Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano fe3o4 ag than sinh học để xử lý hấp phụ xanh methylene​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

VŨ TIẾN THÀNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP
CẤU TRÚC NANO Fe3O4-Ag-THAN SINH HỌC
ĐỂ XỬ LÝ HẤP PHỤ XANH METHYLENE

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÁI NGUYÊN – 2019

i


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
––––––––––––––––––––––––

VŨ TIẾN THÀNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP
CẤU TRÚC NANO Fe3O4-Ag-THAN SINH HỌC
ĐỂ XỬ LÝ HẤP PHỤ XANH METHYLENE
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN THỊ LUYẾN

THÁI NGUYÊN - 2019

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano
Fe3O4-Ag-than sinh học để xử lý hấp phụ xanh methylene”. do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Luyến trong chương trình đào tạo của trường Đại học
Khoa Học Thái Nguyên. Các số liệu và kết quả trong luận văn được thực hiện trong
phịng thí nghiệm khoa vật lí trường Đại học Khoa Học Thái Nguyên là trung thực và
chưa từng được cơng bố. Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn.

Thái Nguyên, ngày

11 tháng 11

năm 2019

Người thực hiện luận văn

Vũ Tiến Thành

iii


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu hồn thành luận văn tốt nghiệp, tơi đã

nhận được sự động viên, giúp đỡ quý báu của nhiều đơn vị và cá nhân. Đầu tiên, tôi
xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến q Thầy Cơ tham gia giảng dạy lớp Cao học
Quang học khóa 11, q Thầy Cơ cơng tác tại Phịng Sau Đại học, Thầy Cơ cơng tác
phịng thí nghiệm khoa quang học, khoa mơi trường của Trường Đại học Khoa học Đại học Thái Nguyên. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường THPT
Ngô Sĩ Liên - Tỉnh Bắc Giang và trường Cao đẳng Thống Kê Bắc Ninh.

Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến TS. Nguyễn Thị Luyến,
người đã hết lòng giúp đỡ và hướng dẫn tận tình chỉ bảo tơi trong suốt q trình
chuẩn bị, nghiên cứu và hồn thành luận văn.
Dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện, song chắc chắn luận văn
sẽ khơng thể tránh khỏi thiếu sót. Tơi rất mong nhận được sự góp ý của q Thầy
Cơ và các bạn đồng nghiệp để luận văn được bổ sung hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2019
Tác giả

Vũ Tiến Thành

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC BẢNG.....................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...............................................................................viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................x
MỞ ĐẦU...................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN..................................................................................... 3
1.1. Tổng quan về chất màu hữu cơ gây ô nhiễm môi trường nước......................3

1.1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm........................................................................... 3
1.1.2. Phân loại thuốc nhuộm............................................................................. 3
1.1.3. Giới thiệu chung về xanh methylene........................................................6
1.2. Tổng quan về vật liệu hấp phụ........................................................................7
1.2.1. Than sinh học............................................................................................7
1.2.2. Cấu trúc nano oxit sắt từ...........................................................................8
Các phương pháp chế tạo....................................................................................9
1.3. Một số kết quả nghiên cứu xử lý hấp phụ.....................................................10
1.4. Phương pháp hấp phụ................................................................................... 17
1.4.1. Các khái niệm......................................................................................... 17
1.4.2. Cân bằng hấp phụ................................................................................... 18
1.4.3. Dung lượng hấp phụ cân bằng................................................................19
1.4.4. Hiệu suất hấp phụ................................................................................... 19
1.4.5. Nghiên cứu động nhiệt học hấp phụ.......................................................19
1.4.5.1. Động học hấp phụ.............................................................................19
1.4.5.2. Nhiệt học hấp phụ.............................................................................21
CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM................................................24
2.1. Công nghệ chế tạo vật liệu............................................................................24
2.1.1. Nguyên liệu ban đầu............................................................................... 24
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị..................................................................................24
2.1.3. Công nghệ chế tạo.................................................................................. 25
v


2.1.4. Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu than sinh học gốc, cấu trúc nano
Fe3O4-Ag và vật liệu tổ hợp Fe3O4-Ag-than sinh học...................................... 27
2.1.5. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ xanh methylene
của vật liệu hấp phụ Fe3O4-Ag-than sinh học theo phương pháp hấp phụ tĩnh 27

2.1.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH..............................................................27

2.1.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ MB ban đầu.................................27
2.1.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian.................................................... 28
2.1.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng.................................................28
2.2. Các phương pháp khảo sát các đặc trưng của vật liệu..................................28
2.2.1. Phương pháp phân tích trắc quang..........................................................28
2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)....................................................... 31
2.2.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét...........................................................32
2.2.4. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X............................................. 33
2.2.5. Phương pháp đo VSM............................................................................ 34
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.........................................................35
3.1. Khảo sát hình thái, thành phần, cấu trúc.......................................................35
3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ xanh methylene.................................................39
3.2.1. Xây dựng đường chuẩn xanh methylene................................................ 39
3.2.2. So sánh khả năng hấp phụ xanh methylene của than sinh học, Fe3O4-Ag,
Fe3O4-Ag-than sinh học....................................................................................40
3.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ MB của Fe3O4-Agthan sinh học theo phương pháp hấp phụ tĩnh..................................................... 44
3.3.1. Ảnh hưởng của độ pH.............................................................................44
3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ MB ban đầu.....................................................45
3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian rung lắc.......................................................... 47
3.3.4. Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ................................................48
3.4. Khảo sát cơ chế và quá trình hấp phụ MB theo các mơ hình khác nhau......50
KẾT LUẬN.............................................................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................54

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. So sánh khả năng hấp phụ một số chất màu hữu cơ của các VLHP khác
nhau.........................................................................................................................16

Bảng 3.1. Thành phần hóa học của mẫu than sinh học được phân tích từ phổ tán sắc

năng lượng.............................................................................................................. 37
Bảng 3.2. Thành phần hóa học của mẫu Fe3O4-Ag được phân tích từ phổ tán sắc
năng lượng.............................................................................................................. 37
Bảng 3.3. Thành phần hóa học của mẫu Fe3O4-Ag-than sinh học được phân tích từ
phổ tán sắc năng lượng........................................................................................... 37
Bảng 3.4. Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch MB với các nồng độ khác
nhau.........................................................................................................................39
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của thời gian rung lắc đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ
MB của BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 50 mg/L, nhiệt độ 30oC, khối lượng
chất hấp phụ 25 mg/25 mL..................................................................................... 41
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của thời gian rung lắc đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ
o

MB của Fe3O4-Ag, sử dụng nồng độ đầu MB = 50 mg/L, nhiệt độ 30 C, khối lượng

chất hấp phụ 25 mg/25 mL..................................................................................... 41
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của thời gian rung lắc đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ
MB của Fe3O4-Ag-BO, sử dụng nồng độ đầu MB = 50 mg/L, nhiệt độ 30oC, khối
lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL...........................................................................42
Bảng 3.8. Ảnh hưởng của độ pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ MB của Fe 3O4-

Ag-BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, thời gian rung lắc 60 phút, khối
lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC...................................................44
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ MB ban đầu đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ
MB của Fe3O4-Ag-BO, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, tại nhiệt độ 30oC,
thời gian rung lắc 60 phút....................................................................................... 46
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của thời gian rung lắc đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ
MB của Fe3O4-Ag-BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, khối lượng chất

hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC.....................................................................47

vii


Bảng 3.11. Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ đến hiệu suất và dung lượng
hấp phụ MB của Fe3O4-Ag-BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, pH = 10,
nhiệt độ 30oC. .......................................................................................................
Bảng 3.12. Các thông số nhiệt học hấp phụ và các hệ số tương quan của các mơ hình
Langmuir, Freundlich và Temkin. ........................................................................
Bảng 3.13. Các thông số động học hấp phụ và các hệ số tương quan của các mơ hình

giả bậc 1, giả bậc 2 và mơ hình Weber-Morris. ....................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cơng thức cấu tạo của xanh methylene [24]............................................
Hình 1.2. Cơng thức cấu tạo cation MB+ [24] ........................................................
.............................................................................................................................
Hình 1.3. Mơ hình minh họa cơng nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4
– than sinh học [28]. .............................................................................................
Hình 1.4. (a) Mơ hình minh họa cơng nghệ chế tạo MBC, với nguồn than sinh học
được sử dụng từ lá bạch đàn; (b) Mơ hình tách MBC từ dung dịch nước lọc [29]. 10
Hình 1.5. (a) Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ, (b) thời gian rung lắc, (c) độ
MB ban đầu và (d) pH đến khả năng hấp phụ MB của carbon hoạt tính được làm từ

lá cây vả [25]. .......................................................................................................
Hình 1.6. Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ, thời gian rung lắc, nồng độ MB
ban đầu và pH đến khả năng hấp phụ MB của than hoạt tính kết hợp hạt nano bạc
[30]. ..................................................................................................................... 12
Hình 1.7. (a) Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ, (b) thời gian rung lắc và (c)
pH đến khả năng hấp phụ MB của Fe3O4/than sinh học từ bèo hoa dâu (kí hiệu

MNLA) và Fe3O4/than sinh học từ lá vả (kí hiệu MNLFL) [20]. ..........................
Hình 1.8. Sơ đồ minh họa cơ chế hấp phụ ion kim loại nặng của than sinh học [31].
............................................................................................................................. 14
Hình 1.9. Sơ đồ minh họa cơ chế hấp phụ chất màu hữu cơ của than sinh học [31].
............................................................................................................................. 15

viii


Hình 1.10. Mơ hình và cơ chế hấp phụ MB của hạt nano từ Fe3O4 được phủ carbon
hoạt tính [32]...........................................................................................................16
Hình 1.11. Sơ đồ quá trình hấp phụ và giải hấp phụ [34]....................................... 17
Hình 2.1. Một số thiết bị phục vụ nghiên cứu.........................................................25
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình chế tạo than sinh học từ phế phẩm nơng nghiệp...........25
Hình 2.3. Hình ảnh thực tế quá trình chế tạo than sinh học từ vỏ trấu...................26
Hình 2.4. Mơ hình hệ chế tạo cấu trúc nano lõi-vỏ Fe 3O4-Ag bằng phương pháp biến

đổi đồng kết tủa.......................................................................................................26
Hình 2.5. Máy đo UV-Vis Jasco V770 tại Trường Đại học Khoa học....................29
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên tắc hệ đo hấp thụ quang hai chùm tia...............................29
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên tắc của phép đo nhiễu xạ tia X.........................................31
Hình 2.8. Kính hiển vi điện tử quét S-4800 (FE-SEM, Hitachi)............................ 33
Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý của hệ ghi nhận tín hiệu phổ EDS trong FE-SEM.......33
Hình 2.10. Máy đo từ kế mẫu rung (VSM) MicroSence EZ9 (Mỹ)-(Nguồn: Viện
AIST- Đại học Bách khoa Hà Nội)......................................................................... 34
Hình 3.1. (a,b,c) là ảnh FE-SEM và (d,e,f) là phổ tán sắc năng lượng tương ứng của:

than sinh học, Fe3O4-Ag với [Ag+] = 10 mM và Fe3O4-Ag-than sinh học.............36
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của: (a) hạt nano oxit sắt từ Fe 3O4; (b,c,d) cấu trúc
nano lõi-vỏ Fe3O4-Ag với các nồng độ [Ag+] tương ứng: 1 mM, 5 mM và 10 mM.

38
Hình 3.3. Đường cong từ trễ của: (a) cấu trúc nano lõi-vỏ Fe3O4-Ag với nồng độ
[Ag+] = 10 mM và (b) Fe3O4-Ag-than sinh học......................................................39
Hình 3.4. (a) Phổ hấp thụ của dung dịch MB với các nồng độ ban đầu khác nhau; (b)
Đường chuẩn của MB.............................................................................................40
Hình 3.5. So sánh sự phụ thuộc của: (a) hiệu suất hấp phụ và (b) dung lượng hấp phụ

MB của BO, Fe3O4-Ag và Fe3O4-Ag-BO vào thời gian rung lắc: nồng độ ban đầu
MB là 50 mg/L; khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL; nhiệt độ 30oC................43
Hình 3.6. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ MB của Fe3O4Ag-BO, sử dụng nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, thời gian rung lắc 60 phút, khối
lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC...................................................45
ix


Hình 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ MB ban đầu đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ
MB của Fe3O4-Ag-BO, thời gian rung lắc 60 phút, khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25

mL, pH = 10, nhiệt độ 30oC....................................................................................47
Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian rung lắc đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ
MB của Fe3O4-Ag-BO tại nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, pH = 10, khối lượng
chất hấp phụ Fe3O4-Ag-BO là 25 mg/25 mL, nhiệt độ 30oC..................................48
Hình 3.9. Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ Fe3O4-Ag-BO đến hiệu suất và
dung lượng hấp phụ MB tại nồng độ ban đầu MB = 30 mg/L, pH = 10, nhiệt độ
30oC........................................................................................................................ 49
Hình 3.10. Nhiệt học hấp phụ MB của Fe3O4-Ag-BO tại thời gian rung lắc 60 phút,
khối lượng chất hấp phụ 25 mg/25 mL, pH = 10, nhiệt độ 30oC............................50
Hình 3.11. Mơ hình động học hấp phụ MB của Fe3O4-Ag-BO, khối lượng chất hấp
phụ 25 mg/25 mL, pH =10, nồng độ MB ban đầu = 30 mg/L, nhiệt độ 30oC........52

STT

Kí hiệu viết tắt

1

MB

2

CV

3

VLHP

4

BO

5

MBC

6

q

7

H

8

Abs

9

XRD

10

FE-SEM

x


MỞ ĐẦU
Nước sạch từ xưa tới nay luôn là một nhu cầu cấp thiết của tồn xã hội và là
chìa khóa quan trọng để bảo vệ sức khỏe của cuộc sống. Tuy nhiên song song với
sự phát triển của công nghiệp hóa, hiện nay nguồn nước của chúng ta ngày càng bị
ô nhiễm. Thuốc nhuộm màu là chất gây ô nhiễm tồn tại trong nước thải của các
ngành công nghiệp như dệt, da giày, chế biến thực phẩm, giấy,...vv. Chúng là
những hợp chất thơm có các thành phần nhóm chức phức tạp và khó phân hủy [1].
Hầu hết, các thuốc nhuộm là độc hại và có khả năng gây ung thư, việc loại bỏ
chúng khỏi nước thải công nghiệp là một vấn đề lớn của ngành môi trường. Xanh
methylene (MB) là một hợp chất hóa học thơm dị vịng, có nhiều ứng dụng trong
các lĩnh vực khác nhau như sinh học và hóa học. Ở nhiệt độ phịng, MB có dạng
bột đặc, không mùi và màu xanh đậm, thu được dung dịch màu xanh khi hòa tan
trong nước. Một số phương pháp vật lý và hóa học truyền thống để làm sạch MB
đã được sử dụng như thẩm thấu ngược, lắng đọng, điện hóa, oxi hóa, trao đổi ion,

màng lọc, hấp phụ [2,3] …vv, trong đó, hấp phụ là một kỹ thuật được sử dụng rộng
rãi, mang lại hiệu quả kinh tế cao [4–7].
Với sự phát triển của công nghệ nano, các hạt nano oxit sắt từ đã được nghiên
cứu rộng rãi như một chất hấp phụ mới với các đặc trưng như diện tích bề mặt lớn,
thể hiện tính chất siêu thuận từ, có độ ổn định hóa học cao, dễ dàng tổng hợp, ít
độc hại [8,9]. Đây là những tính chất rất hữu ích trong việc tách các ion kim loại
nặng và chất màu hữu cơ. Có nhiều phương pháp chế tạo các hạt nano oxit sắt từ
như phương pháp đồng kết tủa, vi nhũ tương, phân hủy nhiệt, thủy nhiệt, trong số
các phương pháp này thì đồng kết tủa là một một phương pháp chế tạo đơn giản.
Mặc khác, gần đây than sinh học có nguồn gốc từ các phế phẩm trong nông nghiệp
khác nhau như vỏ trấu [10], vỏ lạc [11,12], bã cà phê [13], mùn cưa [14], thân cây
chuối [15], vỏ cam [6], rơm rạ [16], bùn [17], vỏ cám lúa mì [18,19] đã được sử
dụng để loại bỏ thuốc nhuộm màu. Ưu điểm của than sinh học đó là nguồn nguyên
liệu dồi dào, giá thành rẻ, thân thiện với môi trường tuy nhiên việc xử lý hấp phụ
thuốc nhuộm màu thường cho hiệu quả chưa cao, để tách than sinh học sau khi xử
lý hấp phụ thường là các biện pháp như ly tâm và lọc, đây là một hạn chế trong xử
1


lý nguồn nước bị ô nhiễm. Để khắc phục nhược điểm này, các nhà nghiên cứu đã
kết hợp các hạt nano oxit sắt từ và than sinh học [20–23], bằng cách sử dụng một
từ trường ngoài vật liệu hấp phụ có thể dễ dàng được tách ra từ dung dịch nước để
tái sử dụng. Mặt khác theo nhiều công bố thì Ag có tính kháng khuẩn và có tính
chất quang học và đến nay chưa có cơng bố nào nghiên cứu sử dụng vật liệu tổ hợp
nano oxit sắt từ/Ag/than sinh học để xử lý thuốc nhuộm màu. Do đó, chúng tôi đã
đề xuất thực hiện đề tài luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp cấu
trúc nano Fe3O4-Ag-than sinh học để xử lý hấp phụ xanh methylene”. Trong luận
văn này, chúng tôi nghiên cứu vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe 3O4-Ag-than sinh
học để loại bỏ MB với mong muốn tăng khả năng hấp phụ MB, đồng thời tận dụng
được nguồn nguyên liệu sẵn có trong nơng nghiệp, giảm chi phí giá thành. Ảnh

hưởng của các thông số như pH, như nồng độ MB ban đầu, thời gian rung lắc, khối
lượng chất hấp phụ đến dung lượng hấp phụ, hiệu suất loại bỏ MB được khảo sát.
Cơ chế và quá trình hấp phụ MB của vật liệu Fe 3O4-Ag-than sinh học theo các mơ
hình khác nhau cũng đã được khảo sát.
Mục đích nghiên cứu
- Khả năng hấp phụ xanh methylene của vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4Ag-than sinh học.
- Cơ chế hấp phụ và quá trình hấp phụ xanh methylene của vật liệu tổ hợp cấu
trúc nano Fe3O4-Ag-than sinh học.
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4-Ag-than sinh học.
- Khảo sát hình thái, thành phần của vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4-Agthan sinh học.
- Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ xanh methylene của vật
liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe 3O4-Ag-than sinh học khi thay đổi các thông số như
pH, nồng độ xanh methylene, thời gian hấp phụ, khối lượng vật liệu hấp phụ.

