Nghiên cứu khả năng hấp phụ cr vi ni ii mn ii của quặng sắt biến tính và thử nghiệm xử lý môi trường

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM


HOÀNG THỊ THU DUNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
Cr(VI), Ni(II), Mn(II) CỦA QUẶNG SẮT BIẾN TÍNH
VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MƠI TRƯỜNG

Chun ngành: HỐ PHÂN TÍCH
Mã số: 60440118

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. VŨ THỊ HẬU

Thái Nguyên - 2014


i

Cơng trình đƣợc hồn thành tại
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM - ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Cao Thị Hảo

Phản biện 1: .......................................

Phản biện 2: .......................................

Luận văn này sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM - ĐẠI HỌC THÁI NGUN

Vào hồi

giờ

, ngày

tháng

năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên
và Thư viện Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

ii

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Vũ Thị Hậu, cô giáo trực
tiếp hƣớng dẫn, tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cơ giáo Khoa Hóa học, các thầy cô
Khoa sau Đại học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trƣờng Đại học Sƣ phạm - Đại
học Thái Nguyên đã giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trFUình học tập, nghiên cứu..

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới tồn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh,
ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hồn thành
q trình học tập và nghiên cứu.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu
của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể cịn nhiều thiếu xót. Em rất
mong nhận đƣợc sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp
và những ngƣời đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn
đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT

Từ viết tắt

Từ nguyên gốc

1

BTNMT

Bộ tài nguyên môi trƣờng

2

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

3

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

4

VLHP

Vật liệu hấp phụ

5

BET

Brunauer-Emmet-Teller (Diện tích bề mặt riêng)

6

XRD

X Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................................i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................. viii
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................1
Chƣơng 1 TỔNG QUAN........................................................................................................3
1.1. Giới thiệu về các ion kim loại nặng Cr(VI), Ni(II), Mn(II) .............................................3
1.1.1. Tình trạng ơ nhiễm kim loại nặng ..................................................................................3
ạ

.....................3

1.1.2.1. Giới thiệu về kim loại nặng .........................................................................................3
1.1.2.2. Tác dụ

...................................................................................4

1.1.2.3. Tác dụ

.......................................................................................4

1.1.2.4. Tác dụng sinh h

.......................................................................................4
ệp ...........................................................5

1.1.4. Các nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc .....................................................................5
1.2. Giới thiệu một số phƣơng pháp xử lý nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng................6
1.2.1. Phƣơng pháp trao đổi ion ...............................................................................................6
1.2.2. Phƣơng pháp kết tủa .......................................................................................................6
1.2.3. Phƣơng pháp hấp phụ......................................................................................................6
..................................................................................7
..................................................................................................................7
....................................................................................................................7
..................................................................................................................7
.....................................................................................8
1.3.1.4. Hiệu suất hấp phụ .........................................................................................................8
...................................................................8
ụ .........................................................................................8
...............................................................................10
1.3.3. Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc ..................................................................................12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

v

1.3.3.1. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc .............................................12
1.3.3.2. Đặc tính của ion kim loại trong mơi trƣờng nƣớc ....................................................13
1.4. Phƣơng pháp phân tích xác định hàm lƣợng kim loại nặng .........................................13
1.4.1. Phƣơng pháp trắc quang ...............................................................................................13

1.4.2. Các phƣơng pháp phân tích định lƣợng bằng trắc quang ...........................................15
1.4.3. Định lƣợng Cr(VI), Ni(II), Mn(II) bằng phƣơng pháp trắc quang.............................16
1.4.3.1. Định lƣợng Cr(VI).....................................................................................................16
1.4.3.2. Định lƣợng Ni(II) ......................................................................................................16
1.4.3.3. Định lƣợng Mn(II)......................................................................................................16
1.5. Tiềm năng quặng sắt của Việt Nam ................................................................................16
1.6. Tình hình nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng bằng các vật
liệu hấp phụ khác nhau. ...........................................................................................................17
1.7. Một số phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng vật liệu.......................................................19
1.7.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)......................................................................19
1.7.2. Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET)............................................................19
Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM ................................................................................................21
2.1. Thiết bị

..........................................................................................................21

