Nghiên cứu ứng dụng lignin để xử lý hg2 và cd2 trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------

TRẦN ĐỨC GIANG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LIGNIN ĐỂ XỬ LÝ
Hg2+ VÀ Cd2+ TRONG NƯỚC

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. ĐÀO VĂN HOẰNG

Hà Nội – 2013


Luận văn thạc sỹ

Trần Đức Giang

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ khoa học: “Nghiên cứu ứng dụng
lignin để xử lý Hg2+ và Cd2+ trong nước” là do tôi thực hiện với sự hƣớng dẫn của
PGS.TS Đào Văn Hoằng, PGS.TS Huỳnh Trung Hải. Đây không phải là bản sao
chép của bất kỳ một cá nhân, tổ chức nào. Các số liệu, nguồn thông tin trong luận
văn là do tơi điều tra, trích dẫn, tính tốn và đánh giá.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tơi đã trình bày
trong luận văn này.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2013

HỌC VIÊN

Trần Đức Giang


Luận văn thạc sỹ

Trần Đức Giang

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tơi xin đƣợc bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Đào Văn
Hoằng, PGS.TS Huỳnh Trung Hải ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn tôi thực hiện Luận
văn, ngƣời luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tơi trong suốt q trình làm Luận
văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tồn thể các thầy cơ giáo của Viện
Khoa học và Công nghệ Môi trƣờng, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã trang
bị cho tơi những kiến thức bổ ích, thiết thực cũng nhƣ sự nhiệt tình, ân cần dạy
bảo trong những năm vừa qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo Sau đại học đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tơi trong q trình học tập, nghiên cứu và hồn thành Luận văn.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ
tơi trong q trình học tập và làm Luận văn.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2013

Học viên

Trần Đức Giang


Luận văn thạc sỹ

Trần Đức Giang

MỤC LỤC
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC
VÀ SỬ DỤNG LIGNIN ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG ............................................... 3
I.1. TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG Ở VIỆT NAM ..................................... 3
I.1.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nƣớc .....................................................3
I.1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nƣớc thải ..........................................3
I.1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nƣớc mặt ..........................................5
I.1.1.3. Ảnh hƣởng của kim loại nặng tới môi trƣờng và sức khỏe cộng đồng .....................7
I.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG............................................................. 8
I.2.1. Các phƣơng pháp xử lý kim loại nặng trong nƣớc [10, 12, 15, 18, 20]......................8
I.2.1.1. Phƣơng pháp kết tủa hóa học ...........................................................................9
I.2.1.2. Phƣơng pháp trao đổi ion .................................................................................9
I.2.1.3. Phƣơng pháp điện hóa ....................................................................................10
I.2.1.4. Phƣơng pháp sinh học ....................................................................................10
I.2.1.5. Phƣơng pháp hấp phụ .....................................................................................10
I.2.2. Nghiên cứu về xử lý kim loại nặng ở Việt Nam ................................................11

I.3. ỨNG DỤNG LIGNIN ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG .................................................... 13
I.3.1. Giới thiệu về Lignin ...........................................................................................13
I.3.1.1. Giới thiệu chung về lignin ..............................................................................13
I.3.1.2. Cấu trúc phân tử lignin ...................................................................................14
I.3.1.3. Tính chất của lignin ........................................................................................16
I.3.2. Ứng dụng lignin để xử lý kim loại nặng ............................................................18
I.3.2.1. Cơ chế phản ứng của các nhóm chức của lignin với các kim loại .................18
I.3.2.2. Cơ chế hấp phụ kim loại của lignin ................................................................19
I.3.2.3. Cơ chế phản ứng của quá trình tái sinh vật liệu .............................................20
I.3.2.4. Ƣu điểm của việc sử dụng lignin để xử lý kim loại nặng ....................................20
CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM ...................................................................................... 21
II.1. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................................................ 21
II.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................................. 21


Luận văn thạc sỹ

Trần Đức Giang

II.2.1. Quy trình tạo vật liệu hấp phụ ..........................................................................21
II.2.2. Quy trình khảo sát thí nghiệm dạng mẻ đối với dung dịch đơn kim loại Cd2+
hoặc Hg2+ .....................................................................................................................24
II.2.3. Quy trình khảo sát thí nghiệm dạng mẻ đối với hỗn hợp dung dịch chứa cả hai
kim loại Cd2+ và Hg2+ ..................................................................................................25
II.2.4. Quy trình khảo sát thí nghiệm dạng cột ............................................................27
II.2.5. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị ................................................................................................ 29
II.3. PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH..............................................................................................29
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 31
III.1. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM
LOẠI NẶNG BẰNG LIGNIN ĐỐI VỚI DUNG DỊCH ĐƠN KIM LOẠI Cd, Hg ............. 31

III.1.1. Ảnh hƣởng của pH ..........................................................................................31
III.1.2. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc ...................................................................32
III.1.3. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất hấp phụ ........................................................33
III.1.4. Ảnh hƣởng của cƣờng độ ion ..........................................................................34
III.1.5. Ảnh hƣởng của nồng độ kim loại đầu vào ......................................................35
III.1.6. Đƣờng cân bằng hấp phụ đẳng nhiệt ...............................................................36
III.2. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM
LOẠI NẶNG BẰNG LIGNIN ĐỐI VỚI DUNG DỊCH CHỨA HAI KIM LOẠI ............... 40
III.2.1. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc ...................................................................40
III.2.2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất hấp phụ ........................................................41
III.3. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM
LOẠI NẶNG BẰNG LIGNIN TRÊN DÒNG LIÊN TỤC QUA CỘT .................................. 42
III.3.1. Ảnh hƣởng của tốc độ dịng ............................................................................42
III.3.2. Khảo sát q trình hấp phụ đồng thời hỗn hợp kim loại .................................43
III.3.3. Đề xuất quy trình xử lý kim loại qua cột.........................................................45
III.4. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TÁI SINH VẬT LIỆU VÀ TÁI HẤP PHỤ VẬT
LIỆU........ .......................................................................................................................................... 45
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 50


