Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ mướp và khảo sát khả năng hấp phụ ion cu2+ trong môi trường nước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA
--------------

CAO THỊ ĐỨC PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ
XƠ MƯỚP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
ION Cu2+ TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN QUẢN LÝ MƠI TRƯỜNG

Đà Nẵng, tháng 5/ 2015


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA
--------------

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ
XƠ MƯỚP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
ION Cu2+ TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn

: TS. Vũ Thị Duyên

Sinh viên thực hiện

: Cao Thị Đức Phương

Lớp

: 11CQM

Đà Nẵng, tháng 5/ 2015


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘi CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐHSP
KHOA HOÁ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc



NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Cao Thị Đức Phương
Lớp: 11 CQM
1. Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ mướp và khảo
sát khả năng hấp phụ ion Cu2+ trong môi trường nước
2. Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị: xơ mướp, máy khuấy từ, máy pH, tủ sấy,

bình tam giác, phễu lọc, giấy lọc,...
3. Nội dung nghiên cứu: khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo
vật liệu hấp phụ (nồng độ axit citric, tỉ lệ rắn : lỏng, thời gian biến tính). Khảo sát
các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ ion Cu2+ của vật liệu hấp phụ (pH dung
dịch, thời gian đạt cân bằng, tỉ lệ rắn : lỏng) và so sánh với nguyên liệu thơ ban đầu,
từ đó rút ra nhận xét về khả năng hấp phụ ion Cu2+ của vật liệu hấp phụ. Sau đó,
tiến hành giải hấp và tái hấp phụ.
4. Giáo viên hướng dẫn: Ts. Vũ Thị Duyên.
5. Ngày giao đề tài: Ngày 26 tháng 8 năm 2014.
6. Ngày hoàn thành: Ngày 27 tháng 04 năm 2015.
Chủ nhiệm Khoa
Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS Lê Tự Hải

TS. Vũ Thị Duyên

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày….tháng…năm 2015
Kết quả điểm đánh giá:
Ngày…tháng…năm 2015
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA HÓA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

ĐỀ CƯƠNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Cao Thị Đức Phương
Lớp: 11CQM
1. Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ mướp và khảo sát
khả năng hấp phụ ion Cu2+ trong môi trường nước
2. Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị: xơ mướp, máy khuấy từ, máy pH, tủ sấy,
bình tam giác, phễu lọc, giấy lọc,...
3. Nội dung nghiên cứu: khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo
vật liệu hấp phụ (nồng độ axit citric, tỉ lệ rắn : lỏng, thời gian biến tính). Khảo sát
các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ ion Cu2+ của vật liệu hấp phụ (pH dung
dịch, thời gian đạt cân bằng, tỉ lệ rắn : lỏng) và so sánh với nguyên liệu thơ ban đầu,
từ đó rút ra nhận xét về khả năng hấp phụ ion Cu2+ của vật liệu hấp phụ. Sau đó,
tiến hành giải hấp và tái hấp phụ.
4. Giáo viên hướng dẫn: Ts. Vũ Thị Duyên.
5. Ngày giao đề tài: Ngày 26 tháng 8 năm 2014.
6. Ngày hoàn thành: Ngày 27 tháng 04 năm 2015.
Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên

TS. Vũ Thị Duyên

Cao Thị Đức Phương

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày….tháng…năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Vũ Thị Duyên và cô

Giang Thị Kim Liên, đã tạo điều kiện để em thực hiện đề tài và tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ để em có thể hồn thành tốt khóa luận này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong khoa Hóa nói riêng
và q thầy cơ giảng dạy tại Trường Đại học Sư phạm nói chung, những người đã
giảng dạy và cung cấp những kiến thức chuyên môn giúp em thực hiện thành cơng
khóa luận. Đặc biệt là các thầy cơ quản lí phịng thí nghiệm đã tạo mọi điều kiện
cho em có thể hồn thành khóa luận một cách thuận lợi.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các bạn cùng lớp đã giúp đỡ tơi trong việc tìm
kiếm tài liệu và đóng góp ý kiến cho tơi trong suốt q trình hồn thành khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày 10 tháng 5 năm 2015
Sinh viên

Cao Thị Đức Phương


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1
2. Mục đích và nội dung nghiên cứu ...........................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................2
6. Bố cục khóa luận .....................................................................................................3
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................4
1.1. Giới thiệu về cây mướp ......................................................................................4
1.1.1. Sơ lược về cây mướp.........................................................................................4
1.1.2. Xơ mướp ...........................................................................................................5
1.1.3. Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu hấp
phụ ...............................................................................................................................6

1.2. Tổng quan về kim loại nặng ..............................................................................7
1.2.1. Khái qt chung ................................................................................................7
1.2.2. Tình trạng nguồn nước bị ơ nhiễm nguồn kim loại nặng ..................................8
1.2.3. Tiêu chuẩn Việt Nam về nước thải chứa kim loại nặng ...................................8
1.2.4. Giới thiệu về kim loại đồng ..............................................................................9
1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ...............................................................10
1.3.1. Hiện tượng hấp phụ .........................................................................................10
1.3.1.1. Hấp phụ vật lý ..............................................................................................10
1.3.1.2. Hấp phụ hóa học ...........................................................................................11
1.3.2. Hấp phụ trong mơi trường nước ......................................................................12
1.3.3. Động học hấp phụ ...........................................................................................12
1.3.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ .............................12
1.3.5. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ...................................................14
1.3.6. Hiệu suất và hiệu dung hấp phụ ......................................................................14
1.3.6.1. Dung lượng hấp phụ cân bằng (q) ................................................................14


1.3.6.2. Hiệu suất hấp phụ (H%) ...............................................................................14
1.3.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ..................................................15
1.3.8. Quá trình giải hấp phụ .....................................................................................15
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............17
2.1. Nguyên liệu, dụng cụ, hóa chất .......................................................................17
2.1.1. Nguyên liệu .....................................................................................................17
2.1.2. Thiết bị và dụng cụ ..........................................................................................17
2.1.3. Hóa chất ..........................................................................................................17
2.2. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................18
2.2.1. Thu gom và xử lý mẫu xơ mướp .....................................................................18
2.2.1.1. Cách tiến hành ..............................................................................................18
2.2.1.2. Xác định độ ẩm ............................................................................................18
2.2.2. Biến tính xơ mướp bằng axit citric .................................................................19

2.2.2.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp este hóa xenlulozo bằng axit citric ...............19
2.2.2.2. Cách tiến hành ..............................................................................................20
2.2.2.3. Các yếu tố cần khảo sát đến q trình biến tính xơ mướp bằng axit citric ..20
2.2.3. Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) .........................................................................21
2.2.3.1. Nguyên tắc....................................................................................................21
2.2.3.2. Cấu tạo máy quang phổ hấp thụ nguyên tử ..................................................22
2.2.3.3. Phương pháp đường chuẩn ...........................................................................22
a. Cơ sở của phương pháp ........................................................................................22
b. Kỹ thuật thực nghiệm ............................................................................................23
2.2.4. Nghiên cứu tính chất bề mặt của VLHP .........................................................23
2.2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ ion kim loại nặng Cu
(II) của xơ mướp biến tính ........................................................................................23
2.2.4.1. Cách tiến hành ..............................................................................................23
2.2.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ cần khảo sát ..........................24
2.2.5. So sánh khả năng hấp phụ ion Cu2+ của xơ mướp chưa biến tính và xơ mướp
biến tính .....................................................................................................................26
2.2.6. Giải hấp và tái sử dụng vật liệu hấp phụ .........................................................26


2.2.6.1. Giải hấp ........................................................................................................26
2.2.6.2. Tái sử dụng VLHP .......................................................................................27
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .................................................................29
3.1. Xác định đặc tính hóa lý của nguyên liệu ban đầu .......................................29
3.1.1. Thu gom mẫu và xác định độ ẩm ....................................................................29
3.1.2. Nghiên cứu tính chất bề mặt của nguyên liệu thô ...........................................29
3.1.3. Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu xơ mướp thô .............................30
3.2. Kết quả khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến q trình biến tính xơ mướp bằng
axit citric...................................................................................................................31
3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ axit citric đến q trình biến tính xơ mướp .............31
3.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn: lỏng đến q trình biến tính xơ mướp .....................32

3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian biến tính đến q trình biến tính xơ mướp .............33
3.3. Xác định đặc tính hóa lý của nguyên liệu thô và VLHP...............................35
3.4. So sánh khả năng hấp phụ ion Cu2+ của xơ mướp chưa biến tính với xơ
mướp biến tính ........................................................................................................38
3.5. Khảo sát các yếu tớ ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ion kim loại Cu2+
của VLHP .................................................................................................................38
3.5.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ ......................................................39
3.5.2. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ ...............................40
3.5.3. Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến hiệu suất hấp phụ ..............................41
3.5.4. Đường đẳng nhiệt hấp phụ ion theo Langmuir ...............................................42
3.6. Giải hấp và tái sử dụng VLHP ........................................................................43
3.6.1. Giải hấp VLHP ................................................................................................43
3.6.2. Tái sử dụng VLHP ..........................................................................................44
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................47