2.1.1. Thiết bị ...........................................................................................................................21
.........................................................................................................................21
2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ ..................................................................................................21
2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu.....................................................................................................21
2.2.2. Phƣơng pháp chế tạo .....................................................................................................21
2.3. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ của NL và các mẫu VLHP chế tạo đƣợc ................23
2.4. Khảo sát tính chất bề mặt của VLHP tốt nhất chế tạo đƣợc ..........................................23
2.5. Xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo đƣợc ........................................................23
2.6. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định Cr(VI), Ni(II), Mn(II), theo phƣơng pháp trắc
quang ........................................................................................................................................23
2.6.1. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định Cr(VI) .....................................................................23
2.6.2. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định Ni(II) .......................................................................24
2.6.3. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định Mn(II) .....................................................................24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

vi

2.7. Khảo sát một số yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II),
Mn(II) của VLHP theo phƣơng pháp hấp phụ tĩnh ...............................................................24
2.7.1. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian ................................................................................24
2.7.2. Khảo sát ảnh hƣởng của pH..........................................................................................25
2.7.3. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ đầu của ion Cr(VI), Ni(II), Mn(II) .......................25
2.7.4. Khảo sát ảnh hƣởng của khối lƣợng VLHP ................................................................25
2.8. Khảo sát ảnh hƣởng của ion lạ.........................................................................................26
2.9. Xử lý thử mẫu nƣớc thải chứa Cr(VI), Ni(II), Mn(II)...................................................26
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................................27
3.1. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và các mẫu VLHP chế tạo
đƣợc ..........................................................................................................................................27
3.2. Kết quả khảo sát đặc điểm bề mặt của nguyên liệu và VLHP M1 ................................28
3.3. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn của Cr(VI), Ni(II), Mn(II) ..........................................31
3.3.1. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn của Ni(II) ..................................................................31
3.3.2. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn của Cr(VI) ................................................................32
3.3.3. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn của Mn(II) ................................................................32
3.4. Điểm đẳng điện của VLHP M1........................................................................................33
3.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ ion Ni(II), Cr(VI) của
VLHP M1 .................................................................................................................................34
3.5.1. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng thời gian..........................................................................34
3.5.2. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của pH ............................................................................37
3.5.3. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của khối lƣợng VLHP M1 .............................................40
3.5.4. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ đầu của ion Cr(VI), Ni(II), Mn(II) .........43
3.6. Khảo sát dung lƣợng hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II), Mn(II) theo mơ hình đẳng nhiệt

hấp phụ Langmuir....................................................................................................................44
3.6.Ảnh hƣởng của ion lạ tới khả năng hấp phụ Cr(VI), Ni(II), Mn(II) của VLHP M1 .....48
3.7. Kết quả xử lí mẫu nƣớc thải chứa Cr(VI), Ni(II), Mn(II) ..............................................50
KẾT LUẬN.............................................................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................53

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

nghiệp ............................................................................................................................ 5
Bảng 2.1: Kí hiệu các VLHP chế tạo đƣợc .................................................................22
Bảng 3.1: Số liệu đánh giá khả năng hấp phụ của NL và các VLHP đối với
Cr(VI), Ni(II), Mn(II) ..................................................................................................27
Bảng 3.2: Số liệu xây dựng đƣờng chuẩn Ni(II) ........................................................31
Bảng 3.3: Số liệu xây dựng đƣờng chuẩn Cr(VI) .......................................................32
Bảng 3.4: Số liệu xây dựng đƣờng chuẩn Mn(II) ......................................................32
Bảng 3.5: Số liệu xây dựng đƣờng đẳng điện .............................................................33
Bảng 3.6: Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ của VLHP ......................34
Bảng 3.7: Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất hấp phụ của VLHP................................37
Bảng 3.8: Ảnh hƣởng của khối lƣợng VLHP M1 đến hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI),
Ni(II), Mn(II)............................................................................................................................40
Bảng 3.9: Ảnh hƣởng của nồng độ đầu của ion Cr(VI), Ni(II), Mn(II) đến dung
lƣợng và hiệu suất hấp phụ của VLHP M1..................................................................43
Bảng 3.10: Dung lƣợng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir .................................47
Bảng 3.11: Các thông số hấp phụ của Cr(VI); Ni(II); Mn(II) ...................................48

Bảng 3.12: Kết quả xử lí Cr(VI), Ni(II), Mn(II) trong nƣớc thải ...............................50

