Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Pb2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HĨA HỌC
======

HỒNG THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH
HẤP PHỤ Pb2+ TRÊN VẬT LIỆU HẤP THU
TỔNG HỢP TỪ BÃ CHÈ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa lý

Hà Nội, 2018


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HĨA HỌC
======

HỒNG THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH

HẤP PHỤ Pb2+ TRÊN VẬT LIỆU HẤP THU
TỔNG HỢP TỪ BÃ CHÈ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa lý
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

ThS. TRẦN QUANG THIỆN

Hà Nội, 2018


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới ThS. Trần Quang Thiện giảng viên khoa Hóa Học, trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội 2 đã giao đề tài và
tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình nghiên cứu để
em có thể hồn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy cơ trong Khoa Hóa Học – Trƣờng Đại
học sƣ phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong thời gian học
tập và nghiên cứu tại trƣờng.
Cuối cùng em xin bày tỏ lịng biết ơn tới gia đình, bạn bè, ngƣời thân đã
động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày….. tháng….. năm 2018
Sinh viên

Hoàng Thị Thúy

i


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đề tài “ Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Pb2+
trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè “ là công trình nghiên cứu của riêng
em dƣới sự hƣớng dẫn của ThS.Trần Quang Thiện, trƣờng Đại học Sƣ phạm
Hà Nội 2. Các số liệu và kết quả trong đề tài là trung thực, chƣa từng đƣợc
cơng bố trên tạp chí nào cho đến thời điểm này ngồi những cơng trình của
tác giả.

Hà Nội, ngày ..…. tháng...... năm 2018

Sinh viên

Hoàng Thị Thúy

ii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................ii
MỤC LỤC..................................................................................................................................... iii
DANH MỤC VIẾT TẮT ......................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1
2. Mục tiêu chọn nghiên cứu ............................................................................. 2
3. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn....................................................................... 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................. 3
1.1. Bã chè ......................................................................................................... 3
1.1.1. Tổng quan về chè .................................................................................... 3
1.1.2. Thành phần và tính chất của bã chè ........................................................ 3
1.2. Polyanilin (PANi)....................................................................................... 5
1.3. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng .............................................................. 6
1.4. Hấp phụ ...................................................................................................... 7

1.4.1. Khái niệm ................................................................................................ 7
1.4.2. Dung lƣợng hấp phụ ................................................................................ 7
1.4.3. Hiệu suất hấp phụ .................................................................................... 8
1.4.4. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt ............................................................ 8
1.4.5. Động học hấp phụ ................................................................................. 10
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........... 13
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu............................................................................... 13
2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị ..................................................................... 13

iii


2.2.1. Hóa chất................................................................................................. 13
2.2.2. Dụng cụ ................................................................................................. 13
2.2.3. Thiết bị .................................................................................................. 13
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu.......................................................................... 14
2.3.1. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét SEM ................................................ 14
2.3.2. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR .......................................................... 14
2.3.3. Phƣơng pháp hấp thụ nguyên tử AAS .................................................. 14
2.4. Tổng hợp vật liệu ..................................................................................... 15
2.4.1. Xử lý bã chè trƣớc tổng hợp ................................................................. 15
2.4.2. Tổng hợp vật liệu .................................................................................. 15
2.4.3. Khảo sát khả năng hấp thu của các vật liệu đối với ion Pb2+ ................ 16
2.3.3.1. Ảnh hƣởng của thời gian .................................................................... 16
2.4.3.2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng ion Pb2+................................................... 17
2.3.3.3. Ảnh hƣởng của pH ............................................................................. 17
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 18
3.1. Tổng hợp vật liệu ..................................................................................... 18
3.1.1. Phổ hồng ngoại IR................................................................................. 18
3.1.2. Kết quả phân tích SEM ......................................................................... 19

