Nghiên cứu khả năng sử dụng lá cao su làm vật liệu xử lý cu (ii) trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN THỊ THU THỦY

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG LÁ CAO SU LÀM VẬT LIỆU
XỬ LÝ Cu(II) TRONG NƢỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG

Hà Nộii – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN THỊ THU THỦY

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG LÁ CAO SU LÀM VẬT LIỆU
XỬ LÝ Cu(II) TRONG NƢỚC

Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trƣờng
Mã số:

CA150010

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG

GƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRẦN LỆ MINH

ii – 2017
Hà Nội


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn này do tơi thực hiện trong chƣơng trình đào tạo
của Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu và kết quả trong Luận văn là
trung thực và chƣa từng đƣợc cơng bố. Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung
Luận văn.
Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2017
Ngƣời thực hiện Luận văn

Trần Thị Thu Thủy

iii


LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn tận tình đến
TS. Trần Lệ Minh đã hƣớng dẫn em nghiên cứu và hoàn thành Luận văn này.
Em xin cảm ơn các thầy cô giáo Viện Khoa học và Công nghệ môi trƣờng đã
tận tình dạy bảo trong suốt quá trình học, trang bị kiến thức giúp em hoàn thành
Luận văn.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Ban Lãnh đạo Viện Khoa học vật liệu,
các anh chị trong phịng Cơng nghệ và vật liệu mơi trƣờng đã tận tình giúp đỡ và
tạo điều kiện về mặt trang thiết bị, hóa chất,… để em thực hiện tốt quá trình nghiên
cứu.

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè, ngƣời thân đã động viên, tạo điều
kiện giúp đỡ cho em hoàn thành tốt Luận văn.
Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2017
Ngƣời thực hiện Luận văn

Trần Thị Thu Thủy

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ viii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. ix
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................2
4. Đóng góp của Luận văn ......................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................3
6. Bố cục Luận văn .................................................................................................3
CHƢƠNG 1 ................................................................................................................4
Ô NHIỄM ĐỒNG TRONG NƢỚC VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ .................4
1.1. Hiện trạng ô nhiễm đồng trong nƣớc, ảnh hƣởng của chúng đến con ngƣời và
mơi trƣờng...............................................................................................................4
1.1.1. Đặc tính của đồng .....................................................................................4
1.1.2. Nguồn gốc ô nhiễm Cu(II) trong nƣớc .....................................................5

1.1.3. Ảnh hƣởng của ô nhiễm Cu(II) đối với con ngƣời và môi trƣờng ...........8
1.2. Một số phƣơng pháp xử lý Cu(II) trong nƣớc thải ..........................................9
1.2.1. Phƣơng pháp kết tủa hóa học ...................................................................9
1.2.2. Phƣơng pháp trao đổi ion .......................................................................10
1.2.3. Phƣơng pháp hấp phụ .............................................................................11
1.2.4. Phƣơng pháp sinh học ............................................................................12
1.2.5. Một số phƣơng pháp khác ......................................................................13
1.3. Xử lý kim loại nặng trong nƣớc bằng vật liệu sinh học ................................14
1.3.1. Cơ sở của phƣơng pháp ..........................................................................14
1.3.2. Phƣơng trình đẳng nhiệt mơ tả q trình hấp phụ kim loại nặng trong
nƣớc bằng vật liệu sinh học ...................................................................15
1.3.3. Một số phƣơng trình động học mơ tả quá trình hấp phụ ........................18

v


1.4. Tình hình nghiên cứu xử lý Cu(II) trong nƣớc bằng vật liệu sinh học ..........19
CHƢƠNG 2 ..............................................................................................................22
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM ..................22
2.1. Vật liệu ...........................................................................................................22
2.1.1. Lựa chọn vật liệu ....................................................................................22
2.1.2. Quy trình chế tạo vật liệu .......................................................................22
2.2. Hóa chất và thiết bị sử dụng ..........................................................................23
2.2.1. Hóa chất ..................................................................................................23
2.2.2. Thiết bị, dụng cụ sử dụng .......................................................................24
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm ..........................................................24
2.4. Phƣơng pháp đo và phân tích.........................................................................25
2.5. Quy trình thực nghiệm ...................................................................................26
2.5.1. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý Cu(II) ..26
2.5.2. Khảo sát ảnh hƣởng của pH tới hiệu suất hấp phụ Cu(II) ......................26

2.5.3. Khảo sát ảnh hƣởng của tỷ lệ rắn lỏng đến hiệu suất hấp phụ Cu(II) ....27
2.5.4. Thăm dò khả năng giải hấp, tái sử dụng vật liệu ....................................27
2.5.5. Xử lý nƣớc thải .......................................................................................28
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................29
3.1. Xác định đặc tính của vật liệu ........................................................................29
3.2. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc tới hiệu suất xử lý Cu(II).........................32
3.3. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất xử lý Cu(II) bởi RL ..................................33
3.4. Ảnh hƣởng của tỷ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất xử lý Cu(II) của RL ..............35
3.5. Đẳng nhiệt hấp phụ ........................................................................................37
3.6. Thăm dò khả năng giải hấp phụ .....................................................................40
3.7. Kết quả xử lý đồng trong nƣớc thải ...............................................................41
3.8. Động học của quá trình hấp phụ Cu(II) trong dung dịch bởi RL ..................42
KẾT LUẬN ...............................................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................47
PHỤ LỤC ..................................................................................................................51
Phụ lục 1 ...............................................................................................................51
Phụ lục 2 ...............................................................................................................52
Phụ lục 3 ...............................................................................................................57

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục các ký hiệu
E

Hiệu suất xử lý

t

Thời gian tiếp xúc

R/L

Tỉ lệ rắn/lỏng

Danh mục các chữ viết tắt
Từ viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt
Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng

BTNMT
FTIR

Fourier Transform InfraRed

Phổ hồng ngoại

HUST

Hanoi University of Science and

Trƣờng đại học Bách khoa Hà

Technology

Nội

Institute for Environmental

Viện Khoa học và Công nghệ

Science and Technology

Môi trƣờng

Institute of Materials Science

Viện Khoa học vật liệu

INEST

IMS
KHKT

Khoa học kỹ thuật

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

SEM

Scanning Electronic Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

VLHP

Vật liệu hấp phụ

VAST

Vietnam Academy of Science and

Viện Hàn lâm Khoa học và

Technology

Công nghệ Việt Nam

vii


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Q trình mạ đồng lên chất dẻo [8] .................................................. 6
Hình 2.1: Quy trình chế tạo vật liệu từ lá cây cao su ...................................... 23
Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thực nghiệm theo mẻ gián đoạn ............................ 25
Hình 3.1: Ảnh SEM của vật liệu RL-H2O (a); RL-NaOH (b); RL-H2SO4 (c)
với độ phóng đại 2000 lần và 10000 lần ......................................................... 29
Hình 3.2: Phổ hồng ngoại của vật liệu RL-H2O (a), RL-NaOH (b), RL-H2SO4

