Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion ni2+ trong môi trường nước bằng vật liệu chitosan than hoạt tính

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA


HỒ THỊ NHƯ HUỲNH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Ni2+ TRONG
MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU
CHITOSAN/THAN HOẠT TÍNH

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN SƯ PHẠM

Đà Nẵng, tháng 05 năm 2015


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA


NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Ni2+ TRONG
MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU
CHITOSAN/THAN HOẠT TÍNH

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN SƯ PHẠM

Lớp
G áo

ướ g dẫ

: HỒ THỊ NHƯ HUỲNH
: 11CHP
: PGS.TS LÊ TỰ HẢI

Đà Nẵng, tháng 05 năm 2015
SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 2


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐHSP

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA HÓA
NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Hồ Thị Như Huỳnh
Lớp

: 11CHP

1. Tên đề tài: “ Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Ni2+ trong môi trường nước
bằng vật liệu chitosan/than hoạt tính”.
2. Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị
 Nguyên liệu: chitosan, than hoạt tính.
 Dụng cụ: dụng cụ thủy tinh, giá đỡ, máy say…
 Thiết bị: máy khuấy từ, tủ sấy, cân phân tích, máy AAS.
3. Nội dung nghiên cứu
 Điều chế vật liệu hấp phụ chitosan/than hoạt tính.
 Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Ni2+ trong nước của chitosan/than hoạt
tính ở điều kiện bể.
 Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Ni2+ trong nước bằng cột chitosan/than
hoạt tính.
 Nghiên cứu khả năng giải hấp phụ và tái hấp phụ của chitosan/than hoạt
tính.
4. Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Lê Tự Hải.
5. Ngày giao đề tài: 20/07/2014.
6. Ngày hoàn thành: 15/04/2015.
Chủ nhiệm Khoa

Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Lê Tự Hải

PGS.TS. Lê Tự Hải

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 3


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

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

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 4


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt q trình nghiên cứu hồn thành khóa luận tốt nghiệp này,
em đã được các thầy cô, cũng như các bạn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo
mọi điều kiện tốt nhất giúp em có thể hồn thành nhiệm vụ của mình. Với
lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
PGS.TS Lê Tự Hải, người thầy kính mến đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo
và động viên em trong suốt thời gian học tập nghiên cứu để hồn thành khóa

luận này.
Xin cảm ơn các thầy cô giáo giảng dạy, các thầy cơ giáo cơng tác tại
phịng thí nghiệm khoa Hóa trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng đã
nhiệt tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành nhiệm vụ của mình.
Xin cảm ơn bố mẹ, gia đình, bạn bè đã luôn dộng viên, gần gũi, giúp đỡ
em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu hoàn thành khóa luận này.
Đà Nẵng, ngày 25 tháng 04 năm 2015
Sinh viên

Hồ Thị Như Huỳnh

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 5


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................6
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................9
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................11
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................15
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................17
1.1. Giới thiệu về vật liệu chitosan/than hoạt tính ................................................17
1.1.1. Nguồn gốc, cấu trúc, tính chất, ứng dụng của chitosan ...........................17
1.1.1.1. Nguồn gốc .........................................................................................17
1.1.1.2. Cấu trúc .............................................................................................18

1.1.1.3. Tính chất lý hóa ................................................................................18
1.1.1.4. Tính chất sinh học của chitosan ........................................................19
1.1.1.5. Khả năng tạo màng ............................................................................20
1.1.1.6. Khả năng hấp phụ tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp của
chitosan ..........................................................................................................20
1.1.1.7. Ứng dụng của chitosan ......................................................................21
1.1.2. Tổng quan về than hoạt tính .....................................................................21
1.2. SỰ HẤP THỤ KIM LOẠI NẶNG CỦA CHITOSAN/THAN HOẠT tính .23
1.2.1. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ ........................................................23
1.2.1.1. Khái niệm về sự hấp phụ ...................................................................24
1.2.1.2. Hấp phụ trong môi trường nước .......................................................25
1.2.1.3. Nguyên lý của quá trính hấp phụ ......................................................26
1.2.1.4. Cân bằng trong quá trình hấp phụ ......................................................29
1.2.1.5. Phương trình mơ tả q trình hấp phụ ..............................................29
1.2.1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ...................................33
1.2.2. Vật liệu hấp phụ trên cơ sở polysaccarit ..................................................35
1.2.3. Ưu điểm của vật liệu hấp phụ trên cơ sở polysaccarit .............................35
1.2.4. Cơ chế hấp phụ kim loại nặng của chitosan/than hoạt tính .....................37
1.2.5. Ưu điểm của chitosan/ than hoạt tính .......................................................39
1.3. KIM LOẠI NẶNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA chúng ....................................39
1.3.1. Khái quát chung........................................................................................39
1.3.2. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đến sức khỏe con người và môi
trường .................................................................................................................41
1.3.3. Giới thiệu về niken ...................................................................................41
1.3.3.1. Lịch sử về niken ................................................................................41
1.3.3.2. Vài nét chung và ứng dụng của Niken ...............................................41
SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 6

Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHITOSAN ĐỂ XỬ LÝ KIM
LOẠI NẶNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM ................................................43
1.4.1. Những nghiên cứu ngoài nước .................................................................43
1.4.2. Những nghiên cứu trong nước..................................................................44
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................45
2.1. DỤNG CỤ VÀ HĨA CHẤT ..........................................................................45
2.1.1. Dụng cụ ....................................................................................................45
2.1.2. Hóa chất ....................................................................................................45
2.2. Phương pháp HẤP THỤ NGUYÊN TỬ AAS ...............................................45
2.2.1. Nguyên tắc của phép đo AAS ..................................................................45
2.2.1.1. Nguyên tắc sinh phổ...........................................................................45
2.2.1.2. Nguyên tắc của phép đo AAS ............................................................46
2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng trong phép đo AAS ..............................................48
2.2.2.1. Các yếu tố về phổ ...............................................................................48
2.2.2.2. Các yếu tố vật lý ................................................................................48
2.2.2.3. Các yếu tố hóa học .............................................................................50
2.2.3. Ưu, nhược và phạm vi ứng dụng của phép đo AAS ................................51
2.2.3.1. Ưu điểm..............................................................................................51
2.2.3.2. Nhược điểm ........................................................................................51
2.2.3.3. Phạm vi ứng dụng ..............................................................................51
2.3. ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHITOSAN/THAN HOẠT TÍNH ........52
2.3.1. Điều chế vật liệu hấp phụ chitosan/ than hoạt tính ..................................52
2.3.2. Chụp ảnh SEM – phổ hồng ngoại IR .......................................................53
2.4. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Ni2+ CỦA CHITOSAN/
THAN HOẠT TÍNH ..............................................................................................53

2.4.1. Hấp phụ bể ................................................................................................53
2.4.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ ..........................54
2.4.1.2. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ rắn/ lỏng đến quá trình hấp phụ .................54
2.4.1.3. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ...........................................54
2.4.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+ đến quá trình hấp phụ .....54
2.4.2. Hấp phụ cột ..............................................................................................55
2.4.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ ...........................56
2.4.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ chảy (của dung dịch dội qua cột) đến
khả năng hấp phụ ............................................................................................56
2.4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng đến quá trình hấp phụ ...........56
2.4.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ion Ni2+ đến quá trình hấp phụ
.........................................................................................................................56
2.4.3. Giải hấp phụ và tái hấp phụ ......................................................................57
SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 7


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

2.4.3.1. Giải hấp phụ .......................................................................................57
2.4.3.2. Tái hấp phụ ........................................................................................57
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN...............................................................58
3.1. ĐIỀU CHẾ HẤP PHỤ CHITOSAN/THAN HOẠT TÍNH............................58
3.1.1. Điều chế vật liệu hấp phụ chitosan/than hoạt tính ...................................58
3.1.2. Phổ hồng ngọai IR ....................................................................................59
3.1.2.1. Phổ hồng ngoại của chitosan..............................................................59
3.1.2.2. Phổ hồng ngoại của VLHP chitosan/than hoạt tính ..........................59

