ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CELLULOSE
TỪ BÃ MÍA VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI
CADMIUM VÀ KẼM CỦA VẬT LIỆU
CELLULOSE BIẾN TÍNH

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
CHUYÊN NGÀNH CNMT NƯỚC VÀ ĐẤT

SVTH: NGUYỄN TRỌNG QUÂN
GVHD: TS. TRƯƠNG THỊ CẨM TRANG
KHÓA HỌC: 2012 – 2016

TP. Hồ Chí Minh - 2016


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CELLULOSE
TỪ BÃ MÍA VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI

Trong quá trình thực hiện đề tài cũng như quá trình hoàn thành báo cáo, do thời
gian hạn chế và trình độ, kinh nghiệm còn hạn chế nên bài khóa luận này không thể
tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp
của thầy cô để bài báo cáo này được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cám ơn!
TP.Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2016

i


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

TÓM TẮT
Cellulose là một trong những polymer sinh học có tính chất vật lý – hóa học phù
hợp cho các nghiên cứu về vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại nặng trong môi
trường nước. Vật liệu Cellulose được tổng hợp và xử lý bằng các phương pháp vật lý
– hóa học để tăng cường các tính chất vật lý cũng như gia tăng hiệu quả hấp phụ kim
loại nặng. Ba loại vật liệu được tổng hợp trong nghiên cứu gồm có vật liệu cellulose
thô, cellulose-oxy-hóa và cellulose phủ chitosan (được kí hiệu lần lượt là CF, ODCF
và CCCF). Các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu được khảo sát thông qua các
thí nghiệm như phân tích cấu trúc bề mặt SEM (Scanning Electron Microscopy), phân
tích thành phần nhóm chức bằng phổ FT-IR (Fourier Transform Infrared
Spectroscopy) và khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Cd (II) và Zn (II) được khảo
sát qua các thí nghiệm mô hình động và mô hình tĩnh. Kết quả phân tích cho thấy
hiệu suất hấp phụ ion kim loại Cd (II) và Zn (II) của vật liệu theo thứ tự CCCF >
ODCF > CF với hiệu suất xử lý cao nhất của CCCF đối với Cd (II) và Zn (II) lần lượt
là 93.71% và 93.04% tương ứng với dung lượng hấp phụ tối đa là 2.009 mgCd/gCCCF
và 2.006 mgZn/gCCCF. Kết quả tối ưu đạt được tại các điều kiện pH 6, nồng độ kim

Keywords: Cellulose, chitosan, KIO4, heavy metal ions, adsorption.

iii


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

MỤC LỤC
TÓM TẮT ................................................................................................................. ii
ABSTRACT ............................................................................................................. iii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT....................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................ ix
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................3
1.

Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm nước do kim loại nặng .........................3

1.1. Tổng quan về kim loại nặng .......................................................................4
1.1.1. Tổng quan về Cadmium (Cd)..................................................................5
1.1.2. Tổng quan về Kẽm (Zn) ...........................................................................6
1.2. Ảnh hưởng của kim loại nặng đến môi trường và sức khỏe con người ..7
1.2.1. Ảnh hưởng của Cd đến môi trường và sức khỏe con người.................8
1.2.2. Ảnh hưởng của Zn đến môi trường và sức khỏe con người .................9
1.3. Các phương pháp xử lý kim loại nặng.....................................................10
1.3.1. Phương pháp kết tủa ..............................................................................10

3.4.1. Phương pháp oxy hóa bề mặt vật liệu Cellulose..................................23
3.4.2. Phương pháp bao phủ bề mặt vật liệu Cellulose bằng Chitosan .......24
3.4.2.1.

Tổng quan về Chitosan .......................................................................24

3.4.2.2.

Những ảnh hưởng của Chitosan đến kim loại nặng ........................25

CHƯƠNG II: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................29
1.

Nội dụng nghiên cứu ...................................................................................29

2.

Hóa chất, dụng cụ và thiết bị .....................................................................29

2.1. Hóa chất ......................................................................................................29
2.2. Dụng cụ và thiết bị .....................................................................................29
3.

