ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

------------

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
SẮT OXI-HYĐROXIT (FeOOH) THỬ NGHIỆM XỬ LÝ
MÔI TRƢỜNG NƢỚC

Mã số: ĐH2014-TN07-07

Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Đình Vinh

Thái Nguyên, 7/2017


i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

------------

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
SẮT OXI-HYĐROXIT (FeOOH) THỬ NGHIỆM XỬ LÝ

MÔI TRƢỜNG NƢỚC

Mã số: ĐH2014-TN07-07

Xác nhận của tổ chức chủ trì
(ký, họ tên, đóng dấu)

Thái Nguyên, 7/2017

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ tên)


i

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU

ĐỀ TÀI

VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

I. Thành viên thực hiện đề tài
- TS. Trƣơng Thị Thảo - Khoa Hóa học - Trƣờng Đại học Khoa học - Đại học
Thái Nguyên
- TS. Bùi Minh Quý - Khoa Hóa học - Trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái
Nguyên
- ThS. Nguyễn Thị Ngọc Linh - Khoa Hóa học - Trƣờng Đại học Khoa học Đại học Thái Nguyên
II. Đơn vị phối hợp thực hiện
Phòng Hóa Vô cơ - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam



ii

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................... 3
1.1. Tổng quan về kim loại nặng ............................................................................................. 3
1.1.1. Định nghĩa ..................................................................................................................... 3
1.1.2. Ảnh hƣởng của một số kim loại nặng tới sinh vật và con ngƣời................................... 3
1.1.3. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nƣớc ở Việt Nam ........................................... 5
1.1.4. Các phƣơng pháp xử lí kim loại nặng trong nƣớc ......................................................... 6
1.1.4.1. Phƣơng pháp kết tủa hóa học ..................................................................................... 6
1.1.4.2. Phƣơng pháp trao đổi ion ........................................................................................... 7
1.1.4.3. Phƣơng pháp điện hóa ................................................................................................ 7
1.1.4.4. Phƣơng pháp sinh học ................................................................................................ 8
1.1.4.5. Phƣơng pháp hấp phụ ................................................................................................. 8
1.2. Tổng quan về vật liệu α-FeOOH ...................................................................................... 8
1.2.1. Giới thiệu về oxi-hiđroxit sắt......................................................................................... 8
1.2.2. Vật liệu goethite, α-FeOOH ........................................................................................ 10
1.2.2.1. Giới thiệu .................................................................................................................. 10
1.2.2.2. Cấu trúc tinh thể ....................................................................................................... 11
1.2..2.3. Phƣơng pháp tổng hợp............................................................................................. 11
1.2.2.4.Ứng dụng của goethite............................................................................................... 12
1.3. Cơ chế hấp phụ của vật liệu FeOOH .............................................................................. 12
1.3.1. Cơ sở lí thuyết ............................................................................................................. 12
1.3.2. Sự hấp phụ của vật liệu FeOOH .................................................................................. 19
1.4. Ứng dụng của vi sóng trong tổng hợp vật liệu ............................................................... 20
1.5. Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng của vật liệu ......................................................... 20
1.5.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X XRD ............................................................................... 20

1.5.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................................... 21
1.5.3. Phƣơng pháp phân tích nhiệt ....................................................................................... 22
1.5.5. Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt riêng BET .............................................................. 23
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM............................................................................................. 24
2.1. Hóa chất và thiết bị ......................................................................................................... 24
2.1.1. Hóa chất ....................................................................................................................... 24
2.1.2. Thiết bị ......................................................................................................................... 24
2.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu FeOOH .............................................................................. 25
2.2.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của giá trị pH ......................................................................... 25
2.2.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt dộ ............................................................................ 25


iii

2.2.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của vi sóng ............................................................................. 25
2.3. Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng của vật liệu ......................................................... 25
2.3.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................................ 25
2.3.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét ................................................................................ 25
2.3.3. Phƣơng pháp phân tích nhiệt ....................................................................................... 26
2.3.4. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại ...................................................................................... 26
2.3.5. Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt BET........................................................................ 26
2.4. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng trên vật liệu goethite ............................... 26
2.4.1. Thí nghiệm hấp phụ ..................................................................................................... 26
2.4.2. Xác định hàm lƣợng KLN trong dung dịch bằng phƣơng pháp F-AAS ..................... 27
2.4.2.1. Dựng đƣờng chuẩn ................................................................................................... 27
2.4.2.2. Xác định hàm lƣợng KLN trong dung dịch sau hấp phụ ......................................... 29
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................ 30
3.1. Chế tạo vật liệu α-FeOOH .............................................................................................. 30
3.1.1. Ảnh hƣởng của pH....................................................................................................... 30
3.1.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ .............................................................................................. 31

3.1.3. Ảnh hƣởng của vi sóng ................................................................................................ 33
3.1.4. Một số đặc trƣng của vật liệu ...................................................................................... 35
3.1.4.1. Thông số mạng ......................................................................................................... 35
3.1.4.2. Độ bền nhiệt ............................................................................................................. 35
3.1.4.3. Phổ hồng ngoại FT-IR .............................................................................................. 36
3.1.4.4. Diện tích bề mặt........................................................................................................ 37
3.2. Kết quả nghiên cứu hấp phụ Pb và Cd ........................................................................... 38
3.2.1. Hấp phụ ion riêng rẽ .................................................................................................... 38
3.2.1.1. Ảnh hƣởng của pH dung dịch................................................................................... 38
3.2.1.2. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc và mô hình động học hấp phụ............................ 39
3.2.1.3. Ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu và đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ .............................. 42
3.2.2. Hấp phụ hỗn hợp ion ................................................................................................... 44
3.3. Kết quả nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) ............................................................................... 46
3.3.1. Ảnh hƣởng của pH dung dịch...................................................................................... 46
3.3.2. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc và mô hình động học hấp phụ ............................... 46
3.4.3. Ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu và đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ ................................. 48
KẾT LUẬN ........................................................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................................