Luận văn thạc sỹ

Trần Đức Giang

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Abs

Absorption

Độ hấp thụ quang
Bảo vệ môi trƣờng

BVMT
Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxy hóa học

Inductively coupled plasma mass

Thiết bị khối phổ plasma

spectrometry

cảm ứng

Max

Maximum

Giá trị lớn nhất

Min

Minimum

Giá trị nhỏ nhất

COD

ICP - MS

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

TB

Trung bình

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TNHH

Trách nhiệm hữu hạn

TNMT

Tài nguyên môi trƣờng

TOC

Total organic cacbon

Tổng cac bon hữu cơ


Luận văn thạc sỹ

Trần Đức Giang

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Nƣớc thải tại một số cơ sở cơ khí, mạ kim loại ở phía Bắc ................................ 4
Bảng 1.2. Hàm lƣợng kim loại nặng trong nƣớc thải ở làng nghề Thái Bình ..................... 5
Bảng 1.3. Hàm lƣợng kim loại nặng có trong nƣớc sơng Kim Ngƣu – Tơ Lịch .................... 6
Hình 1.1. Hàm lƣợng Cd, Hg trong nƣớc mặt ở Thanh Trì ................................................. 7
Bảng 1.4. Một số loại bệnh đã xuất hiện ở Chỉ Đạo ............................................................ 8
Bảng 3.1. Ảnh hƣởng của nồng độ đầu vào của kim loại đến quá trình hấp phụ .................. 38
Bảng 3.2. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freudlich mơ tả q trình hấp
phụ Hg2+ và Cd2+ bằng lignin .............................................................................................. 40
Bảng 3.3. Dung lƣợng hấp phụ kim loại cực đại của cột .................................................. 43
Bảng 1. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý Cd2+, Hg2+ và pH ban đầu bằng lignin ........... 54
Bảng 2. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý Cd2+, Hg2+ và thời gian tiếp xúc bằng lignin.. 54
Bảng 3. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý Cd2+, Hg2+ và hàm lƣợng chất hấp phụ .......... 55
Bảng 4. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý Cd2+, Hg2+ và nồng độ ban đầu....................... 55
Bảng 5. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý Cd2+, Hg2+ và cƣờng độ ion ............................ 55
Bảng 6. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý hỗn hợp 2 kim loại Cd2+và Hg2+ với thời gian
tiếp xúc bằng lignin ............................................................................................................. 56
Bảng 7. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý hỗn hợp 2 kim loại Cd2+và Hg2+ với hàm
lƣợng chất hấp phụ .............................................................................................................. 56
Bảng 8. Mối quan hệ giữa lƣu lƣợng và khả năng hấp thụ của Cd2+ ................................. 57
Bảng 9. Mối quan hệ giữa lƣu lƣợng và khả năng hấp phụ của Hg2+ ................................ 58
Bảng 10. Mối quan hệ giữa nồng độ và khả năng hấp phụ của Cd2+ và Hg2+trong hỗn
hợp kim loại ......................................................................................................................... 59
Bảng 11. Mối quan hệ giữa thể tích dung dịch giải hấp với nồng độ kim loại ở đầu ra của
quá trình giải hấp ................................................................................................................. 59
Bảng 12. Mối quan hệ giữa thể tích dung dịch hấp phụ qua cột và khả năng hấp phụ của
cột tái sinh ............................................................................................................................ 60

Luận văn thạc sỹ

Trần Đức Giang

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Hàm lƣợng Cd, Hg trong nƣớc mặt ở Thanh Trì ................................................. 7
Hình 1.2. Hàm lƣợng lignin trong gỗ tự nhiên ................................................................... 13
Hình 1.3. Cấu trúc một phần phân tử lignin ....................................................................... 14
Hình 1.3. Cấu trúc phổ hồng ngoại của lignin .................................................................... 16
Hình 2.1. Quy trình tạo 1kg vật liệu .................................................................................. 23
Hình 2.2. Quá trình khảo sát các yếu tố ảnh huởng tới quá trình hấp phụ kim loại nặng
lignin .................................................................................................................................... 27
Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ trao đổi và tái sinh trên cột .................................................. 29
Hình 3.1. Ảnh hƣởng của pH ban đầu đến quá trình hấp phụ ........................................... 32
Hình 3.2. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc đối với quá trình hấp phụ kim loại .............. 33
Hình 3.3. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng lignin đơi với q trình hấp phụ kim loại .................... 34
Hình 3.4. Ảnh hƣởng của cƣờng độ ion đối với quá trình hấp phụ kim loại ..................... 35
Hình 3.5. Ảnh hƣởng của nồng độ kim loại đầu vào đối với quá trình hấp phụ .................... 36
Hình 3.6. Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cd2+ và Hg2+.......................... 39
Hình 3.7. Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Freudlich đối với Cd2+ và Hg2+ .................... 39
Hình 3.8. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc đối với quá trình hấp phụ hỗn hợp hai kim loại41
Hình 3.9. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng lignin đơi với q trình hấp phụ hỗn hợp hai kim
loại ........................................................................................................................................ 42
Hình 3.10. Ảnh hƣởng của tốc độ dịng đến q trình hấp phụ động qua cột .................. 43
Hình 3.11. Ảnh hƣởng của tốc độ dịng đến quá trình hấp phụ động qua cột .................. 44
Hình 3.12. Quy trình xử lý kim loại bằng lignin trên cột liên tục ...................................... 45
Hình 3.13. Mối quan hệ giữa nồng độ kim loại trong dung dịch rửa giải ra khỏi cột và thể
tích dung dịch rửa giải ......................................................................................................... 46

Hình 3.14. Quá trình tái hấp phụ dung dịch kim loại bằng cột tái sinh ............................. 47


Luận văn thạc sỹ

1

Trần Đức Giang

MỞ ĐẦU
Nƣớc sạch là một nhu cầu cơ bản trong cuộc sống hàng ngày của con ngƣời.
Nguồn nƣớc sạch không bị ô nhiễm là điều mong mỏi của toàn thể nhân loại. Hiện
nay, hơn một tỷ ngƣời trên thế giới thƣờng xuyên thiếu nƣớc sạch để sử dụng. Việt
Nam cũng là một quốc gia đang đối đầu với tình trạng khan hiếm nguồn nƣớc sạch
dùng cho mục đích sinh hoạt và sản xuất.
Ở nƣớc ta, hoạt động công nghiệp là một trong những nguyên nhân chủ yếu
gây nên ô nhiễm kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc. Nƣớc thải của các ngành
cơng nghiệp khai khống, mạ điện, cơ khí, ắc quy, chứa các kim loại nặng nhƣ
Cd2+, Hg2+, Zn2+, Ni2+… có nồng độ cao từ vài mg/L đến vài trăm mg/L. Những
dịng thải này khơng đƣợc xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải sẽ gây hại cho môi trƣờng
tiếp nhận bởi các kim loại nặng khơng có khả năng phân hủy sinh học và có xu
hƣớng tích tụ trong tế bào thực vật, động vật và con ngƣời gây tác động xấu tới sinh
vật và sức khỏe con ngƣời. Ví dụ: nhiễm độc Cadimi gây ung thƣ, bệnh phổi và
xƣơng; nhiễm độc thuỷ ngân có thể gây nên những thƣơng tổn cho trung tâm thần
kinh với các triệu chứng nhƣ run rẩy, giảm trí nhớ, nặng hơn là gây tê liệt. Sự phơi
nhiễm thuỷ ngân kéo dài gây ra các tổn thƣơng cho não và có thể gây tử vong….Vì
vậy, việc nghiên cứu xử lý hiệu quả và triệt để các kim loại này là hết sức cần thiết.
Một số phƣơng pháp đã đƣợc tiến hành nghiên cứu để xử lý kim loại nặng nhƣ
kết tủa, trao đổi ion, lọc bằng màng, sinh học… Mỗi phƣơng pháp đều ƣu việt, giới
hạn ứng dụng nhất định nhƣng có nhƣợc điểm là chi phí cao, vận hành phức tạp

hoặc cần bổ sung thêm hoá chất, phát sinh ra lƣợng bùn thải chứa kim loại nặng. Do
đó, việc ứng dụng vật liệu tự nhiên có sẵn hoặc tận dụng những chất thải công
nghiệp, nông nghiệp để xử lý kim loại nặng trong nƣớc sẽ mang lại hiệu quả kinh tế
và môi trƣờng.
Lignin là hợp chất cao phân tử có cấu trúc phức tạp. Phân tử lignin có chứa
các nhóm hydroxyl (-OH), metoxyl (- OCH3) và nhân benzen. Các vị trí của nhóm
phenolic trong phân tử lignin có ái lực mạnh đối với các kim loại nặng, có thể hấp
phụ chúng.


Luận văn thạc sỹ

2

Trần Đức Giang

Hàng năm các nhà máy giấy của nƣớc ta sản xuất ra hàng trăm nghìn tấn giấy
và bột giấy. Trong quá trình sản xuất phát sinh ra một lƣợng lớn chất thải hữu cơ
trong đó lignin chiếm một lƣợng đáng kể. Vì vậy, việc tận dụng nguồn lignin này
làm nguyên liệu ban đầu để xử lý kim loại nặng trong nƣớc không những giải
quyết đƣợc vấn đề môi trƣờng của ngành công nghiệp giấy và bột giấy, mà cịn góp
phần làm giảm thiểu ơ nhiễm của một số ngành khác phát sinh chất ô nhiễm kim
loại nặng. Về lợi ích kinh tế, việc tận dụng phế thải từ một ngành công nghiệp sẽ
tiết kiệm chi phí xử lý mơi trƣờng của ngành, đồng thời góp phần giảm thiểu chi phí
để xử lý chất thải của ngành khác.
Trên cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng lignin để xử lý Hg2+ và Cd2+
trong nước” đƣợc đề xuất với tính thực tiễn cao, đồng thời góp phần bảo vệ môi
trƣờng nƣớc và giảm các tác động có hại tới sức khoẻ của cộng đồng.

Luận văn thạc sỹ

3

Trần Đức Giang

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG
NƢỚC VÀ SỬ DỤNG LIGNIN ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG

I.1. TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG Ở VIỆT NAM
I.1.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nƣớc
I.1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nƣớc thải
Ơ nhiễm mơi trƣờng bởi các kim loại nặng là một vấn đề lớn trong nhiều
ngành sản xuất công nghiệp ở Việt Nam. Nƣớc thải của các ngành cơng nghiệp nhƣ
khai khống, mạ điện, pin ắc qui, cơ khí chứa ion kim loại nặng nhƣ Cu 2+, Zn2+,
Pb2+, Cd2+…với nồng độ cao từ vài mg/l đến vài trăm mg/l. Tuy nhiên với thực
trạng hiện nay các dịng thải này đều khơng đƣợc xử lý hoặc xử lý không hiệu quả
đã gây nguy hại cho môi trƣờng tiếp nhận bởi các kim loại nặng có xu hƣớng tích tụ
trong tế bào thực vật, động vật và con ngƣời gây tác động xấu tới sinh vật và sức
khỏe con ngƣời.
Các khảo sát đặc trƣng ô nhiễm của nƣớc thải của một số cơ sở sản xuất đặc
trƣng nhƣ cơ sở mạ điện, sản xuất ắc quy, cơ khí ở các tỉnh phía Bắc đã nhận định
rằng: Hầu hết nƣớc thải đều xuất hiện các kim loại nặng nhƣ As, Cd, Cu, Hg, Pb,
Ni, Zn, Cr... với các nồng độ khác nhau, tùy thuộc vào đặc điểm công nghệ của từng
ngành (Bảng 1.1).
Kết quả phân tích ở bảng 1.1 và so sánh với QCVN 40-2011 cột B cho thấy
rằng: Một số ion kim loại nặng nhƣ ∑Cr, Ni2+, Zn2+ trong nƣớc thải công ty KYB
Việt Nam vƣợt quá QCVN 40 – 2011 cột B nhiều lần. Nƣớc thải từ cơng ty
Longtech có hàm lƣợng kim loại Ni2+ vƣợt gấp trên 7 lần và Zn2+ vƣợt 2 lần so với
QCVN 40-2011 cột B. Đáng chú ý là nƣớc thải phát sinh từ q trình sản xuất ắc

quy của Cơng ty TNHH Ắc quy Hải Phịng có hàm lƣợng kim loại Hg 2+ vƣợt quá
QCVN 40-2011 hơn 3 lần; Pb2+ rất cao, vƣợt quá tiêu chuẩn QCVN 40-2011 cột B
hơn 320 lần; hàm lƣợng kim loại Zn2+ cũng vƣợt quá QCVN 40-2011 cột B hơn 2
lần. Đây đều là những kim loại có độc tính cao nên cần đƣợc xử lý hiệu quả đáp ứng
đƣợc tiêu chuẩn xả thải và tái sử dụng cho quá trình sản xuất.


Luận văn thạc sỹ

Trần Đức Giang

4

Bảng 1.1. Nước thải tại một số cơ sở cơ khí, mạ kim loại ở phía Bắc [1 4]

Hàm lƣợng (mg/l)

Thơng
số
Cơng ty

Cơng ty

Cơng ty

Cơng ty

Cơng ty

QCVN

Longtech

quy chế

ắc quy

phụ tùng

KYB Việt

40-2011

Từ Sơn

Hải

xe máy

Nam

cột B

Phịng

Việt Nam

Cd

<0.0001

0.0014

-

0.0003

-

0.1

Hg

0.0004

0.0001

0.037

<0.0001

0.00035

0.01

∑Cr

0.059

0.205

-

0.025

3364

1

Ni

3.82

0.068

-

0.003

23.72

0.5

Zn

6.4

1.2

7.9

0.14

5.32

3

Pb

0.063

0.093

165.76

0.006

0.38

0.5

Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc không chỉ xảy ra
phổ biến ở các khu công nghiệp và các cơ sở sản xuất mà đây còn là vấn đề đáng
quan tâm tại nhiều cơ sở sản xuất nhỏ ở các làng nghề truyền thống.
Kết quả phân tích nƣớc thải tại các làng nghề tái chế kim loại ở tỉnh Thái
Bình ở bảng 1.2 cho thấy rằng: các mẫu nƣớc thải đều chứa kim loại nặng. Đặc biệt
là nƣớc thải của làng Nam Cao có hàm lƣợng Cd2+ vƣợt QCVN 40:2011(cột B) xấp
xỉ 2 lần, của làng nghề Đồng Xâm có hàm lƣợng Pb2+ vƣợt QCVN 40:2011 (cột B)
trên 5 lần, hàm lƣợng kim loại Zn2+ vƣợt QCVN 40:2011 (cột B) trên 16 lần, hàm
lƣợng Cu2+ vƣợt QCVN 40:2011 (cột B) gần 90 lần và Cr6+ vƣợt QCVN 40:2011

(cột B) trên 7 lần. Đây là làng nghề tái chế kim loại có cơng nghệ lạc hậu và khơng
có hệ thống xử lý nƣớc thải. Vì vậy, các dịng thải này đổ ra các nguồn tiếp nhận sẽ
gây ra ô nhiễm môi trƣờng nƣớc và đất.


Luận văn thạc sỹ

Trần Đức Giang

5

Bảng 1.2. Hàm lượng kim loại nặng trong nước thải ở làng nghề Thái Bình [7]

KLN

Đơn vị

Đồng Xâm

Nam Cao

QCVN(B) 40-2011

Cd

mg/L

0.005

0.18

0.1

Cr(VI)

mg/L

0.74

0.071

0.1

Cu

mg/L

178.8

0.23

2

Pb

mg/L

2.75

0.167

0.5

Zn

mg/L

48.4

2.56

3

Ghi chú: Giá trị trong bảng là giá trị trung bình của nhiều dịng thải của các làng
nghề.
I.1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nƣớc mặt
Hiện nay môi trƣờng ở Việt Nam đang chịu ảnh hƣởng tiêu cực bởi sự gia
tăng phế thải. Phần lớn nguồn phế thải công nghiệp chƣa đƣợc xử lý hay xử lý
không hiệu quả đều đổ vào các nguồn tiếp nhận, dẫn đến hậu quả là môi trƣờng
nƣớc mặt bị ô nhiễm. Chất thải từ các ngành mạ điện, cơ khí, khai thác khống sản
v.v…có chứa hàm lƣợng kim loại, khi đổ vào môi trƣờng nƣớc mặt, sẽ làm cho môi
trƣờng nƣớc mặt bị ô nhiễm kim loại nặng tác động tiêu cực đến môi trƣờng sống
thủy sinh và con ngƣời.
Thực tế cho thấy rằng, chất lƣợng nguồn nƣớc của hệ thống sơng ngịi ở Hà
nội đang bị báo động bởi hiện tƣợng ô nhiễm kim loại nặng. Các kết quả khảo sát
các điểm dọc dịng sơng Kim Ngƣu – Tô Lịch cho thấy rằng: các ion kim loại nặng
nhƣ Pb2+, Zn2+, Cd2+, Ni2+, Cu2+ v.v… đã xuất hiện trong các mẫu khảo sát với nồng
độ tƣơng đối cao (bảng 1.3). Đáng chú ý là các kim loại có độc tính cao nhƣ Cd, Cr
và Pb đều có nồng độ vƣợt QCVN 08:2008 (B1) nhiều lần. Cụ thể, Cd2+ vƣợt
QCVN hiện hành từ 8-10 lần, Pb2+ vƣợt QCVN từ 2-3 lần, đối với Zn2+ thì nồng độ

nằm dƣới QCVN ở các điểm khảo sát trừ điểm khảo sát trạm bơm Yên Sở. Nguyên
nhân gây ô nhiễm kim loại nặng ở sơng Kim Ngƣu – Tơ Lịch có thể đƣợc giải thích
là do sự đóng góp của các dịng thải cơng nghiệp, sinh hoạt, dịch vụ v.v...trong đó,


Luận văn thạc sỹ

Trần Đức Giang

6

các dịng nƣớc thải cơng nghiệp chứa hàm lƣợng kim loại nặng đã không đƣợc xử lý
hay xử lý không hiệu quả, là nguồn thải chính gây ơ nhiễm kim loại nặng nề cho các
dịng sơng.
Bảng 1.3. Hàm lượng kim loại nặng có trong nước sơng Kim Ngưu – Tơ Lịch [1]

Vị trí

Nồng độ kim loại mg/l
Cd

Pb

Cr

Ni

Zn

Chợ Bƣởi

0.09

0.82

4.8

0.25

0.74

Ngã tƣ Sở

0.1

1.56

4.89

0.38

0.88

Đại Kim

1.03

0.87

4.77

0.27

1.05

Linh Đàm

0.1

0.9

5.04

0.31

0.79

Cầu Bƣơu

0.09

1.24

8.77

0.26

0.88

Trạm bơm Yên Sở

0.09

0.91

8.77

0.26

1.87

Hồ Yên Sở

0.09

1.74

5.96

0.3

1.25

Cầu Mai Động

0.08

0.65

4.2

0.25

0.74

QCVN 08-2008 (B1)

0.01

0.05

0.5

0.1

1.5

Nghiên cứu tại vùng Thanh Trì – Hà Nội cũng cho thấy rằng tình trạng ô
nhiễm kim loại nặng trong nguồn nƣớc mặt sử dụng cho chăn nuôi, trồng rau, trồng
hoa đã trở nên phổ biến (hình 1.1). Các điểm lấy mẫu đều có hàm lƣợng kim loại
Cd2+, Hg2+, Pb2+ cao hơn QCVN hiện hành. Đáng chú ý mẫu nƣớc hồ nuôi cá, ruộng
rau muống, mƣơng tƣới đều chứa hàm lƣợng ion Cd2+ cao hơn QCVN 08 xấp xỉ 5
lần, Hg2+ cũng cao hơn với QCVN 08 – 2008 từ 3-5 lần. Đây là những kim loại đều
có khả năng tích tụ trong cây trồng gây ảnh hƣởng tiêu cực đến sức khỏe con ngƣời.