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ ..............................................................22
Hình 3.1:Đồ thị biểu diễn khả năng hấp phụ Cr(VI), Ni(II), Mn(II)....................................28
của NL và các mẫu VLHP ......................................................................................................28
Hình 3.2: Giản đồ XRD của nguyên liệu ....................................................................29
Hình 3.3: Giản đồ XRD của mẫu VLHP M1...............................................................30
Hình 3.4: Đồ thị đƣờng chuẩn xác định nồng độ ion Ni(II) .......................................31
Hình 3.5: Đồ thị đƣờng chuẩn xác định ......................................................................32
Hình 3.6: Đồ thị đƣờng chuẩn xác định nồng độ ion Mn(II) ......................................32
Hình 3.7: Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP M1 ..........................................33
Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Cr(VI)
của VLHP M1 ..............................................................................................................35
Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của thời gian đến ............................................35
quá trình hấp phụ Ni(II) của VLHP M1 ......................................................................35
Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của thời gian đến ..........................................36
quá trình hấp phụ Mn(II) của VLHP M1 .....................................................................36
Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của pH đến quá trình hấp phụ Cr(VI) của
VLHP M1 .................................................................................................................................38
Hình 3.12: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của pH đến quá trình hấp phụ Ni(II) của VLHP
M1..............................................................................................................................................38
Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của pH đến quá trình hấp phụ Mn(II) của
VLHP M1.....................................................................................................................39

Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của khối lƣợng VLHP đến quá trình hấp phụ
Cr(VI) .......................................................................................................................................41
Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của khối lƣợng VLHP M1 đến quá trình hấp
phụ Ni(II)..................................................................................................................................41
Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của khối lƣợng VLHP M1 đến q trình hấp
phụ Mn(II) ................................................................................................................................42

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

ix

Hình 3.17: Đƣờng đẳng nhiệt Langmuir của VLHP M1 đối với Cr(VI)....................44
Hình 3.18: Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb của VLHP M1 đối với Cr(VI) .......................44
Hình 3.19: Đƣờng đẳng nhiệt Langmuir của VLHP M1 đối với Ni(II) .....................45
Hình 3.20: Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb của VLHP M1 đối với Ni(II) .........................45
Hình 3.21: Đƣờng đẳng nhiệt Langmuir của VLHP M1 đối với Mn(II)....................46
Hình 3.22: Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb của VLHP M1 đối với Mn(II) .......................46
Hình 3.23: Ảnh hƣởng của ion lạ tới quá trình hấp phụ Cr(VI) .................................49
Hình 3.24: Ảnh hƣởng của ion lạ tới quá trình hấp phụ Ni(II) ...................................49
Hình 3.25: Ảnh hƣởng của ion lạ tới q trình hấp phụ Mn(II) .................................50

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

1

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự gia tăng các hoạt động công nghiệp là việc sản sinh các
chất thải nguy hại, tác động tiêu cực trực tiếp đến môi trƣờng, đặc biệt là sự ảnh
hƣởng nghiêm trọng của môi trƣờng nƣớc. Các hoạt động khai thác mỏ, công
nghiệp thuộc da, cơng nghiệp điện tử, mạ điện, lọc hóa dầu hay công nghệ dệt
nhuộm... tạo ra các nguồn ô nhiễm môi trƣờng nƣớc chính chứa các kim loại nặng
nhƣ Cu, Zn, Pb, Ni, As... và những hợp chất hữu cơ độc hại. Những chất này có liên
quan trực tiếp đến sự biến đổi gây ung thƣ cho con ngƣời cũng nhƣ ảnh hƣởng
nghiêm trọng đến môi trƣờng dù chỉ ở hàm lƣợng nhỏ. Do đó, nghiên cứu tách các
ion kim loại nặng và hợp chất hữu cơ độc hại từ các nguồn nƣớc bị ô nhiễm là vấn
đề quan trọng nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và thu hút sự quan tâm của nhiều
nhà khoa học.
Một số phƣơng pháp khác nhau để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi môi trƣờng
nƣớc nhƣ phƣơng pháp trao đổi ion, thẩm thấu ngƣợc, lọc nano, kết tủa hoặc hấp
phụ,... Trong đó hấp phụ là một trong những phƣơng pháp có nhiều ƣu điểm nhƣ
vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tƣơng đối phong phú, dễ điều chế, chi phí thấp,
thân thiện với môi trƣờng, đặc biệt không làm nguồn nƣớc ô nhiễm thêm. Chính vì
vậy đây là vấn đề đang và đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu. Trong
lĩnh vực xử lý mơi trƣờng, ta có thể sử dụng vật liệu tự nhiên (đá ong, quặng sắt,
đất bazan…) hay vật liệu chế tạo từ xơ dừa, vỏ trấu, bã mía… những loại vật liệu
này đều có giá thành rẻ, thân thiện với mơi trƣờng và dễ kiếm tìm trong đời sống.
Xuất phát từ thực tế đó, chúng tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp
ion Cr(VI), Ni(II), Mn(II) của quặng sắt biến tính