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần lignocellulose trong xơ mướp .................................................6
Bảng 1.2. Giá trị giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp ...8
Bảng 1.3. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng [19] .................................13
Bảng 2.1. Mật độ quang của các dung dịch chuẩn ....................................................24
Bảng 3.1. Các điều kiện tối ưu để chế tạo VLHP từ xơ mướp .................................34
Bảng 3.2. Điều kiện tối ưu để quá trình hấp phụ của VLHP diễn ra tốt ...................42


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Giàn mướp...................................................................................................4
Hình 1.2. Xơ mướp .....................................................................................................5
Hình 1.3. Ứng dụng của xơ mướp...............................................................................5

Hình 1.3. Xơ mướp phóng đại 100 lần........................................................................6
Hình 1.5. Tinh thể đồng ..............................................................................................9
Hình 2.1. Phản ứng este hố giữa xenlulozo và axit citric ........................................19
Hình 2.2. Đường chuẩn phân tích Cu2+ .....................................................................24
Hình 3.1. Bột xơ mướp ban đầu ................................................................................29
Hình 3.2. Ảnh SEM của nguyên liệu thơ ..................................................................30
Hình 3.3. Hiệu suất hấp phụ axit axetic và ion Cu2+ của ngun liệu thơ.................30
Hình 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ axit citric đến đến q trình biến tính xơ mướp 32
Hình 3.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn: lỏng đến đến q trình biến tính xơ mướp ........33
Hình 3.6. Ảnh hưởng của thời gian biến tính đến đến q trình biến tính xơ mướp 34
Hình 3.7. Xơ mướp chưa biến tính ...........................................................................35
Hình 3.8. Xơ mướp biến tính ....................................................................................35
Hình 3.9. Ảnh SEM của ngun liệu thơ ..................................................................36
Hình 3.10. Ảnh SEM của VLHP nghiên cứu ............................................................37
Hình 3.11. Hiệu suất hấp phụ của xơ mướp trước và sau biến tính ..........................38
Hình 3.12. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ ion Cu2+ bằng xơ mướp
biến tính .................................................................................................39
Hình 3.13. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ ion Cu2+ bằng
xơ mướp biến tính ..................................................................................40
Hình 3.14. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ ion
Cu2+ bằng xơ mướp biến tính ................................................................41
Hình 3.15. Dạng tuyến tính của phương trình Langmuir ..........................................42
Hình 3.16. Hiệu suất giải hấp của HCl và Mehlich 3 ...............................................43


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
SEM

Scanning Electron Microscope

AAS

Atomic Absorption Spectrophotometric

VLHP

Vật liệu hấp phụ


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ô nhiễm nguồn nước hiện nay là một vấn đề được toàn xã hội quan tâm. Ở
Việt Nam, đang tồn tại một thực trạng đó là nước thải ở hầu hết các cơ sở sản xuất
chỉ được xử lí sơ bộ thậm chí thải trực tiếp ra môi trường. Hậu quả là môi
trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều khu vực đang bị ơ nhiễm
nghiêm trọng.
Vì vậy, bên cạnh việc nâng cao ý thức của con người, siết chặt công tác
quản lí mơi trường thì việc tìm ra phương pháp nhằm loại bỏ các ion kim loại
nặng ra khỏi môi trường nước có ý nghĩa hết sức to lớn.
Cho đến nay, có nhiều nghiên cứu khoa học về các phương pháp nhằm xử lý ô
nhiễm môi trường nước đã mang lại nhiều kết quả khả quan, một trong số đó là phải
kể đến phương pháp tổng hợp vật liệu hấp phụ để loại bỏ ion kim loại nặng trong
nước từ những nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên với quy trình đơn giản, chi phí
thấp nhưng mang lại hiệu quả cao và không đưa thêm vào môi trường những tác
nhân độc hại.
Xuất phát từ những lí do trên, trong khóa luận này chúng tơi trình bày kết
quả: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ mướp và khảo sát khả năng
hấp phụ ion Cu2+ trong môi trường nước”.
2. Mục đích và nội dung nghiên cứu
2.1. Mục đích

- Chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ mướp.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ đối với ion kim loại trong
môi trường nước.
2.2. Nội dung
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ từ
xơ mướp.
- Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ
ion Cu2+ của vật liệu chế tạo từ xơ mướp.

1


- Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu2+ của xơ mướp chưa biến tính và so
sánh với vật liệu hấp phụ biến tính bằng axit citric.
- Giải hấp và tái sử dụng VLHP.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Mướp được thu hoạch tại Huyện Sơn Tịnh - Tỉnh Quảng Ngãi.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo VLHP xơ mướp trong phạm vi ở phịng thí nghiệm. Khảo
sát các yếu tố ảnh hưởng đến q trình biến tính và q trình hấp phụ của xơ mướp
biến tính.
4. Phương pháp nghiên cứu
4.1. Nghiên cứu lý thuyết
Đề tài bao gồm nhóm các nghiên cứu lý thuyết sau:
- Tính chất của Cu2+
- Các phương pháp hấp phụ và giải hấp tái sử dụng VLHP.
- Phương pháp phân tích phổ hấp phụ nguyên tử ( AAS).
- Phương pháp kính hiển vi điện tử quét ( SEM).
4.2. Nghiên cứu thực nghiệm

- Thu gom và xử lý mẫu xơ mướp.
- Xác định đặc tính hóa lý của vật liệu.
- Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) xác định nồng độ ion kim
loại trong nước.
- Phương pháp chụp ảnh SEM giá bề mặt vật liệu.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học
Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ và quá
trình hấp phụ ion Cu2+ để thu được hiệu suất cao. Các kết quả thu được là tài liệu
tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu hấp phụ chế tạo từ xơ mướp
cùng các vấn đề liên quan.

2


- Ý nghĩa thực tiễn
Phương pháp biến tính xơ mướp tạo ra vật liệu hấp phụ có khả năng hấp phụ
cao đối với các ion kim loại trong nước, tạo ra hướng phát triển mới trong việc xử
lý ion kim loại bằng xơ mướp.
6. Bớ cục khóa luận
Khóa luận bao gồm:
Mở đầu (3 trang)
Nội dung luận văn gồm 3 chương:
Chương 1. Tổng quan (13 trang)
Chương 2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu (11 trang)
Chương 3. Kết quả và bàn luận (16 trang)
Kết luận và kiến nghị (2 trang)
Tài liệu tham khảo (tiếng anh, tiếng việt, website)

3

Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Giới thiệu về cây mướp
1.1.1. Sơ lược về cây mướp
Cây mướp Luffa cylindrica (L.) Roem, thuộc họ bầu bí (Cucurbitaceae), phát
triển chủ yếu ở nhiệt đới và cận nhiệt đới, ít ở ơn đới và hàn đới. Mướp là loại rau
ăn quen thuộc, được trồng ở khắp các nước thuộc vùng Nam Á, Đông Nam Á và cả
ở vùng Bắc Á như Trung Quốc và Nhật Bản. Là loại rau ăn quả dễ trồng, quen
thuộc với người dân Việt Nam. Ở nước ta, cây mướp trồng mọi nơi từ Bắc đến Nam
[12].

Hình 1.1. Giàn mướp
Cây ưa khí hậu nóng ẩm của vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới, ánh sáng nhiều.
Khả năng chịu hạn tốt, cần nhiều nước nhưng không chịu úng ngập. Trồng được
trên nhiều loại đất. Mướp là loại cây có tốc độ sinh trưởng nhanh, trồng được quanh
năm, tàn hết lứa này thì trồng tiếp lứa khác mà khơng cần phải chờ thời vụ. Trồng
mướp chỉ cần đầu tư chi phí thấp vì cây mướp kháng được sâu bệnh rất tốt nên
khơng cần thuốc trừ sâu giúp giảm ô nhiếm môi trường. Sau khi quả già, cây tự tàn
lụi kết thúc vòng đời trong khoảng thời gian từ 4 – 4,5 tháng. Năng suất trung bình
của mướp có thể cho từ 40 – 50 tấn/ha [12].
Mướp được trồng để lấy quả xanh và được dùng như một loại rau, hoặc được
trồng làm cảnh. Mướp cung cấp nhiều chất dinh dưỡng, vitamin, giàu sinh tố,
khoáng vi lượng, chất nhớt và chất xơ, rất tốt cho cơ thể và có nhiều tác dụng chữa
bệnh đã được khoa học chứng minh và đã qua chứng thực trong dân gian.