3.1.3. Ảnh SEM ..................................................................................................60
3.1.3.1. Ảnh SEM của chitosan.......................................................................60
3.1.3.2. Ảnh SEM của than hoạt tính ..............................................................60
3.1.3.3. Ảnh SEM của chitosan/than hoạt tính ...............................................61
3.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ BỂ ION KIM LOẠI N
CỦA CHITOSAN/THAN HOẠT TÍNH ...............................................................61
3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ .................................61
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ rắn/ lỏng đến quá trình hấp phụ .......................64
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đạt cân bằng hấp phụ .........................66
3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+ ban đầu đến khả năng hấp phụ
............................................................................................................................68
3.3. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
CỘT ION Ni2+ CỦA CHITOSAN/THAN HOẠT TÍNH ......................................71
3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ .................................72
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ chảy đến khả năng hấp phụ ....................74
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/ lỏng đến khả năng hấp phụ.................76
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+ ban đầu đến khả năng hấp phụ
............................................................................................................................78
3.4. GIẢI HẤP PHỤ VÀ TÁI HẤP PHỤ .............................................................81
3.4.1. Giải hấp phụ .............................................................................................81
3.4.2. Tái hấp phụ ...............................................................................................81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................83

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 8


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

26

Bảng 3.1. Kết quả xác định hiệu suất của quá trịnh điều chế VLHP chitosan/than
hoạt tính
58
Bảng 3.2. Kết quả ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ

62

Bảng 3.3. Kết quả ảnh hưởng tỉ lệ rắn/ lỏng đến quá trình hấp phụ

64

Bảng 3.4. Kết quả ảnh hưởng của thời gian đạt cân bằng hấp phụ

66

Bảng 3.5. Kết quả ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+ban đầu đến khả năng hấp phụ 68
Bảng 3.6. Kết quả ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ

72

Bảng 3.7. Kết quả ảnh hưởng của tốc độ chảy đến khả năng hấp phụ

74

Bảng 3.8. Kết quả ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng đến khả năng hấp phụ

76

Bảng 3.9. Kết quả ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+ ban đầu đến khả năng hấp phụ
78
Bảng 3.10. Kết quả giải hấp phụ ion kim loại Ni2+ từ chitosan/than hoạt tính ở các
pH khác nhau
81
Bảng 3.11. Kết quả khảo sát khả năng tái hấp phụ ion kim loại Ni2+ lên
chitosan/than hoạt tính qua các chu trình hấp phụ - giải hấp phụ

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

82

Trang 9


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

Trang 10


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Quá trình điều chế chitosan từ chitin ........................................................17
Hình 1.2. Cơng thức cấu tạo của chitosan ................................................................18
Hình 1.3. Chitosan xay nhỏ ......................................................................................19
Hình 1.4. Than hoạt tính ...........................................................................................22
Hình 1.5. Q trình hấp phụ .....................................................................................25
Hình 1.6. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ......................................................31
Hình 1.7. Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt Frendlich ..........................................32
Hình 1.8. Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt dạng hình chữ S ngược. .......................32
Hình 2.1. Quá trình phát xạ và hấp thụ của một nguyên tử ......................................46
Hình 2.2. Ảnh hưởng của các nồng độ và loại axit đến sự hấp thụ ..........................50
Hình 3.1. VLHP chitosan/than hoạt tính ..................................................................58
Hình 3.2. Phổ hồng ngoại của chitosan ....................................................................59
Hình 3.3. Phổ hồng ngoại của chitosan/than hoạt tính .............................................59
Hình 3.4. Ảnh SEM của chitosan .............................................................................60
Hình 3.5. Ảnh SEM của than hoạt tính ....................................................................60
Hình 3.6. Ảnh SEM của VLHP chitosan/than hoạt tính ..........................................61
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ ......................62
Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến tải trọng hấp phụ.......................63
Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng tỉ lệ rắn/ lỏng đến hiệu suất hấp phụ............65
Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng tỉ lệ rắn/ lỏng đến tải trọng hấp phụ ..........65
Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ ..........67
Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến tải trọng hấp phụ ..........67
Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+ ban đầu đến hiệu suất
hấp phụ ......................................................................................................................69
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+ ban đầu đến tải trọng
hấp phụ ......................................................................................................................69

Hình 3.15. Dạng tuyến tính của phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .........71
Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ ....................73
SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 11


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến tải trọng hấp phụ ....................73
Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ chảy đến hiệu suất hấp phụ ......75
Hình 3.19. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ chảy đến tải trọng hấp phụ .......75
Hình 3.20. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng đến hiệu suất hấp phụ ...77
Hình 3.21. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng đến tải trọng hấp phụ .....77
Hình 3.22. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+ ban đầu đến hiệu suất
hấp phụ ......................................................................................................................79
Hình 3.23. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+ ban đầu đến tải trọng
hấp phụ ......................................................................................................................79
Hình 3.24. Dạng tuyến tính của phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .........80
Hình 3.25. Khả năng tái hấp phụ ion kim loại Ni2+ lên chitosan/than hoạt tính ......82

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 12


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
IR

: Phổ hồng ngoại

VLHP

: Vật liệu hấp phụ

SEM

: Scanning electron microscope (Ảnh điện tử kính hiển vi quét)

CTS

: Chitosan

DD

: Độ deacetyl hóa

Da

: Độ acetyl hóa

AAS

: Phổ hấp thụ nguyên tử

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 13


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

Trang 14


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải
MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, vấn đề bảo vệ môi trường đã trở thành một vấn đề
trọng tâm, thu hút sự chú ý của nhiều quốc gia và tổ chức trên thế giới. Việc bảo vệ
môi trường sống trên Trái đất được đặt ra cho loại người vì sự cần thiết cho chính
bản thân họ và cho thế hệ tương lai.
Nước là một thành phần quan trọng của môi trường, nước tham gia vào các
q trình tự nhiên, điều hịa khí hậu, là thành phần của mọi cơ thể sống… đảm bảo
sự tồn tại của con người. Bên cạnh đó, nước cịn đáp ứng các nhu cầu đa dạng của
con người trong sinh hoạt, trong công nghiệp và sản xuất nông nghiệp.
Cùng với sự phát triển công nghiệp nhu cầu về nước ngày càng trở nên thiết
yếu. Lượng nước thải ra từ các quá trình sản xuất cũng như trong sinh hoạt đã đưa

vào môi trường nước tự nhiên một lượng lớn các chất gây ô nhiễm. Trong các loại
nước thải công nghiệp thì nước thải kim loại nặng được chú ý hơn cả, vì chúng là
tác nhân gây hại cho nguồn nước, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người
và hủy hoại mơi sinh mạnh mẽ. Do đó, việc nghiên cứu tách loại các kim loại nặng
trong nước có ý nghĩa vơ cùng quan trọng.
Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra
khỏi mơi trường nước như: phương pháp hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương
pháp trao đổi ion…), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học… Trong đó,
phương pháp hấp phụ được áp dụng rộng rãi và cho kết quả rất khả thi. Hướng
nghiên cứu các VLHP có nguồn gốc polysaccarit nói chung và chitosan (viết tắt là
CTS) nói riêng đã thu hút được sự chú ý của nhiều nhà khoa học do có những ưu
điểm như: giá thành xử lý khơng cao, tách loại được đồng thời nhiều ion kim loại
trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng VLHP và thu hồi kim loại, quy trình xử lý
đơn giản, khơng gây ơ nhiễm mơi trường thứ cấp sau q trình xử lý.
Chitosan là sản phẩm thu được bằng cách deaxetyl hóa chitin trong mơi trường
kiềm. Việc sử dụng chitosan từ chitin góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn
phế thải thủy hải sản và ứng dụng vào xử lý mơi trường. Do đó, em tiến hành khóa

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 15


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

luận với đề tài: “Ng

ứu khả ă g ấp phụ ion Ni2+ ro g mô rườ g ước

bằng vật li u chitosan/than hoạ í

”.

Cấu trúc khóa luận:
MỞ ĐẦU

2 trang (Trang 1 ÷ 2)

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

28 trang (Trang 3 ÷ 30)

CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
13 trang (Trang 31 ÷ 43)
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

26 trang (Trang 44 ÷ 68)

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

2 trang (Trang 69 ÷ 70)

TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ PHỤ LỤC

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 16

Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU CHITOSAN/THAN HOẠT TÍNH [1], [5],
[8], [13]
1.1.1. Nguồn gốc, cấu trúc, tính chất, ứng dụng của chitosan
1.1.1.1. Nguồn gốc 1], [9]
Chitosan là một loại polymer carbohydrate tự nhiên có thể tạo ra bằng cách
deacetyl hố chitin trong môi trường kiềm. Trong động vật, chitin là một thành phần
cấu trúc quan trọng của các vỏ một số động vật không xương sống như: côn trùng,
nhuyễn thể, giáp xác và giun trịn. Trong thực vật chitin có ở thành tế bào nấm họ
Zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo...
Chitosan tự nhiên tồn tại trong một số loại nấm, được tạo thành nhờ hoạt động
của một loại emzim deaxetyl hóa.