Luận văn thạc sỹ

7

Trần Đức Giang

QCVN 08 – B1

QCVN 08 – B1

Hình 1.1. Hàm lượng Cd, Hg trong nước mặt ở Thanh Trì
Nhƣ vậy đối với nƣớc thải từ các hoạt động công nghiệp cũng nhƣ các làng
nghề với các loại hình sản xuất phổ biến là lắp ráp điện tử, gia cơng bề mặt, cơ
khí… thì kim loại là vấn đề ơ nhiễm đặc trƣng của các dịng thải. Hàm lƣợng kim
loại có xu hƣớng tăng lên theo thời gian, các kim loại có hàm lƣợng vƣợt quá
QCVN nhƣ Pb2+, Cd2+, Hg2+, Ni2+. Đây là những kim loại có độc tính cao địi hỏi
phải xử lý trƣớc khi đổ ra nguồn tiếp nhận. Mặt khác do giá trị sử dụng cao nên việc
xử lý và thu hồi các kim loại này là rất cần thiết.
I.1.1.3. Ảnh hƣởng của kim loại nặng tới môi trƣờng và sức khỏe cộng đồng
Kim loại nặng trong mơi trƣờng rất khó bị phân huỷ nên thƣờng tích tụ trong
đất, nƣớc, trầm tích, khơng khí và vi sinh vật. Kim loại nặng có thể xâm nhập vào


Luận văn thạc sỹ

8

Trần Đức Giang

cơ thể ngƣời và các sinh vật khác qua chuỗi thức ăn. Kim loại nặng cũng nhƣ các
ngun tố khác cũng có vai trị quan trọng cho dinh dƣỡng của thực vật và động vật.
Chúng đóng vai trị thiết yếu nhƣng đều chỉ ở mức vi lƣợng, nhƣng nếu ở hàm
lƣợng cao thì có thể bị ảnh hƣởng đến sự tăng trƣởng, dẫn đến sự phát triển khơng
bình thƣờng, thậm chí gây tử vong. Chúng tích tụ vào các mơ sống qua chuỗi thức

ăn mà ở đó con ngƣời là mắt xích cuối cùng. Các tác động và cơ chế gây độc của
nhiều kim loại nặng đối với cơ thể ngƣời và động vật cũng đã đƣợc tìm ra, tuy nhiên
nhân loại đã phải trả một giá khá đắt để có đƣợc nhận thức này. Bệnh Minamata ở
Nhật Bản, câu chuyện về loài chim scopa ở Thụy Điển, vụ ơ nhiễm Cadimi ở Cộng
Hịa Liên Bang Đức những năm 70..., là những ký ức đau buồn liên quan tới sự
thiếu hiểu biết của chúng ta đối với việc sử dụng và quản lý các hợp chất chứa các
kim loại nặng độc hại [11].
Khảo sát tại làng nghề Chỉ Đạo – Hƣng Yên tỷ lệ mắc bệnh đối với ngƣời
tham gia tái chế chì là rất cao. Số ngƣời đƣợc kiểm tra sức khoẻ là 32 ngƣời (15 nữ
và 17 nam). Số ngƣời tham gia công việc trên 10 năm chiếm 78% và dƣới 10 năm
chiếm 22%. Kết quả đƣợc trình bày ở bảng 1.4.
Ngồi ra cịn thấy có 4 trƣờng hợp có đƣờng viền chì Burton cổ điển và có 4
trƣờng hợp gia đình tham gia tái chế chì có con bị liệt và mù bẩm sinh.
Bảng 1.4. Một số loại bệnh đã xuất hiện ở Chỉ Đạo [8]

Bệnh

Tỷ lệ %

Hô hấp

65,6

Suy nhƣợc thần kinh

78,1

Khớp mãn tính

49,4

I.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG
I.2.1. Các phƣơng pháp xử lý kim loại nặng trong nƣớc [10, 12, 15, 18, 20]
Hiện nay đã có nhiều phƣơng pháp xử lý kim loại nặng trong nƣớc thải đƣợc
nghiên cứu và áp dụng trong thực tế nhƣ phƣơng pháp kết tủa hóa học, phƣơng
pháp trao đổi ion, phƣơng pháp hấp phụ, phƣơng pháp màng, phƣơng pháp điện


Luận văn thạc sỹ

9

Trần Đức Giang

hóa, phƣơng pháp sinh học. Mỗi phƣơng pháp có ƣu và nhƣợc điểm riêng và phạm
vi ứng dụng nhất định. Vì vậy, để có thể lựa chọn phƣơng pháp áp dụng đƣợc trong
thực tế, phù hợp với điều kiện sản xuất cần lƣu ý tới các vấn đề nhƣ: mức độ ô
nhiễm của nƣớc thải cần xử lý, tiêu chuẩn cần đạt đƣợc cho đầu ra của nƣớc thải,
tính chất lý, hóa và nhiệt động học của chất ơ nhiễm cần loại bỏ trong dịng thải,
tính chất lý, hóa của chất rắn phát sinh sau q trình xử lý.
I.2.1.1. Phƣơng pháp kết tủa hóa học
Phƣơng pháp kết tủa hóa học dựa trên phản ứng hóa học giữa hóa chất đƣa
vào nƣớc thải với kim loại cần tách khỏi nƣớc thải.
Nguyên tắc của phƣơng pháp là độ hòa tan của kim loại trong dung dịch phụ
thuộc vào pH, ở giá trị pH nhất định của dung dịch, nồng độ kim loại vƣợt quá nồng
độ bão hòa sẽ bị kết tủa và kết tủa này đƣợc tách ra khỏi dung dịch bằng phƣơng
pháp lắng.
Phƣơng pháp kết tủa hóa học đƣợc áp dụng phổ biến trong xử lý nƣớc thải
giai đoạn I cho ngành công nghiệp mạ, gia cơng kim loại trƣớc khi dịng thải đƣợc
đƣa vào trạm xử lý chung.

Ưu điểm: Hiệu quả xử lý cao với dịng thải có lƣu lƣợng lớn, nồng độ ơ nhiễm kim
loại cao. Chi phí khá thấp, vận hành đơn giản.
Nhược điểm: cần sử dụng lƣợng lớn hóa chất đƣa thêm vào dòng thải làm tác nhân
kết tủa. Tạo ra lƣợng bùn thải với nồng độ kim loại cao, nếu không có biện pháp xử
lý đúng kỹ thuật thì đây là nguồn gây ô nhiễm thứ cấp.
I.2.1.2. Phƣơng pháp trao đổi ion
Trao đổi ion là q trình trong đó các ion trên bề mặt chất rắn trao đổi với
ion có cùng điện tích trong dung dịch khi chất rắn tiếp xúc với dung dịch. Các chất
có khả năng trao đổi với các ion dƣơng từ dung dịch điện ly gọi là cationit, chúng
mang tính axit. Các chất có khả năng trao đổi với các ion âm gọi là anionit và các
chất này mang tính kiềm.


