Nghiên cứu khả năng tách loại sắt, mangan trong nước theo phương pháp hấp thụ trên than hoạt tính

LỜI CẢM ƠN!

Với lòng biết ơn sâu sắc. em xin chân thành cảm ơn thầy giáo T.S
Nguyễn Xuân Dũng đã giao đề tài và tận tình giúp đỡ em trong q trình
thí nghiệm và hồn thành khóa luận này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo hƣớng dẫn
phịng thí nghiệm thuộc khoa Hóa – Trƣờng Đại Học Vinh đã tạo mọi
điều kiện cho em trong quá trình hồn thành khóa luận.
Cuối cùng em chân thành cảm ơn bạn bè thân thiết đã luôn ủng hộ
và sẵn sàng giúp đỡ em mọi lúc.
Vinh, tháng 05 năm 2010.
Sinh viên
Nguyễn Thị Phƣơng Dung

1


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2

PHẦN1:PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ 2
NƢỚC THẢI
I.

Khái niệm hấp phụ

2

II. Cơ sở của phƣơng pháp hấp phụ trong xử lý nƣớc thải

2

III. Các loại vật liệu hấp phụ

2

1. Khoáng sét bentonit

2

2. Điatonit

3

3. Đioxitmangan (MnO2)

3

4. Khống vật chứa sắt

3

5. Than hoạt tính

3

6. Các vật liệu khác

4

IV. Một số lý thuyết về hấp phụ trong pha lỏng – rắn

4

1. Lực hấp phụ

4

2. Các kiểu tiến hành hấp phụ

5

V. Sự hấp phụ trên ranh giới phân chia rắn – lỏng

7

1. Sự hấp phụ phân tử từ dung dịch

7

2. Sự hấp phụ các chất điện ly

7

3. Sự hấp phụ trao đổi

8

VI. Phƣơng trình lí thuyết hoặc thực nghiệm để mô tả sự hấp

9

phụ đẳng nhiệt
2


VII. Hệ thống thiết bị hấp phụ

PHẦN 2: THAN HOẠT TÍNH

11
13

I. Giới thiệu về than hoạt tính

13

II. Cấu tạo của than hoạt tính

16

1. Cấu tạo

16

2. Cấu trúc mạng lưới tinh thể

18

3.Cấu trúc xốp

19

4. Cấu trúc bề mặt

21

5. Tính chất chung của than hoạt tính

22

PHẦN 3: ĐẠI CƢƠNG VỀ SẮT VÀ MANGAN
I. Đại cƣơng về sắt (Fe)

23
23

1. Đặc điểm nguyên tố

23

2. Tính chất vật lý

23

3. Trạng thái tự nhiên

23

4. Ứng dụng

23

II. Đại cƣơng về mangan (Mn):

24

1. Đặc điểm nguyên tố

24

2. Tính chất vật lý

24

3. Trạng thái tự nhiên

25

4. Ứng dụng

25

III. Độc tính của sắt và mangan

25

1. Độc tính của sắt

26

2. Độc tính của mangan

27

IV. Ý nghĩa mơi trƣờng của sắt và mangan

27
3


V. Các phƣơng pháp xử lý tách loại sắt và mangan từ mơi

28

trƣờng nƣớc
1. Phương pháp hóa lý

28

2. Phương pháp sinh học

32

3. Xử lý kim loại nặng bằng phương pháp hoá học

32

VI. Các phƣơng pháp xác định Fe, Mn

35

1. Xác định hàm lượng sắt trong nước

35

2. Xác định hàm lượng mangan trong nước

36

VII. Các phƣơng pháp định lƣợng trong phân tích trắc quang

38

1. Phương pháp trắc quang vi sai

38

2. Phương pháp đường chuẩn

40

VIII. Phƣơng pháp xử lý thống kê số liệu thực nghiệm

40

1. Xử lý các kết quả phân tích

40

2. Xử lý thống kê các đường chuẩn

41

3. So sánh kết quả thực nghiệm với mẫu chuẩn

42

CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM

44

PHẦN 1: CHUẨN BỊ HÓA CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ 44
NGHIÊN CỨU
I. Hoá chất

44

II. Dụng cụ và thiết bị

44

1. Dụng cụ:

44

2. Thiết bị

44

4


III. Chuẩn bị dung dịch thuốc thử và dung dịch chất đầu

PHẦN 2: THỰC NGHIỆM VỀ SẮT
I. Quy trình xác định lƣợng vết sắt trong nƣớc

45
47
47

1. Nguyên tắc của phương pháp xác định sắt

47

2. Chọn giá trị pH tối ưu

47

3. Xây dựng đường chuẩn

48

II. Khảo sát các điều kiện ảnh hƣởng tới sự hấp phụ sắt lên 49
than hoạt tính
1. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ

49

2. Khảo sát ảnh hưởng của lượng than hoạt tính đến khả 51
năng hấp phụ sắt
3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ sắt 53
lên than hoạt tính
4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Fe3+ ban đầu đến sự 55
hấp phụ
5. Khảo sát khả năng hấp phụ sắt bởi than hoạt tính bằng 56
phương pháp động

PHẦN 3: THỰC NGHIỆM VỀ MANGAN
I.Quy trình xác định lƣợng vết mangan trong nƣớc
1. Nguyên tắc xác định
2. Xây dựng đường chuẩn

57
57
57
57

II.Khảo sát các điều kiện ảnh hƣởng tới sự hấp phụ mangan lên 58
than hoạt tính
1. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ

58

5


2.Khảo sát ảnh hưởng của lượng than hoạt tính đến khả 60
năng hấp phụ Mn
3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ sắt 62
trên than hoạt tính
4. Khảo sát sự phụ thuộc % mangan bị hấp phụ trên than 64
hoạt tính vào nồng độ Mn2+ ban đầu
5. Khảo sát khả năng hấp phụ sắt bởi than hoạt tính bằng 66
phương pháp động