Phương pháp tổng hợp vật liệu cellulose (CF) .........................................30

3.1. Quy trình tiền xử lý vật liệu thô ...............................................................30
3.2. Quy trình tổng hợp vật liệu cellulose .......................................................31
3.3. Quy trình biến tính vật liệu cellulose .......................................................32
3.3.1. Phương pháp oxy hóa bề mặt bằng KIO4 (ODCF) .............................32
3.3.2. Phương pháp bao phủ bề mặt bằng Chitosan (CCCF) ......................33

i.

Khảo sát tốc độ dòng của dung dịch mẫu khi qua cột .............................36

ii.

Khảo sát thời gian bão hòa của cột ............................................................36

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................37
1.

Kết quả tổng hợp vật liệu Cellulose và Cellulose biến tính .....................37
v


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
2.

KHÓA 2012-2016

Kết quả khảo sát tính chất vật lý của vật liệu ..........................................39

2.1. Kết quả phân tích cấu trúc bề mặt vật liệu (SEM Analysis) .................39
2.2. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR Analysis) .............................40
3. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng của vật liệu trên mô
hình tĩnh ...............................................................................................................42
3.1. Ảnh hưởng của pH ....................................................................................42
3.2. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ ...........................................................44
3.3. Ảnh hưởng của tốc độ lắc..........................................................................45
3.4. Động học hấp phụ ......................................................................................47

CCCF

Cellulose phủ chitosan (Chitosan-coated Cellulose Fiber)

CF

Cellulose fiber

EPA

Cục Bảo vệ Môi Trường Mỹ (Environment Protection Agency)

H%

Hiệu suất

ODCF

Cellulose-oxy-hóa (Oxidized-Cellulose Fiber)

QCVN

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia

TCVN

Tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia

WHO


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Các loại đường đẳng nhiệt hấp phụ (Brunauer et al., 1940) ..................... 14
Hình 1.2. Quá trình hấp phụ Langmuir (Martha Benavente, 2008) .......................... 15
Hình 1.3. Các mắt xích β-D-Glucose trong cellulose. (Neur Otiker, 2007) ............. 18
Hình 1.4. Sơ đồ phân cấp của gỗ từ kích thước nano đến kích thước trong tự nhiên
(Peng Liu, 2015)........................................................................................................ 18
Hình 1.5. Mạng lưới các sợi cellulose có các liên kết hydro (đường màu xanh) giữa
các sợi. (Ceres Vesta, 2009) ...................................................................................... 20
Hình 1.6. Quá trình oxy hóa cellulose bằng các gốc periodate (Tanja Nikolic et al,
2011).......................................................................................................................... 24
Hình 1.7. Cấu trúc của chitosan (Guibal, 2004)........................................................ 25
Hình 1.8. Phản ứng khử gốc acetyl của chitin tạo thành chitosan (Guibal, 2004).... 25
Hình 1.9. Các mô hình đề xuất cấu trúc của phức Kim loại – Chitosan với (a) chitosan,
(b) mô hình Pendant, (c) mô hình của Monteiro và Airoldi và (d) mô hình Bridge.
(Meijia Xie, 2015) ..................................................................................................... 27
Hình 1.10. Quá trình (a) oxy hóa bề mặt vật liệu bằng KIO4 và (b) bao phủ bề mặt
vật liệu bằng chitosan (Simona Strnad, 2008) .......................................................... 28
Hình 2.1. Các bước tiền xử lý vật liệu thô ................................................................ 30
Hình 2.2. Các thành phần hóa học chính có trong bã mía (P. Kumar et al., 2009) .. 31
Hình 2.3. Quá trình loại bỏ lignin và hemicellulose ................................................. 31
Hình 2.4. Quy trình tổng hợp vật liệu Cellulose ....................................................... 32
Hình 2.5. Mô hình hấp phụ qua cột ........................................................................... 36
Hình 3.1. Vật liệu cellulose tổng hợp: CF, ODCF và CCCF .................................... 37
Hình 3.2. Hiệu ứng liên kết dựa trên sự trao đổi proton. .......................................... 38
Hình 3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa vật liệu Cellulose: (a)
thời gian oxy hóa, (b) nồng độ chất oxy hóa KIO4 ................................................... 39

