MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Polyanilin (PANi) là một trong số ít polyme dẫn điện có nhiều ứng dụng nhất bởi có
khả năng dẫn điện tốt, bền cơ học và môi trường, thuận nghịch điện hóa cao và dễ tổng
hợp. Vì vậy PANi đã và đang được quan tâm lựa chọn để lai ghép với các vật liệu khác
nhằm tạo ra vật liệu mới có khả năng đáp ứng nhu cầu sử dụng trong các lĩnh vực khác
nhau, đặc biệt là lĩnh vực hấp phụ kim loại nặng từ môi trường nước. PANi lai ghép với
phụ phẩm nông nghiệp (PPNN) nhằm tạo ra vật liệu hấp phụ mới là vấn đề thời sự trên
thế giới nhờ có nhiều ưu điểm là tận dụng được nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, phù
hợp với đặc điểm kinh tế ở các nước có nền nông nghiệp phát triển, đặc biệt là Việt Nam.
PPNN ở nước ta cũng mang tính đặc thù riêng nhờ khí hậu nhiệt đới nóng ẩm. Tuy nhiên
hướng nghiên cứu này là mới và chưa được khai thác ở Việt Nam.
Do vậy tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu sinh của mình là: “Nghiên cứu tổng hợp
compozit PANi và các phụ phẩm nông nghiệp để xử lý các kim loại nặng Pb (II), Cr
(VI) và Cd (II)”.
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án:
Mục tiêu nghiên cứu:
 Tổng hợp và khảo sát đặc tính của các compozit trên cơ sở PANi lai ghép với một
số PPNN như: mùn cưa, vỏ lạc, vỏ đỗ, vỏ trấu và rơm bằng phương pháp hóa học.
 Khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại nặng: Cr (VI), Pb (II), Cd (II) ra khỏi dung
dịch nước thông qua khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như: nồng độ ban đầu chất bị
hấp phụ, pH, thời gian, bản chất của chất hấp phụ; Làm rõ cơ chế hấp phụ, nhiệt
động học và mô hình hấp phụ các ion kim loại nặng trên vật liệu compozit từ đó
nghiên cứu ứng dụng trong thực tế.
Nội dung nghiên cứu:
 Tổng hợp vật liệu compozit PANi-PPNN (mùn cưa, vỏ đỗ, vỏ lạc, rơm, vỏ trấu).
 Phân tích đặc trưng cấu trúc và tính chất vật liệu thông qua các phương pháp: phổ
hồng ngoại IR, đo độ dẫn điện, phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM, kính
hiển vi điện tử truyền qua TEM, X – Ray, phân tích nhiệt vi sai, xác định diện tích bề
mặt (BET).
 Khảo sát khả năng hấp phụ các ion kim loại Cr (VI), Pb (II), Cd (II) của vật liệu

Luận án gồm 117 trang với 44 bảng, 73 hình vẽ và đồ thị. Kết cấu của luận án: Mở đầu
(2 trang), Chương 1 Tổng quan (36 trang), Chương 2 Thực nghiệm và phương pháp nghiên
cứu (09 trang), Chương 3 Kết quả và thảo luận (60 trang), Kết luận (01 trang), Phần Danh
mục các công trình khoa học đã công bố (2 trang), Những đóng góp mới của luận án (1
trang), Tài liệu tham khảo (08 trang) với 105 tài liệu.
NỘI DUNG LUẬN ÁN
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
 Tổng quan về vật liệu compozit: khái niệm, phân loại, tính chất, ứng dụng; công
nghệ chế tạo vật liệu compozit nói chung.
 Tổng quan về công nghệ chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở PANi và PPNN.
 Tổng quan về đặc điểm quá trình hấp phụ trên vật liệu PANi – PPNN: các khái
niệm cơ bản, phương trình hấp phụ đẳng nhiệt, động học hấp phụ, động lực hấp
phụ; hiện trạng nghiên cứu ứng dụng vật liệu compozit PANi – PPNN làm chất hấp
phụ sử dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường.
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
 Các loại vật liệu để tổng hợp vật liệu compozit PANi – PPNN, bao gồm: các
PPNN (mùn cưa, rơm, vỏ lạc, vỏ đỗ, vỏ trấu) và anilin.
 Các ion kim loại nặng: chì (II), cadmi (II) và crom (VI)
 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ tĩnh và động của vật liệu hấp phụ
2.2. Hóa chất – Thiết bị, dụng cụ
2


 Các hóa chất cơ bản dùng để tổng hợp vật liệu và pha chế các dung dịch nghiên
cứu gồm: C6H5NH2, (NH4)2S2O8, Cd(NO3)2, Pb(NO3)2, K2CrO4, HCl (Merk, Đức)
 Thiết bị tổng hợp vật liệu và nghiên cứu hấp phụ bao gồm: máy khuấy từ, bơm hút
chân không, máy lắc, máy li tâm, cân phân tích và các thiết bị khác.
2.3. Thực nghiệm:
 Tổng hợp vật liệu compozit PANi-PPNN (mùn cưa, vỏ lạc, vỏ đỗ, rơm, vỏ trấu)

PANi – vỏ đỗ
7,36
2,71
58,28
Hiệu suất chuyển hóa anilin khi tổng hợp vật liệu compozit dạng trung hòa thấp
hơn dạng muối, một phần do PANi không chứa gốc Cl- sẽ nhẹ hơn và một phần nhỏ bị
mất đi trong quá trình xử lý vật liệu để chuyển sản phẩm từ dạng muối sang dạng trung
hòa.
VLHP

Khối
lượng
Anilin (g)

Khối lượng
compozit (g)

3

Khối lượng
PANi (g)


Bảng 3.2. Hiệu suất chuyển hóa anilin khi tổng hợp các vật liệu compozit
PANi – PPNN dạng trung hòa (tỉ lệ monome/PPNN là 1/1)
Khối
Hiệu suất
Khối lượng
Khối lượng
VLHP

1:1
1,60
0,67
72,04
0,93
1:2
2,44
0,58
62,37
1:3
3,09
0,30
32,26
1:4
3,88
0,16
17,20
Bảng 3.4. Hiệu suất chuyển hóa anilin khi tổng hợp các vật liệu compozit PANi-vỏ lạc
Tỉ lệ
Khối lượng
Khối lượng
Khối lượng Hiệu suất chuyển
anilin
(g)
compozit
(g
)
PANi (g)
hóa anilin (%)
Anilin/vỏ lạc

478.22
599.19
1731.91
1654.93
1605.44

2917.08

678.93

1462.48
725.66
1333.26
1223.29 783.14

0.01

1825.39

0.000
4000

4000

3500

3500

3000



1301.68
825.83
601.13
1156.28

1119.27

0.06

646.07

3438.91
3268.45
944.79
3041.17
2927.53

0.00
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Wavenumber (cm-1)

Adsorption coefficient

3451.51

0.08

Adsorption coefficient


s
o 0.10
r
b
0.08
a0.080
n
0.06
c
e

(c)

511.60
594.50
1165.94
1595.26
1663.35
1435.37
718.85
1334.70
816.56
1695.92

2931.99

0.04
0.040
0.02
0.00


Wavenumber (cm-1)

Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của mùn cưa (a), PANi (b) và compozit PANi-mùn cưa (c)
4


Adsorption coefficient

Adsorption coefficient

3430,41

(a)

0.20

1032,15
1635,79

0.15
0.10

1739,42
2903,41

0.05

1428,53
1335,27

1630,79

0.06

3438.91

454,43

646.07

545,72

3268.45

2924,87
1740,16

1328,22
1492,54
944.79

629,18
824,81

3041.17
2927.53

0.00

0.00


0.07

1070.94
1040.31

(c)
(a)

3444,64

1650.14

0.04

1025,65

1596,88

0.08

1630,79

2914.37

1163,89

1739.20

480.62454,43


Binding
1030.52

Adsorption coefficient
s
o
r
banc
e

coefficient
Adsorption
coefficient
Adsorption
s
o
r
banc
e

0.08

1240.80
0.00
0.00
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

0.00


3385
N-H
724.92
1375.0 
61240.24 847.76
3041,2927
2925
C – H aromatic
Benzoid
1584
1596
Quinoid
Quinoid
1499
1492
Benzoid
1301
1328
–N=quinoid=N–
3500 3000 2500 2000 1500 1000+ 500
1156
1163
C–N group
Wavenumber
825
N-H group
-1 824
(cm )

Hình 3.3. Phổ hồng ngoại của rơm (a), compozit PANi-rơm (c)

1465,56
33
1367,27
33

580,97
33
689,42
33
815,35
33
515,44
33

0.00
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Wavenumber (cm-1)

1584,15

0.12

1107,04
1492,79

(c)

1310,07

0.08

5


Bảng 3.7 đến 3.11. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của PANi, PPNN và compozit
PANi

Số sóng  (cm-1)
Mùn Vỏ Vỏ
Vỏ Rơm PANi cưa lạc trấu
đỗ
mùn cưa
3451 3430 3422 3422 3429 3450
3400
2917 2903 2927 2929
1057 1057 1057
1654 1636 1641 1665
1663
1562
1052 1032 1057 1012
1047
1161
2914
1739

Nhóm chức
PANi - PANi- PANi - PANi vỏ lạc vỏ trấu vỏ đỗ
rơm
3444 3450
3417 3413


1584
1499
1301
1156

1650

H-O-H trong nước
C=C vòng thơm

1030

C-O trong cellulose,

trong lignin

hemicellulose và lignin

3330

3385
2985

3385,
3300
2932

3417,
3240
2936


N-H
C – H

vòng thơm

Benzoid
Quinoid
-N=quinoid=N–
Nhóm C–N+

3.2.1.2. PANi dạng muối với các PPNN khác nhau
(a)

Hình 3.6. Phổ hồng ngoại của compozit PANi – mùn cưa (a), PANi – vỏ lạc (b),
PANi – vỏ đỗ (c) và PANi (d)
Quá trình hình thành PANi dạng trung hòa và dạng muối tồn tại trong các vật liệu
6


compozit này có thể được mô tả theo quá trình sau:

(3.1)

Bảng 3.12. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của compozit PANi –PPNN dạng muối
Số sóng  (cm-1)
Nhóm chức
PANi-mùn cưa
PANi-vỏ lạc PANi-vỏ đỗ
PANi

1499
Quinoid
1293
1301
1286
1301
–N=quinoid=N–
1231
1246
1242
1239
Nhóm C–N+
607
611
570
599
ClTừ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy vật liệu PANi – PPNN đã được tổng hợp
thành công bằng phương pháp hóa học. Vật liệu thu được tồn tại ở dạng compozit,
trong đó dạng trung hòa để nghiên cứu hấp phụ cation và dạng muối để hấp phụ anion.
3.2.2. Kết quả đo độ dẫn điện
Bảng 3.13. Kết quả độ dẫn điện của PANi và các vật liệu compozit dạng muối
(tỉ lệ monome/PPNN 1/1)
Vật liệu
PANi PANi-mùn cưa PANi – vỏ lạc PANi – vỏ đỗ
PANi-rơm
Độ dẫn điện
-3
-3
-3
0,06

nanomet.
Kết quả tương tự cũng thu được khi phân tích hình
thái học của các vật liệu compozit PANi – vỏ trấu,
PANi – mùn cưa, PANi – vỏ đỗ và PANi – rơm.
Hình 3.11. Ảnh TEM của
3.2.3.2. Compozit từ PANi dạng muối
compozit PANi –vỏ lạc
Kết quả phân tích ảnh SEM của vật liệu
compozit tổng hợp từ PANi dạng muối (hình 3.18) cho thấy PANi – mùn cưa và PANi
– vỏ lạc tồn tại ở dạng sợi với đường kính khoảng 20 ÷ 30 nm; trong khi đó PANi – vỏ
đỗ tồn tại ở dạng tấm và các sợi ngắn với đường kính khoảng 40÷50 nm.

(a)

(b
)

(c)

Hình 3.18. Ảnh SEM của compozit PANi- mùn cưa (a), PANi- vỏ lạc (b) và PANi – vỏ đỗ (c)

(a)

(c )

(b )

Hình 3.19. Ảnh TEM của compozit PANi – mùn cưa (a), PANi – vỏ lạc (b) và PANi – vỏ đỗ (c)
Từ các kết quả phân tích ảnh SEM và TEM đã khẳng định vật liệu tổng hợp từ PANi
8

20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
với vật liệu compozit PANi – PPNN. Các PPNN
2θ degree
có mặt trong vật liệu compozit có nhiệt độ phân
hủy thấp hơn hẳn so với PANi, trong đó thấp
Hình 3.21. Giản đồ nhiễu xạ tia X
nhất là vỏ lạc (2030C), cao nhất là vỏ đỗ
của PANi - Vỏ lạc (a), PANi (b)
(284,410C). PANi trong các compozit có nhiệt
và Vỏ lạc (c)
độ phân hủy không khác nhau nhiều (trong
0
khoảng 300 ÷ 342 C), trong đó thấp nhất là PANi – vỏ đỗ (322,580C) và cao nhất là
compozit PANi – vỏ trấu (349,640C).
Bảng 3.14. Nhiệt độ phân hủy của các vật liệu compozit dạng trung hòa
Nhiệt độ phân hủy (0C)
Vật liệu
PPNN
PANi
PANi

341,64
277,99
349,64

PANi
Compozit PANi/vỏ đỗ
Compozit PANi/vỏ lạc
Compozit PANi/mùn cưa
3.2.6. Đo diện tích bề mặt riêng (BET)
Kết quả phân tích đường hấp phụ và nhả hấp phụ đẳng nhiệt của vật liệu compozit
PANi– vỏ lạc cho thấy đây thuộc dạng đường loại 3 theo phân loại của IUPAC. Như vậy
theo lý thuyết thì vật liệu compozit này có cấu trúc lỗ xốp dạng macro và có khả năng hấp
phụ yếu. Sự phân bố đường kính mao quản nằm chủ yếu trong khoảng 0 ÷ 40 nm và đạt
cực đại tại 30 nm. Diện tích bề mặt riêng của mẫu compozit PANi –vỏ lạc chỉ đạt 2
m2/g.Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu hấp phụ thu được ở phần sau cho thấy khả năng hấp
phụ của PANi-vỏ lạc rất cao nhờ cấu trúc đa dạng đặc biệt của PANi.

Hình 3.28: Đường hấp phụ và nhả hấp phụ
đẳng nhiệt của vật liệu compozit PANi-vỏ lạc

Hình 3.29. Đường phân bố
đường kính mao quản

3.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu
3.3.1. Nghiên cứu hấp phụ tĩnh
3.3.1.1. Ảnh hƣởng của thời gian hấp phụ
Các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian hấp phụ cho thấy:
 Khả năng hấp phụ của vật liệu dạng compozit lớn hơn hẳn các PPNN tương ứng.
 Trong số ba ion kim loại sử dụng để nghiên cứu hấp phụ trên các VLHP đã chế
tạo thì hiệu suất hấp phụ Cd (II) là kém nhất (< 50%); trong khi hiệu suất hấp phụ


100

PANi-VL 1/1

80

PANi-VL 1/1

PANi-VL 1/2

PANi-VL 1/2

PANi-VL 1/3

% hấp phụ

% hấp phụ

PANi

PANi

80

PANi-VL 1/3

60

PANi-VL 1/4


4

6

8

pH

Hình 3.36. Sự phụ thuộc pH của các compozit PANi-vỏ lạc có tỉ lệ monome/vỏ lạc thay
đổi. Thời gian hấp phụ: 40 phút, lượng vật liệu hấp phụ: 20 mg, bên trái (a): hấp phụ
Pb (II) (Co = 15,02 mg/l), bên phải (b): hấp phụ Cd (II) (Co = 19,49 mg/l)
Có thể nhận thấy, sự hấp phụ Cd (II) và Pb (II) của compozit PANi – vỏ lạc không
chỉ phụ thuộc vào pH mà còn bị ảnh hưởng bởi tỉ lệ monome/vỏ lạc khi tổng hợp vật
liệu. Phần trăm hấp phụ Cd (II) và Pb (II) đạt khá lớn tại pH ở môi trường axit yếu (pH
= 5 và 6 tương ứng), khi tỉ lệ monome/vỏ lạc thay đổi từ 1/1 đến 1/4 thì phần trăm hấp
phụ của các ion cũng tăng; cực đại hấp phụ Cd (II) tại pH = 5 và Pb (II) tại pH = 6 với
11


tỉ lệ monome/vỏ lạc là 1/4.
Kết quả tương tự cũng thu được khi nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ monome/PPNN
trên PANi – vỏ trấu. Khả năng hấp phụ Pb (II) tốt nhất tại tỉ lệ monome/vỏ lạc 1/4 đối
với compozit PANi – vỏ lạc và 1/1 đối với compozit PANi – vỏ trấu.
Bảng 3.16. Hấp phụ Cr (VI) trên PANi-vỏ lạc có tỉ lệ monome/vỏ lạc thay đổi (pH =2)
Monome/Vỏ lạc Co (mg/l)
C (mg/l)
% hấp phụ
qe (mg/g)
1/1

80

PANi-vỏ lạc

% hấp phụ

% hấp phụ

100

PANi-vỏ trấu

60
40

(a)

20

10

20

30
40
Co (mg/l)

50

PANi-vỏ trấu

Loại compozit
PANi-vỏ lạc
PANi-vỏ trấu
PANi-vỏ lạc
PANi-vỏ trấu

C0
(mg/l)
5,65

5,65

Tỉ lệ monome/ PPNN 1/1
C (mg/l)
% hấp phụ
qe (mg/g)
3,20
43,36
32,67
3,19
43,54
32,80
Tỉ lệ monome/ PPNN ½
3,47
38,58
29,07
3,50
38,05
28,67
12


PANi-MC
PANi-VL
PANi-VĐ

0.2
0.0
0

20

40 60
Co (mg/l)

80

Hình 3.44. Sự phụ thuộc của tham số RL vào nồng độ ban đầu của Cr(VI) (a),
Pb(II) (b) và Cd (II) (c) trên các vật liệu compozit
Sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm của mô hình hấp phụ đẳng nhiệt của các ion
kim loại trên các vật liệu compozit được quyết định dựa trên 3 yếu tố:
13


 Hệ số tương quan R2 giữa các giá trị thực nghiệm và mô hình đề xuất.
 Hệ số n trong mô hình đẳng nhiệt Freundlich: 1 < n < 10 sẽ thuận lợi cho quá
trình hấp phụ.
 Tham số Langmuir RL: 0 < RL < 1 sẽ là dạng thuận lợi.
Từ các kết quả thu được trong bảng 3.18, nhận thấy các hệ số tương quan R2 khá
cao cho cả 2 mô hình hấp phụ đẳng nhiệt (R2 > 0,85); các giá trị hệ số n và tham số RL
đều nằm trong khoảng thuận lợi cho quá trình hấp phụ. Do đó mô hình hấp phụ đẳng

PANiMC
PANIVL

Mô hình Langmuir
Phương trình
qmax
R2
dạng tuyến tính
(mg/g)
y = 0,0111x
0,9965 90,09
+ 0,0503
y = 0,011x
0,9970 90,91
+ 0,0869
y = 0,0173x
0,9971 57,80
+ 0,2065
y = 0,0459x
0,9907 24,39
+ 0,035
y=0,0101x
0,9289 99,01
+ 0,5928
y = 0,0379x
0,9900 26,39
+ 0,0281
y = 0,0275x
0,9176 36,36
+ 1,0321

y = 0,5613x
0,9961 1,78
+ 0,841
y = 0,4026x
0,9523 2,48
+ 0,9305
y = 0,7178x
0,9798 1,39
+ 0,436
y = 0,4227x
0,8499 2,37
+ 0,9841
y = 0,5235x
0,9883 1,91
+ 0,4126
y = 0,5837x
0,9793 1,71
+ 0,5042
y = 0,3042x
0,9937 3,29
+ 0,7345

KF
(mg/g)
23,50
12,32
6,94
8,52
2,73
9,63

PANi
PANi
–rơm
PANiMC
PANi
–VT
PANi VL

1/0
1/2
1/2
1/2
1/4

Mô hình Langmuir
Phương trình
dạng tuyến tính
y = 0,0068x
+ 0,0109
y = 0,0046x
+ 0,0195
y = 0,0033x
+ 0,0224
y = 0,0076x
+ 0,0004
y = 0,0051x
+ 0,015

R2


y = 0,2992x
+ 1,7251
y = 0,5147x
+ 1,9685

R2

NF

KF
(mg/g)

0,9089

3,23

51,04

0,9925

3,47

71,14

0,8646

3,03

79,23



1/0
1/2
1/2
1/2
1/4

Mô hình Langmuir
Phương trình
dạng tuyến tính
y = 0,0081x
+ 0,0252
y = 0,0072x
+ 0,0534
y = 0,0057x
+ 0,0516
y = 0,0063x
+ 0,028
y = 0,0071x
+ 0,0087

R2

Mô hình Freundlich

qmax
KL
Phương trình
(mg/g) (l/mg) dạng tuyến tính



KF
(mg/g)

R2

NF

0,6792

5,78

61,18

0,7915

2,67

32,10

0,9705

2,40

33,08

0,6244

3,34


(a)

(b)

PANi-MC
PANi-VL
PANi-VĐ

0.5

3
t/qt (phút.g/mg)

lg (qe-qt)

1.5

-0.5

-1.5
0

20

40
60
t phút)

80


tuyến tính

Mô hình động học bậc 2
qtn

R2

k1
qe
(mg/g)
(mg/l) (phút-1)

PANiMC

y = -0,0167x
0,9139 9,04
+ 0,9558

0,04

PANiVL

y = -0,0218x
0,9818 11,56
+ 1,0628

PANiVĐ

y = -,0154x
0,8353 4,53


0,01

0,04

45,62

y = 0,0218x
1,000 45,87
+ 0,0205

0,02

16


Bảng 3.22. Các tham số trong mô hình động học hấp phụ Pb(II) của các vật liệu compozit
qtn

Mô hình động học bậc 1
Vật liệu
compozit

Phương trình
dạng

R2

tuyến tính



PANiVĐ

y = -0,0064x
0,9593 1,73
+ 0,2392

0,01

18,72

R2

k2
qe
(g/mg.
(mg/l)
phút)

y = 0,1994x
0,9772 5,02
+ 2,391
y = 0.0498x
+ 0,0537
y = 0,0535x
+ 0,0669

0,02

1,0000 20,08

+ 1,1747

2

R

Mô hình động học bậc 2

qtn
k1
qe
(mg/g)
(mg/l) (phút-1)

0,8845 11,51

0,03

31,15

0,8157 9,12

0,01

42,10

0,9664 14,96

0,01


0,01

Kết quả cho thấy các hệ số tương quan R2 trong phương trình động học dạng tuyến tính
quá trình hấp phụ các ion kim loại Cr (VI), Pb (II) và Cd (II) của các vật liệu hấp phụ
compozit khá lớn (R2 > 0,81). Đối với tất cả các quá trình hấp phụ của các vật liệu hấp phụ
đã tổng hợp đều có giá trị R2 của mô hình động học bậc 2 lớn hơn so với bậc 1 (R2 > 0,97).
Mặt khác, so sánh giá trị dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (qe) tính theo
mô hình và theo thực nghiệm của các vật liệu compozit, ta thấy qe theo mô hình động
học bậc 2 sát với các giá trị thực nghiệm hơn.
Điều này chứng tỏ sự hấp phụ các ion Cr (VI), Pb (II), Cd (II) của các vật liệu
compozit tỉ lệ compozit/PPNN = 1/1: PANi – mùn cưa, PANi - vỏ lạc và PANi - vỏ đỗ
phù hợp hơn với mô hình động học bậc 2. Tốc độ hấp phụ của vật liệu tại thời điểm
t phụ thuộc vào bình phương dung lượng đã hấp phụ của vật liệu hấp phụ.
Sự hấp phụ của các ion kim loại Cr (VI), Pb (II) và Cd (II) đều tuân theo mô hình
giả động học bậc 2, do đó có thể áp dụng công thức 1.22 để xác định năng lượng hoạt
động quá trình hấp phụ (Ea) của hệ.
17


Ea = RT (ln h – ln k2)
(1.22)
2
Trong đó: h = k2qe phản ánh tốc độ hấp phụ ban đầu khi qt/t tiến dần đến 0; k2: hằng số
tốc độ hấp phụ theo mô hình động học bậc 2 (g/mg.phút), T là nhiệt độ tuyệt đối (K); R
là hằng số khí (R = 8,314 J/mol.K).
Bảng 3.24. Giá trị năng lượng hoạt động quá trình hấp phụ của các ion kim loại trên
các vật liệu compozit tại 300C (tỉ lệ monome/PPNN = 1/1)
Ion kim loại Vật liệu compozit
h
k2 (g/mg.phút) Ea (kJ/mol)

compozit là quá trình hấp phụ vật lý, với sự khuếch tán ngoài đóng vai trò chính.
3.3.1.7. Nghiên cứu nhiệt động học tiêu chuẩn quá trình hấp phụ
Áp dụng công thức xác định năng lượng tự do tiêu chuẩn theo công thức (1.23), kết quả
xác định hằng số k0 và giá trị ∆G0 được thể hiện trên hình 3.49 và bảng 3.25.
∆G0 = - RT lnk0
(1.23)
Hằng số k0 được xác định từ phương trình phụ thuộc của ln (Cs/Ce) vào Cs khi Cs
tiến dần đến 0. Trong đó: Ce: nồng độ cân bằng trong dung dịch (mmol/ml), Cs: nồng độ
pha rắn tại thời điểm cân bằng (mmol/g), R: hằng số khí (8,314 J/mol.K); T: nhiệt độ
tuyệt đối (K).

Hình 3.49. Sự phụ thuộc của ln (Cs/Ce) vào Cs của Cd (II)và Pb (II) trên các compozit
tại nhiệt độ 300C (tỉ lệ monome/PPNN = 1/1)
Kết quả cho thấy, sự hấp phụ Cr (VI), Pb (II) và Cd (II) trên các vật liệu compozit
có năng lượng tự do tiêu chuẩn ∆G0 < 0. Điều này chứng tỏ, tại điều kiện chuẩn, quá
18


trình hấp phụ các ion này là quá trình tự diễn biến.
So sánh giá trị ∆G0 quá trình hấp phụ của các ion trên các compozit ta thấy: sự hấp
phụ Cr (VI) trên PANi - mùn cưa xảy ra dễ dàng hơn PANi - vỏ lạc; sự hấp phụ Pb (II)
và Cd (II) trên PANi – vỏ lạc dễ dàng hơn so với PANi – mùn cưa; trong các ion: Cr
(VI), Pb (II), Cd (II) thì sự hấp phụ Pb (II) trên các compozit PANi – vỏ lạc và PANi –
mùn cưa dễ dàng hơn so với sự hấp phụ các ion Cr (VI) và Cd (II).
Bảng 3.25 . Giá trị ∆G0 quá trình hấp phụ các ion kim loại trên các vật liệu compozit
(tỉ lệ monome/PPNN = 1/1)
Ion kim loại
Vật liệu compozit
k0
∆G0 (kJ/mol)


3

3

1

Hình 3.50 . Đồ thị biểu diễn quá trình khuếch tán của Cr (VI) trên compozit PANi –
vỏ lạc (1:1) (a) và PANi – mùn cưa (1:1) (b)
Nghiên cứu cơ chế hấp phụ của các ion kim loại trên các vật liệu hấp phụ compozit
bằng cách phân tích quá trình khuếch tán từ trong lòng dung dịch đến bề mặt vật liệu
hấp phụ nhờ xây dựng mối quan hệ giữa dung lượng hấp phụ qt phụ thuộc vào căn bậc
2 của thời gian hấp phụ theo phương trình (1.24).
qt = kt t0,5 + B
(1.24)
Trong đó: kt: hằng số tốc độ khuếch tán (mg g-1 phút0,5 ); B: hằng số
Kết quả thể hiện trên hình 3.50 và bảng 3.26 cho thấy, sự hấp phụ được phân thành
3 giai đoạn rõ rệt, tương tự như tài liệu đã công bố:
 Giai đoạn 1 : Khuếch tán từ dung dịch đến bề mặt chất hấp phụ.
 Giai đoạn 2: Khuếch tán từ bề mặt chất hấp phụ vào trong phân tử.
 Giai đoạn 3: Xảy ra sự hấp phụ thực sự.
19


Dựa vào hằng số khuếch tán ở các giai đoạn, ta có thể nhận thấy, giai đoạn 1 được
thể hiện rất rõ ràng, quá trình này xảy ra nhanh với hằng số tốc độ khuếch tán lớn. Giai
đoạn 2 diễn ra từ từ, chậm hơn giai đoạn 1; giai đoạn 3 thường diễn ra rất chậm, hằng
số khuếch tán nhỏ nhất, đây chính là giai đoạn quyết định quá trình hấp phụ ion kim
loại của vật liệu.
Kết quả tương tự cũng thu được khi nghiên cứu cơ chế hấp phụ của ion Pb (II) và

PANi-VL
R2

ki
(mg.g-1.
phút 0,5)

B

R2

0

1

12,152

6.10-15

1

2,295

34,211

0,8949

5,426

10,515

-15

1

1

77,198

3.10

0,6881

0,9596

16,631

12,212

1

0,403

0,4514

0,9919

0,0636

19,238


1,0236

20,309

0,8815

0,2385

37,638

1

3.3.1.9. Khảo sát khả năng hấp phụ của một số vật liệu compozit trên mẫu thực
Các mẫu nghiên cứu được thu thập bao gồm các mẫu nước thải thuộc phạm vi ảnh
hưởng của nhà máy Kẽm điện phân Sông Công, thị xã Sông Công, tỉnh Thái Nguyên.
Bảng 3.30. Kết quả tách loại ion Cd (II) ra khỏi nước thải của nhà máy
Kẽm điện phân – Sông Công Thái Nguyên của các vật liệu compozit
PANi – vỏ lạc
PANi – vỏ đỗ
PANi – mùn cưa
C0
Mẫu
C
H
C
H
C
H
(mg/l)
(mg/l)

(Dấu " - ” hấp phụ hoàn toàn)
20


Kết quả phân tích mẫu nước thải của nhà máy Kẽm điện phân Sông Công trước và sau
khi xử lý bằng vật liệu compozit PANi dạng muối đã chế tạo (bảng 3.30) cho thấy: hàm
lượng Cd (II) trước khi xử lý khá cao và vượt tiêu chuẩn cho phép của nước thải công
nghiệp nhiều lần và sau khi xử lý đều giảm rõ rệt.
Khi sử dụng vật liệu compozit PANi vỏ lạc và PANi – vỏ đỗ để loại bỏ ion Cd (II)
ra khỏi mẫu M1 và M3 ta thấy Cd (II) đã được loại bỏ hoàn toàn ra khỏi nước thải. Do
vậy có thể sử dụng cho mục đích cấp nước dùng trong sinh hoạt. Đối với mẫu M2 nồng
độ Cd (II) cũng giảm đáng kể nhưng vẫn lớn hơn 0,01 mg/l, đạt tiêu chuẩn cho phép
của nước thải công nghiệp ở mức 2 (0,01 < C < 0,5) – cho phép dùng cho các hoạt
động nông nghiệp. Vì vậy có thể tiếp tục hấp phụ lần 2 để loại bỏ ion Cd (II) đến mức
cho phép cần thiết.
Khi sử dụng compozit PANi - mùn cưa làm vật liệu hấp phụ, ion Cd (II) đã bị loại
bỏ hoàn toàn ra khỏi mẫu M3. Với mẫu M1 và mẫu M2 thì nồng độ giảm đi rõ rệt và
đạt tiêu chuẩn cho phép của nước thải công nghiệp ở mức 2.
Kết quả nghiên cứu tương tự cũng được xác định khi sử dụng compozit PANi – vỏ
đỗ, PANi – mùn cưa, PANi – vỏ lạc loại bỏ Pb (II) và Cr (VI) ra khỏi các mẫu nước thải.
Từ kết quả xử lý các ion Cr (VI), Pb (II) và Cd (II) bằng các vật liệu compozit cho
thấy: có thể sử dụng các vật liệu này để hấp phụ các ion kim loại nặng có trong nước thải
khu công nghiệp. Để nâng cao hiệu quả hấp phụ của VLHP, có thể tiến hành hấp phụ
nhiều lần để hấp phụ hoàn toàn và có thể sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
Trong các vật liệu compozit, compozit PANi – vỏ lạc có khả năng hấp phụ tốt hơn
PANi – vỏ đỗ và PANi – mùn cưa.
3.3.2. Nghiên cứu hấp phụ động
Qua tiến hành nghiên cứu hấp phụ tĩnh quá trình hấp phụ các ion kim loại Cr (VI), Pb
(II), Cd (II) trên vật liệu compozit nhận thấy rằng quá trình hấp phụ này diễn ra theo mô
hình hấp phụ đẳng nhiệt, nhiệt động học và cơ chế hấp phụ đều tương tự như nhau. Do vậy,


Tiến hành thí nghiệm ở nồng
độ Cr (VI) ban đầu 4,97 và 9,99
mg/l, pH = 1, tốc độ dòng chảy Q =
0,5 ml/phút. Kết quả thực nghiệm
trên hình 3.57 cho thấy, khi nồng
độ ban đầu tăng thì lượng Cr (VI)
tương ứng sau khi ra khỏi cột hấp
phụ ở cùng một thời điểm tăng, thời
gian hoạt động của cột hấp phụ
giảm.

3.3.2.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của khối lƣợng chất hấp phụ
Tiến hành thí nghiệm với các khối
lượng chất hấp phụ 0,05 g; 0,08 g và
0,1 g ở nồng độ Cr (VI) ban đầu 4,97
mg/l, pH = 1, tốc độ dòng chảy Q =
0,5 ml/phút.
Kết quả thực nghiệm trên hình
3.58. cho thấy, khi khối lượng chất
hấp phụ tăng thì lượng Cr (VI) tương
ứng sau khi ra khỏi cột hấp phụ ở
Hình 3.58. Ảnh hưởng của khối lượng vật
cùng một thời điểm giảm
liệu hấp phụ đến đường cong thoát của
Cr(VI), Q = 0,5 ml/phút, C0 = 4,97 mg/l
3.3.2.4. Nghiên cứu động học hấp phụ theo các mô hình hấp phụ động

Hình 3.59. Phương trình động học Thomas (a) Yoon – Nelson (b) và Bohart-Adam (c)
dạng tuyến tính tại các tốc độ dòng chảy khác nhau, nồng độ Cr (VI) ban đầu Co = 4,97

phút)
mg)
9,99
0,5
0,8
0,12
150,91 0,869 0,12.10-2
3018,3
0,869
4,97

0,5

0,8

0,62

51,08

0,928

0,31.10-2

2053,1

0,928

-2

1320,4


1046,9

0,856

0,29.10

-2

2031,3

0,921

0,26.10

-2

2017,4

0,912

4,97
4,97

0,5
0,5

0,6
0,4


4,97
0,5
0,8
0,62.10-3
63,72
0,926
-3
4,97
1,0
0,8
1,03.10
83,51
0,913
4,97
2,0
0,8
1,22.10-3
127,95
0,856
-3
4,97
0,5
0,6
0,58.10
84,13
0,919
4,97
0,5
0,4
0,54.10-3

tb
L (cm)
η (%)
ts (phút)
(ml/phút)
(phút)
(cm)
0,71
10,71
0,5
0,8
609
5689
0,54
32,50
0,5
0,8
788
2764
0,57
28,75
1,0
0,8
584
1773
0,58
27,86
2,0
0,8
388

điều kiện tốc độ dòng chảy 0,5 ml/phút, nồng độ ban đầu 4,97 mg/l, chiều cao cột hấp phụ
0,8 cm hiệu suất sử dụng cột hấp phụ lớn nhất.
KẾT LUẬN
1. Đã tổng hợp thành công vật liệu compozit PANi trên các PPNN là mùn cưa, vỏ lạc,
vỏ đỗ, vỏ trấu và rơm bằng phương pháp hóa học. Cấu trúc và tính chất của vật liệu
compozit được khẳng định bằng các phương pháp phân tích đặc trưng cấu trúc cho
thấy: vật liệu compozit tồn tại ở dạng sợi với kích cỡ 10 ÷ 50 nm; các vật liệu
compozit có nhiệt độ phân hủy nhỏ hơn so với PANi riêng rẽ, sự có mặt của các
PPNN đã làm giảm độ dẫn điện của compozit dạng muối xuống 31÷ 46 lần so với
PANi riêng rẽ; compozit có cấu trúc dạng lỗ xốp với diện tích bề mặt riêng nhỏ (2
m2/g đối với PANi-vỏ lạc).
2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của các ion kim loại nặng Cr (VI), Pb (II) và Cd (II)
trên các compozit đã tổng hợp cho thấy: Khả năng hấp phụ Cr (VI) trên các
compozit tốt nhất ở môi trường axit mạnh (pH ≤ 3), hấp phụ Pb (II) và Cd (II) tốt
nhất ở môi trường axit yếu (pH = 5 - 6); thời gian đạt cân bằng hấp phụ t = 30 ÷ 40
phút; dung lượng hấp phụ tăng khi nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ tăng; Hiệu suất
24


hấp phụ phụ thuộc vào bản chất của chất hấp phụ.
3. Sự hấp phụ các ion kim loại Cr (VI), Pb (II) và Cd (II) trên các vật liệu compozit tuân
theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich. Quá trình hấp phụ tuân
theo mô hình động học hấp phụ bậc 2: Tốc độ hấp phụ của vật liệu tại thời điểm t phụ
thuộc vào bình phương dung lượng đã hấp phụ của vật liệu hấp phụ; đây là quá trình
hấp phụ vật lý (Ea < 25 kJ/mol) và tự diễn biến ở điều kiện tiêu chuẩn với ∆G0 < 0.
4. Các vật liệu đã tổng hợp có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng Cr (VI), Pb
(II) và Cd (II) trong mẫu thực với hiệu suất khá cao, trong đó, PANi-vỏ lạc có
khả năng hấp phụ các ion này tốt hơn PANi-vỏ đỗ và PANi-mùn cưa.
5. Quá trình hấp phụ Cr (VI) trên PANi – vỏ lạc tuân theo mô hình động học Thomas,
Yoon-Nelson, Bohart-Adam. Thời gian hoạt động của cột hấp phụ tăng khi tốc độ