Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phân tích
quang học để đánh giá khả năng hấp phụ một
số ion kim loại nặng của vỏ trấu biến tính

Trương Đắc Chí

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn Thạc sĩ ngành: Hoá phân tích; Mã số: 60 44 29
Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Xuân Trung
Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Nghiên cứu và áp dụng để tách loại các kim loại nặng ra khỏi môi trường
nước. Một trong các phương pháp đang được nhiều người quan tâm hiện nay là tận
dụng các phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp như vỏ trấu, bã mía, vỏ lạc…làm vật
liệu hấp phụ các ion kim loại. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
Cu2+; Zn2+; Cd2+; Pb2+ ở điều kiện tĩnh. Đã khảo sát được ảnh hưởng của nồng độ
đầu và tìm được dung lượng hấp phụ đối với Cu2+ là 54,35(mg/g), Zn2+ là
35,59(mg/g), Cd2+ là 35,21(mg/g), Pb2+ là 52,35(mg/g). Đã khảo sát khả năng hấp
phụ Cr của vật liệu ở điều kiện động: Dung lượng hấp phụ cực đại đối với Cu2+ là
49,78(mg/g), Zn2+ là 30,17(mg/g), Cd2+ là 30,00(mg/g), Pb2+ là 50,03(mg/g). Tốc
độ hấp phụ là 1,0ml/ phút, tốc độ rửa giải là 1,0ml/ phút. Thể tích dung dịch rửa giải
30ml HNO3 với nồng độ 0,2M. Áp dụng thử nghiệm xử lý một vài mẫu nước thải.

Keywords: Hóa phân tích; Phân tích quang học; Kim loại nặng; Khả năng hấp phụ;
Vỏ trấu biến tính

Content
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ.
Phần 1: Lí do chọn đề tài.
Do sự phát triển mạnh của các ngành công nghiêp hiện nay nên vấn đề ô nhiễm môi
trường đang ngày càng ra tăng. Nhất là môi trường nước ở các khu công nghiệp, khu chế suất

độ bão hòa thì sẽ xảy ra hiện tượng kết tủa.
Trong công nghiệp hiện nay, để xử lý các kim loại nặng phương pháp chủ yếu vẫn là
phương pháp kết tủa đặc biệt là các nhà máy mạ điện, thuộc da … các chất thường được dùng
làm chất kết tủa là NaOH, CaO. Trong đó vôi vẫn thường được dùng nhiều hơn cả vì nguyên
liệu này rẻ tiền và rất dễ thu hồi bằng cách lọc hoặc sa lắng.[7;12]
Hiện nay, để xử lý nước thải bằng phương pháp kết tủa một cách có hiệu quả kinh tế
nhất người ta thường dùng CaO (hay vôi sữa)
1.2.2. Phương pháp keo tụ.
Phương pháp keo tụ dựa trên sự trung hòa điện tích các hạt keo. Các hạt keo khi kết
tủa, nó kéo theo những hạt bông lơ lửng và các kim loại nặng trong nước kết tủa theo. Bằng
phương pháp này ngoài việc tách bỏ kim loại nặng người ta còn loại bỏ được những hạt keo
không thể loại bỏ được bằng những phương pháp thông thường. Người ta đã nghiên cứu, sử

3
dụng phèn nhôm, muối sắt, các chất đông tụ PAC [15] nhằm loại bỏ một số ion kim loại nặng
như Pb
2+
, Cd
2+
, Zn
2+
, Ni
2+
, Co
2+
, Cu
2+
…khi chúng có nồng độ cao ở những pH thích hợp
vừa đơn giản và kinh tế.
Quá trình này dựa theo một số phương trình sau đây:

