Điều chế mangan dioxit và nghiên cứu khả năng hấp phụ asen trên mangan dioxit

..

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
-------------------------------------------

Luận văn thạc sỹ khoa học

điều chế mangan dioxit và nghiên cứu
khả năng hấp phụ asen trên mangan dioxit

Ngành: công nghệ hoá học

Hoàng thị ngọc hà

Người hướng dẫn khoa học: Ts. phạm thị hạnh
Pgs, ts lê văn cát

Hà nội 2006


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

Mục lục
lời cảm ơn
Lời cam đoan
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
đặT VấN Đề .................................................................................................. 4

Phần tổng quan ...................................................................................... 6
Chương 1 Các vấn đề chung về asen ............................................................. 7
1.1 Asen trong tù nhiªn .............................................................................. 7
1.2 HiƯn trạng ô nhiễm asen....................................................................... 7
1.3 Sự tồn tại của asen trong nước ngầm .................................................. 10
Chương 2 Các phương pháp xử lý asen ..................................................... 13
2.1 Phương pháp trao đổi ion ................................................................... 13
2.2 Phương pháp kết tủa ........................................................................... 14
2.3 Phương pháp hấp phụ ......................................................................... 15
2.3.1 Chất hấp phụ ................................................................................ 17
2.3.2 Các đặc tÝnh cđa chÊt hÊp phơ ..................................................... 18
2.3.2.1 CÊu tróc ho¸ học.................................................................... 18
2.3.2.2 Cấu trúc xốp .......................................................................... 18
2.3.2.3 Điểm đẳng điện ..................................................................... 19
2.3.2.4 Diện tích bề mặt .................................................................... 20
2.3.3 Cân bằng hÊp phơ ........................................................................ 22
2.3.3.1 C©n b»ng hƯ hÊp phơ 1 cấu tử ............................................... 23
2.3.3.2 Phương trình Langmuir ......................................................... 23
2.3.4 Cơ chế hấp phụ ............................................................................ 24
Chương 3 Điều chế MnO 2 làm vật liệu hấp phụ ...................................... 27

Hoàng Thị Ngọc Hà

1

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Häc

3.1 TÝnh chÊt cña MnO 2 ........................................................................... 27
3.1.1 TÝnh chÊt ho¸ häc ........................................................................ 27
3.1.2 CÊu tróc tinh thĨ .......................................................................... 27
3.1.3 Bề mặt riêng ................................................................................ 30
3.2 Phương pháp chế tạo........................................................................... 31
3.2.1 Chế tạo MD bằng phương pháp điện hoá .................................... 31
3.2.2 Chế tạo MD bằng phương pháp hoá học ..................................... 35
Phần thực nghiệm ............................................................................... 37
Chương 4 Các phương pháp phân tích ..................................................... 38
4.1 Hoá chất và thiết bị............................................................................. 38
4.1.1 Hoá chất ....................................................................................... 38
4.1.2 Thiết bị sử dụng ............................................................................ 39
4.2 Phương pháp phân tích ....................................................................... 39
4.2.1 Phương pháp phân tích dung dịch điện phân ............................... 39
4.2.2 Phương pháp xác định nồng độ asen ............................................ 42
4.2.3 Phương pháp xác định điểm đẳng điện của chất hấp phụ ............ 43
Chương 5 Điều chế MnO 2 ........................................................................... 44
5.1 Chế tạo MnO 2 bằng phương pháp điện hoá (EMD) ........................ 44
5.2 Chế tạo MnO 2 bằng phương pháp hoá học ..................................... 46
5.2.1 Chế tạo MnO 2 b»ng c¸ch oxi ho¸ muèi Mn2+ (CMD1) ............ 46
5.2.2 ChÕ tạo MnO 2 bằng cách khử KMnO 4 ở nhiệt độ cao (CMD2)46
5.3 Xác định điểm đẳng điện của MnO 2 ............................................... 47
5.4 Xác định cấu trúc của MnO 2 ........................................................... 47
5.5 Xác định diện tích bề mặt của MnO 2 .............................................. 47
5.6 Xác định hình dạng, kích thước của MnO 2 ..................................... 48
Chương 6 Khảo sát tính năng hấp phụ asen của các loại MnO 2 ............ 49
6.1 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ .............................................. 49
6.2 Khảo sát khả năng hấp phụ asen của các loại MnO2...................................... 49

Hoàng Thị Ngọc Hà

2

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

6.3 Khảo sát năng hấp phụ asen trên mẫu nước thực ........................... 50
Phần Kết quả và thảo luận .......................................................... 52
Chương 7 Kết quả điều chế MnO 2 ............................................................ 53
7.1 Hiệu suất điện phân .......................................................................... 53
7.2 Cấu trúc của MD .............................................................................. 53
7.3 Diện tích bề mặt .............................................................................. 54
7.4 Hình dạng kích thước hạt ................................................................. 54
7.5 Điểm đẳng điện ................................................................................ 58
Chương 8 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ asen của MnO 2 ............ 61
8.1 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ .............................................. 61
8.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH lên khả năng hấp phụ của các loại MnO2 62
8.3 Khảo sát khả năng hấp phụ As(III) và As(V) của các loại MnO 2 .. 68
8.4 So sánh khả năng hấp phụ asen của các loại MnO 2 ........................ 71
8.5 Khảo sát khả năng hấp phụ asen trong mẫu thực của các loại MnO2 ......72
Kết luận .................................................................................................... 77
Tài liệu tham khảo ............................................................................ 80
Phụ lục