”

Trong đề tài chúng tơi lần lƣợt tập trung nghiên cứu các nội dung sau:
- Chế tạo vật liệu hấp phụ từ quặng sắt Trại Cau – Thái Nguyên.
- Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của vật liệu hấp phụ bằng phƣơng pháp
nhiễu xạ Rơnghen (XRD), phƣơng pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET).
- Khảo sát khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp

phụ của vật liệu hấp phụ chế tạo đƣợc theo phƣơng pháp hấp phụ tĩnh.


2

- Sử dụng vật liệu hấp phụ chế tạo đƣợc thử xử lý mẫu nƣớc thải chứa Cr(VI),
Ni(II), Mn(II).
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, bố cục của luận văn này
đƣợc trình bày trong 3 chƣơng:
- Chƣơng 1: Tổng quan.
- Chƣơng 2: Thực nghiệm.
- Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

3

Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về các ion kim loại nặng Cr(VI), Ni(II), Mn(II)
1.1.1. Tình trạng ơ nhiễm kim loại nặng
Từ thực trạng ô nhiễm môi trƣờng của nƣớc ta hiện nay ta không thể phủ
nhận về mức độ ô nhiễm ngày càng tăng, từ ô nhiễm đất tới ô nhiễm khơng khí và
đặc biệt là ơ nhiễm nguồn nƣớc. Nguyên chân chủ yếu dẫn tới hiện tƣợng này là q
trình hoạt động sản xuất của các khu cơng nghiệp lớn và nhỏ, là q trình đơ thị hóa
và sự gia tăng dân số. Trong đó ơ nhiễm kim loại nặng là một trong những vấn đề
cấp thiết. Kim loại nặng có Hg, Cd, Pb, As, Sb, Cr, Cu, Ni, Mn, v.v... thƣờng khơng
tham gia hoặc ít tham gia vào q trình sinh hóa của các thể sinh vật và thƣờng tích

lũy trong cơ thể. Vì vậy, chúng là các nguyên tố độc hại với sinh vật. Hiện
tƣợng nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng thƣờng gặp trong các lƣu vực nƣớc gần các
khu công nghiệp, các thành phố lớn và khu vực khai thác khống sản. Ơ nhiễm kim
loại nặng biểu hiện ở nồng độ cao của các kim loại nặng trong nƣớc. Trong một số
trƣờng hợp, xuất hiện hiện tƣợng cá và thuỷ sinh vật chết hàng loạt.
Các kim loại nặng đi vào cơ thể qua con đƣờng hô hấ

–SH, -SCH3 c
[4], [22].

1.1.2.1. Giới thiệu về kim loại nặng
Kim loại nặng là những kim loại có khối lƣợng riêng lớn hơn 5g/cm3. Một số
kim loại nặng có thể cần thiết cho cơ thể sinh vật, chúng đƣợc coi là nguyên tố vi
lƣợng. Một số lại không cần thiết cho sự sống, khi đi vào cơ thể sinh vật có thể ngây
độc hại nghiêm trọng nếu hàm lƣợng của chúng vƣợt quá ngƣỡng cho phép.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

4

1.1.2.2. Tác dụ
Mangan là kim loại màu trắng bạc, cứng khó nóng chảy. Trong tự nhiên
mangan là nguyên tố tƣơng đối phổ biến, đứng hàng thứ 3 trong các kim loại
chuyển tiếp. Gần 95% mangan đƣợc dùng để chế tạo thép trong ngành luyện kim.
Mangan là nguyên tố vi lƣợng trong cơ thể sống, ion mangan là chất hoạt
hoá một số Enzym xúc tiến một số quá trình tạo chất diệp lục, tạo mầu và sản xuất
khoáng thể nâng cao sức đề kháng của cơ thể. Tuy nhiên trong quá trình sinh hoạt
sử dụng nguồn nƣớc nhiễm mangan hoặc tiếp xúc với nhiều bụi mangan sẽ làm suy

nhƣợc đến hệ thần kinh và tuyến giáp trạng [22]. Những ngƣời dễ nhiễm độc
mangan là trẻ em, ngƣời già và phụ nữ có thai và những ngƣời hay măc bệnh về
gan, mật.
1.1.2.3. Tác dụ
Niken đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp luyện kim, mạ điện, sản
xuất thuỷ tinh, gốm, sứ…
Niken xâm nhập vào cơ thể ngƣờ
ủ

kinh niên… Ngồi ra, niken có thể gây các bệnh về
[1], [22].
1.1.2.4. Tác dụ

Cr(VI). Cr(III) ít độc hơn nhiều so với Cr(VI). Với hàm lƣợng nhỏ Cr(III) rất cần
cho cơ thể, trong khi Cr(VI) lại rất độc và nguy hiểm.
ọng trong việ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

5

glucozơ. Tuy nhiên vớ

ể

, viêm da

, viêm ga

... [1], [22].
ạ

ải

công nghiệp nhƣ sau:
Bảng 1.1:

oại
trong nước thải công nghiệp

STT

Nguyên tố

Đơn vị

Giá trị giới hạn
A

B

1

Crom (VI)

mg/l

0,05

0,10

2

Niken (II)

mg/l

0,20

0,50

3

Mangan (II)

mg/l

0,50

1,00

Trong đó:
- Cột A quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nƣớc thải công
nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nƣớc đƣợc dùng cho mục đích
cấp nƣớc sinh hoạt.
- Cột B quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nƣớc thải công
nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nƣớc không dùng cho mục đích
cấp nƣớc sinh hoạt [19], [23].

1.1.4. Các nguồn gây ơ nhiễm mơi trƣờng nƣớc
Thực tế có rất nhiều nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc. Nƣớc bị ô nhiễm
kim loại nặng chủ yếu là do việc khai thác mỏ, là q trình đổ vào mơi trƣờng nƣớc
thải công nghiệp và nƣớc thải độc hại không xử lý hoặc xử lý khơng đạt u cầu. Ơ
nhiễm nƣớc bởi kim loại nặng có tác động tiêu cực tới mơi trƣờng sống của sinh vật
và con ngƣời. Kim loại nặng tích lũy theo chuỗi thức ăn xâm nhập và cơ thể ngƣời.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

6

Nƣớc mặt bị ô nhiễm sẽ lan truyền các chất ô nhiễm vào nƣớc ngầm, vào đất và các
thành phần mơi trƣờng liên quan khác.
Bên cạnh đó việc tái sử dụng lại các phế thải chứa ion kim loại nặng chƣa
đƣợc chú ý và quan tâm đúng mức.
1.2. Giới thiệu một số phƣơng pháp xử lý nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng
1.2.1. Phƣơng pháp trao đổi ion
Trao đổi ion là một trong những phƣơng pháp thƣờng đƣợc dùng để tách kim
loại nặng từ nƣớc thải. Nhựa trao đổi ion có thể tổng hợp từ hợp chất vơ cơ hay hợp
chất hữu cơ có gắn các nhóm nhƣ : (-SO3H), ( -COO-), amin. Các cation và anion
đƣợc hấp phụ trên bề mặt nhựa trao đổi ion. Khi nhựa trao đổi ion đã bão hịa,
ngƣời ta khơi phục lại cationit và anionit bằng dung dịch axit loãng hoặc dung dịch
bazơ lỗng. Về mặt kĩ thuật thì hầu hết kim loại nặng đều có thể tách ra bằng
phƣơng pháp trao đổi ion, nhƣng phƣơng pháp này thƣờng tốn kém.
1.2.2. Phƣơng pháp kết tủa
Phƣơng pháp này thƣờng dùng để thu hồi kim loại từ dung dịch dƣới dạng
hiđroxit kim loại rất ít tan. Ngồi ra cịn có thể sử dụng các chất tạo kết tủa nhƣ
xút, vôi, cacbonat, sunfua... Tuy nhiên phƣơng pháp này chỉ là q trình xử lý sơ

bộ, địi hỏi những quá trình xử lý tiếp theo.
1.2.3. Phƣơng pháp hấp phụ
So với các phƣơng pháp xử lí nƣớc thải khác, phƣơng pháp hấp phụ có các
đặc tính ƣu việt hơn hẳn. Vật liệu hấp phụ đƣợc chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự
nhiên và các phế thải nông nghiệp sẵn có, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, cơng
nghệ xử lý khơng địi hỏi thiết bị phức tạp, chi phí thấp, đặc biệt, các vật liệu hấp
phụ này có độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành thấp, hiệu quả
cao [2], [9], [18], [21], [24]. Vì vậy trong đề tài này, chúng tơi sử dụng phƣơng
pháp hấp phụ cho q trình nghiên cứu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

7

1.3.1
-

-

-

.