Al
2
(SO
4
)
3
+ 3Na
2
CO
3
+ 2H
2
O = 2Al(OH)
3
+ 3Na
2
SO
4
+ CO
2

Các ion kim loại sẽ đông tụ tốt nhất ở pH = 4 đến 6
1.2.3. Phương pháp trao đổi ion.
Khi cho dung dịch chứa ion kim loại nặng tiếp xúc với chất hấp phụ trao đổi ion sẽ
xảy ra quá trình trao đổi ion. Một số nhựa dùng cho phương pháp trao đổi ion như IRN77 và
SKN1… cơ chế trao đổi xảy ra như sau:[12]
nRSO
3
-
H

1.3.1. Giới thiệu chung.
Cho đến nay đã có nhiều nhà khoa học công bố các công trình nghiên cứu của mình về
các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên hay các vật liệu có nguồn gốc từ sản phẩm thải

4
của các ngành kinh tế. Những vật liệu này có thể là sản phẩm thải của ngành nông nghiệp
như: lõi ngô, vỏ trấu, vỏ và xơ dừa, lõi cây oliu, khuynh điệp, cây đậu, cây cô ca, cây hồ đào,
vỏ cây cọ…; sản phẩm thải của ngành công nghiệp như: than tro bay; hay các khoáng liệu tự
nhiên như: đất sét, zeolite [39;47] ác quặng phốt phát, phốt phát tổng hợp [24; 36], hay các
sản phẩm phụ của quá trình chế biến hải sản như: vỏ tôm, vỏ cua…
*. Than hoạt tính.
* Than tro bay
*.Chitin và Chitosan
*. Bã mía.
*. Lõi ngô.
*. Mùn cưa.
*. Khoáng tự nhiên Zeolite
1.3.2. Giới thiệu về vật liệu vỏ trấu.
Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát [24]. Ở
Việt Nam, vỏ trấu có rất nhiều tại Đồng bằng Sông Cửu Long và Đồng bằng Sông Hồng, 2
vùng trồng lúa lớn nhất cả nước. Chúng thường không được sử dụng hết nên phải đem đốt
hoặc đổ xuống sông suối để tiêu hủy. Theo khảo sát, lượng vỏ trấu thải ra tại Đồng bằng Sông
Cửu Long khoảng hơn 3 triệu tấn/năm, nhưng chỉ khoảng 10% trong số đó được sử dụng.
Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và
khoảng 25% còn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chứa chủ yếu cellulose, lignin và Hemi -
cellulose (chiếm 90%), ngoài ra còn có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ
(chiếm 10%). Thành phần các oxit chủ yếu trong tro vỏ trấu như sau [26]
* Một số ứng dụng của vỏ trấu.
Trấu đã được tận dụng làm nhiên liệu đốt trong các nhà máy phát điện, phát nhiệt nhỏ,
hay đốt để sấy khô thóc như ở Ấn Độ, Thái Lan, Inđônêsia và Việt Nam. Việc tận dụng tro

chuẩn Merck
2. Chuẩn bị vật liệu hấp phụ. Vật liệu hấp phụ được điều chế theo các bước sau:
2.3.1. Chuẩn bị vỏ trấu
2.3.2. Làm sạch vỏ trấu
2.3.3. Điều chế EDTA
2.3.4. Điều chế EDTAD
2.3.5. Biến tính vỏ trấu bằng EDTAD

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1. Xác định các đặc trưng của vật liệu vỏ trấu biến tính.
Chúng tôi tiến hành xác định cấu trúc và diện tích bề mặt VLHP bằng cách đo phổ hồng
ngoại và đo SEM.
- Kết quả đo Phổ hồng ngoại Tại Viện Hóa học số 18 – Hoàng Quốc Việt trên máy
IMOAC T410 –Nicolet (FT-IR) để xác định cấu trúc của vỏ trấu trước khi biến tính và sau khi
biến tính H1: Phổ vỏ trấu trước khi biến tính H2: Phổ vỏ trấu sau khi biến tính
Dựa vào các đỉnh mới xuất hiện trên phổ, chúng tôi đưa ra được cấu trúc của vật liệu như sau:

7

Từ phổ trên chúng tôi cũng dự đoán cơ chế hấp phu sẽ là cơ chế tương tác tĩnh điện của
các nhóm –OH còn lại trên bề mặt vật liệu và cơ chế tạo phức của EDTA.
3.2. Khảo sát các điều kiện đo phổ trên máy AAS-680
- Chúng tôi tiến hành khảo sát các điều kiện đo với dung dịch Zn
2+
(1,00ppm);
dung dịch Cu

0,2
0,5
Burner (mm)
7
6
8
6
Tốc độ khí (l/phút)
1,6
1,6
1,2
1,8
Nền axit
HNO
3
2%
HNO
3
2%
HNO
3
2%
HNO
3
2%
Chất cải biến
NH
4
Ac 1%
NH


H3: Đường chuẩn của Zn
2+
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
Y = A + B * X
Th«ng sè Gi¸ trÞ Sai sè

A 3.61816E-4 0.00146
B 0.06108 8.66932E-4

R SD N P

0.9994 0.00252 8 <0.0001

§é hÊp thu quang
Nång ®é Cd (ppm)

H4: Đường chuẩn của Cd
2+

0 2 4 6 8 10
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
Y = A + B * X
Th«ng sè Gi¸ trÞ Sai sè

A 0.00139 5.71335E-4
B 0.00883 1.08641E-4

R SD N P

0.99955 0.00107 8 <0.0001

§é hÊp thô quang
Nång ®é Pb (ppm)

H6: Đường chuẩn của Pb
2+

3.4. Khảo sát quá trình hấp phụ các ion kim loại (Zn
2+
; Cu
2+
; Cd
2+
; Pb

* Tiến hành tương tự với các ion kim loại còn lại. Kết quả

H7: Đồ thị ảnh hưởng của pH đến khả

H8: Đồ thị ảnh hưởng của pH đến khả

9
năng hấp phụ các ion của VL1
năng hấp phụ các ion của VL2
Với
3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ các ion kim loại: Zn
2+
; Cu
2+
;
Cd
2+
; Pb
2+
trên vật liệu.
Ta rút ra được kết quả: Với Zn là từ 60 phút; Cd là từ 90 phút; Cu là từ 90 phút; Pb là
từ 30 phút.
- Từ kết quả trên chúng tôi dựng đường hấp phụ Langmuir

H9: Đường hấp phụ Langmuir
của vật liệu- VL1

H10: Đường hấp phụ Langmuir
của vật liệu -VL2
Từ đồ thị ta tính được các thông số sau:

Zn
y=0,035x+1,035
R² = 0,98
q
max
= 28,57
K = 0,03
Cu
y=0,025x+0,5918
R² = 0,98
q
max
= 40,00
K = 0,04 VL2
Cd
y =0,053x +6,3641
R² = 0,97
q
max
= 18,86
K = 0,01
Pb
y = 0,0367x + 9,6224
R² = 0,96
q
max
= 25,00

3.5. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu (VL1) ở điều kiện động.
3.5.1. Chuẩn bị cột chiết pha rắn từ vật liệu.
Chuẩn bị cột chiết là buret 25ml có đường kính 0,5cm dài 50cm. Cho vào cột chiết
1.00gam VLHP (có cỡ hạt 0,20 đến 0,60mm), làm sạch cột bằng nước cất 2 lần và kiểm tra
nước rửa cột xem có các ion kim loại trên không.
3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ nạp mẫu theo phương pháp động.
Chuẩn bị 4 cột như mục 3.5.1 trên và 4 dung dịch Zn
2+
(với V= 1,0lít; C
0
=50ppm)
điều chỉnh pH tương ứng như mục 3.5.2, Sau đó cho chạy qua cột với tốc độ lần lượt là 0,5;
1,0; 1,5; 2,0 và 2,5ml/phút. Kết quả

H11: Đồ thị ảnh hưởng tốc độ nạp mẫu
Từ kết quả trên chúng tôi sử dụng tốc độ chạy 1,00ml/phút
3.5.4. Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu theo phương pháp động.
Trên cơ sơ khảo sát chọn pH tối ưu cho việc hấp phụ theo phương pháp động, chúng
tôi tiến hành khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu theo phương pháp động với
từng ion kim loại đơn và khi chạy tổng hợp các kim loại. Kết quả
* Đối với Pb
2+
:
Khi chạy đơn Q
e
= 50,03mg/1g VLHP; chạy hỗn Q
e
= 28,00mg/1g VLHP

11

Qua khảo sát trên chúng tôi thấy HNO
3
là chất có khả năng rửa giải tốt nhất, từ nồng
độ 0,2M khả năng rửa giải đều đạt trên 95% và để đỡ tốn hóa chất nên chúng tôi chọn dung
dịch dùng để rửa giải là HNO
3
0,2M để rửa giải cho các thí nghiệm tiếp theo.
3.5.6: Khảo sát tốc độ và thể tích rửa giải:
Chúng tôi tiến hành chạy cột để hấp phụ các ion kim loại trên lên cột với các điều kiện
(như ở mục 3.5.2 và 3.5.4), sau đó dùng 2 lít dung dịch HNO
3
0,20M để rửa giải các cột trên
với tốc độ chạy khác nhau và tính hiệu suất thu hồi tương ứng. Kết quả

12

H13. Ảnh hưởng của tốc độ rửa giải.

H14.Đồ thị khảo sát thể tích rửa giải
Từ đó chúng tôi chọn tốc độ rửa giải là 1,00ml/phút và thể tích rửa giải là 30ml HNO
3
0,2M
cho 1 gam VLHP.
3.5.7. Tiến hành rửa giải cột.
Trên cơ sở khảo sát ở các mục 3.5.5; 3.5.6; 3.5.7. Chúng tôi tiến hành rửa giải cột
chạy đơn và cột chạy hỗn hợp và tính hiệu suất thu hồi. Kết quả

Bảng 3. Tính hiệu suất thu hồi
Cột
Ion kim loại

20,00
18,00
28,00
Số mg được rửa giải
18,20
19,10
17,30
26,60
%H
95,78%
95,50%
96,11%
95,00%
3.6. Khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu (VL1)
Hiệu quả sử dụng của vật liệu ngoài khả năng hấp phụ tốt các ion kim loại thì một yêu
cầu nữa cũng rất được quan tâm là khả năng tái sử dụng của vật liệu cho các lần sau. Vật liệu
càng có khả năng tái sử dụng nhiều lần càng tốt. Do đó chúng tôi tiến hành khảo sát khả năng
tái sử dụng của vật liệu để hấp phụ với từng ion kim loại như sau:
. Kết quả khảo sát cụ thể như sau:
Bảng 4. Khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu
Q
e
từng kim loại
(mg/g)

Zn
2+

Cu
2+

30,17
100
49,78
100
30,00
100
50,03
100
Tái sử dụng lần 1
30,00
99
48,15
98
29.10
98
49,15
97
Tái sử dụng lần 2
29,15
96
46,10
95
28,00
96
48,00
95
Tái sử dụng lần 3
27,90
95
45,13

30,35
60
Trong đó

Từ kết quả trên cho thấy vật liệu có khả năng tái sử dụng tương đối tốt, đến lần thứ 5
dung lượng hấp phụ vẫn đạt được trên 80% dung lượng.
3.7. Thử nghiệm xử lí mẫu thật
Chúng tôi tiến hành dùng vật liệu làm với mẫu thật, chúng tôi chọn mẫu thật là mẫu
nước Hồ Hoàn Kiếm- Hà Nội (M1) và Hồ 7 mẫu – Hà Nội (M2).
Mẫu nước 2 hồ trên được lấy vào buổi sáng ngày 8/11/2012 ở vị trí cách bờ 1 mét.
Mẫu sau khi lấy được axit hóa bằng HNO
3
63% để đạt pH =2 (mỗi mẫu lấy 3 lít)
Sau đó mẫu được lọc trên giấy lọc 2 lần để loại bỏ các tạp chất không tan lơ lửng và
thu được mẫu trong suốt và điều chỉnh lại pH của các mẫu trên đều ở pH=6,0.
Tiến hành đo kiểm tra hàm lượng các ion kim loại có trong mỗi mẫu bằng hương pháp
ICP-MS, xác định hàm lượng các kim loại trong mỗi mẫu tại phòng phân tích môi trường-
Viện công nghệ môi trường – Viện khoa học công nghệ Việt Nam Kết quả chúng tôi thấy chỉ
với 1gam vật liệu đã xử lý được hàm lượng các kim loại năng trong 2,5 lít về dưới giới hạn
cho phép theo TCVN 5945:2005. Quy định các chỉ tiêu trong nước sinh hoạt, nên chúng tôi
đề xuất có thể sử dụng vật liệu trên để tiến hành xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong các nguồn
nước thải.