Hình 1.1. Q trình điều chế chitosan từ chitin
SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 17


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

1.1.1.2. Cấu trúc [1], [6], [13]
Trong số các dẫn xuất của chitin thì chitosan là một trong những dẫn xuất

quan trọng vì nó có hoạt tính sinh học cao và có nhiều ứng dụng trong thực tế.
Việc sản xuất chitosan tương đối đơn giản, khơng cần dung mơi, hóa chất độc
hại, đắt tiền. Chitosan là dẫn xuất deaxetyl hố của chitin, trong đó nhóm (-NH2)
thay thế nhóm (-NHCOCH3) ở vị trí C2. Chitosan được cấu tạo từ các mắt xích Dglucozamin liên kết với nhau bởi các liên kết b-(1-4)-glicozit, do vậy chitosan có
thể gọi là poly b-(1-4)-2-amino-2-deoxi-D-glucozơ hoặc là poly b-(1-4)-Dglucozamin (cấu trúc III).
Do q trình khử acetyl xảy ra khơng hồn tồn nên người ta qui ước nếu độ
deacetyl hóa DD > 50% thì gọi là chitosan, nếu DD < 50% gọi là chitin.

Hình 1.2. Cơng thức cấu tạo của chitosan
Chitosan tích điện dương do đó nó có khả năng liên kết hóa học với những
chất tích điện âm như chất béo, lipid, cholesterol, protein và các đại phân tử. Về
phương diện cấu tạo hóa học, chitosan chỉ là một trường hợp của chitin khi mức độ
deaxetyl hóa tiến dần về 0.
Như vây, chitosan chỉ là trường hợp riêng của chitin khi mức độ giống chitin
giảm dần.
1.1.1.3. Tính chất lý hóa [6], [14], [15]
 Chitosan là chất rắn, xốp, nhẹ, có thể xay nhỏ theo kích thước khác nhau.
Chitosan có màu trắng ngà hoặc màu vàng nhạt, tồn tại dạng bột hoặc dạng vảy,
khơng mùi, khơng vị, nhiệt độ nóng chảy 309 - 3110C, khối lượng phân tử rất lớn
104 ÷ 5.105 Da. Khi xử lý chitosan trong môi trường axit mạnh với nồng độ lớn

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 18


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

thường xảy ra phản ứng cắt mạch làm giảm khối lượng phân tử polymer. Trong
phân tử chitosan có khoảng 70 – 90% nhóm amino nên chitosan là một cationit.

Hình 1.3. Chitosan xay nhỏ
 Chitosan có tính kiềm nhẹ, khơng tan trong nước, trong kiềm nhưng hoà tan
được trong dung dịch axit hữu cơ loãng như: axit acetic, axit fomic, axit lactic... tạo
thành dung dịch keo nhớt trong suốt, có khả năng tạo màng tốt. Độ nhớt của
chitosan trong dung dịch axit loãng liên quan đến kích thước và khối lượng phân tử
trung bình của chitosan (đây cũng là tính chất chung của tất cả các dung dịch
polymer).
 Trong phân tử chitosan có chứa các nhóm chức -OH, -NHCOCH3 trong các
mắc xích N-axetyl-D-glucozamin và nhóm –OH, nhóm -NH2 trong các mắt xích Dglucozamin có nghĩa chúng vừa là ancol vừa là amin, vừa là amit. Phản ứng hố học
có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thế N-, hoặc dẫn
xuất thế O-, N.
 Mặt khác chitosan là những polimer mà các monome được nối với nhau bởi
các liên kết b-(1-4)-glicozit, các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hoá học
như: axit, bazơ, tác nhân oxy-hóa và các enzim thuỷ phân.
1.1.1.4. Tính chất sinh học của chitosan 2, [7]
 Chitosan không độc, dùng an tồn cho người. Chúng có tính hịa hợp sinh
học cao với cơ thể, có khả năng tự phân huỷ sinh học.

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 19


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

 Chitosan có nhiều tác dụng sinh học đa dạng như: tính kháng nấm, tính
kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau, kích thích sự phát triển tăng sinh của
tế bào, có khả năng nuôi dưỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh dưỡng, tác dụng
cầm máu.
 Ngồi ra, chitosan cịn có tác dụng làm giảm cholesterol và lipid máu, hạ
huyết áp, điều trị bệnh thận mãn tính, chống rối loạn nội tiết.
 Với khả năng thúc đẩy hoạt động của các peptit - insulin, kích thích việc tiết
ra insulin ở tuyến tụy nên chitosan đã được dùng để điều trị bệnh tiểu đường. Nhiều
cơng trình đã cơng bố khả năng kháng đột biến, kích thích làm tăng cường hệ thống
miễn dịch cơ thể, khôi phục bạch cầu, hạn chế sự phát triển các tế bào u, ung thư,
HIV/AIDS, chống tia tử ngoại, chống ngứa... của chitosan.
1.1.1.5. Khả năng tạo màng
Chitosan cịn có khả năng tạo màng. Màng chitosan được sử dụng nhiều trong
bảo quản thực phẩm. Màng chitosan khá dai, khó xé rách, có độ bền tương đương
với một số chất dẻo vẫn được dùng làm bao gói.
1.1.1.6. Khả năng hấp phụ tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp của
chitosan [14]
Trong phân tử chitosan có chứa các nhóm chức mà trong đó các nguyên tử oxi
và nitơ của nhóm chức cịn cặp electron chưa sử dụng, do đó chúng có khả năng tạo
phức phối trí với hầu hết các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg2+,
Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+... Tuỳ nhóm chức trên mạch polimer mà thành phần và
cấu trúc của phức khác nhau, ví dụ như:
Cu(II) > Cd(II) ≈ Ni(II) > Pb(II)
Tùy nhóm chức trên mạch polimer mà thành phần và cấu trúc của phức cũng
khác nhau.
Ví dụ : Với phức Ni(II) với chitin có cấu trúc bát diện với số phối trí bằng 6,
cịn phức Ni(II) với chitosan có cấu trúc tứ diện với số phối trí bằng 4.

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 20


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

Việc nghiên cứu những đặc điểm về tính chất hóa học, khả năng hấp phụ kim
loại đang là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm và từng bước được áp dụng
vào giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường trên Trái đất.
1.1.1.7. Ứng dụng của chitosan [7], [11], [12]
 Chitosan có nhiều đặc tính q báu như: có hoạt tính kháng nấm, kháng
khuẩn, có khả năng tự phân huỷ sinh học cao, không gây dị ứng, không gây độc hại
cho người và gia súc, có khả năng tạo phức với một số kim loại chuyển tiếp như:
Cu(II), Ni(II), Co(II)... Do vậy chitosan được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực: trong lĩnh vực xử lý nước thải và bảo vệ môi trường, dược học và y học, nông
nghiệp, công nghiệp, công nghệ sinh học…
 Trong y tế, chitosan có tác dụng làm màng chữa bỏng, tá dược độn trong
làm cốm, tá dược ổn định viên nén, thuốc trị viêm loét dạ dày tá tràng. Hỗn hợp
chitosan-collagen làm giảm cholesterol trong máu, giảm sự hấp thụ lipid.
 Trong công nghiệp thực phẩm, chitosan làm phụ gia thực phẩm duy trì
hương vị tự nhiên, ổn định màu, nhũ tương, làm dày cấu trúc, màng bảo quản rau
quả tươi, làm trong nước quả ép, giữ màu sắc và hương vị tự nhiên của sản phẩm.
 Trong công nghiệp in, chitosan làm chất keo cảm quang, trong công nghiệp
nhuộm làm tăng độ màu vải nhuộm. Trong nông nghiệp, oligochitosan làm thuốc
tăng trưởng thực vật và kích thích gây tạo kháng sinh thực vật, thuốc diệt nấm bệnh
cho thực vật, gia tăng hệ số nhân và sinh khối tươi cho cây nuôi cấy mô.
 Trong khoa học kỹ thuật, chitosan làm dung dịch tăng độ khuyếch đại của
kính hiển vi, xử lý nước thải cơng nghiệp và sinh hoạt: thu hồi ion kim loại, protein,
phenol, thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm.

