Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn đối với các thầy giáo hướng dẫn là TS. PHAN
ðÌNH TUẤN và ThS. HỒNG MINH NAM đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo
điều kiện cho tơi được hồn thành luận văn.
Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn đến Q Thầy Cơ khoa Cơng Nghệ Hóa Học
Trường ðại Học Bách Khoa, ðại Học Quốc Gia Tp. HCM ñã tạo ñiều kiện và giúp
đỡ tơi trong thời gian tơi học tập và làm luận văn tại Trường.
Tơi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Q thầy Cơ, Cán Bộ Cơng Nhân
Viên Trung Tâm Thực Hành Cơng Nghệ Hóa Học - Trường ðại Học Công Nghiệp
Tp. HCM về những sự giúp đở q báu trong q trình tơi thực hiện luận văn.


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

ABSTRACT
The waste water treatment is of great importance in environmental
protection. For an effective treatment of waste water, a lot of adsorbents has been
discovered and developed. Among the possible adsorbents, bone-black appears to
be of important application, especially for heavy metals.
The thesis focused on the technology to produce bone-black and possible
application in removing heavy metals from waste water. It has been found that the
main components of bone-black are carbon (10%), calcium phosphate (84%) in the
form of carbornate-hydroxyl-apatite and calcium carbonate (6%). The produced
bone-black can effectively adsorb lead cation and Asenic anion. The positive
research results of the adsorption on bone-black have pointed out a possible
application of the adsorbent in future.


TĨM TẮT
Xã hội càng phát triển, các hoạt động con người được mở rộng ra nhiều lĩnh
vực trong Nơng Nghiệp, Cơng Nghiệp….Bên cạnh cũng sản sinh ra nhiều chất thải

độc hại khó phân hủy và khó loại bỏ đặc biệt là các kim loại nặng, các chất hữu cơ
làm ô nhiễm mơi trường đất, mơi trường nước. Trong đó thì Asen và Chì là các chất
có độc tính rất cao, có khả năng ảnh hưởng đến sức khỏe con người nhiều dù với
hàm lượng rất nhỏ. Do đó việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu có khả năng xử
lý ô nhiễm môi trường nước, loại bỏ các ion độc hại nói chung, Asen và Chì nói
riêng là một yêu cầu thiết thực trong cuộc sống ngày nay.
Hiện nay có nhiều nghiên cứu về phương pháp xử lý nước thải như: xử lý
bằng phương pháp hóa học, phương pháp vật lý, phương pháp điện hóa, phương
pháp dùng màng trao ñổi ion… Nhiều nghiên cứu ñã thành công và ñược ứng dụng
trong thực tế. Tuy nhiên việc tìm kiếm một giải pháp hữu hiệu trong việc xử lý môi
trường là vấn đề ln ln cần thiết. Hơn nữa ngồi việc xử lý nước thải gây ơ
nhiễm mơi trường, q trình xử lý có kèm theo việc thu hồi các chất ñộc hại trong
nước thải, ñặc biệt là các chất phóng xạ, kim loại nặng, các ion ñộc hại như Asen.
ðề tài nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất
hấp phụ ñể hấp phụ các ion ñộc hại trong nước là một trong những giải pháp kỹ
thuật nhằm ñáp ứng ñược yêu cầu trong việc xử lý nước thải, góp phần bảo vệ mơi
trường.
Than xương có thành phần chính là carbonate - hroxylapatite. Cơng thức tổng
quát [Cax.(PO4)y.(CO3)z.OH]. Do ñặc ñiểm cấu tạo than xương nhiều tâm hấp phụ
nên nó có khả năng hấp phụ và trao ñổi ion rất tốt, ñặc biệt là hấp phụ các kim loại
nặng, các ion có độc tính cao… Ngồi ra than xương cịn có khả năng được ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực khác. Luận văn này nghiên cứu xác định quy trình chế
tạo than xương hợp lý và xem xét khả năng hấp phụ của loại than xương này ñối với
một số ion ñộc hại như ion Asen, Chì.

1


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................1

ABSTRACT ..................................................................................................................2
TÓM TẮT .....................................................................................................................1
MỤC LỤC.....................................................................................................................2
DANH SÁCH HÌNH VÀ BẢNG BIỂU .......................................................................4

Phần 1 TỔNG QUAN ....................................................................................... 6
1.1. LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ .............................................................7
1.1.1. Khái niệm........................................................................................................7
1.1.2. Chất hấp phụ ...................................................................................................9
1.1.3. Tính hấp phụ ................................................................................................. 10
1.1.4. Tính trao ñổi ion ........................................................................................... 14
1.2. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT THAN XƯƠNG................................................ 16
1.2.1. Mở đầu .......................................................................................................... 16
1.2.2. Tính hấp phụ của than xương ....................................................................... 18
1.2.3. Phương pháp chế tạo và ứng dụng................................................................ 18
1.3. KHÁI QT VỀ ASEN VÀ CHÌ ..................................................................... 21
1.3.1. TÍNH CHẤT CỦA ASEN VÀ HỢP CHẤT CỦA NÓ ................................ 21
1.3.2. TÍNH CHẤT CỦA CHÌ VÀ HỢP CHẤT CỦA NĨ.................................... 25

Phần 2 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU....................................................... 28
2.1. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ PHÂN TÍCH....................................................... 29
2.2. NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO THAN XƯƠNG . 29
2.2.1. Nguyên liệu................................................................................................... 29
2.2.2. Xử lý nguyên liệu ......................................................................................... 30
2.2.3. Nung xương .................................................................................................. 31
2.2.4. Xác định tính chất cấu trúc của than xương ................................................. 44
2.3. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THAN XƯƠNG LÀM CHẤT
HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI ............................................................. 44
2.3.1. Quá trình nghiên cứu .................................................................................... 44
2.3.2. Các phương pháp Phân tích .......................................................................... 45