Phần 3 KẾT LUẬN
Sau quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn thạc sỹ chúng tôi rút ra 1 số kết quả như
sau:

14
1. Đã khảo sát và tìm điều kiện tối ưu hóa để xác định Cu
2+

là từ 4 đến 6; Cu
2+
là từ 4 đến 7
với Cd
2+
là từ 4 đến 7; còn Pb
2+
là từ 4,5 đến 6
- Thời gian đạt cần bằng hấp phụ tương ứng là: Với Zn là từ 60 phút;
Cu là từ 90 phút; Cd là từ 90 phút; còn Pb là từ 30 phút
- Xây dựng được mô hình hấp phụ của vật liệu với tường kim loại và tính được
dung lượng hấp phụ cực đại theo phương pháp tĩnh, đó là:
Pb
2+
q
max
= 41,67(mg/g) Cd
2+
q
max
= 35,59(mg/g)
Zn
2+
q
max
= 28,57(mg/g) Cu
2+
q
max
= 40,00(mg/g)

2. Nguyễn Văn Ri (2004), Các phương pháp tách chất, ĐHKHTN – ĐHQG Hà Nội
3. Nguyễn Thị Thu (2002), Hóa keo, NXB Đại học Sư phạm Hà Nội.
4. Dương Minh Tuân (2007), Nghiên cứu sử dụng vật liệu composit từ tính để tách loại
một số ion kim loại có trong nguồn nước bị ô nhiễm , Luận văn Thạc sĩ Khoa học,
Trường ĐHKHTN – ĐHQG Hà Nội.
5. A. Akilil, M. Mouflih, S. Sebti (2004), “Removal of heavy metal ions from water by
using calcined phosphate as a new adsorbent”, Journal of Hazardous Materials A 112(
2004), pp. 183 -190.

15
6. Chandrasekhar K.G., et al. (2003). “Processing, properties and applicati of reactive
silica from rice husk ash – an overview”. Materials Science Journal Vol. 38, pp.
3159-3168.
7. Mehta, P.K. (1994). Rice-husk Ash - A unique Supplementary Cementing Material,
Advances in Concrete Technology, MSL Report 94-1 (R), CANMET 1994, ed.
Malhotra, V.M., pp. 419-444.
8. M. Mouflih, A. Akilil, S. Sebti (2005), “Removal of lead from aqueous Solutions by
activated phosphate”, Journal of Hazardous Materials B 119, pp. 183 -188.
9. Moreno Castilla, M. V. Lopez Ramon, F. Carrasco Maryn
10. Omer Yavuz, Yakin Altunkaynak, Fuat Guzel (2003), Removal of copper,
a. nickel, cobalt and manganese from aqueous solution by kaolinite, Water
b. research, 37 (2003), pp. 948- 952.
11. Ralph T. Yang (2003), Adsorbents: Fundamentals and application, Wiley
a. Interscience, New York, pp. 3-16.
12. T. Vengris, R. Binkiene, A. Sveikauskaite (2000), Nickel, copper and zinc removal
from waste waster by a modified clay sorbent, Applied Clay Science, 18 (2001),
pp.183-190.