ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
---------------------

VŨ QUANG TÙNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TÁCH LOẠI VÀ THU HỒI MỘT
SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG VẬT
LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ VỎ LẠC

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Thái Nguyên

1


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
---------------------

VŨ QUANG TÙNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TÁCH LOẠI VÀ THU HỒI MỘT
SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG VẬT
LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ VỎ LẠC
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60.44.29
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LÊ HỮU THIỀNG

1.1 Giới thiệu chung về một số ion kim loại nặng .....................3
1.1.1. Các kim loại nặng ..........................................................3
1.1.2. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng .................................5
1.1.3 Tác dụng sinh hóa kim loại nặng đối với con người và
môi trường…………………………………………………………………..5
1.2. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ ...................................6
1.2.1. Các khái niệm................................................................6
1.2.2. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ ...................9
1.3. Giới thiệu về nguyên liệu vỏ lạc ..........................................15
1.3.1.Thành phần và tính chất của vỏ lạc .................................15
1.3.2. Một số hướng nghiên cứu vỏ lạc làm VLHP .................17
1.4.Giới thiệu sơ lược về phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử
(AAS) .........................................................................................................17
1.4.1.Nguyên tắc .....................................................................17
1.4.2. Điều kiện nguyên tử hóa mẫu…………………………..19
1.4.3. Cường độ vạch phổ hấp thụ nguyên tử…………………19
1.4.4. Phương pháp đường chuẩn……………………………..20
1.4.5. Ưu điểm của phép đo………………………………… 21
Chương 2: THỰC NGHIỆM ....................................................................22
2.1. Thiết bị và hóa chất .............................................................22
2.1.1. Thiết bị ..........................................................................22
2.1.2. Hóa chất ........................................................................22
2.2. Chế tạo VLHP từ nguyên liệu vỏ lạc ..................................23

4


2.3. Các điều kiện tối ưu để xác định hàm lượng một số ion kim
loại nặng bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử .............................24
2.4 Khảo sát khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng của VLHP chế tạo

....................................................................................................................64
2+

2.8.1 Khảo sát khả năng tách loại của ion Ni .............................64
2+

2.8.2 Khảo sát khả năng giải hấp của ion Ni .............................65
KẾT LUẬN................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................69

5


MỞ ĐẦU
Hiện nay, môi trường và ô nhiễm môi trường đang là vấn đề thời sự nóng
bỏng được cả thế giới quan tâm. Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng
và cần thiết cho sự sống nhưng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Do đó việc xử lý
ô nhiễm môi trường nước đang trở thành vấn đề được quan tâm không chỉ ở Việt
Nam mà trên toàn thế giới.
Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra
khỏi môi trường nước như: phương pháp hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương
pháp trao đổi ion, …), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học…Trong đó
phương pháp hấp phụ - sử dụng vật liệu hấp phụ (VLHP) chế tạo từ các nguồn tự
nhiên như vỏ trấu, bã mía, lõi ngô, vỏ đậu, rau câu,.... để tách loại và thu hồi các
kim loại nặng từ dung dịch nước đã được một số tác giả trên thế giới và trong
nước nghiên cứu [ . Loại VLHP này có khả năng ứng dụng rất lớn trong kỹ thuật
xử lý các nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng trong tương lai.
Phương pháp xử lý sử dụng VLHP sinh học có nhiều ưu việt so với các
phương pháp xử lý khác như giá thành xử lý không cao, tách loại được đồng thời
nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng VLHP và thu hồi kim

2+

2+

2+

• Giải hấp thu hồi các kim loại nặng Cu , Pb , Cd , Mn , Ni .
• Tái sử dụng VLHP.
2+

• Xử lý thăm dò khả năng hấp phụ của Ni trong nước thải bằng VLHP.

2


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung về một số ion kim loại nặng
1.1.1 Các kim loại nặng
• Đồng
Đồng là một nguyên tố vi lượng cần thiết đối với động vật và thực vật. Với
thực vật, nếu thiếu đồng, hàm lượng diệp lục tố ít đi, lá bị vàng úa, cây ngừng ra
quả và có thể bị chết. Ở cơ thể người và động vật khi thiếu đồng, hoạt tính của hệ
men giảm đi, quá trình trao đổi protein bị chậm lại, do đó làm các mô xương
chậm phát triển, thiếu máu, suy nhược…Tuy nhiên, ở cơ thể người, thừa đồng
cũng rất nguy hiểm vì nó là một trong những nguyên nhân gây các bệnh về gan,
thận, nội tiết…[4, 7, 15].
Năm 1982, JECFA (Ủy ban chuyên viên FAO/WHO về phụ gia thực phẩm)
đã đề nghị giá trị tạm thời cho lượng đồng đưa vào cơ thể người có thể chịu
đựng được là 0,5 mg/kg thể trọng/ngày [16].
• Chì

hưởng đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan, thận và có thể sẽ gây ra các
chứng bệnh kinh niên. Nếu da tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây ra hiện tượng
viêm da, xuất hiện dị ứng ở một số người [3, 10].
• Cadmi

4


Cadmi xâm nhập vào cơ thể người chủ yếu do thức ăn, các nguồn từ thực
vật được trồng trên đất giàu cadmi hoặc nước bị nhiễm cadmi. Khi xâm nhập vào
cơ thể chúng được tích tụ trong xương và thận. Trong cơ thể người, cadmi gây
nhiễu loạn sự hoạt động của một số enzim nhất định, gây nên hội chứng tăng
huyết áp và ung thư phổi, làm rối loạn chức năng thận, gây thiếu máu, phá hủy
tủy xương [3, 7, 11]
1.1.2 Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng
Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của các khu công nghiệp, khu chế xuất đã
dẫn tới sự tăng nhanh hàm lượng kim loại nặng trong các nguồn nước thải. Tại
các thành phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, hàng trăm các cơ sở
sản xuất công nghiệp đã và đang gây ô nhiễm các nguồn nước do không có công
trình hay thiết bị xử lý các kim loại nặng. Hơn thế nữa, mức độ ô nhiễm kim loại
nặng ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, cụm công nghiệp tập trung là rất lớn.
Ở thành phố Thái Nguyên, nước thải từ các cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép,
kim loại màu chưa được xử lý thải trực tiếp ra sông Cầu. Hàng trăm làng nghề
3

đúc đồng , nhôm, chì thuộc các tỉnh lưu lượng hàng ngàn m /ngày không qua xử
lý, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước và môi trường khu vực. Theo các số
liệu phân tích cho thấy, hàm lượng các kim loại nặng trong nguồn nước nơi tiếp
nhận nước thải đều xấp xỉ hoặc vượt quá tiêu chuẩn cho phép [1, 3, 4, 22].
1.1.3. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con người và môi trường

Cấu trúc điện tử của các phần tử các chất tham gia quá trình hấp phụ vật lý
ít bị thay đổi. Hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy ra
nhanh.

6


• Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hóa học, trong đó có những lực
liên kết mạnh như lực liên kết ion, lực liên kết cộng hóa trị, lực liên kết phối trí…
gắn kết những phần tử chất bị hấp phụ với những phần tử của chất hấp phụ thành
những hợp chất bề mặt. Năng lượng liên kết này lớn (có thể tới hàng trăm
kJ/mol), do đó liên kết tạo thành bền khó bị phá vỡ. Vì vậy hấp phụ hóa học
thường không thuận nghịch và không thể vượt quá một đơn lớp phân tử.
Trong hấp phụ hóa học, cấu trúc điện tử của các phần tử của các chất tham
gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi sâu sắc dẫn đến sự hình thành liên kết hóa
học. Sự hấp phụ hóa học còn đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy ra chậm.
Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương
đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trường hợp tồn tại đồng thời cả
hai hình thức hấp phụ. Ở vùng nhiệt độ thấp thường xảy ra hấp phụ vật lý, khi
tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm, khả năng hấp phụ hóa học tăng lên
[1,2,5,8].
- Giải hấp phụ
Giải hấp phụ là sự đi ra của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ. Quá
trình này dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp
phụ. Đây là phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đặc trưng về
hiệu quả kinh tế.
Một số phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ:
Phương pháp hóa lý: Có thể thực hiện tại chỗ, ngay trên cột hấp phụ nên
tiết kiệm được thời gian, công thoát dỡ, vận chuyển, không làm vỡ vụn chất hấp
phụ và có thể thu hồi chất hấp phụ ở trạng thái nguyên vẹn.

q=

C0 − Ccb
.V
m

(1.2)

Trong đó:
q: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
V: Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l)
m: Khối lượng chất bị hấp phụ (g)
C0: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu
(mg/l)
8


Ccb: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l)
- Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ
dung dịch ban đầu.
H=

C0 − Ccb
.100
C0

(1.3)

1.2.2 Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ

tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp
phụ trên các trung tâm bên cạnh.
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:
q
qmax

=θ =

bCcb
1 + bCcb

(1.4)

Trong đó:
q : Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
qmax : Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)
θ : Độ che phủ
Ccb : Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l)
b : Hằng số Langmuir
Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ :
+ Trong vùng nồng độ nhỏ b.Ccb > 1 thì q = qmax.b.Ccb mô tả vùng hấp
phụ
bão hòa.
Khi nồng độ chất hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳng
nhiệt biểu diễn là một đoạn cong.


Để xác định các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt Langmuir ta đưa

0

Ccb (mg/l)

Hình 1.2: Sự phụ thuộc của Ccb / q vào Ccb


tgα =
ON =

1
q max

⇒ qmax =

1
tgα

(1.6)

1
qmax .b

(1.7)

Từ giá trị qmax ta sẽ tính được hằng số b [5,8].
• Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry là phương trình đơn giản mô tả sự
tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và nồng
độ hoặc áp suất của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng.

n : Hằng số, luôn lớn hơn 1
Để xác định các hằng số, đưa phương trình (1.10) về dạng đường thẳng:
lg q = lg k +

1
.lg Ccb
n

(1.11)

Xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lg q vào lg C cb sẽ xác định
được các giá trị k, n. [5,8]
Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của vật liệu hấp
phụ đối với đồng, chì, mangan, niken, cadmi trong môi trường nước theo mô
hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.
- Quá trình hấp phụ động trên cột
Quá trình hấp phụ động trên cột được mô tả như sau:
Lối vào
1

1.Vùng hấp phụ bão hoà

2

2.Vùng chuyển khối

3

3.Vùng chưa xảy ra sự hấp phụ
Lối ra


Phương pháp hạn chế

Tốc độ khuếch tán hạn chế bên

- Giảm khuếch tán bên trong hạt bằng cách

trong phần tử hấp phụ.

giảm kích cỡ hạt.
- Sử dụng vật liệu có mạng lưới lỗ xốp lớn
để dễ khuếch tán.


Sự giới hạn về diện tích bề mặt

- Giảm kích cỡ hạt để tăng thêm diện tích

của chất hấp phụ.

bề mặt trên một đơn vị thể tích chất hấp phụ.
- Sử dụng các hạt có diện tích bề mặt lớn
trên một đơn vị thể tích.

Tốc độ dòng phân bố không đều

- Giảm thiểu các lỗ trống, đây là nguyên

khi chạy qua cột.


Hemixenlulozơ là polisaccarit giống như xenlulozơ nhưng có số mắt xích
nhỏ hơn và thường bao gồm nhiều loại mắt xích có chứa nhóm axetyl và metyl.
Lignin là loại polime được tạo bởi các mắt xích phenylpropan. Lignin giữ
vai trò kết nối giữa xenlulozơ và hemixenlulozơ. [9]
Việt Nam là một nước nông nghiệp nên có diện tích và sản lượng lạc hàng
năm rất lớn.
Bảng 1.2: Diện tích và sản lượng lạc của Việt Nam
trong những năm gần đây
Năm

Diện tích (nghìn ha)

Sản lượng (nghìn tấn)

2001

244,6

363,1

2002

246,7

400,4

2003

246,8


530,0

(Nguồn: FAOSPAT Datase Results)
Với sản lượng như vậy, lượng vỏ lạc mỗi năm thu được vào khoảng 150
nghìn tấn (chiếm khoảng 30-32% sản lượng lạc). Do đó, việc sử dụng vỏ lạc để


chế tạo VLHP vừa có ý nghĩa về mặt khoa học vừa góp phần tận dụng nguồn
phụ phẩm dồi dào này. [12]
1.3.2 Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu
hấp phụ
2+

- Vỏ lạc: Được sử dụng để chế tạo than hoạt tính với khả năng tách Cd rất
cao, chỉ cần hàm lượng than hoạt tính là 0,7 g/l có thể hấp phụ rất tốt dung dịch
2+

chứa Cd nồng độ 20 mg/l. Nếu so sánh với các loại than hoạt tính thông thường
thì khả năng hấp phụ của nó cao gấp 31 lần.[4]
Vỏ đậu tương: Có khả năng hấp phụ tốt đối với nhiều ion kim loại nặng
2+

2+

2+

như Cd , Zn … và một số hợp chất hữu cơ, đặc biệt hấp phụ rất tốt Cu . Vỏ
đậu tương sau khi xử lý với natri hiđroxit và axit xitric thì dung lượng hấp phụ
cực đại lên tới 108 mg/g.[18, 20]
- Bã mía: Được đánh giá như phương tiện lọc chất bẩn từ dung dịch nước và

hiện các công việc sau đây:
1. Chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn, dung dịch) thành
trạng thái hơi. Đó là các quá trình hóa hơi mẫu.
2. Nguyên tử hóa đám hơi đó, phân li các phân tử, tạo ra đám hơi
nguyên tử tự do của các nguyên tố cần phân tích trong mẫu để chúng
có khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc. Đây là giai đoạn quan trọng nhất
và quyết định đến kết quả của phép đo AAS.
3. Chọn nguồn phát tia sáng có bước sóng phù hợp với nguyên tố phân
tích và chiếu vào đám hơi nguyên tử đó. Phổ hấp thụ sẽ xuất hiện.
4. Nhờ một hệ thống máy quang phổ, người ta thu toàn bộ chùm sáng
sau khi đi qua môi trường hấp thụ, phân li chúng thành phổ và chọn
một vạch phổ cần đo của nguyên tố phân tích hướng vào khe đo để đo
cường độ của nó. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ, giá trị
cường độ này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ của nguyên tố cần
phân tích theo phương trình :
Aλ = k.C.L

(1.12)

Trong đó:
Aλ : Cường độ vạch phổ hấp thụ,
k : Hằng số thực nghiệm,
L : chiều dài môi trường hấp thụ,
C : Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ.
5. Thu và ghi kết quả đo cường độ vạch phổ hấp thụ. [6, 9]


1.4.2 Điều kiện nguyên tử hóa mẫu
Nguyên tử hóa mẫu là công việc quan trọng nhất của phép đo phổ hấp thụ
nguyên tử, Mục đích của quá trình này là tạo ra đám hơi nguyên tử tự do từ mẫu


Gọi Aλ là mật độ quang hay độ tắt nguyên tử của chùm tia sáng cường
độ Io sau khi qua môi trường hấp thụ. Aλ được tính bởi công thức:
Aλ = log

Io
= 2,303.K ν .N.L
I

(1.14)

Nếu các phép đo được thực hiện trên cùng một máy đo phổ hấp thụ
nguyên tử thì L = const, nên có thể viết:
Aλ = K.N

(1.15)

Trong đó:
K: Hằng số thực nghiệm phụ thuộc Kν , L, và nhiệt độ môi trường hấp thụ.
Gọi nồng độ nguyên tố ở mẫu phân tích là C. Từ nhiều kết quả thực
nghiệm chỉ ra rằng, trong một giới hạn nhất định của C, mối quan hệ giữa N và
C được xác định theo công thức:
N = k.C

b

(1.16)

Trong đó:
k: Hằng số thực nghiệm phụ thuộc điều kiện hóa hơi và nguyên tử hóa