2.3.3. Chuẩn bị mẫu ................................................................................................ 48

2


2.3.4. Kết quả nghiên cứu ....................................................................................... 49

Phần 3 THẢO LUẬN KẾT QUẢ .................................................................. 55
3.1. Quá trình chế tạo than xương ........................................................................... 56
3.1.1. Phân tích phổ nhiễu xạ tia X......................................................................... 56
3.1.2. ðo diện tích bề mặt BET .............................................................................. 57
3.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ nung ñến khả năng hấp phụ của than xương......... 57
3.1.4. Ảnh hưởng thời gian nung ñến khả năng hấp phụ của than xương .............. 58
3.2. Khả năng ứng dụng than xương làm chất hấp phụ ........................................ 61
3.2.1. Ảnh hưởng nồng độ đến q trình hấp phụ .................................................. 61
3.2.2. Ảnh hưởng của pH đến q trình hấp phụ.................................................... 65
3.2.3. Nghiên cứu sự thay ñổi nồng ñộ hấp phụ theo thời gian.............................. 66
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 72
PHỤ LỤC.................................................................................................................... 75
Phụ lục 1 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG ASEN TRONG MẪU NƯỚC
THẢI ..............................................................................................................................i
Phụ lục 2 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH XRD (X-RAY) CỦA MẪU THAN XƯƠNG ....ii
Phụ lục 3 KẾT QUẢ ðO XÁC ðỊNH BỀ MẶT RIÊNG CỦA MẪU THAN
XƯƠNG THEO PHƯƠNG PHÁP BET.....................................................................iii
Phụ lục 4 BẢNG GIÁ TRỊ GIỚI HẠN CHO PHÉP CỦA CÁC THÔNG SỐ VÀ
NỒNG ðỘ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC NGẦM (TCVN 5944 - 1995) iv
Phụ lục 5 NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP GIÁ TRỊ GIỚI HẠN CÁC THÔNG SỐ
VÀ NỒNG ðỘ CHẤT Ô NHIỄM (TCVN 5945 - 1995)..............................................v

3


DANH SÁCH HÌNH VÀ BẢNG BIỂU
1. Danh sách hình
Hình 1.1. Hình ảnh than xương được làm từ xương ngà voi ...................................... 19
Hình 1.2. Hình ảnh cấu trúc của tinh thể than x ương được làm từ xương động
vật. ............................................................................................................................... 20
Hình 1.3. Cấu trúc mạng tinh thể thành phần carbonate - hy đroxylapatite ............... 20
Hình 2.1. Hình ảnh xương làm mẫu nghiên cứu chế tạo đã qua sơ chế...................... 30
Hình 2.2. Quy trình xử lý nguyên liệu xương............................................................. 31
Hình 2.3. Các bước thí nghiệm được tiến hành trong q trình nung xương ............. 32
Hình 2.4. Ảnh than xương khi nung ở các nhiệt độ khác nhau................................... 34
Hình 2.5. Hình ảnh thử hoạt tính hấp phụ của than xương với KMnO4 ..................... 35
Hình 2.6. Hình ảnh thử khả năng hấp phụ màu của than xương................................. 36
Hình 2.7. Ảnh chụp thử khả năng hấp phụ màu Metylen xanh .................................. 39
Hình 2.8. Mẫu than xương BB 650-120...................................................................... 44
Hình 2.9. Hình ảnh chiết mẫu Chì bằng dithizon........................................................ 47
Hình 2.10. Hình ảnh quá trình khảo sát pH theo thời gian ......................................... 52
Hình 3.1. Ảnh hưởng nhiệt ñộ nung xương ñến khả năng hấp phụ. ........................... 57
Hình 3.2. Ảnh hưởng thời gian nung xương ñến khả năng hấp phụ trên thuốc thử
KMnO4 và xanh metylen............................................................................................. 59
Hình 3.3. ðường hấp phụ đẳng nhiệt của Asen .......................................................... 61
Hình 3.4. ðường hấp phụ đẳng nhiệt của Asen – Chì ................................................ 62
Hình 3.5. ðường hấp phụ đẳng nhiệt của Chì............................................................. 62
Hình 3.6. ðồ thị xác ñịnh các hằng số trong phương trình BET của Asen. ............... 64
Hình 3.7. ðồ thị xác ñịnh các hằng số trong phương trình BET của Asen ................ 64
Hình 3.8. Sự thay đổi pH của dung dịch trong quá trình hấp phụ ion Pb2+ ................ 65
Hình 3.9. Ảnh hưởng sự hấp phụ than xương theo thời gian ñối với dung dịch
Chì. .............................................................................................................................. 67

Hình 3.10. Ảnh hưởng sự hấp phụ than xương theo thời gian lên dung dịch Asen.... 68

4


2. Danh sách bảng biểu
Bảng 2.1. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ nung ñến ñộ thu hồi than xương ........................ 33
Bảng 2.2. Ảnh hưởng chế ñộ nhiệt ñộ khi nung tới khả năng hấp phụ của than
xương........................................................................................................................... 34
Bảng 2.3. Mức ñộ hấp phụ lần thứ 2 với các mẫu than xương thu ñược.................... 37
Bảng 2.4. Bảng thử khả năng hấp phụ màu Metylen xanh 0,001%............................ 38
Bảng 2.5. Thử khả năng hấp phụ màu của than xương lần 2...................................... 39
Bảng 2.6. Thử khả năng hấp phụ màu Metylen xanh 0.1%........................................ 40
Bảng 2.7. Ảnh hưởng của thời gian nung ñến ñộ thu hồi than xương ........................ 41
Bảng 2.8. Ảnh hưởng thời gian nung ñến tính chất của than xương thu ñược ........... 42
Bảng 2.9. Ảnh hưởng thời gian nung đến tính chất của than xương thu ñược ........... 43
Bảng 2.10. Pha mẫu mẫu nước từ dung dịch Asen và Chì có nồng độ 1000mg/l ..... 45
Bảng 2.11. Lấy mẫu ño trắc quang ............................................................................. 47
Bảng 2.12. Kết quả ño ñộ hấp thu các mẫu dung dịch Chì......................................... 48
Bảng 2.13. Ảnh hưởng của nồng độ Asen lên chất hấp phụ than xương................... 50
Bảng 2.14. Ảnh hưởng của nồng độ Chì lên chất hấp phụ than xương ..................... 50
Bảng 2.15. Ảnh hưởng của nồng độ Chì – Asen lên chất hấp phụ than xương........ 51
Bảng 2.16. Bảng số liệu khảo sát ảnh hưởng của pH ñến hấp phụ Chì ...................... 52
Bảng 2.17. Sự thay đổi nồng ñộ Chì bị hấp phụ theo thời gian tiếp xúc pha ............. 53
Bảng 2.18. Sự thay ñổi nồng ñộ Asen bị hấp phụ theo thời gian tiếp xúc pha........... 54

