất của As như: asenic
florua (AsF3); asenic florid (AsF5); asenic oxid (AsO3); asenic sulphid (As2S3) …
Khi cơ thể bị nhiễm độc As, tuỳ theo mức độ và thời gian tiếp xúc sẽ biểu hiện
những triệu chứng với những tác hại khác nhau. Những biểu hiện của ngộ độc As
bao gồm: tổn thương da, tăng sừng hóa, ung thư da, ung thư phổi, ung thư ruột...
Chì (Pb)
Chì là KLN tương đối bền, có tỷ trọng d = 11,3 g/m3, và là một trong những
KLN được nghiên cứu kỹ về độc tố. Nguồn phát sinh Pb chủ yếu từ quá trình phong
hóa, quá trình khai thác và chế biến khoáng sản, sản xuất kim loại màu, gia công
kim loại. Trong tự nhiên Pb tồn tại dưới dạng quặng PbS, PbCO3, PbSO4. Nước thải
ô nhiễm Pb từ quá trình sản xuất, tái chế pin, ắc quy xâm nhập vào cơ thể người chủ
yếu qua đường hô hấp, tiêu hóa, gây ức chế một số enzyme quan trọng, làm rối loạn
quá trình tạo huyết ở tủy, phá vỡ quá trình tạo hồng cầu, gây hại đến hệ thần kinh.
Pb ảnh hưởng đến hệ sinh sản, có thể gây vô sinh, gây sẩy thai. Đặc biệt đối với phụ
nữ đang mang thai và trẻ em là những đối tượng mẫn cảm với nguy hại của Pb nhất
(Steenland và Boffetta, 2000). Thêm vào đó, Pb có khả năng tích lũy lâu dài trong
cơ thể thông qua dây chuyền thực phẩm, tích lũy sinh học trong cơ thể động vật
thông qua quá trình metyl hóa.
Cadimi (Cd)
Cadimi là một KLN có tính độc cao, tỷ trọng của d = 8,65g/cm3, và là một
trong số ít nguyên tố không cần thiết cho cơ thể con người. Cd di chuyển và tích tụ
4


trong hệ sinh thái, con người, và gây độc dù chỉ với nồng độ thấp. Nguồn ô nhiễm

Cd xuất phát từ khai thác mỏ, nhà máy luyện kim. Ðối với con nguời, Cd có thể
xâm nhập vào cơ thể bằng nhiều cách khác nhau như tiếp xúc qua hô hấp và ăn
uống... Biểu hiện nhiễm độc cấp tính với Cd thông qua đường hô hấp thường dẫn
tới xuất huyết phổi, phù phổi và có thể dẫn tới tử vong. Đối với tiếp xúc qua đường
miệng, Cd gây phá hủy hồng cầu, xuất huyết, hoại tử, loét ruột, viêm dạ dày, hoại tử
dạ dày, giảm hoạt động của cơ. Cd thường được tích lũy dần trong thận, gây triệu
chứng độc mãn tính (Nogawa và nnk, 1999).
Mangan (Mn)
Mangan là một nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể và cũng là một trong
những KLN với tỷ trọng d = 7,21g/cm3. Các nguồn gây ô nhiễm Mn chủ yếu thông
qua các quá trình rửa trôi, phong hóa đất đá và các hoạt động nhân tạo khai thác và
chế biến khoáng sản. Trong các trạng thái oxy hóa phổ biến nhất của Mn thì Mn+2 là
trạng thái ổn định nhất. Mn có nhiều vai trò như: tác động tới hô hấp tế bào, chuyển
hóa gluxit, hoạt động của não. Mn được hấp thu vào cơ thể con người thông qua 3
con đường: hô hấp, tiếp xúc và tiêu hóa. Mn hấp thụ vào cơ thể với nồng độ cao sẽ
làm tổn thương phổi với các mức độ khác nhau như: ho, viêm phế quản cấp tính,
viêm cuống phổi, ù tai, run chân tay và tính dễ bị kích thích. Ngoài ra, nhiễm độc
Mn sẽ giảm khả năng ngôn ngữ, giảm trí nhớ, giảm thị lực và vận động chân tay
(Malcolm và nnk, 2012).
Kẽm (Zn)
Kẽm là nguyên tố vi lượng cần thiết cho động vật và con người. Tuy nhiên,
hấp thu một lượng lớn Zn sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người
cụ thể gây nôn, tổn hại thận, gây ra sự thiếu hụt của các khoáng chất khác trong
dinh dưỡng (Dreosti, 1996). Trong tự nhiên, nguồn phát tán Zn chủ yếu thông qua
các quá trình phong hóa địa chất, hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản, luyện
kim, sản xuất phân bón hóa học. Zn rất cần thiết đối với sự tổng hợp nucleic acid,
protein, trao đổi chất màng, cũng như sự tăng trưởng tế bào và phân chia và đóng
5

