TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
--------------

TRƢƠNG THỊ THANH NGA

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG
HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG Cr(VI)
CỦA THAN HOẠT TÍNH BIẾN TÍNH
BẰNG KOH TỪ VỎ CÀ PHÊ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

ThS. ĐỖ THỦY TIÊN

HÀ NỘI – 2017


LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn tới ThS. Đỗ
Thủy Tiên – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 và PGS. TS. Ngô Kim Chi Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên - Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành bản khóa
luận tốt nghiệp này.
Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Hóa
học đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập dưới
mái trường ĐH Sư phạm Hà Nội 2.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn tạo mọi
điều kiện, động viên, giúp đỡ em trong quá trình học tập.
Do điều kiện thời gian và trình độ còn hạn chế, nên bản thân khóa luận
này không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của


IR

Phương pháp phổ hồng ngoại

TN

Thí nghiệm


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Một số hằng số vật lý của crom.................................................... 4
Bảng 1.2: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ ...............................................13
Bảng 1.3: Sự khác nhau về thành phần trong vỏ cà phê trồng tại tỉnh ĐakLak
và tỉnh Điện Biên .......................................................................................25
Bảng 3.1: Khả năng hấp phụ Cr(VI) của các mẫu than.................................30
Bảng 3.2: Khả năng hấp phụ ion Cr(VI) của VLHP khi thay đổi pH của dung
dịch hấp phụ. .............................................................................................32
Bảng 3.3: Khả năng hấp phụ ion C(VI) của VLHP khi thay đổi về thời gian
khuấy ........................................................................................................33
Bảng 3.4: Kết quả khảo sát về lượng VLHP ................................................35
Bảng 3.5: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) đến hiệu quả hấp
phụ của VLHP ...........................................................................................36
Bảng 3.6: Các thông số khảo sát sự hấp phụ Cr(VI) của VLHP ....................38


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ...........................................15
Hình 1.2. Sự phụ thuộc của


1.2.2. Hấp phụ trong môi trường nước ..................................................10
1.2.3. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ ............11
1.2.4. Đặc tính của quá trình hấp phụ ....................................................15
1.3. Than hoạt tính..................................................................................16
1.3.1. Đặc tính của than hoạt tính ..........................................................17
1.3.2. Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ.....19
1.3.3. Biến tính bề mặt than hoạt tính ....................................................22
1.4. Vỏ cà phê.........................................................................................24
1.4.1. Giới thiệu về vỏ cà phê ...............................................................24
1.4.2. Thành phần chính của vỏ cà phê..................................................25
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .............................................................. 26
2.1. Thiết bị và hóa chất ..........................................................................26
2.1.1. Thiết bị ......................................................................................26
2.1.2. Hóa chất.....................................................................................26
2.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................27
2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu ......................................................27


2.2.2. Phương pháp phân tích ...............................................................27
2.2.3. Phương pháp thực nghiệm...........................................................27
2.2.3.1. Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ từ nguyên liệu vỏ cà phê....27
2.2.3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ ion Cr(VI) của VLHP ..................28
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................... 30
3.1. Kết quả tạo than và hiệu suất hấp phụ ion kim loại Cr(VI) .................30
3.2. Khả năng hấp phụ ion Cr(VI) của VLHP ...........................................31
3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của VLHP ......31
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ ....33
3.2.3. Khảo sát về khối lượng VLHP đến hiệu suất hấp phụ ...................34
3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Cr(VI) ban đầu đến
hiệu suất hấp phụ .................................................................................36

đối với sức khỏe con người và sự an toàn của hệ sinh thái. Việc loại trừ các
thành phần chứa kim loại nặng độc hại ra khỏi nguồn nước, đặc biệt là nước
thải công nghiệp là một trong những mục tiêu môi trường quan trọng cần phải
giải quyết hiện nay. 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 sinh học, phương pháp hóa học,… Trong đó, phương pháp hấp phụ được
SV: Trương Thị Thanh Nga – K39D Cử nhân Hóa

Page 1


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

áp dụng rộng rãi và cho kết quả rất khả thi [5]. Với mục tiêu là tìm kiếm
nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên, rẻ tiền, dễ kiếm, có thể tái tạo được để hấp
phụ, loại bỏ kim loại nặng trong nước là vấn đề em lựa chọn. Một trong
những vật liệu được sử dụng để hấp phụ kim loại đang được nhiều nhà khoa
học quan tâm là vật liệu có nguồn gốc sinh học như: lõi ngô, bã trà, bã mía,
bùn chưng cất, vỏ trấu, mùn cưa, xỉ lò cao,… [11],[16]. Vì vậy, em lựa chọn
đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng Cr(VI) của than
hoạt tính biến tính bằng KOH từ vỏ cà phê”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Chế tạo than hoạt tính được biến tính ở các điều kiện khác nhau.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Cr(VI) của VLHP
chế tạo được.
3. Nội dung nghiên cứu
- Chế tạo vật liệu hấp phụ trên nền vỏ cà phê.
- Khảo sát điều kiện tạo than hoạt tính để hấp phụ Cr(VI) (ảnh hưởng

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1.

Giới thiệu về nguyên tố Crom

1.1.1. Tính chất vật lý, hóa học của crom
Crom là nguyên tố thuộc nhóm (VIB) trong bảng hệ thống tuần hoàn các
nguyên tố hóa học, có số thứ tự là 24, cấu hình electron lớp ngoài cùng là
[Ar]3d54s 1.
Bảng 1.1: Một số hằng số vật lý của crom
Cấu hình electron

[Ar]3d 54s 1

Năng lượng ion hóa, ev
I1

6,76

I2

16,49

I3

30,95

Nhiệt độ nóng chảy, oC



Trường ĐHSP Hà Nội 2

lửa phun trào. Nồng độ trong đất là khoảng từ 1-3.000mg/kg, trong nước biển
từ 5-800μg/l và trong các sông hồ là 26μg/l đến 5,2mg/l. Các trạng thái oxi
hóa phổ biến của crom là +2, +3 và +6, với +3 là ổn định nhất. Các trạng thái
+1, +4 và +5 là khá hiếm. Các hợp chất của crom với trạng thái oxi hóa +6 là
những chất có tính oxi hóa mạnh. Trong không khí, crom được oxi thụ động
hóa tạo thành một lớp màng mỏng bảo vệ trên bề mặt, ngăn chặn quá trình oxi
hóa tiếp theo đối với kim loại ở phía dưới.
1.1.2. Công dụng của crom
Crom được sử dụng trong ngành luyện kim để tăng khả năng chống ăn
mòn và đánh bóng bề mặt [4]. Nó có thể là một thành phần của hợp kim,
chẳng hạn như thép không gỉ để làm dao, kéo, dùng trong mạ crom, trong quá
trình anot hóa (dương cực hóa nhôm), theo nghĩa đen là chuyển bề mặt nhôm
thành ruby.
Làm thuốc nhuộm và sơn: Oxit crom (Cr2O3) là chất đánh bóng kim loại với
tên gọi phấn lục. Các muối crom nhuộm màu cho thủy tinh thành màu xanh
lục của ngọc lục bảo. Crom là thành phần tạo ra màu đỏ của hồng ngọc, vì thế
nó được sử dụng trong sản xuất hồng ngọc tổng hợp. Nó tạo ra màu vàng rực
rỡ của thuốc nhuộm và sơn.
Là một xúc tác cromit được sử dụng làm khuôn để nung gạch ngói, các
muối crom được sử dụng trong quá trình thuộc da, kali dicromat (K2Cr2O7) là
một thuốc thử hóa học, được sử dụng trong quá trình làm vệ sinh các thiết bị
làm bằng thủy tinh trong phòng thí nghiệm cũng như trong vai trò một tác
nhân chuẩn độ. Nó cũng được sử dụng làm chất ổn định màu cho các thuốc
nhuộm vải [18].
Oxit crom (hóa trị 4) (CrO2) được sử dụng sản xuất băng từ, tạo hiệu suất
tốt hơn. Trong y học, crom như là chất phụ trợ ăn kiêng để giảm cân, thông


xâm nhập, đào thải crom ở cơ thể người chủ yếu qua con đường thức ăn.
Cr(VI) đi vào cơ thể gây biến chứng, tác động lên tế bào, lên mô tạo ra sự
phát triển tế bào không nhân, gây ung thư, tuy nhiên với hàm lượng cao thì
crom làm kết tủa các protein, các axitnucleic và ức chế hệ thống men cơ bản.
Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất kỳ con đường nào crom cũng được hòa tan
vào trong máu ở nồng độ 0,001mg/l, sau đó chúng chuyền vào hồng cầu và
SV: Trương Thị Thanh Nga – K39D Cử nhân Hóa

Page 6


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

hòa tan vào trong hồng cầu nhanh gấp 10-20 lần. Từ hồng cầu crom chuyển
vào các tổ chức phù tạng, được giữ lại ở phổi, xương, thận, gan, phần còn lại
chuyển qua nước tiểu. Từ các cơ quan phủ tạng crom hòa tan dần vào máu,
rồi đào thải qua nước tiểu từ vài tháng đến vài năm. Các nghiên cứu cho thấy
con người hấp thụ Cr(VI) nhiều hơn Cr(III) nhưng độc tính của Cr(VI) lại cao
hơn Cr(III) khoảng 100 lần. Nước thải sinh hoạt có thể chứa đựng crom tới
0,7μg/ml mà chủ yếu ở dạng Cr(VI), có độc tính với nhiều loại động vật có
vú. Cr(VI) dù chỉ một lượng nhỏ cũng có thể gây độc đối với con người. Nếu
crom có nồng độ lớn hơn giá trị 0,1mg/l gây rối loạn sức khỏe như nôn
mửa… Khi xâm nhập vào cơ thể nó liên kết với các nhóm –SH trong enzim
và làm mất hoạt tính của enzim gây ra rất nhiều bệnh cho con người.
Crom và các hợp chất của crom chủ yếu gây ra các bệnh ngoài da. Bề
mặt da là bộ phận dễ bị ảnh hưởng, niêm mạc mũi dễ bị toét. Phần sụn của
vách mũi dễ bị thủng. Khi da tiếp xúc trực tiếp vào dung dịch Cr(VI), chỗ tiếp
xúc dễ bị nổi phồng và loét sâu, có thể bị loét đến xương. Khi Cr(VI) xâm


Phương pháp kết tủa:
- Quá trình oxi hóa - khử
- Quá trình kết tủa hidroxit
- Quá trình kết tủa sunfit
- Quá trình photphat hóa



Quá trình điện hóa:
- Kết tủa điện hóa
- Thẩm tách điện hóa
- Đông tụ điện hóa
- Trao đổi ion điện hóa



Hấp phụ và trao đổi ion
- Hấp phụ (vật lý, hóa học)
- Trao đổi ion



Phương pháp màng
- Thẩm thấu ngược và lọc Nano (10-9m)
- Vi lọc
- Quá trình màng lỏng
Ngoài ra còn có các phương pháp như trích ly, và phương pháp quang

hóa.

nhiệt hấp phụ không lớn [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,...). Lực liên kết này mạnh nên khó bị phá vỡ, nhiệt hấp phụ hóa học lớn,
có thể đạt tới giá trị 800 kJ/mol.

SV: Trương Thị Thanh Nga – K39D Cử nhân Hóa

Page 9


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là
tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trường hợp tồn tại cả
quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá
trình hấp phụ vật lý, khi tang nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả
năng hấp phụ hóa học tăng lên [3],[6].
1.2.2. Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc
Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức
tạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất 3 thành phần gây tương tác là nước,
chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ
xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất hấp phụ và dung môi trên bề

đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha thể
tích (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 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, dung lượng hấp phụ là
một hàm của nhiệt độ và áp suất hoặc nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể
tích.
q = f (T, P hoặc C)

(1)

Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức sau:
q

C  C 
V
0

(2)

cb

m

Trong đó: q - dung lượng hấp phụ (mg/g).
m - khối lượng vật liệu hấp phụ (g).
V - thể tích của dung dịch chất bị hấp phụ.
Co, Ccb - nồng độ ban đầu, nồng độ tại thời điểm cân bằng của
dung dịch (mg/l).

trình động học hấp phụ, người ta thừa nhận: giai đoạn khuếch tán trong và
ngoài có tốc độ chậm nhất. Do đó, các giai đoạn này đóng vai trò quyết định
đến toàn bộ quá trình động học hấp phụ. Dung lượng hấp phụ phụ thuộc vào
các giai đoạn này và sẽ thay đổi theo thời gian cho đến khi quá trình đạt trạng
thái cân bằng.
Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của
dung lượng hấp phụ vào P hoặc C (q = fT (P hoặc C)) được gọi là đường đẳng
nhiệt hấp phụ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể xây dựng trên cơ sở lý
thuyết, kinh nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết,
bản chất và kinh nghiệm xử lý số liệu thực nghiệm.
Một số đường hấp phụ đẳng nhiệt được nêu trong bảng sau:

SV: Trương Thị Thanh Nga – K39D Cử nhân Hóa

Page 12


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Bảng 1.2: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ
TT

Tên đường đẳng
nhiệt hấp phụ

1

Langmuir


v  k. p1 / n (n  1)

Vật lý và Hóa học

v
1
 ln C 0 . p
vm a

Hóa học

C  1 . p
p
1


v.( p0  p) v m C
vm C p0

Vật lý, nhiều lớp

(BET)c

Trong các phương trình trên, v là thể tích chất bị hấp phụ, v0 là thể tích
hấp phụ cực đại, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, po là áp suất hơi bão
hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết trong cùng nhiệt độ. Các
ký hiệu a, b, k, n là các hằng số.
Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của các VLHP
với ion kim loại nặng Cr(VI) trong môi trường nước theo mô hình đường


Trong đó:
q, qmax - dung lượng hấp phụ cân bằng, dung lượng hấp phụ cực đại
(mg/g)
 - độ che phủ

b - hằng số Langmuir
Ccb - nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng hấp phụ (mg/l)
Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:
+ Trong vùng nồng độ nhỏ: b.Ccb > 1 thì q = qmax mô tả vùng hấp phụ
bão hòa.
Khi nồng độ chất bị 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 hấp phụ Langmuir, đưa phương trình (3) về dạng phương trình
đường thẳng:

SV: Trương Thị Thanh Nga – K39D Cử nhân Hóa

Page 14


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Ccb
1
1

q max

 q max 

1
tg

ON 

1
q max .b

1.2.4. Đặc tính của quá trình hấp phụ
Quá trình hấp phụ có các đặc tính cơ bản sau:


Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch
Do đặc tính của quá trình hấp phụ là thuân nghịch nên quá trình hấp phụ

là một quá trình hữu hạn, đồng thời, quá trình hấp phụ chỉ phụ thuộc vào thời
gian ở giai đoạn đầu, còn khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng thì nó không còn
phụ thuộc vào thời gian, hay nói cách khác tốc độ hấp phụ giảm theo thời gian
và khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng thì tốc độ hấp phụ không còn phụ thuộc
vào thời gian. Ứng với một lượng vật hấp phụ nhất định có khả năng hấp phụ
SV: Trương Thị Thanh Nga – K39D Cử nhân Hóa

Page 15


Khóa luận tốt nghiệp

phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí. Bên cạnh đó than hoạt tính
còn chứa các nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh và oxi. Các nguyên
tử khác loại này được tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu hoặc liên kết với
cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trình khác. Thành phần các
nguyên tố trong than hoạt tính thường là 88% C, 0,5% H, 0,5% N, 1%S, 6 –
7% O. Tuy nhiên hàm lượng oxy trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1SV: Trương Thị Thanh Nga – K39D Cử nhân Hóa

Page 16


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

20% phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế. Than hoạt tính
thường có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến 1500m2/g và thể tích lỗ
xốp từ 0,2 đến 0,6cm3/g [12].
Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn
2nm. Than hoạt tính chủ yếu được điều chế bằng cách nhiệt phân nguyên liệu
thô chứa cacbon ở nhiệt độ nhỏ hơn 1000oC. Quá trình điều chế gồm 2 bước:
Than hóa ở nhiệt độ dưới 800oC trong môi trường trơ và sự hoạt hóa sản
phẩm của quá trình than hóa ở nhiệt độ khoảng 950–1000oC.
1.3.1. Đặc tính của than hoạt tính
Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên
kết ngang bền giữa chúng, làm cho than hoạt tính có một cấu trúc lỗ xốp khá
phát triển. Chúng có tỷ trọng tương đối thấp (nhỏ hơn 2g/cm3) và mức độ
graphit hóa thấp. Cấu trúc bề mặt này được tạo ra trong quá trình than hóa và
phát triển hơn trong quá tình hoạt hóa, khi làm sạch nhựa đường và các chất
chứa cacbon khác trong khoảng trống giữa các tinh thể. Quá trình hoạt hóa
làm tăng thể tích và làm rộng đường kính lỗ. Cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu