Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ cành cây keo lá tràm và khảo sát khả năng xử lý ni2+ trong môi trường nước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

KHOA HÓA
-------------

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
HẤP PHỤ TỪ CÀNH CÂY KEO LÁ
TRÀM VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG XỬ
LÝ Ni2+ TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN KHOA HỌC

1.1.1.1.1.1.1.1

SINH VIÊN : NGUYỄN THỊ THU HIỀN
LỚP :
11CHP
CBHD:
Ts.Giang Thị Kim Liên

ĐÀ NẴNG, 05/2015


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐHSP
KHOA HỐ
----------------

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
-----------------------------------

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thị Thu Hiền
Lớp: 11 CHP
1. Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vậ liệu hấp phụ từ cành cây keolá tràm và
khảo sát khả năng xử lý Ni2+ trong môi trường nước.
2. Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị:
- Nguyên liệu: Cành cây keo lá tràm.
- Dụng cụ và thiết bị: Dụng cụ thủy tinh, rây, giấy lọc, máy khuấy từ,
máy pH, máy đo phổ hấp phụ nguyên tử (AAS), tủ sấy, bơm chân không.
3. Nội dung nghiên cứu:
- Chế tạo VLHP từ cành cây keo lá tràm.
- Khảo sát q trình hấp phụ ion Ni2+ trong mơi trường nước.
- Khảo sát quá trình giải hấp VLHP bằng dung dịch Mehlich 3 và tái
sử dụng VLHP.
- Sử dụng phương pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử (AAS) để xác
định nồng độ Ni2+ được hấp phụ.
4. Giáo viên hướng dẫn: Ts. Giang Thị Kim Liên.
5. Ngày giao đề tài: Ngày 26 tháng 9 năm 2014.
6. Ngày hoàn thành: Ngày 27 tháng 04 năm 2015.
Chủ nhiệm Khoa

Giáo viên hướng dẫn

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

LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô
giáo Tiến sĩ Giang Thị Kim Liên đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động
viên em trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và hồn thành khóa luận
này.
Và em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo giảng dạy – cơng
tác tại phịng thí nghiệm Khoa Hóa Trường Đại Học Sư Phạm – Đại Học
Đà Nẵng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình
nghiên cứu.
Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể lớp 11CHP đã cùng
sát cánh, động viên em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày ..... tháng ..... năm .....
Sinh viên

Nguyễn Thị Thu Hiền


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC BẢNG
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
Lý do chọn đề tài...................................................................................................... 1
Mục tiêu của đề tài ................................................................................................... 1
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 1
Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 2
Nghiên cứu lý thuyết ......................................................................................... 2
Phương pháp thực nghiệm ................................................................................ 2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài................................................................. 2
Bố cục khóa luận ...................................................................................................... 2

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................ 4
1.1. Giới thiệu về Ni2+ .............................................................................................. 4
1.2. Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) .......................................................................... 4
1.2.1. Nguyên tắc ............................................................................................... 4
1.2.2.Điều kiện nguyên tử hóa mẫu .................................................................. 5
1.2.3.Phương pháp đường chuẩn...................................................................... 6
1.3. Quá trình hấp phụ .............................................................................................. 7
1.3.1. Hiện tượng hấp phụ ................................................................................ 7
1.3.2. Hấp phụ trong môi trường nước ............................................................. 8
1.3.3. Động học hấp thụ .................................................................................... 9
1.3.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ .................. 9
1.3.5. Phương trình Langmuir ........................................................................ 11
1.3.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ...................................... 12
1.3.7. Quá trình giải hấp phụ .......................................................................... 14
1.4. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ - cành cây keo ................................................ 15
1.4.1. Đặc điểm keo lá tràm ............................................................................ 15
1.4.2. Thành phần cấu tạo của keo lá tràm .................................................... 17
1.4.3. Hướng sử dụng ...................................................................................... 18

CHƢƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........... 20
2.1. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất ............................................................................. 20
2.1.1. Dụng cụ ................................................................................................. 20
2.1.2. Hóa chất ................................................................................................ 20
2.1.3. Thiết bị ................................................................................................... 20
2.2. Pha chế hóa chất.............................................................................................. 21
2.3. Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo ................................................... 21
2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của NaOH đến tải trọng hấp phụ ....................... 22

