Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng bằng diatomite tự nhiên và diatomite biến tính bởi oxit mangan

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA
CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2015 - 2016

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG
BẰNG DIATOMITE TỰ NHIÊN VÀ DIATOMITE BIẾN
TÍNH BỞI OXIT MANGAN


i
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA
CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2015 - 2016

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG
BẰNG DIATOMITE TỰ NHIÊN VÀ DIATOMITE BIẾN
TÍNH BỞI OXIT MANGAN

Sinh viên thực hiện: CHU THỊ MINH HẢO

Nam, Nữ: Nữ

Dân tộc: Kinh
Lớp, khoá: D13HPT02

Năm thứ: 03 /Số năm đào tạo: 04

Ngành học: Cử nhân Hoá học
Người hướng dẫn: ThS: NGUYỄN TRUNG HIẾU

UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc


ii

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG BẰNG
DIATOMITE TỰ NHIÊN VÀ DIATOMITE BIẾN TÍNH BỞI OXIT MANGAN
- Sinh viên thực hiện: Chu Thị Minh Hảo
- Lớp: D13HPT02

Khoa: KHTN

Năm thứ: 03

Số năm đào tạo: 04

- Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trung Hiếu
2. Mục tiêu đề tài:
Đánh giá khả năng loại bỏ các kim loại nặng trong dung dịch nước của

diatomite tự nhiên và diatomite biến tính bởi oxit mangan.
3. Tính mới và sáng tạo:
Khảo sát khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng trong mơi trường nước của
diatomite trước và sau biến tính bằng oxit mangan theo mơ hình động học hấp phụ
biểu kiến bậc hai và đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir.
4. Kết quả nghiên cứu:
Vật liệu diatomite đã được biến tính có khả năng làm chất hấp phụ loại bỏ có
kim loại nặng trong dung dịch nước.
5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc
phòng và khả năng áp dụng của đề tài:
Vật liệu diatomite sau biến tính bằng natri hydroxit hoặc oxit mangan có khả
năng ứng dụng để làm chất hấp phụ xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng từ các
nhà máy công nghiệp.
6. Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài:

Ngày

tháng

năm

Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài


iii

CHU THỊ MINH HẢO

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực

hiện đề tài:

Ngày
Xác nhận của lãnh đạo khoa

tháng

năm

Người hướng dẫn

NGUYỄN TRUNG HIẾU

UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN


iv
CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN:
Ảnh 4x6
Họ và tên: CHU THỊ MINH HẢO
Sinh ngày 20 tháng 09 năm 1995
Nơi sinh: Tỉnh Hưng Yên
Lớp: D13HPT02

Khóa: 2013 - 2017
Khoa: Khoa Học Tự Nhiên
Địa chỉ liên hệ: 29/4A, Kp.Bình Phước B, p.Bình Chuẩn, Tx.Thuận An, Bình Dương
Điện thoại: 0968962317
Email:
II. QUÁ TRÌNH HỌC TẬP (kê khai thành tích của sinh viên từ năm thứ 1 đến năm
đang học):
* Năm thứ 1:
Ngành học: Hóa Học
Khoa: Khoa Học Tự Nhiên
Kết quả xếp loại học tập: Trung Bình - Khá
Sơ lược thành tích: học kì I : 7.07 ; học kì II : 6.86
* Năm thứ 2:
Ngành học: Hóa Học
Khoa: Khoa Học Tự Nhiên
Kết quả xếp loại học tập: Khá
Sơ lược thành tích: học kì I : 7.43, học kì II : 7.44
* Năm thứ 3:
Ngành học: Hóa Học
Khoa: Khoa Học Tự Nhiên
Kết quả xếp loại học tập: Khá
Sơ lược thành tích: Học kì I : 7.07
Ngày
tháng
năm
Xác nhận của lãnh đạo khoa

Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài

CHU THỊ MINH HẢO

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN
THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

TT

Họ và tên

Lớp, Khóa

Chữ ký


v

1

Trần Thị Kim Dung

D13HPT02

2

Nguyễn Thị Kim Cúc

D13HPT02

3

Bùi Thanh Nở

D13HPT02

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ

1

DANH MỤC BẢNG BIỂU

2

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

3

MỞ ĐẦU

4


vi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

6

1.1. Sự ô nhiễm môi trường nước bởi các kim loại nặng

6

1.2. Phương pháp hấp phụ để loại bỏ kim loại nặng khỏi môi trường nước

9

1.2.1. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ

10

1.2.2. Phương rình động học hấp phụ

11

1.2.3. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

12

1.3. Giới thiệu về diatomite

13

1.4. Tính năng của diatomite biến tính bằng oxit mangan

16

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC
NGHIỆM
18
2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

18

2.1.1. Mục tiêu

18

2.1.2. Nội dung

18

2.2. Phương pháp nghiên cứu

18

2.2.1. Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD)

18

2.2.2. Hiển vi điện tử quét và phân tích năng lượng tán xạ tia X

19

2.2.3. Đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ nitơ

20

2.2.4. Phổ hồng ngoại (Fourier Transform Infrared, FTIR)

23

2.2.5. Phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectroscopy, AAS)

23

2.3. Thực nghiệm

24

2.3.1. Vật liệu và hố chất

24

2.3.2. Hoạt hóa diatomite bằng natri hydroxit

24

2.3.3. Biến tính diatomite bằng oxit mangan

25

2.3.4. Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại trong dung dịch nước của
diatomite tự nhiên và diatomite biến tính bằng oxit mangan