4


1.1.2. Xơ mướp

Quy trình lấy xơ mướp khá đơn giản: xơ mướp được lấy từ quả mướp chín
thật già đã khơ quắt, có vỏ ngồi nhăn nheo, màu vàng óng, cầm rất nhẹ tay, lột bỏ
lớp vỏ ngoài, rũ hết hạt, phơi khơ.

Hình 1.2. Xơ mướp
Xơ mướp có vị ngọt, tính bình, có tác dụng thanh nhiệt giải độc, thường dùng
trị gân cốt đau nhức, đau mình mẩy ngực sườn, viêm tuyến sữa.
Xơ từ quả chín được dùng làm vật cọ rửa, làm miếng bọt biển trong phòng
tắm, nhà bếp nhờ đặc tính thấm nước và chống vi khuẩn tốt của nó. Có chức năng
tương tư bọt biển, vừa bền lại vừa nhẹ, xơ mướp có thể được dùng để sản xuất bao
bì, vật dụng sàng lọc, băng nẹp giá rẻ, chất xơ tăng cường cho các vật liệu khác và
cố định hóa tế bào cho cơng nghệ sinh học. Ngồi ra, xơ mướp cịn có khả năng xử
lý nước thải, hấp thụ chất nhuộm độc hại thải ra từ cơng nghiệp nhuộm vải bị. Xơ
mướp nhuộm màu có thể ép vào khuôn đúc để tạo ra những miếng ốp tường cách
âm cho không gian nhà ở và không gian thương mại[4].

Hình 1.3. Ứng dụng của xơ mướp
5


Xơ mướp là một loại vật liệu lignocellulose gồm chủ yếu là cellulose,
hemicelluloses và lignin. Ngồi ra, nó cịn chứa một lượng nhỏ protein, axit amin,
các polypeptide, glycosides, và các hợp chất vô cơ khác [5,23].
Bảng 1.1. Thành phần lignocellulose trong xơ mướp
STT

Thành phần

%

1

cellulose

60

2

hemicelluloses

30

3

lignin

10
Nguồn: Mazali và Alves, 2005

Hình 1.3. Xơ mướp phóng đại 100 lần
Theo nghiên cứu của nhóm tác giả của trường Đại học Paraná , Brazil, xơ
mướp thô có khả năng hấp phụ tốt ion Cd2+ trong mơi trường nước với hiệu suất
89.6% [2].
Với mạng lưới sợi hữu cơ phức tạp, sợi đơn là một vật liệu composite với độ
xốp rất cao (79-93%) nên xơ mướp là vật liệu có khả năng hấp phụ [1].
1.1.3. Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu hấp
phụ
Xơ dừa: Theo nghiên cứu của nhóm tác giả trường đại học Bách Khoa và viện
Hóa học thành phố Hồ Chí Minh: Xơ dừa sau khi hoạt hóa bằng axit citric có khả
năng hấp phụ/trao đổi ion rất cao ngang bằng với nhựa trao đổi ion hoặc zeolite A.

Hiệu suất xử lý Ni2+ đạt 90.22% và 83.24% tương ứng với nồng độ Ni2+ là 100 ppm
và 50 ppm, ngang với zeolite A. Hiệu suất xử lý Cd2+ ở hai nồng độ trên là
6


81.21% và 70.36%, ngang với nhựa trao đổi ion. Dung lượng xử lý một lần cũng
tương đương nhựa trao đổi ion và zeolite A [16].
Vỏ đậu tương: có khả năng hấp phụ tốt đối với nhiều ion kim loại nặng như:
Cu (II), Zn (II) và các hợp chất hữu cơ. Trong sự so sánh với 1 số vật liệu tự nhiên
khác, vỏ đậu tương thể hiện khả năng hấp phụ cao hơn, đặc biệt đối với các kim loại
nặng. Vỏ đậu tương sau khi xử lý bằng NaOH và axit citric thì dung lượng hấp phụ
cực đại đối với Cu đạt đến 1,7 mmol/l (ứng với 108mg/g) [7].
Bã mía: được đánh giá như phương tiện lọc chất bẩn từ dung dịch nước và
được ví như than hoạt tính trong việc loại bỏ các ion kim loại nặng như: Cr (III), Ni
(II), Cu (II),... Bên cạnh khả năng tách loại ion kim loại nặng, bã mía cịn thể hiện
khả năng hấp phụ tốt đối với dầu [24].
Lõi ngơ: nhóm nghiên cứu ở trường đại học North Carolina (Hoa Kì) đã tiến
hành nghiên cứu và đề xuất qui trình xử lý lõi ngô bằng dung dịch NaOH và H 3PO4
để chế tạo vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng. Hiệu quả xử lý của vật liệu hấp phụ
tương đối cao. Dung lượng hấp phụ cực đại của hai kim loại nặng Cu và Cd lần lượt
là 0.39 mmol/g và 0.62 mmol/g vật liệu [3].
Các nguyên liệu trên đều có thành phần chính là xenlulozo. Đa số chúng được
biến tính bằng axit và bazơ để làm tăng khả năng hấp phụ.
1.2. Tổng quan về kim loại nặng
1.2.1. Khái quát chung
Kim loại nặng là khái niệm để chỉ các kim loại có nguyên tử lượng cao (khối
lượng riêng lớn hơn 5g/cm3) và thường có độc tính đối với sự sống. Kim loại nặng
thường liên quan đến vấn đề ô nhiễm môi trường. Nguồn gốc phát thải của kim loại
nặng có thể là tự nhiên hoặc từ hoạt động của con người, chủ yếu là từ công nghiệp
(các chất thải công nghiệp), nông nghiệp và hàng hải,....