iv

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của goethite ................................................................... 11
Hình 1.2. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính............................. 16
Hình 1.3. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich dạng tuyến tính ........................... 17
Hình 1.4. Đồ thị dạng tuyến tính của mô hình động học bâc 1 ................................ 18
Hình 1.5 Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể chất rắn khi tia X lan truyền trong
chất rắn .................................................................................................................... 21
Hình 2.1. Đƣờng chuẩn Pb ....................................................................................... 28

Hình 2.2. Đƣờng chuẩn Cd ....................................................................................... 29
Hình 2.3. Đƣờng chuẩn Cr ....................................................................................... 29
Hình 3.1. Giản đồ XRD của mẫu hình thành ở các giá trị pH khác nhau ................ 30
Hình 3.2. Giản đồ XRD của các mẫu hình thành ở các nhiệt độ khác nhau ............ 32
Hình 3.4. Giản đồ XRD của các mẫu đƣợc tổng hợp với sự hỗ trợ của vi sóng ...... 33
Hình 3.5. Ảnh SEM của các mẫu hình thành dƣới tác động của vi sóng ................. 34
Hình 3.6. Giản đồ XRD của các mẫu đƣợc tổng hợp với sự hỗ trợ của vi sóng ...... 35
Hình 3.7. Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu geothite ........................................... 36
Hình 3.8. Phổ hồng ngoại của vật liệu...................................................................... 37
Hình 3.9. Ảnh hƣởng của pH dung dịch đến sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) ............... 39
Hình 3.10. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc đến sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II)....... 40
Hình 3.11. Đƣờng biểu diễn mô hình động học bậc 1 của sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II)
.................................................................................................................................. 40
Hình 3.12. Đƣờng biểu diễn mô hình động học bậc 2 của sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II)
.................................................................................................................................. 41
Hình 3.13. Dung lƣợng hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite với các nồng độ ion
Pb(II) và Cd(II) ban đầu khác nhau .......................................................................... 42
Hình 3.15. Đƣờng đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính cho sự hấp phụ Pb(II) và
Cd(II) trên goethite ................................................................................................... 43
Hình 3.16. Sự biến đổi của dung lƣợng hấp phụ ion kim loại trên goethite ở các nồng
độ Cd(II) ban đầu khác nhau .................................................................................... 45
Hình 3.17. Độ hấp phụ Cr(VI) trên goethite ở các giá trị pH khác nhau ................. 46
Hình 3.18. Độ hấp phụ Cr(VI) trên goethite ở các khoảng thời gian khác nhau ..... 47
Hình 3.19. Đƣờng biểu diễn mô hình động học bậc 1 của sự hấp phụ Cr(VI) ........ 47
Hình 3.20. Đƣờng biểu diễn mô hình động học bậc 2 của sự hấp phụ Cr(VI) ........ 48
Hình 3.21. Sự phụ thuộc của độ hấp phụ và dung lƣợng hấp phụ Cr(VI) vào nồng độ
Cr(VI) ban đầu .......................................................................................................... 49
Hình 3.22. Đƣờng đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính cho sự hấp phụ Cr(VI) trên
goethite ..................................................................................................................... 50
Hình 3.23. Đƣờng đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính cho sự hấp phụ Cr(VI) trên

goethite ..................................................................................................................... 50


v

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt ...................................................... 14
Bảng 2.1. Danh mục hóa chất sử dụng trong đề tài.................................................. 24
Bảng 2.2. Danh mục thiết bị sử dụng trong đề tài .................................................... 24
Bảng 2.3. Các thống số kỹ thuật sử dụng xác định Cd, Cr và Pb trong dung dịch .. 27
Bảng 3.1. Kết quả BET của mẫu goehtie ................................................................. 38
Bảng 3.2. Các thông số động học của mô hình bậc hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên
goethite ..................................................................................................................... 41
Bảng 3.3. Các thông số của phƣờng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freunlich
đối với sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite ..................................................... 44
Bảng 3.4. Các thông số động học của mô hình bậc hấp phụ Cr(VI) trên goethite ... 48
Bảng 3.5. Các thông số của phƣờng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freunlich
đối với sự hấp phụ Cr(VI) trên goethite ................................................................... 50


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
XRD (X-Ray Diffraction)

Nhiễu xạ tia X

TGA (Thermal Gravimetric Analysis)

Phân tích nhiệt trọng lƣợng


DTA (Differential Thermal Analysis)

Phân tích nhiệt vi sai

SEM (Scanning Electron Microscopy)

Hiển vi điện tử quét

TEM (Transmission Electron Microscopy)

Hiển vi điện tử truyền qua

AAS (Atomic Absorption Spectroscopy)

Phổ hấp thụ nguyên tử

FT-IR (Fourier Transform Infrared
Spectroscopy)

Phổ hồng ngoại


vii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxi-hyđroxit (FeOOH) thử
nghiệm xử lý môi trƣờng nƣớc
- Mã số: ĐH2014 - TN07 - 07
- Chủ nhiệm: TS. Nguyễn Đình Vinh
- Tổ chức chủ trì: Trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
- Thời gian thực hiện: 01/2014 - 12/2015
2. Mục tiêu:
- Xác định đƣợc các điều kiện tối ƣu để tổng hợp các oxi-hydroxit sắt với kích
thƣớc nanomet.
- Khảo sát đƣợc các đặc trƣng của các sản phẩm tổng hợp đƣợc bằng các phƣơng
pháp hiện đại.
- Xác định đƣợc hiệu quả hấp phụ các kim loại nặng của vật liệu
3. Tính mới, tính sáng tạo:
- Nghiên cứu ứng dụng vi sóng trong tổng hợp vật liệu nano FeOOH.
- Đánh giá khả hấp thụ một số kim loại nặng của vật liệu tổng hợp đƣợc.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Khảo sát đƣợc các yếu tố nhƣ pH, nhiệt độ và vi sóng ảnh hƣởng đến quá trình
tổng hợp vật liệu FeOOH.
- Phân tích các đặc trƣng của vật liệu bằng các phƣơng pháp hiện đại.
- Đánh giá khả năng hấp phụ một số kim loại nặng nhƣ Pb, Cd, Cr của vật liệu
chế tạo đƣợc.
5. Sản phẩm:
5.1. Sản phẩm khoa học:
Có 02 bài báo đăng trên tạp chí Khoa học
1. Nguyễn Đình Vinh, Ngô Thị Hồng Thu, Đào Quốc Hƣơng, Nguyễn Thị Hạnh
(2015), “Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của giá trị pH và nhiệt độ đến sự hình thành
goethite”, Tạp chí Hóa học, 53(3e12), tr. 365-369