2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm NaOH đến tải trọng hấp phụ23
2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của axit citric đến tải trọng hấp phụ .................. 23
2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm axit citric đến tải trọng hấp
phụ ................................................................................................................... 23
2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ bể Ni2+...................... 23
2.4.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ............................................. 24
2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ ............................ 24
2.5. Khảo sát khả năng hấp phụ của cành cây keo chưa biến tính ........................ 25
2.6. Xây dựng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .................................. 25
2.7. Giải hấp và tái sử dụng VLHP........................................................................ 25

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ THẢO LUẬN .................................................... 27
3.1. Xây dựng đường chuẩn phân tích Ni2+ ........................................................... 27
3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo VLHP ........................ 28
3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến tải trọng hấp phụ ......... 28
3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian ngâm NaOH đến tải trọng hấp phụ ............. 30
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit citric đến tải trọng hấp phụ .... 31
3.2.4. Ảnh hưởng của thời gian ngâm axit citric đến tải trọng hấp phụ........ 33
3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của VLHP ................ 35
3.3.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ............................................ 35
3.3.2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ ........................................... 37
3.4. Khả năng hấp phụ của bột cây keo chưa biến tính ......................................... 38
3.5. Xây dựng phương trình đẳng nhiệt hấp phụ ................................................... 39
3.6. Giải hấp và tái sử dụng VLHP........................................................................ 40
3.6.1. Giải hấp VLHP bằng dung dịch Mehlich 3 .......................................... 40
3.6.2. Tái sử dụng VLHP................................................................................. 40

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 42

Kết luận .................................................................................................................. 42
Kiến nghị ................................................................................................................ 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 43


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Đồ thị để tìm các hằng số trong phương trình Langmuir ............................. 12
Hình 1.2. Keo lá tràm .................................................................................................... 15
Hình 1.3.Lá keo lá tràm ................................................................................................. 15
Hình 1.4. Hoa keo lá tràm ............................................................................................. 16
Hình 1.5. Quả keo lá tràm ............................................................................................. 16
Hình 1.6. Hình ảnh về cây keo lá tràm ......................................................................... 19
Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo VLHP...................................................................................... 22
Hình 3.1. Đường chuẩn phân tích Ni2+ ......................................................................... 28
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến tải trọng hấp phụ ................................. 29
Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian ngâm NaOH đến quá trình chế tạo VLHP .......... 31
Hình 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ axit citric đến quá trình chế tạo VLHP ................. 32
Hình 3.5. Ảnh hưởng của thời gian ngâm axit citric đến quá trình chế tạo VLHP...... 34
Hình 3.6. Ảnh của nguyên liệu (a) và vật liệu (b) ........................................................ 34
Hình 3.7. Ảnh SEM của nguyên liệu (a) và vật liệu hấp phụ (b) ................................. 35
Hình 3.8. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ...................................................... 36
Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ .................................................... 38
Hình 3.10. Dạng tuyến tính của phương trình Langmuir đối với ion Ni2+................... 39


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng ....................................................... 10
Bảng 2.1. Tên các thiết bị sử dụng........................................................................................... 20
Bảng 3.1. Mật độ quang của các nồng độ tương ứng của dãy chuẩn ...................................... 27

Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến tải trọng hấp phụ ............................................ 29
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của thời gian ngâm NaOH đến quá trình chế tạo VLHP ...................... 30
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ axit citric đến quá trình chế tạo VLHP ............................ 32
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của thời gian ngâm axit citric đến quá trình chế tạo VLHP ................. 33
Bảng 3.6. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ................................................................. 36
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ............................................................... 37
Bảng 3.8. Kết quả quá trình hấp phụ Ni2+ của bột cây keo chưa biến tính .............................. 38
Bảng 3.9. Kết quả quá trình hấp phụ Ni2+ của VLHP.............................................................. 39
Bảng 3.10.Giải hấp VLHP bằng dung dịch Mehlich 3 ............................................................ 40
Bảng 3.11. Tái sử dụng VLHP................................................................................................. 41


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Ơ nhiễm mơi trường 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 hầu hết các cơ sở sản xuất chỉ
được xử lý 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 lý
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.
Ưu điểm của phương pháp hấp phụ loại bỏ ion kim loại nặng là đi từ ngun liệu
rẻ, sẵn có, quy trình đơn giản và không đưa thêm vào môi trường những tác nhân
độc hại.
Hiện nay, có rất nhiều chất hấp phụ rẻ tiền, dễ kiếm (bã mía, vỏ lạc, lõi ngơ, bèo
tây,…) được sử dụng để loại bỏ các chất gây độc hại trong môi trường nước.
Cành cây keo (phụ phẩm của ngành công nghiệp giấy) đang được đánh giá là
tiềm năng để chế tạo các vật liệu hấp phụ (VLHP) để xử lí ơ nhiễm mơi trường.

