Luận văn
Nghiên cứu khả năng hấp phụ
một số ion kim loại nặng trên vật
liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía
và thăm dò xử lí môi trường Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 5 -
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC BẢNG 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8
MỞ ĐẦU 9
Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Ảnh hưởng của sự ô nhiễm kim loại nặng tới sức khoẻ con
người 11
1.1.1. Chì 11
1.1.2. Crom 12
1.1.3. Đồng 12
1.1.4. Mangan 12
1.1.5. Niken 13
1.2. Quá trình hấp phụ 13
1.2.1. Hiện tượng hấp phụ 13
1.2.2. Hấp phụ trong môi trường nước 14
1.2.3. Động học hấp phụ 15

34
2.4. Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP và nguyên liệu 35
2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của
VLHP 36
2.5.1. Ảnh hưởng của thời gian 36
2.5.2. Ảnh hưởng của pH 39
2.5.3. Ảnh hưởng của nồng độ - Cân bằng hấp phụ 41
2.6. Thử xử lí nước thải chứa Cr(VI) 45
KẾT LUẬN 47
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 7 -
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1 Nồng độ giới hạn của một số kim loại trong nước thải công
nghiệp và nước cấp sinh hoạt 13
Bảng 1.2 Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng 16
Bảng 1.3 Thành phần hoá học của bã mía 20
Bảng 2.1 Thứ tự các dung dịch dựng đường chuẩn xác định Cr(VI) 31
Bảng 2.2 Số liệu dựng đường chuẩn xác định Cr(VI) 32
Bảng 2.3 Thứ tự các dung dịch dựng đường chuẩn xác định Ni
2+Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 8 -
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 19
Hình 1.2 Đồ thị sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
19
Hình 1.3 Hình ảnh các thành phần hoá học chính của bã mía 21
Hình 2.1 Phổ hồng ngoại của nguyên liệu 29
Hình 2.2 Phổ hồng ngoại của VLHP 30
Hình 2.3 Ảnh SEM của VLHP và nguyên liệu 31
Hình 2.4 Đường chuẩn xác định Cr(VI) 32
Hình 2.5 Đường chuẩn xác định Ni
2+
33
Hình 2.6 Đường chuẩn xác định Mn
2+
34
Hình 2.7 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ theo thời gian 38
Hình 2.8 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH dung dịch 41
Hình 2.9 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào nồng độ ban đầu
của các ion 43
Hình 2.10 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cr(VI) 43

/q vào C
cb
của Pb
2+
44
Hình 2.18 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cu
2+
45
Hình 2.19 Sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb
của Cu
2+
45
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 9 -
MỞ ĐẦU
Do sự phát triển không bền vững mà hiện nay vấn đề ô nhiễm nguồn
nước đang trở thành vấn nạn của nhiều quốc gia. Ở nước ta, quá trình phát
triển các khu công nghiệp, các khu chế xuất đã góp phần tăng trưởng kinh tế,
thúc đẩy đầu tư và sản xuất công nghiệp, góp phần hình thành các khu đô thị
mới, giảm khoảng cách về kinh tế giữa các vùng Tuy nhiên, bên cạnh sự
chuyển biến tích cực về kinh tế là những tác động tiêu cực đến môi trường
sinh thái do các khu công nghiệp gây ra. Thực tế, hiện nay rất nhiều nhà máy
ở các khu công nghiệp vẫn hàng ngày thải trực tiếp nước thải có chứa các ion
kim loại nặng với hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép ra môi trường. Hậu

trong môi trường nước.
3- Thử xử lí một mẫu nước thải chứa Cr(VI) của xí nghiệp mạ điện
quân đội bằng vật liệu hấp phụ chế tạo được.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 11 -
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Ảnh hƣởng của sự ô nhiễm kim loại nặng tới sức khoẻ con ngƣời
Ở hàm lượng nhỏ một số kim loại nặng là các nguyên tố vi lượng cần
thiết cho cơ thể người và sinh vật phát triển bình thường, nhưng khi có hàm
lượng lớn chúng lại thường có độc tính cao. Khi được thải ra môi trường, một

nước thải thường gặp ở dạng Cr(III) và Cr(VI). Cr(III) không độc nhưng
Cr(VI) rất độc hại đối với cơ thể người, nó gây nguy hiểm cho gan, thận và
đường hô hấp; gây ra các bệnh về răng, miệng, kích thích da, [1,9,13,16].
1.1.3. Đồng
Đồng là nguyên tố cần thiết cho cơ thể con người, nhu cầu hàng ngày
của người lớn 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 hoá có
thể gây tử vong [1,9,13,16].
1.1.4. Mangan
Mangan là một trong các nguyên tố vi lượng cần thiết cho sức khoẻ con
người trong quá trình sinh trưởng và phát triển. Do mangan được hấp thụ rất ít
qua đường ruột nên hầu như không ai bị ngộ độc do ăn hoặc uống thực phẩm
có chứa nhiều mangan hơn nhu cầu cần thiết (2 - 5mg/ngày). Tuy nhiên, ngộ
độc mangan vẫn có thể xảy ra, gây rối loạn hoạt động thần kinh với biểu hiện
rung giật kiểu Parkinson. Cũng có một số trường hợp ngộ độc mangan là do
nguồn nước uống bị ô nhiễm nặng mangan do rò rỉ từ bãi chôn pin, ắc quy
vào nguồn nước sinh hoạt, uống thuốc có chứa mangan liều cao và kéo dài,
hoặc do tắm hơi nước khoáng có nhiều mangan thường xuyên [1,9,13,16].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 13 -
1.1.5. Niken
Niken được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hoá chất, luyện
kim, điện tử, … Vì vậy, nó thường có mặt trong nước thải. Niken vào cơ thể
chủ yếu qua con đường hô hấp, nó gây ra các triệu chứng khó chịu, buồn nôn,
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,

0,10
1.2. Quá trình hấp phụ
1.2.1. Hiện tượng hấp phụ
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn,
lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ
được gọi là chất hấp phụ; còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi
là chất bị hấp phụ.
Ngược với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ. Đó là quá trình
đi ra của chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ.
Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất
bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp
phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [2,7,11].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 14 -
1.2.1.1. Hấp phụ vật lý
Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử,
phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls
yếu. Đó là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm
ứng và lực định hướng.
Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ
không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà
chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề
mặt chất hấp phụ. Ở hấp phụ vật lí, nhiệt hấp phụ không lớn [2,7,11].
1.2.1.2. Hấp phụ hóa học
Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa
học với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên
kết hóa học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối
trí…). Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol.
Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học chỉ là

- Các chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ - Giai đoạn
khuếch tán trong dung dịch.
- Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp
phụ chứa các hệ mao quản - Giai đoạn khuếch tán màng.
- Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp
phụ - Giai đoạn khuếch tán trong mao quản.
- Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ - Giai
đoạn hấp phụ thực sự.
Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ
quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình hấp phụ [2,7,10,11]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 16 -
1.2.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị
hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược
lại pha mang. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất
rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một
thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ
đạt cân bằng.
Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ
là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ:
q = f (T, P hoặc C) (1.1)
Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của q
vào P hoặc C (q = f
T
(P hoặc C)) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể được xây dựng trên cở sở lý thuyết, kinh
nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất và

1
ln .
o
v
Cp
v
a
m
=

Hóa học
Brunauer-Emmett-Teller
(BET)
( )
( )
1
1
.

o m m o
C
pp
v p p v C v C p
-
=+
-

Vật lí, nhiều lớp

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

v 1+b.p
=
(1.2)
Trong đó:
- v, v
m
lần lượt là thể tích chất bị hấp phụ, thể tích chất bị hấp phụ cực đại.
- p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí.
- b là hằng số.
Tuy vậy, phương trình này cũng có thể áp dụng được cho quá trình hấp
phụ trong môi trường nước. Khi đó có thể biểu diễn phương trình Langmuir
như sau:
cb
cb
max
K.C
q = q
1+K.C
(1.3) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 18 -
Trong đó:
- C
cb
là nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng.
- q, q
max
lần lượt là dung lượng hấp phụ và dung lượng hấp phụ

11
.C
q q .K q
=+
(1.4)
Từ số liệu thực nghiệm vẽ đồ thị sự phụ thuộc của C
cb
/q theo
cb
C
.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và đồ thị sự phụ thuộc của C
cb
/q vào C
cb

có dạng như ở hình 1.1 và hình 1.2.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 19 -
nước là 310,067ha, sản lượng mía thu hoạch đạt khoảng 17 triệu tấn. Theo
quy hoạch phát triển mía đường đến năm 2010, sản lượng đường sản xuất
trong cả nước phấn đấu đạt 1,5 triệu tấn [22, 23].
Phát triển sản xuất mía đường là một định hướng đúng đắn. Tuy nhiên,
các nhà máy sản xuất đường cũng thải ra một lượng không nhỏ bã mía. Theo
tính toán của các nhà khoa học, việc chế biến 10 triệu tấn mía để làm đường
sinh ra một lượng phế thải khổng lồ: 2,5 triệu tấn bã mía. Trước đây 80%
lượng bã mía này được dùng để đốt lò hơi trong các nhà máy sản xuất đường,
sinh ra 50.000 tấn tro [22]. Tuy là phế thải nhưng trong tro và bã bùn lại có
O
a

M
cb
C
q

C
cb
q
O
C
cb

Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir
Hình 1.2. Đồ thị sự phụ thuộc của
C
cb
/q vào C

÷
25
Lignin
18
÷
23
Chất hoà tan khác (tro, sáp, protein, …)
3
÷
5
Xenlulozơ: Xenlulozơ là polisaccarit do các mắt xích
α
-glucozơ
[C
6
H
7
O
2
(OH)
3
]
n
nối với nhau bằng liên kết 1,4-glicozit. Phân tử khối của
xenlulozơ rất lớn, khoảng từ 10000 – 150000u.
Hemixenlulozơ: Về cơ bản, hemixenlulozơ là polisaccarit giống như
xenlulozơ, nhưng có số lượng mắt xích nhỏ hơn. Hemixenlulozơ thường bao
gồm nhiều loại mắt xích và có chứa các nhóm thế axetyl và metyl.
Lignin: Lignin là loại polyme được tạo bởi các mắt xích phenylpropan.
Lignin giữ vai trò là chất kết nối giữa xenlulozơ và hemixenlulozơ.

lượng chất cần xác định có trong dung dịch phân tích.
Dựa theo bản chất của phản ứng chuẩn độ, phương pháp phân tích thể
tích được phân loại làm các loại sau:
- Phương pháp chuẩn độ axit – bazơ (Phương pháp trung hòa).
- Phương pháp chuẩn độ kết tủa.
- Phương pháp chuẩn độ tạo phức.
- Phương pháp chuẩn độ oxi hóa khử.
Để định lượng Cu
2+
và Pb
2+
chúng tôi sử dụng phương pháp chuẩn độ
tạo phức với thuốc thử là EDTA.
EDTA (axit etylen điamintetraaxetic, H
4
Y) là thuốc thử được ứng dụng
rộng rãi trong phương pháp chuẩn độ tạo phức. Phương pháp chuẩn độ sử
dụng EDTA làm thuốc thử được gọi là phương pháp chuẩn độ complexon.
Người ta thường dùng EDTA dưới dạng muối đinatri Na
2
H
2
Y, thường gọi là
complexon III (nhưng vẫn quen quy ước là EDTA). EDTA tạo phức bền với
các cation kim loại và trong hầu hết các trường hợp phản ứng tạo phức xảy ra
theo tỉ lệ 1:1.
n+ 4- (n-4)
M Y Y+ 
(1.5)


Chỉ thị là murexit 1% trong NaCl, pH =8 [4,6,15,17].
1.4.2. Phương pháp trắc quang
1.4.2.1. Nguyên tắc
Phương pháp trắc quang là phương pháp phân tích được sử dụng phổ
biến nhất trong các phương pháp phân tích hóa lý. Nguyên tắc chung của
phương pháp phân tích trắc quang là muốn xác định một cấu tử X nào đó, ta
chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo sự hấp thụ ánh
sáng của nó và suy ra hàm lượng chất cần xác định X.
Cơ sở của phương pháp là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer-
Lambert-Beer. Biểu thức của định luật:
o
I
A lg εLC
I
==
(1.6)
Trong đó:
- I
o
, I lần lượt là cường độ của ánh sáng đi vào và ra khỏi dung dịch.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 24 -
- L là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua.
- C là nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch.
-
ε
là hệ số hấp thụ quang phân tử, nó phụ thuộc vào bản chất của chất
hấp thụ ánh sáng và bước sóng của ánh sáng tới (
( )

. Nó là một hệ số gắn liền với nồng độ C
x
.
Khi C
x
nhỏ thì b = 1, khi C
x
lớn thì b < 1.
Đối với một chất phân tích trong một dung môi xác định và trong một
cuvet có bề dày xác định thì
ε
= const và L = const. Đặt
K = k.ε.L
ta có:
b
λ
A = K.C
(1.9)
Với mọi chất có phổ hấp thụ phân tử vùng UV-Vis, thì luôn có một giá
trị nồng độ giới hạn C
o
xác định, sao cho:
- Với mọi giá trị C
x
< C
o
: thì b = 1, và quan hệ giữa độ hấp thụ quang A
và nồng độ C
x
là tuyến tính.

chất cần định lượng, nó thích hợp cho việc kiểm tra ngưỡng cho phép của các
chất nào đó xem có đạt hay không. Các phương pháp phải sử dụng máy quang
phổ như: phương pháp đường chuẩn, phương pháp dãy tiêu chuẩn, phương
pháp chuẩn độ trắc quang, phương pháp cân bằng, phương pháp thêm,
phương pháp vi sai,… Tùy theo từng điều kiện và đối tượng phân tích cụ thể
mà ta chọn phương pháp thích hợp. Trong đề tài này chúng tôi sử dụng
phương pháp đường chuẩn để định lượng các cation kim loại.
Phương pháp đường chuẩn: Từ phương trình cơ sở A = k.(C
x
)
b
về
nguyên tắc, để xây dựng một đường chuẩn phục vụ cho việc định lượng một
chất trước hết phải pha chế một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ chất hấp thụ
ánh sáng nằm trong vùng nồng độ tuyến tính (b = 1). Tiến hành đo độ hấp thụ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 26 -
quang A của dãy dung dịch chuẩn đó. Từ các giá trị độ hấp thụ quang A đo
được dựng đồ thị A = f(C), đồ thị A = f(C) gọi là đường chuẩn.
Sau khi có đường chuẩn, pha chế các dung dịch cần xác định trong điều
kiện giống như khi xây dựng đường chuẩn. Đo độ hấp thụ quang A của chúng
với điều kiện đo như khi xây dựng đường chuẩn (cùng dung dịch so sánh,
cùng cuvet, cùng bước sóng) được các giá trị A
x
. Áp các giá trị A
x
đo được
vào đường chuẩn sẽ tìm được các giá trị nồng độ C
x

oxi hóa Mn
2+
đến MnO
4
-
. Hàm lượng MnO
4
-
được xác định bằng phương
pháp trắc quang với máy trắc quang vùng UV-Vis ở bước sóng
λ = 540nm

với cuvet 1cm [12,17].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 27 -
CHƢƠNG 2
THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
2.1. Thiết bị, hóa chất
2.1.1. Thiết bị
- Máy quang phổ hấp thụ phân tử UV 1700 Phamaspec (Shimadzu - Nhật
Bản), máy quang phổ hồng ngoại IR Prestige 21 (Shimadzu - Nhật Bản).
- Máy lắc, máy nghiền bi, máy khuấy từ, máy đo pH, tủ sấy, cân điên tử
bốn số,…
- Bộ sohxlet thuỷ tinh; các loại pipet, buret, bình tam giác, cốc, bình định
mức; chén sứ…
2.1.2. Hóa chất
Các hóa chất được dùng là các hóa chất có độ tinh khiết phân tích hoặc

C)
trong 10ml axit sunfuric 1:4. Thêm nước cất đến 1000ml.
d) Dung dịch Pb
2+
0,01M: Hòa tan 3,3121g trong 20ml dung dịch HNO
3

10% đun nhẹ cho tan hết, cho vào bình định mức 1000ml thêm nước cất tới
vạch.
e) Dung dịch Cu
2+
0,01M: Hòa tan 2,4160g Cu(NO
3
)
2
.3H
2
O vào nước rồi
cho vào bình định mức 1000ml, thêm nước tới vạch.
Các dung dịch có nồng độ thấp hơn được pha chế từ dung dịch gốc.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 28 -
2.1.2.2. Chuẩn bị các chất chỉ thị, thuốc thử [8,12]
a) Dung dịch 1,5-diphenylcacbazit 0,1% trong rượu etylic: Hòa tan 0,5g
1,5-diphenylcacbazit trong 100ml rượu etylic 95
0
, cho vào bình định mức
500ml, thêm nước tới vạch. Đựng dung dịch trong bình thủy tinh màu và bảo
quản trong tủ lạnh.

tinh màu nâu.
f) Thuốc thử eriocrom T đen (ET-OO) 0,02% trong NaCl: Trộn đều 0,02g
ET-OO trong 9,98g NaCl khan.
g) Dung dịch kali natri tartrat 1M: Hòa tan hoàn toàn 28,222g
KNaC
4
H
4
O
6
.4H
2
O trong nước, cho vào bình định mức 100ml và định mức tới
vạch.
2.2. Chế tạo và khảo sát một số đặc trƣng cấu trúc của vật liệu hấp phụ
2.2.1. Chế tạo vật liệu hấp phụ
Bã mía được xử lí sơ bộ bằng cách ngâm trong nước cất 3 - 4 giờ, rửa
sạch sau đó sấy khô ở 100
0
C trong 24 giờ. Bã mía khô được nghiền nhỏ bằng
máy nghiền bi, rây và rửa bằng nước cất nóng trong 1giờ, sấy khô ở 100
0
C.
Cuối cùng bột bã mía được rửa bằng hệ dung môi n-hexan : etanol (1:1) trên
hệ thống sohxlet trong 4 giờ, sấy khô thu được nguyên liệu.