một vai trò thiết yếu trong duy trì cấu trúc axit nucleic của các gen. Thiếu Zn
thường đi kèm với các triệu chứng viêm da, biếng ăn, chậm lớn, kém lành vết
thương, giảm khả năng sinh sản, chức năng miễn dịch bị suy yếu...
1.2. Một số phƣơng pháp loại bỏ kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc
Ngày nay, nhiều phương pháp công nghệ, kỹ thuật đã được phát triển và sử
dụng nhằm xử lý KLN, được phân loại gồm phương pháp cơ học, phương pháp hóa
học và phương pháp hóa lý. Những quá trình đi kèm các phương pháp đó gồm lắng,
lọc, tách, trung hòa, keo tụ (Hering và nnk, 1997), hấp phụ (Zhang, 2003; Lin và
Wu, 2011), trao đổi ion (Korngold và nnk, 2001; Kim và Benjamin, 2004), sinh
học, xử lý bằng thực vật (Katsoyiannis và Zouboulis, 2002), màng lọc (Fang, 2017).
Trong đó, hấp phụ là phương pháp được sử dụng chủ yếu trong luận văn được trình
bày chi tiết trong mục 1.3.
1.2.1. Phương pháp kết tủa
Phương pháp kết tủa là phương pháp thông dụng để xử lý nước thải chứa
KLN, điển hình kết tủa carbonat canxi và hydroxit kim loại. Phương pháp này
dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa vào nước thải với kim loại cần tách (M),
ở độ pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa [M(OH)n] và được tách ra khỏi
nước thải bằng phương pháp lắng. Cơ chế của quá trình được thể hiện trong
phương trình:
Mn+ + n(OH)-



M(OH)n

Trong phương pháp kết tủa, pH của dung dịch đóng vai trò rất quan trọng vì
khả năng hòa tan kim loại. Mỗi kim loại kết tủa tại các giá trị pH khác nhau. Do đó,
cần xác định giá trị pH thích hợp đối với từng kim loại trong mỗi loại nước thải cụ
thể cần xử lý. Ví dụ, hydroxit Fe3+ kết tủa ở pH khoảng 4,1 (97,2%), trong khi đó
hydroxit Al ở pH = 4 - 5,5 (92,9%) (Xinchao và nnk, 2005). Tùy thuộc vào thành

phần, đặc trưng ô nhiễm của nguồn nước mà cần lựa chọn hóa chất để đưa pH lên
mức có thể kết tủa các kim loại cần xử lý. Một số hóa chất thường được sử dụng
6


bao gồm: magie oxit (MgO), natri hydroxyl (NaOH), vôi (CaO)…Trong quá trình
kết tủa, việc bổ xung các chất keo tụ như phèn, muối sắt, các polymer hữu cơ có thể
nâng cao khả năng loại bỏ KLN. Nghiên cứu loại bỏ một số KLN như Zn2+, Cd2+,
Mn2+ bằng cách thêm tác nhân Ca(OH)2 đã được nghiên cứu cho hiệu suất loại bỏ
lên tới 99,3 - 99,8% (Kurniawan và nnk, 2006).
1.2.2. Phương pháp trao đổi ion
Phương pháp trao đổi ion được ứng dụng để làm sạch nước, nước thải khỏi
các kim loại như Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, V, Mn… cũng như các hợp chất của
As, photpho, xyanua và chất phóng xạ.. Phản ứng trao đổi ion là một phản ứng
thuận nghịch, trong đó các KLN được loại bỏ bằng việc trao đổi với các ion cùng
dấu trong chất trao đổi ion hay nhựa trao đổi ion. Khi nhựa trao đổi ion bão hòa, nó
sẽ được tái sinh bằng dung dịch axit hoặc bazo loãng. Nghiên cứu khả năng loại bỏ
ion Co2+, và Cr3+ bởi nhựa trao đổi ion Amberlite IRN-77(Kang và nnk, 2004) chỉ
ra rằng, sau khi cho 6g nhựa vào dung dịch kim loại cân bằng của phản ứng xảy ra
nhanh chóng trong vòng một giờ, hiệu suất loại bỏ đạt đến gần 100%. Dung lượng
hấp phụ tối đa của Co2+, Cr3+ lần lượt đạt 74,6 mg/g và 49,9 mg/g.
Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ, hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên
hay tổng hợp nhân tạo. Vật liệu trao đổi ion tự nhiên là những khoáng có trong đất
sét như sillit, montmorillonit, vermiculit và zeolit (clinoptilolit), fenspat, mica…
Chất hữu cơ dạng bùn cũng có khả năng trao đổi ion như than bùn. Các chất có tính
chất trao đổi cation là các chất chứa nhôm silicat và các loại apatit. Nghiên cứu sử
dụng zeolit loại bỏ Cu2+ ra khỏi dung dịch bằng phương pháp trao đổi ion cho thấy
khả năng loại bỏ Cu2+ của zeolit lên tới 20 mol/dm3.g (Mark, 1998). Ngoài ra,
nghiên cứu zeolit tự nhiên và khoáng silicat tự nhiên cũng được sử dụng rộng rãi để
loại bỏ KLN ra khỏi nước thải vì chi phí thấp và rất phong phú. Đặc biệt,

clinoptilolit là một zeolit tự nhiên cũng đã được nghiên cứu sử dụng rộng rãi do tính
chất chọn lọc của nó với ion KLN (Doula, 2008).

7


1.2.3. Phương pháp keo tụ - bông tủa
Keo tụ và tạo bông là một quy trình trong xử lý nước cấp và nước thải, quy
trình này sử dụng hóa chất để tách các chất ổ nhiễm trong nước thành bùn và sau
đó lắng xuống. Keo tụ là quá trình làm mất ổn định của hạt keo hay còn gọi là phá
vỡ tính bền của hệ keo làm cho các hạt keo tập hợp thành các phân tử lớn hơn giúp
cho quá trình lắng dễ dàng hơn. Các hóa chất thường dùng trong keo tụ tạo bông
là các ion kim loại hóa trị III như Aluminium chloride, Ferrous chloride, PAC…
Trong đó PAC là được dùng rộng rãi hơn cả vì hiệu suất cao và dễ lưu trữ, sử
dụng. Hiện tượng tạo bông là hiện tượng các chất co cụm thành bông được tạo từ
các chất cao phân tử tan trong nước và có ái lực tốt với các hạt keo hoặc các hạt
cặn nhỏ. Khác với keo tụ có tính thuận nghịch, các chất có khả năng tạo bông
được gọi là các chất tạo bông hay trợ keo tụ, quá trình tạo bông là bất thuận
nghịch. Các chất tạo bông thường được sử dụng như các polymer vô cơ (silic hoạt
tính), polymer tự nhiên (tinh bột, xantan, pectin), polymer tổng hợp và các chất
tạo bông hữu cơ cao phân tử…
Nghiên cứu sử dụng hợp chất polyphenol làm chất tạo bông để loại bỏ Zn2+
và Cu2+ (Heredia và Martin, 2009), cho thấy hiệu suất loại bỏ Cu2+ lên tới 90% tại
điều kiện pH tối ưu 6 và hiệu suất loại bỏ Zn2+ đạt 70% tại pH tối ưu 8.
1.2.4. Phương pháp màng lọc
Công nghệ lọc màng với các loại màng lọc khác nhau đang cho thấy nhiều
triển vọng trong việc xử lý KLN trong nước thải. Dựa vào kích thước lỗ của màng
lọc, người ta chia lọc màng làm bốn loại: siêu lọc (UF), lọc nano (NF), thẩm thấu
ngược (RO) và điện thẩm tách (EDR). Các màng lọc đóng vai trò như hàng rào chắn
chỉ cho phép nước chảy qua còn các chất rắn lơ lửng và những chất bẩn có kích

thước lớn hơn kích thước lỗ màng lọc sẽ bị giữ lại trên màng.
Nghiên cứu sử dụng màng lọc thẩm thấu kết hợp với polymer đa lớp tan vào
nước thải có khả năng loại bỏ Cu2+, Ni2+, Pb2+, Zn2+ và Cd2+ ra khỏi nước. Kim loại
sau khi tạo phức với polymer sẽ tăng kích thước của phân tử và được loại ra khỏi
8