3.2. Khả năng xử lý ion Pb2+ ........................................................................... 19
3.2.1. Ảnh hƣởng của thời gian ....................................................................... 19
3.2.2. Ảnh hƣởng của nồng độ chất bị hấp phụ .............................................. 21
3.2.3. Ảnh hƣởng của pH ................................................................................ 23
3.3. Nghiên cứu mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ................................ 24
KẾT LUẬN ................................................................................................................................ 26
KHUYẾN NGHỊ ...................................................................................................................... 27
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 28

iv


DANH MỤC VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Tên tiếng Việt

Tên tiếng Anh

Phƣơng pháp phổ hấp

Atomic Absorption

phụ nguyên tử

Spectronphotometric

IR

Phổ hồng ngoại

Infrared spectroscopy

SEM

Kính hiển vi điện tử

Scanning electron

quét

microscopy

PANi

Polyanilin

Polyaniline

ANi

Anilin

Aniline

BC

Bã chè

PPNN

Phụ phẩm nông nghiệp

VLHP

Vật liệu hấp phụ

AAS

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Số sóng của các vật liệu PANi, BC, PANi – BC. .......................... 18
Bảng 3.2. Các thơng số của mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật
liệu PANi – BC ............................................................................................... 25

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc PANi ....................................................................................................... 5
Hình 1.2. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ........................................................ 9
Hình 1.3. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C ............................................................... 9
Hình 1.4. Đồ thị sự phụ thuộc của lq (qe – qt) vào t ................................................. 12
Hình 3.1. Phổ IR của các mẫu PANi, BC, PANi – BC............................................ 18
Hình 3.2. Phổ SEM của các vật liệu BC, PANi, PANi – BC. ............................... 19
Hình 3.3. Ảnh hƣởng của thời gian đến nồng độ dung dịch(a) và hiệu suất của
quá trình hấp phụ (b) ion Pb2+ theo thời gian đối với các vật liệu. Nồng độ ban

đầu C0 = 20 mg/L, pH = 7..................................................................................................... 20
Hình 3.4. Ảnh hƣởng của thời gian đến dung lƣợng hấp phụ ion Pb2+ đối với
các vật liệu. Nồng ban đầu C0 = 20 mg/L, pH = 7 ...................................................... 21
Hình 3.5. Ảnh hƣởng nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ đến nồng độ của
chất bị hấp phụ (a) và hiệu suất của quá trình hấp phụ (b). Thời gian hấp phụ t
= 120 phút, pH = 7.................................................................................................................. 22
Hình 3.6. Ảnh hƣởng nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ đến dung lƣợng
hấp phụ. Thời gian hấp phụ t = 120 phút, pH = 7 ....................................................... 22
Hình 3.7. Ảnh hƣởng của pH đến nồng độ dung dịch (a) và hiệu suất của quá
trình hấp phụ (b) ion Pb2+ trên các vật liệu. Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L, t
= 120 phút.................................................................................................................................... 23
Hình 3.8. Ảnh hƣởng của pH đến dung lƣợng hấp phụ. Thời gian hấp phụ t =
120 phút, nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L ...................................................................... 23
Hình 3.9. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir quá trình hấp phụ ion
Pb2+ của vật liệu PANi – BC ............................................................................................... 24
Hình 3.10. Sự phụ thuộc tham số RL vào nồng độ ban đầu của Pb2+ ................. 25

vii


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, thế giới đang rung lên hồi chuông báo động về thực trạng ô
nhiễm môi trƣờng toàn cầu. Nằm trong bối cảnh chung của thế giới, môi
trƣờng Việt Nam cũng đang xuống cấp một cách cục bộ. Nƣớc là nguồn tài
nguyên vô cùng quan trọng và cần thiết cho sự sống nhƣng đang bị ơ nhiễm
nghiêm trọng. Ngun nhân chính là do nguồn nƣớc thải của các khu công
nghiệp, khu chế xuất,….chứa rất nhiều ion các kim loại nặng nhƣ Pb2+, Mn2+,
Cu2+,…. khi đƣa ra ngồi mơi trƣờng hầu hết chƣa đƣợc xử lý hoặc xử lý sơ
bộ. Vấn đề đó đã và đang làm ảnh hƣởng không chỉ đến hệ sinh thái mà cịn