PHẦN 4: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ SẮT, 68
MANGAN BẰNG THAN HOẠT TÍNH TRONG MẪU TỰ
TẠO GỒM HỖN HỢP Fe3+ (20,08 mg/l) VÀ Mn2+ 0,58 mg/l:
I.Pha dung dịch mẫu chuẩn hỗn hợp Fe3+ 20,08 mg/l và Mn2+ 68
0,58 mg/l
II. Cách tiến hành

68

III. Kết luận

69

KẾT LUẬN

70

Phụ lục 1

71

Phụ lục 2

74

Tài liệu tham khảo

77

6


MỞ ĐẦU
Các kim loại nặng khá phổ biến trên bề mặt trái đất với hàm lƣợng khác
nhau. Các nguyên tố này cũng có mặt trong các tế bào sinh vật, thƣờng là vi lƣợng.
Ở một số điều kiện và với nồng độ trên mức vi lƣợng, chúng có tác động đến mơi
trƣờng sống. Sự tác động này cịn nghiêm trọng hơn khi mơi trƣờng đó gắn chặt với
hoạt động của con ngƣời. Trong các mơi trƣờng sống thì mơi trƣờng đất và nƣớc,
đặc biệt là môi trƣờng nƣớc dễ ảnh hƣởng tới sức khỏe con ngƣời hơn cả.
Công cuộc công nghiệp hố đƣợc gắn với tình trạng ơ nhiễm gia tăng. Ô
nhiễm do kim loại nặng thải ra từ các ngành công nghiệp là một mối đe doạ nghiêm
trọng đối với sức khoẻ con ngƣời và sự an toàn của hệ sinh thái.
Việt Nam là nƣớc có nền kinh tế nông nghiệp nhƣng hoạt động công nghiệp
đem lại 20% GDP. Nhịp độ phát triển công nghiệp nhanh, đạt trên 10%. Sự phát
triển trong hoạt động công nghiệp đang vƣợt sự phát triển của cơ sở hạ tầng. Hiện
nay, các ngành công nghiệp đều đổ trực tiếp chất thải chƣa đƣợc xử lý vào môi
trƣờng. Kim loại nặng và độc tố là các thành phần đặc trƣng của các chất thải công

nghiệp.
Việc loại trừ các thành phần chứa kim loại nặng độc ra khỏi các nguồn
nƣớc, đặc biệt là nƣớc thải công nghiệp là mục tiêu môi trƣờng quan trọng bậc nhất
phải giải quyết hiện nay. Đã có nhiều giải pháp đƣợc đƣa ra nhằm loại bỏ kim loại
nặng trong nƣớc thải trƣớc khi thải ra mơi trƣờng.
Trong khóa luận này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu khả năng tách loại hai
kim loại sắt và mangan trong nƣớc theo phƣơng pháp hấp phụ lên than hoạt tính.
Nghiên cứu này nhằm thăm dò, khảo sát khả năng sử dụng than – một phụ liệu khá
dồi dào và có giá thành rẻ để xử lý các ion sắt, mangan trong nƣớc thải.

7


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
PHẦN1:PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI
I. Khái niệm hấp phụ:
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (Khí – rắn, lỏng –
rắn, lỏng – lỏng ). Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ đƣợc gọi là chất hấp
phụ, cịn chất đƣợc tích lũy trên bề mặt đƣợc gọi là chất bị hấp phụ.
So sánh với sự hấp thụ: Trong một số trƣờng hợp, khi chất bị hấp phụ xuyên
qua lớp bề măt và đi vào thể tích của chất hấp phụ, thì hiện tƣợng này đƣợc gọi là
sự hấp thụ. Nhƣ vậy, khác với sự hấp thụ xảy ra trong lòng chất hấp phụ, thì sự hấp
phụ chỉ xảy ra trên bề mặt.

II. Cơ sở của phƣơng pháp hấp phụ trong xử lý nƣớc thải:
Khi bề mặt chất hấp phụ tiếp xúc với dung dịch thì nó có xu hƣớng giữ lại
các chất tan có trong dung dịch. Ngƣời ta ứng dụng tính chất này để xử lý nƣớc
thải.
Hấp phụ có thể diễn ra ở bề mặt biên giới giữa các pha: khí – rắn, lỏng – rắn,
lỏng – lỏng. Trong xử lý nƣớc thải là quá trình hấp phụ chất bẩn hòa tan ở bề mặt

biên giới giữa hai pha: lỏng – và rắn.
Phƣơng pháp hấp phụ đƣợc sử dụng rộng rãi để xử lý nƣớc thải cơng nghiệp
vì phƣơng pháp này rất vạn năng, nó cho phép xử lý nƣớc thải chứa một hoặc nhiều
loại chất bẩn khác nhau, kể cả khi nồng độ chất bẩn trong nƣớc thải rất thấp. Nhƣ
vậy phƣơng pháp hấp phụ cịn có thể dùng để xử lý triệt để nƣớc thải sau khi đã xử
lý bằng các phƣơng pháp khác.

III. Các loại vật liệu hấp phụ:
1. Khoáng sét bentonit:
Là loại khoáng sét phi kim loại, thuộc hệ Alumino Silicat. Thành phần hóa
học là Si8(Al3,33M0,67)O20 , trong đó M là kim loại kiềm hay kiềm thổ. Dựa vào M
ngƣời ta chia bentonit làm 2 loại:

8


- Bentonit kiềm

với M= K, Na, …

- Bentonit kiềm thổ với M= Ca, Mg, …
Khoáng sét Bentonit đƣợc sử dụng có hiệu quả trong việc xử lý nƣớc thải có
chứa nhiều chất không tan, trôi nổi, chủ yếu tạo nên bởi các hợp chất hữu cơ vi sinh
vật. Đối với các chất tan chứa ion kim loại thì phải dùng loại khống Bentonit đã
đƣợc hoạt hóa biến tính. Với nồng độ ban đầu nhƣ nhau của các kim loại nặng, khả
năng hấp phụ của Bentonit giảm dần theo trật tự:
Cu > Pd > Zn > Ni > Cd > …
2. Điatonit:
Là khống vật tự nhiên có thành phần chủ yếu là oxit silic, có nguồn gốc chủ
yếu từ các chất hữu cơ. Điatonit đã nung với thành phần chứa không dƣới 90%

SiO2 , không quá 2% Fe2O3 , 3% Al2O3 , độ ẩm khoảng 2% và bị mất khi nung,
đƣợc dùng làm chất trợ lắng, trợ lọc để làm trong nƣớc và làm giảm độ cứng của
nƣớc sinh hoạt.
3. Đioxitmangan (MnO2):
Đƣợc sử dụng nhiều trong lĩnh vực làm nƣớc sinh hoạt.
4. Khống vật chứa sắt:
Là loại khống vật có chứa hyđroxit sắt hoặc oxit sắt phủ lên cát tạo thành
hỗn hợp khoáng. Ngƣời ta đã tạo ra hợp chất hấp phụ mới gọi là cát oxit sắt bằng
cách cho dung dịch muối sắt, bazơ vào trong cát và nung ở nhiệt độ cao, tùy thuộc
vào nhiệt độ nung, pH mà khống vật có thể hấp phụ catinon hay anion.
5. Than hoạt tính:
Từ lâu ngƣời ta đã biết dùng than hoạt tính để làm sạch nƣớc sinh hoạt, dùng
để hấp phụ các chất hữu cơ, vơ cơ có trong nƣớc thải. Gần đây ngƣời ta đã nghiên
cứu và ứng dụng khả năng hấp phụ của than hoạt tính với các kim loại nặng có
trong nƣớc thải. Thơng thƣờng ngƣời ta đã sử dụng than hoạt tính để tinh chế nƣớc
sau khi đã tách các kim loại nặng ở dạng kết tủa hydroxit. Quá trình hấp phụ các
kim loại nặng của than hoạt tính tn theo phƣơng trình Frendlic.
6. Các vật liệu khác:

9


Trong nhiều năm gần đây việc nghiên cứu và ứng dụng các phế phẩm từ nông
nghiệp, lâm nghiệp đã đƣơc tiến hành và thu đƣợc kết quả rất đáng kể. Ví dụ: vỏ
đậu nành, vỏ hạt bơng, cám trấu, bã mía, … Tuy nhiên việc loại bỏ các kim loại
nặng ra khỏi nƣớc thải bằng các vật liệu này không tốt bằng việc sử dụng các thiết
bị hiện đại nhƣ: màng lọc, … nhƣng nó lại có ƣu điểm là giá thành rẻ, khả năng sử
dụng cao, nguồn nguyên liệu có sẵn.

IV. Một số lý thuyết về hấp phụ trong pha lỏng – rắn:

Hấp phụ các chất bẩn hòa tan là kết quả của sự di chuyển phân tử của các
chất đó từ nƣớc vào bề mặt chất rắn (gọi là chất hấp phụ) dƣới tác dụng của trƣờng
lực bề mặt. Trƣờng lực bề mặt gồm có hai dạng :
- Hyđrat hoá các phân tử chất tan, tức là tác dụng tƣơng hỗ giữa các phân
tử chất rắn hoà tan với những phân tử nƣớc.
- Tác dụng tƣơng hỗ giữa các phân tử chất bẩn bị hấp phụ với các phân tử
trên bề mặt chất rắn.
Quá trình hấp phụ là quá trình thuận nghịch. Nghĩa là sau khi chất bẩn đã bị
hấp phụ hết rồi, có thể di chuyển ngƣợc trở lại từ bề mặt chất hấp phụ vào dung
dịch. Hiện tƣợng này gọi là khử hấp phụ với những điều kiện nhƣ nhau, tốc độ của
quá trình thuận nghịch tƣơng ứng tỉ lệ với nồng độ chất bẩn trong dung dịch và trên
bề mặt chất hấp phụ:
- Khi nồng độ chất bẩn trong dung dịch ở giá trị cao nhất thì tốc độ hấp phụ
cũng là lớn nhất.
- Khi nồng độ chất bẩn trên bề mặt hấp phụ tăng thì số phân tử (đã bị hấp
phụ) sẽ di chuyển trở lại dung dịch càng nhiều hơn.
1. Lực hấp phụ:
Ngƣời ta cho rằng, các phân tử bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ là do hai
nguyên nhân : hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Tùy thuộc vào bản chất của lực
tƣơng tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ ngƣời ta xếp vào lực vật lý hay lực
hóa học.
a, Sự hấp phụ vật lý:

10


Sự hấp phụ đƣợc gọi là hấp phụ lý học nếu nếu lực hấp phụ là lực giữa các
phân tử (lực Vander Waals). Hấp phụ vật lý là quá trình hai chiều ( thuận nghịch)
chiều ngƣợc của sự hấp phụ là sự khử hấp phụ.
Trong sự hấp phụ vật lý lực khuyếch tán ln ln có mặt và cùng với lực

tĩnh điện (cảm ứng và định hƣớng), lực liên kết hiđro, liên kết ∏, … trong từng
trƣờng hợp riêng biệt hợp lại thành lực hấp phụ. Nếu phân tử không có momen
lƣỡng cực mạnh, hoặc nếu khơng có các tƣơng tác đặc thù khác thì lực khuyếch tán
chiếm ƣu thế. Lực khuyếch tán giảm nhanh theo khoảng cách, cho nên lớp hấp phụ
thứ nhất đƣợc giữ chặt trên bề mặt, lớp thứ hai đƣợc giữ yếu hơn. Do đó nhiệt hấp
phụ chỉ hơi lớn hơn nhiệt thăng hoa hoặc bay hơi (tỏa ra 2-6 Kcal/mol) các chất hấp
phụ sẽ dễ bị khử hấp phụ.
b, Sự hấp phụ hóa học:
Sự hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hóa học. Các phân tử hoặc chất bị
hấp phụ liên kết với chất hấp phụ bởi các lực bền vững tạo thành những hợp chất
hóa học bề mặt mới. Vì thế lớp hấp phụ hóa học khơng thể vƣợt q một lớp đơn
phân tử. Sự hấp phụ hóa học có tính chất chọn lọc và là không thuận nghịch. Nhiệt
lƣợng tỏa ra lớn hơn hấp phụ lý học rất nhiều : 22Kcal/mol.
Một điểm khác nhau nữa giữa sự hấp phụ lý học và hấp phụ hóa học là khi
tăng nhiệt độ thì sự hấp phụ lý học giảm cịn sự hấp phụ hóa học lại tăng.
Lực Vander Waals và lực hóa học đều có cùng một nguồn gốc điện, chúng
chỉ khác nhau ở phạm vi tác dụng: lực Vander Waals tác dụng ở khoảng cách lớn
hơn so với lực hóa học. Do đó nếu xảy ra sự hấp phụ hóa học thì giai đoạn đầu tiên
phải là sự hấp phụ lý học.
2. Các kiểu tiến hành hấp phụ:
Ngƣời 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 di chuyển tƣơng đối của các
phân tử chất lỏng (nƣớc) so với chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển động với
nhau.

11


- Biện pháp thực hiện là cho chất hấp phụ vào nƣớc và khuấy trộn trong một

thời gian đủ để đạt đƣợc trạng thái cân bằng (nồng độ cân bằng). Tiếp theo cho
lắng hoặc lọc để giữ chất hấp phụ lại và tách nƣớc ra.
• Hấp phụ trong điều kiện động : là có sự chuyển động tƣơng đối của phân tử
chất lỏng (nƣớc) so với phân tử chất hấp phụ.
- Biện pháp thực hiện là cho nƣớc thải lọc qua lớp vật liệu hấp phụ.
Khi nghiên cứu về hấp phụ ngƣời ta phải biết về hoạt tính của chất hấp phụ
hay gọi là “hấp phụ đơn vị”. Đó là lƣợng chất bẩn tính bằng miligam hay gam bị
hấp phụ trên 1g hay 1cm3 chất hấp phụ.
Ứng với hai kiểu hấp phụ đó, có hoạt tính tĩnh và hoạt tính động của chất
hấp phụ:
• Hoạt tính tĩnh: là lƣợng chất bẩn tối đa (mg, g) bị hấp phụ trên 1g hay 1cm3
chất hấp phụ ở thời điểm đạt trạng thái cân bằng với nhiệt độ nhất định của nƣớc và
nồng độ ban đầu của chất bẩn hịa tan trong nƣớc.
• Hoạt tính động: là lƣợng chất bẩn (mg, g) bị hấp phụ trên 1g hay 1cm 3 vật
liệu hấp phụ kể từ đầu quá trình cho tới khi xuất hiện chất bẩn ở nƣớc lọc.
Trong xử lí nƣớc thải, khi các chất đƣợc hấp phụ tốt bằng than hoạt tính,
đƣờng cong hấp phụ đẳng nhiệt của hệ này có dạng lồi, còn khi các chất bị hấp phụ
kém đƣờng này có dạng lõm. Các đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt của các chất nằm
trong nƣớc thải thƣờng đƣợc xác định bằng thực nghiệm. Tuy nhiên cũng có thể
tính gần đúng theo cơng thức sau:
a

a .K w .C p
VH*2O
Vi*

Trong đó : a

 K w .C p

: Độ hấp phụ riêng, Mmol/g.

a∞

: Độ hấp phụ riêng cực đại, Mmol/l.

Kw

: Tích số ion của nƣớc.

12


: Hằng số cân bằng của quá trình hấp phụ.

Ka

V* H2O , V*i : Thể tích mol của nƣớc và của chất bị hấp phụ.
: Nồng độ cân bằng, Mmol/l.

Cp

V. Sự hấp phụ trên ranh giới phân chia rắn – lỏng:
Nhìn chung sự hấp phụ trên bề mặt rắn – lỏng giống sự hấp phụ trên bề mặt
rắn – khí. Tuy nhiên sự hấp phụ trên ranh giới phân chia rắn – lỏng phức tạp hơn vì
khơng những chỉ các phân tử của chất hòa tan bị hấp phụ mà cịn cả các phân tử của
dung mơi.
Khi khảo sát sự hấp phụ chất tan từ dung dịch trên bề mặt vật rắn cần phải
phân biệt hai trƣờng hợp:
- Sự hấp phụ các chất không điện ly.

- Sự hấp phụ chất điện ly (khi có sự hấp phụ chọn lọc của một trong các
ion từ dung dịch).
1. Sự hấp phụ phân tử từ dung dịch:
Khi có sự hấp phụ từ dung dịch lƣợng chất bị hấp phụ (độ hấp phụ) bởi 1g
chất hấp phụ rắn đƣợc tính theo cơng thức:
a

Trong đó:

a

(C0  C )V
1000
m

: Lƣợng chất bị hấp phụ (m mol/g).

Co, C: Nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ
(mol/l).
V

: Thể tích dung dịch (l).

m

: Khối lƣợng chất hấp phụ (g).

Sự hấp phụ phân tử từ dung dịch chịu ảnh hƣởng của bản chất dung dịch và
ính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.
2. Sự hấp phụ các chất điện ly:

13


Ở đây chúng ta chỉ xét sự hấp phụ các chất điện ly trong dung dịch nƣớc các
ion của chất điện ly bị hấp phụ trên những bề mặt cấu tạo từ những phân tử phân
cực hoặc từ những ion. Vì vậy, sự hấp phụ in cịn đƣợc gọi là sự hấp phụ phân cực.
Những bề mặt với diện tích nhất định hấp phụ từ dung dịch những ion có
điện tích trái dấu. Lúc đó những ion trái dấu với ion đã bị hấp phụ dƣới tác dụng
của lực hút tĩnh điện tạo ra một lớp điện tích kép.
Đối với các ion có cùng điện tích khả năng bị hấp phụ tăng theo bán kính
ion. Điều này đƣợc giải thích bởi sự tăng độ phân cực của ion và bởi sự giảm
hydrat hóa (lớp vỏ hydrat hóa càng mỏng thì tƣơng tác điện càng tăng) theo chiều
tăng khả năng bị hấp phụ, các ion đƣợc xếp theo dãy sau:
Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+
Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+
Cl- < Br- < NO3- < I- < NCSĐiện tích ion càng lớn thì tƣơng tác tĩnh điện càng mạnh và khả năng hấp
phụ càng lớn. Ví dụ: K+ << Ca2+ <Bản chất bề mặt chất hấp phụ có ảnh hƣởng đặc biệt đến sự hấp phụ chọn
lọc từ dung dịch. Bề mặt rắn thƣờng hấp phụ chọn lọc từ dung dịch những ion có
trong thành phần của nó hoặc những ion có khả năng tạo thành với những ion có
trong thành phần của nó những hợp chất ít tan. Ví dụ: tinh thể AgI hấp phụ ion I - từ
dung dịch KI hoặc ion Cl- từ dung dịch NaCl.
3. Sự hấp phụ trao đổi:
Nếu nhƣ một chất điện ly đã bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ thì khi chất
hấp phụ tiếp xúc với một chất điện ly khác sẽ xảy ra sự trao đổi ion giữa lớp điện
tích kép của nó với môi trƣờng chất hấp phụ lấy từ dung dịch một lƣợng xác định
những ion nào đó và đồng thời trao đổi vào trong dung dịch một lƣợng tƣơng
đƣơng các ion tích điện cùng dấu. Đó là sự hấp phụ trao đổi.
Sự trao đổi ion không những xảy ra trên bề mặt chất hấp phụ mà cịn có thể

xảy ra ở những lớp nằm sâu bên trong nó khi dung dịch có thể tiếp xúc với những
lớp đó. Chất hấp phụ có thể có bản chất axit hoặc bazơ. Chất hấp phụ axit có khả
năng hấp phụ trao đổi các cation nó có tên là cationit, chất hấp phụ bazơ có khả
14


năng hấp phụ anion có có tên là anionit. Những chất trao đổi ion đƣợc gọi chung là
ionit. Chúng có thể là aluminosilicat (nhƣ pecmutit Na2O. Al2O3.3SiO2.H2O , than
đƣợc hoạt hóa bằng H2 hoặc O2 ; các chất tổng hợp đặc biệt (nhƣ các polime).
Hấp phụ trao đổi ion đƣợc ứng dụng rộng rãi trong việc làm mềm nƣớc, tách
các nguyên tố hiếm và các nguyên tố phóng xạ, trong việc điều chế các hóa chất
tinh khiết …

VI. Phƣơng trình lí thuyết hoặc thực nghiệm để mơ tả sự hấp phụ
đẳng nhiệt:
Sự hấp phụ có một ý nghĩa to lớn trong các q trình hóa lý trong tự nhiên và
trong kĩ thuật. Các q trình biến đổi hóa học trong cơ thể động thực vật đều bắt
đầu bằng sự hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác (các men) sự chuyển chất qua màng
tế bào cũng đƣợc bắt đầu bằng hiện tƣợng hấp phụ trên bề mặt màng phân cách.
Trong kỹ thuật hiện tƣợng hấp phụ đƣợc ứng dụng rộng rãi nhƣ tách các chất bẩn,
tách các nguyên tố hiếm, là cơ sở của phƣơng pháp sắc ký.
Do có những ứng dụng quan trọng trên mà trong lĩnh vực hấp phụ đã có
nhiều cơng trình nghiên cứu của nhiều nhà khoa học lớn trên thế giới. Tiêu biểu
nhƣ: Gibbs (Gip-xơ), Langmuir (Lang-mua), Polangi (Po-lanni), Bruuaner, Shilov,
Dubinin, Kiselev, Freundlich (Fren-lich) … Ở đây chúng ta đang tìm hiểu sự hấp
phụ trên bề mặt phân cách pha rắn – lỏng nên ta chỉ xét đến lý thuyết của
Freundlich.
Để đánh giá khả năng hấp phụ của chất hấp phụ rắn đối với chất bị hấp phụ
cần phải xác định đƣợc đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ từ thực nghiệm, tức là xác định
đƣợc mối tƣơng quan giữa chất bị hấp phụ trên chất hấp phụ với nồng độ chất đó

trong dung dịch ở trạng thái cân bằng tại một nhiệt độ không đổi. Số liệu đẳng nhiệt
hấp phụ thƣờng đƣợc xử lý theo phƣơng trình Freundlich.
Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich đƣợc dùng trong trƣờng hợp chất
hấp phụ có cấu trúc lỗ (xốp) nhỏ ta không thể áp dụng những quy luật hấp phụ trên
bề mặt đồng nhất. Vì vậy, đối với sự hấp phụ khí và hơi trên bề mặt khơng đồng
nhất, ngƣời ta sử dụng phƣơng trình kinh nghiệm Freundlich nhƣ sau:
15


Qe = X/m = k.Ce 1/n
Trong đó : Qe

: là lƣợng chất tan bị hấp phụ bởi 1 đơn vị khối lƣợng vật
hấp phụ ở trạng thái cân bằng (chỉ số hấp phụ).

X

: lƣợng chất tan bị hấp phụ.

m

: khối lƣợng chất hấp phụ.

Ce

: là nồng độ chất tan ở trạng thái cân bằng.

k, n : là hằng số thực nghiệm (xác định tại một nhiệt độ nhất
định) tùy thuộc vào chất hấp phụ hoặc chất bị hấp phụ.
Nếu đặt X/m lên trục tung, cịn ở trục hồnh đặt C thì đồ thị thu đƣợc là

một đƣờng cong. Gọi là đƣờng cong đẳng nhiệt.
x

O
C

Hình 1.1: Đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich.
Phƣơng trình trên có thể đƣợc biểu diễn dạng tuyến tính:
Lgqe = lgK +1/lgCe
Từ đó chúng ta có thể xác định:
tg 

1
n

OA = lgK

Biết các giá trị thực nghiệm tg và OA ta xác định đƣợc n và K
lgx

lgC
O

lgC

Hình 1.2: Đồ thị dạng tuyến tính của phương trình Freundlich.
16


Từ các đƣờng cong đẳng nhiệt ta có thể xác định đƣợc:

- Khả năng hấp phụ nƣớc của một loại chất hấp phụ cho phép đánh giá khối
lƣợng lớn nhất chất ô nhiễm giữ lại trên một đơn vị khối lƣợng chất hấp phụ. Đối
với một nồng độ ô nhiễm cân bằng là nồng độ ban đầu của chất ô nhiễm đƣa vào.
- Chỉ số hấp phụ của một chất ô nhiễm xác định nhƣ khối lƣợng chất ô nhiễm
giữ lại trên một đơn vị khối lƣợng đối với nồng độ chất ô nhiễm = 1/10. Chỉ số này
cho phép đánh giá khả năng hấp phụ của chất hấp phụ. Chỉ số xác định tỉ lệ xử lí
cần thiết cho chuyển qua từ nồng độ này đến nồng độ khác, ngƣời sử dụng cần chú
ý đến điều kiện làm việc đã sử dụng để xác định các tham số bằng các nguồn cấp
khác nhau.
Mối quan hệ định lƣợng giữa nồng độ chất bị hấp phụ trong pha lỏng và
nồng độ của nó trong pha bề mặt ở tại một nhiệt độ nhất định trong trạng thái cân
bằng đƣợc gọi là đẳng nhiệt hấp phụ. Các phƣơng trình đẳng nhiệt cần thiết cho
việc xác định hiệu suất xử lý, sự lựa chọn chất hấp phụ, tính tốn kích thƣớc lớp lọc
và để nghiên cứu về mơ hình hóa trong các bình phản ứng liên tục.

VII. Hệ thống thiết bị hấp phụ:
Quá trình làm sạch nƣớc thải bằng hấp phụ đƣợc tiến hành ở điều kiện khuấy
trộn mãnh liệt chất hấp phụ với nƣớc, hoặc lọc chất thải qua lớp chất hấp phụ hay
trong lớp lỏng giả trong các hệ thống thiết bị làm việc gián đoạn và liên tục. Khi
tiến hành q trình này có sự khuấy trộn chất hấp phụ với nƣớc, ngƣời ta thƣờng sử
dụng than hoạt tính ở dạng hạt có kích thƣớc nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 mm.
Q trình hấp phụ có thể tiến hành một bậc hay nhiều bậc. Hấp phụ một bậc
ở trạng thái tĩnh đƣợc ứng dụng trong trƣờng hợp khi chất hấp phụ có giá thành
thấp hoặc là chất thải sản xuất. Tuy nhiên khi quá trình tiến hành trong hệ thống
nhiều bậc sẽ có kết quả cao hơn.
Lƣợng chất hấp phụ cho quá trình một bậc đƣợc xác định từ phƣơng trình
cân bằng vật liệu:

17

m

Trong đó:

Q(Cd  Cc )
a

m

– lƣợng chất hấp phụ tiêu tốn.

Q

– Thể tích nƣớc lọc.

Cd, Cc – Nồng độ đầu, cuối của chất gây nhiễm bẩn trong nƣớc thải.
– Hệ số số hấp phụ.

a

Nồng độ chất nhiễm bản trong nƣớc thải sau bậc làm sạch thứ n sẽ bằng:
n

 Q 
 .C d
C n  
 Q  km 

Với:

k

– Hệ số phân bố tính theo cơng thức: k 

a

- Giá trị hấp phụ riêng sau thời gian .

Cp

- Nồng độ cân bằng của chất hấp phụ.

a
C  Cc
 d
a Cd  C p

Lƣợng hấp phụ tiêu tốn trên mỗi bậc đƣợc xác định theo công thức sau:
mn 

Số bậc cần thiết:

Q

 Cd

k
1
 C


n


Cn
n  lg C d  lg
lg((Q  k .m)  lg Q

18


PHẦN 2: THAN HOẠT TÍNH
Các chất hấp phụ có u cầu chủ yếu là khơng có tƣơng tác hóa học giữa
chất hấp phụ và cấu tử cần tách. Ngoài ra chất đó khơng có hoạt tính xúc tác để
tách các phân tử phụ nhƣ oxi hóa, polime hóa. Nếu hoạt tính xúc tác lớn cần phải
khử.
Yêu cầu thứ hai là tính chọn lọc, nghĩa là ái lực hấp phụ của các cấu tử đối
với chất hấp phụ khác nhau càng nhiều càng tốt.
Yêu cầu thứ ba là diện tích bề mặt riêng và kích thƣớc hạt (độ mịn) phải thích
hợp.
Trong cơng nghệ xử lý nƣớc thải, ngƣời ta có thể sử dụng nhiều cách khác
nhau nhƣng hiện nay chất hấp phụ phổ biến là than hoạt tính. Khả năng hấp phụ
của than hoạt tính đã đƣợc tìm hiểu từ cuối thế kỷ XVIII, tuy nhiên đến năm 1915
NĐ.ZELINXKI mới nghiên cứu phƣơng pháp điều chế nó. Ngày nay than hoạt tính
là vật liệu phổ biến và đã đƣợc ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp xử lý
nƣớc thải, nƣớc sinh hoạt, xử lý khơng khí, cơng nghiệp hóa chất, công nghiệp thực
phẩm nhằm thu hồi các dung môi hữu cơ, khử mùi, khử màu … hơn nữa giá thành
của nó lại rẻ. Vậy than hoạt tính là gì và tính năng hấp phụ của nó nhƣ thế nào,
chúng ta sẽ xem xét trong phần 2.

I. Giới thiệu về than hoạt tính:
• Than hoạt tính chính là than chì đã đƣợc hoạt hóa để làm tăng khả năng
hoạt động của than. Khi chƣa hoạt hóa than có cấu trúc lớp, trong đó mỗi nguyên tử
cacbon ở trạng thái lai hóa sp2 liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử cacbon bao
quanh cùng nằm trong một lớp tạo thành vòng sáu cạnh, những vòng này liên kết
với nhau thành một lớp vô tận.

19


C

C

C

C

C

C

C

C

C
C

C

C

C

C

C

C
C

C

C

C
C

C
C

C
C

C

C

C

C

C
C

C

C

C

C
C

C

C

C

C

C
C

C
C

C

Hình2.1: Cấu tạo của lớp than chì.
• Than hoạt tính thu đƣợc bằng cách than hoá nguồn nguyên liệu hữu cơ (ví
dụ: than đá, gỗ, tro của vỏ lạc, sọ dừa, xƣơng...). Những nguyên liệu này đƣợc nung
nóng từ từ trong mơi trƣờng chân khơng.
Sau đó hoạt tính hố sản phẩm nhận đƣợc. Hoạt hố là q trình cho than
thu đƣợc phản ứng với các khí có tính oxi hóa ở nhiệt độ cực cao (khoảng 900oC) :
hơi nƣớc, khí cacbonic, kẽm clorua … Quá trình này đã làm cho than có hoạt tính
mới đó là : tạo nên trong lịng than những lỗ lớn nhỏ có tác dụng rất tốt trong việc
hấp phụ và giữ lại các tạp chất.
Ví dụ: C + CO2 = 2CO do phản ứng này nên một phần than bị cháy tạo
thành khí CO để lại lỗ hổng làm cho than trở nên xốp (độ xốp khoảng 60 - 70%) và
do đó có khả năng hấp phụ tốt.
Trong q trình hoạt hóa, điều thú vị là cục than khơng cháy từng lớp từng
lớp, từ ngồi vào trong, hay bị khoét lỗ trên bề mặt, mà bị ăn mòn từ từ. Khi vết ăn
mòn này vƣơn tới các bức ngăn giữa những khoang rỗng của cục than, thì các bức
ngăn này sẽ bị phá vỡ. Và q trình ăn mịn mới lại bắt đầu từ bề mặt khoang rỗng
20


đó. Kết quả, tạo ra các ống li ti với đƣờng kính đều đặn 2 nanomét, mang cấu trúc
fractal.
Than sau khi đã đƣợc hoạt hóa trở nên xốp, có rất nhiều lỗ lớn nhỏ với tổng
diện tích bề mặt ngồi lên đến 500 – 2500 m2/g (trong khi đó một sân quần vợt chỉ
có diện tích rộng khoảng chừng 260 m2). Nhìn dƣới kính hiển vi điện tử, một hạt
than trơng giống nhƣ một tổ kiến. Vì thế, diện tích tiếp xúc bề mặt của nó rất rộng
để hấp thụ tạp chất. Do đó mà nó là một chất lý tƣởng dùng để lọc hút nhiều loại
hóa chất.
Than hoạt tính thƣờng đƣợc tự nâng cấp (ví dụ, tự rửa tro hoặc các hóa chất
tráng mặt), để lƣu giữ lại đƣợc những thuộc tính lọc hút, để có thể thấm hút đƣợc
các thành phần đặc biệt nhƣ kim loại nặng.

Hình 2.2: Lỗ cấu trúc.

Hình 2.3: Bề mặt than hoạt tính.

21


Hình 2.4: Hình ảnh các chất bị hấp phụ lên than hoạt tính.
• Về ƣu điểm: Thuộc tính làm tăng ý nghĩa của than hoạt tính đó là:
- Nó là chất không độc (kể cả một khi đã ăn phải nó).
- Than hoạt tính là vật liệu hấp thu đa năng, khơng làm thay đổi các tính
chất hố lý của nƣớc.
- Là vật liệu lọc đƣợc bán rộng rãi ở thị trƣờng, có giá thành sản xuất rẻ
(do đƣợc tạo từ gỗ và từ nhiều phế chất hữu cơ khác, ví dụ: từ vỏ, xơ dừa) và đã sản
xuất đƣợc ở trong nƣớc.
- Xử lý chất thải rất dễ sau khi đã dùng (bằng cách đốt), không gây ô nhiễm
môi trƣờng. Nếu nhƣ các chất đã đƣợc lọc là những kim loại nặng thì việc thu hồi
lại, từ tro đốt, cũng rất dễ.
- Sau một thời gian sử dụng có thể tái chế để sử dụng lại.

II. Cấu tạo của than hoạt tính:
1. Cấu tạo:
Do có phạm vi ứng dụng lớn nên cấu tạo của than hoạt tính đã đƣợc nghiên
cứu rất sâu nằng phƣơng pháp vật lý và hóa học.

22


Than hoạt tính đƣợc cấu tạo từ dạng cacbon vơ định hình. Trong than hoạt

tính ngồi những vịng sáu cạnh của các ngun tử cacbon giống nhƣ than chì, cịn
có những nhóm CO và OH là sản phẩm tạo nên trong q trình oxi hóa để điều chế
than hoạt tính. Nhờ đó mà hoạt tính của than tăng lên.
Từ việc nghiên cứu cấu tạo của than bằng phổ nhiễu xạ Rơnghen, Raini đã
mô tả “phân tử than bằng các phân tử ngƣng tụ - gọi là các lát mỏng cơ bản nằm
song song với nhau nằm ở dạng trung gian giữa dạng vơ định hình và dạng tinh
thể”. Theo Raini thì than có hai loại lớp rối:
- Loại thứ nhất làm thành từng lớp cách nhau khoảng 3,5Ao mà chỉ do các
nguyên tử cacbon tạo nên dƣới dạng những vòng thơm ngƣng tụ gọi là lớp rối
“cứng nhắc”.
- Loại thứ hai gọi là lớp rối “linh hoạt” có độ ngƣng tụ thơm bé hơn loại
thứ nhất và khoảng cách giữa các lớp rối là 4,5Ao trong đó nguyên tử cacbon nằm
xung quanh liên kết với các nhóm nguyên tử khác nhƣ - OH, - COOH, - OCH3 …
gọi là các nhánh bên.
Bên cạnh đó cịn có nhiều giả thiết tƣơng tự đƣợc nêu ra song đều chƣa đƣợc
giải thích một cách đúng đắn các tính chất vật lý và hóa học của than. Khi nghiên
cứu cấu tạo của than bằng phƣơng pháp vật lý thì mấu than khơng bị thay đổi thành
phần tính chất nhƣng khi dùng phƣơng pháp hóa học thì sẽ bị biến đổi theo chiều
hƣớng khác nhau tuy nhiên nó mang lại nhiều kết luận quan trọng.
Qua nghiên cứu cấu tạo axit humic ngƣời ta cho rằng cấu tạo của than gần
giống của axit humic gồm phần nhân và phần nhánh bên nhƣng phân tử than lớn
hơn rất nhiều.

23


OH

OH

COH

O
OH
OCH3
OH
COOH

COOH

OH

HOOC

HOOC

HOOC

Hình 2.5: Mẫu cấu tạo phân tử axít humic của FuSơ.
Để nghiên cứu thành phần của các nhóm bên ở quanh nhân ngƣời ta tiến
hành phân tích các nhóm định chức của than và đã xác định có các nhóm - OCH3 ,
- OH, - CO, - CHO, - COOH.
Bằng phƣơng pháp nghiên cứu vật lý và hóa học các nhà nghiên cứu đã
khẳng định đƣợc cấu tạo phân tử than gồm hai phần:
- Phần kiến trúc hoàn chỉnh bao gồm những vòng thơm ngƣng tụ cao.
- Phần kiến trúc chƣa hoàn chỉnh bao gồm những cầu nối cacbon mạch
thẳng, các nhóm định chức và các nhóm dị vịng.
2. Cấu trúc mạng lƣới tinh thể:
Theo kết quả nghiên cứu bằng phƣơng pháp nhiễu xạ Rơnghen thì than hoạt
tính gồm các vi tinh thể cacbon sắp xếp thành hình sáu cạnh tạo thành các lớp. Mỗi

cạnh dài 1,4 Ao và mỗi lớp cách nhau 4,3 Ao. So với cấu trúc mạng lƣới tinh thể của
GRAPHIT thì trong than hoạt tính các lớp vi tinh thể sắp xếp lộn xộn và không có
trật tự.

24


3.4A

1.4A

Hình 2.6: Cấu trúc lớp của than hoạt tính.
3.Cấu trúc xốp:
Theo Dubilin thì than hoạt tính là chất hấp phụ chứa lỗ xốp bé, các tinh thể
bên trong không sắp xếp theo một hƣớng nhất định đã tạo vô số kẽ hở giữa các tinh
thể. Khi hoạt hóa các kẽ hở bị bào mòn tạo ra các mao quản. Hệ thống mao quản
này tạo thành cấu trúc xốp của than hoạt tính nên bề mặt bên trong của than hoạt
tính rất lớn (khoảng 800 – 900 m2/g) làm cho nó có khả năng hấp phụ lớn.
Cấu trúc xốp của than hoạt tính phụ thuộc vào việc lựa chọn nguyên liệu ban
đầu và kỹ thuật hoạt hóa kế tiếp cùng điều kiện để phát triển cấu trúc xốp. Q
trình hoạt hóa tạo cho than một diện tíc bề mặt lớn và một hệ thống lỗ xốp với các
kích cỡ khác nhau. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính liên quan trực tiếp với bản
chất xốp của nó. Các thơng số quan trọng thể hiện bản chất xốp là:
- Tính chất bề mặt riêng: là diện tích bề mặt bên trong mao quản và bên
ngồi hạt tính cho một đơn vị khối lƣợng.
- Thể tích lỗ xốp riêng

: là khơng gian rỗng tính cho một đơn vị khối lƣợng

bao gồm độ rỗng bên trong hạt.

25