viii


2. Nguyen V. D., Kynicky J., Ambrozova P., Adam V. (2017), “Microwave-Assisted
Synthesis of Goethite Nanoparticles Used for Removal of Cr (VI) from Aqueous
Solution”, Materials 10(7), pp. 783.
5.2. Sản phẩm đào tạo:
* 03 đề tài sinh viên NCKH đã nghiệm thu:
1. Ngô Thị Hồng Thu (2015), Thiết kế quy trình xử lý một số kim loại nặng trong nước,
Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học, Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên.
2. Lự Thị Nga (2015), Thiết kế quy trình xử lý một số chất hoạt động bề mặt trong nước,
Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học, Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên.
3. Phan Thị Huệ (2016), Tổng hợp vật liệu nano goethite với sự hỗ trợ của vi sóng, thử
nghiệm hấp thụ ion Cr(VI) trong nước, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học, Trƣờng Đại
học Khoa học – Đại học Thái Nguyên.
* 01 luận văn thạc sĩ đã nghiệm thu
Phạm Thị Phƣơng Thảo (2017), Ngiên cứu đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu
goethite ứng dụng xử lý một số kim loại nặng, Luận văn Thạc sĩ, Trƣờng Đại học Khoa
học – Đại học Thái Nguyên.
6. Phƣơng thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của
kết quả nghiên cứu:
- Khả năng áp dụng: Ứng dụng xử lý các kim loại nặng trong nƣớc.
- Phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu: Có thể cung cấp vật liệu và quy
trình xử lý cho các cá nhân tổ chức.
Ngày tháng 07 năm 2017
Tổ chức chủ trì
(ký, họ và tên, đóng dấu)

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)

TS. Nguyễn Đình Vinh



ix

INFORMATION OF RESEARCH RESULTS
1. General iformation:
- Project title: Study on the preparation of iron oxyhydroxide nano materials
testing water treatment feasibility.
- Code number: ĐH2014 - TN07 - 07
- Major researcher: TS. Nguyễn Đình Vinh
- Implementirng institution: TNU - University of Sciences
- Duration: from 01/2014 to 12/2015
2. Objective:
- Determine the optimal condition for synthesis of iron oxyhydroxide nano
materials.
- Characterize the obtained materials by modern methods.
- Determine the feasibility of heavy metal removal by obtained materials.
3. Creativeness and innovativeness:
- In this project, microwave was used to support the synthesis of FeOOH nano
materials.
- The feasibility of heavy metal removal by using obtained materials was
evaluted.
4. Research results:
- Investigated some factors such as pH, temperature, and microwave that impact
on the synthesis process of FeOOH material.
- Characterized the obtained materials by modern methods.
- Determined the feasibility of heavy metal removal by obtained materials.
5. Product:
5.1. Scientific product:
Two papers were published on scientific journals

1. Nguyen Dinh Vinh, Ngo Thi Hong Thu, Đao Quoc Huong, Nguyen Thi Hanh
(2015), “Study on the effect of pH and temperature on the formation of goethite”,
Vietnam Journal of Chemistry, 53(3e12), pp. 365-369
2. Nguyen V. D., Kynicky J., Ambrozova P., Adam V. (2017), “Microwave-Assisted
Synthesis of Goethite Nanoparticles Used for Removal of Cr (VI) from Aqueous
Solution”, Materials 10(7), pp. 783
5.2. Training product:
* Three research projects of students were evaluated:
1. Ngo Thi Hong Thu (2015), Design treatment process of some heavy metals in
water, Student research project, TNU - University of Sciences.


x

2. Lu Thi Nga (2015), Design treatment process of some surfactants in water, Student
research project, TNU - University of Sciences.
3. Phan Thi Hue (2016), Microwave-assisted synthesis of goethite nano material used
for Cr(VI) adsorption in water, Student research project, TNU - University of Sciences.
* One master thesis was evaluated
1. Pham Thi Phuong Thao (2017), Study on structural characteristics and properties
of goethite material used for treating some heavy metals in water, Master thesis, TNU University of Sciences.
6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of reserach
results:
- Ability to apply: Used for treating some heavy metals in water
- Procedure transfer research results: Provide materail and treatment process for
private or companies.


1


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ô nhiễm nƣớc bởi các kim loại nặng và chất hoạt động bề mặt là một vấn đề toàn
cầu. Nó phá hủy hệ sinh thái và gây nguy hại đến sức khỏe loài ngƣời do đó việc tìm
ra các biện pháp khắc phục và các phƣơng pháp xử lý nƣớc có vài trò rất quan trọng
đối với sự phát triển của mỗi quốc gia. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học
nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu khác nhau để ứng dụng trong sử lý nƣớc, trong đó
vật liệu hấp phụ tỏ ra có khả năng ứng dụng rất lớn, đặc biệt là các loại vật liệu có
chứa sắt nhƣ các oxit sắt, các composit chứa sắt…
Các oxi-hydroxit sắt có nhiều ƣu điểm nhƣ khả năng hấp phụ tốt đối với các ion
kim loại nặng và chất hoạt động bề mặt, hơn nữa chúng có độ bền cao và đơn giản
trong việc chế tạo nên đã đƣợc nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và đƣa vào
ứng dụng một cách hiệu quả trong xử lý nƣớc.
Tuy nhiên, ở Việt Nam thì loại hợp chất này chƣa đƣợc sử dụng nhiều trong quy
trình xử lý nƣớc, do đó việc nghiên cứu tổng các oxi-hydroxit sắt cũng nhƣ việc xây
dựng quy trình công nghệ để xử lý nƣớc bằng các loại vật liệu này có nhiều ý nghĩa cả
về lý thuyết lẫn thực tiễn. Bằng việc nghiên cứu các điều kiện thích hợp để tổng hợp
vật liệu sẽ góp phần vào sự phát triển lý thuyết về điều kiện hình thành, cấu trúc cũng
nhƣ các đặc tính của loại vật liệu này. Việc xây dựng quy trình ứng dụng loại vật liệu
này trong xử lý nƣớc có ý nghĩa rất lớn về mặt thực tiễn trong việc loại bỏ các chất ô
nhiểm ra khỏi nƣớc, hơn nữa nó phù hợp với xu hƣớng nghiên cứu hiện nay của các
nhà khoa học trong và ngoài nƣớc.
Do đó việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxi-hyđroxit
(FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước” có nhiều ý nghĩa về khoa học và thực
tiễn.
2. Mục tiêu của đề tài
- Chế tạo thành công vật liệu nano goethite
- Thử nghiệm khả năng hấp phụ các ion Pb(II), Cd(II), Cr(VI) trên vật liệu
3. Nội dung nghiên cứu của đề tài



