Nghiên cứu hoạt hóa than bùn liên chiểu đà nẵng bằng axit HCl và ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion zn2 trong dung dịch nước

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1

KHOA HÓA HỌC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA

NGHIÊN CỨU HOẠT HÓA THAN BÙN LIÊN CHIỂU –
ĐÀ NẴNG BẰNG AXIT HCl VÀ ỨNG DỤNG LÀM
VẬT LIỆU HẤP PHỤ ION Zn2+ TRONG DUNG DỊCH
NƯỚC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN SU PHẠM

Sinh viên thực hiện : Huỳnh Thị Hoàng Diễm
Lớp
: 08SHH
Giáo viên hướng dẫn : TS. Trần Mạnh Lục

Đà Nẵng - Năm 2012

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

2

KHOA HĨA HỌC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
Độc lập – tự do- hạnh phúc
KHOA HÓA
------

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên : Huỳnh Thị Hoàng Diễm
Lớp
: 08SHH
1. Tên đề tài: “Nghiên cứu hoạt hóa than bùn bằng axit HCl và ứng dụng
làm vật liệu hấp phụ ion Zn2+ trong dung dịch nước”
2. Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị
 Nguyên liệu: Than bùn nguyên liệu
 Dụng cụ: dụng cụ thủy tinh, máy khuấy từ, tủ sấy, cân phân tích, cối
chày,…
 Thiết bị: máy khuấy từ, máy đo pH, máy chụp ảnh SEM
3. Nội dung nghiên cứu
 Xử lý nguyên liệu than bùn
 Tìm các điều kiện tối ưu cho q trình hoạt hóa bằng tác nhân axit
 Chụp ảnh SEM trước và sau khi hoạt hóa bằng axit HCl
 Xác định các đặc tính hóa lý của than bùn trước và sau hoạt hóa
 Hấp phụ bể và hấp phụ cột đối với ion Zn2+ của than bùn sau hoạt
hóa:
 Khảo sát sựu ảnh hưởng của thời gian đạt cân bằng hấp phụ
 Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ
 Tải trọng hấp phụ cực đại

4. Giáo viên hướng dẫn: TS. Trần Mạnh Lục
5. Ngày giao đề tài: 15/07/2011
6. Ngày hoàn thành: 10/03/2012
Chủ nhiệm khoa
Giáo viên hướng dẫn
( Ký và ghi rõ họ tên)
( Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS. Lê Tự Hải

TS. Trần Mạnh Lục

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày 25 tháng 05 năm 2012
Kết quả điểm đánh giá:
Ngày …..Tháng……năm 2012
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

3

KHOA HÓA HỌC

MỞ ĐẦU
Từ các kết quả khảo sát địa chất đã cho thấy ở Việt Nam có một lượng than
bùn rất dồi dào, được phân bố hầu như khắp các tỉnh trong cả nước. Riêng ở vùng

Quảng Nam – Đà Nẵng đã có hàng chục mỏ than bùn được thăm dò, điều tra đánh
giá trữ lượng, chất lượng và bước đầu được khai thác sử dụng.
Với đặc điểm chứa nhiều nhóm chức có khả năng phản ứng cao, hơn nữa lại có
nhiều trong than bùn nên axit humic ngày càng được chú ý, đặc biệt là khả năng hấp
phụ trao đổi cation kim loại. Than bùn sau khi đã chiết tách axit humic thì gần như
mất hẳn khả năng trao đổi cation. Ngược lại, axit humic sau khi được hoà tan ra
dưới dạng muối humat natri, kết tủa trở lại bằng dung dịch axit vẫn thể hiện tính
trao đổi cation mạnh của nó.
Ở nước ta than bùn thường được dùng nhiều trong lĩnh vực nông nghiệp như
làm phân bón, bước đầu sử dụng axit humic chiết tách từ than bùn làm chất kích
thích sinh trưởng. Việc nghiên cứu ứng dụng chúng trong lĩnh vực công nghiệp như
sản xuất ắc quy, chế tạo dung dịch khoan, vật liệu hấp phụ các kim loại nặng nhằm
xử lý ô nhiễm môi trường, làm giàu và tách các kim loại đất hiếm và phóng xạ
…đang cịn rất hạn chế. Gần đây, trong nước đã có một số cơng trình nghiên cứu về
khả năng này của axit humic tách từ than bùn, như kết tủa các ion thori (V) và chì
(II) của Phan Văn Tình, Lưu Minh Đại; khả năng tách các ion coban (II), mangan
(II) và uran (IV) của Bùi Duy Cam, Phạm Văn Tình….Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu
hoạt hóa than bùn Liên Chiểu – Đà Nẵng bằng axit HCl và ứng dụng làm vật
liệu hấp phụ ion Zn2+ trong dung dịch nước ” khơng chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà
còn mở ra một khả năng ứng dụng lớn đối với tài nguyên than bùn dồi dào trong
nước hiện có.
Cấu trúc của đề tài bao gồm các phần sau:
Lời nói đầu

1 trang (trang 1)

Chương 1: Tổng quan tài liệu

26 trang ( 2 -27)

Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

7 trang (28-34)

Chương 3: Kết quả và bàn luận

21 trang (35-55)

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

4

KHOA HÓA HỌC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ THAN BÙN
1.1.1. Nguồn gốc, phân loại và tính chất của than bùn
1.1.1.1. Nguồn gốc hình thành than bùn
Than bùn được hình thành do sự tích lũy lâu đời của các xác thực vật phân giải
trong điều kiện thừa ẩm, thiếu khơng khí. Kết quả của sự phân giải này là các xác
thực vật khơng được phân giải hồn tồn mà hình thành một lớp chất hữu cơ gồm
những phần còn lại của thực vật đang bị phân giải dở dang, mùn mục và chất
khoáng. Lớp chất hữu cơ đó được gọi là “than bùn”.[2]
1.1.1.2. Phân loại than bùn
Có thể chia than bùn thành 3 loại: than bùn nông, than bùn sâu và than bùn
chuyển tiếp.
Than bùn nông: được hình thành do sự tích tụ xác, bã các loại cây có ít dinh

dưỡng như: lau, sậy, lăn, lác...ở những nơi địa hình tương đối cao.
Than bùn sâu: trong điều kiện địa hình thấp, có đầm lầy nước đọng và nhiều
chất dinh dưỡng, các loại cây được phát triển tốt như: cỏ lơng lợn, cỏ sâu róm, rêu,
lăn, lác, lau, sậy và các loại cây nhỏ. Xác bã loại cây này tích tụ dần thành than bùn
sâu. Đặc điểm than bùn sâu là chứa nhiều chất dinh dưỡng và ít chua.
Than bùn chuyển tiếp: ở giữa hai loại than bùn trên. Đặc điểm của than bùn
nông và than bùn chuyển tiếp là ít dinh dưỡng, mức độ mùn hố thấp và chua. [2]
1.1.1.3. Một số tính chất hóa lí của than bùn
Màu sắc: đen, sẫm hoặc nâu nhạt.
Cấu trúc: xốp hoặc nát bụi hoặc quyện thành bùn.
Mức độ phân giải:
- Loại tỉ lệ phân giải thấp: ~20%: còn giữ nguyên dạng của cây.
- Loạị tỉ lệ trung bình: 30 - 40%: hình dạng của cây khó phân biệt, có ít mùn
mục.
Khả năng giữ nước: biến thiên từ: 75 - 275%.
Dung tích hấp phụ: 150 - 250 mlđlg/100 gam than bùn khơ.

SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

5

KHOA HÓA HỌC

Khả năng giữ nước và dung tích hấp phụ của than bùn khác nhau với các loại
than bùn khác nhau.[2] [14]
1.1.2. Chất mùn trong than bùn
Mùn là hợp chất cao phân tử phức tạp, có thành phần khơng ổn định, được hình

thành khi phân huỷ và mùn hoá các chất hữu cơ. Hàm lượng mùn trong đất do đặc
điểm và điều kiện quá trình hình thành đất quyết định. Trong than mùn tổng lượng
mùn có thể đạt tới vài chục phần trăm. Thành phần hóa học của chất mùn gồm có:
carbon, oxy, hydro và nitơ. Ngồi các chất cơ bản trên đây, chất mùn cịn chứa lưu
huỳnh, photpho, natri, kali, canxi và một số nguyên tố vi lượng khác.
Người ta chia mùn ra làm hai nhóm hợp chất:
Nhóm thứ nhất: bao gồm các sản phẩm phân giải xác hữu cơ và những sản
phẩm sống (trao đổi và tổng hợp) của vi sinh vật. Những chất hữu cơ này chưa bị
mùn hố và có trong thành phần xác hữu cơ. Vì vậy, người ta gọi nhóm thứ nhất
này là nhóm mùn khơng đặc trưng. Trong than bùn hàm lượng của nhóm này mới
chỉ đạt tới 50 - 80%. Vì ở đây, q trình vơ cơ hóa chất hữu cơ rất chậm. Tính chất
đặc trưng của nhóm hợp chất chưa bị mùn hóa là tính chất biến động do q trình
phân hủy và mùn hóa những hợp chất này luôn luôn xảy ra trong đất.
Trong thành phần của nhóm mùn đặc trưng bao gồm các hợp chất như: hydrat
cacbon, hợp chất chứa nitơ, linhin, lipit, nhựa, chất chát, andehit.
Nhóm thứ hai: bao gồm các hợp chất hữu cơ phức tạp đã bị mùn hố. Chúng
khơng có trong thành phần xác hữu cơ mà chỉ được hình thành trong q trình mùn
hố, chúng được gọi là nhóm mùn đặc trưng. Nhóm này chiếm khoảng: 80- 90%
tổng số mùn đất.
Nhóm mùn đặc trưng hay thường gọi là chất mùn là một hệ thống của các hợp
chất hữu cơ cao phân tử, chứa nitơ, có cấu trúc vịng và có tính axit. Do nhóm chất
mùn có tính axit và thực chất nhóm này bao gồm các axit mùn và những dẫn xuất
của nó nên cịn có thể gọi là nhóm axit mùn. Nhờ có tính axit mà chúng có thể tác
dụng với những chất vô cơ tạo những hợp chất hồ tan hoặc khơng hồ tan. Những
hợp chất khơng hịa tan sẽ được tích lũy trong đất làm cho chất mùn khơng bị rửa
trơi.

SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

6

KHOA HĨA HỌC

Tính chất đặc trưng của chất mùn là tính đa dạng và tính phức tạp của nó – tức
là thành phần của chúng khác nhau theo từng thời kỳ mùn hóa.
Nhóm chất mùn có thể chia ra thành một số nhóm nhỏ dựa vào thành phần,
tính chất, kích thước phân tử, mức độ di chuyển và vai trị của nó trong q trình
hình thành đất.
Vấn đề thành phần và danh pháp của chất mùn cho đến nay vẫn chưa có thể
xem như là đã được giải quyết.
Chất mùn hòa tan từng phần trong các dung dịch kiềm, bị kết tủa trong các
axit và đặc biệt là rất bền dưới tác dụng của các vi sinh vật trong điều kiện yếm khí.
Trên cơ sở những nghiên cứu của I.V.Chiurin, M.M.Cônônôva, Đrahunôp,
L.H.Alêchxanđrôp và những nhà nghiên cứu khác, người ta chia nhóm chất mùn
đặc trưng ra thành 2 nhóm cơ bản của axit mùn. [18] [21]
Nhóm axit humic: bao gồm axit humic (axit màu xám- theo thuật ngữ của các
nhà thổ nhưỡng Đức) và axit ulmic (axit màu nâu- theo thuật ngữ của các nhà thổ
nhưỡng Đức). Ngồi ra, trong nhóm này cịn có axit hematomelanic- đó là một phần
của axit humic hòa tan trong rượu.
Axit humic là những axit hữu cơ cao phân tử, chứa nitơ và có cấu trúc vịng.
Chúng hịa tan tốt trong các dung dịch loãng của hydroxit kiềm và cacbonat
kiềm,…Trong dung dịch hịa tan chúng có màu nâu đến đen. Axit humic thực tế
khơng hịa tan trong nước và các axit vơ cơ.
Axit humic có thành phần nguyên tố chủ yếu là cacbon, hydro, oxy và nitơ.
Hàm lượng mỗi nguyên tố trong axit humic thay đổi phụ thuộc vào loại đất, thành
phần hoá học xác hữu cơ, điều kiện mùn hoá và phương pháp tách chúng ra. Hàm
lượng các nguyên tố hoá học trong axit humic thay đổi trong phạm vi như sau:

C: 50 - 60%

O: 31 - 40%

H: 2,8 – 6,6%

N: 2 - 6%

Ngồi 4 ngun tố hố học chủ yếu trên, trong axit humic còn chứa các
nguyên tố tro với hàm lượng không nhiều như: P, S, Al, Fe, Si phụ thuộc vào mức
độ tinh khiết của dung dịch tách axit humic ra khỏi đất. Tổng lượng các nguyên tố

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

7

KHOA HÓA HỌC

thay đổi từ 1 - 10%. Có lẽ các ngun tố tro khơng phải là thành phần bắt buộc của
phân tử axit humic. Chúng liên kết với các axit humic do các phản ứng hoá học.
- Các nhóm định chức trong phân tử axit Humic: trong phân tử có chứa một số
nhóm định chức cacboxyl hydroxyl. Hai nhóm chức này quyết định tính chất của
axit humic. Về số lượng hai nhóm chức này trong axit humic thì đến nay các ý kiến
khơng thống nhất với nhau. Chẳng hạn đối với axit humic có trọng lượng phân tử là
1200 thì W.Fuch cho rằng có 4 nhóm cacboxl và 4 nhóm hydroxyl. Nói chung
những tài liệu thu được về vấn đề này bằng phương pháp khác nhau và đối với
những dung dịch khác nhau của axit humic là không đồng nhất. Theo những nghiên

cứu của Alêcsanđrôpva cho thấy: số lượng nhóm cacboxyl và phenol hydroxyl
trong phân tử axit humic không cố định mà phụ thuppcj vào thời kỳ mùn hóa, điều
kiện của q trình mùn hóa, thành phần của chất hữu cơ ban đầu.[6] [21]
Nhóm axit fulvic: bao gồm axit crenic, apoarenic (theo thuật ngữ của
Beczelius và Viliam).
Axit fulvic có màu nâu sáng, trong dung dịch tùy thuộc vào nồng độ mà chúng
có màu vàng rơm đến màu da cam. Axit fulvic hòa tan trong nước, axit, dung dịch
loãng của hydroxit của kim loại kiềm, cacbonat kiềm, dung dịch amoniac.
Hàm lượng nguyên tố hóa học trong axit fulvic không cố định, thay đổi trong
phạm vi sau:
C 40 – 52%

O 40 48%

H4–6%

N 2 -6 %

Các kết quả nghiên cứu cấu trúc của axit fulvic đều xác nhận sự có mặt của các
nhóm định chức cacboxyl, phenol, metoxyl và cacbonyl. Những nhóm thơm loại
vịng hay những mạch bên trong phân tử axit fulvic cũng tương tự như trong axit
humic. Hydro của nhóm cacboxyl và phenol hydroxyl đều có khả năng trao đổi
cation. Axit fulvic khác với axit humic ở chỗ chứa nhiều các nhóm định chức hơn
nhưng lại ít các nhóm thơm hơn.
Nhìn chung, cấu trúc phân tử của axit fulvic cũng có những nét tương tự như
trong axit humic. Vì vậy, có nhiều tài liệu đưa ra axit fulvic được hình thành trong
q trình mùn hóa từ axit humic vừa mới được tạo thành.

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

8

KHOA HÓA HỌC

Khi tác dụng với các chất vô cơ của đất, axit funvic tạo thành những dẫn xuất
hữu cơ, vô cơ khác nhau. Axit fulvic tác dụng với cation amoni, kim loại kiềm và
kim loại kiềm thổ trong dung dịch đất hoặc trong trạng thái hấp thụ tạo thành muối
fulvat. Fulvat amoni và kiềm hòa tan trong nước ở bất cứ pH nào của dung dịch.
Fulvat kim loại kiềm thổ hòa tan trong dung dịch axit, trung tính và kiềm yếu.
Axit fulvic có khả năng tác dụng với các hydroxyt của sắt và nhôm tạo thành
các muối phức hợp hịa tan và khơng hịa tan. Chúng được tạo thành do phản ứng
thay thế ion hydro trong các nhóm định chức của axit fulvic bằng hydroxyt sắt và
nhôm tương tự như sự thay thế ở axit humic. Do đó, tính tan của các muối phức hợp
này do hàm lượng tương đối của sắt trong chúng và mức độ pha loãng của dung
dịch quyết định. Nồng độ axit fulvic càng lớn, hàm lượng của sắt nhôm càng cao thì
phức hợp được tạo thành trong đất hịa tan càng yếu.
Axit fulvic do có tính axit mạnh, tính tan tốt nên phâ hủy mạnh mẽ khoáng
chất của đất. Khi thấm qua đất, axit fulvic tạo thành những muối funvac hòa tan của
kim loại kiềm, kiềm thổ, các muối phức hợp của sắt và nhôm.
Nhiều nhà nghiên cứu phân chia các chất mùn ngồi hai nhóm trên cịn nhóm
thứ ba là nhóm humin. Chúng cũng là các axit humic, song có cấu tạo đơn giản và
liên kết với những phần khoáng, khoáng sét của đất rất chặt chẽ. Điều này giải thích
tính bềnh vững của humin khi tác động axit hoặc kiềm lên nó. Đạm trong humin
chứa khoảng 20- 30% tổng số đạm của đất. Trong đất chỉ một phần nhỏ chất mùn ở
trạng thái tự do còn axit humic, axit funvic liên kết với nhau tạo ra những chất phức
tạp. [16] [21]
1.1.3. Than bùn Việt Nam

1.1.3.1. Trữ lượng và địa điểm phân bố
Theo tài liệu dự báo đánh giá tiềm năng than bùn Việt Nam của Tập đồn
Cơng nghiệp than - Khống sản năm 1985 thì tài ngun than bùn của Việt Nam
được ước tính là 7100 triệu mét khối, trong đó: Nam Bộ là 5000 triệu mét khối,
đồng bằng ven Miền Trung là 450 triệu mét khối và đồng bằng Bắc Bộ là 1650 triệu
mét khối.[22]

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

9

KHOA HÓA HỌC

Bảng 1.1. Trữ lượng than bùn các vùng ở nước ta năm 2006 [1] [21]
Vùng

Bắc Bộ

Bắc Trung Bộ

Nam Trung Bộ

Đông Nam Bộ

ĐB Sông Cửu Long

Tỉnh, thành

Trữ lượng
(ĐV: 10000 tấn)

- Hà Nam

7531,00

- Hà Tây

3966,75

- Vĩnh Phúc

69,36

- Quảng Trị

3000,00

- Thừa Thiên Huế

3200,00

- TP. Đà Nẵng

2518,80

- Quảng Nam

4937,10

- Quảng Ngãi

311,00

- Bình Định

620,30

- Phú n

515,00

- Khánh Hịa

850,00

- Bình Thuận

150,50

- Bà Rịa Vũng Tàu

2500,00

- TP. Hồ Chí Minh

1037,00

- Tiền Giang

2700,00

- An Giang

15505,00

- Sóc Trăng

405,00

- Kiên Giang

193662,00

- Cà Mau

163200,00

Than bùn nằm rải rác khắp mọi nơi và nằm cách mặt đất khơng sâu, vì thế
việc phát hiện than bùn tương đối đơn giản. Về chi tiết, than bùn Việt Nam đã được
điều tra tại 176 điểm khoáng và mỏ. Việc thăm dò than bùn mới được tiến hành từ
năm 1963 nhưng chưa làm được bao nhiêu so với những điểm than bùn đã biết.

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

10

KHOA HÓA HỌC

1.1.3.2. Đặc điểm chung
Do điều kiện tự nhiên, điều kiện khí hậu và đặc điểm thực vật của từng vùng,
các mỏ than bùn ở nước ta cũng có những đặc điểm khác nhau.
- Loại mỏ than bùn ngập nước theo mùa như mỏ Ba Sao (Hà Nam) hàng năm
vào vụ hanh thì khơ, vụ mưa thì ngập nước. Mùa hanh khơ các thực vật sống trên
lớp mặt phát triển, nhưng đến vụ mưa lại bị ngập nước và vữa nát, ở đó cây cỏ bị
phân giải trong một mơi trường yếm khí và tạo thành một lớp than bùn mới. Sang
vụ hanh khô sau, một phần hữu cơ ở lớp này lại phân giải theo hướng tạo mùn. Do
đó, tính chất chung của những mỏ than kiểu này là than bùn có mức phân giải cao.
- Loại mỏ than bùn ngập nước quanh năm như ở Đơng Giao (Ninh Bình) Sao
Vàng (Thanh Hố ) hoặc nằm sâu ở dưới lớp đất của vùng trũng ngập nước (Liên
Hà, Đông Anh), xác hữu cơ bị phân giải thường xun ở trong mơi trường yếm khí,
do đó mức độ phân giải thấp. Ngồi ra, ta cịn gặp các loại mỏ than bùn khác như
Bãi Bềnh, Phân Chất, Bãi Chè...
Do điều kiện hình thành khác nhau nên tính chất của các mỏ than bùn ở nước
ta cũng khác nhau. Ngay trong cùng một mỏ than bùn, tính chất của chúng cũng
thay đổi theo lớp, theo vị trí khai thác.[22]
1.1.3.3. Tính chất vật lý
Nói chung, nguồn gốc các mỏ than ở nước ta hình thành từ rừng cây thổ mộc
hoặc từ cây cỏ, rong rêu... đều có đặc điểm ngoại hình giống nhau, màu sắc của nó
Than bùn ở nước ta có độ phân giải khá cao (từ 30 - 80%). Khả năng giữ nước
là 75 - 275%, sức hút giữ đạm amôn (NH4+) từ 150-250 mlđlg/100 gam than bùn
khô (tức là vào khoảng 2,7 – 4,5%).
Bề dày các mỏ than bùn nước ta khoảng 0,5-3,6m, thường ở lớp đất mặt (0,23,5m), có khi nằm lộ thiên. Các nhà khoa học đã xác nhận rằng cứ sau 1 năm, trên
mặt bằng mọc lên một lớp than bùn có bề dày 1mm. Như vậy, các mỏ than nước ta
ít ra cũng có một thời kỳ lịch sử của sự phân giải và hình thành từ 500 - 3600 năm,

chưa kể thời gian xuất hiện lớp đất phủ trên mặt mỏ hiện nay. [2] [10]

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

11

KHOA HĨA HỌC

1.1.3.4. Đặc tính của của một số nguồn than bùn của việt Nam
Bảng 1.2. Đặc tính các mẫu than bùn ở Miền Bắc [2]
Mỏ than bùn

% hữu cơ

% N2

% P 2 O5

% K2O

Nam Định (Ý n)

47,0

0,42

0,032

1,17

Hưng n (Khối Châu)

29,7

0,98

0,043

2,01

Hà Bắc (Tiên Sơn)

65,9

0,42

0,064

0,89

Ninh Bình (Đồng Giao)

59,7

0,98

0,180

0,76

Vĩnh Phúc (Lập Trạch)

52,0

1,47

0,110

0,96

Sơn Tây (Ba Vì)

54,5

0,93

0,603

0,12

Hà Nội (Đơng Anh)

48,0

0,96

0,073

1,25

Hà Đơng (Xuân Mai)

51,5

1,54

0,105

1,48

Hà Nam (Ba Sao)

56,0

1,75

0,074

0,40

Bảng 1.3. Đặc tính các mẫu than bùn Liên Chiểu-Đà Nẵng[11]
Mẫu

%Tro

%Mùn

%N2

% P 2O5

1

9,6

52,9

0,79

0,076

2

18,8

47,2

1,62

0,100

3

20,1

59,0

0,82

0,81

4

7,9

58,6

0,80

0,100

5

24,7

17,9

1,12

0,083

6

29,8

36,6

1,03

0,115

7

25,8

50,2

2,15

0,130

8

24,3

46,1

2,30

0,110

9

40,8

31,0

0,65

0,062

10

45,9

28,0

0,87

0,100

11

37,1

37,2

0,87

0,179

12

19,9

47,1

1,39

0,074

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

12

KHOA HĨA HỌC

Bảng 1.4. Đặc tính các mẫu than bùn miền Đông Nam Bộ [22]
Mỏ than bùn

%N

% P 2O5

% K2O

Tây Ninh

0,38

0,03

0,37

Củ Chi

0,09

0,1 – 0,3

0,1 – 0,5

Mộc Hoá

0,16 – 0,91

0,16

0,31

Duyên Hải

0,64

0,11

0,42

Than bùn của ta thường chiếm từ 48 – 65,9% chất hữu cơ và nhiều chất axit
humic. Các mỏ than bùn Liên Hà, Lộc Hà, Dân Chủ (Hà Nội), Vân Tương (Hà
Bắc), Xuân Mai (Hà Tây), Văn Quán (Vĩnh Phú) có lượng chất hữu cơ và axit
humic khơng kém các mỏ than bùn ở vùng ôn đới. Những mỏ than bùn như vậy
chẳng những có thể làm phân bón rất tốt mà cịn làm ngun liệu cải tạo đất, sản
xuất kích thích tố, mà cịn có thể sử dụng nó vào mục đích cơng nghiệp khác nữa.

Riêng mùn, phạm vi biến động vào khoảng từ 14,23 - 45%, như vậy so với
cách phân loại của Liên Xơ thì than bùn ở nước ta có thể có các loại mỏ có mức độ
phân giải thấp, trung bình và cao.
Sức hút ẩm của than bùn nước ta khá lớn, thường biến thiên trong phạm vi từ
500-3000% (1kg than bùn có thể hút giữ từ 5-30kg nước và hơn nữa). Sợi thực vật
là thành phần không bị phân hủy trong xác thực vật, có sức hút nước lớn nhất nên ở
những mỏ than bùn có trình độ phân giải thấp dùng làm nguyên liệu độn chuồng là
thấp nhất [2] [21]
1.1.3.5. Sử dụng than bùn sản xuất than hoạt tính để xử lý nước sinh hoạt
Sử dụng than bùn sản xuất than hoạt tính để xử lý nước sinh hoạt mang lại
hiệu quả cao, đáp ứng được yêu cầu cấp bách cho nhiều vùng trong cả nước. Vùng
nguyên liệu than bùn ở U Minh, Đồng bằng sơng Cửu Long có chất lượng cao và dễ
khai thác, chế biến. Viện nghiên cứu địa chất và khoáng sản phối hợp nghiên cứu
với các đơn vị nghiên cứu quân đội cho kết quả khả quan. Dự án mà Viện đề suất,
được Bộ công nghiệp chấp thuận, nếu được triển khai sẽ mở ra khả năng lớn trong
việc sử dụng nước sạch cho một vùng rộng lớn trong cả nước. Vừa qua Viện nghiên
cứu địa chất và khống sản (Bộ cơng nghiệp) cùng Phân viện phịng hóa vũ khí

SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM


KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

13

KHOA HĨA HỌC

NBC và Trung tâm cơng nghệ xử lý mơi trường (Bộ quốc phịng) đã phối hợp
nghiên cứu thành lập Dự án: "Sử dụng than bùn làm than hoạt tính để xử lý nước
sinh hoạt nơng thơn thí điểm ở xã Bình tân (huyện Gị Cơng Tây, tỉnh Tiền Giang)

và mở rộng khả năng ứng dụng ở các tỉnh Trà Vinh, Khánh Hòa và Quảng Ninh".
Dự án đã được thẩm định và xét duyệt, và đã được Bộ cơng nghiệp đề nghị Chương
trình mục tiêu Quốc gia nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn (do Bộ nông
nghiệp và phát triển nông thôn chủ quản) xem xét, triển khai vào kế hoạch năm
2001 và những năm tiếp theo. Chúng ta cần lưu ý rằng, về cơng nghệ thì sử dụng
than hoạt tính để xử lý nước sinh hoạt là giải pháp đã được áp dụng rộng rãi trên thế
giới. Công nghệ này đã được áp dụng thành công ở tỉnh Sơn La. Hiện tại, trung tâm
cơng nghệ xử lý mơi trường (Bộ tư lệnh hóa học) đã có xưởng sản xuất qui mơ nhỏ
và sẵn sàng chuyển giao cho các địa phương có nhu cầu, và có khả năng thiết kế chế tạo thiết bị lọc nước đi kèm, là tiền đề để áp dụng và mở rộng qui mô nếu được
người sử dụng chấp nhận.
Về nguyên liệu thì việc sử dụng than bùn làm nguyên liệu sản xuất than hoạt
tính để xử lý nước sinh hoạt nơng thơn có khả năng mở rộng ở nhiều địa phương
trong nước. Các địa phương nơi dự án chọn làm thí điểm khơng những có nguồn
ngun liệu dồi dào, mà còn được các cấp các ngành cam kết cùng góp vốn để triển
khai. Nếu dự án được triển khai và thực hiện tốt sẽ là một đóng góp quan trọng cho
mục tiêu cung cấp nước sạch cho nông thơn và miền núi của Chính phủ. [20] [22]
1.1.4. Q trình tích tụ trao đổi các kim loại trong than bùn
Khả năng hấp phụ, trao đổi cation của các chất mùn (trong than bùn, than nâu)
được phát hiện bởi Beczelius. Nhờ đặc tính quý báu này đã giải thích được nhiều
hiện tượng khơng bình thường trong tự nhiên, cũng như làm cho than bùn ngày
càng được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và nông nghiệp.
Bắt đầu từ những hiện tượng diễn ra trong tự nhiên như bào mịn, phong hóa,
rửa trơi… Hầu hết những hiện tượng này đều kéo theo sự pha loãng, phân tán các
kim loại nặng thành nhiều dạng, nồng độ thấp làm cho việc khai thác chúng trở
thành không kinh tế. Tuy vậy cũng có trường hợp ngoại lệ và với những điều kiện
đặc biệt của môi trường, ở nhiều nơi lại xảy ra các quá trình tập trung các kim loại