25

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

26

3.1. Một số tính chất đặc trưng của diatomite tự nhiên và diatomite biến tính
26
3.2. Khảo sát sự hấp phụ ion kim loại trong dung dịch nước của diatomite tự
nhiên và diatomite biến tính bằng oxit mangan
30
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ

30

3.2.2. Động học hấp phụ

32

3.2.3. Đẳng nhiệt hấp phụ

34

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

37


vii

1.Kết luận

37

2.Kiến nghị

37


1

DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Ảnh SEM của diatomite

15

Hình 1.2. Các dạng hydroxyl trên bề mặt diatomite

15

Hình 2.1. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên mạng tinh thể

19

Hình 2.2. Cácloại hấp phụ đẳng nhiệt

20

Hình 2.3. Bốn dạng vịng trễ thường thấy của đường đẳng nhiệt hấp phụ nitơ

21

Hình 2.4. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của P/[V(Po – P)] theo P/Po

22

Hình 3.1. Ảnh SEM: (a, b) DPY; (c, d) DB; và (e, f) Mn-DB

26

Hình 3.2. Giản đồ XRD: (a) DPY; (b) DB; và (c) Mn-DB

28

Hình 3.3. Phổ FT-IR: (a) DPY; (b) DB; và (c) Mn-DB

29

Hình 3.4. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ của các mẫu diatomite và
diatomite biến tính bởi oxit mangan: (a) DPY; (b) DB; và (c) Mn-DB

30

Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa thời gian và nồng độ của ion kim loại
trong dung dịch khi bị hấp phụ bởi các mẫu diatomite: (a) Cu2+; và (b) Zn2+

31

Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa t và t/qt của quá trình hấp ion Cu2+ trong
dung dịch bởi các chất hấp phụ khác nhau: (a) DB; và (b) Mn-DB

33

Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa t và t/qt của quá trình hấp ion Zn2+ trong
dung dịch bởi Mn-DB

33

Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn mơ hình đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính của q trình
hấp phụ ion Cu2+ trên: (a) DB ; và (b) Mn-DB

35

Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn mơ hình đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính của q trình
hấp phụ ion Zn2+ trên Mn-DB

35


2

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 3.1. Phần trăm về khối lượng của một số nguyên tố chính trong các mẫu
diatomite và diatomite biến tính bằng oxit mangan

27

Bảng 3.2. Diện tích bề mặt riêng của mẫu diatomite tự nhiên, diatomite đã xử lí bằng
natri hydroxit và diatomite biến tính bởi oxit mangan

30

Bảng 3.3. Dữ liệu hấp phụ ion Cu2+ trong dung dịch nước của mẫu DB và Mn-DB
theo thời gian

32

Bảng 3.4. Dữ liệu hấp phụ ion Zn2+ trong dung dịch nước của mẫu Mn-DB
theo thời gian

32

Bảng 3.5. Dữ liệu hấp phụ ion Cu2+ trong dung dịch nước của mẫu DB và Mn-DB ở
các nồng độ ban đầu khác nhau (thời gian hấp phụ 240 phút)

34

Bảng 3.6. Dữ liệu hấp phụ ion Zn2+ trong dung dịch nước của mẫu Mn-DB ở các nồng
độ ban đầu khác nhau (thời gian hấp phụ 240 phút)

34

Bảng 3.7. Dung lượng hấp phụ cực đại của các mẫu diatomite xác định theo mơ hình
đẳng nhiệt Langmuir

36


3

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT
AAS (Atomic Absorption Spectroscopy)
DB
DPY

EDX (Energy Dispersive X-ray)
FIIR (Fourier Transform Infrared)
Mn – DB
SEM (Scanning Electron Microscopy)

Phổ hấp thụ nguyên tử
Diatomite tinh chế bằng bazơ
Diatomite tinh chế bằng bazơ
Phổ tán xạ tia X

Phổ hồng ngoại
DB biến tính bởi MnCl2
Hiển vi điện tử quét

MỞ ĐẦU
Nước được coi là một nguồn tài nguyên quan trọng đối với cuộc sống của con
người. Nhưng hiện nay, nguồn nước ngày càng bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng từ
các nhà máy của các ngành công nghiệp như mạ, gốm sứ, thủy tinh, sản xuất pin,…,


4
ngày càng nhiều. Các kim loại nặng như đồng, chì, thủy ngân, cadimi,… đã ảnh
hưởng rất nhiều tới sức khỏe con người. Đó là vấn đề đang được xã hội quan tâm.
Trước đây, đã có nhiều nghiên cứu về việc loại bỏ các kim loại nặng trong nước
bằng các phương pháp khác nhau như: kết tủa hóa học, trao đổi ion, hấp phụ, điện
hóa, sinh học,… Trong đó, hấp phụ được xem là phương pháp hữu hiệu và kinh tế
nhất.
Diatomite được tạo thành từ các mảnh vỏ tảo diatom, một loại thực vật đơn bào
ưa sắt có cấu tạo từ oxit silic vơ định hình. Các giống tảo diatom tạo đá chủ yếu là các
tảo trôi nổi sống trong môi trường nước ngọt miền duyên hải, số lượng tảo bám đáy