2

- Nghiên cứu các yếu tố pH và nhiệt độ để tối ƣu hóa điều kiện tổng hợp goethite;
- Nghiên cứu ứng dụng vi sóng trong tổng hợp vật liệu để nâng cao hiệu quả của quá
trình;
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của pH dung dịch, thời gian tiếp xúc, nồng độ ban đầu của
các ion Pb(II), Cd(II), Cr(VI) đến quá trình hấp phụ các ion này trên vật liệu goethite.
- Nghiên cứu các mô hình động học và đƣờng đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ.


3

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về kim loại nặng
1.1.1. Định nghĩa
Kim loại nặng là những kim loại có nguyên tử lƣợng lớn, thể hiện tính kim loại
ở nhiệt độ phòng. Nó bao gồm những nguyên tố kim loại chuyển tiếp, các họ lantan và
actini. Có nhiều định nghĩa khác nhau về kim loại nặng dựa trên tỉ trọng, số khối, khối
lƣợng nguyên tử. Kim loại nặng thƣờng độc đối với sự sống và cơ thể con ngƣời [1-3].
1.1.2. Ảnh hưởng của một số kim loại nặng tới sinh vật và con người
Kim loại nặng có thể gây nguy hại đến cơ thể con ngƣời và sinh vật khi nồng độ
vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép. Mặc dù, khi nồng độ của các kim loại nặng dƣới tiêu
chuẩn cho phép, chúng vẫn có thể gây độc mãn tính do tính tích lũy trong hệ thống
sinh học.
Ảnh hưởng của chì
Vai trò tích cực của chì đối với cơ thể con ngƣời là rất ít, ngƣợc lại, nó là nguyên
tố có độc tính cao đối với con ngƣời và động vật. Chì gây độc cho hệ thần kinh trung
ƣơng và hệ thần kinh ngoại biên. Chì có tác động lên hệ enzim, nhất là các enzim có

nhóm hoạt động chứa hydro. Ngƣời bị nhễm độc chì sẽ bị rối loạn một số bộ phận
chức năng của cơ thể, thƣờng là rối loạn bộ phận tạo huyết. tùy theo mức độ nhiễm
độc, có thể gây những triệu chứng nhƣ đau bụng, đau khớp, viêm thận, cao huyết áp
vĩnh viễn, tai biến não. Nếu nhiễm độc chì nặng có thể dẫn đến tử vong [1].
Chì có thể xâm nhập vào cơ thể theo đƣờng nƣớc uống, thức ăn, hô hấp. Đặc tính
của chì là nó ít bị đào thải, khi đi vào cơ thể sẽ tích tụ lại theo thời gian đến một mức
độ nào đó mới gây độc hại. Xƣơng chính là nơi tích lũy chì trong cơ thể. Nó kìm hãm
quá trình chuyển hóa canxi bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua quá trình kìm
hãm sự chuyển hóa vitamin D. Nồng độ chì tối đa cho phép trong nƣớc uống là 5mg/l
[4, 5].
Ảnh hưởng của cađimi


4

Cd là kim loại đƣợc sử dụng trong công nghiệp mạ, luyện kim, sơn, chế tạo đồ
nhựa, làm chất ổn định trong công nghiệp chất dẻo. Các hợp chất của cadimia đƣợc sử
dụng để sản xuất pin, chất bán dẫn. Do vậy, nó có trong nƣớc thải của các ngành công
nghiệp này [1].
Cađimi và dung dịch các hợp chất của nó là những chất cực độc. Thậm chí với
nồng độ rất thấp, chúng sẽ tích lũy sinh học trong cơ thể. Một trong những lí do giải
thích độc tính của Cađimi là chúng can thiệp vào phản ứng của các enzim chứa kẽm
gây rối loạn trao đổi chất. Cađimi có thể thay thế kẽm trong các tế bào thần kinh khi
tích lũy trong cơ thể, do đó gây ra sự suy giảm, mất trí nhớ. Cađimi mặc dù rất giống
kẽm về phƣơng diện hóa học nhƣng không thể thay thế kẽm trong cơ thể của con
ngƣời [6].
Nuốt phải một lƣợng nhỏ Cađimi có thể gây ngộ độc tức thì làm tổn thƣơng gan
và rối loạn chức năng thận. Với nồng độ cao hen, thì gây ra đau thận, thiếu máu và phá
hủy xƣơng. Các hợp chất Cađimi cũng là chất gây ung thƣ. Ngoài ra, nhiễm độc
Cađimi còn ảnh hƣởng đến tim mạch. Tiêu chuẩn theo WHO cho nƣớc uống 0,003

mg/l [7, 8].
Ảnh hưởng của thuỷ ngân
Tính độc phụ thuộc vào dạng hoá học của nó. Thuỷ ngân nguyên tố tƣơng đối
trơ, không độc. Nếu nuốt phải thuỷ ngân kim loại thì sau đó sẽ đƣợc thải ra mà không
gây hậu quả nghiêm trọng. Nhƣng thuỷ ngân dễ bay hơi ở nhiệt độ thƣờng nên nếu hít
phải sẽ rất độc [9]. Thuỷ ngân có khả năng phản ứng với axit amin chứa lƣu huỳnh,
các hemoglobin, abumin; có khả năng liên kết màng tế bào, làm thay đổi hàm lƣợng
kali, thay đổi cân bằng axit bazơ của các mô, làm thiếu hụt năng lƣợng cung cấp cho tế
bào thần kinh. Trẻ em bị ngộ độc thuỷ ngân sẽ bị phân liệt, co giật không chủ động.
Trong nƣớc, metyl thủy ngân là dạng độc nhất, nó làm phân liệt nhiễm sắc thể và ngăn
cản quá trình phân chia tế bào [9, 10].
Thuỷ ngân đƣa vào môi trƣờng từ các chất thải, bụi khói của các nhà máy luyện
kim, sản xuất đèn huỳnh quang, nhiệt kế, thuốc bảo vệ thực vật, bột giấy… Nồng độ
tối đa cho phép của WHO trong nƣớc uống là 1mg/l; nƣớc nuôi thuỷ sản là 0,5mg/l.
Ảnh hưởng của asen