Hình 3.15. Biểu đồ so sánh hiệu quả xử lý kim loại của vật liệu CCCF trên mô hình
tĩnh và mô hình động................................................................................................. 54
Hình 3.16. Vật liệu tối ưu.......................................................................................... 55

x


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHÓA 2012-2016

MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay ở Việt Nam, các vấn đề liên quan đến nguồn nước đang được sự quan

tâm sát sao của các cấp, các ngành, đặc biệt là ô nhiễm do kim loại nặng trong nguồn
nước. Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm kim loại nặng trong nước, như sự
phát triển của các ngành công nghiệp nặng, các ngành cơ khí – chế tạo máy, luyện
kim… Mặc dù đã có rất nhiều quy định được nhà nước ban hành để kiểm soát chất
lượng nước thải, nhưng do ý thức của các doanh nghiệp trong vấn đề xử lý nước thải
chưa được cao dẫn đến tình trạng ô nhiễm nước như hiện nay. Hơn nữa, khi các quy
định về chất lượng nước sinh hoạt, nước uống ngày càng kiểm soát gắt gao hơn đối
với hàm lượng kim loại nặng thì việc nghiên cứu các kỹ thuật, công nghệ xử lý nước
có thể giảm nồng độ kim loại nặng đến mức thấp nhất (như 1 ppm) là ưu tiên cấp
thiết. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu các công nghệ xử lý kim loại
nặng trong nước, đặc biệt là các kỹ thuật – công nghệ dựa trên vật liệu hấp phụ sinh
học. Tuy nhiên, để áp dụng hiệu quả các kỹ thuật – công nghệ này tại Việt Nam, cần
thực hiện các nghiên cứu cụ thể hơn để vừa đạt hiệu quả xử lý cao, vừa có giá thành

- Đối tượng nghiên cứu: Sử dụng phụ phẩm nông nghiệp là bã mía và nghiên
cứu khả năng hấp phụ các kim loại nặng gồm 2 kim loại là Cd2+, Zn2+
- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm,
tập trung vào việc tổng hợp thành công sợi cellulose biến tính từ bã mía và tối ưu hóa
hiệu suất hấp phụ kim loại nặng (Cd2+, Zn2+) trong dung dịch.
5.

Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập thông tin: tìm hiểu, tổng hợp các tài liệu, số liệu, cơ sở

dữ liệu hiện có về các vật liệu từ thứ phẩm, phụ phẩm nông lâm nghiệp có khả năng
làm vật liệu hấp phụ ở Việt Nam để lập phương án điều tra và lựa chọn đối tượng vật
liệu.
- Phương pháp thực nghiệm: tính chất vật lý của vật liệu hấp phụ được phân tích
bằng các phương pháp phân tích như phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR) và phân tích
cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi điện tử (SEM); tính chất hóa học và khả năng hấp
phụ kim loại nặng của vật liệu được khảo sát trong phòng thí nghiệm.
6.

Nơi thực hiện đề tài
Đề tài được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Phân tích Môi trường – C14, trực

thuộc Khoa Môi trường – trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM cơ sở Nguyễn
Văn Cừ - Quận 5.

2


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU


môi trường. Tuy nhiên, ở Việt Nam, các quy định về kim loại nặng trong nước đều
có hàm lượng kim loại nặng cao hơn so với các nước khác trên thế giới, ảnh hưởng
nhiều đến sức khỏe con người và môi trường sống của các loài thủy sinh vật. Ví dụ,
nồng độ kim loại nặng trong nước ở sông Nhuệ, và sông Tô Lịch tại Hà Nội có giá
3


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
trị thấp hơn so với giá trị quy định trong Quy chuẩn Việt Nam về chất lượng nước
mặt nhưng lại cao hơn giá trị trung bình đối với chất lượng nước ngọt trên thế giới
lần lượt là 0.42 – 0.43 lần tại sông Nhuệ và 0.13 – 0.32 lần tại sông Tô Lịch.
Ngoài ra, việc khai thác và tuyển quặng vàng phải dùng đến thuốc tuyển có chứa
Hg, CN-… rất độc hại. Các nguyên tố kim loại nặng như As, Pb… có thể hòa tan vào
nước dẫn đến nước ở các mỏ than thường có hàm lượng cao các ion kim loại nặng, á
kim… cao hơn Tiêu chuẩn Việt Nam từ 1 đến 3 lần. Các kết quả nghiên cứu của Viện
Y học Lao Động và vệ sinh môi trường năm 2009 cho thấy môi trường các khu vực
khai thác, chế biến kim loại màu ở phía Bắc nước ta như mỏ Chì - Kẽm Lang Hích,
mỏ Chì - Kẽm Bản Thi, mỏ Mangan Cao Bằng, mỏ Thiếc Sơn Dương... thường có
hàm lượng kim loại nặng vượt giới hạn cho phép từ 2 - 10 lần đối với chì, 1.5 - 5 lần
với arsen, và 2 - 15 lần với kẽm. Tại mỏ than lộ thiên Khánh Hòa nồng độ bụi than
và bụi đá trong môi trường có lúc lên tới 42 mg/m3. Hậu quả là có tới 8 – 10% công
nhân trong khu vực này bị nhiễm độc Pb, As hoặc bị bệnh bụi phổi hàng năm phải đi
điều trị.
Sự phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp kéo theo nồng độ của các ion
kim loại nặng tăng từng ngày ảnh hưởng trực tiếp đến các vấn đề sức khỏe và môi
trường. Vì vậy, các kim loại nặng có độc tính cao cần phải loại bỏ ra khỏi thành phần
chất lượng nước nhanh chóng.

1.1.


chloride (CdCl2), Cadmium sulfate (CdSO4) và Cadmium nitrate (Cd(NO3)2). Mặc dù
Cadmium thường ở trạng thái oxy hóa +2, tuy nhiên trong một số trường hợp,
Cadmium có thể tồn tại ở trạng thái oxy hóa +1. Các trạng thái oxy +1 của Cadmium
xuất hiện khi hòa tan Cadmium trong hỗn hợp Cadmium chloride và aluminium
chloride, hình thành cation Cd2+.
Cd + CdCl2 + 2AlCl3 → Cd2(AlCl4)2
Trong tự nhiên, Cadmium được tìm thấy trong lớp vỏ Trái Đất và thường là hợp
chất với kẽm. Cadmium thường là sản phẩm phụ không thể thiếu, hình thành trong
các ngành công nghiệp chiết tách chì, kẽm hay đồng. Sau khi sử dụng, Cadmium xâm
nhập vào môi trường chủ yếu thông qua mặt đất vì nó thường được tìm thấy trong
phân chuồng và thuốc trừ sâu. Thông thường, có khoảng 25,000 tấn Cadmium được
thải vào môi trường trong 1 năm. Khoảng ½ lượng này đi vào các con sông thông qua
sự phong hóa đất, đá và một số đi vào trong không khí từ các đám cháy rừng hoặc
hoạt động núi lửa. Lượng Cadmium còn lại là do các hoạt động của con người, ví dụ
như các hoạt động sản xuất công nghiệp. Các nước khai thác, sản xuất và cung cấp
số lượng lớn Cadmium là Canada, Hoa Kỳ, Úc, Mexico, Nhật Bản, và Peru với sản
lượng khoảng 14,000 tấn/năm. Khoảng ¾ lượng Cadmium được sử dụng trong sản
xuất pin Ni-Cd, ¼ còn lại sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp sơn – mạ điện
hoặc làm chất ổn định cho các loại nhựa. Cadmium còn được sử dụng để mạ điện cho
5


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
thép khi chỉ cần lớp màng Cadmium mỏng 0.05mm đã có thể bảo vệ bề mặt kim loại
trong môi trường nước biển. Ngoài ra, Cadmium còn có khả năng hấp thụ neutron, vì
vậy nó được sử dụng như một rào cản để kiểm soát các phản ứng hạt nhân.

1.1.2. Tổng quan về Kẽm (Zn)
Kẽm là kim loại có màu trắng xanh, là nguyên tố đầu tiên thuộc nhóm 12 trong
bảng tuần hoàn hóa học. Kẽm có tính giòn và có thể kết tinh ở nhiệt độ thường, dễ

phẩm, nước uống. Kẽm tồn tại trong không khí, nước và đất; ngày nay, hàm lượng
kẽm đang tăng nhanh bất bình thường do các hoạt động của con người. Hầu hết, lượng
kẽm thải ra môi trường đều đến từ các hoạt động công nghiệp như khai thác mỏ, than,
luyện thép hoặc đốt chất thải. Môi trường đất ở một số nơi đang bị ô nhiễm kẽm
nghiêm trọng do các hoạt động khai thác, tinh chế kẽm từ các khu công nghiệp sản
sinh lượng bùn thải và được sử dụng làm phân bón.

1.2.

Ảnh hưởng của kim loại nặng đến môi trường và sức khỏe con người
Dựa trên các nghiên cứu khoa học, mặc dù một số kim loại nặng với hàm lượng

nhỏ nhất định rất quan trọng đối với quá trình trao đổi chất của cơ thể con người, tuy
nhiên khi hấp thu hàm lượng cao các kim loại nặng do uống nước nhiễm bẩn, ô nhiễm
môi trường không khí hoặc sử dụng thực phẩm không sạch sẽ dẫn đến việc ngộ độc
kim loại nặng. Có 35 nguyên tố kim loại được đánh giá là có hại đến sức khỏe con
người, trong đó 25 nguyên tố là các kim loại nặng như arsenic, Cadmium, đồng, vàng,
sắt, chì, và kẽm. Nhiễm độc kim loại nặng có thể dẫn đến suy giảm các chức năng
thần kinh, ảnh hưởng đến các thành phần trong máu, phổi, thận, gan và các cơ quan
quan trọng khác. Ngoài ra, phơi nhiễm kim loại nặng trong thời gian dài sẽ dẫn đến
các bệnh như Alzheimer, Parkinson, rối loạn cơ bắp hay xơ cứng cơ. Kim loại nặng
cũng là một trong những nguyên nhân gây ung thư. Các trường hợp được ghi nhận
bệnh do phơi nhiễm kim loại nặng thường có các triệu chứng nặng, diễn biến nhanh
chóng kết hợp với các biểu hiện như chuột rút, buồn nôn, nôn, đau nhức, ra mồ hôi,
nhức đầu và khó thở; một số triệu chứng khác do tiếp xúc với hàm lượng lớn kim loại
nặng như rối loại cảm xúc hay mất ngủ (Lef, 1998).
Ngoài ra, những nguyên tố kim loại nặng còn là nguyên nhân gây ra sự ô nhiễm
môi trường và có mặt trong nhiều nguồn thải khác nhau như chì trong xăng, chất thải
công nghiệp hay kim loại nặng có trong đất đi vào sông, hồ do tác động của mưa acid.
Nguồn thải kim loại nặng còn phát sinh từ các ngành công nghiệp luyện kim, hoàn

thái môi trường đất. Trong môi trường nước, Cadmium sẽ tích lũy sinh học trong trai,
sò, tôm và cá; động vật khi ăn các loại sinh vật thủy sinh có tích tụ Cadmium sẽ dẫn
đến các bệnh về gan, hệ thần kinh hoặc cao huyết áp.
Đối với con người, sự hấp thu Cadmium chủ yếu đến từ thực phẩm, một số loại
thực phẩm giàu Cadmium như gan, nấm, sò, hến, bột ca cao và rong biển có thể làm
tăng đáng kể nồng độ Cadmium trong cơ thể người. Ngoài ra, những người hút thuốc
thường bị phơi nhiễm Cadmium với nồng độ cao hơn bình thường do khói thuốc vận
chuyển Cadmium vào phổi, sau đó máu sẽ vận chuyển nó đến các bộ phận còn lại của
cơ thể. Những người sống gần các khu vực có nhà máy luyện kim, hoặc làm việc
trong ngành công nghiệp máy móc, kim loại sẽ có nguy cơ bị ảnh hưởng nghiêm trọng
8


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
đến phổi, thậm chí có thể gây tử vong khi tiếp xúc với môi trường không khí xung
quanh bị nhiễm Cadmium. Cadmium có thể theo đường máu để đến các cơ quan thiết
yếu như gan, thận và tích tụ tại đó gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ bài tiết của cơ
thể và phải mất một thời gian rất lâu để có thể đào thải ra khỏi cơ thể con người. Ngộ
độc Cadmium có thể gây ra các bệnh như tiêu chảy, đau bụng hay nôn mửa; Cadmium
còn ảnh hưởng đến cơ quan sinh sản và có thể gây vô sinh; gây thiệt hại đến hệ thống
thần kinh trung ương, hệ miễn dịch; gây rối loạn tâm lý hoặc ung thư.

1.2.2. Ảnh hưởng của Zn đến môi trường và sức khỏe con người
Ngày nay, nhu cầu sản xuất kẽm trên thế giới vẫn tăng, dẫn đến lượng kẽm thải
vào môi trường ngày càng nhiều hơn. Kẽm có trong nước thải từ các nhà máy công
nghiệp đi vào trong môi trường nước gây ô nhiễm và làm tăng nồng độ acid trong
nước. Một số loài cá, tôm và các sinh vật thủy sinh có thể tích tụ kẽm trong cơ thể,
dẫn đến tích lũy sinh học kẽm trong chuỗi thức ăn. Hơn nữa, kẽm đi vào trong đất sẽ
gây ô nhiễm môi trường đất, không chỉ trở thành một mối đe dọa đến sức khỏe của
các loài gia súc, gia cầm mà còn ảnh hưởng đến cây trồng trên vùng đất bị ô nhiễm.


Các phương pháp xử lý kim loại nặng
Hiện nay, có rất nhiều công nghệ được nghiên cứu và áp dụng để xử lý kim loại

nặng trong nước như kết tủa hóa học, lọc, trao đổi ion, keo tụ điện hóa, màng sinh
học hoặc hấp phụ bằng carbon hoạt tính… Tuy nhiên, một số phương pháp như tạo
kết tủa hóa học hay xử lý keo tụ điện hóa thường không hiệu quả đối với nước thải
có hàm lượng kim loại nặng thấp như từ 1 – 100 mg/L. Ví dụ, theo như khuyến cáo
của WHO thì giới hạn hàm lượng đồng trong nước uống là 2 mg/L và sẽ không thể
đạt được mức chuẩn này nếu áp dụng phương pháp kết tủa hóa học. Do đó, dựa vào
quy chuẩn của EPA và QCVN về nồng độ tối đa các kim loại nặng trong nước như
đồng, bạc, Cadmium, kẽm hoặc chì, đề tài mong muốn đề xuất một giải pháp kĩ thuật
có thể đáp ứng được mục tiêu xử lý các kim loại nặng có nồng độ thấp trong nước
với hiệu suất xử lý cao và có giá thành cạnh tranh.
Tuy nhiên, để lựa chọn một công nghệ thích hợp có thể đáp ứng được các mục
tiêu đặt ra cần phải phân tích và hiểu rõ các phương pháp, kỹ thuật đang được áp dụng
hiện nay. Vì vậy, trong đề mục này sẽ phân tích một số công nghệ đang dùng để xử
lý kim loại nặng trong nước hiện nay.

1.3.1. Phương pháp kết tủa
Phương pháp kết tủa hỏa học là một trong những kỹ thuật thường được sử dụng
để loại bỏ kim loại trong nước thải từ các ngành công nghiệp hóa chất và luyện kim.
Tuy nhiên, khi áp dụng quy trình này cần phải có các bước xử lý bậc hai như lọc hoặc
khử nước. Hydroxide, sulphite, phosphates và carbonate thường là các chất kết tủa
hay gặp. Nhiều kim loại như nickel, kẽm và đồng rất dễ kết tủa trong khi đó một số
kim loại khác như thủy ngân hay crom thì ngược lại. Tuy nhiên, độ pH tối ưu để các
10


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

cầu chi phí lắp đặt và vận hành khá cao.

1.3.4. Phương pháp trao đổi ion

11


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Phương pháp trao đổi ion là sự trao đổi các ion có cùng điện tích giữa pha rắn
(ví dụ các hạt nhựa polimer) và pha lỏng (nước thải). Quá trình này là thuận nghịch,
và được sự dụng để loại bỏ các ion kim loại trong nước thải như cobalt, sắt hoặc kẽm.
Các vật liệu trao đổi ion khi bão hòa có thể được tái sinh bằng các dung dịch acid
hoặc kiềm, tùy theo tính chất của mỗi loại vật liệu. Dòng thải đầu ra có nồng độ cao
nhưng thể tích thấp, điều này công nghệ này cần có các bước xử lý bậc hai để thu hồi
kim loại. Các vật liệu trao đổi ion thường được sử dụng như là các loại hạt polymer,
carbon hoạt tính hoặc zeolites.
Quy trình xử lý các kim loại nặng trong nước bằng phương pháp trao đổi ion
thường được đề xuất áp dụng cho nồng độ kim loại dưới 1000 ppm và trong dung
dịch không chứa nhiều các ion cạnh tranh. Ngoài ra, thiết kế hệ thống trao đổi ion
thường tốn nhiều chi phí hoặc đòi hỏi dung dịch đầu vào không có các hạt keo không
tan để duy trì hiệu suất cao cho quá trình trao đổi ion cũng như tái sinh vật liệu.

1.3.5. Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ trên các loại vật liệu rắn như carbon hoạt tính, vật liệu
sinh học… đang được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước. Nhiều loại vật liệu hấp phụ
hữu cơ và vô cơ được sử dụng để loại bỏ các ion kim loại nặng trong nước, ví dụ như
chitosan, thực vật thủy sinh, sắt oxide, mangan oxide, silica gel hoặc carbon hoạt tính.
Trong đó, các nghiên cứu về ứng dụng vật liệu hấp phụ sinh học đang được sử dụng
nhiều nhất để xử lý các hợp chất ô nhiễm hữu cơ hoặc vô cơ trong nước. Hơn nữa,
phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu sinh học tự nhiên có thể cung cấp một giải

trình hấp phụ với quy mô thương mại thì vật liệu hấp phụ phải có tải trọng hàng tấn
và giá thành thấp (Ruthven, 1984). Để có thể hiểu rõ quá trình hấp phụ cũng như thiết
kế một quy trình hấp phụ yêu cầu phải có kiến thức về đường đẳng nhiệt cân bằng và
động học hấp phụ.

2.2.

Cân bằng hấp phụ
Quá trình hấp phụ thường được mô tả bằng các đường đẳng nhiệt hấp phụ, thể

hiện hàm lượng chất tan có thể hấp phụ vào vật liệu hấp phụ tại một nhiệt độ nhất
định. Một đường đẳng nhiệt hấp phụ thường liên quan đến hàm lượng chất tan trên
bề mặt vật liệu và nồng độ chất tan có trong trong dung dịch mà chất hấp phụ tiếp
xúc. Những giá trị này thường được xác định thông qua thí nghiệm hoặc dựa vào
những mô hình mô phỏng. Mặc dù đường đẳng nhiệt Freundlich và Langmuir là hai
đường đẳng nhiệt mô phỏng tốt sự cân bằng hấp phụ, tuy nhiên, vẫn còn có các
phương trình khác để mô phỏng quá trình này. Bảng 1.1 sẽ liệt kê một số phương
trình chính đang được sử dụng hiện nay.
Bảng 1.1. Các phương trình đường đẳng nhiệt mô phỏng cân bằng hấp phụ. Trong
mỗi trường hợp, qe là dung lượng hấp phụ và Ceq là nồng độ cân bằng của chất bị hấp
phụ.
Đường đẳng nhiệt

Phương trình

Chú thích

Freundlich

aF và bF là các thông số kinh nghiệm, thông