- Nghiên cứu động học q trình hấp phụ xanh methylene thơng qua mơ hình
hấp phụ bậc 1 và bậc 2, mơ hình động học khuếch tán Weber và Morris
- Nghiên cứu quá trình hấp phụ xanh methylene của vật liệu tổ hợp cấu trúc
nano Fe3O4-Ag-than sinh học theo các mơ hình Langmuir, Freundlich, Temkin.
2


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về chất màu hữu cơ gây ơ nhiễm mơi trường nước
Ngày nay có rất nhiều nguồn gây ô nhiễm môi trường nước như các ion
kim loại nặng Hg2+, Pb2+, Cr3+, Cr6+, Ni2+, Co2+, Cu2+, Cd2+, Ag+, As5+ và As3+ và
các chất màu hữu cơ. Nước bị ô nhiễm bởi kim loại nặng chủ yếu là do việc khai
thác mỏ, sản xuất quặng. Trong khi đó, các chất màu hữu cơ có nguồn gốc chủ yếu
từ nước thải công nghiệp dệt nhuộm. Trong mục 1.1 sẽ trình bày một số các đặc
điểm chung về chất màu hữu cơ gây ô nhiễm môi trường nước.

1.1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm mà là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất
định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy chỉ cho một số thành phần mầu sắc đi qua
hoặc phản xạ và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trong những điều kiện quy
định. Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp. Hiện nay con
người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp. Đặc điểm nổi bật của các loại
thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất khơng bị phân hủy. Một cách chung nhất,
cấu trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu. Nhóm mang
màu là những nhóm có chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử π không cố định
như: > C = C <; > C = N -; - N = N -; - NO 2. Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho
hoặc nhận điện tử như: - NH2, - COOH, - SO3H, - OH …đóng vai trị tăng cường
màu bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử.
1.1.2. Phân loại thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm trực tiếp
Thuốc nhuộm trực tiếp hay còn gọi là thuốc nhuộm tự bắt màu là những hợp
chất màu hoà tan trong nước, có khả năng tự bắt màu vào một số vật liệu như: các
tơ xenlulozơ, giấy, da... nhờ các lực hấp phụ trong mơi trường trung tính hoặc mơi
trường kiềm. Phân tử thuốc nhuộm phải thẳng vì xenlulozơ nói riêng và các vật
liệu mà thuốc nhuộm có khả năng bắt màu đều có phân tử mạch thẳng ,phân tử
thuốc nhuộm có cấu tạo phẳng, các nhân thơm hoặc các nhóm chứa của thuốc
nhuộm phải nằm trên một mặt phẳng để nó có thể tiếp cận cao nhất với một mặt
phẳng phân tử vật liệu.

3


Ngồi ra, phân tử thuốc nhuộm trực tiếp cịn phải chứa một số nhóm chức nhất định,
chủ yếu là nhóm hydroxyl và nhóm amin(-OH-NH 2) nhửng nhóm này vừa làm nhiệm
vụ trợ màu vừa tạo cho thuốc nhuộm thực hiện liên kết hydro với vật liệu.

Thuốc nhuộm axit
Thuốc nhuộm axit thơng thường đề cập đến thuốc nhuộm hịa tan trong nước có
chứa một nhóm có tính axit và hầu hết các nhóm có tính axit trong đó có mặt trên
phân tử thuốc nhuộm dưới dạng muối natri sulfonat, và chỉ có một vài loại tồn tại
dưới dạng một muối natri carboxylat.
Thuốc nhuộm axit có đặc điểm sắc ký hồn tồn và màu sắc tươi sáng. Chúng chủ
yếu được sử dụng để nhuộm và in chất xơ protein và sợi polyamide như len và lụa.
Chúng cũng có thể được sử dụng để nhuộm màu da, giấy, mỹ phẩm và mực in. Vì
thuốc nhuộm axit có tính trực tiếp thấp đối với xơ xenlulô, thường không cần thiết
phải nhuộm axit xenluloza.
Thuốc nhuộm hoạt tính
Thuốc nhuộm hoạt tính là thuốc nhuộm mà có khả năng phản ứng hóa học với
một xơ sợi để tạo thành liên kết cộng hóa trị giữa thuốc nhuộm và xơ sợi. Liên kết
hóa trị này được hình thành giữa các phân tử thuốc nhuộm và nhóm -OH của sợi
cellulose hay giữa các phân tử thuốc nhuộm và các nhóm -NH2 của sợi polyamide
hoặc len.
Phân tử thuốc nhuộm hoạt tính bao gồm một ngun tử hoặc nhóm ngun tử
gọi là nhóm mang màu. Sự hiện diện nó tạo ra màu sắc của thuốc nhuộm. Một
nhóm thế có khả năng phản ứng với xơ cellulose. Thuốc nhuộm hoạt tính có độ
bền giặt tốt nhất nhờ liên kết giữa thuốc nhuộm và cellulose là liên kết cộng hóa trị
xảy ra trong quá nhuộm. Thuốc nhuộm hoạt tính thường được sử dụng để nhuộm
cellulose như cotton hoặc lanh. Thuốc nhuộm hoạt tính cũng có thể được áp dụng
trên len và nylon, trong trường hợp này chúng được áp dụng trong điều kiện axit
yếu. Thuốc nhuộm hoạt tính có mức độ tận trích thấp so với các loại thuốc nhuộm
khác bởi vì các nhóm chức năng trong thuốc nhuộm cũng đồng thời phản ứng với
nước, xảy ra do quá trình thủy phân. Phần thuốc nhuộm bị thủy phân này khơng có
liên kết với cellulose và phải bị giặt bỏ mới giải quyết được vấn đề độ bền màu.
4

Thuốc nhuộm bazơ
Thuốc nhuộm bazơ được sử dụng để đạt được màu sắc tươi sáng, thường là
đối với xơ polyacrylonitrile. Độ bền mầu trên xơ polyacrylonitrile là tuyệt vời. Tuy
nhiên, khi áp dụng cho cellulose, thuốc nhuộm bazơ có độ bền màu kém với ánh
sáng và sự cọ xát.
Thuốc nhuộm lưu huỳnh
Thuốc nhuộm lưu huỳnh bao gồm cấu trúc amino và phenolic gắn kết với các
hợp chất lưu huỳnh và có trọng lượng phân tử cao. Nhiều loại thuốc nhuộm khác
có chứa lưu huỳnh trong các phân tử của chúng, nhưng chỉ các loại thuốc nhuộm
mà nó khơng tan trong nước và tan được bởi sodium sulfide trong một môi trường
kiềm thuộc loại này.
Thuốc nhuộm hoàn nguyên
Thuốc nhuộm hoàn nguyên là nhửng hợp chất màu hữu cơ khơng hịa tan
trong nước, tuy có cấu tạo hóa học và màu sắc khác nhau nhưng chúng có chung
một tính chất, đó là tất cả đều chứa các nhóm xeton trong phân tử và có dạng tổng
quát là: R=C=O. Khi bị khử dạng khơng tan này sẽ chuyển về dạng axit, nó chưa
tan trong nước nhưng tan trong kiềm và chuyển thành dạng bazơ. Do có ái lực lớn
với xơ và hịa tan trong nước nên nó hấp phụ rất mạnh vào xơ xenlulo, mặt khác nó
lại dễ bị thủy phân và oxi hóa về dạng khơng tan ban đầu
Thuốc nhuộm phân tán
Thuốc nhuộm phân tán là các thuốc nhuộm hữu cơ không có các nhóm ion
hóa, có độ hịa tan thấp và thích hợp cho việc nhuộm các sợi kỵ nước. Thuốc
nhuộm phân tán khơng hịa tan trong nước hoặc có độ hịa tan trong nước rất ít.
Chúng được chuẩn bị dưới dạng lỏng hoặc nghiền mịn ở dạng paste với chất trợ
phân tán. Có thể tan trong các dung mơi hữu cơ như benzene, toluen vv.
Thuốc nhuộm azo không tan
Thuốc nhuộm azo khơng tan cịn có tên gọi khác như thuốc nhuộm lạnh,
thuốc nhuộm đá, thuốc nhuộm naptol, chúng là những hợp chất có chứa nhóm azo
trong phân tử nhưng khơng có mặt các nhóm có tính tan như - SO 3Na, -COONa
nên khơng hồ tan trong nước.

5


1.1.3. Giới thiệu chung về xanh methylene
MB là một loại thuốc nhuộm bazơ cation, nó được sử dụng phổ biến trong
công nghiệp dệt nhuộm, làm chất chỉ thị và thuốc trong y học. Đây là một chất khó
phân hủy khi thải ra môi trường nước, gây mất vẻ đẹp mĩ quan, ảnh hưởng xấu đến
quá trình sản xuất và sinh hoạt. MB là một hợp chất hóa học thơm dị vịng có cơng
thức phân tử là: C16H18N3SCl. Cơng thức cấu tạo hình 1.1

Hình 1.1. Cơng thức cấu tạo của xanh methylene [24].
MB có phân tử gam là 319,85g/mol. Nhiệt độ nóng chảy là: 100-110°C. Khi
tồn tại dưới dạng ngậm nước (C 16H18N3SCl.3H2O) trong điều kiện tự nhiên, khối
lượng phân tử của MB là 373,9g/mol. MB là một chất màu thuộc họ thiơzin, phân

+

+

ly dưới dạng cation MB là C16H18N3S :

Hình 1.2. Công thức cấu tạo cation MB+ [24]
MB là một chất tinh thể màu xanh lục, có ánh kim, tan nhiều trong nước,
etanol. Trong hóa học phân tích, MB được sử dụng như một chất chỉ thị với thế oxi
hóa khử tiêu chuẩn là 0,01V. Dung dịch của chất này có màu xanh khi trong một
mơi trường oxi hóa, nhưng sẽ mất màu chuyển sang không màu nếu tiếp xúc với
một chất khử. MB đã được sử dụng làm chất chỉ thị để phân tích một số nguyên tố
theo phương pháp động học. Mặc dù MB khơng phải là hóa chất gây độc cao,
nhưng MB có thể gây tổn thương tạm thời da, mắt trên con người và động vật khi

tiếp xúc trực tiếp. Nó có thể gây khó thở trong thời gian ngắn khi hít phải và đối
với hệ tiêu hóa khi nuốt phải MB gây ra các triệu chứng nóng ruột, buồn nơn,
chóng mặt. Vì vậy việc xử lý MB trong nước thải cũng rất được quan tâm và
phương pháp nghiên cứu chủ yếu là hấp phụ.