Xuất phát từ những lý do trên, trong khóa luận này chúng tơi thực hiện đề tài:
“ Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo lá tràm và khảo sát khả năng xử
lý Ni2+ trong môi trường nước”.
Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo lá tràm.
Khảo sát khả năng xử lý Ni2+ trong môi trường nước của VLHP.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: cành cây keo lá tràm.

Nguyễn Thị Thu Hiền

1


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

Phạm vị nghiên cứu: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo VLHP
từ cành cây keo lá tràm, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ ion
Ni2+ trong nước.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết
Đề tài bao gồm nhóm các nghiên cứu lý thuyết sau:
-

Tính chất của Ni2+.

-

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).

Phƣơng pháp thực nghiệm
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo VLHP từ cành cây keo sử
dụng phương pháp đo quang phổ hấp thụ nguyên tử xác định ảnh hưởng của nồng
độ NaOH, thời gian ngâm NaOH, nồng độ axit citric, thời gian ngâm axit citric đến
tải trọng hấp phụ Ni2+ đối với quá trình chế tạo VLHP.
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ion Ni2+ trong nước sử
dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử xác định thời gian đạt cân bằng
hấp phụ và ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ của VLHP.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Tận dụng nguồn nguyên liệu phế thải của ngành công nghiệp giấy.
Về mặt khoa học thì cung cấp một đề tài nghiên cứu cho sinh viên khóa sau tiếp
tục nghiên cứu sau này.
Ứng dụng làm VLHP để xử lý ion kim loại nặng trong mơi trường nước.
Bố cục khóa luận
Khóa luận bao gồm:

Nguyễn Thị Thu Hiền

2


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

Mở đầu
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo

Nguyễn Thị Thu Hiền

3


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về Ni2+
Niken là một nguyên tố hóa học kim loại, ký hiệu là Ni và số thứ tự trong bảng
tuần hoàn là 28. Là kim loại màu trắng bạc, bề mặt bóng láng [9].
Niken nằm trong nhóm sắt từ. Đặc tính cơ học: cứng, dễ dát mỏng và dễ uốn, dễ
kéo sợi.
Trong tự nhiên, niken xuất hiện ở dạng hợp chất với lưu huỳnh trong khoáng
chất millerit, với asen trong khoáng chất niccolit, và với asen cùng lưu huỳnh trong
quặng niken.
Niken được sử dụng nhiều trong các ngành cơng nghiệp hóa chất, luyện kim,
điện tử, … Vì vậy, nó thường có mặt trong nước thải. Niken vào cơ thể chủ yếu qua
con đường hô hấp, nó gây ra các triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đầu; nếu tiếp
xúc nhiều sẽ ảnh hưởng đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan thận; còn nếu da
tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây hiện tượng viêm da, xuất hiện dị ứng [2].
Giá trị hàm lượng Ni2+ giới hạn trong nước thải sinh hoạt: 0.1 ppm và trong

nước thải công nghiệp là 0.2 ppm [14].
1.2. Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
1.2.1. Nguyên tắc
Trong điều kiện thường nguyên tử không thu cũng không phát ra năng lượng
dưới dạng các bức xạ, lúc này nguyên tử ở trạng thái cơ bản. Nhưng khi nguyên tử
ở trạng thái hơi tự do, nếu chúng ta kích thích nó bằng một chùm tia sáng đơn sắc
có năng lượng phù hợp, có độ dài sóng trùng với các vạch phổ phát xạ đặc trưng
của ngun tố đó thì chúng sẽ hấp phụ các tia sáng đó và sinh ra phổ hấp thụ
nguyên tử [7].
Trên cơ sở sự xuất hiện của phổ hấp thụ nguyên tử, chúng ta thấy phổ hấp thụ
nguyên tử được sinh ra khi nguyên tử tồn tại ở trạng thái khí tự do và ở mức năng

Nguyễn Thị Thu Hiền

4


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

lượng cơ bản. Vì vậy, muốn thực hiện được phép đo AAS cần phải thực hiện các
công việc sau đây [11]:
-

Chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn, dung dịch) thành trạng
thái hơi. Đó là các q trình hơi mẫu.