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

14

KHOA HĨA HỌC

đó. Vậy ngun nhân ở đây là gì? Những nghiên cứu của các tác giả từ năm 1951 đã
đưa ra những hiểu biết sơ bộ về nguyên nhân của sự tích tụ các kim loại nặng – đặc
biệt là uran trong các hóa thạch thực vật bị chết. Điều đó cũng có nghĩa rằng có sự
đi cùng của các nguyên tố vi lượng với vật chất hóa thạch thực vật. (Những nguyên
tố gọi là vi lượng khi hàm lượng của chúng trung bình trong vỏ trái đất chỉ có vài
phần nghìn). Có rất nhiều những nghiên cứu về sự đi cùng này và bước đầu đã đưa
ra kết luận rằng, khả năng kéo theo các nguyên tố vi lượng của vật chất hóa thạch là
khác nhau, khơng phụ thuộc vào nhau, chúng có quan hệ với nhiều dạng đá, đất,
tuổi thọ địa chất và các nguyên tố vi lượng khác nhau [8].
Lúc đầu có nhiều nhà bác học đã đưa ra những giải thích đơn giản về sự làm
giàu của các nguyên tố vi lượng trong than. Như V.M. Goldschimid đặc biệt coi
trọng vai trò mao dẫn của các nguyên tố dinh dưỡng và nguyên tố bao bì trong cuộc
sống của thực vật. Ơng cho rằng thực vật lấy các cation trong nước thổ nhưỡng rồi
sau đó tích tụ trong cành lá của cây. Từ đó ơng xác định rằng các ngun tố vi
lượng và một số nguyên tố khác bằng con đường cơ học được vận chuyển vào bề
mặt trái đất mà ở đó đã có sẵn các nguyên tố vi lượng. Có thể quan sát thấy các
nguyên tố đó cuối cùng được kết tủa ln chuyển của thực vật. Ngồi ra cịn có thể
có những khả năng về những nguyên nhân của sự tích tụ đó, như sự hấp thu lên bề
mặt các hydroxit Fe, Mn…đang kết tủa hoặc sự lắng đọng ở những vùng đặc biệt
của mơi trường sinh sống. Ví dụ sự thối rửa của thực vật trong nước mưa do các vi
khuẩn yếm khí kéo theo sự kết tủa do quá trình bay hơi của H 2S…
Tuy nhiên, khi chú ý đến sự tích tụ của Uran trong vật chất hữu cơ hóa thạch –
đây là sư tích tụ khá rõ nét, thì các nhà khoa học đã đặt ra một câu hỏi khác. Uran
không liên quan trực tiếp đến sự sống và sự hủy hoại của thực vật. Uran được mang

đến và có trong thực vật là do quá trình vận lưu của nước tự nhiên. Nồng độ của
Uran trong nước tự nhiên thường là vài mg/tấn, ngoại trừ một vài trường hợp đạt
100mg/tấn. Trong khi đó những nghiên cứu về hàm lượng Uran trong các đá thực
vật, trong than bùn chứa Uran đạt tới nồng độ 50 – 200 g/tấn, nghĩa là quá trình làm
giàu của Uran ở đây rất mạnh. Giữa 2 quá trình làm giàu này khác biệt nhau tới hơn
10000 lần. Như vậy, nếu như coi trọng vai trị mao dẫn của thực vật thì quả là khó

SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM


KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

15

KHOA HĨA HỌC

khăn trong việc giải thích điều này. Phải chăng có sự liên quan về nguồn gốc chung
cho sự tích tụ các cation, chứ khơng phải chỉ đơn thuần là do nhu cầu của quá trình
sống trong thực vật?
Lúc đầu, A.Szalay giả thiết rằng có sự tích tụ xảy ra trên bề mặt của vật chất
thực vật tàn lụi, thối rửa trong nước. Và thực nghiệm đã chứng minh điều đó. Năm
1951, ơng đã làm thí nghiệm giữa dung dịch chứa UO22+ với một lượng than non,
than bùn…Và kết quả rất ngạc nhiên rằng, một mẫu than non hay than bùn “hút”
UO22+ trong dung dịch loãng một cách nhanh chóng (với nồng độ rất lỗng có thể
chỉ sau 1 phút đã khơng cịn Uran trong dung dịch nữa).
Sự kết hợp này xảy ra rất mạnh và cũng có thể giải phóng một phần Uran
bằng axitaxetic1%, hay hồn tồn bằng axit clohidric 1%.
Nhiều thí nghiệm sau đó cho thấy rằng, trong than bùn chứa rất nhiều axit
humic. Than bùn sau khi đã chiết tách axit humic thì gần như mất hẳn khả năng trao
đổi cation. Ngược lại axit humic sau khi được hoà tan ra dưới dạng muối humat

natri, kết tủa trở lại bằng dung dịch axit vẫn thể hiện tính trao đổi cation mạnh.
Như vậy axit humic chỉ có thể trao đổi - hấp thụ những nguyên tố tồn tại
dưới dạng cation. Điều đó cũng có nghĩa rằng, những nguyên tố vận chuyển ở dạng
anion không bị hấp phụ. Tuy nhiên khi quan sát một số nguyên tố trong nước tự
nhiên tồn tại dưới dạng anion như VO-3, MnO42-… người ta cũng thấy có sự đi cùng
với vật chất hữu cơ hóa thạch. Qua nghiên cứu cho thấy, 2 ngun tố này có tính
chất hóa học chung: dễ dàng bị khử từ dạng anion VO-3, MnO42- thành dạng cation
VO2+, Mo 5+… Những thí nghiệm sau đó đã cho thấy rằng khi nước tự nhiên có chứa
nhiều ion Valadat, Molipdat tiếp xúc với than bùn, thì than bùn khử chúng thành
các cation và kết hợp rất mạnh với các cation vừa được tạo thành bằng quá trình
trao đổi như trên. Quá trình này xảy ra ngay ở điều kiện thống khí. Như vậy bằng
phương thức này, ngay cả những nguyên tố lưỡng tính vận chuyển ở dạng anion
cũng có thể tích tụ trong than bùn sau khi bị than bùn khử về cation [19].
Những thí nghiệm sau đó được tiếp tục với việc đi sâu vào nghiên cứu về khả
năng trao đổi cation của axit humic trong than bùn khơng hịa tan. Q trình làm
sạch than bùn được tiến hành cẩn thận sao cho không làm giảm tính chất kết hợp

SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

16

KHOA HÓA HỌC

uran của chúng trong phạm vi lớn. Lấy 1g mẫu than bùn khô khuấy đều với dung
dịch nitrat uran rất loãng ở pH = 4 – 6 thì thấy cation uran mất đi một cách nhanh
chóng (trong khoảng 1 phút) và đạt tới trạng thái cân bằng. Tiếp tục khuấy 1g mẫu
than bùn khô trong bình 50ml với 20ml nước có nồng độ uran khác nhau, sau đó

tách than bùn ra khỏi nước bằng phễu lọc chân không và xác định thành phần của
uran trong cả nước lọc và than. Kết quả cho thấy tính qui luật trong những thí
nghiệm đó là rất phù hợp với lý thuyết của Lăngmua về sự hấp phụ. Đường đẳng
nhiệt có độ dốc rất lớn phát triển từ nồng độ uran thấp, nhưng sau đó nhanh chóng
đạt đến mức độ bão hịa. Q trình hấp phụ là thuận nghịch.[23]
Khi nghiên cứu sử dụng than bùn trong mục đích bảo vệ môi trường, các nhà
khoa học ở Minxcơ đã cho thấy: ở qui mơ cơng nghiệp, than bùn có thể được sử
dụng có hiệu quả để tái sinh nước thải khỏi các ion thuỷ ngân (Hg 2+), chì (Pb2+) và
các chất phóng xạ. Họ cũng chỉ ra rằng than bùn sau khi xử lý, không những là chất
hút tốt với nước thải mà còn là chất hấp thụ chọn lọc các sản phẩm dầu mỏ…
1.1.5. Vai trò của axit humic trong khả năng hấp phụ của than bùn
1.1.5.1. Thành phần, cấu tạo và khả năng hấp phụ của axit humic.
Về sự hình thành và thành phần, cấu tạo của các phân tử axit Humic vẫn có
hàng chục giả thiết của các trường phái khoa học khác nhau đang tiếp tục thảo luận
về vấn đề này.
Trên đại thể, có thể cho rằng quá trình hình thành các phân tử axit Humic là
q trình chuyển hóa sinh vật học trong đất xảy ra một cách liên tục. Vì vậy axit
Humic thuộc dạng các axit tự nhiên có thành phần ngun tố khơng ổn định. Tính
chất đa dạng của q trình hình thành, điều kiện thổ nhưỡng và khí hậu từng vùng
cũng như sự tác động tương hỗ giữa axit Humic với các sản phẩm hòa tan làm cho
cấu tạo và thành phần của các axit Humic ở các nơi khác nhau là rất khác nhau.
Ngồi ra, thành phần đó cịn phụ thuộc vào cả phương pháp tách.
Phân tử lượng của phân tử axit humic thay đổi nhiều (tùy thuộc vào nguồn
gốc của axit humic và phương pháp xác định), có thể thay đổi từ 400 - 100000
đ.v.C. Một số tác giả đã đưa ra công thức thực nghiệm của axit Humic như sau:

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

17

KHOA HÓA HỌC

Sver Aden A.A Smith với C60H52O24(COOH)4 , Dragunov với C60 H52 O24 (COOH)4
và C59 H41 O17(COOH)4(OH)3 CH2 CO của G.Mundero.
Cấu tạo phân tử axit humic hiện này chưa rõ ràng, song theo kết luận thu
được nhờ phương pháp hoá học, quang phổ, Rơnghen đều xác nhận rằng: đây là
những hợp chất polyme tự nhiên phức tạp bao gồm hàng loạt vịng kín và vịng
thơm như những vịng kín 5 hoặc 6 cạnh như benzen, furan, pirol, piridin và những
vòng đa tụ loại napthalen, antraxen, indol, quinolin.... chúng liên kết với nhau bằng
các cầu nối có thể là từng nguyên tố riêng biệt (-O-, -N-) hoặc từng nhóm nguyên tố
(-NH-, -CH2-, -CH=CH-) tạo nên một mạng lưới phức tạp, khơng theo một trình tự
nhất định nào. [2] [4]
Bằng những phương pháp nghiên cứu điện đồ, phân tích cấu trúc bằng tia
Rơnghen đã cho thấy axit humic khơng có cấu trúc tinh thể mà được đặc trưng bằng
cấu trúc mạng. Độ chặt của mạng được tăng lên theo mức độ của q trình mùn
hố. Theo Flaig và Bectenspakhet thì phân tử axit humic có dạng hình cầu với
đường kính tối thiểu 30 - 80 A0. Qua các thí nghiệm nghiên cứu của F. Fischer và
H.Schrader cũng như nghiên cứu của W.Fuch thì sơ đồ hóa học một đơn vị cấu trúc
của axit Humic có thể biểu diễn ở một số dạng như sau: [2] [6] [19]

Hình 1.1. Cấu trúc phân tử axit humic

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

18

KHOA HĨA HỌC

Theo Đrahunơp thì cấu tạo của phân tử axit humic: [10], [19]
H
HO

O

H

H

H
HH
H
H
COOH
OH
H

HO
HO
O
HO
H3C

OH
H

H
H H
COOH
H
H COOH
H

O
O

Hình 1.2. Cấu tạo phân tử axit humic

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM

COOH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

19

KHOA HÓA HỌC

Theo Szalay, axit humic phát sinh trong chất gỗ của thực vật và đạt khung
thơm, sau đó polyme hóa và ngưng tụ vào một phân tử rất lớn trong thời gian hóa
mùn. Do đó chúng có khả năng bền vững lớn. Khung này khơng bị các vi khuẩn phá
vỡ - ít nhất là trong mơi trường hồn tồn khơng yếm khí như nước. Một số nhóm
phân cực đơn giản được gắn với khung đó, trong số này có nhóm axit hydroxyl và
cacboxyl. Nhóm cacboxyl phân ly ở pH = 3 – 5. Độ pH này thường có trong đầm
than bùn. Axit humic tự nhiên trong đó thường có sự hấp thụ các cation kim loại

nặng
Theo nghiên cứu của nhiều nhà khoa học khác, trong phân tử của nhiều axit
humic chứa một số nhóm định chức của cacboxyl, hidroxyl. Tuy nhiên về số lượng
của hai nhóm định chức này trong phân tử axit humic thì đến nay các ý kiến không
thống nhất với nhau. Chẳng hạn đối với axit humic có trọng lượng phân tử là 1200
thì W. Fuch cho rằng có 4 nhóm cacboxyl. Nói chung những tài liệu thu được về
vấn đề này bằng phương pháp khác nhau và đối với những dung dịch khác nhau của
axit humic là không đồng nhất. Theo những nghiên cứu của Alêcsanđrơpva cho
thấy: số lượng nhóm cacboxyl và phenol hyđroxyl trong phân tử axit humic không
cố định mà phụ thuộc vào thời kỳ mùn hoá, điều kiện của q trình mùn hố, thành
phần của chất hữu cơ ban đầu. [2]
1.1.5.2. Khả năng hấp phụ của axit humic trong than bùn
Với đặc điểm chứa nhiều nhóm chức có khả năng phản ứng cao, axit humic
có khả năng hấp phụ - trao đổi với cation kim loại. Những tính chất trao đổi cation
của axit humic có thể so sánh với nhựa trao đổi ion nhân tạo dạng cacboxyl hóa đa
thơm. Những thí nghiệm chứng minh đã thực hiện về sự trao đổi cation của những
cột độn than bùn điều chế giàu axit humic. Những nghiên cứu về sự rửa giải với
nhiều loại phóng xạ của nhiều cation khác nhau chứng minh bản chất rất tương tự
đó của sự trao đổi cation nhân tạo.
Phần lớn các sản phẩm phân rã hạt nhân đều bị axit humic hấp phụ. Điều này
đã làm cho axit humic trở thành vật chất rất đáng được chú ý trong những vấn đề
còn bỏ ngỏ – cùng với sự phát triển của công nghiệp năng lượng nguyên tử, những

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

20

KHOA HÓA HỌC

nghiên cứu của chúng ta về vấn đề này là rất lạc quan, mặc dù công việc này chưa
được ứng dụng trong phạm vi rộng rãi [15].
Gần đây, hàng loạt các cơng trình nghiên cứu khả năng hấp phụ - trao đổi
cation của axit humic, cho thấy chúng có thể ứng dụng để tách sau đó sử dụng lại
các kim loại nặng, hiếm từ dung dịch nước thải, hay từ dung dịch lỗng. Nhằm mục
đích làm sạch nước thải, bảo vệ môi trường hay mục đích làm giàu các kim loại từ
dung dịch có nồng độ thấp… [1] [20]
1.2. HẤP PHỤ ION KIM LOẠI TRONG DUNG DỊCH VÀ CÁC YẾU TỐ
ẢNH HƯỞNG
1.2.1. Cơ chế hấp phụ
- Hấp phụ trong mơi trường nước là q trình hấp phụ hỗn hợp tức là trong hệ
chứa nhiều chất bị hấp phụ, hay ngay cả khi trong môi trường đó chỉ chứa duy nhất
một chất tan, do sự có mặt của nước. Khi đó, xảy ra ít nhất ba cặp tương tác là chất
hấp phụ - chất bị hấp phụ, chất hấp phụ - dung môi nước, chất bị hấp phụ - dung
mơi nước. Có thể coi đây là một sự cạnh tranh tương tác của lực các phân tử, lực
nào tương tác mạnh hơn sẽ đóng vai trị quyết định. Nước là chất phân cực mạnh.
Nếu chất hấp phụ và chất bị hấp phụ khơng phân cực thì hệ có lực tương tác cao do
chúng trái dấu nên đẩy nhau và lượng chất bị hấp phụ ít nên bị chèn ép.
- Hấp phụ trong môi trường nước tuân theo cơ chế hấp phụ cạnh tranh và chọn
lọc: cặp chất hấp phụ - bị hấp phụ có tương tác lớn, độ bền cao (năng lượng thấp)
chiếm ưu thế về thành phần so với cặp có tương tác yếu. Do ưu thế về số lượng, khi
vừa tiếp xúc với chất hấp phụ, các phân tử nước lập tức chiếm chỗ hầu như tồn bộ
diện tích bề mặt chất rắn, các chất bị hấp phụ chỉ có thể tìm được chỗ cho nó, khi
tương tác giữa nó với chất hấp phụ đủ mạnh để đẩy các phân tử nước ra khỏi vị trí
mà nó cần.
- Trong trường hợp tổng qt q trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn:
+ Di chuyển chất cần hấp phụ từ nước thải tới bề mặt chất hấp phụ (khuếch
tán ngồi).

+ Thực hiện q trình hấp phụ.
+ Di chuyển chất tan bên trong hay hấp phụ.

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

21

KHOA HĨA HỌC

Q trình hấp phụ diễn ra rất nhanh, giai đoạn quyết định tốc độ quá trình có
thể là khuếch tán ngồi hoặc khuếch tán trong. Trong vùng khuếch tán ngoài tốc độ
hấp phụ phụ thuộc vào vận tốc dòng chất lỏng. Trong khi vùng khuyếch tán trong,
cường độ chuyển khối phụ thuộc vào loại, kích thước mao quản của chất hấp phụ,
hình dạng và kích thước hạt của phân tử chất bị hấp phụ, kích thước phân tử của
chất bị hấp phụ, hệ số dẫn khối…[3]
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
1.2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Trong quá trình hấp phụ, năng lượng tự do bề mặt hệ giảm, nghĩa là
∆G < 0. Đồng thời độ hỗn độn của hệ giảm (do các tiểu phân của chất bị hấp phụ
lên trên bề mặt chất hấp phụ được sắp xếp một cách có trật tự), nghĩa là ∆S < 0. Từ
đó suy ra: ∆G = ∆H – T.∆S < 0, do đó ∆H < 0.
Vậy quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt. Điều này phù hợp với thực
nghiệm: hấp phụ vật lý hay hấp phụ hóa học đều tỏa nhiệt.
Vì sự hấp phụ tỏa nhiệt nên theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng, lượng chất
hấp phụ phải giảm khi nhiệt độ tăng. Tuy vậy, ở vùng nhiệt độ thấp, hấp phụ hóa
học thường diễn ra chậm, và khi nhiệt độ tăng thì tốc độ hấp phụ có thể tăng theo.
Tốc độ quá trình hấp phụ của các chất khác nhau trên những chất hấp phụ khác

nhau thay đổi trong khoảng khá rộng. Sự hấp phụ khí và hơi có thể xảy ra với tốc độ
nhanh có thể đo được.
Thơng thường, đối với cùng một vật chất nhưng ở khoảng nhiệt độ khác nhau
có thể quan sát được cả hai kiểu hấp phụ: ở những nhiệt độ thấp quan sát thấy sự
hấp phụ vật lý, ở nhiệt độ cao quan sát sự hấp phụ hóa học. Cả hai q trình này
thường được gắn với một quá trình trung gian, nét đặc trưng của vùng trung gian là
lượng chất bị hấp phụ tăng khi nhiệt độ tăng.
1.2.2.2. Ảnh hưởng của tính tương đồng
Những chất có bản chất giống nhau tương tác mạnh hơn so với tương tác giữa
các chất có bản chất khác nhau. Các chất có tính phân cực cao tương tác với nhau
tốt hơn so với tương tác giữa các chất phân cực và các chất không phân cực. Các
chất cùng không phân cực tương tác mạnh hơn so với các cặp chất khác. Tương tác

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

22

KHOA HÓA HỌC

giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ có tính cộng hợp, tức là lực tương tác chung
bằng tổng các lực thành phần. Hệ hấp phụ ở trong nước bị chi phối bởi tính ưa nước
và kị nước, là hệ quả của tương tác giữa chất hấp phụ, chất bị hấp phụ với nước.
1.2.2.3. Ảnh hưởng của pH
Quá trình hấp phụ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi pH của môi trường. Sự thay
đổi pH của môi trường dẫn đến sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp phụ, các
nhóm chức bề mặt, thế oxi hóa khử, dạng tồn tại của hợp chất đó (đặc biệt đối với
hợp chất có độ phân cực cao, các chất có tính lưỡng tính, chất có tính axit yếu, bazơ

yếu).
Đối với chất hấp phụ rắn: hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa
các nguyên tử trên bề mặt chất rắn với các chất tan, trên cơ sở lực hút tĩnh điện, lực
định hướng và lực tán xạ. Trong trường hợp lực tương tác đủ mạnh có thể gây ra
liên kết hóa học hoặc tạo phức trao đổi ion. Lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất
bị hấp phụ càng mạnh thì khả năng hấp phụ càng lớn, khả năng giữ các chất bị hấp
phụ trên bề mặt vật rắn càng cao.
1.2.2.4. Ảnh hưởng của diện tích bề mặt chất rắn
Diện tích bề mặt chất rắn đóng vai trị quan trọng đối với khả năng hấp phụ
của một hệ: diện tích càng lớn, khả năng hấp phụ càng cao. Diện tích bề mặt của
một chất rắn được định nghĩa là tổng toàn bộ diện tích của chất rắn đó trên một đơn
vị khối lượng chất hấp phụ (m2/g). Đối với các chất rắn có nguồn gốc khác nhau thì
diện tích bề mặt đó là khác nhau. Ví dụ: chất rắn trong mơi trường tự nhiên (đất
sét,...) có diện tích riêng thay đổi với trạng thái hóa lý của mơi trường nước. Chất
hấp phụ cơng nghiệp (chủ yếu là than hoạt tính) có thể có bề mặt riêng rất lớn
khoảng 600-1200 m2 /g, các chất hấp phụ khác như hydroxyt kim loại tạo ra trong
quá trình đơng tụ - kết bơng phát triển thành một diện tích rất lớn mà có sự phụ
thuộc chặt chẽ vào độ pH.
* Ảnh hưởng của bản chất của mối liên kết chất bị hấp phụ - chất hấp phụ,
nghĩa là từ năng lượng tự do tương tác giữa vị trí hấp phụ và phần phân tử tiếp xúc
với bề mặt. Thời gian tiếp xúc giữa chất rắn và chất hịa tan. Khi cân bằng có sự

SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

23

KHOA HÓA HỌC

trao đổi dộng lực giữa các phân tử của pha hấp phụ và các phân tử ở lại trong dung
dịch.
Người ta phân biệt hai kiểu hấp phụ: hấp phụ trong điều kiện tĩnh và hấp phụ
trong điều kiện động.
- Hấp phụ trong điều kiện tĩnh là khơng có sự chuyển động tương đối của phân
tử chất lỏng (nước) so với phân tử chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển động với
nhau. Biện pháp thực hiện là cho chất hấp phụ vào nước và khuấy trộn trong một
thời gian đủ để đạt tới trạng thái cân bằng. Tiếp theo cho lắng hoặc lọc để giữ chất
hấp phụ lại và tách nước ra.
- Hấp phụ trong điều kiện động là sự chuyển động tương đối của phân tử chất
lỏng (nước) so với phân tử chất hấp phụ. Biện pháp thực hiện là cho nước lọc qua
lớp vật liệu hấp phụ.[4] [5]
1.3. CÁC ION KIM LOẠI NẶNG VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM NGUỒN NƯỚC
1.3.1. Ô nhiễm nguồn nước
1.3.1.1. Tính chất chung của nước
Nước là chất lỏng trong suốt, khơng màu, khơng mùi, khơng vị,, phân tử
nước có góc liên kết 105 0, và độ dài liên kết O-H bằng 0,99A0, nước có khả năng
hịa tan nhiều chất điện ly, là phân tử phân cực, nước là hợp chất có khả năng tham
gia nhiều phản ứng, nó kết hợp với nhiều oxit của các ngun tố, q trình hiđrat
hóa để hòa tan các chất, đối với những hợp chất điện ly quá trình hiđrat xảy ra nhờ
tương tác tĩnh điện giữa ion với phân tử lưỡng cực nước hoặc nhờ liên kết cho nhận
giữa ion với phân tử có cặp electron tự do ở nguyên tử oxi, đối với những hợp chất
có chứa nhóm (-OH) như rượu, các axit yếu, đường,… thì q trình hiđrat hóa xảy
ra nhờ liên kết hiđro với nhóm (-OH). Nước là dung mơi tốt, có khả năng hoạt động
mạnh nên hịa tan nhiều chất gây ơ nhiễm nước.
Ơ nhiễm nước là sự thay đổi tính chất, thành phần hóa học, lý học, sinh học
của nguồn nước làm giảm giá trị sử dụng của nguồn nước.
1.3.1.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước
Nước tự nhiên là nước được hình thành cả về số lượng lẫn chất lượng dưới

ảnh hưởng của các quá trình tự nhiên, khơng có tác động nhân sinh.

SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM


KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

24

KHOA HĨA HỌC

Ơ nhiễm nước do hai ngun nhân chính là do ơ nhiễm tự nhiên và ô nhiễm
nhân tạo. Ô nhiễm tự nhiên là do quá trình phát triển và chết đi của các lồi động
thực vật có trong nguồn nước, hoặc do nước mưa rửa trôi các chất gây ô nhiễm từ
trên mặt đất chảy vào nguồn nước, cịn ơ nhiễm nhân tạo chủ yếu là do nước thải
của ngành công nghiệp, công nghiệp vào nguồn nước. Nước bị nhiễm bẩn là nước
có dấu hiệu như xuất hiện các chất nổi lên trên bề mặt nước và các cặn lắng chìm
xuống đáy nguồn, thay đổi tính chất lý học (độ trong, màu, mùi, nhiệt độ…), thành
phần hóa học (pH, hàm lượng của các chất hữu cơ và vô cơ, xuất hiện chất độc
hại,…), nước ô nhiễm thường chứa các thành phần sau:
+ Các chất thải hữu cơ có nguồn gốc động thực vật (các hợp chất tan của
nitơ, photpho, kali,…) làm cho tảo, cỏ nước phát triển quá mức.
+ Các hóa chất hữu cơ tổng hợp như các thuốc trừ sâu bệnh, tăng trưởng thực
vật, các chất tẩy rửa,…
+ Các chất vô cơ tạo ra do q trình sản xuất, khai thác mỏ, quặng, phân
bón,...
+ Các chất lắng đọng do bồi đắp dòng chảy.
+ Các chất phóng xạ từ q trình khai thác chế biến quặng, bụi phóng xạ từ
các vụ thử hạt nhân.
+ Nước thải ở nhiệt độ cao từ quá trình làm lạnh, sự ngăn dòng tạo hồ

chứa,…
Trong giới hạn của đề tài chúng tôi chỉ nghiên cứu hấp phụ ion Zn2+ trong
dung dịch nước bằng than bùn hoạt hóa bằng axit HCl. [4]
1.3.2. Tính chất của kẽm
1.3.2.1. Tính chất vật lý
Kẽm là một nguyên tố kim loại chuyển tiếp, được kí hiệu là Zn và số nguyên
tử là 30. Nó là nguyên tố đầu tiên trong nhóm 12 của bảng tuần hồn ngun tố.
Kẽm, về một phương diện nào đó, có tính chất hóa học giống với magiê, vì ion của
chúng có bán kính giống nhau và có trạng thái oxi hóathơng thường duy nhất là +2.
Kẽm là nguyên tố phổ biến thứ 24 trong lớp vỏ Trái Đất và có 5 đồng vị bền. Quặng
kẽm được khai thác nhiều nhất là sphalerit, một loại sulfua kẽm. Những mỏ khai

SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

25

KHOA HÓA HỌC

thác lớn nhất nằm ở Úc, Canada và Hoa Kì. Sản xuất kẽm bao gồm tuyển
nổi quặng, thiêu kết, và cuối cùng là chiết tách bằng dòng điện.
Kẽm là một kim loại màu trắng xanh, óng ánh và nghịch từ, mặc dù hầu hết
kẽm phẩm cấp thương mại có màu xám xỉn. Nó hơi nhẹ hơn sắt và có hệ tinh thể lục
phương.
Kẽm kim loại cứng và giòn ở hầu hết cấp nhiệt độ nhưng trở nên dễ uốn từ
100 đến 150°C. Trên 210°C, kim loại giịn trở lại và có thể được tán nhỏ bằng lực.
Kẽm có tính dẫn điện. So với các kim loại khác, kẽm có độ nóng chảy (419,5°C,
787,1F) và điểm sơi (907°C) tương đối thấp. Điểm sơi của nó là một trong số những

điểm sôi thấp nhất của các kim loại chuyển tiếp, chỉ cao hơn thủy ngân và cadmi.
Một số hợp kim với kẽm như đồng thau, là hợp kim của kẽm và đồng. Các
kim

loại

khác

được

biết

là

có

thể

tạo

hợp

kim

với

kẽm

như

nhơm, antimon, bitmut, vàng, sắt, chì, thủyngân, bạc, thiếc, magiê, coban, niken, và
natri. [15]
1.3.2.2. Hợp chất và tính chất
Khả năng phản ứng

Kẽm

có cấu

hình

electron là

[Agon|Ar]3d104s2 và

là

ngun

tố

thuộc IIB trong bảng tuần hồn. Nó là kim loại có độ hoạt động trung bình. Bề mặt
của kim loại kẽm tinh khiết xỉn nhanh, thậm chí hình thành một lớp thụ động bảo vệ
là kẽm cacbonat,Zn5 (OH)6(CO3 )2, khi phản ứng với cacbon điơxít trong khí
quyển. Lớp này giúp chống lại quá trình phản ứng tiếp theo với nước và khơng khí.
Kẽm cháy trong khơng khí cho ngọn lửa màu xanh lục tạo ra khói kẽm
ơxít. Kẽm dễ dàng phản ứng với các axít, kiềm và các phi kim khác. Kẽm cực kỳ
tinh khiết chỉ phản ứng một cách chậm chạp với các axít ở nhiệt độ phịng. Các axít
mạnh như axít clohydric hay axít sulfuric có thể hịa tan lớp vảo vệ bên ngồi và sau
đó kẽm phản ứng với nước giải phóng khí hydro.

Tính chất hóa học của kẽm đặc trưng bởi trạng thái ơxi hóa +2. Khi các hợp
chất ở trạng thái này được hình thành thì các electron lớp s bị mất đi, và ion kẽm có

SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM