Nghiên cứu vật liệu than hoạt tính từ vỏ hạt mắc ca (macadamia integrifolia) được biến tính bằng tác nhân oxi hóa HNO3 để xử lý chì (pb) trong nước

UBND TỈNH BÌNH DƢƠNG
ƢỜNG

I HỌC HỦ DẦ M

PH M HỊ NGỌC

NGHIÊN CỨ VẬ LIỆ
H

ÂM

HAN HO

ÍNH Ừ VỎ

MẮC-CA (MACADAMIA INTERGRIFORLIA)

ƢỢC BIẾN ÍNH BẰNG ÁC NHÂN OXI HĨA HNO3
Ể XỬ LÝ CHÌ (Pb)

ONG NƢỚC

CH YÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI
MÃ SỐ: 8440301

L ẬN VĂN H C SĨ

BÌNH DƢƠNG – 2021

ƢỜNG

UBND TỈNH BÌNH DƢƠNG
ƢỜNG

I HỌC HỦ DẦ M

PH M HỊ NGỌC

NGHIÊN CỨ VẬ LIỆ
H

ÂM

HAN HO

ÍNH Ừ VỎ

MẮC-CA (MACADAMIA INTERGRIFORLIA)

ƢỢC BIẾN ÍNH BẰNG ÁC NHÂN OXI HĨA HNO3
Ể XỬ LÝ CHÌ (Pb)

ONG NƢỚC

CH YÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI
MÃ SỐ: 8440301

L ẬN VĂN H C SĨ
GVHD: TS. NG YỄN X ÂN DŨ

BÌNH DƢƠNG - 2021

ƢỜNG


CAM OAN HỰC HIỆN
Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, dữ liệu trong
bài đều đƣợc trích dẫn rõ ràng, trung thực. Kết quả của nghiên cứu cũng chƣa
từng công bố trong bất cứ nghiên cứu cùng cấp nào khác.

Học viên thực hiện

Phạm Thị Ngọc Trâm


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt qu tr nh học t p và hoàn thành lu n văn tốt nghiệp cao học, tôi
đ nh n đƣợc sự hƣ ng dẫn, gi p đ qu b u từ rất nhiều ngƣời.
V i lòng biết ơn sâu sắc, lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến
các toàn thể các giảng viên của Khoa Khoa học quản lý, trƣờng Đại học Thủ Dầu
Một. Cảm ơn Thầy TS. Đào Minh Trung đ nhiệt tình chuyển giao kỹ thu t,
phƣơng pháp thực hiện và công nghệ để thực hiện lu n văn. Đặc biệt là TS.
Nguyễn Xuân Dũ - cán bộ trực tiếp hƣ ng dẫn tơi hồn thành đề tài lu n văn tốt
nghiệp cao học này. Ngƣời đ luôn hết l ng gi p đ , dạy bảo, thƣờng xuyên quan
tâm, động viên và kịp thời chia sẻ những khó khăn, vƣ ng mắc cho tôi trong suốt
qu tr nh học t p, làm th nghiệm và hoàn thành lu n văn.
Tôi xin cảm ơn Ban l nh đạo Khoa Khoa học quản lý, ngành Khoa học môi
trƣờng và các thầy cơ quản lý phịng thí nghiệm đ ln hỗ trợ, tạo môi trƣờng
làm việc v i đầy đủ các trang thiết bị, dụng cụ cần thiết cũng nhƣ mọi điều kiện

thu n lợi để tơi có thể hồn thành tốt báo cáo tốt nghiệp của mình.
Một lần nữa, tơi xin chân thành cảm ơn!
Ngƣời thực hiện

Phạm Thị Ngọc Trâm


TÓM TẮT LUẬN VĂN H C SĨ
Nghiên cứu v t liệu than hoạt tính từ vỏ hạt mắc - ca (macadamia
intergriforlia) đƣợc biến tính bằng tác nhân oxi hóa HNO3 để xử lý chì (Pb) trong
nƣ c, ứng dụng v t liệu thân thiện v i môi trƣờng. Kết quả khảo sát khả năng xử
lý Pb(II) trong nƣ c thải từ than cốc Mắc-ca, than biến t nh điều chế từ than cốc
Mắc-ca bằng tác nhân hóa học HNO3, than hoạt t nh đƣợc điều chế từ than Mắcca bằng tác nhân hoạt hóa NaOH và than biến t nh điều chế từ than hoạt tính
NaOH v i tác nhân HNO3 cho hiệu suất xử lý tốt nhất lần lƣợt là 16.04%,
99.43%, 97.75% và 98.04% tại c c điều kiện tối ƣu (pH, liều lƣợng than và thời
gian xử lý).
Đây có thể đƣợc xem là tính m i của v t liệu keo tụ trong xử l nƣ c thải.
Để áp dụng cần có những nghiên cứu mở rộng cho c c đối tƣợng nƣ c thải thực tế
kh c nhau nhƣ nƣ c thải xi mạ, dệt nhuộm, rỉ rác,….
Từ khóa: Than biến tính HNO3, xử lý Pb(II), kim loại nặng.


ABSTRACT
Research on activated carbon materials from macadamia nut shells
(macadamia intergriforlia) modified by oxidizing agent HNO3 to treat lead (Pb) in
water, applying environmentally friendly materials. Survey results on the ability
to treat Pb(II) in wastewater from Macca coke, modified coal prepared from
Macca coke by chemical agent HNO3, activated carbon prepared from Macca
coal. ca by NaOH activator and modified carbon prepared from NaOH activated
carbon with HNO3 agent gave the best treatment efficiency of 16.04%, 99.43%,

97.75% and 98.04%, respectively, at optimal conditions ( pH, coal dosage and
treatment time).
This can be considered as a novelty of flocculation materials in wastewater
treatment. To apply, it is necessary to have extensive studies for different actual
wastewater objects such as plating wastewater, textile dyeing, leachate,....
Keywords: HNO3 modified coal, Pb(II) treatment, heavy metals.


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1. ỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................. 4
1.1. Tổng quan về Mắc-ca .................................................................................. 4
1.1.1. Nhân Mắc-ca ......................................................................................... 4
1.1.2. Vỏ Mắc-ca ............................................................................................. 5
1.2. Tổng quan về than hoạt tính ........................................................................ 6
1.2.1. Khái niệm .............................................................................................. 6
1.2.2. Cấu trúc của than hoạt tính................................................................... 7
1.2.2.1. Cấu trúc tinh thể .............................................................................. 7
1.2.2.2. Cấu trúc hóa học ............................................................................. 9
1.2.2.3. Hợp chất bề mặt ............................................................................ 10
1.2.3. Quy luật hấp phụ trên than hoạt tính .................................................. 10
1.2.3.1. Thuyết Polany – Dubinin .............................................................. 10
1.2.3.2. Hấp phụ ở áp suất cao – Phƣơng tr nh Kelvin .............................. 12
1.2.4. Phương pháp điều chế than hoạt tính ................................................. 14
1.2.4.1. Nguyên liệu dùng đề điều chế than hoạt tính................................ 14
1.2.4.2. Cơng nghệ điều chế ....................................................................... 14
1.2.5. Một số ứng dụng của than hoạt tính ................................................... 18
1.3. Tổng quan về than biến tính ...................................................................... 19
1.3.1. Biến tính than hoạt tính bằng Nitơ (N2) .............................................. 19
1.3.2. Biến tính bề mặt than bằng Halogen ................................................... 20
1.3.3. Biến tính bề mặt than bằng sự lưu huỳnh hóa..................................... 21

1.3.4. Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm .............................................. 22
1.4. Tổng quan về Chì (Pb) ............................................................................... 23
1.4.1. Khái niệm và đặc tính của Chì (Pb) .................................................... 23
1.4.2. Độc tính của Chì (Pb) ......................................................................... 24
1.4.3. Hiện trạng nước bị ô nhiễm Chì .......................................................... 26
1.5. Tổng quan phƣơng ph p xử lý chì (Pb) ..................................................... 27
i


1.5.1. Phương pháp hấp phụ ......................................................................... 27
1.5.1.1. Hiện tƣợng hấp phụ ....................................................................... 27
1.5.1.2. Một số chất hấp phụ ...................................................................... 33
1.5.2. Phương pháp keo tụ............................................................................. 33
1.5.3. Phương pháp keo tụ điện hoá.............................................................. 33
1.5.4. Phương pháp trao đổi ion ................................................................... 34
1.6. Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nƣ c .............................................. 34
1.6.1. Nghiên cứu trong nước ........................................................................ 35
1.6.2. Nghiên cứu ngoài nước ....................................................................... 36
CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU, N I D NG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU42
2.1. Hóa chất và thiết bị .................................................................................... 42
2.1.1. Hóa chất .............................................................................................. 42
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị .............................................................................. 42
2.2. Nội dung nghiên cứu.................................................................................. 43
2.3. Phƣơng ph p nghiên cứu ........................................................................... 43
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu cơ sở lý thuyết ............................................ 43
2.3.2. Phương pháp thu thập thông tin, kế thừa tài liệu ............................... 43
2.3.3. Phương pháp phân tích ....................................................................... 43
2.3.4. Phương pháp xử lý số liệu ................................................................... 44
2.4. Bố trí thí nghiệm ........................................................................................ 44
2.4.1. Sơ đồ phương pháp luận ..................................................................... 44

2.4.2. Điều chế các vật liệu sinh học từ vỏ Mắc-ca ...................................... 45
2.4.3. Khảo sát các điều kiện tối ưu để xử lý Chì (Pb) ................................. 46
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 48
3.1. Kết quả điều chế v t liệu ........................................................................... 48
3.1.1. Kết quả điều chế than biến tính HNO3 từ than cốc Mắc-ca ................ 48
3.1.1.1. Kết quả x c định k ch thƣ c thích hợp ảnh hƣởng đến q trình
biến tính...................................................................................................... 48

ii


3.1.1.2. Kết quả x c định nồng độ thích hợp ảnh hƣởng đến q trình biến
tính ............................................................................................................. 49
3.1.1.3. Kết quả x c định thời gian lắc thích hợp ảnh hƣởng đến q trình
biến tính...................................................................................................... 50
3.1.2. Kết quả điều chế than hoạt tính NaOH được làm từ vỏ hạt Mắc-ca .. 51
3.1.2.1. Kết quả x c định nhiệt độ nung thích hợp ảnh hƣởng đến q trình
hoạt tính...................................................................................................... 51
3.1.2.2. Kết quả x c định thời gian nung thích hợp ảnh hƣởng đến q
trình hoạt tính ............................................................................................. 52
3.1.3. Kết quả điều chế than biến tính HNO3 từ than hoạt tính NaOH được
làm từ vỏ hạt Mắc-ca..................................................................................... 53
3.1.3.1. Kết quả x c định k ch thƣ c thích hợp ảnh hƣởng đến quá trình
biến tính...................................................................................................... 53
3.1.3.2. Kết quả x c định nồng độ thích hợp ảnh hƣởng đến q trình biến
tính ............................................................................................................. 54
3.1.3.3. Kết quả x c định thời gian lắc thích hợp ảnh hƣởng đến q trình
biến tính...................................................................................................... 55
3.2. Kết quả ảnh SEM ....................................................................................... 56
3.3. Kết quả khảo sát khả năng xử lý Chì (Pb) bằng các v t liệu đƣợc điều chế

.......................................................................................................................... 58
3.3.1. Kết quả khảo sát pH thích hợp cho quá trình xử lý ............................ 58
3.3.2. Kết quả khảo sát liều lượng than thích hợp cho q trình xử lý ......... 60
3.3.3. Kết quả khảo sát thời gian thích hợp cho quá trình xử lý ................... 62
3.3.4. Đánh giá khả năng hấp phụ Chì (Pb) của các vật liệu ....................... 64
KẾT LUẬN VÀ Ề XUẤT ............................................................................... 65
Kết lu n ............................................................................................................. 65
Đề xuất .............................................................................................................. 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 67
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 74

iii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
AC

Than hoạt tính NaOH từ than cốc

ALAD

Enzym delta-aminolaevulinate dehydratase

BC

Than cốc Mắc-ca

EAP

Cục bảo vệ môi trƣờng Mỹ

IR

Hồng ngoại

IUPAC

Hội hóa học ứng dụng quốc tế

KLN

Kim loại nặng

MAC

Than biến tính HNO3 từ than hoạt tính NaOH

MB

Methylene Blue

MC

Than biến tính HNO3 từ than cốc

VLHP

V t liệu hấp phụ

WHO

Tổ chức y tế thế gi i

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần dinh dƣ ng trong nhân hạt Maccadamia ........................... 5
Bảng 1.2. C c hƣ ng nghiên cứu trong và ngoài nƣ c xử lý MB ....................... 37
Bảng 2.1. Những hóa chất sử dụng trong đề tài ................................................... 42
Bảng 2.2. Những thiết bị sử dụng trong đề tài ..................................................... 42
Bảng 2.3. C c phƣơng ph p phân t ch đƣợc sử dụng trong đề tài ....................... 43
Bảng 3.1. Kết quả phân tích SEM ........................................................................ 56

v


DANH MỤC HÌNH
H nh 2.1. Sơ đồ phƣơng ph p lu n ...................................................................... 44
Hình 3.1. Kết quả x c định k ch thƣ c tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue. 48
Hình 3.2. Kết quả x c định nồng độ tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue..... 49
Hình 3.3. Kết quả x c định thời gian tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue ... 50
Hình 3.4. Kết quả x c định nhiệt độ tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue..... 51
Hình 3.5. Kết quả x c định thời gian tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue ... 52
Hình 3.6. Kết quả x c định k ch thƣ c tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue. 53
Hình 3.7. Kết quả x c định nồng độ tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue..... 54
Hình 3.8. Kết quả x c định thời gian tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue ... 55
Hình 3.9. Kết quả x c định sự ảnh hƣởng của pH lên hiệu suất xử lý Pb của BC,
MC và MAC ......................................................................................................... 58
Hình 3.10. Kết quả x c định sự ảnh hƣởng của pH lên hiệu suất xử lý Pb của v t

liệu AC ................................................................................................................. 59
Hình 3.11. Kết quả x c định sự ảnh hƣởng của liều lƣợng lên hiệu suất xử lý Pb
của các v t liệu ..................................................................................................... 60
Hình 3.12. Kết quả x c định sự ảnh hƣởng của thời gian lên hiệu suất xử lý Pb
của các v t liệu ..................................................................................................... 62

vi


MỞ ẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ở Việt Nam, nƣ c ngầm đƣợc sử dụng và trở thành nguồn nƣ c sinh hoạt
chính của nhiều cộng đồng dân cƣ. Tuy nhiên cùng v i sự phát triển của khoa
học cơng nghệ, qu tr nh đơ thị hóa diễn ra mạnh mẽ, nhu cầu của con ngƣời
ngày càng đƣợc nâng cao, cuộc sống ngày càng cải thiện. Kéo theo đó là c c vấn
đề ô nhiễm môi trƣờng, ô nhiễm Chì (Pb) gây ảnh hƣởng đến sự tổng hợp máu,
phá v hồng cầu, gây hại đến hệ thần kinh, nhất là hệ thần kinh của trẻ sơ sinh,
chì kìm hãm việc sử dụng oxi và glucoza để sản xuất năng lƣợng cho quá trình
sống (Nguyễn M u Thanh, 2017).
Ch đƣợc xem là một trong những nguyên tố độc hại v i mơi trƣờng, bởi vì
cùng v i cadimi, thủy ngân, đồng, kẽm, crơm, chì gây nguy hiểm cao và ảnh
hƣởng đến cân bằng sinh thái (Đặng Kim Tại, 2017).
Ngày nay việc ứng dụng các v t liệu tự nhiên hoặc t n dụng phụ phẩm nông
nghiệp để xử l KLN trong nƣ c là một trong những hƣ ng nghiên cứu đang
đƣợc quan tâm bởi tính kinh tế cũng nhƣ hiệu quả mà nó mang lại. Các nghiên
cứu trên thế gi i cũng nhƣ tại Việt Nam về khả năng hấp phụ của một số v t liệu
tự nhiên nhƣ vỏ cam (Feng et al., 2011), rong (Lee and Chang, 2011), than sinh
học (Inyang et al., 2012; Kilic et al., 2013; Pellera et al., 2012), vỏ lạc (Krowiak
et al., 2011), thủy sinh (Deng et al., 2013), xơ dừa (Phạm Thành Quân và cs,
2008; Shukla et al., 2006) và vỏ trấu (Phạm Thành Quân và cs, 2008),... trong

việc xử l KLN và bƣ c đầu cũng đ có những kết quả khả quan (Phạm Hoàng
Giang và Đỗ Quang Huy, 2016).
Phƣơng ph p hấp phụ sử dụng than hoạt tính khơng những đ p ứng việc
bảo vệ môi trƣờng, không ảnh hƣởng đến sức khỏe ngƣời sử dụng, mà còn giúp
tiết kiệm chi ph đ ng kể. Các phế phẩm nông nghiệp có thể đƣợc sử dụng nhƣ
các tiền chất có chi phí thấp cho sản xuất than hoạt tính (Rashidi and Yusup,
2017). Chính vì v y, xuất phát từ nhu cầu thực tế mà đề tài “Nghiên cứu v t liệu
than hoạt tính từ vỏ hạt Mắc-ca (Macadamia Integrifolia) đƣợc biến tính bằng tác
nhân oxi hóa HNO3 để xử l ch (Pb) trong nƣ c” đƣợc thực hiện.
1


2. Mục tiêu nghiên cứu
2.1. Mục tiêu tổng quát
Ứng dụng than hoạt tính Mắc-ca đƣợc hoạt hóa bằng NaOH và biến tính
bằng dung dịch HNO3 để xử l Ch (Pb) trong nƣ c.
2.2. Mục tiêu cụ thể
 Khảo s t c c điều kiện tối ƣu (nhiệt độ, thời gian) để điều chế than từ vỏ
Mắc-ca.
 Khảo s t c c điều kiện tối ƣu (nhiệt độ, thời gian) để hoạt hóa than Mắcca bằng NaOH.
 Khảo s t điều kiện tối ƣu (k ch thƣ c, nồng độ, thời gian) để biến tính
than hoạt hóa Mắc-ca bằng dung dịch HNO3.
 Khảo s t điều kiện tối ƣu cho qu tr nh xử l Ch (Pb) trong nƣ c (pH,
liều lƣợng, thời gian).
3. ối tƣợng nghiên cứu
 Than điều chế từ vỏ hạt Mắc-ca.
 Than Mắc-ca đƣợc hoạt hóa bằng NaOH.
 Than Mắc-ca đƣợc biến tính bằng dung dịch HNO3.
 Ch (Pb) trong nƣ c.
4. Phạm vi nghiên cứu

 Nghiên cứu đƣợc thực hiện tại phịng thí nghiệm của khoa Khoa học tự
nhiên trƣờng Đại học Thủ Dầu Một.
 Vỏ hạt Mắc-ca lấy từ Lâm Đồng.
 Than hoạt tính từ vỏ hạt Mắc-ca.
 Than hoạt hóa bằng NaOH.
 Than biến tính bằng HNO3.
 Đề tài chỉ xử l Ch (Pb) trong nƣ c.
5. Nội dung nghiên cứu
Các nội dung nghiên cứu trong lu n văn

2


 Nội dung 1: Khảo s t điều kiện tối ƣu cho qu tr nh biến tính HNO3 từ
than cốc Mắc-ca.
 Nội dung 2: Khảo s t điều kiện tối ƣu cho qu tr nh hoạt hóa than Mắc-ca
bằng NaOH.
 Nội dung 3: Khảo s t điều kiện tối ƣu cho qu tr nh biến tính HNO3 từ
than hoạt tính NaOH.
 Nội dung 4: Khảo s t điều kiện tối ƣu cho qu tr nh xử lý Chì trong nƣ c.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
6.1. Ý nghĩa khoa học
 Bƣ c đầu tìm ra các thơng số tối ƣu (nhiệt độ, thời gian, khả năng hấp
phụ,…) của v t liệu than hoạt tính làm từ vỏ Mắc-ca để có thể áp dụng vào thực
tế xử l nƣ c thải của một số nhà máy.
 T n dụng nguồn phế phẩm ngành công nghiệp chế biến thực phẩm hạt
Mắc-ca để sử dụng làm v t liệu xử l mơi trƣờng.
 Tìm ra các thơng số tối ƣu cho qu tr nh điều chế than.
6.2. Ý nghĩa thực tiễn
 Đề xuất mơ hình phù hợp v i đối tƣợng nƣ c có thành phần Chì (Pb) khác

nhau.
 Lu n văn tốt nghiệp cũng cung cấp những thông tin khoa học hiệu quả cải
thiện chất lƣợng nƣ c thải của một số ngành công nghiệp nhƣ thành phần kim
loại nặng (Pb) trong nƣ c thải, nƣ c cấp. Kết quả x c định đƣợc các thông số v n
hành tối ƣu p dụng trong các giai đoạn xử lý hóa lý (keo tục tạo bông) trong các
công nghệ xử l nƣ c thải và nƣ c cấp có thành phần ô nhiễm kim loại nói chung
và Pb nói riêng.
 Kết quả nghiên cứu của Lu n văn tốt nghiệp là cơ sở khuyến khích sử
dụng v t liệu sinh học trong cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣ c thải vừa thân
thiện mơi trƣờng vừa có khả năng t i sử dụng từ đó tạo ra một mơi trƣờng sinh
thái bền vững.

3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan về Mắc-ca
Mắc-ca (tên đầy đủ là macadamia và tên khoa học là Macadamia
integrifolia) là lồi cây gỗ l n, có nguồn gốc ở vùng rừng mƣa ven biển thuộc
miền Nam Queensland và miền Bắc New South Wales ở Australia.
Năm 1881, Mắc-ca đƣợc đƣa t i trồng ở Hawaii. Năm 1948, trạm nghiên
cứu nông nghiệp Hawaii đ đầu tƣ nghiên cứu giống và đ tạo ra các dịng có
nhiều triển vọng làm tiền đề cho công nghiệp Mắc-ca hiện đại. Ở California hai
cây mắc ca đầu tiên đƣợc trồng vào đầu th p niên 1880 trong sân Berkeley thuộc
đại học tổng hợp California.
Năm 1950, California m i bắt đầu nh p khẩu một số giống đ đƣợc cải tiến
từ Hawaii. Tại Trung Quốc, cây mắc ca đ có mặt ở vƣờn thực v t Đài Loan từ
đầu thế kỷ 20, nhƣng việc trồng đại trà m i thực hiện trong khoảng 20 năm gần
đây (Nguyễn Công Tạn, 2004).
Năm 1994, cây Maccadamia đ đƣợc trồng thử nghiệm tại Ba Vì (Hà Nội).

Đến nay ch ng đƣợc trồng rộng rãi ở nhiều nơi đặc biệt là vùng Tây Nguyên.
Đây là loại cây có chứa hàm lƣợng chất dinh dƣ ng rất cao đặc biệt là ở trong
nhân vì thế chúng là lồi cây mang lại hiệu quả kinh tế rất l n.
1.1.1. Nhân Mắc-ca
Sản phẩm ch nh của cây mắc ca là hạt (phụ lục F, h nh 1.1). Hạt mắc ca có
nhân mầu sữa trắng ngả vàng, chiếm gần 1/3 trọng lƣợng hạt, hƣơng vị thơm
ngon nhất trong c c loại hạt dùng để ăn và đƣợc mệnh danh là Hồng h u quả
khơ (phụ lục F, h nh 1.2). Theo kết quả phân t ch của Wenkham và Miller năm
1965, thành phần dinh dƣ ng trong nhân hạt mắc ca nhƣ sau (Nguyễn Công Tạn,
2004):

4


Bảng 1.1. Thành phần dinh dƣỡng trong nhân hạt Maccadamia
hành phần

Phần trăm (%)

Chất béo

78.2

C c hợp chất đƣờng

10

C c hợp chất đạm (protein)