Có một số hợp chất kim loại nặng bị thụ động và đọng lại trong đất, song có
một số hợp chất có thể hồ tan dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau, nhất là do
độ chua của đất, của nước mưa. Điều này tạo điều kiện để các kim loại nặng có thể
phát tán rộng vào nguồn nước ngầm, nước mặt và gây ô nhiễm đất. Sau đó qua
nhiều giai đoạn khác nhau đi vào chuỗi thức ăn của con người. Khi đã nhiễm vào cơ
7


thể, kim loại nặng có thể tích tụ lại trong các mơ. Đồng thời với q trình đó cơ thể
lại đào thải dần kim loại nặng. Nhưng các nghiên cứu cho thấy tốc độ tích tụ kim
loại nặng thường nhanh hơn tốc độ đào thải rất nhiều [6,10,21].
1.2.2. Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm nguồn kim loại nặng
Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của các khu công nghiệp, khu chế xuất đã
dẫn tới sự tăng nhanh hàm lượng kim loại nặng trong nguồn nước thải. Tại các
thành phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh nhiều cơ sở sản xuất công
nghiệp đã và đang gây ơ nhiễm nguồn nước do khơng có các cơng trình hay thiết bị
xử lý các kim loại nặng. Hơn thế nữa, mức độ ô nhiễm kim loại nặng ở các khu
công nghiệp, chế xuất, cụm công nghiệp tập trung rất lớn. Ở thành phố Đà Nẵng,
nước thải từ các cở sở sản xuất gang thép, kim loại màu chưa được xử lý mà thải
trực tiếp ra ngồi gây ơ nhiễm nghiêm trọng nguồn nước và môi trường khu vực.
Theo các số liệu phân tích cho thấy, hàm lượng các kim loại nặng trong nguồn nước
nơi tiếp nhận nước thải đều xấp xỉ hoặc vượt quá tiêu chuẩn cho phép [8,13].
1.2.3. Tiêu chuẩn Việt Nam về nước thải chứa kim loại nặng
Nồng độ tối đa cho phép của các ion kim loại nặng trong nước thải công nghiệp
được quy định theo tài liệu TCVN 5945: 2005. Giá trị giới hạn cho phép của một số
kim loại nặng được trình bày tại bảng 1.2.
Bảng 1.2. Giá trị giới hạn nồng độ các chất ơ nhiễm trong nước thải cơng nghiệp

STT

Ngun tố

Đơn vị

1

Chì

2

Giá trị giới hạn
A

B

C

mg/l

0.1

0.5

1.0

Cadimi

mg/l

0.005

0.010

0.500

3

Crom (VI)

mg/l

0.05

0.10

0.50

4

Đồng

mg/l

2.0

2.0

5.0

5

Niken

mg/l

0.2

0.5

2.0

6

Mangan

mg/l

0.5

Từ bảng 1.2 cho thấy các giá trị có ý nghĩa sau đây:

8

1.0

5.0


- Nước thải cơng nghiệp có giá trị các thơng số và nồng độ các chất ô nhiễm
bằng hoặc nhỏ hơn giá trị qui định trong cột A có thể đổ vào các vực nước thường