5


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

Phần 1

TỔNG QUAN

6


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

1.1. LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ
1.1.1. Khái niệm [15, 19, 31, 32, 33]
Bề mặt chất rắn có khuynh hướng hấp dẫn các cấu tử trong pha khí và pha
lỏng bao quanh nó. Các cấu tử này thường bị giữ thành một lớp hay thỉnh thoảng
nhiều lớp trên bề mặt chất rắn. Nếu thành phần các cấu tử trên bề mặt chất rắn khác
với thành phần trong pha khí hoặc pha lỏng thì tạo nên cơ sở quá trình phân riêng.
Trong ña số trường hợp, chất hấp phụ (chất rắn) phải liên kết thuận nghịch
với các cấu tử bị hấp phụ để có thể tái sử dụng chất hấp phụ. Như vậy quá trình hấp
phụ là quá trình hút chọn lọc các cấu tử trong pha khí hay pha lỏng trên bề mặt chất
rắn.
Q trình hấp phụ được thực hiện bằng cách cho tiếp xúc hai pha khơng hịa
tan là pha rắn (chất hấp phụ) với pha khí hoặc pha lỏng. Dung chất (chất bị hấp phụ)
sẽ ñi từ pha lỏng (hoặc khí) đến pha rắn cho đến khi nồng ñộ của dung chất phân bố
giữa hai pha ñạt cân bằng. Về nguyên tắc, các kỹ thuật ñã ñược sử dụng để thực
hiện q trình tiếp xúc giữa hai pha khơng hịa tan đều có thể thực hiện được cho
quá trình hấp phụ.
Một quá trình lỏng – rắn khác là q trình trao đổi ion, đó là q trình trao
ñổi thuận nghịch giữa một chất rắn nhất ñịnh và dung dịch điện giải. Q trình liên
hệ đến bản chất hóa học của sự tương tác giữa ion với chất rắn và sự khếch tán của
các ion trong pha rắn. ðây là hiện tượng phức tạp hơn hấp phụ nhưng kỹ thuật

chung và kết quả nhận ñược là tương tự.
ðể hiểu được bản chất của q trình hấp phụ, ta phân biệt hai loại hấp phụ:
hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
1.1.1.1. Hấp phụ vật lý
Hấp phụ vật lý hay hấp phụ “Van Der waals” là hiện tượng tương tác thuận
nghịch của các lực hút giữa các phân tử chất rắn và chất bị hấp phụ. Ví dụ khi các
lực hút tương tác giữa các phân tử chất rắn và chất khí lớn hơn lực hút giữa các
7


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

phân tử chất khí thì các chất khí sẽ ngưng tụ trên bề mặt chất rắn mặc dù áp suất của
chất khí nhỏ hơn áp suất hơi ở cùng nhiệt độ. Q trình này đi kèm với hiện tượng
phát nhiệt, lượng nhiệt thốt ra lớn hơn ẩn nhiệt hóa hơi và gần bằng nhiệt thăng
hoa của chất khí. Dung chất không thẩm thấu vào mạng tinh thể của chất rắn mà bị
giữ trên bề mặt chất rắn. Khi ñạt cân bằng áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ sẽ
bằng với áp suất của pha khí, nếu hạ áp suất khí hoặc tăng nhiệt độ, chất bị hấp phụ
sẽ nhả hấp nguyên dạng. Quá trình hấp phụ trong cơng nghiệp được xem xét tùy
thuộc trên tính thuận nghịch ñể thu hồi chất hấp phụ dùng lại, thu hồi chất bị hấp
phụ, ñể tách một hỗn hợp.
1.1.1.2. Hấp phụ hóa học
Hấp phụ hóa học hay cịn gọi là hấp phụ hoạt hóa, là kết quả của sự tương tác
hóa học giữa chất rắn và chất bị hấp phụ. Nhiệt phát ra trong hấp phụ hóa học
thường lớn cở nhiệt phản ứng. Q trình thường là khơng thuận nghịch. Hấp phụ
hóa học thường có tầm quan trọng đặc biệt trong phản ứng xúc tác và khơng xét đến
ở đây.
Q trình hấp phụ ñược phát hiện vào thế kỷ 19 nhưng lúc đó chưa phổ biến
rộng rãi, cho đến thấp niên 40 - 50 bước đầu sử dụng than hoạt tính vào việc xử lý
nước thải đơ thị.

Hấp phụ có thể thực hiện cho nhiều hoạt động mà khó thực hiện ñược bằng
các kỹ thuật thông thường khác như: hấp thụ, chưng cất, dùng màng trao ñổi ion.
Thời gian gần ñây các ứng dụng cho q trình hấp phụ được phát triển nhanh vì nhu
cầu về chất lượng bảo vệ mơi trường ngày càng cao, ñồng thời các ưu ñiểm cho q
trình hấp phụ thì đáp ứng được cho các u cầu trên. Những chất hấp phụ mới ñược
tổng hợp liên tục làm cải thiện tính hấp phụ ngày càng tốt hơn. Tuy nhiên ñể nghiên
cứu một chất hấp phụ mới ứng dụng cho một phản ứng mới phải mất từ vài tháng
ñến vài năm, nhờ vậy các nhà khoa học càng hiểu sâu hơn về cơ chế hấp phụ giúp
cho họ thiết kế và mơ phỏng q trình hấp phụ được chính xác và nhanh hơn.
ða số các chất khống và những nguyên liệu vô cơ thường làm nguyên liệu

8


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

để tổng hợp chất hấp phụ, đã có nhiều cơng trình nghiên cứu chế tạo thành cơng
một số chất hấp phụ như: hợp chất aluminate, silicate, zeolites...Tuy nhiên khả năng
hấp phụ chưa cao. ðể ñánh giá một chất hấp phụ người ta thường dựa trên một số
tính năng hấp phụ qua các tính chất chung như: khả năng hấp phụ, tính chọn lọc,
khả năng tái sinh hấp phụ, giá thành sản xuất...
Xử lý nước hấp phụ có thể tái sinh, tức là thu hồi và tận dụng chất thải và
phân hủy, tiêu hủy chất thải cùng với chất hấp phụ. Hiệu quả xử lý của phương
pháp này ñạt 80 – 95% và phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất hấp phụ, diện
tích bề mặt chất hấp phụ, cấu trúc hóa học của chất cần hấp và trạng thái của nó
trong dung dịch.
Ứng dụng hấp phụ được biết nhiều nhất là làm sạch nước thải, ñặc biệt là
nước thải đơ thị, ngồi ra nó cịn dùng để làm sạch khí, xử dụng làm phương tiện để
tách chất từ hỗn hợp lỏng. Có nhiều ứng dụng cho q trình hấp phụ, tuy nhiên
chọn lựa để tìm chất hấp phụ sẽ tốt hơn cho việc tìm một quá trình hấp phụ.

1.1.2. Chất hấp phụ
ðể làm chất hấp phụ người ta sử dụng than hoạt tính, các chất tổng hợp và
chất thải của một số ngành sản xuất (tro, xỉ, mặt cưa…). Chất hấp phụ vơ cơ như đất
sét, Silicagen, keo nhơm và các hydroxyt kim loại ít được sử dụng vì năng lương
tương tác tương đối lớn. Phổ biến nhất là than hoạt tính, nhưng cần có các tính chất
xác ñịnh như: tương tác yếu với phân tử nước và mạnh với các chất hữu cơ, có lỗ
xốp thơ tương ñối (8 – 50 Ao) ñể có thể hấp phụ các phân tử hữu cơ lớn và phức tạp,
có lượng chất bị hấp phụ lớn trong thời gian tiếp xúc ngắn, tính chọn lọc cao và có
khả năng được phục hồi. Ngoài ra, than phải bền nước và thấm nước nhanh. Trong
q trình xử lí nước thải, người ta sử dụng than nhuyễn với kích thước hạt 0,25 –
0,5mm và than phân tán cao với hạt nhỏ hơn 40mm.
Quan trọng là than phải có hoạt tính xúc tác thấp đối với phản ứng oxy hóa
và trùng ngưng vì một số chất hữu cơ trong nước thải có khả năng bị oxy hóa và bị

9


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

hóa nhựa. Các q trình này được thúc đẩy bởi xúc tác. Các chất hóa nhựa bít kín lỗ
xốp của than và gây khó khăn cho việc tái sinh nó ở nhiệt độ thấp. Cuối cùng chúng
phải có giá thành thấp, không giảm khả năng hấp phụ ngay khi tái sinh và bảo ñảm
số chu kỳ làm việc lớn. Ngun liện để sản xuất than hoạt tính có thể là bất kì vật
liệu nào chứa cacbon nào như: than, gỗ, polymer, chất thải rắn của công nghiệp thực
phẩm, giấy …
Vận tốc của quá trình hấp phụ phụ thuộc vào nồng độ, cấu trúc của chất hịa
tan, nhiệt độ nước, dạng và tính chất hấp phụ, trong trường hợp tổng qt q trình
hấp phụ bao gồm 3 giai đoạn:
-

Chuyển vật chất từ nước thải ñến bề mặt hạt hấp phụ (khuếch tán ngoài)

-

Hấp phụ.

-

Chuyển vật chất vào trong hạt hấp phụ (khuếch tán trong)
Quá trình hấp phụ diễn ra nhanh nên giai đoạn xác định q trình hấp phụ có

thể là khuếch tán ngoài hoặc khuếch tán trong. Trong một số trường hợp cả hai giai
ñoạn khuếch tán cùng quyết ñịnh vận tốc hấp phụ.
Trong vùng khuếch tán ngoài vận tốc truyền khối ñược xác ñịnh chủ yếu
bằng cường ñộ rối của dịng, mà trước hết nó phụ thuộc vào vận tốc chất lỏng.
Trong vùng khuếch tán trong cường ñộ truyền khối phụ thuộc dạng và kích thước lỗ
xốp, hình dạng và kích thước hạt, kích thước phân tử chất cần hấp phụ và hệ số
truyền vật chất. ðể tính tốn sơ bộ nên chọn vận tốc dịng chảy 1,8m/h và đường
kính dhạt= 2,5mm. Nếu vận tốc dịng chảy và kích thước hạt nhỏ hơn các giá trị vừa
nêu thì q trình được xác định bởi khuếch tán ngồi, nếu lớn hơn thì khuếch tán
trong.

1.1.3. Tính hấp phụ [19, 20, 21]
Tính hấp phụ là tính chất quan trọng mang lại nhiều ứng dụng thực tế của
than nói chung và than xương nói riêng, trong đó nó có vai trị như chất xúc tác.

10

Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

Khả năng hấp phụ ñược quyết ñịnh bởi ñặc tính bề mặt và cấu trúc xốp của than.
Với kích thước hạt nhỏ và do cấu trúc mạng lưới tinh thể, than có bề mặt riêng lớn
khoảng 500-760 m2/g.
Diện tích bề mặt riêng của than, bề mặt ngoài và bề mặt trong cấu trúc mạng.
bề mặt trong ñược xác ñịnh bởi bề mặt của khoảng không gian giữa các lớp trong
cấu trúc tinh thể. Trong quá trình hấp phụ, bề mặt trong bị thay đổi do khỗng cách
cơ bản giữa các lớp thay ñổi phụ thuộc vào loại ion trao đổi, do đó tính chất và cấu
trúc của chất hấp phụ có thể thay đổi. Bề mặt ngồi được tạo nên bởi bề mặt mao
quản chuyển tiếp tùy thuộc vào kích thước hạt than. Hạt càng nhỏ, diện tích bề mặt
ngồi càng lớn và kích thước mao quản chuyển tiếp càng nhỏ.
Bề mặt riêng, kích thước lỗ và dung lượng hấp phụ của than ñược xác ñịnh
bằng phương pháp hấp phụ. Phương pháp thơng dụng nhất để xác định bề mặt của
than là dựa vào q trình hấp phụ khí nitơ để tính tốn theo phương trình hấp phụ
đa lớp BET.
1.1.3.1. Sự hấp phụ các chất ñiện ly
Các ion trong dung dịch là những phần tử tích điện, cho nên sự hấp phụ các
ion là quá trình diễn ra sự phân bố lại điện tích. Do tương tác tĩnh điện các ion trái
dấu này ñược hút ñến gần lớp bề mặt phân chia pha và hình thành lớp điện tích kép.
Các ion chất ñiện ly ñược hấp phụ ưu tiên theo những tính chất sau, phần bề
mặt chất hấp phụ có điện tích xác định, nên chỉ hấp phụ các ion có điện tích trái dấu
với nó và khả năng hấp phụ phụ thuộc rất nhiều vào bản chất các ion.
ðối với ion cùng điện tích, ion nào có bán kính nhỏ nhất thể hiện khả năng
hấp phụ cao nhất.
Trong sự hấp phụ, các ion có điện tích khác nhau thì điện tích ion càng cao
(điện tích càng lớn) càng bị hấp phụ mạnh bởi bề mặt chất hấp phụ.
Sự hấp phụ ưu tiên với những ion có mạng lưới tinh thể của chất hấp phụ rắn
hoặc có cấu tạo giống với một trong các ion tạo ra mạng lưới tinh thể chất hấp phụ.