 Ngoài ra chitosan khi mang trên các vật liệu mao quản có khả năng ứng
dụng lớn trong lĩnh vực xúc tác dị thể.
1.1.2. Tổng quan về than hoạt tính [18], [20]
 Than hoạt tính là một chất gồm chủ yếu là nguyên tố cacbon ở dạng vơ định
hình (bột), một phần nữa có dạng tinh thể vụn grafit. Ngồi cacbon thì phần cịn lại
SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 21


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

thường là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loại kiềm và vụn cát. Than hoạt tính có
diện tích bề mặt ngồi rất lớn nên được ứng dụng như một chất lý tưởng để lọc
hút nhiều loại hóa chất.

Hình 1.4. Than hoạt tính
 Diện tích bề mặt của than hoạt tính nếu tính ra đơn vị khối lượng thì là từ
500 đến 2500 m2/g. Bề mặt riêng rất lớn này là hệ quả của cấu trúc xơ rỗng mà chủ
yếu là do thừa hưởng từ nguyên liệu hữu cơ xuất xứ, qua q trình chưng khơ (sấy)
ở nhiệt độ cao trong điều kiện yếm khí. Phần lớn các vết rỗng - nứt vi mạch, đều có
tính hấp phụ rất mạnh và chúng đóng vai trị các rãnh chuyển tải (kẽ nối). Than hoạt
tính thường được tự nâng cấp (ví dụ, tự rửa tro hoặc các hóa chất tráng mặt), để lưu
giữ lại được những thuộc tính lọc hút, để có thể thấm hút được các thành phần đặc
biệt như kim loại nặng.
 Thuộc tính làm tăng ý nghĩa của than hoạt tính cịn ở phương diện nó là chất
khơng độc (kể cả một khi đã ăn phải nó), than hoạt tính được tạo từ gỗ và than đá
thường có giá thành thấp, từ xơ dừa, vỏ trái cây thì giá thành cao và chất lượng hơn.

Chất thải của quá trình chế tạo than hoạt tính dễ dàng được tiêu hủy bằng phương
pháp đốt. Nếu như các chất đã được lọc là những kim loại nặng thì việc thu hồi lại,
từ tro đốt, cũng rất dễ. Phần lớn than hoạt tính có mặt trong đời sống được làm từ gỗ

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 22


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

bằng cách đốt cháy thân cây rồi phun nước lên thân cây đang cháy (loại này cịn có
tên là than hoa) hoặc nung thân gỗ trong mơi trường yếm khí.
+ Trong y tế (Carbo medicinalis – than dược): để tẩy trùng và các độc tố sau
khi bị ngộ độc thức ăn...
+ Trong công nghiệp hóa học: làm chất xúc tác và chất tải cho các chất xúc tác
khác...
+ Trong kỹ thuật, than hoạt tính là một thành phần lọc khí (trong đầu lọc thuốc
lá, miếng hoạt tính trong khẩu trang); tấm khử mùi trong tủ lạnh và máy điều hòa
nhiệt độ...
+ Trong xử lý nước (hoặc lọc nước trong gia đình): để tẩy các chất bẩn vi
lượng.
+ Do có cấu trúc xốp và bản thân xung quanh mạng tinh thể của than hoạt tính
có một lực hút rất mạnh, do đó than hoạt tính có khả năng hấp phụ khác thường đối
với các chất có gốc hữu cơ.
+ Than hoạt tính được sử dụng để hấp phụ các hơi chất hữu cơ, chất độc, lọc
xử lý nước sinh hoạt và nước thải, xử lý làm sạch môi trường, khử mùi, khử tia đất
và các tác nhân gây ảnh hưởng có hại đến sức khỏe con người, chống ô nhiễm môi

