BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
KHOA CÔNG NGHỆ
TRƢỜNG -----------ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU
NGHIÊN
CỨU
TỔNG
HỢP
VẬT LIỆU
HẤP PHỤ
MAO
QUẢN
TRUNG
BÌNH
HẤP PHỤ MAO
TRUNG BÌNH
TỪQUẢN
BÃ MÍA
TỪ BÃ MÍA

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN:
Ths. Huỳnh Thu Hạnh


GVHD: Huỳnh Thu Hạnh

LỜI MỞ ĐẦU

Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, rất thuận lợi cho ngành mía đường phát
triển. Niên vụ sản xuất mía đường 2006 - 2007, diện tích mía cả nước là 310,067ha, sản
lượng mía thu hoạch đạt khoảng 17 triệu tấn. Năm 2010, sản lượng đường sản xuất trong
cả nước đạt 1,5 triệu tấn.
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. Tuy là phế thải nhưng trong tro
và bã bùn lại có nhiều chất hữu cơ, và đó cũng là một nguyên nhân gây ô nhiễm mạch
nước ngầm và nước mặt cũng bị ô nhiễm trầm trọng. Vì vậy, nhu cầu sử dụng vật liệu
hữu cơ, vô cơ để chế tạo các thiết bị lọc nước và hấp phụ các kim loại ngày càng thu hút
sự quan tâm của các nhà khoa học.
Vật liệu vi mao quản đã được ứng dụng rộng rãi trong xúc tác và hấp phụ, nhưng
có điểm hạn chế là không thích hợp với các phân tử lớn. Để khắc phục nhược điểm trên
các nhà khoa học đã nghiên cứu và tìm ra vật liệu hấp phụ mao quản trung bình từ bã
mía. Tuy nhiên, ở Việt Nam vật liệu này vẫn chưa được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi.
Xuất phát từ thực tế trên, em chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ
mao quản trung bình từ bã mía, ứng dụng xử lí kim loại nặng trong nước”
Mục đích của đề tài là tổng hợp vật liệu hấp phụ mao quản trung bình từ bã mía.
Qua đó, mẫu xúc tác khi tổng hợp được phân tích bằng các phương pháp phân tích hóa lý
như phân tích phổ hồng ngoại. Sau đó ứng dụng xử lí kim loại nặng trong nước.


SVTH: Bùi Phong Phú



1.2.

1.1.4.1.

Cơ chế định hướng theo tinh thể lỏng .............................................. 4

1.1.4.2.

Cơ chế sắp xếp ống.......................................................................... 5

1.1.4.3.

Cơ chế tạo lớp trung gian................................................................. 5

1.1.4.4.

Cơ chế gấp ...................................................................................... 6

1.1.4.5.

Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc ........................................................... 6

Giới thiệu về vật liệu hấp phụ bã mía............................................................... 6

1.2.1. Nguồn nguyên liệu. .................................................................................... 6


GVHD: Huỳnh Thu Hạnh



Ảnh hưởng của dung môi ...............................................................11

1.3.2.2.

Ảnh hưởng của chấp hấp phụ và bị hấp phụ....................................12

1.3.2.3.

Ảnh hưởng của nhiệt độ..................................................................12

1.3.3. Các phương pháp phân tích hóa lý.............................................................13
1.3.3.1.

Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoài ................................13

1.3.3.2.

Phương pháp phân tích thành phần .................................................14

1.3.3.3.

Phương pháp phân tích quang phổ nhiễu xạ tia X ...........................15

1.3.3.4.

Phương pháp xác định diện tích bề mặt ..........................................15

1.3.3.5.


2.3.

Khảo sát khả năng hấp phụ của ion kim loại trong nước .................................19

2.3.1. Định lượng kim loại ..................................................................................19
2.3.1.1.

Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP

đối với Cu2+ ....................................................................................................19
2.3.1.2.

Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP

đối với Pb2+ ....................................................................................................20
2.3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của của VLHP .......21
2.3.2.1.

Ảnh hưởng của thời gian ................................................................21

2.3.2.2.

Ảnh hưởng của pH .........................................................................21

2.3.2.3.

Ảnh hưởng của nồng độ..................................................................21

PHẦN 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...............................................................22
3.1.

3.3.1.4.

Cân bằng hấp phụ của ion Cu2+.......................................................30

3.3.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ kim loại
của VLHP đối với Pb2+ ......................................................................................................31
3.3.2.1.

Kết quả ảnh hưởng của thời gian ....................................................31

3.3.2.2.

Kết quả ảnh hưởng của pH .............................................................33

3.3.2.3.

Kết quả ảnh hưởng của nồng độ .....................................................35

3.3.2.4.

Cân bằng hấp phụ ...........................................................................36

PHẦN 4 KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................38
4.1. Kết luận ........................................................................................................... 38
4.2. Kiến nghị ......................................................................................................... 39
Lời cảm ơn
Tài liệu tham khảo


SVTH: Bùi Phong Phú


Vật liệu mao quản

MQTB

Mao quản trung bình

SBA-16

Santa Barbara Amorphous - 16

MINR

Minimum Ring

ĐHCT

Định hướng cấu trúc

BET

Brunauer-Emmett-Teller (đo diện tích bề mặt riêng)

I

Tiền chất vô cơ

S

Chất hoạt động bề mặt


Sanning Electron Microscopy (hiển thị điện tử quét)

VLHP

Vật liệu hấp phụ

Laser

khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích


SVTH: Bùi Phong Phú

GVHD: Huỳnh Thu Hạnh

MỤC LỤC HÌNH
Hình 1-1. Sơ đồ thổng quát của vật liệu mao quản .......................................................... 3
Hình 1-2 Cơ chế định hướng cấu trúc tinh thể lỏng ......................................................... 5
Hình 1-3 Cơ chế sắp xếp hình ống .................................................................................. 5
Hình 1-4 Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc............................................................................ 6
Hình 1-5. Hình ảnh các thành phần hoá học chính của bã mía ........................................ 8
Hình 1-6 máy phân tích thành phần .............................................................................. 14
Hình 3-1. Phổ IR của nguyên liệu đầu .......................................................................... 22
Hình 3-2. Phổ IR của VLHP ......................................................................................... 22
Hình 3-3. Ảnh SEM của nguyên liệu ............................................................................ 23
Hình 3-4 Ảnh SEM của VLHP ..................................................................................... 23
Hình 3-5 Đồ thị phân bố đo kích thước hạt ................................................................... 24
Hình 3-6 Sự phụ thuộc của thời gian đến dung lượng hấp phụ với ion Cu2+. ................. 27
Hình 3-7 Sự phụ thuộc của pH đến dung lượng hấp phụ của VLHP đối với ion Cu2+.... 28


GVHD: Huỳnh Thu Hạnh

PHẦN 1. TỔNG QUAN VỀ TÀI LIỆU
2.4.

Giới thiệu về vật liệu mao quản

2.4.1. Vật liệu mao quản
Thông thường người ta sử dụng các đại lượng sau đây để đặc trưng cho cấu trúc
của vật liệu rắn:
 Sự phân bố kích thước hạt
 Hình dáng và kích thước các tập hợp hạt
Bề mặt riêng: là diện tích bề mặt tính cho một đơn vị khối lượng: bao gồm diện
tích bề mặt bên trong và bên ngoài các hạt

Sriêng 

Schung

(m2.g-1)

(1.1)

G

Thể tích lỗ xốp riêng (mao quản riêng) : là không gian rỗng tính cho một đơn vị
khối lượng; bao gồm độ rỗng giữa các hạt và bên trong mỗi hạt (m3.g-1)
Hình dáng mao quản: trong thực tế rất khó xác định chính xác hình dáng của các
mao quản, song có 4 loại mao quản chính thường được thừa nhận: mao quản hình trụ,


d

V
nS

(1.2)

Trong đó: n: thừa số hình dáng
Với mao quản hình trụ: n = 0,5
S: bề mặt riêng của VLMQ
V: thể tích mao quản
(Trích từ http://tailieu.vn/doc/ky-thuat-xuc-tac-1070907.html, ngày 23/11/2014)
2.4.2. Vật liệu mao quản trung bình
Vật liệu mao quản trung bình được phát hiện do các nhà khoa học nghiên cứu tổng
hợp thành công vào đầu thập niên 90 của thế kỷ 20. Hai nhóm nghiên cứu độc lập người
Nhật Bản và Mỹ vật liệu silicat có cấu trúc trật tự, được gọi là rây phân tử MQTB
(MMS). Đến nay có nhiều loại vật liêu MQTB khác ra đời như M41S, FSM, HMS, SBA15 và SBA-16,.. Các vật liệu có kích thước mao quản đồng đều và dao động khoảng 20–
100A0, kích thước này rộng hơn kích thước của zeolite từ 3 đến 4 lần và diện tích bề mặt
riêng vô cùng lớn (500 – 1000 m2.g-1). Do có nhiều ưu điểm nên vật liệu MQTB có tiềm
năng phát triển lớn trong lĩnh vực xúc tác và hấp phụ, khắc phục được nhược điểm của
vật liêu vi mao quản.
Theo danh pháp IUPAC, dựa trên kích thước mao quản, vật liệu rắn xốp được chia
là 3 loại: vi mao quản (đường kính d < 2nm), MQTB (2 < d < 50 nm) và đại mao quản d
> 50 nm. (Nguyễn Thị Trâm Anh, 2011).


SVTH: Bùi Phong Phú

GVHD: Huỳnh Thu Hạnh


Hình 1.1. Sơ đồ thổng quát của vật liệu mao quản


GVHD: Huỳnh Thu Hạnh

SVTH: Bùi Phong Phú

Do có nhiều loại tương tác khác nhau giữa các tiền chất vô cơ với các chất HĐBM
dẫn đến các cơ chế tổng hợp khác nhau, phương pháp tổng hợp khác nhau và kết quả là
tạo ra các hợp chất MQTB có hình dáng và kích thước mao quản khác nhau. Có một số
cơ chế như:
2.4.4.1. Cơ chế định hƣớng theo tinh thể lỏng
Cơ chế định hướng theo tinh thể lỏng được các nhà nghiên cứu của hãng MobilOil đưa ra để giải thích cho sự hình thành của họ vật liệu mao quản trung bình M41S.
Cấu trúc vật liệu MQTB phụ thuộc vào độ dài của mạch cacbon cũng như nhóm chức của
chất ĐHCT, phụ thuộc vào nồng độ của chất ĐHCT. Theo cơ chế này trong dung dịch
các chất ĐHCT tự sắp xếp thành pha tinh thể lỏng có dạng mixen ống, thành ống là các
đầu ưa nước của các phân tử chất ĐHCT và đuôi mạch hydrocacbon dài kỵ nước hướng
vào phía trong. Những mixen ống này đóng vai trò chất tạo cấu trúc và sắp xếp thành cấu
trúc tinh thể dạng lục lăng.
Sau khi thêm nguồn silic vào dung dịch, các phần tử chứa silic tương tác với các
đầu phân cực của chất ĐHCT thông qua các tương tác tĩnh điện ( S  I  , S  I  trong đó S là
chất ĐHCT, I là tiền chất vô cơ) hoặc tương tác hydro ( S 0 I 0 ) và hình thành nên lớp màng
silicat xung quanh mixen ống. Quá trình polymer hoá ngưng tụ silicat tạo nên tường vô
định hình của vật liệu oxyt silic MQTB. Cơ chế này được thể hiện theo đường. Nhưng
trong những nghiên cứu về cơ chế hình thành bằng các phương pháp hiện đại thì người ta
đã đưa ra cơ chế hình thành cấu trúc tinh thể lỏng là theo đường, vì nồng độ chất hoạt
động bề mặt thấp hơn nhiều so với nồng độ mixen tới hạn. Như vậy, các mixen ống
không tự sắp xếp thành cấu trúc tinh thể lỏng mà cấu trúc này chỉ hình thành sau khi
thêm tiền chấtvô cơ, trong nghiên cứu này nguồn chất vô cơ là silicat, và các silicat ống

GVHD: Huỳnh Thu Hạnh

2.4.4.4.

Cơ chế gấp

Thay bằng sự tạo thành của các que mixen được bao bọc bởi chất vô cơ, Steel et al
đưa ra nhận định rằng những que mixen hình trụ sắp xếp vào giữa những lớp chất vô cơ.
Khi già hóa hỗn hợp, các lớp vô cơ sẽ dúm dó lại và phá vỡ mixen, sau đó chuyển thành
cấu trúc MQTB chứa chất hoạt động bề mặt. (Nguyễn Thị Trâm Anh, 2011)
2.4.4.5. Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc
Steel nhận thấy ở điều kiện nhiệt độ thấp và độ pH cao (xấp xỉ 14) và khi có mặt
silicat thì các phân tử chất hoạt động và silicat đồng tập hợp tạo ra tinh thể lỏng dạng lục
lăng. Sấy và nung pha trên sẽ tạo ra vật liệu MQTB.
Các cơ chế này đều dựa trên sự tương tác của chất ĐHCT với nguồn chất vô cơ.
Tùy theo chất ĐHCT mà có sự tương tác khác nhau do đó đặc tính, cấu trúc khác nhau
được hình thành. (Nguyễn Thị Trâm Anh, 2011)

Hình 1.4 Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc
2.5.

Giới thiệu về vật liệu hấp phụ bã mía

2.5.1. Nguồn nguyên liệu.
Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, rất thuận lợi cho ngành mía đường phát
triển. Niên vụ sản xuất mía đường 2006 - 2007, diện tích mía cả nước là 310,067 ha, sản


SVTH: Bùi Phong Phú



20 - 25

Lignin

18 - 23

Chất hoà tan khác (tro, sáp, protein, …)

3-5


SVTH: Bùi Phong Phú

GVHD: Huỳnh Thu Hạnh

Lignin

Hemixenlulzơ

Xenlulozơ

Hình 1-5.Hình ảnh các thành phần hoá học chính của bã mía
2.6.

Các phƣơng pháp phân tích

2.6.1. Khái quát về 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

hóa học chỉ là tương đối, vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số quá trình
hấp phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học. (Trần Văn Nhân, CTV,
2006)
2.6.1.3.

Phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Có thể phân biệt hấp phụ hóa học và lý học ở những điểm sau:
2.6.1.3.1. Nhiệt hấp phụ
Nhiệt hấp phụ hóa học khá lớn, từ 40 ÷ 800 kJ/mol, nhiều khi gần bằng nhiệt của
phản ứng hóa học. Vì vậy nó tạo thành mối nối hấp phụ khá bền và muốn đẩy chất bị hấp
phụ ra khỏi bề mặt xúc tác rắn cần nhiệt độ khá cao.
Nhiệt hấp phụ lý học thường không lớn, gần bằng nhiệt hóa lỏng hay bay hơi của
chất bị hấp phụ ở điều kiện hấp phụ và thường nhỏ hơn 20 kJ/mol. (Trần Văn Nhân,
CTV, 2006)
2.6.1.3.2. Lƣợng chất bị hấp phụ
Hấp phụ hóa học xảy ra rất ít, không hơn một lớp trên bề mặt xúc tác (đơn lớp).
Hấp phụ lý học có thể tạo thành nhiều lớp (đa lớp). (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)
2.6.1.3.3. Sự chọn lọc hấp phụ
Hấp phụ hóa học có tính chất chọn lọc cao, phụ thuộc vào tính chất bề mặt chất
rắn và tính chất của chất bị hấp phụ.
Hấp phụ lý học không có sự chọn lọc, tất cả các bề mặt chất rắn đều có tính chất
hấp phụ lý học. (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)
2.6.1.3.4. Sự phụ thuộc của nhiệt độ
Hấp phụ lý học thường xảy ra ở nhiệt độ thấp, khi nhiệt độ tăng thì lượng chất hấp
phụ giảm.


GVHD: Huỳnh Thu Hạnh



GVHD: Huỳnh Thu Hạnh

2.6.1.3.8. Trạng thái của chất bị hấp phụ
HPVL: trạng thái và tính chất hóa lý của chất bị hấp phụ không thay đổi. Lực giữa
chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là lực Van der Waals.
HPHH: trạng thái của chất bị hấp phụ thay đổi hoàn toàn
Nhiệt hấp phụ :

Qhp  n  mD

1.3

Trong đó: D: năng lượng tạo thành mối nối
ϕ: năng lượng phá vỡ mối nối
m,n: số mối nối tạo thành và bị phá vỡ tương ứng. (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)
2.6.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ
2.6.2.1.

Ảnh hƣởng của dung môi

Hấp phụ trong dung dich là là hấp phụ cạnh tranh, nghĩa là chất tan hấp phụ càng
mạnh thì dung môi hấp phụ càng yếu. Vì chất hoạt động bề mặt là có sức căng bề mặt
nhỏ, cho nên nếu dùng dung môi có sức căng bề càng lớn (tức càng khó hấp phụ) thì chất
tan càng dễ hấp phụ. Vì vậy đối với sự hấp phụ chất tan từ dung dịch thì dung môi nước
(có sức căng bề mặt lớn) ưu việt hơn so với so với dung môi hữu cơ (có sức căng bề mặt
bé). (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)
Một số tiểu chuẩn khác để chọn dung môi thích hợp cho sự hấp phụ từ dung dịch
là nhiệt thấm ướt. Dung môi có nhiệt độ thấm ướt đối với một bề mặt cho sẵn càng cao,
có nghĩa là tương tác dung môi và bề mặt càng mạnh thì chất tan càng khó hấp phụ lên bề

ε A> εC> εB hoặc εA< εB< εC.
Dựa vào quy tắc này, ta có thể giải thích được sự định hướng của phân tử chất hoạt
động bề mặt trên bề mặt phân cách pha: phần phân cực hướng về pha phân cực, phần
không phân cực hướng về pha không phân cực. Dựa trên cơ sở này mà trong thực tế
người ta thường sử dụng những chất hấp phụ phân cực (silicagen, đất xét, floriddin) để
hấp phụ các hoạt động bề mặt trong môi trường không phân cực như benzene…..và
những chất hấp phụ ko phân cực như (than) trong môi trường phân cực như nước. (Trần
Văn Nhân, CTV, 2006).
2.6.2.3.

Ảnh hƣởng của nhiệt độ

Khi tăng niệt độ, sự hấp phụ trong dung dịch giảm, nhưng thường ở mức độ ít hơn
so với sự hấp phụ khí. Tuy nhiên, đối với những cấu tử hòa tan hạn chế mà khi tăng nhiệt
độ tan tăng lên, thì khả năng hấp phụ cũng có thể tăng lên, vì nồng độ của nó trong dung
dịch được tăng lên, hình biểu diễn các trường hợp khác nhau về ảnh hưởng của nhiệt độ
đến sự hấp phụ. Trong trường hợp sự hấp phụ của Benzen trong dung môi n-hexan (hòa


GVHD: Huỳnh Thu Hạnh

SVTH: Bùi Phong Phú

tan không hạn chế) trên bề mặt SiO2 hydroxyl hóa, độ hấp phụ khi nhiệt độ tăng, nhưng
đói với sự hấp phụ của naphtalen trong dung môi n-heptan và cũng trên chất hấp phụ đó,
thì khi nhiệt độ tăng, độ hấp phụ tăng. Nguyên nhân do naphtalen hòa tan hạn chế và kết
tinh trong n-heptan. Việc tăng nhiệt độ làm tăng nồng độ bão hòa của naphtalen trong
dung dịch, dẫn đến sự tăng độ hấp phụ. Còn nếu so sánh sự hấp ở cùng một nồng độ thì
cũng như trong trường hợp benzene, khi tăng nhiệt độ, độ hấp phụ của naphtalen giảm.
(Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

λ = 50 – 100 μm


SVTH: Bùi Phong Phú

GVHD: Huỳnh Thu Hạnh

Trong thực tế, phổ hồng ngoại thường được ghi với trục tung biểu diễn T% truch hoành
biểu diễn số sóng với trị số giảm dần (4000 – 400 cm-1). (Trần Anh Duy, CTV, 2011)
2.6.3.2.

Phƣơng pháp phân tích thành phần

Cân 0.1 g mẫu cho vào cốc nhựa, thêm vào 10 ml axit HF, lắc nhẹ đến khi chất rắn
hòa tan hoàn toàn ta thu được dung dịch trong suốt.
Pha loãng dung dịch trên 1000 lần, sau đó đem đi phân tích bằng phương pháp phổ
hấp phụ nguyên tử trên máy Spectro Genesis.
Phương pháp phân tích phổ hấp phụ nguyên tử dùng để phân tích lượng nhỏ các
kim loại trong các mẫu khác nhau của các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Phương pháp này có
thể định lượng được hầu hết các kim loại (khoảng 65 nguyên tố) và 1 số á kim nồng độ
giới hạn cỡ ppm (microgram) đến nồng độ ppb (nanogram). (Nguyễn Thị Trâm Anh,
2011)

Hình 1-6 Máy phân tích thành phần
Nguyên tắc của phương pháp
Trong điều kiện bình thường nguyên tử cũng không thu và không phát năng lượng
với dạng bức xạ. Lúc này nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản. Đó là trạng thái bền vững
và nghèo năng lượng nhất của nguyên tử. Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, ta
chiếu vào mẫu cần đo ánh sáng có cường độ nhất định, các điện tử của các nguyên tố tồn