-

Nguyên tử hóa đám hơi đó, phân li các phân tử, tạo ra đám hơi nguyên tử
tự do của các nguyên tố cần phân tích trong mẫu để chúng có khả năng

hấp thụ bức xạ đơn sắc. Đây là giai đoạn quan trọng nhất và quyết định
đến kết quả của phép đo AAS.

-

Chọn nguồn phát tia sáng có bước sóng phù hợp với ngun tố phân tích
và chiếu vào đám hơi nguyên tử đó. Phổ hấp thụ sẽ xuất hiện.

-

Nhờ một hệ thống máy quang phổ, người ta thu tồn bộ chùm ánh sáng
sau khi đi qua mơi trường hấp thụ, phân li chúng thành phổ và chọn một
vạch phổ cần đo của nguyên tố phân tích hướng vào khe đo để đo cường
độ của nó.

1.2.2. Điều kiện nguyên tử hóa mẫu
Ngun tử hóa mẫu là cơng việc quan trọng nhất của phép đo phổ hấp thụ
nguyên tử. Mục đích của q trình này là tạo ra đám hơi nguyên tử tự do từ mẫu
phân tích với hiệu suất cao và ổn định, để phép đo đạt kết quả chính xác với độ lặp
lại cao.
Ở phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (F – AAS), tức là chỉ sử dụng năng lượng
nhiệt của ngọn lửa đền khí để tạo hóa hơi và ngun tử hóa mẫu phân tích, nhiệt độ
của ngọn lửa là yếu tố quyết định đến hiệu suất ngun tử hóa mẫu phân tích và mọi
yếu tố khác ảnh hưởng đến nhiệt độ của ngọn lửa đều có thể ảnh hưởng đến kết quả
phân tích:
-

Thành phần hỗn hợp khi đốt tạo ra ngọn lửa.

-

Chiều cao đèn nguyên tử hóa mẫu.

-

Tốc độ dẫn mẫu.

Nguyễn Thị Thu Hiền

5


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

1.2.3. Phương pháp đường chuẩn
Để xác định nồng độ của nguyên tố trong mẫu phân tích theo phép đo phổ hấp
thụ nguyên tử, ta có thể tiến hành theo phương pháp đường chuẩn hoặc phương
pháp thêm tiêu chuẩn [9].
 Cơ sở của phương pháp:
Dựa trên sự phụ thuộc của cường độ vạch phổ hấp thụ (hay độ hấp thụ nguyên
tử) vào vùng nồng độ nhỏ của cấu tử cần xác định trong mẫu theo phương pháp
Aλ=a.Cb để có sự phụ thuộc tuyến tính giữa Aλ và C.
 Kỹ thuật thực nghiệm:
Pha chế một dãy dung dịch chuẩn có hàm lượng chất phân tích tăng dần trong
cùng điều kiện về lượng thuốc thử, độ axit …
Đo độ hấp thụ nguyên tử của các nguyên tố cần nghiên cứu trong dãy dung dịch
chuẩn.
Xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ nguyên tử vào nồng độ
các nguyên tố cần nguyên cứu.Đồ thị này được gọi là đường chuẩn.
Pha chế các dung dịch phân tích với điều kiện như dung dịch chuẩn và đem đo

độ hấp thụ nguyên tử. Dựa vào các giá trị độ hấp thụ nguyên tử này và đường chuẩn
tìm được nồng độ nguyên tố cần phân tích trong mẫu phân tích.
 Ưu điểm của phép đo:
Có độ nhạy, độ chọn lọc cao, gần 60 nguyên tố có thể được xác định bằng
phương pháp này với độ nhạy từ 10-4 đến 10-5 %. Đặc biệt nếu sử dụng kỹ thuật
ngun tử hóa khơng ngọn lửa thì có thể đạt độ nhạy 10 -7 %.
Tránh được sự nhiễm bẩn mẫu khi xử lý qua các giai đoạn phức tạp.
Xác định được đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu.
Kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ.
Đường chuẩn lưu lại được sử dụng cho các lần đo sau.