.

.Ở

[2], [4], [16].

1.3.1

ớ

.

Đối với hấp phụ vật lý để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thơng
qua các yếu tố sau:
- Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ.
- Tăng nhiệt độ.
- Thay đổi bản chất tƣơng tác của hệ thống thông qua thay đổi pH của môi trƣờng.
- Sử dụng tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã hấp phụ trên bề mặt
chất rắn.
- Sử dụng tác nhân là vi sinh vật.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

8

Dựa trên nguyên tắc giải hấp phụ nêu trên, một số
ợc sử dụ
[2].
1.3.1

[16].
Dung lƣợng hấp phụ đƣợc tính theo cơng thức:
q

(C o  C cb ).V
m

(1.1)

:
(mg/g).
(l).
m: k

(g).

Co

(mg/l).

Ccb

(mg/l).

1.3.1.4. Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ
dung dịch ban đầu.
H

(C o  C cb )
.100 %
Co

(1.2)

ụ
:
-

.

-

.
ự

.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

9

[1].
:
v

dx
dt

(1.3)
:

V

dx
  (C0  Ccb )  k(q max  q)
dt

(1.4)

:
x: nồng độ chất bị hấp phụ (mg/l).
t: thời gian (giây).


.

Co

(mg/l).

Ccb

(mg/l).
.
(mg/g).

qmax

(mg/g).

Phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren

dqt
 k1 (qe  qt )
dt

(1.5)

Dạng tích phân của phƣơng trình trên là:

lg(qe  qt )  lg qe 

k1
t
2,303

(1.6)

Phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng:

dqt
 k 2 (qe  qt ) 2
dt

(1.7)

Dạng tích phân của phƣơng trình này là:
t
1
1



t
qt k 2 .qe2 qe
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

(1.8)

/>

10

Trong đó:
qe, qt là dung lƣợng hấp phụ tại thời gian đạt cân bằng và tại thời gian t (mg/g).
k1, k2 là hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất (thời gian-1) và bậc hai (g.mg-1. thời
gian-1) biểu kiến.

.

,…[2], [13], [16].

:
a = K. P

(1.9)

:
.
(mol/g).
(mmHg).

[16].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

11

Phƣơng
[16].
ố

:

1

q  k . C cbn

(1.10)

Hoặc dạng phƣơng trình đƣờng thẳng:
1
lg q  lg k  lg Ccb
n

(1.11)

:
.
1.

[16].
:
ạng:
q  q max

b.C cb
1  b.C cb

(1.12)

:
(mg/g).
qmax

(mg/g).
.
.Ccb

= qmax.b.Ccb

.Ccb

= qmax

.
.

Phƣơng trình Langmuir có thể biểu diễn dƣới dạng phƣơng trình đƣờng thẳng:
C cb

1
1

C cb 
q
q max
q max .b

(1.13)

Phƣơng trình Langmuir đƣợc đặc trƣng bằng tham số RL
RL = 1/(1+b.C0)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

(1.14)

/>

12

0< RL<1 thì sự hấp phụ là thuận lợi, RL>1 thì sự hấp phụ là khơng thuận lợi,
và RL=1 thì sự hấp phụ là tuyến tính.
1.3.3. Hấp phụ trong mơi trƣờng nƣớc
1.3.3.1. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước
Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc thƣờng diễn ra khá phức tạp, vì trong hệ có
ít nhất ba thành phần gây tƣơng tác là: nƣớc - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ. Do sự
có mặt của nƣớc nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc
giữa chất bị hấp phụ và nƣớc tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp
phụ; nƣớc - chất hấp phụ, cặp nào có tƣơng tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp

đó. Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị
hấp phụ trong nƣớc, tính ƣa nƣớc hoặc kị nƣớc của chất hấp phụ, mức độ kị nƣớc
của chất bị hấp phụ trong nƣớc. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với
chất bị hấp phụ trƣớc tiên phụ thuộc vào tính tƣơng đồng về độ phân cực giữa
chúng: chất bị hấp phụ không phân cực đƣợc hấp phụ tốt trên chất hấp phụ khơng
phân cực và ngƣợc lại. Đối với các chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại
hay một số dạng phức oxy anion nhƣ SO 24  , PO 34 , CrO 24  … thì quá trình hấp phụ
xảy ra do tƣơng tác tĩnh điện thơng qua lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có
độ phân cực cao trong nƣớc bị bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nƣớc, do đó
bán kính (độ lớn) của các ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hƣởng nhiều đến
khả năng hấp phụ của hệ do tƣơng tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị, ion nào có
bán kính lớn hơn sẽ đƣợc hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hydrat
nhỏ hơn.
Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc còn bị ảnh hƣởng nhiều bởi pH của dung
dịch. Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ và chất hấp
phụ. Các chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu, bazơ yếu hoặc lƣỡng
tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dƣơng hoặc trung hồ tùy thuộc giá trị pH. Tại giá trị
pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng khơng, trên giá trị đó
bề mặt chất hấp phụ tích điện âm và dƣới giá trị đó bề mặt hấp phụ tích điện dƣơng.
Đối với các chất trao đổi ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

13

nhóm chức và các cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môi trƣờng, đồng thời
trong hệ cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất [2].
Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thƣớc mao
quản,… cũng ảnh hƣởng tới sự hấp phụ [2], [3].

1.3.3.2. Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước
Để tồn tại đƣợc ở trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trƣờng nƣớc bị
hiđrat hoá tạo ra lớp vỏ là các phân tử nƣớc, tạo ra các phức chất hiđroxo, tạo ra các
cặp ion hay phức chất khác. Dạng phức hiđrxo đƣợc tạo ra nhờ phản ứng thuỷ phân.
Sự thuỷ phân của ion kim loại trong dung dịch có thể chịu ảnh hƣởng rất lớn bởi pH
của dung dịch. Khi pH của dung dịch thay đổi dẫn đến thay đổi phân bố các dạng
thuỷ phân, làm cho thay đổi bản chất, điện tích, kích thƣớc ion kim loại có thể tạo
phức, sự hấp phụ và tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ, điều này ảnh hƣởng đến cả
dung lƣợng và cơ chế hấp phụ [2].
1.4. Phƣơng pháp phân tích xác định hàm lƣợng kim loại nặng
Có nhiều phƣơng pháp khác nhau đƣợc dùng để định lƣợng các kim loại.
Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phƣơng pháp trắc quang để định lƣợng crom,
niken, mangan.
1.4.1. Phƣơng pháp trắc quang
Nguyên tắc: Phƣơng pháp trắc quang là phƣơng pháp phân tích đƣợc sử dụng
phổ biến nhất trong các phƣơng pháp phân tích hóa lý. Nguyên tắc chung của
phƣơng pháp phân tích trắc quang là muốn xác định một cấu tử X nào đó, ta chuyển
nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó
và suy ra hàm lƣợng chất cần xác định X [10], [20].
Cơ sở của phƣơng pháp là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer - LambertBeer. Biểu thức của định luật:
A  lg

I0
  Cl
I

(1.15)

Trong đó:
- I0, I lần lƣợt là cƣờng độ của ánh sáng đi vào và ra khỏ i dung dịch.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

14

- l là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua.
- C là nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch.
- ε là hệ số hấp thụ quang phân tử, nó phụ thuộc vào bản chất của chất hấp
thụ ánh sáng và bƣớc sóng của ánh sáng tới ( ε = f (λ) ).
Nhƣ vậy, độ hấp thụ quang A là một hàm của các đại lƣợng: bƣớc sóng, bề
dày dung dịch và nồng độ chất hấp thụ ánh sáng.
A = f (λ, l, C)

(1.16)

Do đó, nếu đo A tại một bƣớc sóng λ nhất định với cuvet có bề dày l xác
định thì đƣờng biểu diễn A = f(C) phải có dạng y = a.x là một đƣờng thẳng. Tuy
nhiên, do những yếu tố ảnh hƣởng đến sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch (bƣớc
sóng của ánh sáng tới, sự pha loãng dung dịch, nồng độ H+, sự có mặt của các ion
lạ) nên đồ thị trên khơng có dạng đƣờng thẳng với mọi giá trị của nồng độ. Và biểu
thức 1.16 có dạng:
Aλ = k.ε.L.(Cx)b

(1.17)

Trong đó:
- Cx: nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch.
- k: hằng số thực nghiệm.