11


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

1.1.3.2. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir
Có nhiều phương pháp mô tả mối quan hệ giữa chất hấp phụ và nồng độ chất
bị hấp phụ, trong đó có phương trình Langmuir, phương trình đẳng nhiệt xây dựng
trên cơ sở lý thuyết của Langmuir, bao gồm:
Bề mặt chất hấp phụ ñồng nhất về năng lượng.
Trên bề mặt chất rắn phân chia ra từng vùng nhỏ, các tâm hoạt ñộng
mỗi vùng chỉ tiếp nhận một phân tử chất bị hấp phụ. Trong trạng thái
bị hấp phụ các phân tử trên bề mặt chất rắn khơng tương tác với nhau.
Q trình hấp phụ là ñộng, tốc ñộ hấp phụ tỉ lệ với các vùng chưa bị
chiếm chỗ, tốc ñộ giải hấp phụ tỉ lệ với tâm ñã bị chất bị hấp phụ
chiếm chỗ.
Phương trình Langmuir được biểu diễn như sau:
q=

qm .kC
(1 + kC )

Trong đó:
q: Dung lượng hấp phụ (mg/g)
C: Nồng độ cân bằng chất bị hấp phụ (mg/l)
k : Hằng số hấp phụ
qm: Hấp phụ cực đại
Phương trình mơ tả mối quan hệ giữa q và c, chứa hai thông số qm có một giá
trị xác định tương ứng với số tâm hấp phụ, hằng số k phụ thuộc cặp tương tác giữa
chất hấp phụ và bị hấp phụ, và nhiệt ñộ. Phương trình trên áp dụng được cho áp

dụng được cho hấp phụ trong mơi trường nước để phân tích cho số liệu thí nghiệm.
Các số liệu thí nghiệm q, c có thể xác định qm và k bằng phương pháp tối ưu
hay ñơn giản bằng phương pháp ñồ thị.

12


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

Biểu thức trên có thể viết lại như sau:
c
1
c
=
+
q qm .k q m

1.1.3.3. Phương trình đẳng nhiệt Freundlich
ðây là phương trình mơ tả hồn tồn có tính chất kinh nghiệm thể hiện
mối tương quan a và c từ thực nghiệm.
q = k F .ce n

kF là hằng số hấp phụ Freundlich, nếu C =1 đơn vị thì a = kF tức là kF chính là
dung lượng hấp phụ C =1.
n là bậc mũ của biến c luôn nhỏ hơn 1, nó đặc trưng định tính cho bản chất
lực tương tác của hệ, n nhỏ thì hấp phụ thiên về dạng hóa học, n lớn thì bản chất lực
hấp phụ thiên về dạng vật lý, lực hấp phụ yếu.

1.1.3.4. Phương trình BET
Có những đường hấp phụ đẳng nhiệt khơng có phần đường thẳng song song

với trục hồnh. ðường biểu diễn có dạng hình chữ S.
Theo Poliani, sự hấp phụ được xác ñịnh bởi lực hấp phụ phân tử Van Der
Waals có bán kính tác dụng lớn hơn các hóa trị thừa trong thuyết Langmuir, do đó
có sự hấp phụ khơng những tạo thành một lớp mà tạo thành nhiều lớp chồng lên
nhau. Brunauoer – Emmet – Teller (BET) ñã khái quát quá các lý luận của
Langmuir và Poliani và mô tả các dạng hấp phụ đẳng nhiệt bằng phương trình hấp
phụ:

p /Va ( po − p) = 1/Vmc + p(c −1) /Vm poc , Trong đó:
P0: áp suất hơi bảo hịa
V: thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất p
Vm: thể tích khí bị hấp phụ trong lớp đơn phân tử
C: thừa số năng lượng.

13


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

1.1.4. Tính trao đổi ion [21, 27]
Trao đổi ion cũng ñược xem là một trong những hiện tượng hấp phụ chất
ñiện ly. Trong sự hấp phụ trao ñổi, chất hấp phụ hấp phụ một lượng ion xác định
nào đó từ dung dịch ñồng thời một lượng tương ñương các ion khác có cùng dấu
điện tích vào dung dịch. Tham gia sự trao đổi khơng những chỉ các ion bám trên bề
mặt chất hấp phụ, mà có thể cả các ion nằm sâu trong chất hấp phụ, tất nhiên quá
trình chỉ xảy ra ở nơi có dung dịch có thể tiếp xúc được. Sự trao đổi ion có một số
đặc điểm sau:
Có tính chọn lọc, có nghĩa là sự trao ñổi chỉ xảy ra với những loại ion xác
ñịnh tùy thuộc vào bản chất của chất hấp phụ và ion bị hấp phụ.
Chất hấp phụ trao ñổi ion ñược chia thành hai loại:

Chất hấp phụ axit: mang tính chất của một axit, có khả năng trao đổi
cation với dung dịch.
Chất hấp phụ bazơ: có tính chất của một bazơ, có thể trao đổi anion
với dung dịch.
Do đó q trình trao ñổi ion diễn ra như một phản ứng hóa học, có thể làm
thay đổi pH của mơi trường khi có ion H+ hay OH- ion tham gia trao ñổi.

1.1.4.1. Nguyên lý trao ñổi
Quan sát một hệ gồm chất trao ñổi ion có kích thước đều nhau chứa ion trao
đổi A và và dung dịch chứa B- là ion cần trao ñổi với A
R-A + B- = R-B + AR (gốc trao ñổi ion) khi tiếp xúc với dung dịch quá trình trao đổi bắt đầu diễn
ra cho đến khi đạt ñến trạng thái cân bằng, trong ñó sự phân bố cả ion A và ion B
ñược gắn vào R trong dung dịch có giá trị khơng đổi.
Trong R-A các ion A khuếch tán ra ngồi dung dịch, cịn ion B khuếch tán từ
dung dịch vào trong R. Quá trình khuếch tán ngược chiều nhau của hai ion A và B

14


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

gọi là sự trao đổi ion.
Q trình trao đổi ion là một quá trình nghiêm ngặt về tỉ lượng, mỗi một ion
trao ñổi rời khỏi hạt nhựa phải ñược thay thế bởi một ion tương đương về điện tích
từ ngồi dung dịch đi vào. ðó là kết quả của quy luật trung hịa điện tích, khi một
ion ra khỏi R thì R sẽ tích điện trái dấu với ion trao đổi nó cần được trung hịa bởi
ion khác đi từ ngồi vào. Tổng số hàm lượng ion trao đổi tính theo đương lượng là
hằng số.

