Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng của bã mía sau khi biến tính bằng axit xitric và thử nghiệm xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
--------------------------------

TRẦN THỊ VÂN HẠNH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ
ION KIM LOẠI NẶNG CỦA BÃ MÍA SAU KHI BIẾN TÍNH
BẰNG AXIT XITRIC VÀ THỬ NGHIỆM
XỬ LÝ MƠI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC

Thái Nguyên, năm 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
--------------------------------

TRẦN THỊ VÂN HẠNH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ
ION KIM LOẠI NẶNG CỦA BÃ MÍA SAU KHI BIẾN TÍNH
BẰNG AXIT XITRIC VÀ THỬ NGHIỆM
XỬ LÝ MƠI TRƯỜNG
Chun ngành: Hóa phân tích

Mã số: 60.44.29

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ HỮU THIỀNG

Thái Nguyên, năm 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




LỜI CẢM ƠN
Trước hết tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc
nhất đến thầy giáo PGS.TS. Lê Hữu Thiềng – Người đã tận tình
hướng dẫn tơi trong q trình thực hiện và đi đến hồn thiện đề tài
này.
Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tập thể giáo viên khoa
Hoá học - trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã nhiệt tình và
tạo mọi điều kiện giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện đề tài này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô
giáo và các bạn bè thân hữu đã nhiệt tình giúp đỡ, chỉ dẫn cho tơi
trong q trình học tập và hồn thiện đề tài này.

Thái Nguyên, tháng 08 năm 2010
Tác giả

Trần Thị Vân Hạnh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

1

Chương 1:TỔNG QUAN

3

1.1. Giới thiệu về đối tượng xử lý: ion kim loại nặng Cu2+, Ni2+, Pb2+.

3

1.1.1.Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng.

3

1.1.2.Tác động sinh hóa của ion Cu2+, Ni2+, Pb2+ đối với con người và môi trường.

3

1.1.2.1. Chì.

4

1.1.2.2. Đồng.

4

1.1.2.3. Niken.

5

1.1.3. Các nguồn gây ơ nhiễm mơi trường nước.

5

1.2. Giới thiệu một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng.

6

1.2.1. Phương pháp kết tủa.

6

1.2.2. Phương pháp trao đổi ion.

7

1.2.3. Phương pháp hấp phụ.

7

1.2.4. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ.

7

1.2.4.1. Sự hấp phụ, cân bằng hấp phụ.

7

1.2.4.2. Các mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt.

11

1.2.5. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước.

13

1.2.5.1. Đặc tính của ion kim loại trong mơi trường nước.

13

1.2.5.2. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước.

13

1.3. Quá trình hấp phụ động trên cột.

14

1.4. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng kim loại nặng.

15

1.4.1. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử.

16

1.4.2. Cơ sở của vạch phổ hấp thụ nguyên tử.

16

1.5. Phương pháp phân tích định lượng bằng phổ hấp thụ nguyên tử.

16

1.6. Các điều kiện tối ưu để xác định hàm lượng chì bằng phép đo phổ

17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




hấp thụ nguyên tử ngọn lửa đèn khí (F - AAS).
1.7. Giới thiệu về VLHP: Bã mía.

17

1.8. Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP.

18

Chương 2: THỰC NGHIỆM.

20

2.1. Dụng cụ và hoá chất.

20

2.1.1. Dụng cụ.

20

2.1.2. Hố chất.

20

2.2. Chế tạo VLHP từ bã mía.

21

2.3. Khảo sát tính chất bề mặt của VLHP chế tạo được.

21

2.4. Xây dựng đường chuẩn xác định Cu2+, Ni2+, Pb2+ theo phương

21

pháp phổ hấp thụ nguyên tử.
2.4.1. Dựng đường chuẩn xác định nồng độ chì.

22

2.4.2. Dựng đường chuẩn xác định nồng độ đồng.

22

2.4.3. Dựng đường chuẩn xác định nồng độ niken.

23

2.5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu2+, Ni2+, Pb2+ của VLHP theo

24

phương pháp hấp phụ tĩnh.
2.5.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của VLHP.

24

2.5.2. Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP và nguyên liệu.

24

2.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của VLHP.

24

2.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Cu2+, Ni2+, Pb2+ đến khả năng

25

hấp phụ của VLHP.
2.6. Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi ion Cu2+, Ni2+, Pb2+ bằng

25

VLHP chế tạo từ bã mía theo phương pháp hấp phụ động trên cột.
2.6.1. Chuẩn bị cột hấp phụ.

25

2.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng.

25

2.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit clohiđric đến khả năng giải

26

hấp, thu hồi ion Cu2+, Ni2+, Pb2+ của VLHP.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




2.6.3.1. Dùng dung dịch rửa giải là EDTA.

26

2.6.3.2. Dùng dung dịch rửa giải là HNO3.

26

2.6.3.2. Dùng dung dịch rửa giải là HCl.

26

2.7. Khảo sát khả năng tái sử dụng VLHP.

26

2.8. Sử dụng VLHP chế tạo từ bã mía xử lý nước thải chứa ion Pb 2+.

27

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

28

3.1. Kết quả khảo sát đặc điểm bề mặt hấp phụ của VLHP.

28

3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP và nguyên liệu.

29

3.3. Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của VLHP.

30

3.4. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của VLHP.

32

3.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu Cu2+, Ni2+, Pb2+ đến

34

khả năng hấp phụ của VLHP.
3.5.1. Đối với Cu2+:

35

3.5.2. Đối với Ni2+:

36

3.5.3. Đối với Pb2+:

37

3.6. Kết quả ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Cu2+, Ni2+,

38

Pb2+ trên cột hấp phụ.
3.6.1. Khảo sát tốc độ dòng chảy đến khả năng hấp phụ của Cu2+:

38

3.6.2. Khảo sát tốc độ dòng chảy đến khả năng hấp phụ của Ni2+:

41

3.6.3. Khảo sát tốc độ dòng chảy đến khả năng hấp phụ của Pb2+.

43

3.7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit giải hấp.

44

3.7.1. Kết quả khảo sát khả năng giải hấp của các dung dịch rửa giải ở

44

các nồng độ khác nhau.
3.7.1.1. Khi sử dụng dung dịch giải hấp là EDTA.

44

3.7.1.2. Khi sử dụng dung dịch giải hấp là HNO3.

47

3.7.1.3. Khi sử dụng dung dịch giải hấp là HCl.

50

3.8. Kết quả của sự tái sử dụng vật liệu hấp phụ với vật liệu hấp phụ đã

54

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




hấp phụ ion Pb2+.
3.9. Kết quả của việc sử dụng VLHP chế tạo từ bã mía xử lý nước thải

55

chứa Pb2+.
KẾT LUẬN

57

CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ

59

TÀI LIỆU THAM KHẢO

60

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Nồng độ giới hạn của một số kim loại trong nước thải công

5

nghiệp và nước cấp sinh hoạt.
Bảng 2: Một số phương trình hấp phụ đẳng nhiệt.

11

Bảng 3: Điều kiện để xác định chì, đồng, niken.

17

Bảng 4: Số liệu xây dựng đường chuẩn chì.

22

Bảng 5: Số liệu xây dựng đường chuẩn đồng.

22

Bảng 6: Số liệu xây dựng đường chuẩn niken.

23

Bảng 7: Các thông số hấp phụ của nguyên liệu và VLHP đối với

29

Cu2+, Ni2+, Pb2+.
Bảng 8: Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời

30

gian xử lý.
Bảng 9: Ảnh hưởng của pH đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ của VLHP.

32

Bảng 10: Ảnh hưởng của nồng độ đầu Cu2+, Ni2+, Pb2+ đến dung

34

lượng và hiệu suất hấp phụ của VLHP.
Bảng 11: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir của Cu2+,

38

Ni2+, Pb2+.
Bảng 12: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ của

39

VLHP đối với Cu2+.
Bảng 13: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ của

41

VLHP đối với Ni2+.
Bảng 14: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ của VLHP

43

đối với Pb2+.
Bảng 15: Kết quả giải hấp Cu2+ bằng EDTA với nồng độ khác nhau.

45

Bảng 16: Kết quả giải hấp Ni2+ bằng EDTA với nồng độ khác nhau.

46

Bảng 17: Kết quả giải hấp Cu2+ bằng axit HNO3 với nồng độ khác nhau.

47

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Bảng 18: Kết quả giải hấp Ni2+ bằng axit HNO3 với nồng độ khác

48

nhau.
Bảng 19: Kết quả giải hấp Cu2+ bằng axit HCl với nồng độ khác nhau.

50

Bảng 20: Kết quả giải hấp Ni2+ bằng axit HCl với nồng độ khác nhau.

51

Bảng 21: Kết quả giải hấp Pb2+ bằng axit HCl với nồng độ khác nhau.

52

Bảng 22: So sánh khả năng hấp phụ của VLHP mới và VLHP tái sinh.

54

Bảng 23: Kết quả tách loại Pb2+ khỏi nước thải.

55

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1: Mơ hình cột hấp phụ

14

Hình 2 : Dạng đường cong thốt phân bố nồng độ chất bị hấp phụ tại

15

điểm cuối của cột theo thời gian.
Hình 3: Đường chuẩn xác định hàm lượng chì.

22

Hình 4: Đường chuẩn xác định nồng độ đồng.