được dùng làm nguồn nước cho mục đích sinh hoạt.
- Nước thải cơng nghiệp có giá trị các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm lớn
hơn giá trị qui định trong cột A nhưng nhỏ hơn hoặc bằng giá trị qui định trong cột
B thì được đổ vào các vực nước nhận thải khác như: các vực nước dùng giao thông,
thủy lợi tưới tiêu cho trồng trọt, nuôi trồng thủy hải sản,…trừ các thủy vực qui định
ở cột A.
- Nước thải công nghiệp có giá trị các thơng số và nồng độ các chất ô nhiễm lớn
hơn giá trị quy định trong cột B nhưng không vượt quá giá trị qui định trong cột C
chỉ được phép thải vào các nơi được qui định (như hồ chứa nước thải được xây
riêng, cống dẫn đến nhà máy xử lý nước thải tập trung,…) [8].
1.2.4. Giới thiệu về kim loại đồng
Đồng là nguyên tố phổ biến và quan trọng nhất của nhóm IB, có ký hiệu Cu và
nguyên tử số là 29 [18].
Đồng là kim loại dẻo có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Đồng nguyên chất mềm
và dễ uốn, bề mặt đồng tươi có màu cam đỏ. Nó được sử dụng làm chất dẫn nhiệt và
điện, vật liệu xây dựng, và thành phần của các hợp kim của nhiều kim loại khác
nhau [25]

Hình 1.5. Tinh thể đồng

9


Các ion đồng (II) tan trong nước với nồng độ thấp có thể dùng làm chất diệt
khuẩn, diệt nấm và làm chất bảo quản gỗ. Với số lượng đủ lớn, các ion này là chất
độc đối với các sinh vật bậc cao hơn, với nồng độ thấp hơn, nó là một vi chất dinh
dưỡng đối với hầu hết các thực vật và động vật bậc cao hơn. Nơi tập trung đồng chủ
yếu trong cơ thể động vật là gan, cơ và xương [25].
Đồng là nguyên tố cần thiết cho cơ thể con người, nhu cầu hàng ngày của
người lớn khoảng 0.033 - 0.050mg/kg thể trọng. Tuy nhiên, nếu hàm lượng đồng

trong cơ thể lớn thì cơ thể sẽ bị nhiễm độc và có thể gây một số bệnh về thần kinh,
gan, thận; lượng lớn đồng hấp thụ qua đường tiêu hố có thể gây tử vong. Mọi hợp
chất của đồng là những chất độc. Đồng kim loại ở dạng bột là một chất dễ cháy. 30g
sulfat đồng có khả năng gây chết người. Đồng trong nước với nồng độ lớn hơn 1
mg/lít có thể tạo vết bẩn trên quần áo hay các đồ vật được giặt giũ trong nước đó.
Nồng độ an toàn của đồng trong nước uống đối với con người dao động theo từng
nguồn, nhưng có xu hướng nằm trong khoảng 1,5 – 2 mg/lít [25].
1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ
1.3.1. Hiện tượng hấp phụ
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn, lỏng –
rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng) [15].
Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ, cịn
chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ [15].
Ngược với quá trình hấp phụ là q trình giải hấp phụ. Đó là quá trình đi ra
của chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ. Hiện tượng hấp phụ xảy ra do
lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ [11].
Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp
phụ vật lý và hấp phụ hóa học [10].
1.3.1.1. Hấp phụ vật lý
Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân
tử, các ion,…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu. Đó là
tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định
hướng [10].
10


Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ
không tạo thành hợp chất hóa học (khơng hình thành các liên kết hóa học) mà
chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt
chất hấp phụ. Ở hấp phụ vật lí, nhiệt hấp phụ khơng lớn [10].

1.3.1.2. Hấp phụ hóa học
Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa học
với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa
học thơng thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí,…). Nhiệt
hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol [10].
Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học chỉ là tương
đối, vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra
đồng thời cả hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học [10].
a. Nhiệt hấp phụ
Nhiệt hấp phụ hóa học khá lớn, từ 40 ÷ 800 kJ/mol, nhiều khi gần bằng
nhiệt của phản ứng hóa học. Vì vậy nó tạo thành mối nối hấp phụ khá bền và
muốn đẩy chất bị hấp phụ ra khỏi bề mặt xúc tác rắn cần nhiệt độ khá cao.
Nhiệt hấp phụ lý học thường không lớn, gần bằng nhiệt hóa lỏng hay bay hơi
của chất bị hấp phụ ở điều kiện hấp phụ và thường nhỏ hơn 20 kJ/mol [11].
b. Năng lượng hoạt hóa hấp phụ
Hấp phụ hóa học tiến hành chậm và có năng lượng hoạt hóa khá lớn gần
bằng năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, phụ thuộc bởi khoảng cách giữa
các nguyên tử trong chất bị hấp phụ và các trung tâm trên bề mặt chất rắn [10].
Hấp phụ lý học tiến hành rất nhanh và năng lượng hoạt hóa bằng khơng.
c. Tính tḥn nghịch của hấp phụ
Hấp phụ lý học bao giờ cũng là thuận nghịch, nói cách khác q trình ở trạng
thái cân bằng động hấp phụ  nhả hấp phụ [10].
Hấp phụ hóa học khơng phải bao giờ cũng là q trình thuận nghịch.
Tuỳ theo đặc tính mối nối liên kết hóa học mà tính chất thuận nghịch ở q
trình hấp phụ khác nhau. Có những q trình hóa học khá bền vững, tạo thành
các hợp chất hóa học, ví dụ như sự hấp phụ Oxi lên kim loại tạo Oxit kim
11