1.1.4.2. Tính chọn lựa của hợp chất trao ñổi

Năng lực hút bám các loại ion của chất trao đổi ion khơng như nhau, có một
số ion dễ bị chất trao ñổi ion hút bám, nhưng sau khi hút bám cần đem nó trực tiếp
trao đổi ra tương đối khó khăn, một số ion khác rất khó bị hút bám nhưng khi trực
tiếp trao đổi ra tương đối dễ dàng. Tính năng này là tính năng chọn lựa trao đổi ion.
Tính năng chọn lựa trao đổi ion có ảnh hưởng rất lớn đến q trình trao ñổi và quá
trình giải hấp nên ứng dụng thực tế rất quan trọng. Nó có hai quy luật:
ðiện tích càng lớn càng dễ bị trao đổi ion hút bám, ví dụ ion hóa trị 2
dễ hút bám hơn ion hóa trị 1.
ðối với ion có cùng điện tích, số thứ tự ngun tử lớn, bán kính
hydrat của ion hình thành nhỏ dễ bị hút bám.
Khi chất trao ñổi ion là anion, tính kiềm mạnh theo thứ tự:
SO42- > NO3- >Cl- >OH- >F- >HCO3-.
Khi chất trao đổi là cation, tính lựa chọn của nó đối với các loại ion
theo thứ tự: Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+ >K+>Na+.Từ những tính tốn về hằng số
cân bằng, người ta ñưa ra thứ tự về khả năng trao ñổi anion hóa trị 1 là:
OH>F->Cl->Br>NO3-, của anion hóa trị 2 là HAsO42-> CrO42-> SO42->
MoO42-.

15


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

1.2. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT THAN XƯƠNG
1.2.1. Mở ñầu [1, 2, 6, 7, 8, 9]
Một trong những hình thức sớm của than xương ñược biết ñến nhiều nhất là
xương cá cịn sót lại trong các lị nấu thức ăn. Năm 2650 trước cơng ngun, than
xương thường được dùng để sơn thành tường phía trong các loại mộ cổ ở ai cập, và
trong triều đại này thì than xương chỉ dùng ñể làm sơn.
Suốt một thời gian dài, nhiều thay ñổi lớn trong sử dụng than xương. Một số

người ñã sử dụng than xương ñể làm thuốc chữa trị các chứng bệnh như: bệnh
nhiễm khuẩn, bệnh ñộng kinh ở phụ nữ và các bệnh về đường miệng. Trong khỗng
thời gian này, than hoạt tính cũng được sử dụng để tinh lọc các loại dược phẩm cho
ñến ngày nay.
Tuy nhiên, ñến thập niên 90 xảy ra một ý tưởng mới về thương mại. Than
xương ñược phát minh ñể sử dụng lọc ñường trong quá trình sản xuất kết tinh
ñường, phát minh này được cơng nhận vào năm 1812. Trước đó vài năm, một nhóm
nghiên cứu thấy rằng than xương sử dụng tốt hơn trong quá trình khử màu trong rựu
hoặc trong giấm. Sự khám phá này, mở ra kỷ nguyên mới trong ứng dụng than
xương cho ngành công nghiệp sản xuất ñường.
Một lĩnh vực khác cũng cần ñược giải quyết, trong các vườn nông trại lớn tại
các khu trung tâm ở Mỹ. Người ta xây dựng các khu thảo nguyên ñể chứa các loại
xương trâu bị giết mổ của một nhóm người Mỹ. ðể giải quyết các vấn đề này thì
khó, phải dọn dẹp các khu ñất của họ, các kho bãi để phân hủy nó. Những điều này
kéo dài đến khi ý tưởng dùng xương để làm phân bón được phát triển.
Q trình thu gom xương và bán lần đầu tiên ở Mỹ vào năm 1884. Một số
người ñã phát đạt trong việc bn bán này. Có bốn đồn tàu mỗi năm chở đem bán,
trung bình giá của mỗi tấn là 1000 USD. Cơng việc thu gom xương đem bán sẽ vừa
giải quyết được q trình xử lý xương, vừa làm tăng thêm thu nhập cho gia đình họ
bởi vì việc thu gom xương thì đở vất vả hơn làm công việc nhà.

16


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

Tiền ñể trả cho việc thu gom xương ñược các nhà thương gia xem như một
nghề buôn bán nếu có thể sử dụng hợp lý. Người làm thuê xe ñẩy xương ñược ñẩy
ñem bán từ thị trấn, ở ñó các nhà thương buôn sẽ kiểm tra họ. Họ chỉ thu gom
xương ñã ñược tẩy trắng, phần thịt và mở động vật thì khơng được chấp nhận.

Xương được đẩy mua và kiểm tra rất cẩn thận, phân loại, cân và ñược gánh ñem
chất ñống dọc theo lề ñường ñể chờ phương tiện giao thơng chở đi.
Than xương được sản xuất dùng làm phân bón trong suốt khỗng 1880 và
1890. Tuy nhiên ngành công nghiệp than xương là một hiểm họa vì càng ngày
xương trâu trên các đồng cỏ bị khan hiếm, các xác thối ở các nghĩa ñịa bị cướp bóc
để lấy xương, tạo ra các rạng nứt trong cơng nghiệp và xương người ñể làm than
xương trở nên là ñề tài gây tranh cải. Cuối cùng, xương người không ñược chấp
nhận trong công nghiệp chế tạo than xương.
Khi ngành cơng nghiệp xương phát triển, vị trí sản xuất than xương cũng
ñược phát triển. Năm 1880, than xương ñược mua tại 72 nơng trại ở Mỹ để sản xuất
than xương. Năng suất than xương lần ñầu tiên là 5000 tấn /năm. Năm 1883, than
xương trở thành ñược dùng làm thay thế than cacbon ở Mỹ và ñược bán ra rất
nhiều. Năm 1885 các cơng ty trung bình bán được 50.000 USD mỗi tháng. Than
xương ñược sản xuất liên tục mỗi ngày 24h, sử dụng khỗng 13% xương bị rừng từ
các ñồng cỏ trên khắp cả nước Mỹ. ðến 1896 các loại xương bò hầu như bị phát
quang, khan hiếm từ các ñồng cỏ. Một số nhà máy dự trữ xương vẫn cịn hoạt động,
tuy nhiên trong khỗng thời gian này họ thường sử dụng nguồn nguyên liệu thô thay
thế xen kẽ với xương. Than xương làm phân bón phụ thuộc vào nguồn khan hiếm
và giá cả của xương trên thị trường, vì vậy cần tìm nguồn nguyên liệu khác thay thế.
Hầu hết các cơng ty thay thế dạng đá thơ (canxi photphat) trong ngun liệu để thay
thế nguồn xương, vì vật liệu này rẻ và dễ tìm.
Than xương cịn ứng dụng làm bột màu trong ngành công nghiệp sản xuất
bột màu, một số loại than xương ở ấn độ cịn dùng làm thuốc bôi mi mắt và làm mỹ
phẩm, sơn vecni. Trong lĩnh vực bột màu than xương làm một màu sơn ñen ñậm, và