Luận văn thạc sỹ

10

Trần Đức Giang

Ưu điểm: Hiệu suất xử lý cao, vận hành đơn giản, có thể thu hồi các kim loại có giá
trị và tái sử dụng vật liệu trao đổi ion, không tạo ra chất thải thứ cấp. Tiết kiệm
không gian chứa thiết bị
Nhược điểm: giá thành chế tạo vật liệu trao đổi cao, thiết bị không thích hợp với nhà
máy có lƣợng nƣớc thải lớn.
I.2.1.3. Phƣơng pháp điện hóa
Phƣơng pháp sử dụng các q trình oxy hóa cực anot và khử cực catot, đơng
tụ điện v.v…để làm sạch nƣớc thải khỏi các tạp chất hòa tan và phân tán, có thể tiến
hành gián đoạn hoặc liên tục.Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên các điện cực
khi cho dòng điện một chiều đi qua nƣớc thải.
Ưu điểm: có thể thu hồi các sản phẩm có giá trị trong nƣớc thải tƣơng đối đơn giản, dễ

cơ giới hóa và tự động hóa mà khơng cần sử dụng các tác nhân hóa học.
Nhược điểm: Chỉ thích hợp với nƣớc thải có nồng độ kim loại cao (>1g/l). Dù hiệu
suất xử lí có thể lên tới 90% nhƣng nồng độ kim loại trong nƣớc thải sau xử lí chƣa
triệt để (>0,5mg/l). Ngồi ra, phƣơng pháp này thƣờng có chi phí điện năng rất lớn.
I.2.1.4. Phƣơng pháp sinh học
Nguyên tắc của phƣơng pháp là dựa vào khả năng hấp thụ kim loại của một
số thực vật thủy sinh nhƣ rong, tảo, bèo hoặc của một số vi sinh vật sử dụng kim
loại nhƣ chất vi lƣợng trong quá trình tạo sinh khối. Phƣơng pháp sử dụng thực vật
để xử lý kim loại nặng đòi hỏi thực vật đáp ứng một số điều kiện nhƣ dễ trồng, cho
sinh khối nhanh trong điều kiện ô nhiễm cao. Tuy nhiên phần lớn các lồi thực vật
có khả năng tích lũy kim loại nặng cao thƣờng phát triển chậm, sinh khối thấp trong
khi thực vật cho sinh khối nhanh thƣờng rất nhạy cảm với mơi trƣờng có nồng độ
kim loại nặng cao. Một hạn chế nữa của phƣơng pháp đó là yêu cầu diện tích lớn,
chỉ xử lí nƣớc thải có nồng độ kim loại nặng nhỏ và hiệu suất xử lý sẽ giảm nếu
trong đất hoặc nƣớc thải chứa lẫn nhiều kim loại nặng.
I.2.1.5. Phƣơng pháp hấp phụ
Phƣơng pháp hấp phụ là q trình hấp phụ chất bẩn hịa tan ở bề mặt ranh
giới giữa pha lỏng và pha rắn. Đây là phƣơng pháp hiệu quả để thu hồi các cấu tử


Luận văn thạc sỹ

11

Trần Đức Giang

quý hiếm, làm sạch khí thải, nƣớc thải khi nồng độ chất ô nhiễm trong dịng thải
khơng lớn. Trong xử lý nƣớc thải, phƣơng pháp hấp phụ có khả năng xử lý triệt để
nƣớc thải chứa đồng thời nhiều kim loại nặng với nồng độ ion trong dung dịch nhỏ.
Một ƣu điểm lớn của hấp phụ so với các phƣơng pháp khác là có thể sử dụng

các vật liệu tự nhiên để xử lý môi trƣờng nhƣ các khoáng, vật liệu trấu, mùn cƣa
hoặc tận dụng chất thải của ngành khác nhƣ tro bay, xỉ than, bùn thải. Hơn nữa các
vật liệu hấp phụ có thể hoàn nguyên, tái sử dụng. Hấp phụ kim loại nặng bằng các
vật liệu tự nhiên đƣợc đánh giá là phƣơng pháp có hiệu suất cao, giá thành rẻ.
I.2.2. Nghiên cứu về xử lý kim loại nặng ở Việt Nam
Kim loại nặng có thể gây nguy hại đến con ngƣời và đời sống sinh vật khi
nồng độ vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép. Mặc dù, khi nồng độ của các kim loại nặng
dƣới tiêu chuẩn cho phép, chúng có thể gây nhiễm độc mãn tính do tính tích luỹ
trong hệ thống sinh học [9].
Từ trƣớc đến nay, kim loại nặng đƣợc xử lý bằng nhiều phƣơng pháp khác
nhau nhƣ phƣơng pháp kết tủa hoá học, lọc màng, điện hoá, hấp phụ và hấp phụ
sinh học. Phƣơng pháp hấp phụ đƣợc ứng dụng để xử lý kim loại nặng trong nƣớc
do tính ƣu việt là thiết kế đơn giản, khơng phát sinh ra bùn và giá thành đầu tƣ thấp
[10, 11, 12]. Trong đó, than hoạt tính có tính hấp phụ cao và nhanh [12]. Bên cạnh
đó, các phƣơng pháp truyền thống cũng đƣợc sử dụng phổ biến trong xử lý kim loại
nặng nhƣ kết tủa hố học nhƣng có nhƣợc điểm là không xử lý triệt để đƣợc kim
loại nặng, sử dụng tác nhân hoá học và tạo ra bùn chứa kim loại nặng [15]. Trao đổi
ion có thể xử lý kim loại nặng hiệu suất cao nhƣng giá thành đắt [16]. Do do, hấp
phụ sử dụng các vật liệu giá thành thấp, thân thiện với môi trƣờng là một trong
những giải pháp có tính khoa học và đạt hiệu quả kinh tế cao. Nhiều vật liệu hấp
phụ giá rẻ thân thiện môi trƣờng nhƣ vật liệu tự nhiên, phế phẩm nơng nghiệp (bã
mía, tro bã mía, mùn cƣa, bã chè, chitosan, sinh khối, zeolit, rong biển, v.v…) đã
đƣợc ứng dụng để nghiên cứu xử lý kim loại nặng và đạt đƣợc các kết quả nhất định
[18, 19, 20].
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu tìm ra các vật liệu để xử lý kim loại nặng trong
nƣớc, phù với với điều kiện Việt nam gần đây cũng đƣợc quan tâm. Các vật liệu tự


Luận văn thạc sỹ

12

Trần Đức Giang

nhiên có sẵn hoặc tận dụng những chất thải công nghiệp, nông nghiệp (cây dƣơng
xỉ, cỏ ventiver, than mùn, xơ dừa…) để xử lý kim loại nặng trong nƣớc đã đƣợc
thực hiện nghiên cứu ở nƣớc ta và cho những kết đáng ghi nhận [21, 22, 27, 25, 28,
39].
Cỏ Vetiver có khả năng đặc biệt về xử lý ô nhiễm nƣớc là khả năng hấp thụ
nhanh chóng các kim loại nặng và các chất dinh dƣỡng khác trong nƣớc và có thể
chịu đƣợc những chất này dù ở hàm lƣợng rất cao. Tuy hàm lƣợng những chất này
trong cỏ Vetiver nhiều khi không cao nhƣ ở một số giống cây siêu tích tụ khác
nhƣng do nó phát triển rất nhanh và cho năng suất rất cao (năng suất cỏ khô đạt tới
100 tấn/ha/năm) nên cỏ Vetiver có thể tiêu giảm một lƣợng chất dinh dƣỡng và kim
loại nặng lớn hơn rất nhiều so với phần lớn các giống cây siêu tích tụ khác [28].
Cây dƣơng xỉ - một loại cây mọc dại ở Việt Nam cũng có khả năng xử lý kim loại
nặng trong nƣớc. Hiệu suất hấp phụ Pb2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+, Ni2+ bởi cây dƣơng xỉ
khá cao, đạt 99.5% đối Pb2+, 84.5% đối với Cu2+, 87.5% đối với Cd2+, 73.2% đối
với Zn2+ và 64.6% đối với Ni2+ tại pHcân bằng tƣơng ứng và nồng độ ban đầu 50 mg/l
[21].
Gần đây các nhà khoa học Việt Nam đã phát hiện ra một loài cây dại có tên
là thơm ổi thƣờng mọc hoang dại ở Việt Nam cũng có khả năng đặc biệt trong xử lý
chất thải độc hại. Lồi cây này có khả năng hấp thụ kim loại nặng gấp 100 lần bình
thƣờng và sinh trƣởng rất nhanh. Khả năng “ăn” kim loại nặng của thơm ổi, tuy
chƣa bằng các loài dây leo, nhƣng bù lại chúng lớn nhanh nhƣ thổi, rất dễ trồng và
chăm sóc. Lồi cây này hút lƣợng Pb2+ khá lớn, trung bình cao gấp 500-1.000 lần,
thậm chí cịn lên tới 5.000 lần so với cây đối chứng mà không bị ảnh hƣởng. Chúng
đƣợc xem là loài siêu hấp thụ kim loại nặng là Pb2+ và Cd2+ trong nƣớc và đất [27].
Xơ sợi của vỏ dừa cũng là một loại vật liệu khác thân thiện môi trƣờng đã ứng dụng
nghiên cứu trong xử lý kim loại nặng ở Việt Nam. Xơ sợi của vỏ dừa vốn rất phong

phú ở nƣớc ta, đã đƣợc các nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng trong quá trình xử lý
Pb2+, Zn2+ từ dung dịch nitrate. Cơ chế xử lý những kim loại bằng xơ sợi dừa chủ
yếu là dựa trên cơ chế trao đổi cation. Hiệu suất trao đổi tƣơng đối cao, 97% đối với
Pb2+ và 68% đối với Zn2+ [22].


Luận văn thạc sỹ

13

Trần Đức Giang

Nghiên cứu ứng dụng các vật liệu để xử lý kim loại nặng trong nƣớc ở Việt
Nam và trên Thế giới luôn nhận đƣợc sự quan tâm và đạt đƣợc các kết quả đáng ghi
nhận. Tuy nhiên, việc nghiên cứu thăm dò khả năng xử lý kim loại bằng các vật liệu
thân thiện môi trƣờng đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học hiện nay. Các
nhà khoa học Việt nam nhận định đƣợc tiềm năng ứng dụng vật liệu tự nhiên và phế
phẩm nông nghiệp, công nghiệp trong xử lý nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng là rất
lớn. Vì vậy, việc nghiên cứu khả năng ứng dụng phế phẩm là các hợp chất lignin để
xử lý kim loại nặng trong nƣớc thải và dịch thải là rất cần thiết, có ý nghĩa cao về
khoa học và thực tiễn, phù hợp với mục tiêu phát triển bền vững của đất nƣớc.
I.3. ỨNG DỤNG LIGNIN ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG
I.3.1. Giới thiệu về Lignin
I.3.1.1. Giới thiệu chung về lignin
Thuật ngữ “lignin” đƣợc đƣa ra vào năm 1819 bởi De Candolle, nó có nguồn
gốc Latin là lignum, nghĩa là gỗ [30].
Lignin là một hợp chất hoá học phức tạp, chủ yếu đƣợc tách ra từ gỗ và là một
phần không thể thiếu của màng tế bào thực vật. Lignin là polyme hữu cơ phổ biến
nhất sau xenlulô, chiếm 30% các mẫu cacbon hữu cơ chƣa hoá thạch và tạo thành từ
1/4 đến 1/3 khối lƣợng gỗ khơ [31].

Hình 1.2. Hàm lượng lignin trong gỗ tự nhiên
Hàm lƣợng lignin trong gỗ thay đổi không những phụ thuộc vào loại cây mà
còn phụ thuộc vào tuổi cây, điều kiện địa lý. Thông thƣờng hàm lƣợng lignin
khoảng 25 - 40%. Trong các cây lá nhọn chứa 20 – 30%, trong cây lá rộng 20 –
25%, trong các cây cỏ 5 – 9% [31].


Luận văn thạc sỹ

14

Trần Đức Giang

I.3.1.2. Cấu trúc phân tử lignin
Lignin là hợp chất raxemic với khối lƣợng phân tử lớn, có đặc tính thơm và kị nƣớc.
Nghiên cứu xác định độ trùng hợp của lignin, ngƣời ta thấy có sự phân đoạn trong q
trình chiết và phân tử có chứa nhiều loại tiền chất xuất hiện lặp đi lặp lại một cách ngẫu
nhiên trong đó chủ yếu là các mắt xích là dẫn xuất của phenylpropan [33].

Hình 1.3. Cấu trúc một phần phân tử lignin

Các nhóm chức có ảnh hƣởng lớn nhất đến tính chất của lignin là các nhóm
hydroxyl liên kết trực tiếp với nhân thơm, nhóm hidroxyl liên kết với mạch cacbon
và nhóm cacbonyl. Hàm lƣợng của các nhóm chức thay đổi tùy theo lồi thực vật và
cấp của tế bào thực vật. Hàm lƣợng nhóm chức của lignin trong gỗ đƣợc trình bày ở
Bảng 1.5 [33].