Nguyễn Thị Thu Hiền

6


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

Dễ dàng kết nối với máy tính và các phần mềm thích hợp để đo và xử lý kết quả
nhanh, dễ dàng.
1.3. Quá trình 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) [6].
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 [6].
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 [4].
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].
 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 định hướng.
Trong hấp thụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ khơng 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 lý, nhiệt hấp thụ khơng lớn.
 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 thế đạt tới 800kJ/mol.

Nguyễn Thị Thu Hiền

7


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lý 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 lý và hấp phụ hóa học.
 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 khơng 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 [4].
 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.
Hấp phụ lý học tiến hành rất nhanh và năng lượng hoạt hóa bằng khơng [10].
 Tính thuận 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.
Hấp phụ hóa học khơng phải bao giờ cũng là q trình thuận nghịch. Tùy 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 oxy lên kim loại tạo oxyt kim loại, hoặc khi hấp phụ lên
than cho CO2, CO [10].
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 [6].

Nguyễn Thị Thu Hiền

8


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

Do sự có mặt của dung mơi nên trong hệ sẽ xảy ra quá 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 thụ
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[4]:
-

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 toàn bộ quá 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 thụ 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 càng nhiều thì tố

Nguyễn Thị Thu Hiền

9


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc đố
hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
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 cơ sở lý thuyết, kinh

nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thuyết, bàn chất và kinh
nghiệm xử lý số liệu thực nghiệm.
Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng được nêu ở bảng 1.1.
Bảng 1.1.Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng [10]

Đường đẳng nhiệt hấp phụ

Phương trình

Bản chất sự hấp phụ

Langmuir

Vật lý và hóa học

Henry

Vật lý và hóa học

Freundlich

Vật lý và hóa học

Shlygin-Frumkin-Temkin

Hóa học

Brunauer-Emmett-Teller

Vật lý, nhiều lớp

(BET)
Trong các phương trình trên,
cực đại,

là thể tích chất bị hấp phụ,

là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí,

là thể tích hấp phụ

là áp suất hơi bão hòa 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.

Nguyễn Thị Thu Hiền

10


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

1.3.5. Phương trình Langmuir
Đó là phương trình có chứng minh lí thuyết dựa vào việc nghiên cứu động học
của sự hấp phụ. Phương trình có dạng [10]:

là lượng chất bị hấp phụ bởi một gam chất hấp phụ (mol/g).
là nồng độ chất bị hấp phụ lúc cân bằng hấp phụ (mol/A).
và là hằng số.

Để tìm các hằng số trong phương trình Langmuir, đưa phương trình trên về
dạng:

Theo phương trình này / phụ thuộc bậc nhất vào
tọa độ / –

Đường biểu diễn trong hệ

cắt trục tung tại M. Ta có:
̅̅̅̅̅

Từ 2 phương trình này sẽ tính được

Nguyễn Thị Thu Hiền

và

11


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

C/G
α

M

0

C

Hình 1.1. Đồ thị để tìm các hằng số trong phương trình Langmuir

1.3.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Quá trình hấp phụ chịu ảnh hưởng của một số yếu tố như: bản chất của chất bị
hấp phụ, vật liệu hấp phụ, pH, nhiệt độ, áp suất, thời gian hấp phụ và sự có mặt của
các chất khác [10].
Trong q trình hấp phụ, năng lượng tự do bề mặt hệ giảm (G < 0), đồng thời
độ hỗn độn của hệ giảm do các tiểu phân của chất bị hấp phụ lên trên bề mặt chất
hấp thụ được sắp xếp một cách có trật tự (S < 0). Suy ra G = H – T.S < 0
H < 0. Vậy quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt (phù hợp với thực nghiệm,
hấp phụ vật lý hay hấp phụ hóa học đề tỏa nhệt).
Vì sự hấp phụ tỏa nhiệt nên theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng, lượng chất
hấp phụ phải giảm khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, ở vùng nhiệt độ thấp, hấp phụ hóa
học thường diễn ra chậm, khi nhiệt độ tăng thì tốc độ hấp phụ hóa học xảy ra nhanh
hơn nên có thể tốc độ hấp phụ chung tăng theo.

Nguyễn Thị Thu Hiền

12


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

Tốc độ quá trình hấp phụ của các chất khác nhau trên những chất hấp phụ khác
nhau thay đổi trong khoảng khá rộng. Sự hấp phụ khí và hơi có thể xảy ra với tốc độ
nhanh và có thể đo được.
Thông thường, đối với cùng một vật chất nhưng ở khoảng nhiệt độ khác nhau có
thể quan sát được cả hai kiểu hấp phụ: ở những nhiệt độ thấp quan sát thấy sự hấp

phụ vật lý, ở nhiệt độ cao quan sát sự hấp phụ hóa học. Cả hai quá trình này thường
được gắn với một quá trình trung gian, nét đặc trưng của vùng trung gian là lượng
chất bị hấp phụ tăng khi nhiệt độ tăng.
 Ảnh hưởng của pH
Quá trình hấp phụ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi pH của môi trường.Sự thay đổi pH
của môi trường dẫn đến sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp phụ, các nhóm chức
bề mặt, thế oxi hóa khử, dạng tồn tại của hợp chất đó (đặc biệt đối với hợp chất có
độ phân cực cao, các chất có tính lưỡng tính, axit yếu, bazơ yếu) [4].
Đối với chất hấp phụ rắn: hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa các
nguyên tử trên bề mặt chất rắn với các chất tan, trên cơ sở lực hút tĩnh điện, lực định
hướng và lực tán xạ.
Trong trường hợp lực tương tác đủ mạnh có thể gây ra liên kết hóa học hoặc tạo
phức trao đổi ion.Lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ càng mạnh thì
khả năng hấp phụ càng lớn, khả năng giữ các chất bị hấp phụ trên bề mặt vật rắn
càng cao.
Nhìn chung, pH thường ảnh hưởng đến điện tích của vật liệu hấp phụ cũng như
điện tích của chất bị hấp phụ. Đối với các chất hữu cơ, khi pH giảm xuống thơng
thường q trình hấp phụ tăng lên.
 Ảnh hưởng của diện tích bề mặt chất rắn
Diện tích bề mặt chất rắn đóng vai trị quan trọng đối với khả năng hấp phụ của
một hệ: diện tích càng lớn, khả năng hấp phụ càng cao [3].

Nguyễn Thị Thu Hiền

13


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

Diện tích bề mặt của một chất rắn đóng vai trò quan trọng đối với khả khả năng

hấp phụ của một hệ: diện tích càng lớn, khả năng hấp phụ càng cao [3].
Diện tích bề mặt của một chất rắn được định nghĩa là tổng tồn bộ diện tích của
chất rắn đó trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ (m2/g) [6].
Đối với các chất rắn có nguồn gốc khác nhau thì diện tích bề mặt đó là khác
nhau [10]. Ví dụ: chất rắn trong mơi trường tự nhiên (đất sét,…) có diện tích riêng
thay đổi trạng thái hóa lý của môi trường nước.
Chất phụ công nghiệp (chủ yếu là than hoạt tính) có thể có bề mặt riêng rất lớn
khoảng 600 – 1200 m2/g, các chất hấp phụ khác như hidroxit kim loại có sự phụ
thuộc chặt chẽ vào pH.
1.3.7. Quá trình giải hấp phụ
Là quá trình ngược với quá trình hấp phụ, nghĩa là quá trình các phân tử chất bị
rời khỏi bề mặt chất hấp phụ. Trong hấp phụ vật lý, do lực hấp phụ yếu nên q
trình giải hấp phụ có thể thu lại chất hấp phụ ban đầu ở tạng thái tự do [5].
Tuy nhiên, trong hấp phụ hóa học, do lực hấp phụ q mạnh nên q trình giải
hấp phụ xảy ra khó khăn. Trong trường hợp này thực chất của quá trình giải hấp phụ
là sự phá vỡ liên kết giữa những phân tử chất bị hấp phụ với các tiểu phân trên bề
mặt của chất hấp phụ, do đó gây nên sự biến đổi về mặt hóa học chất bị giải hấp
phụ.
Một số giải pháp tái sinh vật liệu hấp phụ [4].
-

Phương pháp nhiệt: được sử dụng cho các trường hợp chất bị hấp phụ
bay hơi hoặc sản phẩm phân hủy nhiệt của chúng có khả năng bay
hơi.Chiều cao đèn nguyên tử hóa mẫu.