6


1.2. Tổng quan về vật liệu hấp phụ
1.2.1. Than sinh học
Theo tổ chức IBI (International Biochar Initiative - Sáng kiến than sinh học
quốc tế) thì than sinh học là một chất rắn thu được từ q trình cacbon hóa sinh
khối từ các nguồn phế phẩm trong nông nghiệp. Than sinh học có thể được bổ sung
vào đất với mục đích cải thiện các chức năng của đất và giảm sự phát thải các khí
nhà kính. Chúng có ý nghĩa lớn trong việc cố định cacbon theo chu trình tuần hồn
vật chất cacbon trong khí quyển [10]. Than sinh học có giá thành rẻ, ứng dụng
nhiều trong lĩnh vực hấp phụ. Than sinh học có kích thước mao quản trong một
khoảng rộng, chủ yếu là vi mao quản (kích thước mao quản < 2 nm). Chúng có
diện tích bề mặt riêng và thể tích mao quản lớn, có khả năng hấp phụ một lượng
lớn các khí hoặc chất lỏng. Tuy nhiên, nhược điểm của các vật liệu này là kích
thước mao quản nhỏ nên các phân tử khó hoặc khơng khuếch tán được vào trong
mao quản để thực hiện quá trình hấp phụ. Có thể hiểu than sinh học là một sản
phẩm của quá trình nhiệt phân vật liệu hữu cơ trong mơi trường yếm khí (thiếu
oxygen và áp suất lớn thì cacbon sinh khối khơng bị cháy hồn tồn mà chuyền
sang dạng giữa khống và hữu cơ).
Tính chất vật lý: Than sinh học bao gồm 4 phần chính: cacbon bền, cacbon
không bền, các thành phần bay hơi khác, phần tro khoáng và độ ẩm. Thành phần
trong than sinh học rất khác nhau phụ thuộc vào nguồn gốc sinh khối, các điều kiện
nhiệt phân, nhiệt độ nhiệt phân, tốc độ lên nhiệt, áp suất, các điều kiện trước và sau
xử lý. Cấu trúc phân tử của than có trạng thái xốp và có diện tích bề mặt lớn. Các

lỗ rỗng đường kính rất nhỏ (50 nm) được hình thành trong q trình nhiệt phân tạo
nên các hệ thống mao quản [25].
Cấu trúc xốp của bề mặt than sinh học: Than sinh học với sự sắp xếp ngẫu nhiên
của các vi tinh thể và với liên kết ngang bền giữa chúng, làm cho than sinh học có một
cấu trúc lỗ xốp khá phát triển. Các lỗ rỗng trên bề mặt than sinh học có cường độ sắp
xếp lớn, thực sự mang lại giá trị quan trọng lớn hơn so với sinh khối khơng bị cháy.
3

Chúng có tỷ trọng tương đối thấp (nhỏ hơn 2g/cm ) và mức độ graphit hóa thấp, cấu
trúc vi lỗ xốp bề mặt này quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu

7


ban đầu, được tạo ra trong q trình than hóa và phát triển hơn trong q trình hoạt
hóa than sinh học.
Nhóm cacbon - oxy trên bề mặt than sinh học: Nhóm cacbon - oxy bề mặt là
nhóm quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc trưng bề mặt (tính ưa nước, độ phân cực,
tính a xít,...), đặc điểm hóa lý (khả năng xúc tác, dẫn điện, ...) và khả năng phản
ứng của các vật liệu này. Thực tế, oxy đã kết hợp thường được biết là yếu tố làm
cho than trở nên hữu ích và hiệu quả trong một số lĩnh vực ứng dụng nhất định. Ví
dụ, oxy có tác động quan trọng đến khả năng hấp phụ nước và các khí và hơi có
cực khác, ảnh hưởng đến sự hấp phụ ion, khả năng bám dính,... Bản chất và lượng
nhóm oxy- cacbon bề mặt phụ thuộc vào bản chất bề mặt than và cách tạo ra nó,
diện tích bề mặt của nó, bản chất oxy hóa và nhiệt độ quá trình. Dạng nhóm cacbon
- oxy bề mặt đã được xác định, các nhóm axit bề mặt là rất đặc trưng và được tạo
thành khi than được xử lý với oxy ở nhiệt độ trên 400°C.
Tính chất hố học: Trong than sinh học có sự kết hợp chặt chẽ giữa các
nguyên tố như: H, N, O, P- S trong các vòng thơm và chính điều này đã gây nên ái
lực điện tử của than, ảnh hưởng đến khả năng trao đổi cation. Điện tích bề mặt của

than quyết định bản chất của sự tương tác của than sinh học. Theo thời gian, than
sinh học trở lên mất dần hoạt tính do các lỗ rỗng của nó bị bít kín và do đó khả
năng hấp phụ của nó sẽ giảm. Các lỗ rỗng bên trong trở nên không tiếp cận được
dẫn tới giảm diện tích bề mặt [26]
1.2.2. Cấu trúc nano oxit sắt từ
Hạt nano oxit sắt từ được quan tâm nghiên cứu vì khả năng ứng dụng của
chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: linh kiện điện tử (bộ nhớ dung lượng cao), y
sinh (giá mang dẫn truyền thuốc), xử lý mơi trường (làm vật liệu hấp phụ)…vv.
Trong đó, oxit sắt hình thành do sự kết hợp các nguyên tử Fe với O, hầu hết các
oxit sắt đều có cấu trúc, trật tự và kích thước tinh thể xác định, tuy nhiên trong một số
trường hợp nó phụ thuộc vào quá trình hình thành tinh thể. Các oxit sắt quan trọng bao
gồm: hematit (α – Fe2O3), maghemit (γ - Fe2O3) và magnetit (Fe3O4) [27].

Tính chất siêu thuận từ: Khi kích thước hạt giảm đến một giá trị ngưỡng (vài
chục đến vài trăm nm), thì tính sắt từ biến mất, chuyển động nhiệt thắng thế, vật
liệu trở thành siêu thuận từ, khi đó từ dư và lực kháng từ bằng khơng. Thực tế,
8


người tạo ra các dung dịch chứa các hạt nano từ gọi là chất lỏng từ, bên trong có
ba thành phần: hạt nano từ, chất hoạt hóa bề mặt và dung môi. Hạt nano từ là
thành phần duy nhất quyết định tính chất từ, chất hoạt hóa bề mặt có tác dụng làm
cho hạt nano phân tán trong dung môi, tránh kết tụ lại với nhau ngay khi có mặt
của từ trường ngồi
Đường cong từ hóa M-H của các chất siêu thuận từ cũng tương tự như các
chất sắt từ với 2 đặc điểm cơ bản: (i) tiến tới bão hịa theo định luật Langevin và
(ii) khơng có hiện tượng trễ, tức là lực kháng từ bằng 0. Quá trình khử từ của các
chất siêu thuận từ xảy ra không cần lực kháng từ, vì đó khơng phải là q trình tác
dụng của từ trường ngồi, mà do tác dụng của năng lượng nhiệt.
Các phương pháp chế tạo

Công nghệ chế tạo các hạt nano oxit sắt từ rất đa dạng, có nhiều phương
pháp chế tạo nano oxit sắt từ như: phương pháp vật lý, phương pháp hóa học và
các phương pháp kết hợp hóa lý, tuy nhiên phương pháp hóa học ướt (đồng kết
tủa, oxy hóa kết tủa) được sử dụng rộng rãi hơn do dễ thực hiện và dễ điều khiển
kích thước hạt tạo thành.
Phương pháp đồng kết tủa: Hạt nano oxit sắt từ được chế tạo bằng phương
pháp
đồng kết tủa từ muối Fe2+ và Fe3+ trong môi trường kiềm.

→

2Fe3+ + Fe2+ + 8OHFe3O4 + 4H2O
Điều kiện phản ứng như tác nhân kiềm hóa, chất ổn định, nhiệt độ, thời gian phản
ứng … đều ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước hạt nano [8].
- Phương pháp oxi hóa kết tủa: dựa trên q trình oxy hố của muối Fe 2+ trong
mơi trường kiềm bằng các chất oxy hố có độ mạnh trung bình, ví dụ các muối
nitrat, anilin, hoặc cacbon monoxit [8].
3FeCl2 + 3NaNO3 + 6NaOH
trình xảy ra theo 2 giai đoạn:

→

Fe3O4 + 3NaNO2 + 6NaCl + 3H2O Q

Giai đoạn 1: Q trình oxi hóa – khử
Fe2+ - 1eN+5 + 2eGiai đoạn 2: Quá trình đồng kết tủa
→
2Fe3+ + Fe2+ + 8OHFe3O4 + 4H2O
Trong đó q trình oxi hóa khử xảy ra chậm, q trình đồng kết tủa xảy ra gần
như đồng thời, kích thích và thúc đẩy nhau.

9


1.3. Một số kết quả nghiên cứu xử lý hấp phụ
Trong phần này, chúng tơi sẽ trình bày một số kết quả nghiên cứu xử lý hấp
phụ sử dụng các vật liệu hấp phụ khác nhau: than sinh học, oxit sắt từ/than sinh
học (MBC), carbon hoạt tính/Ag…
Trên Hình 1.3 và Hình 1.4 tương ứng trình bày mơ hình cơng nghệ chế tạo
MBC, trong đó than sinh học được tạo ra từ nguồn phế phẩm trong nông nghiệp là
vỏ lạc và lá bạch đàn. MBC được chế tạo bằng phương pháp biến đổi đồng kết tủa.

Hình 1.3. Mơ hình minh họa công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4
– than sinh học [28].

Hình 1.4. (a) Mơ hình minh họa công nghệ chế tạo MBC, với nguồn than sinh học
được sử dụng từ lá bạch đàn; (b) Mô hình tách MBC từ dung dịch nước lọc [29].
Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến khả năng hấp phụ MB
Trên Hình 1.5 (a,b,c,d) tương ứng trình bày ảnh hưởng của các thông số như:
khối lượng của chất hấp phụ, thời gian rung lắc, nồng độ MB ban đầu và pH của dung
dịch đến khả năng hấp phụ MB của carbon hoạt tính được làm từ lá cây vả [25]. Kết
quả nghiên cứu chỉ ra rằng, việc loại bỏ MB tăng nhanh khi khối lượng của carbon
hoạt tính thay đổi từ 0.1 đến 0.5 mg/100 ml và nồng độ MB tăng từ 10 đến 50 mg/100
ml. Điều này được lý giải là do có thể có sẵn nhiều các vị trí hấp phụ cũng như sự sẵn
có lớn hơn của các bề mặt cụ thể của chất hấp phụ. Khi nồng độ

10


ban đầu tăng làm cho sự vận chuyển khối lượng tăng, hiệu suất hấp phụ hầu như
thay đổi không đáng kể. Tại nồng độ thấp sẽ khơng có các tâm bắt trên bề mặt của

chất hấp phụ. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian rung lắc cho thấy, hiệu
suất loại bỏ MB đạt 85% khi thời gian 60 phút, sự cân bằng đạt được sau thời gian
90 phút. Trong khi đó, hiệu suất loại bỏ MB lớn nhất đạt được khi pH của dung
dịch MB có giá trị 8.

Hình 1.5. (a) Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ, (b) thời gian rung lắc, (c)
độ MB ban đầu và (d) pH đến khả năng hấp phụ MB của carbon hoạt tính được
làm từ lá cây vả [25].
Hình 1.6 (a,b,c,d) tương ứng trình bày ảnh hưởng pH của dung dịch MB, thời
gian rung lắc, khối lượng chất hấp phụ, nồng độ MB ban đầu đến dung lượng và hiệu
suất loại bỏ MB của hạt nano Ag trên nền carbon hoạt tính [30]. Khi pH của dung dịch
tăng từ 2 đến 10, dung lượng hấp phụ và hiệu suất loại bỏ MB tăng. Dung lượng hấp
phụ và hiệu suất loại bỏ MB đạt giá trị lớn nhất 149.64 mg/g và 60% tại pH = 10. Ảnh
hưởng của thời gian rung lắc đến dung lượng và hiệu suất loại bỏ MB cho thấy, sự hấp
phụ xảy ra nhanh trong giai đoạn đầu từ 10 đến 30 phút. Dung lượng hấp phụ và hiệu
suất loại bỏ MB tương ứng đạt giá trị 32.22 mg/g và 12.89 % tại 5 phút, sau đó tăng
nhanh đến giá trị tương ứng 127.78 mg/g và 51 % sau 30 phút. Kết quả khảo sát ảnh
hưởng của khối lượng chất hấp phụ đến dung lượng và hiệu suất

11


loại bỏ MB chỉ ra rằng, hiệu suất hấp phụ đạt giá trị lớn nhất là 87 % khi khối lượng
chất hấp phụ 250 mg/25 mL. Trong khi đó, kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ
MB ban đầu cho thấy, dung lượng hấp phụ tăng từ 7.78 đến 64.63 mg/g khi nồng độ

MB tăng từ 100 đến 1000 mg/L, tuy nhiên hiệu suất loại bỏ MB tăng từ 78 đến 90
% khi nồng độ MB thấp trong khoảng từ 100 đến 400 mg/L.

Hình 1.6. Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ, thời gian rung lắc, nồng độ

MB ban đầu và pH đến khả năng hấp phụ MB của than hoạt tính kết hợp hạt nano
bạc [30].
Hình 1.7 (a,b,c) tương ứng trình bày ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ,
thời gian rung lắc, pH của dung dịch đến khả năng loại bỏ MB và thuốc nhuộm màu
(CV) từ vật liệu hấp phụ là hạt nano oxit sắt từ Fe 3O4/than sinh học từ bèo hoa dâu (kí
hiệu MNLA) và Fe3O4/than sinh học từ lá vả (kí hiệu MNLFL) [20]. Dung lượng và
hiệu suất loại bỏ MB đạt giá trị lớn nhất khi sử dụng 0.07 g MNLA và 0.07 MNLFL.
Sử dụng vật liệu hấp phụ MNLA hiệu suất loại bỏ MB tăng từ 59.7 đến 79.2 % khi
thời gian rung lắc từ 15 đến 25 phút, trong khi đó sử dụng vật liệu hấp phụ là MNLFL
hiệu suất loại bỏ MB tăng từ 74.2 đến 77.9 % khi thời gian rung lắc từ 25 đến 35 phút.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH trong khoảng từ 3 đến 11 đến hiệu suất loại bỏ
MB chỉ ra hiệu suất tăng khi tăng pH và đạt giá trị lớn nhất trong
12


khoảng pH từ 6 đến 10. Tác giả lý giải, quá trình hấp phụ tại pH thấp, bề mặt chất
hấp phụ mang điện dương, chiếm ưu thế hấp phụ các chất gây ô nhiễm mang điện
âm. MB là thuốc nhuộm mang điện tích dương mà chiếm vị trí hấp phụ cạnh tranh
với các phân tử chất màu, kết quả sự hấp phụ chất màu thấp hơn, nhưng pH cao
hơn, bề mặt của chất hấp phụ tích điện âm và lực hút của các điện tích trái dấu dẫn
đến sự hấp phụ cao hơn.

Hình 1.7. (a) Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ, (b) thời gian rung lắc và
(c) pH đến khả năng hấp phụ MB của Fe3O4/than sinh học từ bèo hoa
dâu (kí hiệu MNLA) và Fe3O4/than sinh học từ lá vả (kí hiệu MNLFL)
[20].

13

Cơ chế hấp phụ
Các đặc trưng hấp phụ của vật liệu hấp phụ (VLHP) với các chất gây ô nhiễm
như các ion kim loại nặng, các chất màu hữu cơ là khác nhau. Ngồi ra, cơ chế hấp
phụ cũng cịn phụ thuộc vào các đặc trưng khác nhau của VLHP như nhóm chức bề
mặt, diện tích bề mặt cụ thể, cấu trúc xốp.
Đối với các ion kim loại nặng, cơ chế hấp phụ thường liên quan đến hiệu ứng
tích hợp của một vài loại tương tác bao gồm: tương tác hút tĩnh điện, trao đổi ion,
hấp phụ vật lý, sự phức hợp bề mặt hoặc sự kết tủa. Hình 1.8 minh họa sự đa dạng
các cơ chế hấp phụ của VLHP (than sinh học) đối với ion kim loại.

Hình 1.8. Sơ đồ minh họa cơ chế hấp phụ ion kim loại nặng của than sinh học
[31].
Các ion kim loại khác nhau, cơ chế hấp phụ khác nhau và phụ thuộc vào đặc tính
của bề mặt của than sinh học. Các nhóm chức trên bề mặt của than sinh học bao
gồm: carboxylate – COOH, hydroxyl – OH, chúng có thể tương tác mạnh với các
ion kim loại nặng thông qua tương tác hút tĩnh điện, trao đổi ion hay phức hợp bề
mặt. Những ảnh hưởng này có thể được chứng minh thơng qua sự thay đổi nhóm
chức của than sinh học trước và sau khi hấp phụ ion kim loại nặng [20,26-31]. Hơn
14


nữa, các thành phần khoáng chất trong than sinh học, diện tích bề mặt, cấu trúc xốp
cũng đóng vai trị quan trọng trong quá trình hấp phụ.
Đối với các chất màu hữu cơ, cơ chế hấp phụ của than sinh học cũng thường là
sự kết hợp của các loại tương tác khác nhau [8,17,32-33]. Nhìn chung, tương tác tĩnh
điện, hiệu ứng kị nước, liên kết hyđro, sự làm đầy lỗ có thể là cơ chế hấp phụ chính
của than sinh học đối với các chất màu hữu cơ. Các cơ chế khác nhau cho sự tương
tác của than sinh học đối với các chất màu hữu cơ được chỉ ra trên Hình 1.9. Cơ chế
hấp phụ các chất hữu cơ khác nhau và chúng liên quan đến đặc trưng của than sinh
học. Thứ nhất, đặc trưng bề mặt của than sinh học đóng vai trị quan trọng trong hấp

phụ các chất màu hữu cơ. Bề mặt của than sinh học là khơng đồng nhất do cùng tồn
tại cả carbon hóa và khơng carbon hóa, và các giai đoạn của carbon hóa và khơng
carbon hóa của than sinh học thường đại diện cho các cơ chế hấp phụ khác nhau.

Hình 1.9. Sơ đồ minh họa cơ chế hấp phụ chất màu hữu cơ của than sinh học [31].
Việc kết hợp vật liệu tổ hợp cấu trúc nano oxit sắt từ Fe3O4 và carbon hoạt tính
được làm từ cây thốt nốt để xử lý hấp phụ MB và giải thích cơ chế hấp phụ cũng đã
được nghiên cứu bởi Wong và các cộng sự [32]. Trên Hình 1.10 trình bày mơ hình và
cơ chế hấp phụ MB của vật liệu tổ hợp cấu trúc nano oxit sắt từ Fe 3O4 và carbon

15