rất ít. Ngồi các mảnh vỏ tảo diatom, trong đá cịn có thể có số lượng nhỏ gai xương
bọt biển. Hàm lượng mảnh vỏ diatom trong diatomite chiếm từ 50% trở lên với số
lượng mảnh vỏ từ 5-7 triệu đến 100 triệu mảnh vỏ/gam đá. Nguồn vật liệu oxit silic vơ
định hình cấu tạo nên vỏ tảo có cấu trúc khung với nhiều lỗ mao quản kích thước nhỏ
0,5-3 µm. Các mảnh vỏ tảo thường có dạng đốt trúc tồn tại dạng quần thể hoặc từng
đốt đơn lẻ kích thước từ 3-5 đến 30µm, thậm chí bị vỡ vụn, dập nát.
Với thành phần chính là silic và tính chất xốp cao nên diatomite là một chất
hấp phụ mạnh và là chất cách nhiệt lý tưởng. Do đó diatomite được sử dụng rộng rãi
như là chất lọc, chất trợ lọc, chất mang xúc tác và là chất cách âm cách nhiệt. Gần đây,
một số cơng trình cơng bố ứng dụng diatomite làm chất mang sinh học, chất mang
thuốc, chất mang xúc tác, cột sắc ký chức năng lọc được sự quan tâm rất lớn. Không
những thế muốn sử dụng tốt người ta cịn biến tính diatomite để được hiệu quả như
mong muốn, một trong số đó là biến tính diatomite bằng oxit mangan để làm tăng khả
năng hấp phụ các ion kim loại nặng trong dung dịch nước.
Trong nghiên cứu hấp phụ, Al – Degs và cộng sự [17] đã nghiên cứu về dung
lượng hấp phụ của daitomite Jordan. Kết quả cho thấy rằng diatomite là một vật liệu
hấp phụ tiềm năng đối với ion Pb(II). Các tính chất trao đổi bên trong được cải thiện
hơn bằng cách biến tính với oxit mangan. Vật liệu hấp phụ được biến tính bởi oxit
mangan cho thấy có xu hướng hấp phụ các ion chì khỏi dung dịch cao hơn. Hiệu suất
hấp phụ cao của diatomite đã biến tính được cho là do diện tích bề mặt tăng lên và tích
điện âm bề mặt cao hơn sau khi được biến tính. Al-Ghouti [5] cũng đã chứng minh


5
rằng diatomite ngâm tẩm bằng oxit mangan là một vật liệu hấp phụ hiệu quả để loại
bỏ kim loại nặng trong dung dịch nước.
Oxit mangan được xem như cái máy “hút bụi” tốt để làm sạch các ion kim loại
nặng đến mức mà nó đã được coi như một nơi chứa ion kim loại nặng [17]. Oxit
mangan là một nguyên liệu quan trọng trong mặt đất, địa hóa học biển và trong trầm
tích. Loại birnessite (Na4Mn14O27.9H2O hoặc -MnO2) là một trong những dạng phổ

biến và hoạt động nhất của khoáng mangan trong đất, trầm tích và trong nước. Đây là
một vật liệu hấp phụ mạnh của các ion khoáng và hoạt động như một máy “hút bụi”
để làm sạch môi trường biển và nước ngọt [11].
Vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ
kim loại nặng trong nước bằng diatomite tự nhiên và diatomite biến tính bởi oxit
mangan.
Đề tài này được trình bày theo các mục chính sau:
- Mở đầu
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Nội dung, phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
- Chương 3: Kết quả và thảo luận
- Kết luận và kiến nghị


6
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Sự ô nhiễm môi trường nước bởi các kim loại nặng
Ơ nhiễm mơi trường nước là hiện tượng các vùng nước như: sông, hồ, biển,
nước ngầm,… bị các hoạt động của con người làm ô nhiễm các chất có thể gây hại
cho con người và cuộc sống của các sinh vật trong tự nhiên.
Đối với hệ thống cấp nước cộng đồng thì nguồn nước ngầm ln là nguồn nước
được quan tâm, bởi vì, các nguồn nước mặt thường bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác
phụ thuộc và sự biến động theo mùa. Ngoài ra, nguồn nước ngầm ít chịu ảnh hưởng
bởi tác động của con nguời. Trong nước ngầm hầu như khơng có các hạt keo hay hạt
lơ lửng, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh thấp. Nước ngầm bị ảnh hưởng bởi các điều
kiện hạ tầng, thời tiết, nắng mưa, các quá trình phong hóa và sinh hóa trong khu vực.
Ở những vùng có điều kiện phong hóa tốt, có nhiều chất bẩn và lượng mưa lớn thì
chất lượng nước ngầm dễ bị ơ nhiễm bởi các chất khống hịa tan, các chất hữu cơ,
mùn lâu ngày theo nước mưa ngấm vào đất. Ngoài ra nguồn nước ngầm còn bị nhiễm