Luận văn thạc sỹ

Trần Đức Giang

15

Bảng 1.5. Số lượng các nhóm chức của lignin trong gỗ [36, 37]
Nhóm chức

Gỗ lá kim

Gỗ lá rộng

Metoxyl

92-96

139-158

Hydroxyl phenol (tự do)

15-30

9-13

Hydroxyl benzylic

15-20

-

Ete benzylic dạng mở

7-9

-

Cacbonyl

20

-

c. Cấu trúc phổ của lignin [34].
Phổ IR của lignin có một pic rộng ở 3200  4000 cm-1, hai pic riêng biệt ở
1600  1700 cm-1, một triplet ở 500  1400 cm-1, 5 pic mạnh ở 1100  1300 cm-1 và
2 pic ở 800  850 cm-1. Các số liệu này khẳng định sự có mặt của vũng thơm, mạch
thẳng no, nhóm hydroxyl và nhóm cacbonyl có trong phần tử lignin.
Phổ tử ngoại của các lignin đều có hấp phụ cực đại ở 280nm, vị trí này khơng
thay đổi khi metoxyl hoá, axyl hoá hay xử lý với kiềm. Bằng thang buthochromic
của giải hấp phụ tử ngoại ngƣời ta phát hiện ra nhóm hydroxyl phenolic trong
lignin.
Phổ cộng hƣởng từ của lignin cho thấy có liên kết hydro giữa -hidroxyl
nhóm -ete ở dạng glyxerol--aryl ete. Sau khi đề hidrohoá phổ NMR cho thấy có
tạo vũng furan và có cấu hình diequatorial của pinoresunal. Khi thực hiện phản ứng
axyl hoá ngƣời ta cũng xác định đƣợc thêm các nhóm hydroxyl thơm, thẳng và tổng
hydroxyl trong lignin.


Luận văn thạc sỹ

16

Trần Đức Giang

Hình 1.3. Cấu trúc phổ hồng ngoại của lignin
I.3.1.3. Tính chất của lignin
a. Tính chất vật lí của lignin
Trong gỗ, các cấu tử chính của thành tế bào không nằm riêng rẽ mà tồn tại
dƣới dạng một tổ hợp chất phức tạp, trong đó lignin, hemixenlulôza và xenlulôza
xâm nhập vào nhau tạo thành dạng nhƣ một dung dịch rắn. Trong dung dịch rắn đó,
có thể tồn tại liên kết hoá học và liên kết hydro giữa các hợp phần [31].
Ở điều kiện bình thƣờng, lignin không tan trong các dung môi thông thƣờng.
Để phân chia các đại phân tử lignin thành các phần nhỏ hơn, hồ tan đƣợc vào dung
dịch, cần phải dùng các hố chất có tác dụng mạnh. Ngay cả trong các trƣờng hợp
đó, ta cũng khơng thể tách hồn tồn lignin khỏi nguyên liệu thực vật.
Các nghiên cứu về lignin thƣờng đƣợc tiến hành với chất mô phỏng, hoặc
dựa trên các sản phẩm phân huỷ bằng phƣơng pháp cơ lý, hố học.
Tính chất đặc trƣng của lignin thể hiện rất rõ qua nghiên cứu dung dịch.
Nhiều tác giả đã xác định độ nhớt đặc trƣng của dung dịch lignin, thông số phân
nhánh và mức độ đa phân tán của chúng. Các công trình này đã cung cấp nhiều
thơng tin hữu ích về cấu tạo và cấu trúc của lignin tự nhiên.


Luận văn thạc sỹ

17

Trần Đức Giang

Tuy nhiên, đây cũng chỉ là những nhận xét tƣơng đối, vì dƣới tác dụng cơ lý,

một số liên kết bị đứt và cũng có thể xảy ra hiện tƣợng kết hợp lại, khác với liên kết
vốn có ban đầu [31].
Một tính chất quan trọng khác của dung dịch lignin là sự liên hợp giữa các
phân tử trong dung dịch. Một số nhà nghiên cứu cho rằng, lignin tự nhiên vốn có
khối lƣợng phân tử khơng lớn nhƣng khi hồ tan vào dung dịch, các phân tử có xu
hƣớng liên hợp lại với nhau tạo thành các tổ hợp phức có khối lƣợng phân tử lớn
hơn. Sarkanen cho rằng đây là quá trình thuận nghịch và phụ thuộc vào bản chất của
dung môi. Các phân đoạn lignin sunfat có khối lƣợng phân tử thấp có thể tạo ra các
tổ hợp phức trong một số dung môi [36].
Connors và đồng nghiệp (1980) phát hiện ra rằng, trong dung môi kị nƣớc,
sự liên hợp tạo phức đã làm tăng khối lƣợng phân tử biểu kiến của lignin gấp ba lần
so với giá trị vốn có. Hiện tƣợng liên hợp phân tử này là hiện tƣợng hoá lý thƣờng
xảy ra với hệ chất thơm, kể cả chất thơm có khối lƣợng phân tử thấp. Nhƣ vậy,
lignin là chất dễ tham gia vào q trình liên hợp, do đó để đo giá trị khối lƣợng
phân tử chính xác hơn ta cần tìm đƣợc dung mơi hịa tan thích hợp [31].
Các thông số về khối lƣợng phân tử và độ đa phân tán của lignin thƣờng
khác nhau, phụ thuộc vào nguồn gốc lignin cũng nhƣ phƣơng pháp thực nghiệm.
Với gỗ lá kim, khối lƣợng phân tử trung bình của lignin khoảng 20.000 đơn vị
cacbon nhƣng đối với gỗ cây lá rộng thƣờng thấp hơn. Nhìn chung, độ phân tán của
lignin cao hơn so với xenlulôza. Tỷ lệ Mw/Mn (số đo độ đa phân tán) ở xenlulôza
dao động trong khoảng 1,5 – 2,0, trong khi đó ở lignin, tỉ lệ này có thể dao động
trong khoảng 3 – 11 hoặc cao hơn [32].
b. Tính chất hố học của lignin
Lignin là hợp chất cao phân tử mang đặc tính thơm và có cấu tạo phân tử rất
phức tạp, với nhiều kiểu liên kết dime. Hơn nữa, các đơn vị mắt xích phenylpropan
lại có nhiều loại nhóm chức cũng nhƣ nhiều đặc trƣng về cấu tạo. Do đó, lignin có
thể tham gia hàng loạt phản ứng hoá học nhƣ phản ứng thế, phản ứng cộng, phản
ứng oxy hoá, phản ứng ngƣng tụ, trùng hợp …