- b: hằng số bản chất có giá trị 0 < b ≤ 1. Nó là một hệ số gắn liền với nồng độ Cx.
Giá trị b = 1 khi nồng độ Cx nhỏ, khi Cx tăng thì b nhỏ xa dần giá trị 1.
Đối với một chất phân tích trong một dung mơi xác định và trong một cuvet
có bề dày xác định thì ε = const và l = const. Đặt K = k.ε.l ta có:
A  K .C b

( 1.18)

Với mọi chất có phổ hấp thụ phân tử vùng UV-Vis, thì ln có một giá trị
nồng độ giới hạn C0 xác định, sao cho:
- Với mọi giá trị Cx < C0: thì b = 1, và quan hệ giữa độ hấp thụ quang A và
nồng độ Cx là tuyến tính.
- Với mọi giá trị Cx > C0: thì b < 1 (b tiến dần về 0 khi Cx tăng) và quan hệ
giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ Cx là khơng tuyến tính.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

15

Phƣơng trình (1.18) là cơ sở để định lƣợng các chất theo phép đo phổ hấp thụ
quang phân tử UV-Vis (phƣơng pháp trắc quang). Trong phân tích ngƣời ta chỉ sử
dụng vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C, vùng tuyến tính này rộng hay hẹp phụ
thuộc vào bản chất hấp thụ quang của mỗi chất và các điều kiện thực nghiệm, với các
chất có phổ hấp thụ UV-Vis càng nhạy, tức giá trị ε của chất đó càng lớn thì giá trị
nồng độ giới hạn C0 càng nhỏ và vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C càng hẹp [10].
1.4.2. Các phƣơng pháp phân tích định lƣợng bằng trắc quang
Có nhiều phƣơng pháp khác nhau để định lƣợng một chất bằng phƣơng pháp
trắc quang. Từ các phƣơng pháp đơn giản khơng cần máy móc nhƣ: phƣơng pháp
dãy chuẩn nhìn màu, phƣơng pháp chuẩn độ so sánh màu, phƣơng pháp cân bằng

màu bằng mắt… Các phƣơng pháp này đơn giản, khơng cần máy móc đo phổ
nhƣng chỉ xác định đƣợc nồng độ gần đúng của chất cần định lƣợng, nó thích hợp
cho việc kiểm tra ngƣỡng cho phép của các chất nào đó xem có đạt hay khơng. Các
phƣơng pháp phải sử dụng máy quang phổ nhƣ: phƣơng pháp đƣờng chuẩn, phƣơng
pháp dãy tiêu chuẩn, phƣơng pháp chuẩn độ trắc quang, phƣơng pháp cân
bằng, phƣơng pháp thêm, phƣơng pháp vi sai,… Tùy theo từng điều kiện và đối
tƣợng phân tích cụ thể mà ta chọn phƣơng pháp thích hợp. Trong đề tài này chúng
tôi sử dụng phƣơng pháp đƣờng chuẩn để định lƣợng các cation kim loại.
b

Phương pháp đường chuẩn: Từ phƣơng trình cơ sở A = K .(Cx ) về
nguyên tắc, để xây dựng một đƣờng chuẩn phục vụ cho việc định lƣợng một chất
trƣớc hết phải pha chế một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ chất hấp thụ ánh sáng
nằm trong vùng nồng độ tuyến tính (b = 1). Tiến hành đo độ hấp thụ quang A của
dãy dung dịch chuẩn đó. Từ các giá trị độ hấp thụ quang A đo đƣợc dựng đồ thị
A = f(C), đồ thị A = f(C) gọi là đƣờng chuẩn.
Sau khi có đƣờng chuẩn, pha chế các dung dịch cần xác định trong điều kiện
giống nhƣ khi xây dựng đƣờng chuẩn. Đo độ hấp thụ quang A của chúng với điều
kiện đo nhƣ khi xây dựng đƣờng chuẩn (cùng dung dịch so sánh, cùng cuvet, cùng
bƣớc sóng) đƣợc các giá trị Ax. Áp các giá trị Ax đo đƣợc vào đƣờng chuẩn sẽ tìm
đƣợc các giá trị nồng độ Cx tƣơng ứng [10].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>