trường sống... Đem lại một môi trường sống trong sạch cho con người.
+ Các ngành cơng nghiệp chế biến thực phẩm, cơng nghiệp hóa dầu, sản xuất
dược phẩm, khai khống, nơng nghiệp, bảo quản, hàng không vũ trụ, lĩnh vực quân
sự... Đều cần phải sử dụng than hoạt tính với khối lượng rất lớn.
+ Tác dụng tốt trong phòng tránh tác hại của tia đất.
1.2. SỰ HẤP THỤ KIM LOẠI NẶNG CỦA CHITOSAN/THAN HOẠT TÍNH
[3], [4], [10]
1.2.1. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ [9], [10]
Hiện nay, có nhiều phương pháp để xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong nước
và nước thải như: điện hóa, kết tủa, keo tụ, trao đổi ion, trích ly, màng sinh học, hấp
phụ, hấp thụ… Mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm riêng tùy thuộc vào
SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 23


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

đặc tính của nước thải, yêu cầu xử lý và một số yêu cầu cụ thể mà ta lựa chọn
phương pháp hoặc kết hợp nhiều phương pháp với nhau để xử lý hiệu quả.
Phương pháp hấp phụ được sử dụng khi xử lý nước thải chứa hàm lượng chất
độc hại không cao. Quá trình hấp phụ kim loại nặng xảy ra giữa bề mặt lỏng của
dung dịch chứa kim loại nặng và bề mặt rắn.
Hiện nay, người ta đã tìm ra nhiều loại vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại
nặng như: than hoạt tính, than bùn, các loại vật liệu vơ cơ như oxit sắt, oxit mangan,
tro bay, xỉ than, các vật liệu polymer hóa học, các vật liệu polymer sinh học…
Phương pháp hấp phụ có ưu điểm là xử lý hiệu quả kim loại nặng ở nồng độ
thấp, đơn giản, dễ sử dụng, có thể tận dụng một số vật liệu hấp phụ là chất thải của

các ngành khác, có thể giải hấp phụ để tái sinh vật liệu hấp phụ và thu lại một số
kim loại quý. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm là thường chỉ áp
dụng cho xử lý kim loại nặng ở nồng độ thấp và chi phí xử lý vẫn cịn cao.
Vật liệu hấp phụ đảm bảo các yêu cầu:
 Có khả năng hấp phụ cao.
 Phạm vi tác dụng rộng – tách được nhiều loại ion kim loại.
 Có độ bền cơ học cần thiết.
 Khả năng hoàn nguyên dễ dàng.
 Giá thành thấp.
1.2.1.1. Khái niệm về sự hấp phụ
Hấp phụ là quá trình tụ tập (chất chứa, thu hút...) các phân tử khí, hơi hoặc các
phân tử, ion của chất tan lên bề mặt chia pha, có thể là lỏng – rắn, khí – lỏng hay
khí – rắn.
Chất mà trên bề mặt của nó có sự hấp phụ xảy ra gọi là chất hấp phụ
(adsorbate), còn chất mà tụ tập trên bề mặt phân chia được gọi là chất bị hấp phụ
(adsorbent).

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 24


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. Lê Tự Hải

Hình 1.5. Q trình hấp phụ
1.2.1.2. Hấp phụ trong mơi trường nước [9], [14]
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 ba thành phần gây tương tác: nước, chất hấp phụ và

chất bị hấp phụ. 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 nước hoặc
kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của các chất bị hấp phụ trong môi trường
nước.
So với hấp phụ trong pha khí, sự hấp phụ trong mơi trường nước thường có
tốc độ chậm hơn nhiều. Đó là do tương tác giữa chất bị hấp phụ với dung môi nước
và với bề mặt chất hấp phụ làm cho quá trình khuếch tán của các phân tử chất tan
chậm.
Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH của môi
trường. Sự thay đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất chất bị hấp phụ
(các chất có tính axit yếu, bazơ yếu hay trung tính phân li khác nhau ở các giá trị pH
khác nhau) mà cịn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề mặt chất hấp phụ.
Ngồi ra, hấp phụ trong mơi trường nước xảy ra theo cơ chế hấp phụ cạnh
tranh và chọn lọc.

SVTH: Hồ Thị Như Huỳnh- Lớp 11CHP

Trang 25