Hoàng Thị Ngọc Hà

3

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

đặt vấn đề
Nước là nguồn tài nguyên rất quan trọng trong cuộc sống của con người
cũng như mọi loài động thực vật khác. Hiện nay, ô nhiễm nguồn nước là mối
quan tâm của mọi quốc gia trên toàn thế giới. Có rất nhiều loại chất gây ô
nhiễm nguồn nước tồn tại ở cả dạng tan và không tan như: các hợp chất hữu
cơ, các hợp chất của nitơ, kim loại nặng. Một trong những tác nhân gây ô
nhiễm nghiêm trọng về lâu dài cho sức khoẻ con người đang được cả cộng
đồng thế giới hết sức lo ngại là asen (thạch tín).
Loại bỏ hoặc chuyển hoá các dạng tạp chất có hại nói chung và asen nói
riêng ra khỏi nguồn nước hoặc về dạng chấp nhận được đang là vấn đề cấp
bách. Phương pháp được áp dụng để loại bỏ asen phải cần có những tiêu chí
sau:
ã Phương pháp xử lý có thể áp dụng với khoảng nồng độ asen rộng.
ã Nguyên liệu cho việc xử lý phải rẻ và có sẵn hoặc thích hợp cho việc tái
sử dụng.
ã Thiết bÞ dƠ sư dơng.
Kü tht xư lý asen bao gåm các phương pháp: hấp phụ, trao đổi ion,
kết tủa/lắng, lọc, thẩm thấu ngược, điện thẩm tích.... Cho đến nay, phương
pháp hấp phụ là phương pháp được ứng dụng nhiều nhất do nó không những

có hiệu quả loại bỏ cao mà còn kinh tế và dễ thao tác. Có rất nhiều vật liệu
hấp phụ đà được sử dụng: oxit nhôm hoạt tính, cát phủ oxít sắt.... Trong thời
gian gần đây, các nhà nghiên cứu quan tâm hơn nhiều tới những vật liệu hấp
phụ là oxit kim loại, một trong số đó lµ MnO 2 . ë ViƯt Nam, MnO 2 tån tại
trong tự nhiên ở dạng quặng với số lượng khá dồi dào. Đây là một nguồn
nguyên liệu có thể khai thác, chế tạo thành vật liệu có nhiều ứng dụng như:
hấp phụ, xúc tác, từ tính, quang học, điện hoá....
Trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu tính năng hấp phụ

Hoàng Thị Ngọc Hà

4

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

asen trên các mẫu MnO 2 được điều chế bằng các phương pháp khác nhau, với
các nội dung cụ thể sau:
1. Điều chế MnO 2 theo hai phương pháp điện hoá và hoá học.
2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ asen trên MnO 2 .
3. Nghiên cứu hiệu quả xử lý asen của MnO 2 trên mẫu nước thực.

Hoàng Thị Ngọc Hà

5

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

Phần Tổng quan

Hoàng Thị Ngọc Hà

6

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

Chương 1
Các vấn đề chung về asen
1.1 Asen trong tự nhiên
Asen là nguyên tố phân bố rộng rÃi trong vỏ trái đất với hàm lượng
trung bình khoảng 2mg/kg, có mặt trong đất, đá, nước, không khí ở dạng vết
[12]. Asen là thành phần của hơn 200 khoáng vật khác nhau [13]. Asen trong
đất có nguồn gốc từ đá mẹ bị phong hoá. Các loại đất khác nhau chứa asen với
nồng độ khác nhau (phụ thuộc vào thành phần của đá mẹ, thời tiết, thành phần
vô cơ, hữu cơ trong đất và thế oxy hoá khử). Trong đất tự nhiên, nồng độ asen
khoảng 5mg/kg, cao hơn so với nồng độ trong vỏ trái đất. Hiện tượng này là

do sự tích tụ từ quá trình phong hoá. Ngoài ra, asen có thể tích tụ trong đất
qua các hoạt động sản xuất của con người. Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào
cường độ hoạt động của con người, khoảng cách đến nguồn phát tán, hình
thức phát thải....
Asen vô cơ trong tự nhiên dưới dạng các hợp chất khác nhau, trong
nước nó ở dạng As(III) hay As(V). Hợp chất asen hữu cơ có hàm lượng không
đáng kể, được tìm thấy hầu hết ở trong nước mặt hoặc những vùng bị ảnh
hưởng bởi ô nhiễm công nghiệp [20]. Độc tính của các dạng asen khác nhau
gi¶m theo asenit > asenat > monomethylasonat > dimethylasinat. As(III) độc
gấp 60 lần As(V), và các hợp chất asen vô cơ độc gấp 100 lần các hợp chất
asen hữu cơ [19].
1.2 ô nhiễm asen trong nước ngầm
Nước sạch đang là vấn đề cấp bách nhất hiện nay trong cuộc sống của
chúng ta. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, các nguồn nước
không những có nguy cơ ô nhiễm nặng mà còn có nguy cơ cạn kiệt.
Nước cung cấp cho hoạt động của con người từ hai nguồn chính là nước
ngầm và nước mặt. Hai nguồn này có liên quan với nhau, mỗi nguồn có những

Hoàng Thị Ngọc Hà

7

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

đặc trưng riêng và có những ưu nhược điểm tuỳ vào mục đích sử dụng.

Nước ở trên bề mặt Trái đất ở dạng chảy hay dạng nước lặng được coi
là nước mặt. Nước mặt có nguồn gốc từ nước ngầm do nguồn dư thừa độ ẩm
trong đất hoặc do sự thải nước ngầm từ các tầng nước có áp suất cao hơn sức
chứa của nó. Có hai giai đoạn ảnh hưởng tới chất lượng nước mặt là quá trình
chảy tới nguồn và thời gian lưu giữ tại nguồn. Ngoài ra, nó còn phụ thuộc
vào yếu tố khí hậu, địa lý, tính chất của lưu vực nước và hoạt động sản xuất
của con người. Nước chảy vào sông mang tính động, tính động này phụ
thuộc vào lưu lượng và theo mùa. Nước bề mặt trong các ao, hồ, đầm là loại
nước lặng được bổ sung thêm và chảy ra nên có thời gian lưu lớn. Những
nguồn này có độ đục thấp và do quá trình vi sinh, quang hoá nên hàm lượng
chất hữu cơ nhỏ thích hợp cho mục đích sử dụng làm nguồn nước sinh hoạt.
Tuy nhiên, có hai yếu tố tác động nhiều đến chất lượng nguồn nước: sự phát
triển của thực vật và sự phân tầng nhiệt ở tầng sâu nhất. Những tác nhân
chính gây ô nhiễm nguồn nước mặt:
ã Chất hữu cơ tự nhiên
ã Hoạt động công, nông nghiệp.
Có hai tầng nước trong lòng đất chứa nước ngầm: tầng giới hạn và
tầng không giới hạn. ở tầng không giới hạn, nước ngầm có nguồn gốc
chính từ nước mưa thấm đến, dễ bị nhiễm bẩn các tạp chất sinh hoạt, công
nghiệp, nông nghiệp. Trong tầng giới hạn, nước được tích tụ trong các dòng
chảy ngang, chậm từ tầng không giới hạn đến. Chất lượng nước ngầm phụ
thuộc vào một loạt các yếu tố: chất lượng nước mưa, chất lượng nước ngầm
tồn tại thời gian dài trong lòng đất, bản chất của lớp đất đá thấm qua, bản
chất lớp đá chứa tầng nước. Nguồn nước ngầm ở Việt Nam khá phong phú,
có khắp mọi nơi do điều kiện mưa nhiều, có thể khai thác phục vụ cho mục
đích sinh hoạt [1].

Hoàng Thị Ngọc Hà

8

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

Khi mức sống của người dân càng cao thì nhu cầu sử dụng nước sinh
hoạt càng nhiều, tuy vậy, những nguồn nước đang sử dụng phần lớn không đạt
tiêu chuẩn. Việt Nam là một trong những nước đang phải đối mặt với sự ô
nhiễm asen ở nguồn nước ngầm một cách trầm trọng. Với nhiều nghiên cứu về
ô nhiễm nước nói chung và ô nhiễm asen nói riêng, cùng với các hoạt động
giảm thiểu chất độc này thấy rằng: hàng trăm nghìn người đang bị phơi nhiễm
bởi sự có mặt của asen trong nước ở giếng khoan. Tình hình phân bố asen ở
các tỉnh bị nhiễm có sự khác nhau, tập trung chủ yếu tại các tỉnh đồng bằng
châu thổ sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long. Sự ô nhiễm asen ở Miền
Bắc phổ biến hơn và cao hơn ở miền Nam [4].
Theo tiêu chuẩn của WHO thì lượng asen cho phÐp trong n­íc lµ 10
µg/l nh­ng phÝa Nam Hà Nội nhiều giếng khoan có hàm lượng asen vượt quá
mức cho phép nhiều lần. Những nghiên cứu về nước giếng của một vài vùng
tại Hà Nội chỉ ra nồng ®é asen trong 48% sè giÕng lµ > 50µg/l (20%
>150µg/l). Trong những vùng ảnh hưởng cao, nước ngầm có nồng độ asen
trung bình là 430àg/l [14].
Asen có thể thâm nhập vào nước tới mức nguy hiểm qua nhiều đường
khác nhau và vào cơ thể con người chủ yếu qua thực phẩm và lượng nhỏ hơn
từ nước uống và không khí. Do đó, nước bị nhiễm asen ở dạng vô cơ gây nguy
hại cho sức khoẻ con người và là mối đe doạ đối với sức khoẻ cộng đồng.
Người bị nhiễm độc asen ở nồng độ cao (khoảng từ 70 ữ 180mg As 2 O 3
[Leonard, 1991] ) cã thĨ bÞ tử vong, còn nếu sử dụng những sản phẩm nhiễm

độc asen trong thời gian dài sẽ bị mắc một số bệnh như: ung thư da, tim,
mạch...và những bệnh khác. Cả As(III) và As(V) đều bị hấp phụ rất mạnh vào
cơ thĨ ng­êi (Hindmash and McCurdy, 1986). As(III) cã khuynh h­íng tích
tụ thành những chuỗi, trong khi As(V) và các hợp chất hữu cơ của asen lại rất
nhanh chóng và gần như hoàn toàn được loại trừ qua thận (Bertolero và các

Hoàng Thị Ngọc Hà

9

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

cộng sự, 1987). Trong cơ thể, As (V) bị khử về dạng As (III) độc hơn, As (III)
sẽ thay thế vị trí của phốt phát trong tế bào và kìm hÃm quá trình trao đổi chất.
1.3 Sự tồn tại của asen trong nước ngầm
Nước ngầm có nồng độ asen cao được tìm thấy ở hai loại môi trường:
vùng nội địa hoặc gần vịnh trong vùng khô cằn hoặc ít khô cằn (môi trường
oxi hoá) và trong những tầng ngậm nước (môi trường khử mạnh). Cả hai môi
trường này chứa những cặn có asen tích tụ mà dòng chảy mang tới. As(III)
chiÕm ­u thÕ ë ®iỊu kiƯn khư, trong khi, As(V) chiếm ưu thế trong điều kiện
oxi hoá. Mức độ có mặt của asen trong nước ngầm rất nhỏ so với mức độ kết
hợp trong khoáng, đặc biệt với sắt oxit. Với sự có mặt của kim loại, hầu hết
asen hoặc hình thành nên các hợp chất hoặc bị hấp phụ bởi chúng [19].
Trong nước ngầm, asen tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất vô cơ và hữu
cơ, dạng hữu cơ chiếm một phần nhỏ tổng lượng asen. Dạng hợp chất vô cơ

của asen là các hợp chất có hoá trị 5, axit asenic H 3 AsO 4 , và các hợp chất có
hoá trị 3, axit asenơ H 3 AsO 3 . Tỷ lệ giữa As(III) và As(V) thay đổi phụ thuộc
vào thế oxy hoá khử của nguồn nước. Nếu thế oxy hoá khử cao (có giá trị
dương hơn) asen tồn tại chủ yếu ở dạng hoá trị 5 và ngược lại [2]. Asen cũng
có thể biến đổi trong khoảng rộng của điều kiện oxy hoá và điều kiện khử ở
pH điển hình của nước ngầm (pH = 6,5 ữ 8,5) [20].
Trong môi trường nước, axit asenơ H 3 AsO 3 là một axit yếu phân ly
thành nhiều lần và có các dạng ion như sau:
H 3 AsO 3 → H 2 AsO 3 - + H+

pK 1As(III) = 9,2

H 2 AsO 3 - → H AsO 3 2- + H+

pK 2,As(III) = 12.1

(1.2)

H AsO 3 2 - → AsO 3 3- + H+

pK 3,As(III) = 12.9

(1.3)

(1.1)

Axit asenic H 3 AsO 4 cũng là một axit yếu, phân ly theo phương trình:
H 3 AsO 4

H 2 AsO 4 - + H+

pK 1As(V) = 2.2

(1.4)

H 2 AsO 4 -

→ HAsO 4 2- + H+

pK 2,As(V) = 6.98

(1.5)

Hoàng Thị Ngọc Hà

10

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

HAsO 4 2-

Khoa Công NghƯ Ho¸ Häc

→ AsO 4 3- + H+

pK 3,As(V) = 11.5

(1.6)

Phần mol của các dạng As(III) và As(V) thay đổi theo pH trong môi
trường nước được trình bày ở hình 1.1 & 1.2 [22]

100

H3AsO4

AsO43H2AsO4

-

%

80

HAsO42-

60
40
20
0
0

2

4

6

8

10

12

14

pH

Hình 1.1: Nồng độ của As(V): H3AsO4, H2AsO4- , HAsO42-, AsO43- ở các giá
trị pH khác nhau. Vùng giới hạn bởi hình chữ nhật là khoảng pH của hầu
hết các nguồn nước ngầm.

100

H3AsO3

%

80

H2AsO3-

60
40
20
0
0

2

4

6

8

10

12

14

pH

Hình 1.2: Nồng độ của As(III): H3AsO3, H2 AsO3- ở các giá trị pH khác
nhau. Vùng giới hạn bởi hình chữ nhật là khoảng pH của hầu hết các
nguồn nước ngầm.

Hoàng Thị Ngọc Hà

11

Luận văn Cao häc


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

Không giống như những kim loại độc dạng vết, khả năng hoà tan của
chúng có khuynh hướng giảm khi pH tăng, hầu hết các oxyanion, bao gồm
asenat (As5+), có khuynh hướng trở nên dễ hoà tan hơn khi pH tăng. Khi hầu
hết các kim loại khác không thể hoà tan trong khoảng pH tự nhiên, asenic lại
có thể hoà tan ở pH gần pH của môi trường tự nhiên với nồng độ cao một cách
tương ứng. Điều đó giải thích tại sao nước ngầm dễ dàng bị ô nhiễm asen và
các oxyanion khác.

Hoàng Thị Ngọc Hà

12

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

Chương 2
Các phương pháp xử lý asen
Để loại bỏ được ®éc chÊt asen ë trong n­íc, ng­êi ta cã thĨ sư dơng
nhiỊu biƯn ph¸p kh¸c nhau nh­: kÕt tđa, trao đổi ion, oxy hoá, hấp phụ.... Tuy
nhiên, lựa chọn phương pháp sao cho phù hợp với từng nguồn nước để có được
chất lượng nước tốt nhất, hiệu quả xử lý cao nhất, kinh tế nhất là điều mà
chúng ta đang hướng tới. Phương pháp trao đổi ion rất hạn chế trong khả năng
của vật liệu để loại bỏ asen bởi vì sự cạnh tranh trao đổi từ những anion khác
có mặt trong nước ngầm. Phương pháp hấp phụ và kết tủa hoá học đang được

xem như là những biện pháp xư lý hiƯu qu¶ c¶ vỊ kinh tÕ lÉn kü thuật.
2.1 Phương pháp trao đổi ion
Trao đổi ion là phương pháp hoá lý được ứng dụng phổ biến trong xử lý
nước. Nguyên lý của phương pháp này là ion được trao đổi giữa pha động là
dung dịch chứa asen và pha tĩnh là nhựa trao đổi ion. Nếu nguồn nước ngầm
chứa asen có độ khoáng thấp (<500mg/l) và ít sunfat (25mg/l) thì có thể sử
dụng phương pháp này. Để tăng hiệu quả của quá trình thì phải oxy hoá
As(III) về As(V) trước khi xử lý.
Nhựa trao đổi ion là mạng l­íi ba chiỊu cđa hydrocacbon cã chøa nhiỊu
nhãm trao ®ỉi ion. Các nhóm này được thay thế bởi các ion cùng điện tích, có
ái lực mạnh hơn so với nhựa trao đổi. Vật liệu này là loại anionit có tính bazơ
mạnh (dạng clorua hay dạng hydroxit). Nước nhiễm asen sau khi được làm
trong và clo hoá (oxy hoá) cho chảy qua cột nhồi anionit mạnh có độ dầy
0.75 ữ 1m, thực hiện quá trình trao đổi ion tại pH = 8 ữ 9 [3]. Hiệu quả xử lý
của quá trình loại asen phụ thuộc vào pH và hàm lượng các ion khác trong
dung dịch. Sự có mặt của ion SO 4 2- cũng ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion.
Đặc biệt là ion SO 4 2- có thể gây nên hiện tượng giải hấp asen khi đi qua cột.
Khi đó, nồng độ asen đầu ra cao hơn đầu vào.

Hoàng Thị Ngọc Hà

13

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

Việc tái sinh nhựa trao đổi ion được thực hiện dễ dàng với dung dịch
NaCl 3.5%, có thể sử dụng dòng cùng chiều. Hiệu quả tái sinh cao khoảng
85 ữ 100% [2]. Quá trình tái sinh này gồm 4 bước: rửa ngược, tái sinh bằng
dung dịch NaCl (đối với nhựa clorua), b»ng NaOH (®èi víi nhùa hydroxit),
rưa nhĐ b»ng n­íc và cuối cùng là sục nước sạch qua để làm sạch nhựa. Dung
dịch tái sinh có thể được xử lý bằng cách bổ sung muối Fe(III) hay muối
nhôm hoặc vôi. Phản ứng hoá học xảy ra:
2Na 2 HAsO 4 + 2H 2 O + 2FeCl 3 → Fe(OH) 3 + Fe(HAsO 4 )↓ + 6NaCl
(1.7)
2Na 2 HAsO 4 + NaHCO 3 + 4Ca(OH) 2 → CaCO 3 ↓+ Ca 3 (AsO 4 ) 2 + 3H 2 O
+ 5 NaOH

(1.8)

2.2 Phương pháp kết tủa.
Trong xử lý nước, các muối của nh«m {Al 2 (SO 4 ) 3 .18H 2 O} và của sắt
(FeCl 3 , Fe 2 (SO 4 ) 3 .7H 2 O) được sử dụng nhiều để loại cặn lơ lửng, làm trong
nước. Các ion Al3+, Fe3+ thuỷ phân ngay sau khi các muối được hoà tan trong
nước, tạo thành dung dịch huyền phù hydroxit vô định hình:
Al 2 (SO 4 ) 3 .18H 2 O → 2Al3+ + 3SO 4 2- + 18 H 2 O

(1.9)

2Al3+ + 6H 2 O → 2Al(OH) 3 + 6H+

(1.10)

FeCl 3 → Fe3+ + 3Cl-

(1.11)

Fe3+ + 3H 2 O → Fe(OH) 3 + 3H+
(1.12)
Các bông cặn này sẽ kéo theo các hạt lơ lửng cũng như hấp phụ các ion,
các chất hữu cơ trong nước. Asen cũng bị hấp phụ lên các bông keo này.
H 2 AsO 4 - + Al(OH) 3 Al - As(dạng phức) + các sản phẩm khác (1.13)
Fe(OH) 3 (r¾n) + H 3 AsO 4 → FeAsO 4 .2H 2 O + H 2 O

(1.14)

≡FeOH + AsO 4 3- + 3H+ → FeH 2 AsO 4 + 2H 2 O

(1.15)

Hoàng Thị Ngọc Hà

14

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Häc

≡FeOH + AsO 4 3- + 2H+ → FeHAsO 4 - + H 2 O

(1.16)

(≡FeOH: ký hiƯu cho t©m bỊ mặt)

Asenat, AsO 4 3- có khả năng tạo thành một số hợp chất kết tủa có độ tan
thấp như FeAsO 4 , Ca 3 (AsO 4 ) 2 .... §iỊu kiƯn pH tèi ­u cho asenat kÕt tđa lµ 7
[2]. Trong môi trường kiềm cùng với sự tạo thành sắt asenat còn các phản ứng
cạnh tranh tạo ra sắt hydroxit và oxit. Tại pH < 8, As(III) tồn tại ở dạng không
phân ly, As(V) tồn tại ở dạng anion nên khả năng keo tụ của As(III) là rất
kém. Vì vậy, oxy hoá là bước quan trọng trước khi thực hiện quá trình keo tụ.
Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc vào pH của dung dịch. Khoảng giá trị
pH tối ưu đối với muối nhôm là 7,2 ữ 7,5, với muối sắt là 6 ữ 8 [12]. Các
nghiên cứu liên quan đến khả năng loại bỏ asen bằng các muối sắt cho thấy
điều kiện pH và nồng độ chất keo tụ thích hợp có thể cho hiệu quả đạt tới 99%
[12]. Hiệu quả xử lý muối nhôm thấp hơn khoảng 80 ữ 90% [12].
Quá trình kết tủa, lắng/lọc asen được loại bỏ thông qua ba cơ chế chính:
ã Kết tủa: Sự hình thành các hợp chất ít tan như Al(AsO 4 ) 3 hoặc FeAsO 4 .
ã Cộng kết: Kết hợp các dạng asen tan vào các pha hydroxit kim loại.
ã Hấp phụ: Sự liên kết tĩnh điện hoặc các lực vật lý khác của asen tan với
bề mặt của các hạt hydroxit kim loại
Cả ba cơ chế này có thể thực hiện độc lập đối với quá trình loại bỏ chất
ô nhiễm. Sau khi kết tủa asen, nước được lọc bỏ các hợp chất asen ở dạng keo,
được giữ lại ở tầng lọc theo cơ chế hấp phụ trên vật liệu lọc. Những nguồn
nước chứa đồng thời cả Fe và Mn hoặc độ cứng cao, khi xử lý những yếu tố
này đà loại bỏ được một phần asen [3].
2.3 Phương pháp hấp phụ
Hấp phụ là một trong những phương pháp dùng để xử lý asen trong
nước. Hiệu quả của quá trình hấp phụ phụ thuộc vào dạng tồn tại của asen
trong dung dịch, các tạp chất trong nước nền, bản chất của chất hấp phụ

Hoàng Thị Ngọc Hà

15

Luận văn Cao häc


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

(điện tích bề mặt, diện tích bề mặt, các nhóm chức trên bề mặt...). Với các
nguồn nước có độ khoáng cao, phương pháp hấp phụ tỏ ra hiệu quả do tính
tương tác đặc thù của hệ.
Người ta đà nghiên cứu nhiều loại vật liệu hấp phụ asen: khoáng vật
trong tự nhiên, geothite...; vật liệu biến tính: cát phủ oxit sắt; vật liệu tổng
hợp: nhôm oxit, các dạng sắt hydroxit.... Asen (ở dạng arsenat) hấp phụ trên
các vật liệu oxit theo cơ chế tạo phức chất trên bề mặt chất rắn [2]. Theo đó,
trước khi tạo ra liên kết hoá học chúng được hấp phụ và đó thường là giai
đoạn chậm nhất của quá trình.
Hiện nay, có rất nhiều loại vật liệu hấp phụ được sử dụng để xử lý asen
trong nước. Nhôm oxit dạng ( - Al 2 O 3 ) là chất hấp phụ asen được sử dụng
rộng rÃi nhất, vật liệu này thường là dạng hạt có kích thước không lớn (0,3 ữ
0,6mm). Nhôm oxit có tính năng chọn lọc với các anion theo: OH- > H 2 AsO 4 - >
Si(OH) 3 O- > F- > HSeO 3 - > SO 4 2- >CrO 4 2- >> HCO 3 - >Cl- > NO 3 - > Br- > I- [2].
Nhôm oxit được dùng làm vật liệu hÊp phơ asen do cã ®é chän läc cao
cđa nã với hợp chất asen. Vì là quá trình tạo phức trên bề mặt chất rắn nên
diện tích bề mặt của chất hấp phụ chỉ được sử dụng một phần, tại các trung
tâm hoạt động có khả năng tạo liên kết phức chất, vì vậy, nhôm oxit có diện
tích bề mặt cao sẽ thuận lợi cho quá trình hấp phụ. Tuy vậy, dung lượng hấp
phụ của nhôm oxit đối với asen cũng không cao do nồng độ của asen trong
nước thường rất nhỏ. Với nhôm oxit có diện tích bề mặt khoảng 400m2/g,
dung lượng hấp phụ asen cũng chỉ đạt xấp xØ 1,6mg/g Al 2 O 3 t¹i pH = 6 [2].
Quá trình hấp phụ asen trên nhôm oxit thích hợp trong khoảng pH = 5,5

ữ 6, tại pH cao hơn, vÝ dơ pH = 8, dung l­ỵng hÊp phơ chØ còn non một nửa so
với nó tại pH = 6. Tạp chất hữu cơ, chất keo có mặt trong nước cũng ảnh
hưởng xấu đến quá trình hấp phụ của asen trên nhôm oxit.
Sắt oxit gần đây cũng được sử dụng làm chất hấp phụ asen. Chất hấp

Hoàng Thị Ngọc Hà

16

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

phụ từ sắt có thể dùng nhiều dạng: geothite, sắt hydroxit hay quặng sắt limonit
(đá ong). Phần lớn các công trình nghiên cứu đều kết luận là khả năng hấp phụ
của hệ rất kém đối với As(III), riêng quặng limonit có dung lượng hấp phụ đạt
khoảng 0,9mg/g đối với As(V) và khoảng 0,5mg/g đối với As(III).
Do có nhiều chất có thể sử dụng làm chất hấp phụ asen mà những chất
này có thể tồn tại sẵn trong nước (Fe, Mn) hoặc là hoá chất dùng để xử lý
nước (phèn nhôm), nên người ta có thể tận dụng các yếu tố trên để xử lý
asen, đồng thời loại bỏ các thành phần đó. Để đạt hiệu quả tốt cần chú ý tới
các điều kiện oxi hoá As(III) về As(V) thích hợp vì tính hấp phụ của As(III)
thấp hơn nhiều so với As(V).
Những năm gần đây, người ta quan tâm nhiều đến một loại vật liệu hấp
phụ mà khi sử dụng nó không cần phải giai đoạn oxy hoá As(III). Vì bản thân
vật liệu này có khả năng trực tiếp oxi hoá As(III) thành As(V) ngay trong cột
hấp phụ, không cần đến oxy hoà tan. Đó là MnO 2 . Christophe Tournassat và

các cộng sự [9] đà nghiên cứu nhiệt động học và cơ chế của quá trình oxy hoá
As(III) bằng MnO 2 tổng hợp và kết tủa mangan asenat ở tỷ lệ Mn/As = 1/3,5.
Bruce A. Manning và các cộng sự [8] lại đưa ra cơ chế oxy hoá As(III) và hÊp
phơ As(V) trªn MnO 2 . Thùc hiƯn thÝ nghiƯm oxy hoá As(III) bằng MnO 2 tổng
hợp ở hai nồng độ chất rắn khác nhau tại pH = 6,5, các tác giả thu được kết
quả cho thấy kết thúc phản ứng sau 48h, mức độ asen bao phủ trên bề mặt
MnO 2 đạt được là 253 và 121 mmolAs/kg khi dùng 100mg/l và 250mg/l
MnO 2 tương ứng. Vật liệu này sẽ được nghiên cứu kỹ về tính năng hấp phụ
trong nội dung của luận văn.
Kết quả của nhiều nghiên cứu cho thấy As(V) có khả năng hấp phụ
tốt hơn As (III) ë pH nhá h¬n 8 [11, 21], pH cđa dung dịch ảnh hưởng đến khả
năng hấp phụ của asen lên vật liệu [17, 20]. Ngoài ra, ảnh hưởng của c¸c ion
SO 4 2-, PO 4 3-, SiO 3 3-, CO 3 2- và các tạp chất hữu cơ đến quá trình hấp phụ asen
đà được nghiên cứu rất chi tiết [7, 17].

Hoàng Thị Ngọc Hà

17

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Häc

2.3.1 ChÊt hÊp phơ
Dung l­ỵng hÊp phơ cđa mét hƯ hấp phụ phụ thuộc vào lực tương tác
giữa chất hấp phụ, chất bị hấp phụ và diện tích bề mặt chÊt hÊp phơ. Mét
chÊt hÊp phơ cã diƯn tÝch bỊ mặt lớn sẽ có khả năng hấp phụ cao hơn một

chất hấp phụ có diện tích bề mặt nhỏ hơn có cùng bản chất. Diện tích bề mặt
của chất hấp phụ tăng theo độ phân tán. Độ phân tán càng lớn thì đơn vị diện
tích tính theo đơn vị khối lượng càng cao. Do hiện tượng hấp phụ xảy ra trên
bề mặt của chất hấp phụ, phần lớn các chất hấp phụ có diện tích bề mặt riêng
cao (thông thường trên 100m2/g) và có cấu trúc xốp hoặc gồm các hạt có
kích thước rất nhỏ.
Các chất hấp phụ nhân tạo hay tự nhiên có nguồn gốc hay thành phần
hoá học chđ u nh­ sau [2] :
- D¹ng oxit kim lo¹i hay silic(SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MgO 2 ).
- Hỗn hợp các oxit kim loại (zeolit, khoáng sét, than bùn, diatomit,
vermiculit, perlit...).
2.3.2 Các đặc tính của chất hấp phụ
2.3.2.1 Cấu trúc hoá học
Chất hấp phụ cũng như các hợp chất khác, nói đến cấu trúc hoá học là
nói đến thành phần hoá häc cđa nã.
Cã rÊt nhiỊu lo¹i chÊt hÊp phơ, tån tại ở nhiều dạng khác nhau. Cấu trúc
mạng chất rắn cã thĨ lµ tinh thĨ nh­ zeolit, graphit; cÊu tróc lớp như các
khoáng sét, cấu trúc định hình của một số oxit kim loại như: nhôm, sắt,
mangan và cấu trúc vô định hình. Để xác định được cấu trúc tinh thể người ta
thường dùng phương pháp phổ Rơnghen [2].
2.3.2.2 Cấu tróc xèp
CÊu tróc xèp cđa mét vËt liƯu hÊp phơ được đặc trưng bởi các yếu tố
như: độ xốp hay thể tích rỗng, sự phân bố kích thước mao quản theo độ lớn,

Hoàng Thị Ngọc Hà

18

Luận văn Cao học

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

diện tích bề mặt, sự phân bố diện tích bề mặt theo độ lớn mao quản [2].
Đối với một vật liƯu xèp thĨ tÝch cđa nã gåm hai phÇn: phÇn chất rắn và
phần không gian rỗng. Vì vậy, ứng với mỗi phần thể tích có một đại lượng
khối lượng riêng. Người ta định nghĩa khối lượng riêng thực t là tỷ lệ giữa
khối lượng m và thể tích của phần chất rắn V r . Khối lượng riêng biểu kiến b
là tỷ lệ khối lượng m với tổng thĨ tÝch vËt liƯu V t [2]:
ρt =

m
Vr

ρb =

(2.1)

m
Vt

(2.2)

§é xèp của vật liệu được định nghĩa là tỷ lệ giữa phần rỗng trên thể
tích tổng:
=

Vt Vr

V
= 1 r = 1 b
Vt
Vt
t

(2.3)

Khối lượng riêng thực t được xác định bằng cách đo với khí Heli. Thí
nghiệm được thực hiện trong một dụng cụ đo có thể tích xác định sẵn, đưa
một lượng chất hấp phụ m vào, khi đó, chất rắn sẽ chiếm một thể tích nhất
định, các lỗ xốp cũng được khí heli điền đầy, với giả thiết là các lỗ nhỏ hơn
phân tử khí heli được bá qua. So s¸nh thĨ tÝch khÝ heli khi cã và không có mặt
chất rắn, từ đó, tính được khối lượng riêng thực.
Khối lượng riêng biểu kiến cũng được xác định theo nguyên tắc tương
tự (picnomet) nhưng chất lỏng dùng để xác định thể tích là thuỷ ngân trong
chân không. Trong chân không, thuỷ ngân không thể thấm vào các mao quản,
nó chỉ bám vào mặt ngoài của chất hấp phụ. Vì vậy, thể tích được xác định
chính là thể tích tổng của các hạt chất hấp phụ.
2.3.2.3 Điểm đẳng điện
Quá trình hấp phụ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi pH của môi trường. Sự thay
đổi pH của môi trường dẫn tới sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp phụ: các

Hoàng Thị Ngọc Hà

19

Luận văn Cao học

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

nhóm chức bề mặt, thế oxy hoá khử, dạng tồn tại của hợp chất đó, đặc biệt đối
với các chất có độ phân cực cao, các chất có tính chất lưỡng tính, chất có tính
axit, bazơ yếu. Đối với một số chất bị hấp phụ có độ phân cực cao, ví dụ các ion
kim loại hoặc một số dạng phức oxy anion (SO 4 2-, PO 4 3-, CrO 4 2-....), quá trình
hấp phụ xảy ra do tương tác tích điện thông qua lớp điện kép.
Lớp điện kép hình thành từ điện tích của bề mặt chất rắn với sự thay
đổi nồng độ của các ion tan, theo khoảng cách so với bề mặt chất rắn. Lớp
này chứa điện tích sắp xếp lần lượt của loại trái dấu nhau. Bản thân chất hấp
phụ trong môi trường nước cũng mang điện tích, điện tích thay đổi dấu khi
pH của môi trường thay đổi. Tại điểm pH mà ở đó mật độ điện tích của các
ion trái dấu bằng nhau là điểm ®¼ng ®iƯn (zero point of charge: ZPC, pH ZPC ).
ë giá trị pH thấp hơn giá trị này, bề mặt tích điện dương và ở giá trị pH cao
hơn giá trị này bề mặt tích điện âm [2].
2.3.2.4 Diện tích bề mặt
Diện tích bề mặt của một chất rắn được định nghĩa là tổng của toàn
bộ diện tích của chất rắn đó trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ. Để xác
định diện tích bề mặt người ta thường phân tích đường đẳng nhiệt hấp phụ
của một chất khí (thường dùng khí nitơ). Các phương trình được sử dụng để
xác định diện tích bề mặt là: phương trình Langmuir, phương trình BET
(Brunauer - Emmett - Teller).
Phương trình Langmuir có dạng:
1
1
c
=

.c +
a am
a m .K

(2.4)

Trong đó: a: dung lượng hấp phơ cđa chÊt hÊp phơ øng víi nång ®é c, mg/g
c: nồng độ chất hấp phụ tại thời điểm cân b»ng, mg/l
K: h»ng sè hÊp phơ Langmuir
Tõ sè liƯu thùc nghiệm c, a vẽ đồ thị với trục tung là

Hoàng Thị Ngọc Hà

20

c
, trục hoành là
a

Luận văn Cao học


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

c sẽ nhận được đoạn thẳng, độ nghiêng tg và điểm cắt trục tung độ của
đoạn thẳng cho phép xác định lượng chất hấp phụ đơn lớp a m và hằng số
Langmuir K L .
Diện tích bề mặt khi đó được tính bằng tích số của số phân tử chất bị

hấp phụ đơn lớp (a m ) với tiết diện ngang của một phân tử chiếm chỗ trên bề
mặt chất rắn.
Phương trình đẳng nhiệt BET áp dụng để đo diện tích bề mặt được viết
dưới dạng:
1
x
c 1
=
+
.x
a.(1 x) a m .c a m .c

(2.5)

Trong ®ã: x = p/p s , c là hằng số
Vẽ đồ thị có trục tung là vế trái và x là trục hoành sẽ nhận được đường
thẳng, thường nằm trong khoảng x = 0,05 ữ 0,35. Độ dốc của đường thẳng
này có giá trị

c 1
1
, và đoạn cắt trục tung là
, từ hai giá trị này sẽ xác
a m .c
a m .c

định được dung lượng hấp phụ đơn lớp a m tức là lượng chất hấp phụ phủ kín
bề mặt lớp đầu tiên. Từ giá trị a m tính được diện tích bề mặt theo phương
pháp BET [1]:
S = N A .a m .A m

(2.6)

Trong đó: S là diện tích bề mặt BET
N A là số Avogadro
A m là diện tích chiếm chỗ của một phân tử chất bị hấp phụ
0

0

(Phân tử Nitơ là 16,2 2 , phân tử kryton là 20,2 2 ).
Ngoài ra, diện tích bề mặt còn có thể xác định khi biết thể tích và bán
kính mao quản (V, r):
Với giả thiết mao quản là hình trụ: S =

Hoàng Thị Ngọc Hà

21

2.V
và với giả thiết mao quản
r

Luận văn Cao häc


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

dạng hình cầu: S =

Khoa Công Nghệ Hoá Học

3.V
2,5.V
, thông thường người ta tính: S =
r
r

Trong vùng mao quản lớn, diện tích bề mặt cũng được xác định từ số
liệu của quá trình nén thuỷ ngân theo phương pháp tích phân số:
S=

2
rp

dV
.
dr
p


.drp = 1

. cos


pdV

(2.7)

Trong các phương pháp trên diện tích bề mặt tính theo phương trình
BET là một chỉ tiêu quan trọng cho phép đánh giá và so sánh một cách nhanh
chóng các loại mangan dioxit với nhau.
2.3.3 Cân bằng hấp phụ
Hấp phụ là qúa trình tăng nồng độ chất tan (chất bị hấp phụ) trên bề mặt
chất rắn (chất hấp phụ) so với môi trường xung quanh.
Cã hai d¹ng hÊp phơ: hÊp phơ vËt lý và hấp phụ hoá học. Hấp phụ vật lý
là hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác của các nguyên tử trên bề mặt
chất rắn với các chất tan trên cơ sở lực hút tĩnh điện, lực định hướng, lực tán
xạ. Hấp phụ hoá học là hiện tượng khi tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị
hấp phụ lớn sẽ làm biến đổi cấu trúc điện tử của các nguyên tử dẫn tới sự hình
thành liên kêt hoá học, nhiệt toả ra lớn ngang các phản ứng hoá học.
Khi sử dụng phương pháp hấp phụ để loại bỏ các tạp chất ra khỏi nước,
cần có một số thông tin sau để đánh giá:
ã Khả năng hấp phụ cđa mét chÊt hÊp phơ cho biÕt khèi l­ỵng chÊt hấp
phụ cần thiết phải sử dụng hay thời gian hoạt động hoặc sản phẩm thu
được cho mỗi chu kỳ hoạt động.
ã Tốc độ hấp phụ: cho biết quy mô, độ lớn của thiết bị để đạt hiệu quả và
sản phẩm như mong muốn.
ã Động lực quá trình hấp phụ cho phép xác định được hiệu suất hoạt động
của quá trình so với khả năng hấp phụ của một hệ. Đó chính là các yếu
tố động học, các thông số quá trình ảnh hưởng bất lợi như thế nào đến

Hoàng Thị Ngọc Hà

22

Luận văn Cao học

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

quá trình hoạt động trong điều kiện thực.
2.3.3.1 Cân bằng hệ hấp phụ một cấu tử
ở nhiệt độ không đổi, khả năng hấp phụ một chất rắn (a) tăng lên khi
nồng độ chất hấp phụ (c) lớn lên. Mối quan hệ giữa (a) và (c) gọi là đẳng nhiệt
hấp phụ: a = f(c), T = const. Phương trình đẳng nhịêt được xây dựng trên cơ sở
lý thuyết, kinh nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tuỳ vào tiền đề, giả thiết, bản
chất của hệ và kinh nghiệm xử lý số liệu.
Tại một khoảng thời gian nhất định nào đó, nồng độ chất bị hấp phụ ở
cả pha lỏng lẫn trong chất hấp phụ không thay đổi, khi đó cân bằng của hệ hấp
phụ được thiết lập.
Nếu đặt c o và c là nồng độ chất bị hấp phụ ban đầu và ở trạng thái cân
bằng, V là thể tích dung dịch, m là khối lượng chất hấp phụ với thí nghiệm ở
trạng thái tĩnh, ta có thể xác định:
a=

(c0 c).V
m

(2.8)

a có thứ nguyên là mg/g; mol/g.
c o và c có thứ nguyên là: mol/l; mg/l.
Để tìm được mối tương quan giữa a = f(c) ta có thể tiến hành theo hai
cách nhưng vẫn cho cùng một kết quả:
ã Cách 1: Chuẩn bị các dung dịch có nồng độ đầu c o khác nhau, cho
cùng với một lượng chất hấp phụ m, xây dựng đường đẳng nhiệt hấp

phụ. Từ đó, xác định được dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số
Langmuir K L .
ã Cách 2: Chuẩn bị các dung dịch có cùng c o và khác m. Xây dựng đường
đẳng nhiệt hấp phụ và xác định được a m và K L .
2.3.3.2 Phương trình Langmuir

Hoàng Thị Ngọc Hà

23

Luận văn Cao häc


Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá Học

Phương trình đẳng nhiệt Langmuir là phương trình mô tả cân bằng hấp
phụ đầu tiên được thiết lập bằng phương pháp lý thuyết. Sau này, một số lý
thuyết khác có phạm vi mô tả rộng hơn đều dựa trên phương trình Langmuir
hoặc sử dụng khái niệm và điều kiện của phương pháp này.
Lý thuyết Langmiur được xây dựng dựa trên các tiền đề sau: quá trình
hấp phụ là cân bằng động (ở trạng thái cân bằng tốc độ hấp phụ và giải hấp
phụ bằng nhau), trên bề mặt chất hấp phụ có mức năng lượng như nhau (có bề
mặt đồng nhất), các phân tử trên bề mặt chất rắn không tương tác với nhau, sự
hấp phụ tối đa chỉ là một lớp trên bề mặt chất hấp phụ. Theo đó, Langmuir
đưa ra khái niệm độ che phủ bề mặt là phần diện tích bề mặt đà bị chiếm chỗ.
Tốc độ hÊp phơ sÏ tû lƯ thn víi phÇn diƯn tÝch chưa bị chiếm và tốc độ giải
hấp phụ sẽ tỷ lệ thuận với phần diện tích bị che phủ.
Vì mỗi tâm hấp phụ chỉ chứa một phân tử chất bị hấp phụ nên số tâm

tổng n, số tâm bị chiếm chỗ n i được coi là nồng độ chất bị hấp phụ trong trạng
thái cân bằng với nồng độ chất hÊp phô.
a = am

K L .c
1 + K L .c

(2.9)

Hay
1
1
1
1
.
=
+
a a m a m .K L c

(2.10)

Tõ c¸c sè liƯu thực nghiệm a, c có thể xác định được a m và K L bằng
phương pháp đồ thị từ phương trình trên. Đặt 1/a là y, 1/c là x, phương trình đưa
về dạng y = mx + b. Với các số liệu thực nghiệm thu được x i và y i , ta có m là
độ dốc của đường thẳng, b là đoạn cắt trục tung, từ đó, tính được am và K L .
2.3.4 Cơ chế hấp phụ
Hấp phụ trong môi trường nước có tối thiểu 3 thành phần gây tương tác:
nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ. ở đây xảy ra tối thiểu 3 cặp tương tác:
chất hấp phụ- chất bị hấp phụ, chất bị hấp phụ - nước, chất hấp phụ - nước.

Hoàng Thị Ngọc Hà

24

Luận văn Cao học