23

Hình 5: Đường chuẩn xác định nồng độ niken.

23

Hình 6: Phổ IR của nguyên liệu

28

Hình 7: Phổ IR của VLHP

28

Hình 8: Ảnh SEM của nguyên liệu

29

Hình 9: Ảnh SEM của VLHP

29

Hình 10: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian xử lý.

31

Hình 11: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ VLHP vào pH của dung

33

dịch Cu2+, Ni2+, Pb2+.
Hình 12 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với sự hấp phụ của Cu2+.

35

Hình 13: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với sự hấp phụ Cu2+.

36

Hình 14: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với sự hấp phụ của Ni2+.

36

Hình 15: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với sự hấp phụ Ni2+.

37

Hình 16: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với sự hấp phụ của Pb2+.

37

Hình 17: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với sự hấp phụ Pb2+.

38

Hình 18: Nồng độ Cu2+ sau khi ra khỏi cột ứng với tốc độ dòng và đơn

40

vị thể tích khác nhau.
Hình 19: Nồng độ Ni2+ sau khi ra khỏi cột ứng với tốc độ dòng và đơn

42

vị thể tích khác nhau.
Hình 20: Nồng độ Pb2+ sau khi ra khỏi cột ứng với tốc độ dòng và đơn

43

vị thể tích khác nhau.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Hình 21: Ảnh hưởng của nồng độ EDTA đến sự giải hấp Cu2+.

45

Hình 22: Ảnh hưởng của nồng độ EDTA đến sự giải hấp Ni2+.

46

Hình 23: Ảnh hưởng của nồng độ axit HNO3 đến sự giải hấp Cu2+.

48

Hình 24: Ảnh hưởng của nồng độ axit HNO3 đến sự giải hấp Ni2+.

49

Hình 25: Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến sự giải hấp Cu2+.

51

Hình 26: Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến sự giải hấp Ni2+.

52

Hình 27: Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến sự giải hấp Pb2+

53

Hình 28: Đường cong thoát của Pb2+ với VLHP mới, VLHP tái sinh lần1, 2.

54

Hình 29: Đường cong thốt Pb2+ ra khỏi nước thải.

56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




MỞ ĐẦU
Nước ta đang trên đà phát triển các khu cơng nghiệp, khu chế xuất, q
trình phát triển này đã giúp nền kinh tế tăng trưởng đáng kể, thúc đẩy sản xuất
công nghiệp, kêu gọi được sự đầu tư của nước ngồi, góp phần hình thành các
khu đơ thị sầm uất nhưng cũng chính q trình phát triển này lại có tác động
tiêu cực đến mơi trường sinh thái. Vấn đề ô nhiễm môi trường hiện đang là
vấn đề không chỉ riêng của một quốc gia nào mà nó là vấn đề chung của tồn
nhân loại.
Các mơi trường nói chung và mơi trường nước nói riêng đang bị ơ
nhiễm nghiêm trọng. Môi trường nước ở Việt Nam đang xuống cấp cục bộ.
Tình trạng báo động ở nước ta hiện nay là nước thải ở hầu hết các cơ sở sản
xuất chỉ được xử lý sơ bộ, thậm chí chưa được xử lý đã thải ra mơi trường.
Trong nước thải đó chứa rất nhiều các chất độc hại như: chất hữu cơ và các
ion kim loại nặng như: Cu, Ni, Pb, Cd, Fe, Zn… Hậu quả là môi trường nước
kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều nơi đang bị ơ nhiễm kim loại nặng
nghiêm trọng. Vì vậy ngồi việc nâng cao ý thức người dân, xiết chặt việc
quản lý mơi trường thì việc tìm ra các biện pháp xử lý nhằm loại bỏ các thành
phần độc hại ra khỏi mơi trường có ý nghĩa đặc biệt quan trọng.
Có rất nhiều các phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và áp
dụng để loại bỏ ion kim loại nặng ra khỏi nguồn nước. Tận dụng các phụ
phẩm công nghiệp, nông nghiệp để hấp phụ các ion kim loại nặng đang được

rất nhiều người quan tâm. Hướng nghiên cứu này có nhiều ưu điểm là sử dụng
nguyên liệu hấp phụ rẻ tiền, dễ kiếm, đặc biệt là không làm nguồn nước ô
nhiễm thêm.
Một trong số phụ phẩm công nghiệp đó là bã mía. Trong những năm
gần đây ngành mía đường phát triển cùng với đó là lượng bã mía được tạo ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1




cũng tương đối nhiều. Phần khơ của bã mía có chứa các thành phần chính là
xenlulozơ, hemixenlulozơ, pentozơ. Các nhóm hidroxyl, cacbonyl có thể phản
ứng hố học để tạo ra những vật liệu hấp phụ. Hiểu được tầm quan trọng của
nguồn nước sạch và môi trường sống, nước ta đã có những khuyến khích
trong việc nghiên cứu và tìm biện pháp xử lý nguồn nước thải.
Vì những lý do trên mà chúng tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu khả năng
hấp phụ một số ion kim loại nặng của bã mía sau khi biến tính bằng axit
xitric và thử nghiệm xử lý môi trường.”
Thực hiện đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau:
- Chế tạo được VLHP từ bã mía.
- Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của bã mía bằng phổ IR và ảnh
chụp SEM.
- Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
hấp phụ của VLHP chế tạo từ bã mía theo phương pháp hấp phụ tĩnh. Cụ thể
là các yếu tố: pH tối ưu, thời gian đạt cân bằng hấp phụ, nồng độ đầu.
- Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi ion Cu2+, Ni2+, Pb2+ bằng
VLHP chế tạo được theo phương pháp hấp phụ động trên cột.

- Khảo sát khả năng tái sử dụng VLHP.
- Sử dụng VLHP chế tạo được xử lý mẫu nước thải chứa ion Pb2+.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2




Chương 1
TỔNG QUAN

1.1.

Giới thiệu về các ion kim loại nặng Cu2+, Ni2+, Pb2+.

1.1.1. Tình trạng ơ nhiễm kim loại nặng.
Hiện nay nước ta đang phát triển kinh tế theo hướng cơng nghiệp hốhiện đại hố. Các khu cơng nghiệp, khu chế xuất ngày càng phát triển và mở
rộng hơn. Những vấn đề của hệ sinh thái đang gia tăng với sự tiến bộ của
cơng nghiệp. Ơ nhiễm kim loại nặng là một trong những vấn đề cấp thiết.
Kim loại nặng độc hại phát tán vào trong môi trường ngày càng tăng. Nguồn
nước thải của các cơ sở sản xuất, nước thải sinh hoạt của người dân chưa
được xử lý hoặc xử lý không triệt để vẫn đang hàng ngày thải ra môi trường
nước. Các khu công nghiệp luyện gang thép, kim loại màu, kim loại mạ, khai
thác mỏ hoạt động… cũng ít nhiều gây ảnh hưởng đến mơi trường. Bên cạnh
đó hàng trăm làng nghề thủ cơng như: đúc đồng, nhơm, chì… cũng chưa có
các biện pháp xử lý nước thải có hiệu quả trước khi thải ra ngồi mơi trường
nước. Theo số liệu phân tích cho thấy, hàm lượng các ion kim loại nặng trong
môi trường nước gần các khu công nghiệp đều xấp xỉ hoặc vượt quá giới hạn

cho phép. Không giống như các chất ô nhiễm hữu cơ, các ion kim loại nặng
không phân huỷ thành sản phẩm cuối cùng vô hại.[1, 3 ,4]
1.1.2. Tác động sinh hóa của ion Cu2+, Ni2+, Pb2+ đối với con người.
Hầu hết các kim loại nặng ở nồng độ vi lượng là các nguyên tố dinh
dưỡng cần thiết cho sự phát triển của sinh vật. Tuy nhiên, khi hàm lượng của
chúng vượt quá giới hạn cho phép chúng lại thường có độc tính cao, gây ra
những tác động hết sức nguy hại đến sức khoẻ con người và sinh vật.
Nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường
nước là nước thải các ion kim loại nặng của các khu cơng nghiệp, khu chế

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3




xuất thải ra ngồi mơi trường. Một số hợp chất kim loại nặng khi thải ra mơi
trường bị tích tụ và đọng lại trong đất, song có một số hợp chất có thể hịa tan
dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Điều này tạo điều kiện dể các kim
loại nặng có thể phát tán rộng vào nguồn nước ngầm, nước mặt và gây ô
nhiễm. Các kim loại nặng thường xâm nhập vào cơ thể theo chu trình thức ăn.
Ngồi ra cịn thơng qua con đường hơ hấp, tiếp xúc gây ảnh hưởng đến sức
khỏe của con người và sinh vật. Về mặt sinh hóa, các ion kim loại có ái lực
lớn với nhóm -SH, -SCH3 của các nhóm enzim trong cơ thể. Vì thế các enzim
bị mất hoạt tính, cản trở q trình tổng hợp protein trong cơ thể [4]. Q trình
đó được thể hiện ở phương trình sau:
SH
[Enzim]

+M

2+

S
[Enzim]

M + 2H+

S

SH
1.1.2.1. Chì.

Chì là một ngun tố có nhiều ứng dụng trong thực tế, đặc biệt là đối
với các ngành công nghiệp như: sản xuất pin, ắc quy, tấm thép bảo vệ phóng
xạ, chất tạo màu trong đồ gốm, sản xuất sơn… Tuy nhiên, cũng như các kim
loại nặng khác, chì và các hợp chất của nó đều độc đối với con người. Khi
hàm lượng chì vượt quá tiêu chuẩn cho phép có thể sẽ gây ảnh hưởng đến sức
khỏe con người và sinh vật, làm cho cơ thể bị ngộ độc. Nó tác động đến tủy
xương và các q trình hình thành các huyết cầu tố, nó thay thế canxi trong
xương, làm thay đổi hình dạng tế bào xuất hiện các bệnh về thần kinh có thể
dẫn đến tử vong…[3, 7, 11]
1.1.2.2. Đồng.
Đồng được phân bố rộng rãi trong thiên nhiên và là nguyên tố quan
trọng, cần thiết cho cơ thể con người. Nó có mặt ở cơ thể sống. Nếu thiếu
đồng sẽ gây thiếu máu, nhược sắc… Nhu cầu hàng ngày của người lớn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4




khoảng 0,033 – 0,050mg/kg thể trọng. Tuy nhiên nếu hàm lượng đồng
trong cơ thể lớn thì cơ thể sẽ bị nhiễm độc và có thể gây một số bệnh về
thần kinh, gan, thận; lượng lớn đồng hấp thụ qua đường tiêu hóa có thể gây
tử vong.[4, 7, 14]
Đồng chủ yếu được dùng trong cơng nghiệp điện. Ngồi ra cịn dùng
trong các ngành thuộc da, thuốc nhuộm, y học…
1.1.2.3. Niken.
Niken là nguyên tố vi lượng đối với gia súc, vi sinh vật, thực vật. Niken
có trong huyết tương người.
Niken được sử dụng nhiều trong các ngành cơng nghiệp hóa chất, luyện
kim, điện tử… Vì vậy, nó thường có mặt trong nước thải. Niken vào cơ thể
người chủ yếu qua đường hô hấp, nó gây ra các triệu trứng khó chịu, buồn
nơn, đau đầu; nếu tiếp xúc nhiều sẽ ảnh hưởng đến phổi, hệ thần kinh trung
ương, gan thận; còn nếu da tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây hiện tượng viêm
da, xuất hiện dị ứng…
Niken có ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp luyện kim, cịn để mạ
điện, sản xuất thủy tinh, gốm sứ…[3, 10]
Bảng 1. Nồng độ giới hạn của một số kim loại trong nước thải công nghiệp
và nước cấp sinh hoạt.[11]
STT

Tên chỉ tiêu

1

Giá trị giới hạn (mg/l)
Nước thải cơng nghiệp

Nước cấp sinh hoạt

Hàm lượng chì

0,10

0.01

2

Hàm lượng đồng

2,00

1,00

3

Hàm lượng niken

0,20

0,10

1.1.3. Các nguồn gây ô nhiễm môi trường nước.
Thực tế có rất nhiều nguồn gây ơ nhiễm mơi trường nước. Nước bị ô
nhiễm kim loại nặng chủ yếu là do việc khai thác mỏ. Do nhu cầu sử dụng của

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5




con người ngày càng tăng làm cho việc khai thác kim loại cũng tăng lên. Tuy
nhiên, việc xử lý nguồn nước thải từ việc khai thác mỏ chưa được quan tâm
đúng mức càng làm cho kim loại nặng phát tán vào mơi trường.
Ngồi ra, việc gây ơ nhiễm mơi trường bởi các ion kim loại nặng còn ở
việc sản xuất quặng và sử dụng thành phẩm. Quá trình sản xuất này cũng làm
tăng cường sự có mặt của chúng trong mơi trường.
Bên cạnh đó việc tái sử dụng lại các phế thải chứa ion kim loại nặng
chưa được chú ý và quan tâm đúng mức.
Đối với ion Pb2+: sản lượng khai thác mỏ hàng năm khoảng 2 triệu tấn.
Chì được sử dụng để sản xuất mực in, xăng, pin, sơn, thuốc nhuộm… Hàng
năm trên thế giới sử dụng 3 triệu tấn chì, trong đó 40% được sử dụng cho sản
xuất ắc quy, 20% sử dụng cho xăng dưới dạng chì ankyl ( gần đây chì dùng
trong lĩnh vực này đã giảm do cơng nghệ sản xuất xăng khơng chì), 12% dùng
cho cơng trình xây dựng, 6% dùng cho việc sản xuất các đường dây cáp điện,
5% sử dụng cho quân sự, 17% sử dụng cho các mục đích khác. [3, 7, 10, 12]
Đó là các nguồn chủ yếu gây ơ nhiễm kim loại nặng nói chung và
chì nói riêng trong môi trường nước. [4]
1.2. Giới thiệu một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim
loại nặng.
Hiện nay môi trường nước gần các khu công nghiệp, các thành phố lớn có
nguy cơ bị ơ nhiễm kim loại nặng khá lớn, nó đe dọa đến sức khỏe của con
người và môi trường sống. Để đáp ứng nhu cầu về nước sinh hoạt và việc xử lý

mơi trường địi hỏi phải có những biện pháp xử lý phù hợp đạt hiệu quả cao.
1.2.1. Phương pháp kết tủa.
Phương pháp này thường dùng để thu hồi kim loại từ dung dịch dưới
dạng hiđroxit kim loại rất ít tan.
Mn+

+

n OH-

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6



M(OH)n




Ngồi ra cịn có thể sử dụng các chất tạo kết tủa như xút, vôi, cacbonat,
sunfua... Tuy nhiên phương pháp này chỉ là q trình xử lý sơ bộ, địi hỏi
những quá trình xử lý tiếp theo.
1.2.2. Phương pháp trao đổi ion.
Trao đổi ion là một trong những phương pháp thường được dùng để
tách kim loại nặng từ nước thải. Nhựa trao đổi ion có thể tổng hợp từ hợp chất
vơ cơ hay hợp chất hữu cơ có gắn các nhóm như : (-SO3H), ( -COO-), amin.
Các cation và anion được hấp phụ trên bề mặt nhựa trao đổi ion:
nRH

+

Mn+

RnM

RCl

+

A-

RA

+
+

nH+
Cl-

Khi nhựa trao đổi ion đã bão hịa, người ta khơi phục lại cationit và
anionit bằng dung dịch axit loãng hoặc dung dịch bazơ lỗng. Về mặt kĩ thuật
thì hầu hết kim loại nặng đều có thể tách ra bằng phương pháp trao đổi ion,
nhưng phương pháp này thường tốn kém.
1.2.3. Phương pháp hấp phụ.
So với các phương pháp xử lí nước thải khác, phương pháp hấp phụ có các
đặc tính ưu việt hơn hẳn. Vật liệu hấp phụ được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự
nhiên và các phế thải nơng nghiệp sẵn có, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, cơng
nghệ xử lý khơng địi hỏi thiết bị phức tạp, chi phí thấp, đặc biệt, các vật liệu hấp

phụ này có độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành thấp, hiệu quả
cao. Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ. [5, 8]
1.2.4. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ.
1.2.4.1. Sự hấp phụ, cân bằng hấp phụ.
Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn - lỏng,
khí - lỏng, lỏng - rắn, lỏng - lỏng...). Trong đó:
Chất hấp phụ: là chất có các phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các
phần tử pha khác nằm tiếp xúc với nó.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7




Chất bị hấp phụ: là chất tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ, chất này bị
hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ.
Giải hấp phụ: là quá trình đi ra khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần
tử bị hấp phụ.
Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị
hấp phụ. Tuỳ theo bản chất của lực tương tác mà người ta chia làm hai loại hấp
phụ: hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học.
Hấp phụ vật lí: gây ra bởi lực tương tác Vanderwaals giữa phần tử chất
bị hấp phụ và chất hấp phụ. Lực liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Q trình hấp
phụ vật lí là một q trình thuận nghịch.
Hấp phụ hóa học: gây ra bởi các lực liên kết hóa học giữa phần tử chất
bị hấp phụ với phần tử chất hấp phụ. Lực liên kết này bền, khó bị phá vỡ.
Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học chỉ là
tương đối. Trong một số hệ hấp phụ, sự hấp phụ xảy ra đồng thời cả hai quá

trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.[1, 2, 5, 8]
Cân bằng hấp phụ:
Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp
phụ trên bề mặt hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược trở lại pha thể tích. Khi
lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di
chuyển ngược trở lại pha thể tích càng nhanh. Đến một thời điểm nào đó tốc
độ của q trình hấp phụ bằng tốc độ của quá trình giải hấp phụ thì quá trình
hấp phụ đạt trạng thái cân bằng.
Đối với một hệ xác định, dung lượng hấp phụ là một hàm của nhiệt độ
và áp suất hoặc nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích. [1, 5, 8]
q = q(T, p) hoặc q = q(T, C)
Ở một nhiệt độ xác định, dung lượng hấp phụ phụ thuộc vào áp suất ( nồng độ):
q = q(p) hoặc q = q(C)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8




Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một
đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng dưới các điều kiện nồng
độ và nhiệt độ cho trước.[1, 5, 8]
Dung lượng hấp phụ được tính theo cơng thức:

q

(C 0  C cb )v
m

Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ (mg/g)
V: thể tích dung dịch ( l )
m: khối lượng chất hấp phụ ( g )
Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)
Trong quá trình hấp phụ, các phần tử bị hấp phụ khơng bị hấp phụ đồng
thời, bởi vì các phần tử chất bị hấp phụ phải khuếch tán từ dung dịch đến bề
mặt ngồi chất hấp phụ và sau đó khuếch tán vào sâu bên trong hạt của chất
hấp phụ.
Đối với hệ lỏng - rắn, quá trình hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn chính sau:
Giai đoạn khuếch tán trong dung dịch: Các phần tử chất bị hấp phụ
chuyển từ pha thể tích đến bề mặt ngồi của chất hấp phụ.
Giai đoạn khuếch tán màng: phần tử chất hấp phụ chuyển động đến
bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các hệ mao quản.
Giai đoạn khuếch tán trong mao quản: các phần tử chất bị hấp phụ
khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ.
Giai đoạn hấp phụ thực sự: các phần tử chất bị hấp phụ được gắn
chặt vào bề mặt chất hấp phụ.
Quá trình hấp phụ có thể được coi là một phản ứng nối tiếp, trong đó
mỗi phản ứng nhỏ là một giai đoạn của q trình. Khi đó, giai đoạn có tốc độ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9

chậm nhất đóng vai trị quyết định đến tốc độ của cả quá trình. Trong các quá
trình động học hấp phụ, người ta thừa nhận: 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 lượng 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.
Tốc độ hấp phụ (v) là biến thiên nồng độ chất bị hấp phụ theo thời gian:
v

dx
  (C 0  C f )  k(q m  q)
dt

Trong đó:
β: hệ số chuyển khối.
C0: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích tại thời điểm ban đầu (mg/l).
Cf: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích tại thời điểm t (mg/l).
k : hằng số tốc độ hấp phụ.
q : dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g).
qm: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g).
Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ
dung dich ban đầu.
Trong quá trình hấp phụ tĩnh thì hiệu suất hấp phụ được tính theo
cơng thức:
H(%) = [(C0 - Ct)/C0] .100%.
Trong đó:
H: hiệu suất hấp phụ.
C0: nồng độ đầu của ion kim loại (mg/l).
C t : nồng độ ion kim loại sau khi ra khỏi cột hấp phụ tại thời điểm
t (mg/l).

n: số đơn vị thể tích cơ sở.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10




1.2.4.2. Các mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt.
Khi nhiệt độ không đổi, đường biểu diễn q = fT ( P hoặc C ) được gọi là
đường hấp phụ đẳng nhiệt.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ là đường mô tả sự phụ thuộc của dung lượng
hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời
điểm đó ở một nhiệt độ khơng đổi. Một số phương trình hấp phụ đẳng nhiệt được
chỉ ra ở bảng 2.
Bảng 2: Một số phương trình hấp phụ đẳng nhiệt.[5, 8]
Tên phương trình

Phương trình

Bản chất sự
Hấp phụ

Henry

V= k.p

Vật lý và hoá học

Freundlich

V= k’.p1/n (n > 1)

Vật lý và hoá học

Shlygin - Frumkin - Temkin

V
1
   ln C 0 .p
Vm
a

Vật lý và hoá học

Bunauer- Emmett- Teller
(BET )
Langmuir

p
V(p 0  p)



1
(C  1)p

VmC Vm .C.p 0

V
q
b.p
 

Vm
q m 1  b.p

Vật lý, nhiều lớp
Vật lý và hố học

Trong đó:
V : thể tích chất bị hấp phụ đặc trưng cho đại lượng hấp phụ.
Vm: thể tích hấp phụ cực đại.
p: áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí.
p0: áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở trang thái lỏng tinh khiết.
q: Dung lượng hấp phụ.
qm: Dung lượng hấp phụ cực đại.
a, b, k, k', l,C, C0: là các hằng số.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11




Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của VLHP đối
với một số ion kim loại nặng trong mơi trường nước theo mơ hình đẳng nhiệt
hấp phụ Langmuir.

Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir:
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir là phương trình mơ tả cân
bằng hấp phụ đầu tiên được thiết lập bằng lí thuyết. Phương trình Langmuir
được thiết lập trên cơ sở các giả thuyết sau. [5, 8]
▪ Mỗi tiểu phân chất bị hấp phụ liên kết với bề mặt của chất hấp phụ 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 trung tâm là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu
phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.
▪ Các phân tử được hấp phụ đơn lớp trên bề mặt chất hấp phụ.
Phương trình đẳng nhiệt Langmuir được xây dựng cho hệ hấp phụ
khí - rắn. Tuy nhiên, phương trình trên cũng có thể áp dụng cho hệ hấp phụ
rắn - lỏng ( môi trường nước). Khi đó phương trình Langmuir có dạng:


Trong đó:

b.Ccb
q

qm 1  b.Ccb

θ: độ che phủ
Ccb : nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt cân bằng hấp phụ
b: hằng số hấp phụ Langmuir

Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:
Trong vùng nồng độ nhỏ b.Ccb << 1 thì q = qm.b.Ccb mơ tả vùng hấp phụ tuyến tính.
Trong vùng nồng độ lớn b.Ccb >> 1 thì q = qm mơ tả vùng hấp phụ bão hịa.

Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm ở giữa hai giới hạn trên thì đường đẳng
nhiệt biểu diễn là một đoạn cong.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12




Để xác định các hằng số trong phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, có thể
sử dụng phương pháp đồ thị bằng cách đưa phương trình về dạng đường thẳng:

C cb
1
1

.C cb 
q
qm
q m .b
Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb sẽ xác định được các
hằng số: b, qm trong phương trình.
1.2.5. Đặc điểm chung của hấp phụ trong mơi trường nước.
1.2.5.1. Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước.
Để tồn tại được ở trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trường
nước bị hiđrat hoá tạo ra lớp vỏ là các phân tử nước, tạo ra các phức chất
hiđroxo, các cặp ion hay phức chất khác. Tuỳ thuộc vào bản chất hoá học của
ion, pH của môi trường, các thành phần khác cùng có mặt mà hình thành các
dạng tồn tại khác nhau. [1, 2]

1.2.5.2. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước.
Hấp phụ trong môi trường nước thường diễn ra khá phức tạp. Vì trong hệ
có ít nhất ba thành phần gây tương tác là nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ.
Do sự có mặt của dung mơi nên trong hệ sẽ xảy ra q trình hấp phụ cạnh tranh và
có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và dung môi. Thông thường, nồng độ chất tan trong dung
dịch là nhỏ nên khi tiếp xúc với chất hấp phụ, các phần tử nước lập tức chiếm chỗ trên toàn
bộ bề mặt chất hấp phụ. Các chất bị hấp phụ chỉ có thể đẩy phân tử nước để chiếm chỗ trên
bề mặt chất hấp phụ. Điều này xảy ra khi tương tác giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ
mạnh hơn tương tác giữa chất hấp phụ và nước.
Khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ cịn phụ thuộc
vào tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng. Chất hấp phụ và chất bị hấp phụ
đều phân cực hoặc không phân cực thì sự hấp phụ xảy ra tốt hơn.
Hấp phụ trong mơi trường nước cịn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của môi
trường. Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ. Các chất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13




có tính axit yếu, bazơ yếu hoặc lưỡng tính sẽ bị phân ly, tích điện âm, dương hoặc
trung hồ. Ngồi ra sự biến đổi pH cũng ảnh hưởng đến các nhóm chức bề mặt
của chất hấp phụ do sự phân ly các nhóm chức.
Tóm lại hấp phụ trong mơi trường nước có cơ chế phức tạp do yếu tố hấp phụ hỗn
hợp, sự biến đổi bản chất hoá học của chất bị hấp phụ, chất hấp phụ vào môi trường. [1, 2]
1.3. Quá trình hấp phụ động trên cột.
Quá trình hấp phụ động trên cột thường được diễn tả như sau:
Lối vào

1

1.Vùng hấp phụ bão hoà

2

2.Vùng chuyển khối

3

3.Vùng chưa xảy ra sự hấp phụ
Lối ra

Hình 1: Mơ hình cột hấp phụ
Cho một dịng khí hay dung dịch chứa chất bị hấp phụ qua cột hấơ phụ.
Sau một thời gian thì cột hấp phụ chia thành ba vùng:
Vùng 1: ( Đầu vào nguồn xử lý): Chất hấp phụ đã bão hoà và đạt trạng
thái cân bằng. Nồng độ chất bị hấp phụ ở đây bằng nồng độ của nó ở lối vào.
Vùng 2: (Vùng chuyển khối, vùng hấp phụ): Nồng độ chất bị hấp phụ
thay đổi từ giá trị nồng độ ban đầu tới không.
Vùng 3: (Vùng lối ra của cột hấp phụ ): Vùng mà quá trình hấp phụ
chưa xảy ra, nồng độ chất bị hấp phụ bằng không.
Khi thời gian thực hiện quá trình hấp phụ tăng lên thì vùng hấp phụ dịch chuyển
theo chiều dài của cột hấp phụ. Chất bị hấp phụ sẽ xuất hiện ở lối ra khi vùng chuyển khối
chạm tới đáy cột. Đây là thời điểm cần dừng quá trình hấp phụ để nồng độ chất bị hấp phụ
không vượt quá giới hạn cho phép. Tiếp theo cột hấp phụ được giải hấp để tiếp tục thực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14