9.2

Hàm lƣợng nƣ c

1.5 – 2.5

Kali

0.37

Photpho

0.17

Maggie

0.12

Nếu so s nh v i hàm lƣợng chất béo sau khi rang của lạc nhân là 44,8%,
hạt điều 47%, hạnh nhân 51%, hạt hạch đào 63% th hàm lƣợng dầu béo 78%
trong nhân mắc ca rõ ràng là cao hơn hẳn. Điều đặc biệt là hàm lƣợng acid béo
không no trong dầu mắc ca lên t i 84% chỉ đứng sau dầu sở (97%). Đây là thứ
chất béo mà thế gi i hiện đại rất coi trọng v t dẫn t i nguy cơ t ch tụ colesteron
trong cơ thể ngƣời và rất phù hợp v i nhu cầu làm dung môi trong mỹ phẩm.
Nhân mắc ca không những béo ng y, v i 9% protein 10% hợp chất đƣờng,
nhân mắc ca c n có vị ngọt và rất bùi và thoang thoảng mùi thơm của bơ sữa b
rất hấp dẫn. Nhân mắc ca gi n mà không cứng nhƣ hạt điều hay nhân lạc, dùng
ăn sống, luộc rang hoặc xào nấu v i đồ mặn đều rất ngon, độn vào kem cốc, kẹo
Sô cô-la, bánh ga-tô và nhiều loại đồ ngọt kh c đều làm cho c c đồ ăn này tăng
hẳn gi trị.
Có thể dùng nhân mắc ca để thổi xôi, nấu chè, làm nhân b nh dẻo, b nh

nƣ ng và rất nhiều món ăn cổ truyền dân tộc kh c của Việt Nam, tạo thêm sức
hấp dẫn cho c c món văn ho ẩm thực truyền thống của ta. Trên thế gi i, mắc ca
đ đƣợc đƣa lên bàn ăn của c c gia đ nh giàu có hoặc yến tiệc sang trọng.
1.1.2. Vỏ Mắc-ca
Vỏ hạt Mắc-ca (phụ lục F, hình 1.3) là phế phẩm thải bỏ của ngành chế biến
thực phẩm, tuy vỏ khơng có giá trị kinh tế cao nhƣ nhân hạt, nhƣng gần đây đ
có nhiều nghiên cứu t n dụng loại phế phẩm này để xử lý và tái chế vỏ hạt.
Trong đó, đặc biệt là than hoạt t nh đƣợc tạo ra khi đốt ở nhiệt độ cao. Kết quả
5


phân t ch sơ bộ cho thấy trong vỏ Mắc-ca có c c thành phần kh c nhƣ cellulose,
ligin, hemicellulose và c c hợp chất dễ bay hơi.
Năm 1998, Toles đ phân t ch thành phần trong vỏ Mắc-ca lấy từ Hawaii và
ph t hiện ra hàm lƣợng Ligin chiếm phần l n v i 46.7%, cellulose chiếm 25.8%
và hemicellulose chiếm 11.7%, ngoài ra độ ẩm trong vỏ là 10% và lƣợng tro
chiếm tỉ lệ rất t chỉ 0.2% (Sirichote et al., 2002).
Theo Penoni et al. (2011) cho thấy mỗi tấn hạt Maccadamia thì thải ra t i
70 – 77% là vỏ. Hằng năm c c công ty chế biến hạt ở Việt Nam sản xuất ra hàng
nghìn tấn hạt và thải ra hàng chục nghìn tấn vỏ. Vỏ có thể đƣợc một số công ty
mỹ nghệ mua về làm đồ thủ công nhƣng chiếm tỉ lệ rất nhỏ. Phần l n ch ng đƣợc
đem bỏ hoặc làm nhiên liệu đốt.
Theo Xavier et al. ( 2016), vỏ Mắc-ca đƣợc lấy tại tỉnh S o Mateus-ES
thuộc vùng Đông Nam Bazil. Kết quả thực nghiệm đƣợc tr nh bày trong Bảng
1.1 chỉ ra hàm lƣợng Carbon trong vỏ Mắc-ca kh cao từ 47 – 49% , lƣợng tro
tƣơng đối thấp và nguồn nguyên liệu dồi dào cho thấy tiềm năng to l n để sản
xuất than hoạt t nh từ vỏ Mắc-ca.
Trong bài nghiên cứu của Rakesh Kumar et al. (2013) th hàm lƣợng
cellulose trong vỏ là khá cao chiếm khoảng 41.2%, điều này cho thấy vỏ
Maccadamia rất thích hợp để làm v t liệu sản xuất than hoạt t nh. Vào năm 2015

nhóm nghiên cứu của Martins, A.C et al., đ điều chế thành cơng than hoạt tính
từ vỏ Maccadamia đạt đƣợc hiệu suất xử lí khá cao (Martins et al., 2015).
1.2. Tổng quan về than hoạt tính
1.2.1. Khái niệm
Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon chiếm 85% đến 95%, thành
phần cịn lại là các hợp chất vơ cơ. Ch ng đƣợc điều chế khi đốt các nguyên liệu
cho ta cacbon. Do v y nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính khá phong
phú. Than hoạt t nh đƣợc chế tạo từ những nguyên liệu giàu cacbon nhƣ c c loại
quả, các loại thực v t (gỗ, mùn cƣa…), sọ dừa, gỗ, mạt cƣa, c c loại có nguồn
gốc từ than mỏ nhƣ than antraxit, than bùn, than nâu, than bán cốc, hoặc từ các
hợp chất hữu cơ nhƣ polime, lignin, dầu mỏ… Than hoạt tính có diện tích bề mặt
6


rất l n từ 500 – 2500 m2/g. Vì thế chúng là một chất l tƣởng dung để hấp phụ
nhiều loại chất ơ nhiễm (Lê Huy Du, 1984).
Than hoạt tính, từ lâu đƣợc biết đến nhƣ một loại v t liệu hấp phụ rẻ tiền
dùng trong xử l môi trƣờng (Mohan et al., 2008; Masoud et al., 2012; Santi et
al., 2014; Lin, et al., 2013), ví dụ nhƣ dùng trong lọc nƣ c, lọc khơng khí, phịng
độc, xử lý kim loại nặng, khử màu,… Than hoạt tính sản xuất chủ yếu từ các
nguồn liệu rẻ tiền, thƣờng là các nguồn phế phẩm nông nghiệp nhƣ vỏ trấu (Han,
et al., 2014), vỏ dầu cọ (Vitidsant et al., 1999), tre (Zhang et al., 2014), lõi ngơ
(Sych et al., 2012),... Ngồi ra, vỏ hạt điều cũng là một nguồn phế phẩm nông
nghiệp giàu tiềm năng đang đƣợc quan tâm và nghiên cứu.
Than hoạt t nh đ đƣợc phát hiện và nghiên cứu vào thời gian cuối thế kỷ
18. Trong thế kỷ 19 than hoạt t nh đƣợc ứng dụng để lọc sạch khí và tẩy màu.
Trong Đại chiến Thế gi i Lần thứ Nhất, lần đầu tiên than hoạt t nh đ đƣợc sử
dụng làm v t liệu lọc độc trong mặt nạ ph ng độc (Lê Huy Du và cs, 1981).
1.2.2. Cấu trúc của than hoạt tính
1.2.2.1. Cấu trúc tinh thể

Trên than hoạt tính xảy ra cả hiện tƣợng hấp phụ v t l và hấp phụ hóa học,
sự hấp phụ v t l xảy ra do cấu tr c của than hoạt t nh đƣợc đặc trƣng bởi cấu
trúc xốp đa phân t n tạo nên các kẽ hở (lỗ xốp) có k ch thƣ c và sự phân bố theo
thể tích lỗ theo k ch thƣ c.
Theo Dubinin và Zaveria, than hoạt t nh vi lỗ xốp đƣợc tạo ra khi mức độ
đốt ch y (burn-off) nhỏ hơn 50% và than hoạt t nh lỗ macro khi mức độ đốt ch y
là l n hơn 75%. Khi mức đốt ch y trong khoảng 50 - 75% sản phẩm có hỗn hợp
cấu tr c lỗ xốp chứa tất cả c c loại lỗ.
Than hoạt tính có lỗ xốp từ 1 nm đến vài ngh n nm. Để phân loại chúng ta
dựa trên chiều rộng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của lỗ xốp hình rãnh
hay bán kính của lỗ. Ch ng đƣợc chia là 3 nhóm: lỗ nhỏ, lỗ trung, lỗ l n (Trịnh
Xuân Đại, 2010). Phân bố k ch thƣ c của các mao quản hoặc phân bố lỗ xốp dựa
trên những giả thuyết về hình dáng mao quản. Sự phân bố đó đƣợc x c định theo
sự biến đổi của thể tích hoặc bề mặt lỗ xốp (mao quản) v i k ch thƣ c mao quản
7


đƣợc IUPAC (Hội hóa học ứng dụng quốc tế) phân chia theo độ l n của bán
kính.
Lỗ nhỏ (Micropores) có k ch thƣ c c phân tử, b n k nh hiệu dụng nhỏ hơn
2nm. Sự hấp thụ trong c c lỗ này xảy ra theo cơ chế lắp đầy thể t ch lỗ và không
xảy ra sự ngƣng tụ mau quản. Năng lƣợng hấp thụ trong c c lỗ này l n hơn rất
nhiều so v i lỗ trung hay bề mặt không xốp v sự nhân đôi của lực hấp phụ từ c c
v ch đối diện nhau của vi lỗ. No chung ch ng có thể t ch lỗ 0.15 – 0.7 cm3/g.
Diện t ch bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện t ch bề mặt của than hoạt
tính. Dubinin c n đề xuất thêm rằng cấu tr c vi lỗ có thể chia nhỏ thành 2 c u
tr c vi lỗ đặc trƣng v i b n k nh hiệu dụng nhỏ hơn 0.1 – 0.7nm và siêu vi lỗ v i
b n k nh hiệu dụng từ 0.7 đến 1.6nm. Cấu tr c vi lỗ của than hoạt t nh đƣợc x c
định rõ hơn bằng hấp phụ và hơi v công nghệ tia X (Trịnh Xuân Đại, 2010).
Lỗ trung (Mesopore) hay c n gọi là lỗ v n chuyển có b n k nh hiệu dụng từ

2 đến 50 nm, thể t ch ch ng thƣờng từ 0.1 đến 0.2 cm3/g. Diện t ch bề mặt của lỗ
này không qu 5 % tổng diện t ch bề mặt của than. Tuy nhiên bằng phƣơng ph p
đặc biệt ngƣời ta có thể tạo ra than hoạt t nh có lỗ trung l n hơn, thể t ch của lỗ
trong có thể đạt từ 0.2 – 0.65 cm3/g và diện t ch bề mặt của ch ng đạt 200m2/g.
C c lỗ này đƣợc đặt trƣng bằng sự ngƣng tụ mao quản của chất hấp phụ so v i sự
tạo thành khum của chất lỏng bị hấp phụ (Trịnh Xuân Đại, 2010).
Lỗ l n (Macropore) khơng có nhiều

nghĩa trong qu tr nh hấp phụ của

than hoạt t nh v ch ng có diện t ch bề mặt rất nhỏ và không vƣợt qu 0.5m2/g.
Ch ng có b n k nh hiệu dụng l n hơn 500nm và thƣờng trong khoảng 500 2000nm v i thể t ch lỗ từ 0.2 – 0.4 cm3/g. Ch ng hoạt động nhƣ một kênh cho
chất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung. C c lỗ l n không đƣợc lắp đầy bằng
sự ngƣng tụ mao quản (Trịnh Xuân Đại, 2010).
Do đó cấu tr c lỗ xốp của than có 3 loại bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ l n.
Mỗi nhóm này thể hiện một vai tr nhất định trong qu tr nh hấp phụ. Lỗ nhỏ
chiếm 1 diện t ch bề mặt và thể t ch l n do đó đóng góp l n vào khả năng hấp
phụ của than hoạt t nh, miễn là k ch thƣ c phân tử của chất bị hấp phụ không qu
l n để đi vào lỗ nhỏ. Lỗ nhỏ đƣợc lấp đầy ở p suất hơi tƣơng đối thấp trƣ c khi
8


bắt đầu ngƣng tụ mao quản. Mặt kh c, lỗ trung đƣợc lấp đầy ở p suất hơi tƣơng
đối cao v i sự ngƣng tụ mao quản. Lỗ l n có thể cho phân tử chất bị h p thụ di
chuyển nhanh t i lỗ nhỏ hơn.
1.2.2.2. Cấu trúc hóa học
Cấu trúc tinh thể của than có t c động đ ng kể đến hoạt tính hóa học. Tuy
nhiên, hoạt tính hóa học của các tâm ở mặt tinh thể cơ sở t hơn nhiều so v i tâm
ở cạnh hay ở các vị trí khuyết. Do đó, cacbon đƣợc graphit hóa cao v i bề mặt
đồng nhất chứa chủ yếu mặt cơ sở ít hoạt động hơn cacbon vơ định hình.

Grisdale và Hennig thấy rằng tốc độ oxy hóa của nguyên tử cacbon ở tâm nằm ở
cạnh l n hơn 17 đến 20 lần ở bề mặt cơ sở (Trịnh Xuân Đại, 2012).
Sự phức tạp của các cấu trúc vi tinh thể, do sự có mặt của các l p graphit
cháy khơng hồn tồn trong cấu trúc, gây ra biến đổi về sự sắp xếp các electron
trong khung cacbon và kết quả là tạo ra c c electron độc thân và hóa trị khơng
b o h a điều này ảnh hƣởng đến đặc điểm hấp phụ của than hoạt t nh đặc biệt là
đối v i các hợp chất phân cực và có thể phân cực (Trịnh Xuân Đại, 2012).
Than hoạt tính hầu hết đƣợc liên kết v i một lƣợng có thể x c định oxy và
hydro. Các nguyên tử khác loại này đƣợc tạo ra từ nguyên liệu ban đầu và trở
thành một phần cấu trúc hóa học là kết quả của q trình than hóa khơng hồn
hảo hoặc trở thành liên kết hóa học v i bề mặt trong q trình hoạt hóa hoặc
trong các q trình xử l sau đó. Cũng có trƣờng hợp than đ hấp phụ các loại
phân tử x c định nhƣ amin, nitrobenzen, phenol và c c loại cation khác (Trịnh
Xuân Đại, 2012).
Nghiên cứu nhiễu xạ tia X cho thấy rằng các nguyên tử khác loại hoặc các
loại phân tử đƣợc liên kết v i cạnh hoặc góc của các l p thơm hoặc v i các
nguyên tử cacbon ở các vị trí khuyết làm tăng c c hợp chất cacbon – oxy, cacbon
– hydro, cacbon – nitrơ, cacbon – lƣu huỳnh, cacbon – halogen trên bề mặt,
ch ng đƣợc biết đến nhƣ là c c nhóm bề mặt hoặc các phức bề mặt. Các nguyên
tử khác loại này có thể sáp nh p trong l p cacbon tạo ra hệ thống các vòng khác
loại. Do các cạnh này chứa các tâm hấp phụ chính, sự có mặt của các hợp chất bề

9


mặt hay các loại phân tử làm biến đổi đặc tính bề mặt và đặc điểm của than hoạt
tính (Trịnh Xuân Đại, 2012).
1.2.2.3. Hợp chất bề mặt
Trên bề mặt than hoạt tính ln có một lƣợng oxy liên kết hố học v i
nguyên tử các bon, ngay cả khi gia cơng tinh khiết nhất thì than hoạt t nh cũng

chứa từ 1 đến 2% oxy. Phức chất của oxy v i các bon trên than hoạt t nh đƣợc
gọi là các hợp chất bề mặt. Tuỳ theo điều kiện và phƣơng ph p điều chế than
hoạt t nh mà lƣợng oxy tham gia hợp chất bề mặt có thể thay đổi.
Khi hấp phụ oxy ở nhiệt độ thƣờng trên bề mặt than hoạt tính tạo thành các
oxyt bề mặt mang t nh bazơ. Do sự hydrat hoá sẽ tạo thành các nhóm hydroxyl
bề mặt (–OH). Các oxyt bề mặt có t nh axit đƣợc tạo thành do sự hấp phụ hố
học ở trên than hoạt tính ở nhiệt độ cao hơn (350 – 4500C). Khi hydrat hoá sẽ tạo
thành các nhóm cacboxyl bề mặt (– COOH).
Rất nhiều các kết quả nghiên cứu cho thấy sự có mặt của các oxyt trên than
không ảnh hƣởng t i khả năng hấp phụ v t lý. Trái lại khả năng hấp phụ các chất
phân cực của than hoạt t nh tăng lên rõ rệt nhờ đặc tính axit của hợp chất bề mặt.
1.2.3. Quy luật hấp phụ trên than hoạt tính
Đặc trƣng cho sự hấp phụ v t lý của than hoạt t nh là cơ chế lấp đầy lỗ bé.
Cơ chế này đƣợc mơ tả bằng thuyết Polany - Dubinin. Ngồi ra sự hấp phụ còn
xảy ra theo cơ chế ngƣng tụ mao quản và hấp phụ bề mặt (Phạm Thành Quân và
cs, 2008).
1.2.3.1. Thuyết Polany – Dubinin
Thuyết này cho rằng trên bề mặt chất hấp phụ bao giờ cũng chứa một
trƣờng lực gọi là trƣờng hấp phụ. Độ l n của trƣờng đƣợc biểu thị bằng thế hấp
phụ . Thế hấp phụ này tỷ lệ nghịch v i l p phƣơng khoảng cách từ bề mặt. Trên
bề mặt chất hấp phụ chứa nhiều mặt đẳng thế (Phạm Thành Quân và cs, 2008).
Đại lƣợng hấp phụ không thay đổi khi đi xa bề mặt của thành lỗ bé, lƣợng
hấp phụ tăng lên cho đến khi lỗ bé bị lấp đầy, khi đó thể tích khơng gian hấp phụ
đƣợc tính (Phạm Thành Qn và cs, 2008):
W=av
10

(1.1)

Trong đó:
a – đại lượng hấp phụ (mmol/g);
v – thể tích mmol của chất bị hấp phụ (cm3/mmol).
Polany đ đƣa ra kh i niệm thế hấp phụ, là công mang một mol hơi chất bị
hấp phụ ở tƣ ng thể tích ở áp suất P đến bề mặt chất hấp phụ tạo ra một màng
nén (Sirichote et al., 2002).
Thế hấp phụ đƣợc tính:
є = 2,303  R  T  lg(Ps/P)

(1.2)

Trong đó:
Ps – áp suất hơi bão hồ của thiết bị hấp phụ (mmHg)
P – áp suất cân bằng hấp phụ (mmHg)
R – hằng số khí
T – nhiệt độ tuyệt đối (K)
Đối v i than hoạt t nh phƣơng tr nh (1.1) có dạng:
(1.3)
Trong đó:
W0 – khơng gian hấp phụ tới hạn đơn lớp (cm3/g);
k – hằng số đặc trưng
Nếu hai loại hơi kh c nhau cùng hấp phụ lên một loại than hay một chất hấp
phụ xốp nào đó th ta có quan hệ nhƣ sau:
k1  12 = k2  22
Hay
√

(1.4)

 đƣợc gọi là hệ số tƣơng đồng. Nhƣ v y thế hấp phụ là một đại lƣợng

không đổi v i một loại chất hấp phụ.
Thuyết này áp dụng tốt cho những chất hấp phụ có nhiệt độ sôi cao. Theo
Dubinin, trạng th i hơi hấp phụ trong lỗ bé giống trạng thái lỏng, vì trong khơng
gian của lỗ bé có hiện tƣợng chồng trƣờng, hơi chất hấp phụ bị nén (Basta et al.,
2009).
11


Thuyết lấp đầy lỗ bé của Dubinin có một số hạn chế nhất định. Từ thực
nghiệm thấy rằng đƣờng đẳng nhiệt Dubinin khơng tuyến tính ở vùng áp suất cao
và lệch về phía giá trị cao của trục tung. Nguyên nhân là do khi ở áp suất cao sự
hấp phụ còn xảy ra theo cơ chế ngƣng tụ mao quản và sự hấp phụ trên mặt
phẳng. Ngoài ra thuyết Dubinin không đề c p đến sự hấp phụ trong lỗ chuyển
tiếp và trên bề mặt mà hiện tƣợng này xảy ra trong thực tế của quá trình hấp phụ
(Basta et al., 2009).
1.2.3.2. Hấp phụ ở áp suất cao – Phƣơng trình Kelvin
Khi áp suất tƣơng đối l n, sự hấp phụ xảy ra theo cơ chế ngƣng tụ mao
quản trong các lỗ trung, l p hấp phụ trên thành lỗ dầy lên, chạm vào nhau và
khép kín lại thành mặt khum lõm của chất lỏng bị hấp phụ (Phạm Thành Quân và
cs, 2008; Basta et al., 2009; Chayande et al., 2013).
Kelvin đ đƣa ra phƣơng tr nh mô tả cơ chế này nhƣ sau:
(

)

(1.5)

Trong đó:
P – áp suất cân bằng trên mặt khum lõm trong mao quản (mmHg)
Ps – áp suất hơi bão hồ (mmHg)

 – góc thấm ướt giữa chất lỏng và chất hấp phụ (độ)
 – sức căng bề mặt của chất lỏng (N/m)
r – bán kính mao quản (m)
R – hằng số khí
T – nhiệt độ tuyệt đối (K)
v – thể tích mol chất bị hấp phụ (cm3/g)
Dấu (–) thể hiện áp suất hơi bão hoà của chất lỏng trên bề mặt lõm luôn
luôn nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà của chất lỏng trên bề mặt phẳng.
Nhƣ v y, theo phƣơng tr nh th khi r càng nhỏ thì sự giảm áp suất càng l n.
Do đó trong những mao quản hẹp thì sự ngƣng tụ sẽ xảy ra ở áp suất thấp hơn so
v i áp suất bão hoà. Ch nh nguyên nhân này đ dẫn t i đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ

12


và giải hấp khơng đồng nhất và có vịng trễ, nhánh giải hấp phụ cao hơn nh nh
hấp phụ ở tại các giá trị P/Ps tƣơng ứng.
Ngƣời ta ứng dụng phƣơng tr nh Kelvin để nghiên cứu sự phân bố lỗ của
chất hấp phụ xốp nói chung và của than hoạt tính nói riêng.
Thuyết hấp phụ BET
Brunamuer – Emmett – Teller đƣa ra học thuyết của họ dựa vào các giả
thuyết sau:
- Phân tử chất bị hấp phụ và chất hấp phụ chỉ tƣơng t c v i nhau ở l p thứ
nhất, còn ở các l p sau đƣợc hình thành nhờ lực phân tử của chất bị hấp phụ giữa
các l p v i nhau.
- Sự hấp phụ bao giờ cũng tiến t i trạng thái cân bằng hấp phụ.
- Bể mặt chất hấp phụ đồng nhất về mặt năng lƣợng và sự hấp phụ xảy ra
đơn l p.
Phƣơng tr nh BET có dạng nhƣ sau:

(

) *

(

)

+

(1.6)

Trong đó:
a: độ hấp phụ ở áp suất tƣơng đối P/Px (mmol/g);
am: độ hấp phụ đơn l p (mmol/g);
C: hằng số phụ thuộc nhiệt vi phân hấp phụ q và nhiệt ngƣng tụ
(1.7)
Phƣơng tr nh (1) đƣợc chuyển về dạng đƣờng thẳng:
(

(1.8)

)

Phƣơng tr nh (1.8) chỉ đ ng trong khoảng giá trị P/Px = 0,05 – 0,35. Đây là
áp suất diễn ra q trình hấp phụ v t lí xảy ra trên bề mặt các lỗ xốp nhỏ do v y
phƣơng tr nh này đƣợc sử dụng để tính bề mặt riêng của chất hấp phụ (Sirichote
et al., 2002).

13