17


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

trong suốt thời gian này xuất hiện một ngành công nghiệp mới trong nền kinh tế khi
ứng dụng than xương.

1.2.2. Tính hấp phụ của than xương [13, 14, 17]
Hấp phụ bằng than xương là vấn đề nóng bỏng được khảo sát trong thời gian
gần ñây. Hầu hết các ñề tài đều xoay quanh q trình nghiên cứu khả năng khử màu
bằng than xương. Mặc dù còn nhiều hạn chế trong phương pháp và chưa sáng tỏ
trong nghiên cứu, nhưng cũng đã có một vài nghiên cứu được cơng bố làm sáng tỏ
vấn ñề này. Một số bài nghiên cứu thành cơng ứng dụng than xương trong q trình
lọc đường. Một số nghiên cứu khác cũng trình bày chi tiết hơn trong vấn ñề ước
lượng ứng dụng than xương trong q trình khử màu trong ngành cơng nghiệp
đường.
Khi điều này ñúng ñể hiểu tốt hơn nguyên lý về màu sắc của than xương ñã
cho kết quả ước lượng cơ bản, rất nhiều các thơng tin cụ thể thì than xương có giá
trị trong hấp phụ các chất khác nhau, đặc biệt trong phản ứng nghịch ñảo ñường.
Một số nghiên cứu khác ñề cập ñến vấn ñề hấp phụ các chất khác và ñưa ra các giải
pháp thay thế khác. Khi so sánh khả năng hấp phụ dùng than cacbon và than xương,
họ tạo ra một khoãng rộng các hấp phụ tro bằng than xương và than cacbon ñồng
thời nghiên cứu ảnh hưởng của than xương, kiểm tra ñộ dẫn nhiệt của than với dung
dịch loãng và nghiên cứu làm tăng ñộ tro của than sau khi xử lý rửa giải từ ñộ bám
chặt khi tro hấp phụ.
Một số nghiên cứu than xương với than cacbon thấy rằng than xương tỏ ra
hiệu quả tro tốt hơn than cacbon. ðiều này thấy rằng khả năng ứng dụng than xương
trong hấp phụ là ñáng tin cậy và tốt hơn than cacbon. Thường người ta có xu hướng
chọn than xương để hấp phụ các hợp chất vơ cơ từ dung dịch đường.

1.2.3. Phương pháp chế tạo và ứng dụng [9, 10, 15, 19]
Qua nhiều nghiên cứu ứng dụng than, người ta phân than thành hai nhóm:

18

Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

nhóm than hoạt tính (actived carbon) và nhóm than khơng hoạt tính (none – actived
carbon). Sản xuất nhóm than hoạt tính có nguồn gốc đi từ gổ hoặc các khống tự
nhiên, nhóm than hoạt tính này thường được nung hoạt hóa từ gổ hoặc các khống
tự nhiên. Nhóm than khơng hoạt tính được nung thu hồi từ các loại như: xương
ñộng vật, máu ñộng vật, ngà voi…Và các nguyên liệu khác đi từ động vật.

Hình 1.1. Hình ảnh than xương ñược làm từ xương ngà voi
ðặc ñiểm chung của nhóm than hoạt tính là diện tích bề mặt riêng rất lớn
(m2/g) và tính chất hấp phụ được thể hiện bởi lực hút tỉnh ñiện Van Der Waals (hấp
phụ vật lý) hoặc xảy ra các liên kết hóa học từ các chất hữu cơ và vơ cơ ( hấp phụ
hóa học ). Dựa trên đặc điểm chung này, thường nhóm than hoạt tính dùng để làm
các chất hấp phụ, chất xúc tác…
ðặc điểm chung của nhóm than khơng mang hoạt tính là diện tích bề mặt
riêng của nó thấp ( 1 – 100 m2/g ) nhưng mật ñộ trao ñổi điện tích của nó thì rất cao,
đặc biệt khi nó nằm trong dung dịch. Vì mang tính chất này nên nhóm than khơng
hoạt tính được dùng như một chất keo tụ, ñể làm chất lọc.
Phương pháp chung ñể sản xuất nhóm cacbon hoạt tính là xử lý cacbon ở
nhiệt độ cao với hơi nước, cacbon oxyt, các khí khác, hoặc nhiệt phân các hợp chất

19


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

hóa học chứa canxi ở dạng canxi cacbonat.
Sản xuất nhóm cacbon khơng hoạt tính bao gồm: than xương, than ngà voi

bằng cách nung xương động vật trong bình kín. Trong cấu trúc các lỗ xốp của than
xương chứa một lượng thấp cacbon tinh khiết (10 – 20% khối lượng).
Trong chế tạo than xương, than ñốt từ xương ñộng vật, có dạng hạt, màu đen,
được sản xuất từ các loại xương ñộng vật. Phương pháp sản xuất chủ yếu là nung
xương ở nhiệt độ cao trong mơi trường thiếu oxy ( bình kín ), thành phần hóa học
chủ yếu trong than xương là dạng khống carbonate - hy đroxylapatite, cơng thức
tổng qt có dạng [Cax.(PO4)y.(CO3)z.OH].

Hình 1.2. Hình ảnh cấu trúc của tinh thể than x ương ñược làm từ xương ñộng vật.

Hình 1.3. Cấu trúc mạng tinh thể thành phần carbonate - hy ñroxylapatite

20


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

Than xương có khả năng hấp phụ cao với một số các ion ñộc hại như: uran,
Asen, Thủy ngân, Chì.
Ngồi khả năng ứng dụng để hấp phụ một số kim loại nặng, than xương cịn
dùng để tách các hợp chất florua trong nước, thay thế cột nhựa trao ñổi ion, lọc bể,
sử dụng cho ngành bột màu (black pigment), dùng làm sơn mỹ thuật vì nó có màu
đen đậm.

1.3. KHÁI QT VỀ ASEN VÀ CHÌ
1.3.1. TÍNH CHẤT CỦA ASEN VÀ HỢP CHẤT CỦA NĨ [22, 23, 24]
1.3.1.1. Asen
Asen khơng phản ứng với nước, với axit loãng. Asen phản ứng ñược với axit
nitric, nước cường thủy, kiềm. Asen còn phản ứng với oxy, halogen, lưu huỳnh. Với
các kim loại kiềm, kiềm thổ và một số kim loại khác, Asen tương tác tạo nên

Asenua và các muối Asenua này dễ dàng bị axit phân hủy. Các phản ứng:
As + 5 HNO3(ñ) → H3AsO4 + 5 NO2 + H2O
2As + 2NaOH + 2H2O → 2NaAsO3 + 3H2↑
2As +3 O2 → 2As2O3
As + S → 2As2S3, As2S5, As4S4 (500 – 600oC, trong khí quyển N2).

1.3.1.2. DiAsen trioxit As2O3
As2O3 Chất rắn, màu trắng, hút ẩm, dễ nóng chảy, dễ thăng hoa. Tồn tại hai
dạng đa hình: dạng As2O3, khi làm lạnh nhanh, chất nóng chảy tạo nên dạng vơ định
hình. Ngồi ra, As2O3 cịn tan ít trong nước nguội, tạo nên những axit yếu trong
dung dịch: HAsO2 (axit metaAsenơ). Do đó thể hiện tính chất axit trong phản ứng
với kiềm, dễ halogen hóa, có tính chất oxy hóa – khử. Các phản ứng:
As2O3 + 4HNO3 + H2O → 2H3AsO4 + 4NO2
As2O3 (r) + 3H2O ⇌ 2H3AsO3 (bão hòa), (to)

21


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

H3AsO3 + H2O ⇌ H2AsO3- + H3O+ ; pKa = 9,23
H2AsO3- + H2O ⇌ HAsO32- + H3O+ ; pKa = 12,13
HAsO32- + H2O ⇌ AsO33- + H3O+ ; pKa = 13,41
As2O3 (r) + 3HCl ⇌ H3AsO3 + AsCl3

1.3.1.3. DiAsen pentaoxit As2O5
As2O5 ở dạng rắn màu trắng, phân hủy khi đun nóng, có dạng vơ định hình
và dạng tinh thể. As2O5 phản ứng với nước và thể hiện tính axit, phản ứng với kiềm.
As2O5 cịn bị cacbon khử khi đun nóng. Các phản ứng:
As2O5 → As2O3 + O2 (> 315oC)

As2O5 + 4H2O → 2(H3AsO4.0,5 H2O)↓ ⇌ 2H3AsO4 (bão hòa) + H2O
As2O5 +3H2O → As2O3.1,67H2O↓ +1,33H2O ⇌ 2H3AsO4 (bão hòa)
2As2O5 + 5C → 4As + 5CO2 ( 400 – 500oC)

1.3.1.4. Axit Asenic H3AsO4
H3AsO4: chất rắn trắng, không tách dạng khan, phân hủy khi đun nóng. Axit
Asen là một axit yếu, tan nhiều trong nước. Nó được trung hịa bằng kiềm lỗng.
Các phản ứng:
H3AsO4 + H2O ⇌ H2AsO4- + H3O+ ; pKa = 2,26
H2AsO4- + H2O ⇌ HAsO42- + H3O+ ; pKa = 6,97
HAsO42-+ H2O ⇌ AsO43- + H3O+

; pKa = 11,52

1.3.1.5. Natri Asenat Na3AsO4
Na3AsO4 là chất rắn, màu trắng, tan nhiều trong nước (AsO43- bị thủy phân
khi Na3AsO4 tan trong nước ), là chất oxy hóa rất yếu trong mơi trường axit. Các

22


Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

phản ứng:
Na3AsO4.12H2O → Na3AsO4 + 12H2O (> 150oC)
Na3AsO4 → 3Na+ + AsO43AsO43- + H2O ⇌ HAsO42- + OH- ; pKb = 2,48
Na3AsO4 + CO2 + H2O → Na2HAsO4 + NaHCO3.

1.3.1.6. ðộc tính của Asen [25, 26, 28]
a. ðối với con người và ñộng vật

Asen rất ñược nhiều người biết đến vì những tính độc của một số hợp chất
của nó. Theo cơ quan phụ trách các chất độc và bệnh tật Hoa Kỳ thì Asen là một
trong 20 chất ñộc nhất ñối với sự sống .
Khi xâm nhập vào cơ thể Asen có thể gây hàng loạt chứng bệnh nguy hiểm
như các bệnh dạ dày, rối loạn chức năng gan, hội chứng ñen da và ung thư da, bệnh
chai bàn chân, các bệnh về tim mạch, gan, thận và cả bệnh thần kinh. ðộc tính của
Asen rất khác nhau, Asen vơ cơ là chất độc mạnh, As(III) độc gấp 50 lần so với
As(V).
Lượng As cho phép trong cơ thể người trưởng thành là dưới 50µg. Khi vào
cơ thể với liều lượng lớn hơn thì sẽ gây độc hại cho cơ thể.
Nguy cơ ñộc ñối với con người và ñộng vật phụ thuộc vào ñộ tan của các
dạng khác nhau của Asen: anhiđrit Asen, natri Asenat, Chì Asenat. Các hợp chất
Asen tan ñược trong nước ñược cơ thể hấp thu nhanh chóng.
Asen kim loại tự nó khơng gây hại đối với sự sống. Asen hữu cơ trong tôm,
cá, các loại hải sản khác tuy nhiều nhưng không ảnh hưởng tới sức khỏe con người.
Trong khi có điều kiện kết hợp với các nguyên tố khác thì chúng tạo nên một số
chất có độc tính rất cao.

23