-

Phương pháp hóa lý: có thể thực hiện tại chỗ, ngay trong cột hấp phụ nên
tiết kiệm thời gian, công tháo dở, vận chuyển, không vỡ vụn chất hấp
phụ và có thể thu hồi chất bị hấp phụ ở trạng thái nguyên vẹn.

Nguyễn Thị Thu Hiền

14


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

-

Phương pháp lý hóa có thể thực hiện theo cách: chiết với dung mơi, sử
dụng phản ứng oxi hóa khử, áp đặt các điều kiện làm dịch chuyển cân
bằng không có lợi cho q trình hấp phụ.

-

Phương pháp vi sinh: là phương pháp tái tạo khả năng hấp phụ của chất
hấp phụ nhờ vi sinh vật.

1.4. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ - cành cây keo
Keo lá tràm được phân bố tự nhiên ở miền Bắc Austraulia, ở Papua New
Guinea và miền đơng Indonesia. Nó được trồng rải rác ở Maui, và ở những hòn đảo
trong quần đảo Hawaiian, nhằm giải quyết vấn đề nghèo nàn thảm thực vật, cũng
như sự hiện diện cỏ dại khắp mọi nơi. Bên cạnh đó, cây keo lá tràm cịn được trồng
rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới như là cây lâm nghiệp với các mục đích khác nhau
và mức độ phân bố của nó khơng ngừng gia tăng theo thời gian, điển hình là các
quốc gia ở vùng nhiệt đới. Trong thập kỉ 1960 – 1970, loài này nhập vào Việt Nam
với tên tiếng Việt là keo lưỡi liềm, sau này người ta sử dụng rộng rãi tên gọi keo lá
tràm.
1.4.1. Đặc điểm keo lá tràm

Keo lá tràm là dạng cây gỗ lớn, chiều cao có thể đạt tới 30 m. Lồi cây này
phân cành thấp và có tán rộng.

Hình 1.2. Keo lá tràm

Nguyễn Thị Thu Hiền

Hình1.3. Lá keo lá tràm

15


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

Lá cây là lá giả, do lá thật bị tiêu giảm, bộ phận quang hợp là lá giả, được biến
thái từ cuống cấp một, quan sát kỹ có thể thấy dấu vết của tuyến hình chậu cịn ở
cuối lá giả có hình dạng cong lưỡi liềm, kích thước lá giả rộng từ 3-4cm, dài từ 6-13
cm trên lá giả có khoảng 3 gân dạng song song, ở cuối lá có một tuyến hình chậu.
Hoa tự dạng bơng đi sóc, tràng hoa màu vàng. Quả dạng đậu xoắn, hạt màu
đen, có rốn hạt khá dài màu vàng như màu của tràng hoa. Vỏ cây có rạn dọc, màu
nâu xám.

Hình 1.4. Hoa keo lá tràm

Hình 1.5. Quả keo lá tràm

Cây lá tràm được trồng phân tán hoặc tập trung ở các vùng: Tây Bắc, Đông
Bắc, đồng bằng Sông Hồng, Bắc Trung Bộ, Nam Trung Bộ, Tây Nguyên, Đông
Nam Bộ, Tây Nam Bộ.
Loại cây này thích hợp khí hậu nóng ẩm, nhiệt độ bình qn trên 24 0C, lượng

mưa 2000-2500mm, có khả năng chịu hạn, nhưng chịu rét kém. Độ cao dưới 700800m so với mực nước biển, độ dốc dưới 20-250. Mọc tốt trên đất tầng dày trung
bình, thốt nước, độ phì cịn khá, hơi chua, gần trung tính.
Từ một lồi cây nhập nội, giờ đây keo lá tràm đã phủ xanh trên những núi
đá Hà Giang, đã cùng Phi Lao lấn biển trên những bãi cát cồn của miền Trung
nắng cháy. Keo lá tràm mọc thành rừng bên những Tràm, những Đước ở Cà Mau
- mảnh đất địa đầu Tổ quốc và ở cả những đảo xa như Phú Quốc, Côn Đảo... Với
lợi thế là một lồi cây mọc nhanh, có tác dụng làm tốt đất do rễ có nhiều nốt sần
có thể cố định đạm trong đất như những câu họ đậu. Chu kỳ khai thác của keo lá
tràm lại tương đối ngắn, chỉ từ 5-7 năm đã cho khai thác và có nguồn cung cấp
Nguyễn Thị Thu Hiền

16


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

dồi dào, thuận lợi cho công nghiệp chế biến hiện đại như công nghiệp giấy, mộc
xuất khẩu. Không thể phủ nhận giá trị truyền thống của cây keo lá tràm, đó là
chất lượng gỗ tốt, chịu được đất xấu, ít sâu bệnh mà lại cho giá trị kinh tế cao do
được công nghiệp giấy ưa chuộng.
Hiện tại, bên cạnh những lồi keo lá tràm truyền thống, ở Việt Nam nói chung
và Đắk Lắk nói riêng đã du nhập thêm rất nhiều các loài keo lá tràm và keo lai
với những ưu thế về mọc nhanh hơn và chất lượng gỗ tốt do giữ được đặc tính của
keo lá tràm, khiến cây keo lá tràm ngày càng được trồng nhiều hơn ở nước ta.
1.4.2. Thành phần cấu tạo của cây keo lá tràm
Thành phần hóa học chính của cây keo lá tràm bao gồm xenlulozơ,
hemixenlulozơ, lignin và một số thành phần khác. Hàm lượng phần trăm các thành
phần hố học chính của lõi ngô được thể hiện trên bảng 1.2 [15].
STT

Thành phần

% Khối lƣợng

1

Xenlulozơ

46 ÷ 51

2

Hemixenlulozơ

25 ÷ 35

3

Lignin

18 ÷ 23

4

Khác

3÷5

Xenlulozơ: Xenlulozơ là polisaccarit do các mắt xích α-glucozơ [C6H7O2(OH)3]n
nối với nhau bằng liên kết 1,4-glycozit. Phân tử khối của Xenlulozơ rất lớn, khoảng

từ 10.000 – 150.000đvC.

Nguyễn Thị Thu Hiền

17


Nghiên cứu chế tạo VLHP từ cành cây keo và khảo sát khả năng xử lý Ni 2+ trong MT nước

Hemixenlulozơ: Về cơ bản, hemixenlulozơ là polisaccarit giống như
Xenlulozơ, nhưng có số lượng mắt xích nhỏ hơn. Hemixenlulozơ thường bao gồm
nhiều loại mắt xích và có chứa các nhóm thế axetyl và metyl.
Lignin: Lignin là loại polyme được tạo bởi các mắt xích phenylpropan.
Lignin giữ vai trị là chất kết nối giữa xenlulozơ và hemixenlulozơ [9].
1.4.3.Hướng sử dụng
Keo lá tràm là lồi cây thuộc họ Đậu, ở rễ có nốt sần ký sinh chứa vi khuẩn
nốt rễ có tác dụng tổng hợp đạm tự do, cải tạo môi trường đất, khối lượng vật rơi
rụng của keo lá tràm hàng năm cũng rất cao, cây keo lá tràm thường được dùng
nhiều trong cải tạo đất sản xuất lâm nghiệp. Đặc điểm sinh trưởng của lồi này khá
nhanh và thích nghi rộng, nên keo lá tràm nhanh chóng trở thành lồi cây được
trồng phủ xanh đất trống đồi trọc.
Loài cây này cũng được trồng như là cây cảnh, cây lấy bóng râm và trồng
trong các đồn điền để lấy gỗ ở khu vực Đơng Nam Á và Sudan. Gỗ của nó có thể
dùng trong sản xuất giấy, đồ gỗ gia dụng và các công cụ.
Cây keo không những mang lợi nhuận kinh tế về việc sản xuất giấy mà cành
cây keo còn có thể tận dụng làm vật liệu hấp phụ. Khi trồng cây keo, các doanh
nghiệp chỉ thu hoạch thân cây để sản xuất giấy, ngọn cây và cành cây đều không
dùng đến. Nhằm tận dụng nguồn phế phẩm bị bỏ phí, đồng thời góp phần khắc phục
tình trạng ơ nhiễm môi trường, em đã nghiên cứu chọn cành cây keo để chế tạo vật
liệu hấp phụ và ứng dụng hấp phụ kim loại nặng trong nước. Mặc khác, cành cây

keo là nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, quy trình chế tạo đơn giản và không đưa thêm
vào môi trường những tác nhân độc hại. Vì vậy, đây là một đối tượng phù hợp
chođề tài nghiên cứu này.

Nguyễn Thị Thu Hiền

18