đe dọa đến sức khỏe con ngƣời. Do đó việc xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc
đang trở thành vấn đề đƣợc quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà trên tồn thế
giới.
Đã có nhiều phƣơng pháp đƣợc áp dụng nhằm tách các ion kim loại
nặng ra khỏi môi trƣờng nƣớc nhƣ: phƣơng pháp hóa lý, phƣơng pháp sinh
học, phƣơng pháp hóa học,…. Trong đó phƣơng pháp hấp phụ – sử dụng vật
liệu hấp phụ (VLHP) chế tạo từ các nguồn tự nhiên nhƣ vỏ trấu, vỏ lạc, bã
mía, lõi ngô,.… để tách loại và thu hồi các kim loại nặng từ dung dịch nƣớc
đang đƣợc áp dụng rộng rãi và cho kết quả khả thi.
Phƣơng pháp xử lý sử dụng VLHP sinh học có nhiều ƣu việt so với các
phƣơng pháp xử lý khác nhƣ giá thành xử lý không cao, tách loại đƣợc đồng
thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng VLHP và thu hồi
kim loại.
Bã chè là nguồn nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam có sản lƣợng hàng
năm rất lớn. Nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào này, em tập trung
nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Pb2+
trên vật liệu hấp thu chế tạo từ bã chè”.

1


2. Mục tiêu chọn nghiên cứu
Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Pb2+ và đánh giá khả
năng hấp phụ ion Pb2+ của vật liệu hấp phụ.
3. Nội dung nghiên cứu
Điều chế vật liệu hấp phụ từ bã chè.
Đánh giá khả năng hấp phụ ion Pb2+ của VLHT điều chế từ bã chè.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp phân tích số liệu.
Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét SEM.

Phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR.
Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Điều chế đƣợc VLHP từ bã chè để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ các
ion kim loại nặng, những ion kim loại gây ô nhiễm môi trƣờng.

2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Bã chè
1.1.1. Tổng quan về chè
Chè có tên khoa học là Camellia sinensis là một loại cây cơng nghiệp
lâu năm có đời sống kinh tế lâu dài mà mau cho sản phẩm, hiệu quả kinh tế
cao và ổn định. Ở Việt Nam cây chè đƣợc trồng tập trung chủ yếu ở: Tây Bắc,
Tuyên Quang, Thái Nguyên, Hịa Bình, Trung du và miền núi Bắc Bộ,…[21].
Chè tại Việt Nam đƣợc sản xuất chủ yếu trên quy mô thƣơng mại và
cơng nghiệp, có khoảng 174.900 tấn chè đƣợc sản xuất mỗi năm. Với sản
lƣợng và sự tiêu thụ lớn nhƣ vậy thì bã chè thu đƣợc là rất lớn. Do đó, việc sử
dụng bã chè để chế tạo VLHP vừa có ý nghĩa về mặt khoa học vừa góp phần
tận dụng nguồn phụ phẩm dồi dào này [22].
1.1.2. Thành phần và tính chất của bã chè
Thành phần sinh hóa của chè biến động rất phức tạp nó phụ thuộc vào
giống, tuổi chè, điều kiện đất đai, địa hình, kỹ thuật canh tác, mùa thu
hoạch,…. Thành phần sinh hóa chủ yếu trong búp chè gồm có [23]:
Nước: là thành phần chủ yếu trong búp chè. Trong búp chè hàm lƣợng
nƣớc thƣờng có từ 75 – 82%.
Tanin: là một trong những thành phần chủ yếu quyết định đến phầm
chất chè. Tanin cịn gọi chung là hợp chất fenol, trong đó 90% là các dạng
cactechin. Tỷ lệ các chất trong thành phần hỗn hợp của tanin chè không giống

nhau và tùy theo từng giống chè mà thay đổi.
Ankaloit: trong chè có nhiều loại ankaloit nhƣng nhiều nhất là cafein.
Protein và axit amin: protein là hợp chất hữu cơ phức tạp chứa N, phân
bố không đều ở các phần của búp chè và thay đổi tùy theo giống, thời vụ, điều
kiện canh tác và các yếu tố khác. Protein kết hợp với một thành phần tanin
làm cho vị chát và đắng giảm đi. Vì thế trong một chừng mực nào đó, protein