bẩn do tác động của con người như các chất thải của con người, động vật, các chất
thải sinh hoạt, chất thải hóa học, việc sử dụng phân bón hóa học,…
Việt Nam là một trong những nước đang phải đối diện với sự ô nhiễm kim loại
nặng ở nguồn nước một cách trầm trọng. Trong quá trình sinh hoạt hàng ngày, dưới
tốc độ phát triển như ngày nay con người vơ tình làm ơ nhiễm nguồn nước bằng các
hóa chất, chất thải từ các nhà máy, xí nghiệp. Các đơn vị, cá nhân sử dụng nước ngầm
dưới hình thức khoan giếng, sau khi ngưng sử dụng khơng bịt kín các lỗ khoan lại làm
cho nước bẩn chảy vào làm ô nhiễm nguồn nước ngầm. Các nhà máy xí nghiệp xả
khói bụi cơng nghiệp làm ô nhiễm không khí, khi trời mưa, các chất ô nhiễm sẽ lẫn
vào nước mưa góp phần làm ơ nhiễm nguồn nước. Việt nam cũng là quốc gia có
nguồn nước ngầm khá phong phú về trữ lượng và khá tốt về chất lượng. Nước ngầm ở
Việt Nam nói chung có hàm lượng muối cao, hàm lượng Fe, Mn, Mg cao hơn so với
thế giới.
Vấn đề ô nhiễm nguồn nước bởi các kim loại nặng đã trở thành vấn đề nghiêm
trọng trong những năm gần đây. Kim loại nặng không chỉ rất độc mà cịn có tác dụng
gây hại đến các sinh vật trong nước. Các kim loại nặng như cadimi, đồng, chì,


7
nickel… thải ra ngồi mơi trường từ nước thải của các nhà máy mạ điện, nhà máy làm
điện cực, nhà máy sản xuất chất màu. Chúng có khả năng tích lũy lâu dài trong cơ thể
sinh vật. Trong cơ thể con người, chúng là tác nhân gây hư thận, phổi và gây tổn
thương xương.
Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm 3. Một số
kim loại nặng có thể cần thiết cho sinh vật, chúng được xem là nguyên tố vi lượng.
Một số không cần thiết cho sự sống, khi đi vào cơ thể sinh vật có thể khơng gây độc
hại gì. Kim loại nặng gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của
chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép.
Chì (Pb): Là ngun tố có độc tính cao đối với sức khoẻ con người. Chì gây
độc cho hệ thần kinh trung ương, hệ thần kinh ngoại biên, tác động lên hệ enzim có

nhóm hoạt động chứa hyđro. Người bị nhiễm độc chì sẽ bị rối loạn bộ phận tạo huyết
(tuỷ xương). Tuỳ theo mức độ nhiễm độc có thể bị đau bụng, đau khớp, viêm thận, cao
huyết áp, tai biến não, nhiễm độc nặng có thể gây tử vong. Đặc tính nổi bật là sau khi
xâm nhập vào cơ thể, chì ít bị đào thải mà tích tụ theo thời gian rồi mới gây độc.
- Chì đi vào cơ thể con người qua nước uống, khơng khí và thức ăn bị nhiễm
chì.
- Chì tích tụ ở xương, kìm hãm q trình chuyển hố canxi bằng cách kìm hãm
sự chuyển hoá vitamin D.
- Tiêu chuẩn tối đa cho phép theo WHO nồng độ chì trong nước uống: £ 0,05
mg/ml.
Đồng (Cu): hiện diện trong nước do hiện tượng ăn mòn trên đường ống và các
dụng cụ thiết bị làm bằng đồng hoặc đồng thau. Các loại hóa chất diệt tảo được sử
dụng rộng rãi trên ao hồ cũng làm tăng hàm lượng đồng trong nguồn nước. Nước thải
từ nhà máy luyện kim, xi mạ, thuộc da, sản xuất thuốc trừ sâu, diệt cỏ hay phim ảnh
cũng góp phần làm tăng lượng đồng trong nguồn nước.
Đồng khơng tích lũy trong cơ thể nhiều đến mức gây độc. Ở hàm lượng 1-2
mg/l đã làm cho nước có vị khó chịu, và khơng thể uống được khi nồng độ cao từ 5-8
mg/l. Tiêu chuẩn nước uống và nước sạch đều quy định hàm lượng đồng nhỏ hơn 2
mg/l.


8
Kẽm (Zn): Kẽm ít khi có trong nước, ngoại trừ bị ô nhiễm từ nguồn nước thải
của các khu khai thác quặng.
Chưa phát hiện kẽm gây độc cho cơ thể người, nhưng ở hàm lượng > 5 mg/l đã
làm cho nước có màu trắng sữa. Tiêu chuẩn nước uống và nước sạch đều quy định
hàm lượng kẽm < 3mg/l.
Thuỷ ngân (Hg): Tính độc phụ thuộc vào dạng hố học của nó. Thuỷ ngân
ngun tố tương đối trơ, khơng độc. Nếu nuốt phải thuỷ ngân kim loại thì sau đó sẽ
được thải ra mà không gây hậu quả nghiêm trọng. Nhưng thuỷ ngân dễ bay hơi ở nhiệt

độ thường nên nếu hít phải sẽ rất độc. Thuỷ ngân có khả năng phản ứng với axit amin
chứa lưu huỳnh, các hemoglobin, abumin; có khả năng liên kết màng tế bào, làm thay
đổi hàm lượng kali, thay đổi cân bằng axit bazơ của các mô, làm thiếu hụt năng
lượng cung cấp cho tế bào thần kinh. Trẻ em bị ngộ độc thuỷ ngân sẽ bị phân liệt, co
giật không chủ động. Trong nước, metyl thủy ngân là dạng độc nhất, nó làm phân liệt
nhiễm sắc thể và ngăn cản quá trình phân chia tế bào.
- Thuỷ ngân đưa vào môi trường từ các chất thải, bụi khói của các nhà máy
luyện kim, sản xuất đèn huỳnh quang, nhiệt kế, thuốc bảo vệ thực vật, bột giấy…
- Nồng độ tối đa cho phép của WHO trong nước uống là 1mg/l; nước nuôi thuỷ
sản là 0,5mg/l.
Asen (As): Là kim loại có thể tồn tại ở dạng tổng hợp chất vô cơ và hữu cơ.
Trong tự nhiên tồn tại trong các khoáng chất. Nồng độ thấp thì kích thích sinh trưởng,
nồng độ cao gây độc cho động thực vật.
- Nguồn tự nhiên gây ô nhiễm asen là núi lửa, bụi đại dương. Nguồn nhân tạo
gây ô nhiễm asen là quá trình nung chảy đồng, chì, kẽm, luyện thép, đốt rừng, sử dụng
thuốc trừ sâu…
- Asen có thể gây ra 19 căn bệnh khác nhau. Các ảnh hưởng chính đối với sức
khoẻ con người: làm keo tụ protein do tạo phức với asen III và phá huỷ q trình
photpho hố; gây ung thư tiểu mơ da, phổi, phế quản, xoang…
- Tiêu chuẩn cho phép theo WHO nồng độ asen trong nước uống là 0,01 mg/l.
Cađimi (Cd): Là kim loại được sử dụng trong công nghiệp luyện kim, chế tạo
đồ nhựa; hợp chất cađimi được sử dụng để sản xuất pin.


9
Nguồn tự nhiên gây ô nhiễm cađimi do bụi núi lửa, bụi vũ trụ, cháy rừng…
Nguồn nhân tạo là từ công nghiệp luyện kim, mạ, sơn, chất dẻo…
- Cađimi xâm nhập vào cơ thể người qua con đường hô hấp, thực phẩm. Theo
nhiều nghiên cứu thì người hút thuốc lá có nguy cơ bị nhiễm cađimi.
- Cađimi xâm nhập vào cơ thể được tích tụ ở thận và xương; gây nhiễu hoạt

động của một số enzim, gây tăng huyết áp, ung thư phổi, thủng vách ngăn mũi, làm
rối loạn chức năng thận, phá huỷ tuỷ xương, gây ảnh hưởng đến nội tiết, máu, tim
mạch.
- Tiêu chuẩn theo WHO cho nước uống £ 0,003 mg/l.
Crom (Cr): tồn tại trong nước với 2 dạng Cr (III), Cr (VI). Cr (III) không độc
nhưng Cr (VI) độc đối với động thực vật. Với người Cr (VI) gây loét dạ dày, ruột non,
viêm gan, viêm thận, ung thư phổi.
- Crom xâm nhập vào nguồn nước từ các nguồn nước thải của các nhà máy mạ
điện, nhuộm, thuộc da, chất nổ, mực in, in tráng ảnh…
- Tiêu chuẩn WHO quy định hàm lượng crom trong nước uống là £ 0,005 mg/l.
Mangan (Mn): là nguyên tố vi lượng, nhu cầu mỗi ngày khoảng 30 - 50 mg/kg
trọng lượng cơ thể. Nếu hàm lượng lớn gây độc cho cơ thể; gây độc với nguyên sinh
chất của tế bào, đặc biệt là tác động lên hệ thần kinh trung ương, gây tổn thương thận,
bộ máy tuần hoàn, phổi, ngộ độc nặng gây tử vong.
- Mangan đi vào môi trường nước do q trình rửa trơi, xói mịn, do các chất
thải cơng nghiệp luyện kim, acqui, phân hố học.
- Tiêu chuẩn qui định của WHO trong nước uống là £ 0,1 mg/l.
1.2. Phương pháp hấp phụ để loại bỏ kim loại nặng khỏi môi trường nước
Hấp phụ là phương pháp tách chất, trong đó các cấu tử từ hỗn hợp lỏng hoặc
khí hấp phụ trên bề mặt chất rắn, xốp.
Chất hấp phụ: chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ.
Chất bị hấp phụ: chất được tích luỹ trên bề mặt chất hấp phụ.
Chất mang: là vật liệu phân tán chất hấp phụ.
Quá trình giải hấp là quá trình đẩy chất bị hấp phụ ra khỏi bề mặt chất hấp phụ.
Khi quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng thì tốc độ hấp phụ bằng tốc độ
giải hấp.


10
Hấp phụ gồm hai quá trình: hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học.

Hấp phụ vật lý gây ra do lực Van de Van, liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ.
Hấp phụ hoá học tạo thành lực liên kết hoá học giữa mặt chất bị hấp phụ và
phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này tương đối bền và khó bị phá vỡ.
Thơng thường, trong q trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hai quá trình trên.
Để phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học, người ta đưa ra một số chỉ tiêu so
sánh sau:
- Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hoặc đa lớp, hấp phụ hoá học chỉ là đơn lớp.
- Tốc độ hấp phụ: Hấp phụ vật lý khơng địi hỏi sự hoạt hố phân tử do đó xảy
ra nhanh, hấp phụ hố học nói chung địi hỏi sự hoạt hố phân tử do đó xảy ra chậm
hơn.
- Nhiệt lượng hấp phụ: Đối với hấp phụ vật lý lượng nhiệt toả ra ΔH≤20kJ/mol,
cịn hấp phụ hố học nhiệt toả ra ΔH ≥ 50kJ/mol.
- Tính đặc thù: Hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hố học do đó ít mang
tính đặc thù rõ rệt. Cịn hấp phụ hố học mang tính đặc thù cao, nó phụ thuộc vào khả
năng tạo thành liên kết hoá học giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.
1.2.1. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ
Cân bằng hấp phụ: q trình chất khí hoặc chất lỏng hấp phụ trên bề mặt chất
hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ đã hấp phụ trên bề
mặt chất bị hấp phụ vẫn di chuyển ngược lại. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ
tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha mang
càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ di chuyển ngược lại
pha mang (giải hấp) thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Dung lượng hấp phụ cân bằng được biểu thị khối lượng chất bị hấp phụ trên
một đơn vị khối lượng chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng dưới các điều kiện nồng độ
và nhiệt độ cho trước.
Dung lượng (q) được xác định theo công thức:
q=

(1.1)
Trong đó

( Ci−C f ) .V
m


11
V: Thể tích dung dịch (l).
m: Khối lượng chất hấp phụ (g).
Ci: Nồng độ chất bị hấp phụ dung dịch ban đầu (mg/l).
Cf: Nồng độ chất bị hấp phụ dung dịch cân bằng (mg/l).
Cũng có thể biểu diễn dung lượng hấp phụ theo khối lượng chất hấp phụ trên
một đơn vị diện tích bề mặt chất hấp phụ:
q=

( Ci−C f ) .V
m.s

(1.2)
Trong đó:
s: diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ (cm2)
Ci: Nồng độ chất bị hấp phụ trong dung dịch ban đầu (mg/l)
Cf: Nồng độ chất bị hấp phụ trong dung dịch cân bằng (mg/l).
1.2.2. Phương trình động học hấp phụ
Các tham số động học hấp phụ rất quan trọng trong nghiên cứu ứng dụng chất
hấp phụ. Tuy nhiên, các tham số động học thực rất khó xác định vì quá trình hấp phụ
khá phức tạp, bị ảnh hưởng nhiều yếu tố như khuếch tán, bản chất cấu trúc xốp, thành
phần hóa học của chất hấp phụ… Do đó hiện nay người ta thường ứng dụng phương
trình động học hình thức để xác định các hằng số tốc độ biểu kiến.
Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren :
d qt

=k 1( qe −q t )
dt

(1.3)

Dạng tích phân của phương trình trên là:
q

log (¿ ¿ e−q t )=logq e −
¿

k1
t
2,303

(1.4)

Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng:
dqt
2
=k 2 ( qe −qt )
dt

(1.5)

Dạng tích phân của phương trình này là:
t
1
1
=

+ t
2
qt k 2 . q e qe

(1.6)


12
Trong đó
qe: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g).
qt: dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g)
k1: hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất biểu kiến (phút-1)
k2: hằng số tốc độ hấp phụ bậc hai biểu kiến (g.mg-1.phút-1).
Từ các phương trình trên, có thể xác định được giá trị thực nghiệm của q t theo t
và tính được hằng số tốc độ hấp phụ biểu kiến k 1, k2. Giá trị của hằng số tốc độ biểu
kiến là một trong các thông số để so sánh giữa các chất hấp phụ đối với cùng một chất
bị hấp phụ.
1.2.3. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
1.2.3.1. Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
Phương trình đẳng nhiệt Langmuir được xây dựng trên các giả thuyết :
- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.
- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
- Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các tiểu
phân là như nhau và khơng phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên
các trung tâm bên cạnh.
Tuy vậy, mơ hình Langmiur có thể áp dụng cho q trình chất hấp phụ trong
dung dịch nước. Khi đó, phương trình Langmuir được biễu diễn như sau:
qe = qmax .

K .C e

1+ K . C e

(1.7)
Trong đó :
Ce : nồng độ chất hấp phụ tại thời điểm cân bằng .
qe : dung lượng hấp phụ, mg/g.
qmax : dung lượng hấp phụ cực đại, mg/g.
K : hằng số Langmuir.
Khi nồng độ chất bị hấp phụ là rất nhỏ (K.Ce << 1) ta có:
qe = qmax.K.Ce
Như vậy, dung lượng hấp phụ tỉ lệ với nồng độ chất hấp phụ.

(1.8)


13
Khi nồng độ chất bị hấp phụ càng lớn ( K.C e >> 1) thì qe ≈

q

max

. Tức là

dung lượng hấp phụ sẽ đạt một giá trị không đổi khi tăng nồng độ chất bị hấp phụ. Khi
đó bề mặt chất hấp phụ đã được bão hòa bởi một đơn lớp các phân tử chất bị hấp phụ.
Phương trình trên chứa hai thông số q max và hằng số K. Dung lượng hấp phụ
cực đại qmax có một giá trị xác định tương ứng với số tâm hấp phụ còn hằng số K phụ
thuộc cặp tương tác giữa chất hấp phụ, chất bị hấp phụ và nhiệt độ. Từ các số liệu thực
nghiệm ta có thể xác định qmax và hằng số K bằng phương pháp tối ưu hay đơn giản

bằng phương pháp đồ thị.
Với phương pháp đồ thị, phương trình 1.7 được viết thành:
Ce
=
qe

1

+

1

qmax . K q max . Ce

(1.9)
Từ số liệu thực nghiệm chúng ta sẽ xây dựng được phương trình biễu diễn mối
quan hệ giữa Ce/qe theo Ce. Nếu q trình hấp phụ tn theo mơ hình đẳng nhiệt
Langmuir thì phương trình có dạng đường thẳng y = a.x + b. Từ các hệ số a, b ta tính
được hệ số K và dung lượng hấp phụ cực đại qmax.
1.2.3.2. Đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich
Mơ hình này dựa trên giả thuyết sự hấp phụ là đa lớp, bề mặt chất hấp phụ là
không đồng nhất với các tâm hấp phụ khác nhau về số lượng và năng lượng hấp phụ.
Quan hệ giữa dung lượng hấp phụ cân bằng và nồng độ cân bằng của chất hấp phụ
được biểu diễn bằng phương trình :
1

x
=Qe =K . C en
m

(1.10)

