Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
----------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH VỎ TRẤU
BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXI HÓA ĐỂ HẤP PHỤ
KIM LOẠI SẮT TRONG DUNG DỊCH

Cán bộ hướng dẫn

SVTH: Nguyễn Văn Hiểu

ThS. Lê Đức Duy

MSSV: 2112136

SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang 1

CẦN THƠ
2015



Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ.
5. Mục tiêu đề tài
Tìm ra phương pháp tối ưu để biến tính vỏ trấu hấp phụ ion kim loại
sắttrong nước thải.
6. Các nội dung chính của đề tài
- Xử lý vỏ trấu
- Khảo sát

Cán bộ hướng dẫn

Sinh viên thực hiện

Lê Đức Duy

Nguyễn Văn Hiểu

Duyệt của bộ môn
SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Duyệt của hội đồng thi và xét tốt nghiệp
Trang 1


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

TRƯỜNG ĐH CẦN THƠ

CBHD: ThS Lê Đức Duy

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
 Những vấn đề còn hạng chế
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang 2


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy

.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
c. Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội
dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có)
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................

BẢNG
........................................................................................................
iii
DANH
MỤC
HÌNH
........................................................................................................
iv
CHƯƠNG
1
GIỚI
THIỆU
........................................................................................................
1
CHƯƠNG
2
TỔNG
QUAN
........................................................................................................
3
2.1 Tổng
quan
về
vỏ
trấu
.........................................................................................................................
3
2.2 Tổng
quan
về

2.3.3 Sử dụng vi tảo để xử lý kim loại nặng trong nước thải.
........................................................................................................
7
2.3.4 Xử lý ô nhiễm kim loại nặng bằng các phương pháp hóa
lý
........................................................................................................
7
2.4 Tổng
quan
về
hấp
phụ.
.........................................................................................................................
7
2.4.1 Khái
niêm
hấp
phụ.
........................................................................................................
7
2.4.2 Sự
hấp
phụ
trên
ranh
giới
lỏng
rắn.
........................................................................................................
8

Absorption
Spectroscopy).
........................................................................................................
12
CHƯƠNG 3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
........................................................................................................
13

SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang ii


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy

3.1 Nguyên
liệu.
........................................................................................................................
13
3.2 Thiết
bị.
........................................................................................................................
13
3.3 Hoá
chất.
........................................................................................................................
13
3.4 Phương

bắng
KMnO4.
........................................................................................................................
15
4.5 Dựng đường chuẩn
..............................................................................................................................
16
CHƯƠNG 5 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA CÁC MẪU TRẤU.
...........................................................................................................................................
19

SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang iii


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy

5.1 Phân loại mẫu.
.............................................................................................................................
19
5.2 Khảo sát khả năng hấp phụ trong môi trường pH từ 2.5 – 2.6.
.............................................................................................................................
19
5.3 Khảo sát trong môi trường có pH từ 4.0 – 4.2.
.............................................................................................................................
20
5.4 Khảo sát khả năng hấp phụ của vỏ trấu sau khi siêu âm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
................................................................................................................................................
28

SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang iv


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy

DANH MỤC BẢNG

Bảng

2.1

Sự

hấp

thụ

ánh

sáng

của

16
SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang v


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

Bảng 4.2

CBHD: ThS Lê Đức Duy

Số liệu đo UV-VIS phổ tại bước sóng 520 nm của các mẫu

chuẩn
...........................................................................................................................................
17
Bảng 5.1 kết quả đo Abs của dung dịch sau khi được hấp phụ ở pH 2.5 –
2.6
...........................................................................................................................................
19
Bảng 5.2 Kết quả đo Abs của dung dịch sau khi được hấp phụ ở pH 4.0 –
4.2
...........................................................................................................................................
20
Bảng

5.3

Kết


quả

khảo

sát

ở

các

nồng

độ

FeCl3

khác

nhau
...........................................................................................................................................
21
Bảng

5.5

Kết

quả


1
Hình 2-1: Vỏ trấu
...........................................................................................................................................
3
Hình 2-2 : Máy quan phổ hấp phụ UVVis
...........................................................................................................................................
12
Hình 4-1: 6 mẫu trấu trước khi mang đi oxi
hoá
...........................................................................................................................................
15
Hình 4-2: Oxi hoá
trấu
...........................................................................................................................................
15
Hình 4-3: Trâu sau khi oxi
hoá

SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang vii


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy

...........................................................................................................................................
15
Hình 4-3: Dung dịch chuẩn sau khi

...........................................................................................................................................
24

SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang viii


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy

Hình 5-7: Kết quả đo IR của mẫu ¼ không xử lý HCl và không được oxi
hóa
...........................................................................................................................................
25
Hình 5-8: IR của 4 mẫu trấu
...........................................................................................................................................
26

SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang ix


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy

Chương 1


Xói mòn đất

Lắng đọng
từ khí
quyển

Nước
mặt

Nước ngầm

Hình 1-1: Con đường ô nhiễm Kim loại nặng [1-4]

Hiện tượng nước bị ô nhiễm kim loại nặng thường gặp trong các lưu vực nước gần
các khu công nghiệp, các thành phố lớn và khu vực khai thác khoáng sản. Ô nhiễm kim
loại nặng biểu hiện ở nồng độ cao của các kim loại nặng trong nước. Trong một số
trường hợp, xuất hiện hiện tượng cá và thuỷ sinh vật chết hàng loạt.
Do đó, nghiên cứu tách các ion kim loại nặng và hợp chất hữu cơ độc hại từ các
nguồn nước bị ô nhiễm là vấn đề quan trọng nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và thu
hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Đã có nhiều phương pháp được sử dụng, trong
SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang 1


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy


Trong số đó, sản lượng trấu thu gom được khoảng 4 - 5 triệu tấn, phần còn lại không thu
gom được bị thải ra ngoài môi trường. Với các tính chất tự nhiên như cứng, có xơ và dễ
gây trầy khiến các sản phẩm làm từ trấu ít đươc quan tâm. Cho tới nay chưa có phương
án nào sử dụng hữu hiệu nguồn phế liệu trên trừ làm nhiên liệu đốt thẳng hay sử dụng
làm chất độn cho phân chuồng. Lượng trấu không được sử dụng hiện nay rất lớn, đặc
biệt tại các nhà máy xay xát gạo. Do ít có giá trị kinh tế, cũng như giá trị sử dụng nên
vỏ trấu được coi như một loại phế thải nông nghiệp, và là một trong những yếu tố gây
ô nhiễm môi trường .[5]

Hình 2-1 Vỏ trấu (Công ty TNHH TM DV XNK Phạm Tuấn)

Thành phần hoá học của vỏ trấu bao gồm
-

-

Xenlulô: chiếm nhiều nhất khoảng (26 – 35%) là hợp chất cao phân tử có công
thức cấu tạo là (C6H10O5)n.
Hemi – Xenlulô: chiếm khoảng (18 – 22%) là hợp chất hóa học tương tự như
xenlulô nhưng có kích thước phân tử nhỏ hơn và không có cấu trúc chặt chẽ cũng
như độ bền hóa lý thấp hơn xenlulô.
Lignin: chiếm khoảng (25 – 30%) là hợp chất cao phân tử có cấu trúc vô định
hình khác với xenlulô. Lignin tồn tại ở 3 trạng thái: thủy tinh ( biến dạng là biến
dạng đàn hồi ), dẻo ( biến dạng không thuận nghịch ), lỏng dính. Đây cũng chính
là chất kết dính được tiết ra trong quá trình ép củi trấu.

SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang 3


thể căn cứ vào trạng thái hoá học, vật lý, hoá lý, sinh học của nước .Ví dụ như khi nước
bị ô nhiễm sẽ có mùi khó chịu, vị không bình thường, màu không trong suốt, số lượng
cá và các thuỷ sinh vật khác giảm, cỏ dại phát triển, nhiều mùn, hoặc có váng dầu mỡ
trên mặt nước. Số lượng ngày càng tăng của kim loại nặng trong môi trường là nguyên
nhân gây nhiễm độc đối với đất, không khí và nước. Việc loại trừ các thành phần chứa
kim loại nặng độc ra khỏi các nguồn nước, đặc biệt là nước thải công nghiệp là mục tiêu
môi trường quan trọng bậc nhất phải giải quyết hiện nay.[8]
Hầu hết các kim loại nặng như Pb, Hg, Cd, As, Cu, Zn, Fe, Cr, Co, Mn, Se, Mo
tồn tại trong nước ở dạng ion. Chúng phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó chủ
yếu là từ các hoạt động công nghiệp.[7]
Khác với các chất thải hữu cơ có thể tự phân hủy trong đa số trường hợp, các kim
loại nặng khi đã phóng thích vào môi trường thì sẽ tồn tại lâu dài. Chúng tích tụ vào các
mô sống qua chuỗi thức ăn mà ở đó con người là mắt xích cuối cùng. Quá trình này bắt
đầu với những nồng độ rất thấp của các kim loại nặng tồn tại trong nước hoặc cặn lắng,
SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang 4


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy

rồi sau đó được tích tụ nhanh trong các động vật và thực vật sống trong nước. Tiếp đến
là các động vật khác sử dụng các thực vật và động vật này làm thức ăn, dẫn đến nồng
độ các kim loại nặng được tích lũy trong cơ thể sinh vật trở nên cao hơn. Cuối cùng ở
sinh vật cao nhất trong chuỗi thức ăn, nồng độ kim loại sẽ đủ lớn để gây ra độc hại. Con
người, xét theo quan điểm sinh thái, thường có vị trí cuối cùng trong chuỗi thức ăn, vì
thế họ vừa là thủ phạm vừa là nạn nhân của ô nhiễm kim loại nặng.[7-12]
Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm loại bỏ kim loại nặng trong nước thải

cũng có thể đi vào tế bào làm tổn thương niêm mạc dạng hạt trong tế bào, hoại

SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang 5


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy

tử tế bào gan và dung giải tế bào thần kinh, chức năng gan suy giảm và co giật,
thậm chí có thể dẫn tới tử vong.[12]
Hàm lượng sắt tăng cao cũng đẩy nhanh quá trình oxy hóa của cholesterol.
Hiện tượng có thể tác động tiêu cực đến tính ổn định của máu, tăng ma sát và
làm suy yếu, thậm chí phá vỡ các thành động mạch. Quá trình này rốt cuộc có
thể góp phần dẫn tới bệnh tim mạch.[13]
Cũng tuỳ vào độ tuôi và giới tính mà nhu cầu sắt cho cơ thể khác nhau.[13]
2.3 Một số phương pháp xử lý kim loai nặng trong nước thải.
Các phương pháp xử lý kim loại nặng nói riêng và xử lý nước thải nói chung đề cấn các
tiêu chí sao
- Đơn giản
- Rẻ tiền
- Nguyên liệu dễ kiếm
- Có thời gian xử lý ngắn
- Hiệu quả xử lý cao
- Chất thải (kim loại nặng) đầu ra phải nhỏ hơn so với tiêu chuẩn cho phép
- Không gây ô nhiễm thứ cấp
- Có thể hoàn nguyên lại kim loại quý
2.3.1 Xử lý ô nhiễm kim loại nặng bằng các phương pháp sinh học.

thải. Với các nguồn nước thải công nghiệp có nồng độ kim loại nặng cao và pH cực
đoan thì việc xử lý chúng bằng các phương pháp hóa lý là rất ưu thế.
Các phương pháp hóa lý thường được sử dụng là:
- Phương pháp bay hơi.
- Phương pháp kết tủa hóa học.
- Phương pháp trao đổi ion.
- Phương pháp hấp phụ.
- Kỹ thuật màng.
- Phương pháp điện hóa.[6-11]
2.4 Tổng quan về hấp phụ
2.4.1 Khái niệm hấp phụ
Hấp phụ trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút
trên bề mặt một chất rắn xốp. Chất khí hay lỏng được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbent),
chất rắn xốp dùng để hút khí hay hơi gọi là chất hấp phụ (adsorbate) và những khí không
bị hấp phụ gọi là khí trơ. Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp phụ
hay nhả hấp phụ.
Trong quá trình hấp phụ có toả ra một nhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ. Bề mặt
càng lớn tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn.
Có 2 quá trình hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.[15]
 Hấp phụ vật lý: là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực hấp phụ có bản chất
vật lí và không hình thành liên kết hóa học, được thể hiện bởi các lực liên kết
yếu như liên kết Van der Waals, lực tương tác tĩnh điện hoặc lực phân tán
London. Hấp phụ vật lý xảy ra ở nhiệt độ thấp, nhiệt hấp phụ thường nhỏ hơn
so với hấp phụ hóa học, khoảng dưới 20 kJ/mol.[16]
Quá trình hấp phụ vật lý đối với chất hấp phụ và các ion kim loại nặng
trong nước thường xảy ra là nhờ lực hút tĩnh điện giữa các ion kim loại này
với các tâm hấp phụ. Mối liên kết này thường yếu và không bền. Tuy nhiên
chính gì lý do đó mà quá trình giải hấp phụ để hoàn nguyên vật liệu hấp phụ
và các kim loại dễ dang.
 Hấp phụ hoá học: là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực có bản chất hóa học.

 Sự hấp phụ phân tử chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau:.Ảnh hưởng của
dung môi: Cấu tử nào có sức căng bề mặt nhỏ sẽ được ưu tiên hấp phụ vì thế khi
cho một dung dịch tiếp xúc với chất hấp phụ rắn, giữa dung môi và chất phân tán
thường có sự cạnh tranh trong quá trình hấp phụ lên bề mặt vật rắn. Dung môi
càng khó bị hấp phụ trên chất hấp phụ thì sự hấp phụ chất tan càng dễ. Ví dụ: sự
hấp phụ trên chất rắn thường diễn ra tốt từ dung dịch nước, và kém hơn từ các
dung dịch ít phân cực như dung môi hữu cơ.[19]
Dung môi càng hòa tan tốt chất bị hấp phụ thì sự hấp phụ chất tan ấy càng
kém. Ví dụ: khi hấp phụ chất béo diễn ra trên chất hấp phụ ưa nước như (silicagel)
từ môi trường dung môi kém phân cực (như benzen), đối với chất béo A có phân
tử lượng cao hơn sẽ tan tốt trong môi trường này hơn là chất béo B có phân tử
lượng thấp, lẽ ra sự hấp phụ A là nhiều hơn B nhưng thực tế lại ít hơn.
 Ảnh hưởng của tính chất chất hấp phụ: Bề mặt phân cực sẽ hấp phụ tốt
chất bị hấp phụ phân cực và ngược lại. Trạng thái vật lý và độ xốp của chất hấp
phụ cũng ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp phụ. Ví dụ: các chất hấp phụ ở
trạng thái vô định hình hấp phụ các chất khí và chất lỏng tốt hơn các chất kết tinh.
 Ảnh hưởng của chất bị hấp phụ:
- Quá trình hấp phụ diễn ra theo chiều hướng làm san bằng sự phân cực giữa
các pha, qui tắc này gọi là qui tắc cân bằng hóa độ phân cực, còn gọi là qui tắc
Rebinder.[19]

SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang 8


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy


Hiện tượng hấp phụ phân tử có ý nghĩa rất lớn vì nó là một trong những
hiện tượng quan trọng diễn ra trong cơ thể động vật cũng như trong nhiều quá
trình kỹ thuật khác. Các hiện tượng biến đổi hóa học khi đồng hóa thức ăn thường
bắt đầu bằng sự hấp phụ những đối chất này trên bề mặt xúc tác tự nhiên- enzym.
Trong thẩm thấu, sự chuyển các chất qua màng bán thẩm cũng bắt đầu từ hiện
tượng hấp phụ xảy ra trên bề mặt phân cách rắn - lỏng. Sự hấp phụ trong dung
dịch được ứng dụng rộng rãi trong việc tách các hệ nhiều cấu tử, gọi chung là
phương pháp sắc ký, trong việc làm sạch chất lỏng, thu hồi hóa chất quí, đánh giá
bề mặt riêng. [19]

SVTH: NguyễnVăn Hiểu

Trang 9


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy

2.4.2.2 Sự hấp phụ chất điện ly
Đối với dung dịch nước, các chất điện ly là những chất không hoạt động
bề mặt, sự có mặt của chúng trong dung dịch làm tăng sức căng bề mặt của dung
dịch, trên mặt thoáng của dung dịch chúng bị hấp phụ âm.
Khi có mặt trong dung dịch một vật hấp phụ rắn thì trên bề mặt phân cách
vật rắn - dung dịch thường có sự hấp phụ dương những chất điện ly. Sự hấp phụ
chất điện ly thường có tính chọn lọc, phụ thuộc vào hóa trị của ion, bán kính ion,
mức độ solva thóa ion.[19]
Các ion trong dung dịch chất điện ly là những phần tử tích điện, cho nên
sự hấp phụ các ion là quá trình diễn ra sự phân bố lại điện tích. Động lực của quá
trình là điện trường trong khu vực lớp bề mặt. Ví dụ như sự chuyển các cation từ


Trang 10


Luận văn tốt nghiệp - CNHH

CBHD: ThS Lê Đức Duy

một lượng tương đương, do đó sẽ gây nên những thay đổi lý, hóa tính cho đất sau
một thời gian.[19]
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sự trao đổi ion là xử lý
nước.[19]
2.4.3 Hấp phụ trên bề mặt rắn – khí
Bình thường thì bề mặt các chất hấp phụ không đồng nhất do những đặc
thù của cấu tạo và do phương pháp điều chế. Sự không đồng nhất của bề mặt làm
cho việc xây dựng các lý thuyết trở nên phức tạp. Để thu được những qui luật
định lượng đơn giản nhất, chúng ta chỉ xét những bề mặt đồng nhất.
Hấp phụ xảy ra trên những trung tâm hoạt động của bề mặt chất hấp phụ.
Đó có thể là những điểm nhô lên của bề mặt, nơi tồn tại sự chưa bảo hoà của
trường lực, có khả năng giữ các phân tửkhí bay ra. Bán kính tác dụng của lực hấp
phụ nhỏ, có bản chất gần như lực hoá học. Cho nên mỗi một trung tâm hấp phụ
một phân tử khí và như vậy trên bề mặt tạo thành một lớp hấp phụ đơn phân
tử.[19]
2.5 Tổng quan về quang phổ học
Cùng với sự phát triển khoa học và công nghệ, các phương pháp vật lý
được nghiên cứu và phát triển, đặc biệt là các phương pháp phổ được sử dụng
rộng rãi để nghiên cứu các hợp chất hóa học cũng như các quá trình phản ứng
hóa học. Những phương pháp này đặc biệt có ý nghĩa đối với việc xác định các
hợp chất hữu cơ. Cơ sở của phương pháp phổ là quá trình tương tác của các bức
xạ điện từ đối với các phân tử vật chất. Khi tương tác với các bức xạ điện từ, các

đại và cực tiểu của phổ là những vùng sóng λ nhất định tuỳ theo cấu trúc và
liên kết của phân tử hay nhóm nguyên tử có trong hợp chất. Phổ này chủ yếu
nằm trong vúng 190 – 900nm. Do đó được gọi là phổ hấp thụ UV – Vis phân tử
hay nhóm phân tử.[21]

Hình 2-2 : Máy quan phổ hấp phụ UV-Vis
Bảng 2.1 Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu[21]

Bước sóng (nm)
400 – 450
450 – 480
480 – 490
490 – 500
500 – 560
560 – 575
575 – 590
590 – 625
625 – 750
750 – 800

Màu của tia đơn sắc
Vùng tím
Vùng chàm
Vùng chàm lục
Vùng lục chàm
Vùng lục
Vùng lục ánh vàng
Vùng vàng
Vùng da cam
Vùng đỏ