3


có lợi cho phẩm chất chè xanh. Ngày nay ngƣời ta đã tìm thấy trong chè có 17
axit amin, các axit amin này kết hợp với đƣơng và tanin tạo thành andehit có
mùi thơm của chè đen và làm cho chè xanh khác nhau.
Gluxit và pectin: trong lá chè chứa rất ít gluxit hịa tan, trong khi đó các
gluxit khơng hòa tan lại chiếm tỷ lệ lớn.Cellulose and hemixenlulo cũng tăng
lên theo tuổi của lá, vì vậy nguyên liệu càng già chất lƣợng càng kém. Hàm
lƣợng đƣờng hòa tan ở trong chè tuy ít nhƣng rất quan trọng đối với hƣơng vị
chè. Đƣờng tác dụng với protein hoặc axit amin tạo nên các chất thơm.
Diệp lục và các sắc tố khác gần nó: trong lá chè có chứa diệp lục tố,
carotin và xantofin. Các sắc tố này biến động theo giống, theo mùa và các
biện pháp kỹ thuật canh tác.
Vitamin: các loại vitamin có trong chè rất nhiều. Chính vì vậy giá trị
dƣợc liệu cũng nhƣ giá trị dinh dƣỡng của chè rất cao. Theo các tài liệu của
Trung Quốc, hàm lƣợng một số vitamin trong chè tính theo mg/L gam chất
khô nhƣ sau: vitamin A: 54,5; B1: 0,70; B2:12,2; PP: 47,0; C:27,0 v.v…
Men: trong búp chè non có hầu hết các loại men, nhƣng chủ yếu gồm
hai nhóm chính:
- Nhóm thủy phân: men amilase, glucosidase, proteasevà một số men khác.
- Nhóm oxi hóa khử: peroxidase and polyphenoloxidase.
Chất tro: hàm lƣợng tro trong chè tƣơi từ 4 – 5 % và trong chè khô từ 5

– 6%. Trong chè, tro chia thành hai nhóm: hịa tan trong nƣớc và khơng hịa
tan trong nƣớc.
Bã chè là vật liệu lignoxenylulose, có khả năng tách kim loại nặng hòa
tan và màu trong nƣớc nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần cellulose. Các
nhóm hydroxy trên cellulose đóng vai trị quan trọng trong khả năng trao đổi
ion, nhóm hydroxy này có khả năng trao đổi yếu vì liên kết OH phân cực
khơng mạnh [10]. Nhiều biện pháp biến tính đã đƣợc cơng bố nhƣ oxy hóa

4


các nhóm hydroxy thành các nhóm chức axit hoặc sulfon hóa bằng axit
sunfuric.
Vì vậy bã chè là một tiềm năng rất lớn để chúng ta có thể tận dụng, tái
chế đem lại những lợi ích về kinh tế, xã hội và cịn có ý nghĩa quan trọng
trong việc bảo vệ sức khỏe con ngƣời, môi trƣờng.
1.2. Polianilin (PANi)
PANi là một chuỗi dài gồm các phân tử anilin liên kết với nhau, tùy
vào điều kiện tổng hợp mà PANi có cấu trúc và màu sắc thay đổi theo:

Hình 1.1. Cấu trúc PANi [ 9]
a, b = 0, 1, 2, 3,….
- Với a = 0: Pernigranilin (màu xanh thẫm)
- Với b = 0: Leucoemeraldin (màu vàng)
- Với a = b = 1: Emeraldin (màu xanh)
PANi có các tính chất sau:
- Tính dẫn điện tốt đặc biệt khi nó tạo muối với các axit tạo thành dạng
emeraldin.
- Tính điện sắc [11]: màu của nó thay đổi do phản ứng oxi hóa khử của
màng.

- Khả năng tích trữ năng lƣợng cao [3,15]: sử dụng làm vật liệu chế tạo
nguồn điện thứ cấp.
- Khả năng bảo vệ và chống ăn mòn kim loại.
PANi đƣợc tổng hợp theo hai phƣơng pháp là phƣơng pháp hóa học và
phƣơng pháp điện hóa trong đó phƣơng pháp điện hóa có nhiều ƣu điểm hơn,
tuy nhiên để sản xuất với mục đích chế tạo vật liệu dạng bột với lƣợng lớn thì

5


phƣơng pháp hóa học đƣợc sử dụng nhiều hơn [12].
1.3. Tình trạng ơ nhiễm kim loại nặng
Ở Việt Nam, sau gần 20 năm mở cửa và đẩy mạnh kinh tế với hơn 64
khu chế xuất và khu công nghiệp cộng thêm hàng trăm cơ sở hóa chất và chế
biến trên toàn quốc đã dẫn tới sự tăng nhanh hàm lƣợng kim loại nặng trong
các nguồn thải, tập trung chủ yếu ở các khu công nghiệp và khu dân cƣ lớn
nhƣ Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh,…. Theo báo cáo mơi trƣờng quốc gia
năm 2011 có tới 90% số doanh nghiệp khơng đạt u cầu về tiêu chuẩn chất
lƣợng dịng xả nƣớc thải xả ra mơi trƣờng do cơng trình hay thiết bị xử lý
nƣớc thải còn hạn chế đã và đang làm cho vấn đề ô nhiễm kim loại nặng càng
trầm trọng.
Trên thế giới tình hình ơ nhiễm kim loại nặng không chỉ diễn ra ở các
nƣớc phát triển mà cả ở những nƣớc đang phát triển và ngày càng diễn biến
theo chiều hƣớng xấu. Các sự cố nhiễm độc kim loại nặng đã đƣợc ghi nhận ở
nhiều nơi trên thế giới nhƣ: Trung Quốc (lƣợng Cr trong nƣớc uống tại Hồng
Kông đã ở mức ung thƣ), Thái Lan (theo báo cáo của Viện Quốc tế quản lý
nƣớc năm 2004 thì hầu hết các ruộng lúa tại tỉnh Tak đã bị nhiễm Cd cao gấp
94 lần tiêu chuẩn cho phép), khu vực Nam Mỹ (ô nhiễm Hg từ hoạt động khai
thác vàng),…. Ảnh hƣởng lâu dài không chỉ đến hệ sinh thái mà còn ảnh
hƣởng đến cả sức khỏe con ngƣời.

 Xử lý môi trƣờng bằng bã chè
Trên thế giới đã nhiều cơng trình nghiên cứu về khả năng hấp phụ của
bã chè và ứng dụng trong việc xử lý mơi trƣờng nhƣ: cơng trình nghiên cứu
của tác giả Xiaoping Yang [20] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ của bã chè
biến tính bằng kiềm nhƣ một vật liệu hấp phụ mới để loại bỏ Pb2+ trong dung
dịch nƣớc hay cơng trình của tác giả P. Panneerselvam [17] đã nghiên cứu
loại bỏ ion Ni2+ trong dung dịch nƣớc bởi bã chè phủ oxit nano Fe3O4,….

6


Trong nƣớc việc nghiên cứu về khả năng hấp phụ của bã chè vẫn là vấn
đề khá mới mẻ, chỉ có nghiên cứu của một số nhóm tác giả. Trong đó, tác giả
Đỗ Trà Hƣơng và Trần Thúy Nga (2014) [5] đã nghiên cứu hấp phụ màu xanh
metylen bằng vật liệu bã trà cho kết quả khả quan. Nghiên cứu của Đỗ Trà
Hƣơng và Dƣơng Thị Tú Anh (2014) [4] đã chế tạo thành công vật liệu hấp
phụ bã chè, oxit nano Fe3O4, oxit từ tính nano Fe3O4 phân tán trên bã chè.
1.4. Hấp phụ
1.4.1. Khái niệm
Theo tác giả Trần Văn Nhân: hấp phụ là sự tập tụ chất trên bề mặt phân
chia 2 pha thể tích (khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng) [2, 3].
Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần
tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất hấp phụ có bề mặt riêng càng lớn
thì khả năng hấp phụ càng mạnh. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha
thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ.
Bề mặt riêng là diện tích bề mặt đơn phân tử tính đối với 1 g chất hấp
phụ. Sự hấp phụ xảy ra do lực tƣơng tác giữa các phần tử chất hấp phụ và chất
bị hấp phụ. Khả năng hấp phụ phụ thuộc vào độ xốp của chất hấp phụ.
1.4.2. Dung lượng hấp phụ
Dung lƣợng hấp phụ (q) là lƣợng chất bị hấp phụ (độ hấp thu) bởi 1

gam chất hấp phụ rắn đƣợc tính theo cơng thức [12]:

q

(C0  C ).V
m

(1.1)

Trong đó:
q: lƣợng chất bị hấp phụ (mg/g).
C0, C: nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/L).
V: thể tích dung dịch (L).
m: khối lƣợng chất hấp phụ (g).

7


1.4.3. Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ (H) là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ (C) và
nồng độ dung dịch ban đầu C0:

H

C0  C
.100(%)
C0

(1.2)

1.4.4. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
Ở nhiệt độ khơng đổi (T=const), đƣờng biểu diễn q=fT (P hoặc C) đƣợc
gọi là đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt.
Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lƣợng hấp
phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng hoặc áp suất của chất bị hấp phụ
tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định [2,3].
Đối với chất hấp phụ là rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đƣờng
hấp phụ đẳng nhiệt đƣợc mô tả qua các phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt
Henry, Freundlich, Langmuir,…
Nghiên cứu này sẽ nghiên cứu cân bằng hấp phụ của vật liệu hấp phụ
(VLHP) đối với ion kim loại Pb2+ trong môi trƣờng nƣớc theo mơ hình đƣờng
hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.
 Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [2,3]
Những luận điểm đƣợc đƣa ra khi xây dựng thuyết:
 Sự hấp phụ do lực hóa trị gây ra và xảy ra trên các hóa trị tự do
của các nguyên tử hay phân tử bề mặt chất hấp phụ.
 Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử.
 Sự hấp phụ là thuận nghịch.
 Tƣơng tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ với nhau có thể bị bỏ qua.
Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng:

8


q  qmax

K L .C
1  K L .C

(1.3)

Trong đó:
KL: hằng số (cân bằng) hấp thu Langmuir.
q: dung lƣợng hấp phụ cân bằng (mg/g).
qmax: dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g).
C: nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L).

q
qmax

0

Ct

Hình 1.2. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [1]
Để tính các hằng số trong phƣơng trình Langmuir ta đƣa phƣơng trình
(1.3) về dạng đƣờng thẳng:

C/q (g/L)

C
1
1


.C
q K L .qmax qmax

α
M

0
C (mg/L)
Hình 1.3. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C [1]

9

(1.4)


Từ các số liệu thực nghiệm, ta vẽ đƣợc đồ thị sự phụ thuộc của C/q
theo C. Đƣờng biểu diễn có độ dốc là:

1

tan  

qmax

(1.5)

Từ đó xác định đƣợc qmax và KL:

KL 

1
C
.qmax  C
q

(1.6)

Ta có thể xác định tham số cân bằng RL:

RL 

1
1  K L .C0

(1.7)

Trong đó:
RL: tham số cân bằng.
C0: nồng độ ban đầu (mg/L).
KL: hằng số Langmuir (L/mg).
Phƣơng trình Langmuir xác định đƣợc dung lƣợng hấp phụ cực đại và
mối tƣơng quan giữa quá trình hấp phụ và giải hấp phụ thơng qua hằng số
Langmuir KL. Vì thế đây là cơ sở để lựa chọn chất hấp phụ thích hợp cho hệ
hấp phụ.
1.4.5. Động học hấp phụ
Đối với hệ hấp phụ lỏng - rắn, động học hấp phụ xảy ra theo một loạt
các giai đoạn kế tiếp nhau [2]:
- Chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ - giai đoạn
khuếch tán trong dung dịch.
- Phân tử chất bị hấp phụ chuyển đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ

10


chứa các hệ mao quản – giai đoạn khuếch tán màng.

- Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên tronng hệ mao quản của chất hấp
phụ - giai đoạn khuếch tán trong mao quản.
- Các phân tử chất bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ - giai
đoạn hấp phụ thực sự.
Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ
quyết định hay khống chế chủ yếu tồn bộ q trình động học hấp phụ. Với hệ
hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc, q trình khuếch tán thƣờng chậm và đóng
vai trị quyết định. Tốc độ của một quá trình hấp phụ đƣợc xác định bởi sự
thay đổi hàm lƣợng của chất bị hấp phụ theo thời gian. Mơ hình động học hấp
phụ bậc 1 đã đƣợc đƣa ra để giải thích cơ chế hấp phụ.
Theo mơ hình này, tốc độ của q trình hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào
dung lƣợng chất hấp phụ:

dqt
 k1 (qe  qt )
dt

(1.8)

Trong đó:
qe, qt: là dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và tại thời điểm t (mg/g).
k1: là hằng số tốc độ phản ứng theo mơ hình động học bậc 1 (thời gian 1).
Áp dụng điều kiện biên tại thời điểm t = 0, q0 = 0 và t = t, qt = qt,
phƣơng trình (1.8) trở thành:

lg(qe  qt )  lg qe  k1.t / 2,303

(1.9)

Phƣơng trình (1.9) có dạng tuyến tính bậc nhất.

Từ (1.9) ta xác định đƣợc qe và hằng số

k1.tg  k1 / 2,303

OM  lg qe

(1.10)
(1.11)

11


lg(qe – qt)

α
M

0
t
Hình 1.4. Đồ thị sự phụ thuộc của lq (qe – qt) vào t

12


CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
 Vật liệu hấp phụ.
 Ion kim loại nặng.
 Khả năng xử lý kim loại nặng trong dung dịch bằng vật liệu hấp phụ.
2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị

2.2.1. Hóa chất
 Anilin 99,99 %, d= 1,023 g/ml (Merk – Đức).
 Amoni pesunfat (NH4)2S2O8 99% dạng tinh thể trắng (Merk – Đức).
 Dung dịch HCl 37%, d=1,174 g/ml (Merk – Đức).
 Pb(NO3)2 99% tinh thể trắng (Merk – Đức).
 Etanol, metanol 95% (Trung Quốc).
 NaOH 99% dạng tinh thể trắng (Trung Quốc).
2.2.2. Dụng cụ
 Bình định mức 100 ml, 500 ml, 1000 ml (Đức)
 Bình tam giác 250 ml.
 Cốc thủy tinh 250 ml.
 Pipet có vạch chia 5, 10, 20 ml (Đức).
 Phễu thủy tinh, giấy lọc.
 Rây
2.2.3. Thiết bị
 Tủ sấy Shellab (Mỹ).
 Cân phân tích PA214 (Mỹ).
 Máy khuấy từ IKA (Đức).
 Máy khuấy từ IKA (Đức).
 Thiết bị đo hấp phụ nguyên tử AAS Thermo Anh (Viện Kĩ thuật Nhiệt đới).
 Thiết bị đo kính hiển vi điện tử quét SEM (Viện Kĩ thuật Nhiệt đơi).
 Thiết bị đo phổ hồng ngoại IR (Viện Kĩ thuật Nhiệt đới).

13


2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM
Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) giúp quan sát chụp bề mặt các
đối tƣợng cực nhỏ để đánh giá cấu trúc nhờ độ phóng đại đến hàng chục vạn

lần.
Cơ sở của phƣơng pháp: trong kính hiển vi điện tử mẫu bị bắn phá bởi
chùm tia điện tử có độ hội tụ cao. Nếu mẫu đủ mỏng (< 200 nm) chùm tia sẽ
xuyên qua mẫu, sự thay đổi của chùm tia khi qua mẫu sẽ cho những thông tin
về các khuyết tật, thành phần pha của mẫu, đó là kỹ thuật hiển vi điện tử
xuyên qua (TEM). Khi mẫu dày hơn thì sau khi tƣơng tác với bề mặt tia điện
tử thứ cấp sẽ đi theo hƣớng khác. Các điện tử thứ cấp này sẽ đƣợc thu nhận và
chuyển đổi thành hình ảnh (ảnh hiển vi điện tử quét SEM).
SEM cho biết đƣợc chi tiết nano của mẫu nghiên cứu nhƣ hình dạng,
kích thƣớc hạt, biên giới hạt.
2.3.2. Phương pháp phổ hồng ngoại IR
Phân tích phổ hồng ngoại (IR) [13] ta xác định đƣợc vị trí của vân phổ
và cƣờng độ, hình dạng của vân phổ. Phổ hồng ngoại thƣờng đƣợc ghi dƣới
dạng đƣờng cong sự phụ thuộc của phần trăm truyền qua (100I0/I) vào số
sóng (   1 ).
Phƣơng pháp phổ hồng ngoại đƣợc sử dụng trong nghiên cứu để xác
định cấu trúc của vật liêu compozit đã tổng hợp.
2.3.3. Phương pháp hấp thụ nguyên tử AAS
Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử [6] là phƣơng pháp dùng để xác
định nồng độ của nguyên tố trong dung dịch dựa vào đinh luật Bughe –
Lambe – Bia theo phƣơng trình:

A  k.C.l

14

(2.1)


Trong đó:

A : cƣờng độ vạch phổ hấp thụ.
k: hằng số thực nghiệm.
l: chiều dài môi trƣờng hấp thụ.
C: nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ.
Dựa vào giá trị mật độ quang, ngƣời ta xác định nồng độ nguyên tử của
nguyên tố cần xác định trong thể tích mẫu. Mật độ quang của lớp hấp thụ tỉ lệ
thuận với nồng độ của nguyên tử chứa trong đó tại bƣớc sóng hấp thu ứng với
nguyên tố đó. Tính tỉ lệ này đƣợc bảo tồn trong một nồng độ nhất định, tùy
thuộc vào tính chất của nguyên tố cần xác định và tính chất của đèn.
Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử đƣợc sử dụng để xác định hàm
lƣợng của các kim loại trƣớc và sau khi hấp thu.
2.4. Tổng hợp vật liệu
2.4.1. Xử lý bã chè trước tổng hợp
Xử lý bã chè trƣớc khi tổng hợp đƣợc tiến hành qua các bƣớc sau:
Bƣớc 1: Ngâm bã chè thu thập đƣợc trong nƣớc ở nhiệt độ ở 800C trong
thời gian 30 phút. Lặp lại nhiều lần cho đến khi nƣớc ngâm khơng cịn màu
của bã chè lúc đầu, lọc bỏ nƣớc.
Bƣớc 2: Bã chè sau khi ngâm, đem sấy ở 1000C trong thời gian 5 tiếng
để loại bỏ hơi nƣớc.
Bƣớc 3: Bã chè ở dạng thô đƣợc nghiền nhỏ.
Bƣớc 4: Ngâm bã chè thu đƣợc với etanol trong khoảng thời gian 2 tiếng
Bƣớc 5: Bã chè sau khi ngâm đƣợc hoạt hóa bằng axit HCl 0,05M.
Bƣớc 6: Sấy bã chè thu đƣợc sau bƣớc 5 và sấy ở 800C trong 8 tiếng, ta
thu đƣợc vật liệu biến tính
2.4.2. Tổng hợp vật liệu
Vật liệu tổng hợp đƣợc tiến hành qua các bƣớc:

15

Bƣớc 1: Pha hóa chất:
 Pha 1000 mL (NH4)S2O8 0,5 M: cân 114 gam (NH4)2S2O8 cho vào bình
định mức chứa sẵn 1000 mL nƣớc cất thu đƣợc dung dịch (1).
 Pha 100 mL HCl 0,1M: lấy 200 mL HCl 0,5 M cho vào cốc thủy tinh
loại 1000 mL, định mức đến 500 mL.
 Pha 100 mL dung dịch Anilin 0,25 M và HCl 0,1 M: thu đƣợc dung
dịch (2).
Bƣớc 2: Tổng hợp PANi: lấy 500 mL dung dịch (2) vào cốc 1000 mL,
hệ đƣợc đặt trên máy khuấy từ để khuấy trộn. Nhỏ từ từ 200 mL dung dịch (1)
vào cốc (2) dƣới điều kiện có khuấy trong khoảng 10 – 15 phút. Sau khoảng
20 phút, dung dịch trong cốc bắt đầu xuất hiện màu xanh, đó là thời điểm các
polime hình thành, rồi chuyển sang màu xanh đen. Tiếp tục cho phản ứng tiến
hành trong thời gian 8 giờ trên máy khuấy từ cho q trình polime hóa xảy ra
đƣợc hoàn toàn.
Sản phẩm đƣợc lọc và rửa bằng dung dịch axeton: metanol tỉ lệ 1:1 để
loại bỏi hết anilin dƣ. Sấy khô sản phẩm ở nhiệt độ 700C trong thời gian 5 giờ,
sau đó đƣa vào lọ đựng và bảo quản trong bình hút ẩm.
Bƣớc 3: Tổng hợp vật liệu từ bã chè: lấy 500 mL dung dịch (2) vào cốc
1000 mL, hệ đƣợc đặt trên máy khuấy từ để khuấy trộn. Cho thêm 50 gam bã
chè đã qua xử lý vào cốc phản ứng và tiếp tục khuấy trong vòng 20 phút. Nhỏ
từ từ 200 mL dung dịch amoni pesunfat vào cốc phản ứng dƣới điều kiện có
khuấy trong vòng 10 -15 phút. Tiếp tục cho phản ứng tiến hành trong thời
gian 8 giờ trên máy khuấy từ.
Sản phẩm đƣợc lọc, rửa và sấy khô tƣơng tự nhƣ đối với PANi. Thu
đƣợc vật liệu compozit PANi – BC.
2.4.3. Khảo sát khả năng hấp thu của các vật liệu đối với ion Pb2+
2.3.3.1. Ảnh hưởng của thời gian

16