Trong đó :
x : lượng chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg)
m : lượng chất hấp phụ (g)
Ce : nồng độ cân bằng của dung dịch (mg/L)
K (L/g) và 1/n : hằng số Freundlich
Lấy logarit hai vế phương trình 1.10 ta được :
log

x
m

(1.11)

= log K +

1
log Ce
n


14
hay

1
n

log Qe = log K +

log Ce

(1.12)
Với Qe = x/m
Dạng tuyến tính của phương trình Freundlich tại thời điểm cân bằng cũng có
thể được viết lại như sau:
ln Qe = ln K +

1
n

ln Ce

(1.13)

1.3. Giới thiệu về diatomite
Diatomite (hay còn có tên gọi khác là Kieselguhr) là một loại khống trầm tích silic
phi kim loại được hình thành một cách tự nhiên do sự tích tụ các khung xương của tảo đơn
bào. Thành phần chủ yếu của diatomite là vỏ tảo cát (diatom) với rất nhiều hình dạng và
kích thước khác nhau, thường là 10-200 μ m [10].
Diatomite được tạo thành từ các mảnh vỏ tảo Diatom, một loại thực vật đơn bào ưa
sắt có cấu tạo từ oxit silic dạng opal vơ định hình (Opal-A). Các giống tảo Diatom tạo đá
chủ yếu là các tảo trôi nổi sống trong môi trường nước ngọt miền duyên hải, số lượng tảo
bám đáy rất ít. Ngồi các mảnh vỏ tảo Diatom, trong đá cịn có thể có số lượng nhỏ gai
xương bọt biển. Hàm lượng mảnh vỏ Diatom trong diatomite chiếm từ 50% trở lên với số
lượng mảnh vỏ từ 5-7 triệu đến 100 triệu mảnh vỏ/g đá. Nguồn vật liệu oxit silic dạng opal
vơ định hình cấu tạo nên vỏ tảo có cấu trúc khung với nhiều lỗ mao quản kích thước nhỏ
0,5-3 m. Các mảnh vỏ tảo thường có dạng đốt trúc còn tồn tại dạng quần thể hoặc từng
đốt đơn lẻ kích thước từ 3-5 đến 30 m, thậm chí bị vỡ vụn, dập nát [4].
Trong q trình tích tụ và thành đá, dạng opal vơ định hình của vỏ tảo hầu như

khơng bị biến đổi. Các q trình biến đổi chủ yếu mang tính cơ học như co ngót thể tích,
mất nước… Các q trình biến đổi trong đá chủ yếu là montmorilonite hoá, zeolite hoá vật
liệu, thuỷ tinh núi lửa hoặc ít hơn là tái kết tinh nguồn opal khơng có nguồn gốc sinh vật
thành cristobalite và tridymite.
Khoáng diatomite ở Việt Nam phân bố chủ yếu ở cao nguyên Vân Hòa (Phú
Yên) với 2 đến 5 thân khống có độ dày từ vài mét đến hàng chục mét (thân khống 3
Hồ Lộc dày trung bình 28,3 m, có chỗ tới 33,4 m). Các thân khống lộ ra trên bề mặt tạo
thành viền bao quanh sườn Bắc, Đông và Tây cao nguyên trong khoảng độ cao từ 70-200
m ở sườn phía Đơng (An Lĩnh, Tuy Dương, An Thọ) đến 160-320 m ở sườn Bắc và Tây


15
(Hồ Lộc, Dốc Thặng). Sét diatomite thường có màu trắng, xám trắng, đơi khi xám phớt
nâu [3].
Hình 1.1 trình bày ảnh SEM của khống diatomite. Hình thái của nó bao gồm các
ống kích thước vài chục đến vài trăm µm. Trên thành ống có các mao quản kích thước
trung bình cỡ vài chục nanometer. Với cấu trúc xốp như vậy nên diatomite thích hợp cho
các q trình khuếch tán trong mao quản.
Diện tích bề mặt của diatomite tương đối cao so với các khoáng tự nhiên khác (thay
đổi tuỳ từng loại từ 20-90 m2/g) [7].
Các nhóm hydroxyl trên bề mặt diatomite đóng vai trị như các tâm hấp phụ hoạt
tính, các dạng hydroxyl bao gồm: (i) nhóm silanol tự do (–SiOH), (ii) nhóm silanol tự do
kép (–Si(OH)2), (iii) cầu –Si–O–Si– với ngun tử oxy trên bề mặt (hình 1.2). Nhóm
silanol có hoạt tính cao và có khuynh hướng phản ứng với nhiều hợp chất hữu cơ phân cực
có những nhóm chức khác nhau. Do những đặc điểm như vậy nên diatomite là chất hấp
phụ tự nhiên lý tưởng cho nhiều ngành cơng nghiệp.

Hình 1.1. Ảnh SEM của diatomite [17]

16
H
Si

O
H

Si

Si

H

O

Si

O

O
Si

H
Si

O

(a) Silanol liên kết hydro

(b) Silanol phâ

n lập

(c) Cầu nối siloxane

Hình 1.2. Các dạng hydroxyl trên bề mặt diatomite [21]
Diatomite có một số đặc tính có lợi như cấu trúc có độ xốp cao (80-90%), tỷ
trọng thấp, dung lượng hấp phụ cao và giá thành tương đối thấp (do có trữ lượng lớn
và phân bố rộng rãi). Có khả năng sử dụng làm chất hấp phụ các hóa chất vơ cơ và
hữu cơ. Hơn nữa, diatomite cũng được ứng dụng nhiều trong các thiết bị lọc của một
số ngành công nghiệp do những tính chất đặc biệt của nó. Người ta cho rằng diatomite
có thể được sử dụng thành cơng như một giải pháp hữu hiệu để thay thế than hoạt tính.
Diatomite rẻ hơn so với than hoạt tính thương mại khoảng 500 lần. Vỏ tảo cát, trong
đó chủ yếu là silica vơ định hình, có các tính chất như độ xốp cao với khả năng hấp
phụ mạnh và khả năng chịu nhiệt tuyệt vời. Do đó, diatomite được sử dụng rộng rãi
làm chất lọc axit, chất trợ xúc tác và chất hấp phụ [14].
Các ứng dụng của diatomite như:
- Dùng để lọc: Làm chất trợ lọc trong sản xuất bia, rượu, nước mía ép, nước
quả ép hoặc làm trong dầu ăn; làm sạch môi trường nuôi thủy sản,…
- Làm chất độn: Diatomite khá trơ, chịu được lửa, có khả năng hấp phụ lớn nên
rất thích hợp để làm chất độn trong sản xuất sơn, gia công chất dẻo, cao su, giấy, sản
xuất thuốc đánh răng và đúc răng giả.
- Làm vật liệu mài bóng bạc, đánh bóng vỏ xe.
- Làm chất hấp phụ: Diatomite có thể hấp phụ một lượng chất lỏng lớn gấp ba
lần khối lượng của nó, được dùng làm chất mang cho các loại thuốc trừ sinh vật hại,
các chất xúc tác, làm chất chống đóng vón hay chất hấp thụ mùi hơi thối của phân súc
vật nuôi trong nhà.


17
Gần đây, các ứng dụng mới của diatomite như làm chất mang thuốc, chất trợ

sinh học, chất trợ sắc kí và chất lọc chức năng (functional filler) đang thu hút được
nhiều sự chú ý [16].
1.4. Tính năng của diatomite biến tính bằng oxit mangan
Các nghiên cứu về diatomite chủ yếu tập trung sử dụng trong kỹ thuật gốm và
cement [8], sản xuất zeolite [19], chất trợ lọc [10],… Trong đó, nhiều cơng trình nghiên
cứu về sử dụng diatomite làm chất hấp phụ kim loại nặng trong nước. Năm 2009, Sheng và
cộng sự [12] đã nghiên cứu quá trình hấp phụ Pb(II) trong dung dịch nước bằng diatomite
và kết luận rằng dung lượng hấp phụ Pb(II) cao của diatomite làm cho nó có khả năng loại
bỏ kim loại nặng khỏi một thể tích lớn dung dịch để ứng dụng trong thực tế xử lý nước thải.
Năm 2005, Wu và cộng sự [15] đã nghiên cứu dùng diatomite để xử lý nước cống rãnh thứ
cấp (đã qua một lần xử lý) với nồng độ hàm lượng chất hữu cơ-vô cơ 300 mg/L. Kết quả
cho thấy diatomite có tiềm năng xử lý cao tương đương với than hoạt tính nhưng ưu điểm
hơn ở khả năng tái sinh của nó. Một sự so sánh khả năng hấp phụ Cu(II) của diatomite
Zerbia với zeolite và đất sét (clay) đã được Šljivića và cộng sự công bố năm 2009 [13].
Trật tự dung lượng hấp phụ như sau: zeolite (0,128 mmol/g); clay (0,096 mmol/g);
diatomite (0,047 mmol/g).
Năm 2001, Al-Degs và cộng sự [17] đã nghiên cứu về dung lượng hấp phụ của
ditomite Jordan. Kết quả cho thấy rằng diatomite là một vật liệu hấp phụ tiềm năng
đối với ion Pb(II). Các tính chất trao đổi bên trong được cải thiện hơn bằng cách biến
tính với oxit mangan. Vật liệu hấp phụ được biến tính bởi oxit mangan cho thấy có xu
hướng hấp phụ các ion chì khỏi dung dịch cao hơn. Hiệu suất hấp phụ cao của
diatomite đã biến tính được cho là do diện tích bề mặt tăng lên và tích điện âm bề mặt
cao hơn sau khi được biến tính.
Hiện nay, hướng nghiên cứu biến tính diatomite bằng oxit mangan đang được nhiều
nhà nghiên cứu quan tâm, bởi oxit mangan được xem như cái máy “hút bụi” tốt để làm
sạch các ion kim loại nặng đến mức mà nó đã được coi như một nơi chứa ion kim loại
nặng [17]. Biến tính diatomite bằng oxit mangan để hấp phụ Zn(II) trong dung dịch nước
và các quá trình động học đã được cơng bố bởi Caliskan và cộng sự vào năm 2011 [7].
Bên cạch khả năng hấp phụ ion kim loại nặng, vật liệu diatomite biến tính bằng oxit
mangan còn được sử dụng làm xúc tác [6], làm điện cực [20],…