dung dịch bằng cách cho nước chảy qua màng lọc cho thấy hiệu suất loại bỏ đạt tới
99,31% (Liu và nnk, 2017).
Phương pháp lọc màng đang được sử dụng ngày càng phổ biến trong nhiều
ngành công nghiệp vì một số ưu điểm như không phát sinh chất thải thứ cấp, không
tiêu thụ hóa chất trong quá trình vận hành, năng lượng tiêu thụ thấp, khả năng tái
sinh kim loại cao, yêu cầu không gian nhỏ và có khả năng tách chọn lọc kim loại.
Một số hạn chế của phương pháp liên quan đến quá trình sử dụng màng bao gồm tắc
màng, thời gian sử dụng màng thường ngắn, rửa màng cần các tác nhân oxy hóa
mạnh, dung môi và các hợp chất hữu cơ khác, không áp dụng phương pháp khi lưu
lượng dòng vào lớn (Fenglian và Qi, 2011).
1.2.5. Phương pháp sử dụng thực vật
Phương pháp sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm môi trường là việc sử dụng
thực vật để hấp thụ, phân hủy hoặc cố định các chất ô nhiễm có trong đất, bãi thải,
trầm tích và nước ngầm. Công nghệ này đã được ứng dụng xử lý KLN tại nhiều nơi
trên thế giới như Đức, Thụy Sỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, Anh, Pháp, Tây Ban Nha,
Bồ Đào Nha, Ấn Độ, Nga...Công nghệ sử dụng thực vật gồm có 5 cơ chế: Tích luỹ
KLN trong rễ (rhizofiltraction), cố định (phytostabilization), tích luỹ hoặc hấp thụ
vào trong thân hoặc lá cây (phytoextraction), bay hơi bằng lá (phytovolatilization),
phân giải thực vật (phytodegredation) (Ghosh và Singh, 2005). Một số loài thực vật
thường được sử dụng để xử lý môi trường nước như bèo tây (Echihornia crassipes),
cỏ vetiver (Vetiveria Zizanioides L.), cây sậy (Phragmites australis), dương xỉ
(Pteris vittata L.) … Từ những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, phương pháp sử
dụng thực vật được ứng dụng tại nhiều khu vực bị ô nhiễm bởi kim loại (Pb, Cd,

Cu, Co, Hg, As, Zn, Cr, Se, Mn, Ni, Sb).
Tóm lại, hầu hết các công nghệ đều có những ưu điểm và nhược điểm khác
nhau (Bảng 1). Trong đó, phương pháp kết tủa được sử dụng do có hiệu quả xử lý
tốt nhất, tuy nhiên giá thành xử lý cao, sinh ra lượng lớn các chất thải thứ sinh,
không thân thiện với môi trường. Phương pháp sinh học với ưu điểm là thân thiện
với môi trường, hiệu quả với khả năng hấp phụ KLN với nồng độ cao, tuy nhiên,
9


diện tích không gian xây dựng hệ thống xử lý rất lớn, cần đánh giá biện pháp canh
tác, khả năng chống chịu thời tiết, sâu bệnh, và sinh ra một lượng sinh khối lớn sau
xử lý (Katsoyiannis và Zouboulis, 2002). Phương pháp ứng dụng màng lọc ngày
càng phát triển do ưu điểm xử lý đồng thời nhiều kim loại một thời điểm và xử lý
nước thải có nồng độ KLN cao (Fang, 2017). Tuy nhiên, chi phí để ứng dụng
phương pháp màng lọc là rất cao. Phương pháp hấp phụ được coi là một trong
những phương pháp tối ưu nhất với những ưu điểm như hiệu quả xử lý cao, dễ dàng
xây dựng và vận hành, chi phí xử lý thấp, khả năng sinh ra chất thải thứ sinh thấp.
Ngoài ra, phương pháp hấp phụ còn có khả năng xử lý nước thải chứa KLN với
nồng độ cao, được thực hiện tại nhiều điều kiện khác nhau như pH khác nhau,
khoảng nhiệt độ rộng (Worch, 2012). Ngoài những vật liệu tự nhiên như đá ong laterit, zeolit, kaolinit, oxit và hydroxit sắt thì nhiều vật liệu hấp phụ được nghiên
cứu từ các chất thải, bùn thải của quá trình khai khác và chế biến nhôm, sắt được
tiến hành bao gồm: bùn đỏ, bùn thải sắt, bùn thải trong các nhà máy nước…
Bảng 1: Một số phƣơng pháp trong xử lý nƣớc, nƣớc thải
Phƣơng
pháp

Ƣu điểm

Nhƣợc điểm

Lắng,
lọc,
tách

- Phương pháp truyền thống dễ thực - Không loại bỏ được nước thải có hàm
hiện;
lượng kim loại cao;

Kết tủa

- Đơn giản, dễ sử dụng;

- Loại bỏ được các chất lơ lửng

- Cần nhiều diện tích xây dựng các bể
lắng, lọc, tách.

- Với nồng độ kim loại cao thì phương
- Xử lý được cùng lúc nhiều kim loại, pháp này xử lý không triệt để;
hiệu quả xử lý cao;
- Tạo ra bùn thải thứ sinh;
- Xử lý được nước thải đối với các - Tốn kinh phí như vận chuyển, chôn
nhà máy có quy mô lớn.
lấp khi đưa bùn thải đi xử lý.

Hấp
phụ

- Đơn giản, dễ sử dụng;

- Nghiên cứu quá trình giải hấp từ vật
liệu hấp phụ còn nhiều hạn chế.

- Giá thành rẻ, hiệu quả cao;
- Có thể tận dụng một số vật liệu là
chất thải của các ngành khác như
Fe2O3;

10


Phƣơng
pháp

Ƣu điểm

Nhƣợc điểm

- Có thể giải hấp phụ để tái sinh vật
liệu hấp phụ.
Trao
đổi ion

- Khả năng trao đổi ion lớn, hiệu quả - Chi phí xử lý cao do đó không phù
xử lý kim loại cao;
hợp với các nhà máy có quy mô lớn
- Đơn giản, dễ sử dụng;
- Không gian xử lý nhỏ;
- Có khả năng thu hồi kim loại có giá
trị, không tạo ra chất thải thứ cấp.

Điện
hóa

- Xử lý nước thải có nồng độ kim loại - Tiêu hao năng lượng lớn;
cao;
- Chi phí xử lý cao.
- Đơn giản, dễ sử dụng;
- Không sử dụng hóa chất.

Sử dụng - Xử lý KLN ở mức độ cao;
thực vật - Hiệu quả cao, giá thành rẻ;

- Diện tích mặt bằng rất lớn;
- Phụ thuộc thời tiết, sâu bệnh;

- Thân thiện với môi trường.
Màng
lọc

- Sinh khối phát sinh ra sẽ chứa toàn
KLN khó xử lý.

- Hiệu quả xử lý đồng thời nhiều kim - Giá thành rất cao
loại;
- Xử lý nước thải có nồng độ KLN
cao;
- Không gian nhỏ, tiện lợi, dễ dàng sử
dụng, thay thế

Nguồn: Fu và Wang, 2011
1.3. Phƣơng pháp hấp phụ
1.3.1. Cơ chế của phương pháp
Sự hấp phụ là quá trình tích lũy chất lên mặt phân cách giữa hai pha (rắn lỏng, rắn - khí, lỏng - lỏng). Chất hấp phụ là chất có khả năng hút thu các phần tử
chất khác khi tiếp xúc với nó. Chất hấp phụ có bề mặt riêng càng lớn thì khả năng
hấp phụ càng mạnh. Chất tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ là chất bị hấp phụ. Như
vậy thực chất hấp phụ là quá trình di chuyển của các ion từ pha lỏng sang pha rắn,
11


các ion tiếp xúc và bị giữ bởi các tâm hấp phụ của vật liệu hấp phụ thông qua các
dạng liên kết: liên kết Vander Waals, liên kết tĩnh điện, liên kết Hydro, liên kết hóa
trị. Quá trình hấp phụ xảy ra làm cho hàm lượng kim loại trong nước giảm dần và
hàm lượng kim loại trong pha rắn tăng lên cho đến khi đạt trạng thái cân bằng. Sau
khi vật liệu hấp phụ đã bão hòa, đạt đến trạng thái cân bằng thì có thể tiến hành giải
hấp phụ và thu hồi chất bị hấp phụ (Nguyễn Trung Minh và nnk, 2010). Hiện tượng
hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Tùy thuộc
theo bản chất lực tương tác người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
(Trịnh Thị Thanh, 2004).
Hấp phụ vật lý: Là sự tương tác yếu và thuận nghịch nhờ lực hút tĩnh điện
giữa các ion kim loại và các tâm hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ. Các phân tử chất
bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, ion…) ở bề mặt phân
chia pha bởi liên kết Van der Walls. Đây là lực liên kết tương đối yếu, liên kết hình
thành không ổn định và dễ bị phá vỡ. Vì vậy, hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch.
Trong hấp phụ vật lý, các phân tử chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành
hợp chất hóa học mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị
giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ. Các mối liên kết này yếu do vậy thuận lợi cho quá
trình nhả hấp phụ và thu hồi kim loại quý.
Hấp phụ hóa học: Là quá trình xảy ra các phản ứng tạo liên kết hóa học giữa
ion KLN và các nhóm chức của tâm hấp phụ, thường là các ion KLN phản ứng tạo

phức đối với các nhóm chức trong chất hấp phụ. Lực hấp phụ khi đó là lực liên kết
hóa học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị…). Năng lượng liên kết tạo
thành rất lớn (có thể đến hàng trăm kJ/mol), do đó tạo liên kết bền và khó bị phá vỡ.
Vì vậy, hấp phụ hóa học không có tính thuận nghịch.
Như vậy, điều khác nhau cơ bản giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý là
bản chất lực liên kết giữa các tiểu phân hấp phụ - bị hấp phụ. Dựa trên một số chỉ
tiêu đặc trưng của quá trình hấp phụ có thể phân biệt được hấp phụ hóa học và hấp
phụ vật lý:
12


- Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hoặc đa lớp, hấp phụ hoá học chỉ là
đơn lớp.
- Tốc độ hấp phụ: Hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hoá phân tử do đó
xảy ra nhanh, hấp phụ hoá học nói chung đòi hỏi sự hoạt hoá phân tử do đó xảy ra
chậm hơn.
- Tính đặc thù: Hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hoá học do đó ít
mang tính đặc thù rõ rệt. Hấp phụ hoá học mang tính đặc thù cao, nó phụ thuộc vào
khả năng tạo thành liên kết hoá học giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.
Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt của
chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai đoạn
kế tiếp nhau như sau (Worch, 2012):
 Giai đoạn khuếch tán trong dung dịch: các chất bị hấp phụ chuyển
động tới bề mặt chất hấp phụ.
 Giai đoạn khuếch tán màng: phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến
bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các hệ mao quản.
 Giai đoạn khuếch tán trong mao quản: chất bị hấp phụ khuếch tán vào
bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ.
 Giai đoạn tương tác hấp phụ: các chất dính bám trên bề mặt khe rỗng
theo các cơ chế khác nhau.

1.3.2. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ
Cân bằng hấp phụ: Quá trình chất khí hoặc chất lỏng hấp phụ trên bề mặt
chất hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ đã hấp
phụ trên bề mặt chất bị hấp phụ vẫn di chuyển ngược lại. Theo thời gian, lượng
chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển
ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ
bằng tốc độ di chuyển ngược lại pha mang (giải hấp) thì quá trình hấp phụ đạt
cân bằng.

13


Dung lượng hấp phụ cân bằng được biểu thị là khối lượng chất bị hấp phụ
trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng dưới các điều kiện
nồng độ và nhiệt độ cho trước.
1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng
Hiệu quả xử lý của phương pháp hấp phụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố
(Worch, 2012; Abas và nnk, 2013):
 Dung môi: hấp phụ trong dung dịch là hấp phụ cạnh tranh nghĩa là khi chất
tan bị hấp phụ càng mạnh thì dung môi bị hấp phụ càng yếu.
 Bản chất chất hấp phụ và bị hấp phụ: Thông thường các chất phân cực dễ
hấp phụ lên bề mặt phân cực và các chất không phân cực dễ hấp phụ lên bề
mặt không phân cực. Bề mặt phân cực sẽ hấp phụ tốt chất bị hấp phụ phân
cực và ngược lại. Trạng thái vật lý và độ xốp của chất hấp phụ cũng ảnh
hưởng rất lớn đến khả năng hấp phụ. Khi giảm kích thước mao quản trong
chất hấp phụ xốp thì sự hấp phụ từ dung dịch thường tăng lên nhưng chỉ
trong chừng mực mà kích thước của mao quản không cản trở sự đi vào của
chất bị hấp phụ. Nếu kích thước mao quản bé hơn kích thước của phân tử bị
hấp phụ thì sự hấp phụ sẽ bị cản trở.
 Nhiệt độ: Khi nhiệt độ dung dịch thay đổi sẽ dẫn tới sự tăng hoặc giảm khối

lượng chất bị hấp phụ tùy thuộc vào dạng hấp phụ vật lý hay hóa học. Khi
nhiệt độ tăng sẽ làm cho mức độ hỗn loạn trong hệ tăng lên và đồng thời bẻ
gãy các liên kết yếu. Do đó, đối với phản ứng hấp phụ thu nhiệt thì dung
lượng hấp phụ sẽ tăng khi nhiệt độ tăng và ngược lại đối với phản ứng hấp
phụ tỏa nhiệt.
 Nồng độ pH: Khi pH thay đổi sẽ ảnh hưởng đến trạng thái tồn tại, độ tan, độ
phân cực của chất bị hấp phụ cũng như thay đổi điện tích bề mặt của chất
hấp phụ. Do đó sự thay đổi pH của dung dịch có ảnh hưởng tới tốc độ hấp
phụ và dung lượng hấp phụ của chất hấp phụ. Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc

14


vào tính chất hóa lý của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Với các chất hấp
phụ hữu cơ thì khi pH giảm quá trình hấp phụ tăng.
 Thời gian: Quá trình hấp phụ cần một khoảng thời gian tiếp xúc nhất định
của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ để đạt được trạng thái cân bằng. Thông
thường các chất hấp phụ tăng theo thời gian tiếp xúc, nhưng đến một khoảng
thời gian nào đó thì chúng bão hòa. Thời gian để hệ hấp phụ đạt trạng thái
cân bằng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ ban đầu của chất bị hấp
phụ, khối lượng chất hấp phụ.
1.3.4. Mô hình hấp phụ
1.3.4.1. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt
Người ta có thể mô tả quá trình hấp phụ nhờ đường đẳng nhiệt hấp phụ.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ là một đường cong biểu diễn quan hệ giữa lượng chất bị
hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ và nồng độ chất bị hấp phụ trong
dung dịch.
a) Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir mô tả mối quan hệ giữa dung lượng
hấp phụ và nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng thông qua biểu thức

(2) (Foo và Hameed, 2010). Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir được thiết lập
trên cơ sở giả thuyết rằng, các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với bề mặt chất hấp
phụ tại các trung tâm xác định, mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một phân tử cho nên chỉ
một lớp phân tử bị hấp phụ bởi chất hấp phụ. Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất,
nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các trung tâm là như nhau, không phụ thuộc vào
sự có mặt của các phân tử chất bị hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.
Phương trình đẳng nhiệt Langmuir:

15


Trong đó, Ce (mg/L) là nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng, qe
(mg/g) là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng, qm (mg/g) là dung lượng hấp
phụ cực đại, Ka là hằng số hấp phụ Langmuir. Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm,
tiến hành xây dựng đồ thị mô tả mối tương quan giữa Ce/qe và Ce. Từ đó xác định
được các tham số qm và Ka trong biểu thức (1).
b) Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich:
Mô hình đẳng nhiệt Freundlich mô tả mối quan hệ giữa dung lượng hấp phụ
và nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng thông qua biểu thức (2)
(Foo và Hameed, 2010). Phương trình hấp phụ Freundlich được thiết lập trên cơ
sở thực nghiệm. Mô hình thực nghiệm này có thể áp dụng cho hấp phụ đa lớp, với
sự phân bố không đồng đều của nhiệt hấp phụ và ái lực hấp phụ trên bề mặt không
đồng nhất.
qe = KF. Ce1/n

(2)

Khi KF = qe khi Ce = 1 đơn vị, hay KF là dung lượng hấp phụ khi Ce = 1. KF
được sử dụng để so sánh khả năng hấp phụ của hệ đang khảo sát với các hệ khác. Giá
trị KF lớn đồng nghĩa với hệ có khả năng hấp phụ cao, n là đại lượng đặc trưng cho

tương tác hấp phụ của hệ, giá trị n lớn (1/n nhỏ) thể hiện lực tương tác hấp phụ rất
mạnh, dạng hấp phụ thiên về cơ chế hóa học với tính chất không thuận nghịch, khi đó
qe nhanh chóng đạt giá trị lớn ở vùng Ce thấp và tăng chậm khi Ce tiếp tục tăng.
Dạng tuyến tính của phương trình:
lnqe = lnKF + lnCe

(3)

Trong đó, KF là hằng số đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich, Ce (mg/L) là nồng
độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng, qe (mg/g) là dung lượng hấp phụ của vật
liệu ở thời điểm cân bằng, 1/n (n > 1, g/L) là thông số cường độ Freundlich.
Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm thu được, xây dựng đồ thị mô tả mối
tương quan giữa lgQe và lgCe, từ đó xác định được các tham số KF và n trong biểu
thức (3).
16


1.3.4.2. Mô hình động học hấp phụ theo mẻ
Đối với một quá trình hấp phụ, các khía cạnh liên quan tới nhiệt động lực
học và động học nên được xem xét để có thêm thông tin về hiệu suất và cơ chế của
quá trình. Từ việc phân tích động học hấp phụ và dung lượng hấp phụ, người ta có
thể thiết lập thời gian phản ứng cần thiết của một phản ứng hấp phụ.
Các phương trình động học được sử dụng để mô tả động học quá trình hấp
phụ là phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren và phương
trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai. Lagergren, 1898 đã đưa ra một phương
trình bậc nhất mô tả các quá trình động học của hấp phụ lỏng - rắn, giai đoạn hấp
phụ của axit oxalic và axit maloic lên than. Đây được cho là mô hình đầu tiên liên
quan đến tốc độ hấp phụ trên cơ sở dung lượng hấp phụ (Hui và nnk, 2009). Phương
trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất (The Pseudo-First Order Equation) được
biểu diễn dưới dạng biểu thức 4, 5:

Dạng tuyến tính của phương trình:
ln (qe - qt) = ln(qe) - k1t

(5)

Trong đó, qe và qt (mg/g) là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và
tại thời điểm t (phút), k1 là hằng số tốc độ bậc một của phương trình động học. Nếu
tốc độ hấp phụ tuân theo quy luật động học biểu kiến bậc nhất, đường biểu diễn
ln(qe - qt) theo t sẽ là đường thẳng, dựa vào đồ thị có thể xác định được các hằng số
k1 và qe thông qua hệ số góc và điểm cắt trục hoành của đồ thị.
Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai (The PseudoSecond Order
Equation) được biểu diễn dưới dạng biểu thức 6, 7:

17


Dạng tuyến tính của phương trình:

Trong đó, k2 là hằng số tốc độ bậc hai của phương trình động học.
Nếu quá trình hấp phụ tuân theo quy luật động học biểu kiến bậc hai, đồ thị
biểu diễn mối quan hệ giữa t và 1/(qe-qt) là đường thẳng. Dựa vào đồ thị này sẽ xác
định được qe và k2 thông qua hệ số góc và điểm cắt trục hoành của đồ thị. Giá trị
của hằng số tốc độ biểu kiến là một trong các thông số để so sánh giữa các chất hấp
phụ đối với cùng một chất bị hấp phụ.
1.4. Vật liệu hấp phụ
1.4.1. Một số nhóm khoáng vật điển hình
1.4.1.1. Các khoáng vật silicat
Nhóm khoáng vật silicat lớp (phyllosilicat) khá phổ biến trong tự nhiên, với
cấu trúc lớp đặc trưng, tỷ diện lớn, điện tích bề mặt lớn, kích thước sét nhỏ (<2m),

được coi là nhóm khoáng vật tiềm năng có thể tham gia cố định các cation và có thể
tiếp nhận các ion hydrat hóa vào trong khoảng không giữa các lớp cơ sở. Một số
khoáng vật phyllosilicat điển hình như nhóm khoáng vật sét bentonit, vermiculit,
smectit với cấu trúc 2:1 và kaolin với cấu trúc 1:1. Các khoáng vật trong sét
bentonit thường được hình thành từ quá trình phong hóa tro núi lửa, vermiculit được
hình thành do phong hóa hoặc biến dịch nhiệt dịch từ các sản phẩm mica nguyên
sinh như biotit và phlogopit. Trong thành phần của bentonit chứa chủ yếu các
smectit và chúng chi phối các tính chất lí hóa học của bentonit. Smectit có tính chất
trương nở, có kích thước nhỏ nhất trong số các khoáng vật sét, <<1m. Kích thước
của chúng giải thích tại sao chúng có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều so với các
phyllosilicat khác. Lớp khoảng không trương nở giữa các lớp silicat của smectit làm
tăng khả năng trao đổi cation và tạo ra diện tích bề mặt lên đến 600 - 800 m2.g-1.
Các smectit bát diện hai là phổ biến nhất trong đất với 3 loại khoáng chính là
18