(c)..................................................................................................................... 31
Hình 3.3: Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý Cu(II) bởi RL
......................................................................................................................... 32
Hình 3.4: Ảnh hƣởng của a) pH ban đầu và b) pH cân bằng đến hiệu suất xử
lý Cu(II) bởi RL .............................................................................................. 34
Hình 3.5: Ảnh hƣởng của tỷ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất xử lý Cu(II) bởi RL 35
Hình 3.6: Lƣợng Cu(II) hấp phụ và tỷ lệ rắn lỏng khi sử dụng RL ................ 36
Hình 3.7: Đẳng nhiệt Langmuir đối với Cu(II) khi sử dụng vật liệu RL........ 38
Hình 3.8: Đẳng nhiệt Freundlich đối với Cu(II) khi sử dụng vật liệu RL ...... 38
Hình 3.9: Khả năng giải hấp phụ đồng và tái sử dụng RL-H2O ..................... 40
Hình 3.10: Khả năng giải hấp phụ đồng và tái sử dụng RL-NaOH ................ 41
Hình 3.11: Giả động học bậc 1 đối với hấp phụ Cu(II) .................................. 43
Hình 3.12: Giả động học bậc 2 đối với hấp phụ Cu(II) .................................. 43

viii


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các tính chất vật lý của đồng ....................................................................4
Bảng 1.2: Thành phần nƣớc thải của một số ngành công nghiệp ...............................7
Bảng 3.1: Hằng số đẳng nhiệt Langmuir và Freudlich khi xử lý Cu(II) bởi RL ......37
Bảng 3.2: Khả năng hấp phụ Cu(II) của RL so với một số vật liệu khác .................39
Bảng 3.4: Hằng số tốc độ hấp phụ bậc 1 và bậc 2 đối với Cu trên RL .....................42
Bảng PL 2.1: Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý Cu(II) bởi RLH2O ............................................................................................................................52
Bảng PL 2.2: Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý Cu(II) bởi RLNaOH ........................................................................................................................52
Bảng PL 2.3: Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý Cu(II) bởi RLH2SO4 ........................................................................................................................53
Bảng PL 2.4: Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất xử lý Cu(II) của vật liệu RL-H2O .53
Bảng PL 2.5: Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất xử lý Cu(II) của vật liệu RL-NaOH
...................................................................................................................................54

Bảng PL 2.6: Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất xử lý Cu(II) của vật liệu RL-H2SO4
...................................................................................................................................54
Bảng PL 2.7: Ảnh hƣởng của tỷ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất xử lý Cu(II)
của vật liệu RL-H2O ..................................................................................................55
Bảng PL 2.8: Ảnh hƣởng của tỷ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất xử lý Cu(II) của vật liệu
RL-NaOH ..................................................................................................................55
Bảng PL 2.9: Ảnh hƣởng của tỷ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất xử lý Cu(II) của vật liệu
RL-H2SO4 ..................................................................................................................56

ix


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự đổi mới cơ chế quản lý của Nhà nƣớc và quản lý trong sản xuất
kinh doanh, công nghiệp đã thực sự trở thành động lực thúc đẩy nền kinh tế phát
triển, đặc biệt là nhóm ngành cơng nghiệp mũi nhọn nhƣ luyện kim, cơ khí, điện
tử... Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích về kinh tế, q trình phát triển công nghiệp
đã làm cho môi trƣờng bị ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt sự hiện diện của kim loại
nặng nhƣ Cu, Cd, Zn, Pb, As,... trong môi trƣờng đất, nƣớc đã và đang là vấn đề
môi trƣờng đƣợc cộng đồng quan tâm. Sự tích tụ kim loại nặng ảnh hƣởng tiêu cực
đến đời sống của các sinh vật thủy sinh, gây ảnh hƣởng đến sức khỏe của con ngƣời
thông qua chuỗi thức ăn. Vì vậy, việc áp dụng các phƣơng pháp xử lý nhằm giảm
thiểu hoặc loại bỏ chúng ra khỏi môi trƣờng là rất cần thiết và ngày càng đƣợc quan
tâm nhằm bảo vệ môi trƣờng sinh thái và sức khỏe cộng đồng.
Hiện nay, nhiều phƣơng pháp khác nhau đƣợc sử dụng để loại bỏ kim loại
nặng ra khỏi mơi trƣờng nƣớc nhƣ phƣơng pháp hóa học, sinh học, trao đổi ion,
thẩm thẩu ngƣợc, lọc nano, kết tủa hoặc hấp phụ... Trong đó, hấp phụ là một
trong những phƣơng pháp có nhiều ƣu việt so với các phƣơng pháp khác là có
thể tách loại đƣợc đồng thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử

dụng vật liệu hấp phụ (VLHP) và thu hồi kim loại. Mặt khác, phƣơng pháp này
có thể sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm. Một số vật liệu giá thành thấp đã
đƣợc tiến hành nghiên cứu ở nhiều quốc gia nhằm xử lý kim loại nặng trong
nƣớc. Các kết quả nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng nhiều vật liệu tự
nhiên có sẵn ở địa phƣơng có thể sử dụng để thay thế vật liệu hấp phụ đắt tiền.
Việt Nam là một nƣớc nơng nghiệp có nguồn chất thải nơng nghiệp dồi dào
rất thuận lợi việc phát triển VLHP giá thành thấp. Việt Nam là nƣớc đứng thứ 4
thế giới về sản lƣợng khai thác mủ cao su với diện tích trồng cao su gần 850
ngàn ha (năm 2014). Hàng năm, trong khoảng cuối tháng 12 đến tháng 3, các
cánh rừng cao su đồng loạt thay lá. Vì vậy, lƣợng lá khô rụng thải ra môi trƣờng
rất lớn. Công nhân thƣờng dùng máy thổi để thổi những lớp lá dày sát gốc cây ra
những khoảng trống an toàn để đốt lấy tro bón đất. Đề tài “Nghiên cứu khả năng

