Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây dướng broussonetia papyrifera l để xử lý một số chất ô nhiễm trong môi trường nước

LỜI CẢM ƠN
Thực hiện kế hoạch đào tạo của trƣờng Đại học Lâm Nghiệp, để đánh giá
kết quả học tập của sinh viên sau 4 năm học tập và làm quen với việc nghiên cứu
khoa học. Đƣợc sự nhất trí của Ban Giám Hiệu nhà trƣờng, trƣờng Đại học Lâm
nghiệp, Khoa Quản lý tài nguyên rừng và môi trƣờng, Bộ môn Kỹ thuật môi
trƣờng, đã cho phép tôi tiến hành thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp: “Nghiên
cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây Dướng (Broussonetia papyrifera L.) để xử
lý một số chất ô nhiễm trong môi trường nước”.
Sau thời gian nghiên cứu, đến nay khóa luận đã hồn thành. Nhân dịp này,
cho phép tơi đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới Th.S Bùi Văn Năng,
ngƣời đã nhiệt tình truyền đạt, hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận
lợi nhất để tơi hồn thành tốt bài khóa luận.
Xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu nhà trƣờng, trƣờng Đại học
Lâm Nghiệp, đã tạo một môi trƣờng học tập tốt nhất giúp tơi có thể học hỏi, trau
dồi kiến thức từ sách vở, môi trƣờng thực tiễn, thầy cô và bạn bè.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô trong khoa Quản lý tài nguyên
rừng và môi trƣờng, Ban giám đốc, cùng tồn thể các cán bộ cơng nhân viên của
Trung tâm Phân tích mơi trƣờng, trƣờng Đại học Lâm Nghiệp đã tạo điều kiện
tốt nhất giúp tơi hồn thành bài khóa luận này.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, ngƣời thân, nhóm Nghiên
cứu khoa học khóa 59, 60 – KHMT và tồn thể bạn bè đã giúp đỡ, động viên và
góp ý trong suốt quá trình học tập và thực hiện khóa luận để tơi hồn thành tốt
bài khóa luận của mình.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 11 tháng 5 năm 2018
Sinh viên

Nguyễn Kim Dung
i

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA QUẢN LÝ TÀI NGUN RỪNG VÀ MƠI TRƢỜNG

TĨM TẮT KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
1. Tên khóa luận:
“Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây Dướng (Broussonetia papyrifera
L.) để xử lý một số chất ô nhiễm trong môi trường nước”
2. Sinh viên thực hiện: NGUYỄN KIM DUNG
3. Giáo viên hƣớng dẫn: Th.S BÙI VĂN NĂNG
4. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận tốt nghiệp nhằm:
− Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây Dƣớng.
− Nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính từ cây Dƣớng để xử lý một số chất ô
nhiễm trong môi trƣờng nƣớc.
5. Đối tƣợng nghiên cứu
− Cây Dƣớng (Broussonetia papyrifera L.) loài thực vật ngoại lai xâm lấn.
− Dung dịch Xanh Metylen, dung dịch phẩm màu vàng RY 160, hỗn hợp
dịch dịch Xanh Metylen với phẩm màu vàng đƣợc sử dụng để đánh giá khả năng
hấp phụ của than hoạt tính đƣợc tổng hợp từ cây Dƣớng.
6. Nội dung nghiên cứu
Để thực hiện các mục tiêu trên, đề tài khóa luận tốt nghiệp lựa chọn một
số nội dung nghiên cứu sau:
−Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây Dƣớng.
−Nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính từ cây Dƣớng vào xử lý một số chất
ô nhiễm trong môi trƣờng nƣớc
+ Khảo sát khả năng xử lý chất màu hữu cơ (Xanh Metylen, phẩm màu
vàng RY 160 và hỗn hợp màu dung dịch Xanh Metylen và phẩm màu vàng
RY160) trong nƣớc.
+ Khảo sát khả năng hấp phụ Formandehit trong nƣớc.
ii

- Đề xuất hƣớng sử dụng cây Dƣớng làm vật liệu hấp phụ trong xử lý một
số chất ô nhiễm môi trƣờng nƣớc.
7. Phƣơng pháp nghiên cứu
− Phƣơng pháp kế thừa tài liệu;
− Phƣơng pháp Scanning Electron Microscope (SEM);
− Phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR;
− Phƣơng pháp lấy mẫu cây Dƣớng;
− Phƣơng pháp tổng hợp than hoạt tính từ cây Dƣớng;
− Phƣơng pháp bố trí thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ của than hoạt
tính từ cây Dƣớng;
− Phƣơng pháp phân tích các chỉ tiêu, thơng số ơ nhiễm;
− Phƣơng pháp xử lý số liệu.
8. Những kết quả đạt đƣợc
Từ q trình nghiên cứu, khóa luận đã đạt đƣợc những kết quả sau:
−Đã tổng hợp đƣợc than hoạt tính từ loài thực vật ngoại lai xâm hại
Dƣớng (Broussonetia papyrifera L.) bằng hai phƣơng pháp khác nhau là phƣơng
pháp than hóa, biến tính thành than hoạt tính và phƣơng pháp tẩm chất hoạt hóa
ZnCl2 3M.
−Kết quả thu đƣợc từ hai phƣơng pháp tổng hợp cho thấy, tổng hợp than
hoạt tính từ cây Dƣớng bằng phƣơng pháp tẩm chất hoạt hóa ZnCl2 3M cho chất
lƣợng sản phẩm than hoạt tính cũng nhƣ hiệu quả hấp phụ cao hơn so với
phƣơng pháp than hóa và biến tính than hóa thành than hoạt tính.
−Mẫu than hoạt tính vỏ Dƣớng (phƣơng pháp 2) ln cho hiệu suất hấp
phụ cao hơn các mẫu than hoạt tính khác tổng hợp đƣợc và hiệu suất ln đạt
cao hơn hoặc bằng so với hiệu suất của mẫu than thị trƣờng ở các chỉ tiêu hấp
phụ màu Xanh Metylen, dung dịch hỗn hợp màu.
−Mẫu than hoạt tính vỏ Dƣớng (phƣơng pháp 2) có cấu trúc xốp và lỗ
rỗng phát triển nhất so với các mẫu than hoạt tính tổng hợp đƣợc. Với lƣợng

than xử lý là 0,1g mẫu than cho hiệu suất hấp phụ màu Xanh Metylen đạt 99,6%
iii


ở mức nồng độ 40 mg/l cao hơn hiệu suất hấp phụ của than hoạt tính 77,06%.
Hiệu suất hấp phụ phẩm màu vàng RY 160 của mẫu than vỏ Dƣớng (phƣơng
pháp 2) đạt 83,43% cao hơn hiệu suất của mẫu than thị trƣờng 83% ở mức nồng
độ 70 mg/l. Dung lƣợng hấp phụ mẫu than vỏ Dƣớng (phƣơng pháp 2) với Xanh
Metylen cao nhất đạt 85,2 mg/g ở mức nồng độ Xanh Metylen 90 mg/l.
−Bên cạnh mẫu than vỏ Dƣớng (phƣơng pháp 2) đƣợc đánh giá là mẫu
than có hiệu quả xử lý màu cao thì các mẫu than hoạt tính tổng hợp từ cây
Dƣớng khác có hiệu suất xử lý ngang bằng với hiệu quả xử lý của mẫu than hoạt
tính thị trƣờng. Dung lƣợng hấp phụ phẩm màu cao nhất 36,8 mg/g với mẫu
than thân Dƣớng (phƣơng pháp 1) ở mức nồng độ 70 mg/l. Hiệu suất hấp phụ
cao nhất 83,63% với mẫu than thân Dƣớng (phƣơng pháp 2), xử lý ở mức nồng
độ 5 mg/l.
Từ việc tổng hợp than hoạt tính từ lồi thực vật ngoại lai xâm lấn Dƣớng,
tạo sản phẩm là vật liệu hấp phụ ứng dụng vào xử lý một số chất ô nhiễm mơi
trƣờng, trong đó có xử lý ơ nhiễm mơi trƣờng nƣớc, đặc biệt ngành dệt nhuộm.
Ngăn chặn sự phát triển lan tràn của cây Dƣớng, góp phần nâng cao hiệu quả xử
lý loài ngoại lai xâm lấn này ra khỏi hệ sinh thái.
Hà Nội, ngày 11 tháng 5 năm 2018
Sinh viên

Nguyễn Kim Dung

iv


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ i
MỤC LỤC ............................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ ix
DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. x
ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................. 2
1.1. Tổng quan về cây Dƣớng................................................................................ 2
1.1.1. Tên khoa học [18][23]................................................................................. 2
1.1.2. Phân loại các loại Dƣớng ở Việt Nam ........................................................ 2
1.1.3. Đặc điểm sinh học [18][22] ........................................................................ 2
1.1.4. Tình hình phân bố cây Dƣớng trên thế giới và Việt Nam [18][23] ............ 3
1.1.5. Chu kì sống và tiềm năng xâm lấn [18] ...................................................... 4
1.1.6. Hiểm họa từ cây Dƣớng [18] ...................................................................... 4
1.1.7. Ý nghĩa thực tiễn của cây Dƣớng [24][25] ................................................. 5
1.1.8. Các biện pháp kiểm soát cây Dƣớng [23] ................................................... 6
1.2. Tổng quang về than hoạt tính ......................................................................... 6
1.2.1. Định nghĩa [15][20][21] .............................................................................. 6
1.2.2. Đặc trƣng về tính chất vật lý, hóa học của than hoạt tính........................... 7
1.2.3. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính [15] .................................................. 8
1.2.4. Nguyên liệu chế tạo than hoạt tính ........................................................... 14
1.2.5. Phƣơng pháp sản xuất than hoạt tính [15] ................................................ 14
1.2.6. Tình hình sản xuất và ứng dụng than hoạt tính trên Thế giới và ở Việt
Nam [15] ............................................................................................................. 15
CHƢƠNG 2 MỤC TIÊU – ĐỐI TƢỢNG – NỘI DUNG – PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU .................................................................................................... 18
2.1 Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 18
v

2.2 Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................... 18
2.3 Nội dung nghiên cứu..................................................................................... 18
2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. 18
2.4.1 Phƣơng pháp kế thừa tài liệu..................................................................... 18
2.4.2 Phƣơng pháp Scanning Electron Microscope (SEM) ............................... 19
2.4.3 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR) ............................................................ 19
2.4.4 Phƣơng pháp lấy mẫu cây Dƣớng ............................................................. 21
2.4.5 Phƣơng pháp tổng hợp than hoạt tính từ cây Dƣớng ................................ 22
2.4.6 Phƣơng pháp bố trí thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ của than hoạt
tính từ cây Dƣớng ................................................................................................ 24
2.4.7 Phƣơng pháp phân tích các chỉ tiêu, thơng số ô nhiễm ............................ 24
2.4.8 Phƣơng pháp xử lý số liệu......................................................................... 26
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM .......................................................................... 27
3.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm ...................................................... 27
3.1.1. Hóa chất .................................................................................................... 27
3.1.2. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm .................................................................. 27
3.2. Thực nghiệm ................................................................................................. 28
3.2.1. Tổng hợp than hoạt tính từ cây Dƣớng ..................................................... 28
3.2.2. Xác định tỷ trọng của mẫu vật liệu ........................................................... 34
3.2.3. Đánh giá khả năng hấp phụ Xanh Metylen trong dung dịch bằng than hoạt
tính ……………………………………………………………………………34
3.2.4. Đánh giá khả năng hấp phụ phẩm màu RY 160 trong dung dịch bằng than
hoạt tính ............................................................................................................... 37
3.2.5. Đánh giá khả năng hấp phụ hỗn hợp Xanh Metylen và phẩm màu RY 160
trong dung dịch bằng than hoạt tính.................................................................... 39
3.2.6. Đánh giá khả năng giải hấp phụ của vật liệu than hoạt tính ..................... 40
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................... 41
4.1. Kết quả tổng hợp than hoạt tính từ cây Dƣớng ............................................ 41

vi

4.1.1. Sản phẩm than theo phƣơng pháp 1: sau than hóa và biến tính thành than
hoạt tính ............................................................................................................... 41
4.1.2. Sản phẩm than theo phƣơng pháp 2: từ tác nhân hoạt hóa ZnCl2 3M ...... 45
4.2. Kết quá đánh giá tỷ trọng của mẫu than ....................................................... 49
4.3. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ màu dung dịch Xanh Metylen bằng than
hoạt tính ............................................................................................................... 50
4.3.1. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn dung dịch Xanh Metylen ....................... 50
4.3.2. Kết quả phân tích khả năng hấp phụ màu dung dịch Xanh Metylen bằng
than hoạt tính ....................................................................................................... 51
4.4. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ phẩm màu vàng RY 160 trong dung dịch
bằng than hoạt tính .............................................................................................. 57
4.4.1. Đƣờng chuẩn dung dịch phẩm màu vàng RY 160 .................................... 57
4.4.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ phẩm màu vàng RY 160 trong dung
dịch bằng than hoạt tính. ..................................................................................... 57
4.5. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hỗn hợp màu Xanh Metylen và phẩm
màu vàng RY 160 trong dung dịch bằng than hoạt tính ..................................... 62
4.5.1. Kết quả khảo sát ........................................................................................ 62
4.6. Kết quả đánh giá khả năng giải hấp phụ các loại vật liệu than hoạt tính tổng
hợp từ cây Dƣớng ................................................................................................ 64
4.6.1..Kết quả số liệu........................................................................................... 64
4.6. 2.Đánh giá khả năng giải hấp phụ của vật liệu than hoạt tính ..................... 64
4.7. Đề xuất hƣớng ứng dụng cây Dƣớng làm vật liệu hấp phụ trong xử lý môi
trƣờng .................................................................................................................. 64
CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN – TỒN TẠI – KHUYẾN NGHỊ............................... 66
5.1. Kết luận ......................................................................................................... 66
5.3. Khuyến nghị .................................................................................................. 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CHC

Chất hữu cơ

CP

Cổ phần

KLN

Kim loại nặng

KLTN

Khóa luận tốt nghiệp

IR

InfraRed

SEM

Sanning Electron Microscope
(Kính hiển vi điện tử quét)

RY 160

Reactive Yello

TCN

Trƣớc công nguyên

viii


DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Danh mục các hóa chất cần thiết cho nghiên cứu .............................. 27
Bảng 3.2. Các mẫu than tổng hợp từ cây Dƣớng ................................................ 34
Bảng 4.1. Khối lƣợng mẫu trƣớc và sau than hóa.............................................. 41
Bảng 4.2. Khối lƣợng than trƣớc và sau biến tính .............................................. 46
Bảng 4.3. Kết quả tính tốn tỷ trọng than hoạt tính ............................................ 49
Bảng 4.4. Kết quả đo Abs của dung dịch Xanh Metylen chuẩn ......................... 50
Bảng 4.5. Số liệu tính tốn nồng độ sau xử lý, dung lƣợng hấp phụ và hiệu xuất
xử lý dung dịch Xanh Metylen với các mẫu vật liệu ......................................... 52
Bảng 4.6. Số liệu so sánh mẫu than thị trƣờng và mẫu than Dƣớng .................. 56
Bảng 4.7. Số liệu đƣờng chuẩn dung dịch phẩm màu RY 160 ........................... 57
Bảng 4.8. Tổng hợp kết quả đánh giá khả năng hấp phụ phẩm màu vàng RY 160
của các loại than Dƣớng ...................................................................................... 58
Bảng 4.9. So sánh khả năng hấp phụ phẩm màu vàng RY 160 giữa than hoạt tính
thị trƣờng với than hoạt tính tổng hợp từ cây Dƣớng ......................................... 61
Bảng 4.10. Tổng hợp dung lƣợng hấp phụ và hiệu suất xử lí màu của hỗn hợp
dung dịch bằng than Dƣớng ................................................................................ 62

Bảng 4.11. Kết quả đánh giá quá trình giải hấp phụ ........................................... 64

ix


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cành với các lá và quả Dƣớng .............................................................. 3
Hình 2.1. Ảnh cây Dƣớng tại khu vực lấy mẫu .................................................. 22
Hình 2.2. Sơ đồ biến tính than hóa thành than hoạt tính..................................... 23
Hình 2.3. Sơ đồ tổng hợp than hoạt tính từ tác nhân hoạt hóa ZnCl2 3M .......... 23
Hình 3.1. Thân Dƣớng sau khi cạo và rửa sạch .................................................. 28
Hình 3.2. Tách vỏ và thân Dƣớng ....................................................................... 28
Hình 3.3. Thân Dƣớng sau khi sấy khơ............................................................... 29
Hình 3.4. Vỏ Dƣớng sau khi sấy khơ .................................................................. 29
Hình 3.6. Cốc 50ml để nghiền than..................................................................... 31
Hình 3.7. Khay rây cỡ than rất nhỏ ..................................................................... 31
Hình 3.8. Quá trình nghiền than .......................................................................... 31
Hình 3.9. Quá trình rây than................................................................................ 31
Hình 3.10. Than ngâm ZnCl2 sau khi nung........................................................ 33
Hình 3.11. Sấy nguyên liệu sau khi ngâm chất hoạt hóa .................................... 33
Hình 3.12. Than thân Dƣớng sau nung ............................................................... 33
Hình 3.13. Than vỏ Dƣớng sau nung .................................................................. 33
Hình 3.14. Ảnh máy khuấy mẫu Jatest ............................................................... 36
Hình 3.15. Cơng thức hóa học của RY 160 ........................................................ 37
Hình 4.1. Thân Dƣớng trƣớc khi than hóa ......................................................... 41
Hình 4.2. Vỏ Dƣớng trƣớc khi than hóa ............................................................ 41
Hình 4.3. Ảnh SEM mẫu than T1 ở điểm ảnh 10µm và 20µm ........................... 43
Hình 4.4. Ảnh SEM mẫu than V1 ở các điểm ảnh 20µm và 50µm .................... 44
Hình 4.5. Ảnh phổ IR của mẫu than T1 với các nhóm chức .............................. 44
Hình 4.6. Ảnh phổ IR của mẫu than V1 với các nhóm chức .............................. 45

Hình 4.7. Ảnh SEM của mẫu than thân Dƣớng (T2) ở điểm ảnh 20µm và
100µm.................................................................................................................. 47
Hình 4.8. Ảnh SEM mẫu than vỏ Dƣớng (V2) ở điểm ảnh 20µm và 100µm ... 47
Hình 4.9. Ảnh phổ IR mẫu than V2 với các nhóm chức..................................... 49
x


Hình 4.10. Đƣờng chuẩn dung dịch Xanh Metylen ............................................ 50
Hình 4.11. Biểu đồ dung lƣợng hấp phụ Xanh Metylen của than từ cây Dƣớng
cách 1 ................................................................................................................... 53
Hình 1.12. Biểu đồ hiệu suất hấp phụ Xanh Metylen của than từ cây Dƣớng
cách 1 ................................................................................................................... 53
Hình 4.13. Biểu đồ dung lƣợng hấp phụ Xanh Metylen của than từ cây Dƣớng
cách 2 ................................................................................................................... 53
Hình 4.14. Biểu đồ hiệu suất hấp phụ Xanh Metylen của than từ cây Dƣớng
cách 2 ................................................................................................................... 54
Hình 4.15. Biểu đồ dung lƣợng hấp phụ Xanh Metylen của than từ vỏ Dƣớng 54
Hình 4.16. Biểu đồ hiệu suất hấp phụ Xanh Metylen của than từ vỏ Dƣớng .... 54
Hình 4.17. Biểu đồ dung lƣợng hấp phụ Xanh Metylen của mẫu than V2 ....... 55
Hình 4.18. Biểu đồ đƣờng chuẩn dung dịch phẩm màu vàng RY 160 .............. 57
Hình 4.19. Biểu đồ dung lƣợng hấp phụ phẩm màu vàngRY 160 của mẫu than
T1, T2 .................................................................................................................. 59
Hình 4.20. Biểu đồ dung lƣợng hấp phụ phẩm màu vàng RY 160 của mẫu T1,
V2 ........................................................................................................................ 59
Hình 4.21. Biểu đồ hiệu suất hấp phụ phẩm màu vàng RY 160 của mẫu than T1,
T2......................................................................................................................... 59
Hình 4.22. Biểu đồ hiệu suất hấp phụ phẩm màu vàng RY 160 của mẫu than T1,
V2 ........................................................................................................................ 60
Hình 4.23. Biểu đồ dung lƣợng hấp phụ phẩm màu vàng RY 160 giữa các vật
liệu than hoạt tính ................................................................................................ 61

Hình 4.24. Biểu đồ hiệu suất hấp phụ phẩm màu vàng RY 160 giữa các vật liệu
than hoạt tính ....................................................................................................... 62
Hình 4.25. Dung lƣợng hấp phụ hỗn hợp màu giữa các loại than hoạt tính ở các
bƣớc sóng khác nhau ........................................................................................... 63
Hình 4.26. Biểu đồ hiệu suất hấp phụ màu hỗn hợp giữa các loại than hoạt tính
ở bƣớc sóng khác nhau ........................................................................................ 63

xi


ĐẶT VẤN ĐỀ
Mơi trƣờng là nhân tố có ảnh hƣởng quyết định đến sự tồn tại và phát
triển của mỗi con ngƣời, mỗi quốc gia trên thế giới. Bảo vệ môi trƣờng và phát
triển bền vững là những vấn đề có tính sống cịn của mỗi quốc gia trên tồn cầu.
Sự phát triển của nền cơng nghiệp, tình hình ơ nhiễm mơi trƣờng cũng gia
tăng đến mức báo động. Ơ nhiễm mơi trƣờng sống, ảnh hƣởng đến sự phát triển
tồn diện của đất nƣớc, sức khỏe, đời sống của nhân dân cũng nhƣ mỹ quan của
khu vực.
Ơ nhiễm mơi trƣờng nói chung, ơ nhiễm mơi trƣờng nƣớc nói riêng ngày
càng trở thành mối bận tâm đáng lo ngại. Môi trƣờng nƣớc bị ô nhiễm chủ yếu
do KLN, chất hữu cơ… Đã có nhiều nghiên cứu xử lý KLN, CHC. Các phƣơng
pháp này đều có những ƣu nhƣợc điểm khác nhau. Sử dụng các vật liệu tự nhiên
để xử lí ơ nhiễm môi trƣờng nƣớc đang rất đƣợc quan tâm trên thế giới.
Sử dụng than hoạt tính để xử lý một số chất ô nhiễm môi trƣờng, đặc biệt
là sử dụng loài cây xâm hại lại càng đƣợc quan tâm.
Dƣớng (Broussonetia papyrifera L.) là một trong các loài ngoại lai xâm
hại ở nhiều quốc gia trên Thế giới trong đó có Việt Nam. Dƣớng mọc tràn lan,
khó kiểm sốt và khó tiêu diệt. Làm thay đổi thảm thực vật, gây tác hại đến hệ
động thực vật ở những vùng nó xâm lấn.
Để đóng góp vào hƣớng nghiên cứu tiềm năng này, tôi chọn và thực hiện đề

tài: “Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây Dướng (Broussonetia papyrifera
L.) để xử lí một số chất ơ nhiễm trong mơi trường nước” sẽ giúp tìm hiểu rõ hơn
về các đặc tính của cây Dƣớng cũng nhƣ của than hoạt tính, từ đó đƣa ra phƣơng
pháp tổng hợp than hoạt tính từ cây Dƣớng, hiệu quả xử lý một số chất ô nhiễm môi
trƣờng nƣớc.

1


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.

Tổng quan về cây Dƣớng

1.1.1. Tên khoa học [18][23]
Giới

Plantae

Bộ

Rosales

Họ

Moraceae

Chi

Broussonetia

Loài

B. Papyrifera
Broussonetia papyrifera

Danh pháp hai phần

(L.) L'Hér. ex Vent., 1799

Danh pháp đồng nghĩa

Morus papyrifera L.

Tên gọi khác

Ró, cốc, cấu, dâu giấy…

1.1.2. Phân loại các loại Dướng ở Việt Nam
Tùy theo đặc điểm vùng sinh trƣởng, phát triển của Dƣớng, hình dạng kích
thƣớc, nƣớc ta Dƣớng đƣợc chia thành 2 loại:
Dƣớng lớn (thân gỗ): Là loại cây gỗ vừa, cịn có tên gọi khác chử đào thụ.
Cao có thể tới 15 - 20m, vỏ thân nhẵn, màu tro. Thân lá đều có nhũ dịch, cành
non có ít lông nhỏ.
Dƣớng nhỏ (Dƣớng leo): Dƣớng nhỏ cao khoảng 2 – 4 m, còn gọi là Dƣớng
leo (Broussonetia Kazinoki Sieb. et Zucc) cũng thuộc họ Dâu tằm.
1.1.3. Đặc điểm sinh học [18][22]
Cây Dƣớng cịn có tên gọi khác: ró, cốc, dâu giấy… Là loài cây gỗ trong
họ Dâu tằm, thân gỗ nhỏ vừa, sống lâu năm, lá sớm rụng, cao 15 - 20 m với chi

Dƣớng lớn và từ 2 – 4 m với chi thân leo. Vỏ thân nhẵn, màu nâu tro. Thân và lá
đều có nhũ dịch, cành non có ít lơng nhỏ.
Lá mọc so le nhau, có dạng hình tim hay hình trứng từ khơng xẻ thùy tới
xẻ thùy sâu. Bề mặt lá thơ nhám phía trên, phủ lơng tơ màu trắng xám xù phía

2


dƣới và các mép lá có khía răng cƣa; cuống lá dài 2 - 8 cm; phiến lá xa trục
nhiều lơng tơ, giữa các gân đầy lơng lá. Có lá kèm.
Hoa đơn tính, đực cái khác gốc. Quả hạch, màu vàng hoặc đỏ, ăn đƣợc, vị
ngọt nhiều nƣớc. Là nguồn thức ăn quan trọng của động vật hoang dã. Mùa hoa
Dƣớng tập trung vào tháng 5 - 6, mùa quả vào tháng 8 – 11.

Hình 1.1. Cành với các lá và quả Dướng
1.1.4. Tình hình phân bố cây Dướng trên thế giới và Việt Nam [18][23]
a. Trên thế Giới
Dƣớng là loại cây mọc hoang, có nguồn gốc ở miền đơng Châu Á. Phổ
biến ở một số nƣớc nhƣ Châu Mỹ La Tinh, Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn
Độ… Đƣợc đƣa lên Thái Bình Dƣơng trong cuộc di cƣ Polynesia. Loài cây này
khá phổ biến với ngƣời dân, đặc biệt là dân miền núi, ven biển… Gây ra nhiều
hiện tƣợng xâm lấn nhƣ Uganda (Haysom và Murphy 2003, Lyons và Miler
1999), nhập tịch ở Tanzania (Dason và cộng sự 2008) và đƣa vào Keynya (ABR
Witt Pers. Obs.)
Sinh trƣởng phát triển nhanh nên Dƣớng nhanh chóng chiếm ƣu thế.
b. Ở Việt Nam
Khí hậu nƣớc ta có độ ẩm khá cao rất thích hợp cho sự sinh trƣởng phát triển
của cây Dƣớng. Cây Dƣớng mọc hoang và đƣợc trồng ở khắp nơi, nhiều ở các
tỉnh miền Bắc và miền Trung nƣớc ta. Kể đến một số tỉnh phân bố nhiều nhƣ
tỉnh Hòa Bình, Sơn La, Điện Biên.

3


1.1.5. Chu kì sống và tiềm năng xâm lấn [18]
Cây Dƣớng sinh sản và sinh trƣởng rất nhanh, đặc biệt tháng 3 – 6. Nhiệt
độ thấp, độ ẩm cao, rất thích hợp cho việc nảy mầm, đâm chồi của các loại cây.
Dƣớng rất dễ thích nghi vì thế mà chúng nhanh chóng chiếm địa bàn để phân bố
rộng hơn nữa. Ở Pakistan, Dƣớng là một loại cỏ nguy hiểm, loài thực vật xâm
lấn quan trọng nhất trên Pampas ở Argentina và chiếm ƣu thế trong các khu
rừng của Uganda.
Từ một thân non, Dƣớng phát triển đến khi trƣởng thành có nhiều nhánh
mọc từ gốc tới hệ thống rễ phụ. Rễ cây Dƣớng rất cứng, dễ dàng thâm nhập qua
lớp đất để tìm nguồn nƣớc cho nhu cầu sinh trƣởng của nó. Dƣớng phát triển tốt
ở nhiều loại khí hậu. Cây sinh trƣởng, ra hoa và kết quả theo mùa, thụ phấn nhờ
cơn trùng, gió và đƣợc phân tán bởi chim, dơi và động vật có vú.
Quần thể Dƣớng phát triển nhanh quanh hệ thống sơng ngịi, ao hồ. Có
khả năng tái sinh, lan rộng cực kì lớn, nếu khơng có biện pháp phân bố thích
hợp sẽ dẫn đến tình trạng khó hoặc khơng kiểm sốt đƣợc.
1.1.6. Hiểm họa từ cây Dướng [18]
Với sự tăng trƣởng và phát triển nhanh chóng, cây Dƣớng hiện đang xâm
lấn mạnh, chiếm ƣu thế hơn so với các loài cây khác, kể cả cây bản địa. Khi
chúng đƣợc đƣa tới những khu vực không phải là bản địa của nó, nó có thể
nhanh chóng thay thế cho các loài thực vật bản địa và trở thành loài cây xâm hại
nguy hiểm, làm thay đổi hệ sinh thái tự nhiên của khu vực đó. Điều này có thể
đƣợc coi là đúng tại Islamabad khi Dƣớng đƣợc đƣa vào trồng tại đây vì các giá
trị cảnh quan của nó, nhƣng hiện nay nó đã thay thế cho quần thể thực vật bản
địa ở mức độ đáng báo động.
Đặc biệt, vào mùa hoa Dƣớng gây ra dị ứng nặng với phấn hoa. Tại
Islamabad, Pakistan lƣợng phấn hoa nhiều tới khoảng 40.000 hạt/m3; gây ra các

vấn đề về da nghiêm trọng cho cƣ dân nơi đây.
Hệ thống rễ khá cứng, dễ dàng thâm nhập qua các lớp đất đá. Nhu cầu
nƣớc rất cao, cạnh tranh về chất dinh dƣỡng, không gian và ánh sáng khá đối với
4


các loài cây khác. Nhựa của loài cây này cực kì dính và có thể làm hỏng quần áo
nếu nhƣ chúng ta chạm phải.
Những nơi có cây Dƣớng mọc dày, rất ít lồi thực vật có thể mọc đƣợc
dƣới tán cây Dƣớng. Nó ảnh hƣởng đến sự trồng trọt của nông dân và đốt nƣơng
ở Ghana và các nơi khác. Tuy lồi này có khả năng xâm lấn mạnh, chiếm ƣu thế
và kiềm chế sự sinh trƣởng phát triển của các lồi cây khác nhƣng chúng khơng
đƣợc xem cây độc hại bởi nhà nƣớc hoặc các chính phủ ở Kenya, Tanzania và
Uganda.
Ở Việt Nam, sự phát triển của Dƣớng ảnh hƣởng tới tới sự sinh trƣởng và
phát triển của nhiều loài thực vật khác.
1.1.7. Ý nghĩa thực tiễn của cây Dướng [24][25]
Đƣợc biết đến là một cây mọc hoang, nhƣng Dƣớng cũng có một số cơng
dụng rất hữu ích:
a. Cơng dụng làm thuốc
Vỏ cây: Có thể bện thừng, sản xuất giấy dó ở một số tỉnh nhƣ Hịa
Bình. Ngƣời dân Fiji dùng để làm quần áo, đƣợc gọi là Massi.
Quả Dƣớng: Theo Đơng Y, có tác dụng bổ thận, mạnh gân cốt, ích
nhan sắc, suy nhƣợc cơ thể, mờ mắt… Theo nghiên cứu từ những năm 1960,
quả Dƣớng chứa nhiều hoạt chất quý: 4,75% Lignin; canxi cacbonat, axit
xerotic… Gần đây, Viện Y học Bắc Kinh cịn tìm thấy trong quả Dƣớng có chứa
0,51% chất Saponin (một loại chất rất quý thƣờng trong nhân sâm). Trong các
tài liệu cổ nhƣ ở Trung Quốc vào các thời từ nhà Tống đến các đời Nguyên,
Minh (1127 - 1644) cũng đều viết quả Dƣớng có tác dụng làm thuốc.
Lá Dƣớng: trị tả, cầm máu, kiết lỵ, lở ngứa ngồi ra, nấu để xơng cảm.

Cành Dƣớng dùng để chữa trị mề đay, mắt sƣng đỏ. Ngồi ra, lá non, cành non
cịn làm thức ăn cho hƣơu, nai.
Nhựa Dƣớng: sát trùng, đắp lên các vết rắn cắn, chó cắn, ong đốt. Vỏ rễ
cây Dƣớng: lợi tiểu, tiêu sƣng, chữa lỵ, cầm máu…
b. Vai trò sinh thái khác
5


Dƣớng có thể làm cây cảnh. Vì nó chịu đƣợc sự xáo trộn và ơ nhiễm
khơng khí, nên rất hữu ích nhƣ một nhà máy cảnh quan trên lề đƣờng. Một lồi
dễ dàng lập rừng. Có thể ứng dụng loại cây này để cản bụi.
1.1.8. Các biện pháp kiểm soát cây Dướng [23]
Nếu khơng có biện pháp quy hoạch sự phát triển của cây Dƣớng sẽ gây
ảnh hƣởng tới sự sống của các loài thực vật bản địa.
Các biện pháp quản lí tốt nhất là phịng ngừa. Nếu phịng ngừa khơng cịn
khả thi, cách tốt nhất là đặc cách chúng từ nhỏ. Cần có cơng tác theo dõi thống
nhất để quản lý bền vững.
Cây nhỏ có thể nhổ, cây lớn có thể cắt và dùng thuốc diệt cỏ. Tuy nhiên,
khơng phải lúc nào cũng hiệu quả. Cách tốt nhất để kiểm sốt cây Dƣớng là phải
rời khỏi rừng khơng bị xáo trộn, trồng ra một khu vực riêng. Theo nhiều nghiên
cứu về các lựa chọn kiểm soát sinh học cho loài Dƣớng này vẫn chƣa đƣợc bắt đầu.
Việc nghiên cứu “Tổng hợp than hoạt tính từ cây Dƣớng” sẽ góp phần
nâng cao hiệu quả diệt trừ cây Dƣớng và bảo vệ mơi trƣờng. Tận dụng phần sinh
khối của lồi ngoại lai xâm lấn, có hàm lƣợng cacbon khá cao, để làm nguyên
liệu sản xuất than hoạt tính là hƣớng nghiên cứu mới, không chỉ mang lại nhiều
ý nghĩa về mặt sinh thái, bảo vệ mơi trƣờng mà cịn tạo điều kiện tiền đề cho các
nghiên cứu tƣơng tự để tiếp tục hoàn thiện và ứng dụng vào thực tiễn.
1.2. Tổng quang về than hoạt tính
1.2.1. Định nghĩa [15][20][21]
Than hoạt tính là một chất gồm

nguyên tố C ở dạng vô định hình
(bột), một phần nữa có dạng tinh
thể vụn grafit. Có diện tích bề mặt
ngồi rất lớn nên đƣợc ứng dụng
nhƣ một chất lý tƣởng để lọc hút
Hình 1.2. Ảnh than hoạt tính thị trường

nhiều loại hóa chất.

6


Thành phần chủ yếu là C chiếm 85% - 95%. Cịn lại là các ngun tố H,
O, N, P… có sẵn hoặc mới liên kết với cacbon trong quá trình hoạt hóa, thơng
thƣờng là: 88% C; 0,5% H; 0,5% N; 1% S và 6 - 7% O. Hàm lƣợng này có thể
thay đổi tùy thuộc vào q trình điều chế.
Than hoạt tính là chất khơng độc, có thể tái sử dụng. Việc xử lý những
kim loại nặng thì việc thu hồi lại, từ tro đốt cũng rất dễ dàng.
1.2.2. Đặc trưng về tính chất vật lý, hóa học của than hoạt tính
1.2.2.1. Đặc trưng về tính chất vật lý [4][5][7]
a. Kích thƣớc hạt và bề mặt riêng của than hoạt tính
Các phƣơng pháp sản xuất than hoạt tính khác nhau sẽ tạo ra các loại than
có tính chất, hình dạng, kích thƣớc khác nhau. Than máng có đƣờng kính hạt
100 - 300Ao. Lò lỏng là 180 – 600 Ao. Lò khí là 400 – 800 Ao. Phƣơng pháp
nhiệt phân, đƣờng kính hạt trung bình lớn nhất là 1400 – 4000 Ao
Than hoạt tính thƣờng có diện tích bề mặt khoảng 800 - 1500 m2/g và thể
tích lỗ xốp từ 0,2 - 0,6 cm3/g. Phƣơng pháp để xác định kích thƣớc, diện tích
riêng bề mặt hạt than là phƣơng pháp kính hiển vi điển tử và hấp phụ lên bề mặt.
b. Cấu trúc vật lý của than hoạt tính
Cấu trúc bậc nhất phát triển mạnh nhất trong than sản xuất bằng phƣơng

pháp lị. Liên kết hóa học C – C đảm bảo cho cấu trúc có độ bền cao. Số lƣợng
các hạt than sơ khai có cấu trúc dao động từ vài hạt, đối với than có cấu trúc
thấp đến 600 hạt đối với than có cấu trúc cao. Cấu trúc than hoạt tính có thể xác
định trực tiếp bằng lính hiển vi điện tử.
c. Khối lƣợng riêng
Khối lƣợng riệng phụ thc vào phƣơng pháp xác định nó. Khối lƣợng
riêng của than hoạt tính trong Heli lỏng 1900 - 2000 kg/m3. Khối lƣợng riêng
của than hoạt tính đƣơc tính tốn theo hằng số mạng tinh thể 2180 - 2160 kg/m3.
Than hoạt tính dƣới dạng bột có khối lƣợng riêng 80 – 300 kg/m3 phụ
thuộc vào mức độ phát triển cấu trúc của than. Than có cấu trúc càng lớn khoảng
trống giữa các cấu trúc càng nhiều và giá trị khối lƣợng riêng càng nhỏ.
7


1.2.2.2. Đặc trưng về mặt hóa học
Ở dạng tinh thể, các ngun tử cacbon nằm ở mặt ngồi có mức độ hoạt
động hóa học lớn, là trung tâm của các q trình oxy hóa tạo cho bề mặt than
hàng loạt các nhóm hoạt động hóa học khác nhau nhƣ nhóm hydroxyl, cacboxyl,
xeton… Ngồi ra, cịn có hydro (H), lƣu huỳnh (S), oxy (O) và các khống chất
khác.
Các nhóm phân cực là yếu tố quan trọng quyết định khả năng tác dụng
hóa học, lý học của than hoạt tính với các nhóm phân cực, liên kết đơi có trong
mạch đại phân tử.
1.2.3. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính [15]
1.2.3.1. Khái niệm hấp phụ
a. Sự hấp phụ
Hấp phụ là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí –
rắn, lỏng - rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp
bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất hấp
phụ có bề mặt riêng càng lớn thì khả năng hấp phụ càng mạnh.

Quá trình hấp phụ xảy ra do lực tƣơng tác giữa các phần tử chất hấp phụ
và chất bị hấp phụ. Tùy theo bản chất của lực tƣơng tác mà ngƣời ta phân biệt
hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
− Hấp phụ vật lý đƣợc gây ra bởi lực Vanderwaals, lực liên kết hidro …
đây là những lực yếu nên liên kết hình thành khơng bền, dễ bị phá vỡ. Vì vậy
hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao, xảy ra nhanh.
− Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hóa học. Năng lƣợng liên kết
này lớn (có thể tới hàng trăm kJ/mol), nên liên kết tạo thành bền khó bị phá vỡ.
Hấp phụ hóa học thƣờng khơng thuận nghịch, xảy ra chậm.
Thực tế, rất khó phân biệt giữa hấp phụ hóa học hay vật lý. Một số
trƣờng hợp tồn tại đồng thời cả hai hình thức hấp phụ. Ở vùng nhiệt độ thấp
thƣờng xảy ra hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm,
khả năng hấp phụ hóa học tăng lên.
8


b. Giải hấp phụ
Giải hấp phụ là sự ra đi của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ.
Quá trình này dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình
hấp phụ. Đây là phƣơng pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đặc trƣng về
hiệu quả kinh tế.
Phƣơng pháp tái sinh vật liệu hấp phụ: phƣơng pháp hóa lý, phƣơng pháp
nhiệt, phƣơng pháp vi sinh…
c. Cân bằng hấp phụ
Hấp phụ vật lý là một trong quá trình thuận nghịch, khi tốc độ hấp phụ
(quá trình thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp
phụ đạt trạng thái cân bằng.
Với một lƣợng xác định, lƣợng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ
và áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha thể tích.
Q = f (T, P hoặc C)

Trong đó:
Q: Dung lƣợng hấp phụ cân bằng (mg/g)
T: Nhiệt độ
P: Áp suất
C: Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha thể tích (mg/l)
d. Dung lượng hấp phụ cân bằng
Dung lƣợng hấp phụ cân bằng là khối lƣợng chất bị hấp phụ trên một đơn
vị khối lƣợng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về
nồng độ và nhiệt độ.

Trong đó
Q: Dung lƣợng hấp phụ cân bằng (mg/g)
V: Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l)
M: Khối lƣợng chất bị hấp phụ (g)

9


Co: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/l)
Ccb: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l)
e. Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ
dung dịch ban đầu.
(%)
1.2.3.2. Hấp phụ trong mơi trường nước
Là q trình hấp phụ hỗn hợp, quá trình hấp phụ là kết quả của sự tƣơng tác
giữa nƣớc – chất tan – chất hấp phụ. Thực tế, quá trình hấp phụ diễn ra phức tạp, đa
dạng kể cả vơ cơ, hữu cơ, có bản chất khác nhau. Khả năng hấp phụ phụ thuộc vào
tƣơng tác giữa các cặp chất bị hấp phụ - chất hấp phụ, các phân tử nƣớc sẽ chiếm
chỗ trên toàn bộ bề mặt chất hấp phụ. Các phân tử chất bị hấp phụ đẩy các phân tử

nƣớc để chiếm chỗ khi tƣơng tác giữa chúng với chất hấp phụ đủ mạnh với cơ chế
hấp phụ chọn lọc.
Sự thay đổi pH dẫn đến sự thay đổi về bản chất chất bị hấp phụ. Các chất
có tính axit yếu, bazo yếu hay lƣỡng tính sẽ bị phân li để tích điện âm, điện dƣơng
hay trung hịa trong mơi trƣờng có pH khác nhau. Làm ảnh hƣởng đến các nhóm
chức trong phân tử chất.
1.2.3.3. Động học của quá trình hấp phụ
Quá trình hấp phụ từ pha lỏng trên bề mặt của chất hấp phụ gồm 3 giai
đoạn:
− Chuyển chất bị hấp phụ trong pha lỏng đến bề mặt ngoài của chất hấp
phụ: chất hấp phụ trong pha lỏng sẽ đƣợc chuyển dần đến bề mặt của các chất
hấp phụ nhờ đối lƣu, diễn ra chậm.
− Khuếch tán vào các mao quản của hạt: sự chuyển chất bị hấp phụ từ bề
mặt ngoài chất hấp phụ vào bên trong diễn ra phức tạp. Đƣờng kính mao quản
lớn thì diễn ra khuếch tán phân tử. Với các mao quản nhỏ hơn thì khuếch tán
Knudsen chiếm ƣu thế. Cũng với chúng cịn có cơ chế khuếch tán bề mặt, các

10


phần tử dịch chuyển từ bề mặt mao quản vào trong lịng hạt, đơi khi giống nhƣ
chuyển động trong lớp màng (lớp giới hạn).
− Hấp phụ diễn ra do tƣơng tác bề mặt hấp phụ và chất bị hấp phụ, tạo
nên một tập hợp bao gồm các phân tử nằm trên bề mặt, nhƣ một lớp màng chất
lỏng gây trở lực chủ yếu cho giai đoạn hấp phụ. Quá trình hấp phụ làm bão hịa
dần từng phần khơng gian hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử
hấp phụ nên thƣờng kèm theo sự tỏa nhiệt.
1.2.3.4. Các mơ cơ bản của q trình hấp phụ
a. Mơ hình động học hấp phụ
Trong mơi trƣờng nƣớc, q trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt của

chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai
đoạn kế tiếp nhau: giai đoạn khuếch tán trong dung dịch, khuếch tán màng,
khuếch tán vào trong mao quản và hấp phụ thực sự.
Quá trình hấp phụ có thể đƣợc coi là một phản ứng nối tiếp, trong đó mỗi
phản ứng nhỏ là một giai đoạn của q trình. Giai đoạn có tốc độ chậm nhất
đóng vai trị quyết định đến tốc độ của cả quá trình. Trong quá trình động học
hấp phụ: giai đoạn khuếch tán trong và ngồi có tốc độ chậm nhất. Do đó các
giai đoạn này đóng vai trị quyết định đến tồn bộ q trình động học hấp phụ.
Dung lƣợng hấp phụ phụ thuộc vào các giai đoạn này và sẽ thay đổi theo thời
gian cho đến khi quá trình đạt trạng thái cân bằng.
Gọi tốc độ hấp phụ là biến thiên độ hấp phụ theo thời gian, ta có:

Khi tốc độ hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo
thời gian thì:
(

)

Trong đó:
β: Hệ số chuyển khối

11

(

)


Ci: Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm ban đầu
Cf: Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm t

K: Hằng số tốc độ hấp phụ
Qmax: Tải trọng hấp phụ cực đại
Q: Tải trọng hấp phụ tại thời điểm t
b. Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt
Quá trình hấp phụ dựa vào đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ. Đƣờng đẳng nhiệt
hấp phụ diễn biến sự phụ thuộc của dung lƣợng hấp phụ tại một thời điểm vào
nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch tại thời điểm đó ở một
nhiệt độ xác định.
Với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng thì đƣờng đẳng
nhiệt hấp phụ đƣợc mơ tả qua các phƣơng trình đẳng nhiệt:
 Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry
Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry là phƣơng trình đẳng nhiệt đơn
giản mơ tả sự tƣơng quan tuyến tính giữa lƣợng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha
rắn và nồng độ (áp suất) của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng:
Trong đó:
K: Hằng số hấp phụ Henry
P: Áp suất (mmHg)
a: Lƣợng chất bị hấp phụ (mol/g)
 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Lamgmuir
Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:

Trong đó:
q, qmax: Dung lƣợng hấp phụ cân bằng, dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g)
θ: Độ che phủ
b: Hằng số Langmuir
12


Ccb: Nồng độ bị hấp phụ khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)
Phƣơng trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trƣng của hệ:

+ Trong vùng nồng độ nhỏ: b.Ccb << 1 thì q = qmax.b.Ccb mơ tả vùng hấp phụ
tuyến tính.
+ Trong vùng nồng độ cao: b.Ccb >> 1 thì q=qmax mơ tả vùng hấp phụ bão hịa.
Để xác định các hằng số trong phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
có thể sử dụng phƣơng pháp đồ thị bằng cách chuyển phƣơng trình trên thành
phƣơng trình đƣờng thẳng có dạng:
Hay
Trong đó:
q: Tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)
qmax: Tải trọng hấp phụ cực đại (mg/g)
b: Hằng số chỉ ái lực của vị trí liên kết trên bề mặt chất hấp phụ

q(mg/g)
qmax
0

Cf
f

Đồ thị 1. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
1.2.3.5. Một số yêu tố ảnh hưởng tới q trình hấp phụ [9]
a. Ảnh hưởng của dung mơi
Hấp phụ trong dung dịch là hấp phụ cạnh tranh, chất tan bị hấp phụ càng
mạnh thì dung mơi bị hấp phụ càng yếu. Dung mơi có sức căng bề mặt càng lớn
thì chất tan càng dễ bị hấp phụ. Chất tan trong dung môi nƣớc bị hấp phụ tốt hơn
so với dung mơi hữu cơ.
b. Tính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ
Chất phân cực dễ hấp phụ lên bề mặt phân cực và các chất không phân
cực dễ bị hấp phụ lên bề mặt không phân cực. Độ xốp của chất hấp phụ cũng
ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ. Khi giảm kích thƣớc mao quản trong chất hấp

13


phụ xốp thì sự hấp phụ từ dung dịch thƣờng tăng lên. Nhƣng đến một giới hạn
nào đó, kích thƣớc mao quản quá nhỏ sẽ cản trở sự đi vào của chất bị hấp phụ.
c. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Khi nhiệt độ tăng, sự hấp phụ trong dung dịch giảm. Đối với những cấu tử
tan hạn chế, khi tăng nhiệt độ, độ tan tăng sẽ làm cho nồng độ của nó trong dung
dịch tăng lên, do vậy khả năng hấp phụ sẽ tăng lên.
d. Ảnh hưởng của pH môi trường
pH ảnh hƣởng nhiều đến tính chất bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp
phụ trong dung dịch nên cũng ảnh hƣởng đến q trình hấp phụ. Ngồi ra, nồng
độ của chất tan trong dung dịch, áp suất đối với chất khí, q trình hấp phụ cạnh
tranh đối với các chất bị hấp phụ cũng có ảnh hƣởng.
1.2.4. Nguyên liệu chế tạo than hoạt tính
Nguồn nguyên liệu chủ yếu có hàm lƣợng cacbon cao nhƣ: gỗ, than non,
than đá hay các chất thải nông nghiệp: vỏ trấu, lõi ngô, gáo dừa… Những
nguyên liệu này có sẵn, rẻ tiền, hàm lƣợng cacbon cao và thành phần vô cơ thấp.
Cây Dƣớng là một lồi thực vậy ngoại lai, có hàm lƣợng cacbon cao, việc
sử dụng cây Dƣớng vào sản xuất than hoạt tính khơng chỉ góp phần diệt trừ cây
xâm hại này mà cịn có thể ứng dụng than hoạt tính tổng hợp từ cây Dƣớng vào
xử lí mơi trƣờng, bảo vệ mơi trƣờng.
1.2.5. Phương pháp sản xuất than hoạt tính [15]
Than hoạt tính đƣợc sản xuất bằng cách nhiệt phân ngun liệu thơ có
chứa cacbon ở nhiệt độ dƣới 1000oC. Gồm 2 q trình: than hóa, hoạt hóa.
a. Q trình than hóa
Than hóa là q trình phân hủy nhiệt. Ngun tắc của quá trình sản xuất
than nguyên liệu thực vật là dùng nhiệt phân hủy nguyên liệu trong điều kiện
không có khơng khí. Dƣới tác dụng của nhiệt từ nhiệt độ thƣờng tới 170oC, vật

liệu đều bị khô đều; từ 170o - 180oC vật liệu phân hủy theo những quá trình thu
nhiệt, ở đây các hợp phần của nguyên liệu bị biến tính, giải phóng oxit cacbon,
khí cacbonic (CO2), axit axetic (CH3COOH), hắc ín… Q trình cacbon hóa kết
thúc ở khoảng 400 - 600oC.
14