loại, hoặc khi hấp phụ lên than cho CO2, CO.

1.3.2. Hấp phụ trong môi trường nước
Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức tạp
hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất là ba thành phần gây tương tác: nước, chất
hấp phụ và chất bị hấp phụ [15].
Do sự có mặt của dung mơi nên trong hệ sẽ xảy ra q trình hấp phụ cạnh
tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ.
Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó. Tính chọn lọc
của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong
nước, tính ưa hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của các chất bị hấp
phụ trong môi trường nước.
1.3.3. Động học hấp phụ
Trong mơi trường nước, q trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt của
chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai
đoạn kế tiếp nhau [11]:
- Các 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 động đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ
chứa các hệ mao quản.
- Giai đoạn khuếch tán màng.
- Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ.
- Giai đoạn khuếch tán trong mao quản.
- Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất 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 hấp phụ.
1.3.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp
phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại
pha mang. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn
12

càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời
điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân
bằng [19].
Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ là một
hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ: q = f (T, P hoặc C).
Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của q vào P
hoặc C (q = f(T) (P hoặc C)) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể được xây dựng trên cở sở lý thuyết,
kinh nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất và
kinh nghiệm xử lí số liệu thực nghiệm.
Bảng 1.3. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng [19]
Đường đẳng nhiệt hấp

Phương trình

Bản chất sự hấp phụ

phụ
Langmuir

  max

Henry

  k. p

Freundlich
Shlygin-Frumkin-Temkin

Brunauer-FrumkinTeller(BET)

b.C
1  b.C

Vật lý và hóa học
Vật lý và hóa học

1
n

  k. p ; (n  1)

Vật lý và hóa học


1
 ln C0 . p
m a

Hóa học

p
1
C 1 p


.
 ( p 0  p )  m .c  m .c p 0

Vật lý, nhiều lớp

Trong các phương trình trên,  là thể tích chất bị hấp phụ,  m là thể tích hấp
phụ cực đại, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, po là áp suất hơi bão hịa của
chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở cùng nhiệt độ. Các kí hiệu a, b, k, n là
các hằng số.

13


Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của VLHP đối với
ion kim loại nặng trong mơi trường nước theo mơ hình đường đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir.
1.3.5. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:
𝑞 = 𝑞𝑚𝑎𝑥

𝑏. 𝐶𝑓
1 − 𝑏. 𝐶𝑓

Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g).
𝑞𝑚𝑎𝑥 : dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g).
b: hằng số langmuir.
Khi tích số b.Cf <<1 thì q= qmax.b.Cf : mơ tả vùng hấp thụ tuyến tính.
Khi tích số b.Cf >>1 thì q= qmax : mơ tả vùng hấp thụ bão hòa.
1.3.6. Hiệu suất và hiệu dung hấp phụ
1.3.6.1. Dung lượng hấp phụ cân bằng (q)
Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị

khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định về nồng độ và
nhiệt độ. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:
q =

(C 0  C f )V

(1.2)

m

C0 : Nồng độ của dung dịch trước khi hấp phụ (mg/l)
Cf : Nồng độ của dung dịch sau khi hấp phụ (mg/l)
q : Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
V: Thể tích dung dịch đem hấp phụ (l)
m: Khối lượng chất hấp phụ (g)
1.3.6.2. Hiệu suất hấp phụ (H%)
Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch chất bị hấp phụ trên nồng độ
dung dịch ban đầu. Hiệu suất hấp phụ được tính theo cơng thức:
H (%) =

C0  C f
C0

.100

(1.3)

14