1


sử dụng lá cao su làm vật liệu xử lý Cu(II) trong nước” đƣợc thực hiện với
mong muốn tận dụng nguồn chất thải là lá cây cao su mùa lá rụng để chế tạo vật
liệu hấp phụ xử lý đồng và kim loại nặng trong nƣớc và nƣớc thải.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ lá cây cao su với 3 tác nhân là nƣớc, NaOH và
H2SO4;
- Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng xử lý Cu(II) của 3 vật
liệu đã chế tạo.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu:
 Vật liệu: lá cây cao su khô đƣợc thu gom vào mùa lá rụng tại tỉnh Đăk
Lăk.
 Kim loại: dung dịch Cu(II) có nồng độ khoảng 20 mg/L, đây là loại kim
loại có tính độc cao và thƣờng có mặt trong nƣớc thải của một số ngành

cơng nghiệp.
- Phạm vi nghiên cứu: thực hiện trong phịng thí nghiệm.
- Địa điểm thực hiện:
i/ Phịng thí nghiệm R&D cơng nghệ môi trƣờng – Viện Khoa học và Công
nghệ môi trƣờng, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội (INEST-HUST);
ii/ Phòng Công nghệ & vật liệu môi trƣờng – Viện Khoa học vật liệu, Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (IMS - VAST).
- Thời gian thực hiện: từ tháng 10/2016 - 03/2017.
4. Đóng góp của Luận văn
- Xây dựng quy trình chế tạo VLHP từ lá cây cao su với 3 tác nhân khác
nhau;
- Đã khảo sát ảnh hƣởng của các yếu tố: thời gian tiếp xúc, pH, tỷ lệ rắn-lỏng
đến hiệu suất xử lý Cu(II) trong nƣớc bởi 3 vật liệu đã chế tạo;
- Các số liệu thực nghiệm đƣợc biểu diễn theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir
và Freundlich;
- Thăm dò khả năng giải hấp phụ Cu(II) và khả năng tái sử dụng vật liệu.

2


5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
-

Tiếp cận hƣớng nghiên cứu mới, sử dụng vật liệu tự nhiên giá thành thấp,
thân thiện với môi trƣờng để xử lý kim loại.

-

Tận dụng nguồn chất thải nông nghiệp để chế tạo vật liệu sinh học có khả
nặng loại bỏ Cu(II) trong nƣớc.

-

Góp phần nâng cao hiểu biết về vấn đề loại bỏ kim loại nặng bằng vật liệu
sinh học, đặc biệt là sinh khối khô của thực vật bản địa.

-

Các kết quả nghiên cứu bƣớc đầu về khả năng loại bỏ Cu(II) bởi loại vật liệu
đã chế tạo góp phần ứng dụng trong xử lý nƣớc và nƣớc thải.

6. Bố cục Luận văn
Luận văn gồm 03 chƣơng:
Chƣơng 1: Ô nhiễm đồng trong nƣớc và các phƣơng pháp xử lý;
Chƣơng 2: Phƣơng pháp nghiên cứu và quy trình thực nghiệm;
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận.

3


CHƢƠNG 1
Ô NHIỄM ĐỒNG TRONG NƢỚC VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ
1.1. Hiện trạng ô nhiễm đồng trong nƣớc, ảnh hƣởng của chúng đến con ngƣời
và mơi trƣờng
1.1.1. Đặc tính của đồng
Đồng là kim loại mầu vàng ánh đỏ, có kí hiệu hóa học là Cu và khối lƣợng
ngun tử là 63,546 đvc. Cấu hình electron của Cu là [Ar]3d104s1. Bán kính nguyên
tử là 1,28 A0, thế điện cực +0,337 (V). Năng lƣợng ion hóa của đồng là I1= 7,7 eV;
I2= 20,29 eV; I3= 36,9 eV [11].
Đồng là kim loại vƣợt xa các kim loại khác về tính dẻo dai: dễ dát mỏng và dễ

kéo sợi. Mặc dù có độ cứng khơng cao (3,0) nhƣng đồng lại có khả năng chống
mài mòn tốt. Đồng kết tinh ở dạng tinh thể lập phƣơng tâm diện. Trong thiên nhiên
có 2 đồng vị bền là 63Cu ( 70,13%) và 65Cu (29,87%).
Bảng 1.1: Các tính chất vật lý của đồng [11]
Tính chất vật lý

Giá trị

Nhiệt độ nóng chảy (0C)

1083

Nhiệt độ sơi (0C)

2543

Nhiệt thăng hoa (kJ/mol)

339,6

Tỷ khối

8,94

Độ cứng (thang đo Moxo)

3,0

Độ dẫn điện (Hg=1)

57

Độ dẫn nhiệt (Hg=1)

36

Trong vỏ trái đất, đồng chủ yếu ở dạng hợp chất sunfua lẫn với các kim loại
khác. Quan trọng là quặng cancopirit CuFeS, cancozin Cu2S , quặng cuprit Cu2O,
malachit Cu2(OH)2CO3, tenorit cao. Đồng có mặt trong vỏ trái đất với nồng độ 50
ppm.
Trong nƣớc của đại dƣơng (tính trong một lít nƣớc biển) có 3.10-3 mg đồng ở
dạng Cu(II). Trong động vật và thực vật (tính theo phần % khối lƣợng) có 2.10-4 %
đồng. Đồng là một trong những nguyên tố rất đặc biệt về mặt sinh vật học. Nhiều
loại cây nếu đƣợc bón thêm một lƣợng thích nghi các hợp chất của đồng thì năng

4


suất thu hoạch thƣờng tăng lên; trong số các động vật thì một số lồi nhuyễn thể
nhƣ hàu, bạch tuộc có chứa nhiều đồng nhất. Cơ thể ngƣời và các động vật khác,
đồng chủ yếu tập trung ở gan [15].
1.1.2. Nguồn gốc ô nhiễm Cu(II) trong nước
Ngày nay, việc ứng dụng các tiến bộ khoa học kĩ thuật trong quá trình phát
triển cơng nghiệp đã khơng ngừng tăng mức sản lƣợng khai thác và sử dụng các
kim loại trong các lĩnh vực, các ngành công nghiệp. Một số ngành công nghiệp nhƣ
khai thác quặng kim loại, luyện kim, ngành mạ, ngành cơ khí và một số ngành cơng
nghệ cao nhƣ điện dân dụng, điện tử, điều khiển tự động… đã và đang từng bƣớc
phát triển mạnh đóng vai trị quan trọng trong sự phát triển ngành công nghiệp của
đất nƣớc.
Sự có mặt của các ion kim loại trong nƣớc nói chung có thể có nguồn gốc từ

địa tầng, từ nƣớc thải sinh hoạt hay nƣớc thải từ các quá trình sản xuất. Trong đó,
đóng vai trị quan trọng nhất là nƣớc thải từ các q trình sản xuất cơng nghiệp.
Nƣớc thải các ngành sản xuất trên thƣờng chứa các ion kim loại Cu(II), Fe(II),
Fe(III), Ni(II), Cr(III),... với nồng độ cao. Lƣợng nƣớc thải này nếu không đƣợc xử
lý hoặc xử lý khơng đạt tiêu chuẩn dịng thải thì khi thải bỏ sẽ gây ô nhiễm kim loại
trong môi trƣờng nƣớc, ảnh hƣởng tới môi trƣờng sinh thái và sức khoẻ cộng đồng.
Nhờ các đặc tính ƣu việt, đồng kim loại và hợp kim của nó đƣợc ứng dụng
rộng rãi đối với một số ngành công nghiệp mũi nhọn hiện nay nhƣ cơ khí, điện, điện
tử,… Một số phƣơng pháp mạ đồng đƣợc tiến hành nhƣ mạ nhờ phản ứng khử hóa
học; mạ nhờ phản ứng trao đổi; mạ tiếp xúc; mạ điện… trong đó, mạ điện đang
đƣợc sử dụng khá phổ biến.
Đồng và các hợp kim còn đƣợc sử dụng để mạ lên chất dẻo, nhựa, các vật liệu
trang trí, đồ dùng sinh hoạt và các sản phẩm trong ngành kim hồn (Hình 1.1). Đây
là một bƣớc tiến mới trong ngành mạ, đóng vai trị bảo vệ và tăng giá trị thẩm mĩ
cho các sản phẩm vật liệu phi kim.

5


Chất dẻo
Định hình sản phẩm
Kiềm, xăng,dung mơi

Nƣớc thải dung mơi, dầu mỡ
Tẩy dầu mỡ

Dung dịch axít

Nƣớc thải chứa axít
Trung hồ

Hố chất

Nƣớc thải chứa hoá chất
Xử lý hoá học

Làm nhạy

Hoạt hoá

Hoạt hố

Xúc tiến

Dung dịch đồng

Mạ đồng hóa học

Dung dịch đồng,
hóa chất

Mạ đồng điện hố
bƣớc đầu

Dung dịch đồng,
hóa chất

Mạ đồng bóng

Dung dịch các kim

loại khác

Mạ thêm các kim
loại khác

Nƣớc thải chứa Cu(II)
Nƣớc thải chứa Cu(II),
hóa chất
Nƣớc thải chứa Cu(II),
hóa chất
Nƣớc thải chứa kim loại
Nƣớc thải chứa kiềm, axit,
dung môi, Cu(II) và các
kim loại khác

Sản phẩm

Hình 1.1. Quá trình mạ đồng lên chất dẻo [8]
Ở nƣớc ta hiện nay, do các trang thiết bị, công nghệ trong ngành mạ vẫn
đang từng bƣớc cải tiến nên việc sử dụng nƣớc trong sản xuất cũng nhƣ việc thải bỏ
nƣớc thải còn chƣa đƣợc quan tâm đúng mức. Việc sử dụng nƣớc trong ngành mạ

6


khá lớn và lƣợng nƣớc thải sinh ra có nồng độ kim loại ô nhiễm, vƣợt quá tiêu
chuẩn cho phép đối với dòng thải nhiều lần gây ảnh hƣởng trực tiếp tới nguồn nƣớc
mặt và lâu dài sẽ ảnh hƣởng tới nguồn nƣớc ngầm cũng nhƣ môi trƣờng sinh thái.
Đặc tính của nƣớc thải mạ phụ thuộc vào từng cơng đoạn của quá trình mạ
cũng nhƣ dung dịch mạ. Đối với q trình mạ đồng, nƣớc thải gồm có: nƣớc thải tẩy

gỉ có chứa hố chất axit HCl, H2SO4 và kim loại; nƣớc thải tẩy dầu mỡ thƣờng chứa
hoá chất kiềm NaOH, Na2CO3, xà phòng, các loại dầu mỡ, chất hữu cơ và ion kim
loại bị hoà tan. Nƣớc thải trong cơng đoạn mạ có chứa các ion kim loại Cu(II),
Fe(III),… Ngồi ra, cịn một lƣợng nƣớc thải từ các dung dịch mạ đƣợc thải bỏ định
kỳ do bị nhiễm bẩn, khơng đạt u cầu mạ. Đây chính là nguồn thải gây ô nhiễm rất
lớn với nồng độ kim loại cao và nhiều loại hoá chất khác. Một lƣợng nƣớc thải từ
quá trình rửa sản phẩm sau mạ, quá trình lau rửa và vệ sinh thiết bị, nhà xƣởng…
cũng đƣợc thải bỏ ra hệ thống nƣớc thải đều có chứa kim loại Cu(II), Fe(III), dầu
mỡ và các hoá chất… Thành phần nƣớc thải của một số ngành cơng nghiệp đƣợc
trình bày trong bảng 1.2 cho thấy đặc trƣng nƣớc thải của các xƣởng mạ không
giống nhau và phụ thuộc vào từng loại hình sản phẩm. Các số liệu cịn cho thấy
nồng độ kim loại nặng trong dòng thải của các xí nghiệp này đều lớn hơn nhiều lần
tiêu chuẩn cho phép đối với nƣớc thải công nghiệp theo QCVN 40:2011/BTNMT
cột B [1 .
Bảng 1.2: Thành phần nƣớc thải của một số ngành cơng nghiệp
QCVN

TT

Thơng số

N1

N2

N3

N4

40:2011/

BTNMT cột B

3÷11

-

≤3

5,5÷9

1,0÷50

2,4÷650

1000

5

25

5÷85

1,2÷70

-

0,5

Zn, mg/L

15

20÷150

62,7÷466

1700

3

Cu, mg/L

20

15÷200

13,3÷340

50

2

1

pH

2

Fe, mg/L

4

Ni, mg/L

5
6

Rất khác nhau
Thay đổi rất
rộng

7


Ghi chú:
N1: Nồng độ trung bình trong nƣớc thải một xƣởng mạ điện [6]
N2: Nƣớc thải mạ điện [16]
N3: Nƣớc thải công đoạn rửa của cơ sở mạ [18]
N4: Nƣớc thải khai thác quặng sắt và kim loại [16]
1.1.3. Ảnh hưởng của ô nhiễm Cu(II) đối với con người và môi trường
Trong tự nhiên, nồng độ đồng trong nƣớc là rất nhỏ, chỉ vài g/l nên tác
động của chúng tới môi trƣờng nƣớc và hệ sinh thái là không đáng kể. Nồng độ
đồng có trong thức ăn và nƣớc uống đi vào cơ thể con ngƣời chỉ khoảng 1 – 3
mg/ngày [15]. Khi đó, đồng đƣợc xem nhƣ một nguyên tố vi lƣợng cần thiết cho sự
phát triển của cơ thể, đặc biệt là đối với trẻ em.
Tuy nhiên, trong q trình phát triển cơng nghiệp, các hoạt động sản xuất đã
thải vào môi trƣờng một lƣợng lớn nƣớc thải có chứa kim loại Cu(II), Fe(III) với
nồng độ cao khơng đƣợc xử lý hoặc xử lý không đạt tiêu chuẩn cho phép của dịng
thải đã gây ra ơ nhiễm kim loại trong nƣớc, ảnh hƣởng xấu tới môi trƣờng sinh thái
và sức khoẻ con ngƣời.

Sự có mặt với nồng độ cao trong nƣớc của các kim loại đã gây ngộ độc, giết
chết các loài động vật, thực vật trong nƣớc, làm biến đổi, thậm chí huỷ diệt các hệ
sinh thái dƣới nƣớc. Ngồi ra, sự tích tụ các kim loại trong nƣớc, trong các lồi sinh
vật… từ đó theo con đƣờng thức ăn sẽ tích tụ trong cơ thể con ngƣời, tới một nồng
độ nhất định sẽ gây ảnh hƣởng tới sức khỏe của con ngƣời tuỳ theo mức độ. Đồng
và các hợp chất của chúng cũng đƣợc coi là chất độc đối với động vật, đặc biệt là
đối với cá và mức độ độc hại của nó tăng lên khi trong nƣớc có thêm các kim loại
khác nhƣ Zn, Cd, Hg… Đối với thực vật, một mặt đồng đƣợc coi là nguyên tố cơ
bản cần thiết cho sự phát triển của cây trồng, mặt khác, trong một số trƣờng hợp nó
lại là nhân tố gây độc khi nồng độ trong nƣớc khoảng 0,1 mg/l. Đối với nƣớc dùng
trong nông nghiệp, nồng độ ngƣỡng an toàn của đồng là 0,2 mg/l.
Đối với cơ thể ngƣời, khi nồng độ đồng vào cơ thể vƣợt quá nhu cầu thì
chúng sẽ trở lên độc hại với cơ thể. Một số hợp chất của đồng có tính độc hại khi
vào cơ thể nhƣ muối đồng sunfat, đồng ôxit (gỉ đồng), đồng xyanua… Với nồng độ

8


đồng trong nƣớc uống khoảng 3 mg/l đã có thể gây ra ảnh hƣởng tới cơ thể nhƣ
viêm và xƣng ống thực quản, bí đái, kích thích cấp tính tới dạ dày, nôn mửa, thần
kinh co giật, mạch yếu… và khi nồng độ của đồng vào cơ thể lên tới 10 g/kg cơ thể
sẽ gây tử vong cho con ngƣời [15].
Nhƣ vậy, qua những ảnh hƣởng của sự ô nhiễm đồng trong nƣớc gây ảnh
hƣởng tới môi trƣờng sinh thái và tới sức khoẻ con ngƣời cho thấy việc cần thiết
phải xử lý các nguồn nƣớc bị ô nhiễm đồng, đặc biệt là nƣớc thải từ các quá trình
sản xuất cơng nghiệp có chứa nồng độ kim loại cao. Do đó, việc nghiên cứu các
phƣơng pháp phù hợp với điều kiện kinh tế - kĩ thuật để xử lý ô nhiễm Cu(II) trong
nƣớc đạt tiêu chuẩn qui định là hết sức cấp bách, góp phần làm giảm mức độ ơ
nhiễm nguồn nƣớc, bảo vệ môi trƣờng sinh thái, nâng cao chất lƣợng cuộc sống và
phát triển bền vững.

1.2. Một số phƣơng pháp xử lý Cu(II) trong nƣớc thải
Có rất nhiều phƣơng pháp để xử lý Cu(II) trong nƣớc thải nhƣ phƣơng pháp
hóa học, hóa lý, sinh học. Nồng độ kim loại nặng nói chung và Cu(II) nói riêng
thƣờng phát sinh từ các nguồn nhất định. Do vậy, cách tốt nhất là xử lý ngay tại
nguồn gây ơ nhiễm. Để có thể lựa chọn phƣơng pháp áp dụng đƣợc trong thực tế,
phù hợp với điều kiện sản xuất cần lƣu ý tới các vấn đề nhƣ: mức độ ô nhiễm của
nƣớc thải cần xử lý, tiêu chuẩn đầu ra của nƣớc thải, tính chất lý, hóa và nhiệt động
học của chất ô nhiễm cần loại bỏ trong dòng thải [2]. Tại các nhà máy nƣớc thải có
chứa nồng độ kim loại nặng vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép cần phải xử lý trƣớc khi
thải ra môi trƣờng. Các phƣơng pháp xử lý kim loại nặng có thể đƣợc sử dụng nhƣ
sau:
1.2.1. Phương pháp kết tủa hóa học
Phƣơng pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa tác nhân đƣa vào nƣớc thải
với các kim loại cần tách, ở độ pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và đƣợc
tách ra khỏi nƣớc bằng phƣơng pháp lắng.
Phƣơng pháp thƣờng đƣợc dùng là kết tủa kim loại dƣới dạng hydroxit bằng
cách trung hòa đơn giản các chất thải axit. pH kết tủa cực đại của tất cả các kim loại

9


không trùng nhau, giá trị từ 7 – 10,5 tùy theo giá trị cực tiểu cần tìm để loại bỏ kim
loại mà khơng gây độc hại.
Phƣơng trình tạo kết tủa Cu(II) bằng hóa chất xảy ra nhƣ sau:
pH=6-11

Cu

2+

+

2OH



-

Cu(OH)2 

(1.1)

CuS

(1.2)

CuCO3

(1.3)

pH=3-7

Cu

2+

+

S



2-

pH=6-11

Cu

2+

+ CO3

2-



Phƣơng pháp xử lý kim loại trong nƣớc bằng kết tủa hóa học đƣợc sử dụng
khá phổ biến ở nƣớc ta để xử lý nƣớc thải của các ngành công nghiệp cơ khí, gia
cơng kim loại,…[12]. Với ƣu điểm của phƣơng pháp là có hiệu quả xử lý cao, lƣu
lƣợng và độ ơ nhiễm lớn, chi phí thấp thì đây là phƣơng pháp phù hợp với điều kiện
kinh tế, kỹ thuật của Việt Nam hiện nay. Tuy nhiên, phƣơng pháp này sử dụng một
lƣợng lớn hóa chất và sau xử lý sinh ra một lƣợng bùn thải lớn có nồng độ kim loại
rất cao chƣa đƣợc thu hồi. Thực chất đây chỉ là chuyển đổi trạng thái ô nhiễm kim
loại trong nƣớc sang bùn, nếu bùn thải không đƣợc xử lý đúng kỹ thuật thì sẽ là
ngun nhân gây ơ nhiễm kim loại trong đất và nƣớc ngầm.
1.2.2. Phương pháp trao đổi ion
Phƣơng pháp trao đổi ion trong xử lý kim loại trong nƣớc đƣợc thực hiện
trên nguyên tắc trao đổi và thay thế các ion kim loại trong nƣớc bằng các ion khác
nhờ vật liệu trao đổi ion (nhựa trao đổi ion). Các cation kim loại trong nƣớc thƣờng
đƣợc trao đổi với các ion trên nhựa cationit hoặc ionit lƣỡng tính.

Q trình trao đổi ion xảy ra nhƣ sau:
Men+ + n R- H  Rn – Me + nH+

(1.4)

Trong đó: Men+: ion kim loại trong nƣớc;
R-H: nhựa trao đổi ion (cationit hoặc ionit lƣỡng tính).
Đồng (Cu(II)) đƣợc trao đổi với nhựa trao đổi ion cationit mạnh nhƣ RSO3H, R-H… ở pH thấp theo phản ứng sau:

10


Cu2+ + 2R – SO3H  ( R- SO3)2 Cu + 2H+

(1.5)

Một số vật liệu trao đổi ion (ionit) đƣợc sử dụng trao đổi với ion kim loại
nhƣ cation axit mạnh (R-SO3H); cation axit yếu R-OH, R-COOH…
Các vật liệu trao đổi ion rất đa dạng, có nguồn gốc tự nhiên (than bùn) hoặc
nhân tạo, vô cơ hoặc hữu cơ.
- Ƣu điểm của phƣơng pháp là:
+ Khả năng trao đổi ion lớn, hiệu quả xử lý kim loại cao
+ Đơn giản, dễ sử dụng
+ Khơng gian xử lý nhỏ
+ Có khả năng thu hồi kim loại có giá trị, khơng tạo ra chất thải thứ cấp.
- Nhƣợc điểm: Chi phí xử lý cao nên không phù hợp với các nhà máy có quy
mơ lớn.
1.2.3. Phương pháp hấp phụ
Xử lý nƣớc thải chứa kim loại bằng phƣơng pháp hấp phụ thực chất là quá
trình di chuyển các ion kim loại từ pha lỏng sang pha rắn, các ion kim loại bị hấp

phụ lên bề mặt hoặc trong mao quản của vật liệu hấp phụ có các tâm hấp phụ. Q
trình hấp phụ xảy ra làm cho nồng độ kim loại trong nƣớc giảm dần và nồng độ kim
loại trong pha rắn tăng lên cho đến khi đạt trạng thái cân bằng. Sau đó tiến hành lọc
tách pha rắn ra khỏi pha lỏng để thu đƣợc nƣớc thải sau xử lý hấp phụ, cịn pha rắn
có thể đƣợc giải hấp phụ để tái sử dụng lại vật liệu hấp phụ và thu hồi kim loại.
Quá trình hấp phụ kim loại trong nƣớc tuân theo các định luật hấp phụ của
Freundlich hoặc Langmuir. Mối quan hệ định lƣợng giữa nồng độ kim loại trong
pha lỏng và nồng độ kim loại trong pha rắn tại một điều kiện nhiệt độ nhất định ở
trạng thái cân bằng đƣợc gọi là đẳng nhiệt hấp phụ. Hiệu quả xử lý của phƣơng
pháp hấp phụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: pH dung dịch, nhiệt độ, bản chất vật
liệu hấp phụ, nồng độ kim loại trong dung dịch, nhiệt độ, bản chất của vật liệu hấp
phụ, nồng độ kim loại trong dung dịch… Các hệ thống hấp phụ có thể làm việc liên
tục hay gián đoạn, vật liệu hấp phụ có thể đƣợc để cố định nhƣ cơ cấu lọc và cho
chất lỏng đi qua hoặc có thể đƣợc đƣa vào trong chất lỏng sau đó sử dụng hệ thống
khuấy trộn…

11


Các dạng vật liệu hấp phụ đƣợc sử dụng rất đa dạng, bao gồm vật liệu tự
nhiên và vật liệu nhân tạo. Một số vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng để hấp phụ là than
hoạt tính, silicagel, than bùn, đá ong… Ngồi ra, chất thải rắn có nguồn gốc từ thực
vật, động vật đƣợc làm sạch cũng có khả năng hấp phụ kim loại nặng trong nƣớc
nhƣ: bã mía, vỏ hạt đỗ, mùn cƣa, vỏ trấu, xơ dừa, vỏ ngao…[5, 9 .
- Ƣu điểm của phƣơng pháp là:
+ Xử lý hiệu quả kim loại nặng ở nồng độ thấp;
+ Đơn giản, dễ sử dụng;
+ Có thể tận dụng một số vật liệu là chất thải của các ngành khác nhƣ
Fe2O3;
+ Có thể nhả hấp phụ để tái sinh vật liệu hấp phụ.

- Nhƣợc điểm của phƣơng pháp là:
+ Chi phí áp dụng cho xử lý kim loại nặng ở nồng độ thấp;
+ Chi phí xử lý cao.
1.2.4. Phương pháp sinh học
Xử lý kim loại trong nƣớc bằng phƣơng pháp sinh học dựa trên nguyên tắc
các loài thực vật thủy sinh (bèo, rong, tảo…) và một số loài vi sinh vật (vi khuẩn, vi
nấm,…) trong nƣớc có khả năng sử dụng kim loại nặng nhƣ chất vi lƣợng trong quá
trình phát triển của chúng. Theo phƣơng pháp này, kim loại đƣợc chuyển từ môi
trƣờng nƣớc vào sinh khối sinh vật. Sau khi tách sinh khối sinh vật ra khỏi nƣớc sẽ
thu đƣợc nƣớc sau xử lý.
Hiện nay, có thể phân loại vật chất có nguồn gốc sinh học thành 2 nhóm:
nhóm sử dụng các cơ thể sống (sinh vật sống, tế bào sống) và nhóm sử dụng sinh
khối chết. Các nghiên cứu đã tìm đƣợc từ sinh khối chết của thực vật, động vật nhƣ
chitosan, vỏ trấu, vỏ lạc [4].
Hiệu quả xử lý bằng phƣơng pháp sinh học phụ thuộc rất nhiều vào các điều
kiện môi trƣờng. Các yếu tố nhƣ nhiệt độ, pH, nồng độ kim loại, nồng độ dinh
dƣỡng trong nƣớc,… nếu khơng thuận lợi có thể gây ngộ độc và làm chết các sinh
vật nên làm giảm khả năng xử lý. Ngồi ra, việc khó thu hồi sinh khối sau quá trình
xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học, nhất là đối với các loài thực vật thuỷ

12


sinh có khối lƣợng riêng xấp xỉ bằng khối lƣợng riêng của nƣớc nhƣ rong, tảo,...
gây nhiều trở ngại cho việc áp dụng phƣơng pháp này trong thực tế.
1.2.5. Một số phương pháp khác
a) Phương pháp trích ly
Xử lý kim loại nặng trong nƣớc bằng phƣơn pháp trích ly thực chất dựa vào
khả năng phản ứng hóa học giữa chất trích ly trong dung mơi hữu cơ khơng tan
trong nƣớc với các ion kim loại nặng. Sau quá trình phản ứng, tách pha hữu cơ ra

khỏi pha nƣớc thì thu đƣợc nƣớc sau xử lý.
Hiệu quả của q trình trích ly phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ pH của dung
dịch, tỷ lệ thể tích giữa các pha, bản chất của ion kim loại và chất trích ly.
Sử dụng phƣơng pháp trích ly khơng những có thể xử lý nƣớc thải chứa kim
loại nặng với nồng độ rất cao (khoảng 1000 mg/L) mà cịn có thể thu hồi các kim
loại này và đạt hiệu suất xử lý khá cao khoảng 97%. Tuy nhiên, phƣơng pháp này
vẫn cịn hạn chế vì nƣớc sau xử lý có thể bị nhiễm bẩn do các chất hữu cơ có thể tan
vào nƣớc.
b) Phương pháp thẩm thấu ngược
Xử lý kim loại nặng trong nƣớc bằng phƣơng pháp thẩm thấu ngƣợc dựa trên
nguyên tắc đặt vào nƣớc chƣa xử lý áp suất cao hơn áp suất thẩm thấu của hệ để các
phần tử nƣớc vƣợt qua màng bán thấm còn chất tan trong nƣớc bị giữ lại và thu
đƣợc nƣớc sau xử lý. Phần dung dịch cịn lại là nƣớc thải đậm đặc có nồng độ kim
loại cao.
Trên thực tế, màng bán thấm không ngăn đƣợc hết chất tan nên một phần
chất tan vẫn đƣợc vận chuyển cùng dung mơi qua màng. Màng bán thấm có độ chọn
lọc đối với chất tan cao thì khả năng ngăn chất tan qua màng cũng cao và hiệu quả
xử lý càng tốt. Độ chọn lọc của màng đối với chất tan phụ thuộc vào loại màng,
nồng độ chất tan, hóa trị ion và áp suất động lực của hệ. Khi tăng áp suất động lực
của hệ thì độ chọn lọc đối với chất tan của màng cũng tang. Do đó, có thể tăng hiệu
quả xử lý bằng cách tăng áp suất động lực của hệ nhƣng cách này tiêu tốn nhiều
năng lƣợng và làm tăng chi phí xử lý.

13


Màng bán thấm đƣợc sử dụng có nhiều loại có thể là chất rắn, chất hữu cơ
hoặc chất lỏng. Một số loại màng bán thấm đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay là
cellulose axetat, cellulose triaxetat, polyamide,…
Thẩm thấu ngƣợc là phƣơng pháp xử lý nƣớc thải chứa kim loại nặng với

công nghệ hiện đại, đơn giản trong kết cấu hệ thống, hiệu quả xử lý cao khoảng
90%. Tuy nhiên, phƣơng pháp này chỉ phù hợp với các cơ sở áp dụng công nghệ
cao bởi giá thành đầu tƣ lớn, tiêu tốn năng lƣợng, vận hành và bảo dƣỡng phức tạp.
c) Phương pháp điện hóa
Phƣơng pháp điện hóa hoạt động theo nguyên tắc oxy hóa – khử để kết tủa
các kim loại trên các điện cực nhúng vào trong nƣớc nhờ các thiết bị điện phân. Các
ion kim loại ở dạn ion hòa tan trong nƣớc khi bị khử ở điện cực catot sẽ kết tủa lên
điện cực. Để kết tủa các ion kim loại các điện cực thƣờng sử dụng:
Anot: Làm bằng graphit hoặc oxit chì (PbO2)
Catot: Làm bằng molipden hoặc hợp kim W-Fe-Ni
Quá trình khử và kết tủa Cu(II) tại điện cực catot xảy ra nhƣ sau:
Cu(II) + 2e

 Cu

(1.6)

Phạm vi ứng dụng của phƣơng pháp điện hóa trong xử lý nƣớc khơng nhiều
do q trình vận hành phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt là chi phí cho điện năng
khá lớn. Với công nghệ tƣơng đối đơn giản, dễ dàng cơ giới hóa, tự động hóa,
phƣơng pháp cho phép tách sơ bộ các kim loại nhƣ Ni(II), Cu(II),… với nồng độ
cao khoảng 1000 mg/L và thu hồi các kim loại có giá trị cao.
1.3. Xử lý kim loại nặng trong nƣớc bằng vật liệu sinh học
1.3.1. Cơ sở của phương pháp
Trong những năm gần đây, nhiều vật liệu tự nhiên, phụ phẩm nông nghiệp đã
đƣợc nghiên cứu làm vật liệu hấp phụ để loại bỏ kim loại nặng trong nƣớc. Sinh
khối của thực vật đƣợc rửa sạch, làm khơ sau đó nghiền nhỏ và có thể đƣợc hoạt
hóa.
Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng một số vật liệu nhƣ thân cây đu đủ, lá ngô, lá cây
gỗ tếch, vỏ lạc, vỏ trấu [34 , mùn cƣa, xơ dừa, bã mía, vỏ đậu nành, vỏ quả óc chó,

quả hạnh nhân,…có khả năng loại bỏ kim loại nặng trong dung dịch. Những vật liệu

14


này có khả năng hấp thu ion kim loại do cấu trúc có nhiều lỗ xốp và thành phần
gồm các polymer nhƣ cellulose, hemicelluloses, pectin, lignin và protein.Trong các
polymer này chứa các nhóm chức khác nhau nhƣ hydroxyl, cacboxyl, aldehyde,
aliphatic acid, alken, amide, silicate, sulphonate,… có thể liên kết với ion kim loại.
Cơ chế của quá trình hấp phụ khá phức tạp. Sự hấp thu các kim loại nặng
không chỉ dựa trên một cơ chế mà có thể gồm nhiều cơ chế khác nhau về bản chất,
số lƣợng và nguồn gốc sinh khối. Các kim loại đƣợc loại bỏ khỏi nƣớc bởi một số
cơ chế nhƣ trao đổi ion, tạo phức hoặc hấp phụ bởi liên kết vật lý. Quá trình hấp
phụ nên đƣợc tiến hành ở nhiệt độ khơng đổi. Tuy nhiên, khoảng nhiệt độ thay đổi
nhỏ không làm ảnh hƣởng q lớn đến q trình hấp phụ. Ngồi ra, các thông số
khác quan trọng nhƣ ảnh hƣởng của pH, nồng độ cân bằng của ion trong pha lỏng
và pha rắn, kích thƣớc vật liệu hấp phụ,… đều ảnh hƣởng đến hiệu suất quá trình
hấp phụ.
Việc sử dụng phế phẩm nơng nghiệp có ƣu điểm là giá thành rẻ, có sẵn trong
tự nhiên và dƣ thừa trong q trình sản xuất nơng nghiệp, cần ít q trình xử lý, vật
liệu có thể tái sử dụng đƣợc vì vậy khi sử dụng để xử lý kim loại nặng trong nƣớc sẽ
giảm chi phí đầu tƣ từ đó giảm chi phí xử lý nƣớc thải.
1.3.2. Phương trình đẳng nhiệt mơ tả quá trình hấp phụ kim loại nặng trong
nước bằng vật liệu sinh học
Theo Lê Văn Cát [3] hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha
(khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự
hấp phụ đƣợc gọi là chất hấp phụ. Sự liên kết giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ
bằng lực hút phân tử Vander Waals đƣợc gọi là sự hấp phụ vật lý, cịn lực hấp phụ
là lực hóa trị đƣợc gọi là hấp phụ hóa học.
Để đánh giá khả năng của một chất hấp phụ, ngƣời ra khảo sát dung lƣợng hấp

phụ ở trạng thái cân bằng và khảo sát tốc độ hấp phụ (động học hấp phụ). Dựa trên
cơ sở các số liệu, ngƣời ta có thể lựa chọn đƣợc vật liệu có khả năng hấp phụ tốt và
có tiềm năng ứng dụng vào thực tế. Các phƣơng trình quen thuộc của Langmuir và
Freundlich đƣợc sử dụng rộng rãi để mô tả cân bằng hấp phụ kim loại nặng trong
nƣớc.

15


1.3.2.1. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir
Các giả thiết khi thiết lập phƣơng trình hấp phụ Langmuir: [3, 25]
- Tất cả bề mặt chất hấp phụ có khả năng hấp phụ nhƣ nhau, nghĩa là đồng nhất
về mặt năng lƣợng. Khái niệm bề mặt không đồng nhất với giả thiết rằng trên
bề mặt chất hấp phụ có một số lƣợng xác định các tâm hoạt động (tỷ lệ thuận
với diện tích bề mặt chất hấp phụ) có khả năng hấp phụ nhƣ nhau.
- Khơng có tƣơng tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ. Điều này có nghĩa là
lƣợng chất bị hấp phụ không ảnh hƣởng đến tỷ lệ hấp phụ tại mỗi vị trí.
- Mỗi ion kim loại chỉ chiếm một vị trí tâm hấp phụ, tốc độ hấp phụ tỷ lệ với số
tâm hấp phụ, tốc độ giải hấp phụ tỷ lệ thuận với các tâm đã bị chất hấp phụ
chiếm chỗ.
Nhƣ vậy, trên bề mặt chất hấp phụ chỉ hình thành một lớp hấp phụ đơn phân
tử. Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt đơn lớp Langmuir cho phép ƣớc tính khả năng hấp
phụ tối đa của vật liệu (Qm) đƣợc biểu diễn bới phƣơng trình sau:
qe  Qm

bCe
1  bCe

(1.7)

trong đó: qe (mg/g) và Ce (mg/l) là nồng độ ion kim loại cân bằng tƣơng ứng
trong pha rắn và pha lỏng; Qm (mg/g) là khả năng hấp phụ tối đa của vật liệu và b
(kl/g) là hằng số cân bằng liên quan đến năng lƣợng hấp phụ.
Khi nồng độ ion trong dung dịch là rất nhỏ thì qe= QmbCe và vì vậy lƣợng ion
kim loại bị hấp phụ tỷ lệ thuận với nồng độ cân bằng trong dung dịch. Khi nồng độ
ion trong dung dịch đủ lớn thì qe → Qm. Nhƣ vậy, theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt
Langmuir, lƣợng cấu tử bị hấp phụ sẽ tăng tuyến tính với nồng độ ion trong dung
dịch, tiếp đó mức độ tăng này chậm dần và đến một nồng độ dung dịch đủ lớn thì
lƣợng cấu tử bị hấp phụ sẽ đạt giá trị không đổi nếu tiếp tục tăng nồng độ. Khi đó,
bề mặt hấp phụ đã đƣợc bão hòa bởi một đơn lớp các phân tử bị hấp phụ.
Biểu thức (1.7 ) có thể viết là:
(1.8)

Ce
1
1

Ce 
qe Qm
bQm

16