5

Là kim loại có thể tồn tại ở dạng tổng hợp chất vô cơ và hữu cơ. Trong tự nhiên
tồn tại trong các khoáng chất. Nồng độ thấp thì kích thích sinh trƣởng, nồng độ cao
gây độc cho động thực vật [11].
Nguồn tự nhiên gây ô nhiễm asen là núi lửa, bụi đại dƣơng. Nguồn nhân tạo gây
ô nhiễm asen là quá trình nung chảy đồng, chì, kẽm, luyện thép, đốt rừng, sử dụng
thuốc trừ sâu…
Asen có thể gây ra 19 căn bệnh khác nhau. Các ảnh hƣởng chính đối với sức
khoẻ con ngƣời: làm keo tụ protein do tạo phức với asen III và phá huỷ quá trình
photpho hoá; gây ung thƣ tiểu mô da, phổi, phế quản, xoang [11, 12]…Tiêu chuẩn cho
phép theo WHO nồng độ asen trong nƣớc uống là 50mg/l.
Ảnh hưởng của Crom

Nƣớc thải từ công nghiệp mạ điện,khai thác mỏ, nung đốt các nguyên liệu hóa
thạch, …là nguồn gốc gây ô nhiễm crom, crom có thể có mặt trong nƣớc mặt và nƣớc
ngầm. Crom trong nƣớc thải thƣờng gặp ở dạng Cr (III), Cr (VI),Cr(III) ít độc hơn
nhiều so với Cr (VI). Với hàm lƣợng nhỏ Cr(III) rất cần cho cơ thể, trong khi Cr(VI)
lại rất độc và nguy hiểm [7, 13].
Crom xâm nhập vào cơ thể theo 3 con đƣờng: hô hấp, tiêu hóa, và da. Qua
nghiên cứu thấy rằng, crom có vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa glucozo. Tuy
nhiên với hàm lƣợng cao crom có thể làm kết tủa protein, các axit nucleic, và ức chế
hệ thống enzyme cơ bản. Nhiễm độc crom cấp tính có thể gây xuất huyết, viêm da, u
nhọt. Crom đƣợc xếp vào chất độc nhóm 1 (có khả năng gây ung thƣ cho ngƣời và vật
nuôi) [2, 7, 13].
Crom chủ yếu gây ra các bệnh ngoài da nhƣ loét da, viêm da tiếp xúc, loét
thủng màng ngăn mũi, viêm gan, ung thƣ phổi [14, 15]. Giới hạn cho phép theo TCVN
5945 – 1995 của crom trong nƣớc thải công nghiệp là 0,05 mg/l đối với loại A, 0,1 đối
với loại B, và 0,5 đối với loại C.
1.1.3. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước ở Việt Nam
Ô nhiễm môi trƣờng bởi các kim loại nặng là một vấn đề lớn trong nhiều ngành
sản xuất công nghiệp ở Việt Nam. Nƣớc thải của các ngành công nghiệp khai khoáng,
mạ điện, pin, ac qui chứa nhiều ion kim loại nặng nhƣ chì, cacdimia, kẽm, đồng… với
nồng độ cao từ vài mg đến vài trăm mg/l. Bên cạnh đó, nƣớc thải từ các hoạt động tái


6

chế kim loại ở các làng nghề cũng chứa nhiều ion kim loại. Tuy nhiên, các dòng thải
này hầu nhƣ dầu thải trực tiếp ra môi trƣờng mà không qua quy trình xử lí nào gây
nguy hại cho môi trƣờng [16].
Kim loại nặng có thể tồn tại trong không khí, trong nƣớc, trong đất và trong cơ
thể sinh vật. Các kim loại có thể cần thiết cho cơ thể sinh vật ở một hàm lƣợng nhất
định, có nhƣng kim loại không cần thiết khi đi vào cơ thể vật, dù chỉ ở dạng vết cũng

có những tác động độc hại .
Các kim loại nặng trong môi trƣờng không bị phân hủy sinh học mà sẽ tích tụ
trong sinh vật, tham gia vào quá trình chuyển hóa của sinh vật tạo thành những hợp
chất độc hại. Tuy nhiện, ảnh hƣởng của chúng thì tùy theo từng loại kim loại nặng
[17].
Các khảo sát đặc trƣng ô nhiễm nƣớc thải ở một số cơ sở sản xuất đặc trƣng nhƣ
cơ sở mạ điện, sản xuất ắc quy, cơ khí… cho thấy rằng: hầu hết nƣớc thải dều xuất
hiện kim loại nặng nhƣ As, Pb, Cr, Cu… với các nồng độ khác nhau tùy theo cơ sở. Sự
gia tăng nƣớc thải ở các khu công nghiệp trong những năm gần đây là rất lớn, và rất đa
dạng. Bên cạnh đó, nồng độ các ion kim loại trong nƣớc thải cũng có xu hƣớng tăng
lên theo thời gian. Điều này cũng phù hợp với xu thế phát triển của một số ngành nghề
đặc trƣng. Sự phát triển của các ngành nghề này sẽ dẫn theo sự gia tăng hàm lƣợng các
ion kim loại nặng trong nƣớc thải dẫn đến sự ô nhiễm môi trƣờng [16, 18, 19].
1.1.4. Các phương pháp xử lí kim loại nặng trong nước
Hiện nay đã có nhiều phƣơng pháp nghiên cứu và xử lí kim loại nặng trong nƣớc
đƣợc nghiên cứu và áp dụng trong thực tế nhƣ phƣơng pháp kết tủa hóa học, phƣơng
pháp trao đổi ion, phƣơng pháp hấp phụ, phƣơng pháp điện hóa, phƣơng pháp sinh
học. Mỗi phƣơng pháp có ƣu nhƣợc điểm và phạm vi ứng dụng riêng. Vì vậy, để có
thể sử dụng phƣơng pháp áp dụng đƣợc trong thực tế, phù hợp với điều kiện sản xuất
cần lƣu ý tới nhiều vấn đề nhƣ mức độ ô nhiễm, tiêu chuẩn cần đạt đƣợc cho nƣớc sau
xử lí, tính chất lí hóa, nhiệt động học của chất ô nhiễm cần loại bỏ trong nƣớc [20].
1.1.4.1. Phương pháp kết tủa hóa học


7

Phƣơng pháp kết tủa hóa học dựa vào phản ứng hóa học với chất đƣa vào nƣớc
và chất cần tách khỏi nƣớc.Nguyên tắc của phƣơng pháp là độ hòa tan của kim loại
trong dung dịch phụ thuộc vào pH. Ở giá trị pH nhất định nồng độ kim loại vƣợt quá
nồng độ bão hòa thì các ion kim loại này sẽ bị kết tủa và kết tủa này đƣợc tách ra khỏi

dung dịch bằng phƣơng pháp lắng. Phƣơng pháp thƣờng đƣợc dùng là kết tủa các kim
loại dƣới dạng hydroxit bằng cách trung hòa đơn giản các chất thải axit. Độ pH kết tủa
cực đại của các kim loại không bằng nhau, ta cần lựa chọn khoảng pH tối ƣu để loại bỏ
kim loại mà không gây độc hại. Nếu trong nƣớc thải có nhiều kim loại nặng thì càng
thuận tiện cho quá trình kết tủa vài ở giá trị pH nhất định, độ hòa tan của kim loại
trong dung dịch các kim loại khác sẽ giảm Phƣơng pháp kết tủa hóa học đƣợc áp dụng
phổ biến trong xử lí nƣớc giai đoạn I cho ngành công nghiệp mạ, gia công kim loại
trƣớc khi dòng thải đƣợc đƣa vào trạm xử lí chung [20].
Phƣơng pháp này đạt hiệu quả cao đới với dòng nƣớc có lƣu lƣợng lớn, có độ ô
nhiễm kim loại cao, chi phí thấp và vận hành đơn giản, nhƣng lại có hiệu quả không
cao, phụ thuộc và nhiều yếu tố nhƣ nhiệt độ, pH, bản chất kim loại, tạo ra lƣợng bùn
thải có nồng độ kim loại cao, nếu nhƣ không có biện pháp xử lí đúng kĩ thuật thì sẽ là
nguồn ô nhiễm thứ cấp [20, 21].
1.1.4.2. Phương pháp trao đổi ion
Quá trình trao đổi ion đƣợc tiến hành trong cột cationit và anionit. Các vật liệu
nhựa này có thể thay thế đƣợc mà không làm thay đổi tính chất vật lí của các chất
trong dung dịch, cũng không làm biến mất hoặc hòa tan.
Phƣơng pháp này có hiệu suất xử lí cao, vận hành đơn giản và có thể thu hồi các
kim loại có giá trị và tái sử dụng vật liệu trao đổi ion, không tạo ra chất thải thứ cấp,
tiết kiệm không gian chứa thiết bị. Tuy nhiên, phƣơng pháp này có giá thành cao, và
không thích hợp sử dụng với lƣợng nƣớc lớn [22].
1.1.4.3. Phương pháp điện hóa
Phƣơng pháp sủ dụng các quá trình oxi hóa của anot, khử cực catot, đông tụ điện
để làm sạch nƣớc thải khỏi các tạp chất hòa tan và phân tán, có thể tiến hành gián đoạn
hoặc liên tục. Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên các điện cực, khi cho dòng điện


8

một chiều đi qua, ứng dụng sự chênh lệch điện thế giữa hai điện cực kéo dài để tạo ra

một điện trƣờng định hƣớng và các ion chuyển động trong điện trƣờng này [22].
Sử dụng phƣơng pháp này có thể thu hồi đƣợc các sản phẩm trong nƣớc thải đơn
giản, dễ cơ giới hóa và tự động hóa mà không cần sử dụng các tác nhân hóa học. Tuy
nhiên, phƣơng pháp này lại tiêu tốn chi phí điện năng lớn [20-22].
1.1.4.4. Phương pháp sinh học
Nguyên tắc của phƣơng pháp là dựa vào khả năng hấp thụ kim loại của một số
thực vật thủy sinh nhƣ rong, tảo, bèo, hoặc một số vi sinh vật sử dụng kim loại nhƣ
chất vi lƣợng trong quá trình tạo sinh khối. Phƣơng pháp sinh học yêu cầu thực vật đáp
ứng một số điều kiện nhƣ dễ trồng, cho sinh khối nhah trong điều kiện oxi hóa cao.
Tuy nhiên, phần lớn các thực vật có khả năng tích lũy kim loại nặng thƣờng phát triển
chậm, sinh khối thấp trong khi thực vật cho sinh khối nhanh thƣơng rất nhạy cảm với
môi trƣờng có nồng độ kim loại nặng cao. Một hạn chế lớn của phƣơng pháp đó là yêu
cầu diện tích lớn, chỉ xử lí nƣớc có nồng độ kim loại nặng hoặc hiệu suất xử lí nƣớc sẽ
giảm nếu trong đất chứa lẫn kim loại nặng [13, 21, 22].
1.1.4.5. Phương pháp hấp phụ
Phƣơng pháp hấp phụ là quá trình hấp phụ chất hòa tan ở bề mặt ranh giới giữa
pha lỏng và pha rắn. Đây là phƣơng pháp hiệu quả để thu hồi các cấu tử quý hiếm, làm
sạch khí thải, nƣớc thải khi nồng độ ô nhiễm của chúng không lớn. Trong xử lý nƣớc
thải, phƣơng pháp hấp phụ có khả năng xử lí triệt để nƣớc thải chứa đồng thời nhiều
kim loại nặng và nồng độ ion trong dung dịch nhỏ. Một ƣu điểm lớn của hấp phụ so
với các phƣơng pháp khác là có thể sử dụng các vật liệu tự nhiên để xử lí môi trƣờng
nhƣ các khoáng, vật liệu chấu, mùn cƣa hoặc tận dụng chất thải của các ngành khác
nhƣ tro bay, xỉ than, bùn thải. Hơn nữa, các vật liệu hấp phụ có thể hoàn nguyên, tái sử
dụng [1, 5, 20, 23, 24].
Trong khuôn khổ của đề tài này, các ion kim loại nặng cao độc tính cao nhƣ
Pb(II), Cd(VI) đƣợc nghiên cứu hấp phụ trên vật liệu geothite
1.2. Tổng quan về vật liệu α-FeOOH
1.2.1. Giới thiệu về oxi-hiđroxit sắt



9

Oxi-hiđroxit sắt là những hợp chất phổ biến, có thể hình thành trong tự nhiên và
cũng có thể đƣợc tổng hợp dễ dàng trong phòng thí nghiệm. Những hợp chất này có
nhiều ứng dụng trong thực tế nhƣ làm chất xúc tác cho các phản ứng hóa học, làm bột
màu trong sơn, chế tạo thiết cảm biến khí, thiết bị lƣu trữ trông tin... Chúng cũng có
vai trò quan trọng trong y học, bảo vệ môi trƣờng và xác định niên đại trong nghiên
cứu địa chất [25].
Có bảy loại hợp chất oxi-hiđroxit sắt bao gồm akaganeite (β-FeOOH), goethite
(α-FeOOH), lepidocrocite (γ-FeOOH), schwertmannite (Fe8O8(OH)6(SO4)·nH2O),
ferrihydrite (Fe5HO8.4H2O), feroxyhyte (δ’-FeOOH) và FeOOH tổng hợp ở áp suất
cao. Các hợp chất này chủ yếu đƣợc tạo bởi cation Fe3+ cùng với các anion O2- và OHtuy nhiên, trong một số trƣờng hợp còn có một lƣợng nhỏ các anion nhƣ Cl-, SO42tham gia vào cấu trúc [25, 26].
Các oxi-hiđroxit sắt có thể hình thành từ các dung dịch muối sắt(II) hoặc
sắt(III). Ngoài ra, chúng cũng có thể chuyển hóa lẫn nhau thông qua các phản ứng pha
rắn. Đề này sẽ tập trung vào sự hình thành của FeOOH, từ dung dịch muối sắt(III).
* Sự hình thành của oxi-hiđroxit sắt trong dung dịch muối sắt(III)
Trong dung dịch nƣớc, ion Fe3+ tồn tại dƣới dạng hiđrat [Fe(H2O)6]3+có màu đỏ.
Điện tích dƣơng của cation sẽ làm cho phối tử H2O hoạt động nhƣ một axit và sự thủy
phân xảy ra (trừ ở giá trị pH rất thấp).Sự thủy phân thƣờng đƣợc thúc đẩy bằng các
bazơ, bằng đun nóng hoặc bằng pha loãng. Quá trình này cũng có thể đƣợc thúc đẩy
bằng sự trao đổi ion, ví dụ, sự có mặt của ion Al3+ sẽ thúc đẩy sự hình thành FeOOH.
Ban đầu, các tiểu phân có khối lƣợng phân tử nhỏ nhƣ FeOH2+, Fe(OH)2+… đƣợc hình
thành. Sau đó, các tiểu phân này sẽ tƣơng tác với nhau để tạo thành các tiểu phân có
khối lƣợng phân tử lớn hơn nhƣ các dime, trime… và cuối cùng là các polime đa nhân
FeOOH. Quá trình này xảy ra nhiều nấc và hằng số tốc độ thủy phân của [Fe(H2O)6]3+,
[FeOH(H2O)5]2+ và [Fe(OH)2(H2O)4]+ đƣợc xác định lần lƣợt bằng 1,6×102; 1,4×105
và 106 s-1. Quá trình thủy phân hoàn toàn tƣơng ứng với sự hình thành oxit hoặc oxihiđroxit sắt(III). Chúng có thể tồn tại ở dạng huyền phù hay kết tủa tùy thuộc vào giá
trị pH và sự có mặt của các chất khác trong dung dịch [25].
[Fe(H2O)6]3+  FeOOH + 3H+ + 4H2O



10

2[Fe(H2O)6]3+  Fe2O3 + 6H+ + 9H2O
Các hợp chất chứa sắt khác nhau có thể đƣợc hình thành bởi sự phát triển của
mầm tinh thể từ các tiểu phân có khối lƣợng phân tử nhỏ. Yếu tố quyết định cho sự
hình thành các chất và độ tinh thể của chúng là tốc độ của các tiểu phân, chủ yếu là
monome và dime, đáp ứng cho sự phát triển tinh thể. Sự thủy phân càng chậm, độ tinh
thể của sản phẩm càng cao. Các yếu tố ảnh hƣởng trực tiếp đến quá trình này là giá trị
pH, các anion và nhiệt độ.
* Sự chuyển hóa của các hợp chất oxi-hiđroxit sắt
Một đặc trƣng quan trọng của các hợp chất oxi-hiđroxit sắt là khả năng chuyển
hóa đa dạng thành các chất khác nhau. Ở điều kiện thích hợp, hầu hết mỗi dạng có thể
chuyển hóa ít nhất thành hai chất khác. Sự chuyển hóa của các oxi-hiđroxit sắt đóng
vai trò quan trọng trong quá trình ăn mòn sắt, thép và trong các quá trình xảy ra trong
đất, đá, nƣớc và trong sinh vật. Chúng cũng đƣợc sử dụng nhiều trong công nghiệp
nhƣ trong công nghệ lò cao, sản xuất sơn và tổng hợp các hợp chất của sắt…[27]
Trong các điều kiện chuyển hóa thì nhiệt độ đóng một vai trò quan trọng. Sự
phân hủy nhiệt có thể xuất hiện ở trạng thái rắn hoặc trong dung dịch tuy nhiên, các
nghiên cứu tập trung nhiều vào trạng thái rắn. Sự chuyển hóa bởi nhiệt độ thƣờng gắn
liền với quá trình tách nhóm OH hoặc H2O từ các FeOOH, đồng thời xảy ra sự sắp xếp
lại cấu trúc mạng tinh thể. Đặc trƣng của quá trình này là sự phát triển các vi mao quản
do sự thoát ra của các phân tử nƣớc. Ở nhiệt độ cao hơn các vi mao quản này sẽ tích tụ
lại tạo thành mao quản trung bình. Sự hình thành các mao quản đồng thời với sự tăng
diện tích bề mặt của các hợp chất. Ở nhiệt độ cao hơn nữa, khoảng 600oC, sản phẩm bị
thiêu kết và diện tích bề mặt giảm xuống đáng kể. Trong quá trình chuyển hóa, các
liên kết hydroxo đƣợc thay thế bởi liên kết oxo và cấu trúc trở nên chắc đặc hơn [27,
28].
1.2.2. Vật liệu goethite, α-FeOOH
1.2.2.1. Giới thiệu

Goethite trong tự nhiên là một loại quặng sắt, hay còn đƣợc biết đến với công
thức α-FeOOH. Nó đƣợc tìm thấy đầu tiên bởi nhà khoa học ngƣời Đức, Johann
Wolfgang Geothite và đƣợc đặt tên theo tên ông. Goethite đƣợc hình thành do sự
phong hóa của các quặng giàu sắt, vì vậy nó xuất hiện nhiều trong vách đá và trong


11

nhiều thành phần khác của hệ trái đất. Từ thời cổ đại, geothite đã đƣợc sử dụng nhƣ
một chất tạo màu, bằng chứng là tìm thấy geothite trong thành phần của các mẫu sơn
lấy từ các hang động Laxcaus, Pháp [27].
1.2.2.2. Cấu trúc tinh thể
Cấu trúc của geothite bao gồm các hình lục phƣơng với các mảng anion O2- và
OH- xếp chồng lên nhau, liên kết trực tiếp với các ion Fe3+ chiếm giữ một nửa số hộc
bát diện. Các ion Fe3+ đƣợc sắp xếp thành hai hàng song song riêng biệt tƣơng tự nhƣ
các rãnh trên bề mặt tinh thể.

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của goethite[26]
Mỗi ion Fe3+ đƣợc bao xung quanh bởi ba ion O2- và ba ion OH- tạo thành dạng
bát diện FeO3(OH)3. Hai chuỗi bát diện một liên kết với nhau trực tiếp qua một cạnh
và nối với hai chuỗi bên cạnh thông qua các đỉnh. Sự sắp xếp các chuỗi bát diện này
tạo ra cấu trúc đối xứng trực thoi [27, 29, 30].
1.2..2.3. Phương pháp tổng hợp
Vật liệu FeOOH nói chung, và goethite nói riêng có thể đƣợc tổng hợp bằng
nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ kết tuả từ dung dịch muối sắt(III), oxi hóa muối
sắt(II)…
Trƣớc hết, vật liệu goethite có thể đƣợc tạo ra bằng cách kiềm hóa muối sắt(II)
để tạo ra kết tủa sắt(II) hydroxit, sau đó oxi hóa kết tủa này bằng oxi không khí ở nhiệt
độ phòng [28, 30]. Sản phẩm của phƣơng pháp này cho vật liệu goethite có kích thƣớc
khoảng 50 đến 100 nm với diện tích bề mặt khoảng 100 m2/g.

Vật liệu goethite cũng có thể đƣợc điều chế từ dung dịch muối sắt(III). [31] đã
tổng hợp goethite từ dung dịch muối FeCl3 với tác nhân kiềm là dung dịch KOH ở


12

80oC. Vật liệu thu đƣợc bằng phƣơng pháp này có dạng que với đƣờng kính khoảng 5
nm và chiều dài khoảng 100 nm.
Ngoài ra, chất hoạt động bề mặt và các polymer hữu cơ còn đƣợc sử dụng trong
quá trình tổng hợp để tạo ra vật liệu có cấu trúc đặc biệt nhƣ kích thƣớc hạt nhỏ, diện
tích bề mặt lớn … [32-34]
1.2.2.4.Ứng dụng của goethite
Goethite là một hợp chất đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Từ lâu,
goethite đƣợc sử dụng làm bột màu trong sơn[25]. Goethite cũng đƣợc dùng là chất
xúa tác cho nhiều phản ứng. Nó là một trong những thành phần của chất chống cháy,
gây ức chế sự cháy [31].
Trong những năm gần đây, loại vật liệu này đƣợc nghiên cứu sử dụng trong xử lý
môi trƣờng nhƣ làm vật liệu hấp phụ các kim loại nặng. Goethite đƣợc ứng dụng trong
việc loại bỏ cacdimi và thủy ngân trong nƣớc thải của một số ngành công nghiệp [35].
Với cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, loại vật liệu này cũng đƣợc nghiên cứu nhiều
trong việc hấp phụ các kim loại có độc tính cao nhƣ Pb, Zn, Cr…, kết quả cho thấy
hiệu suất loại bỏ các kim loại nặng khá lớn [5, 36]. Đặc biệt, đối với với các dạng ion
chứa kima loại nặng rất khó xử lý nhƣ asenat và cromat, goethite thể hiện khả năng
hấp phụ tốt và đƣợc nghiên cứ nhiều trong việc xử lý các chất độc này [14, 24, 37, 38].
1.3. Cơ chế hấp phụ của vật liệu FeOOH
1.3.1. Cơ sở lí thuyết
Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách pha (khí – rắn, lỏng – rắn,
khí – lỏng, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ gọi là chất hấp phụ,
còn chất đƣợc tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ [39].
Hiện tƣợng hấp phụ xảy ra do lực tƣơng tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp

phụ. Tùy theo bản chất lực tƣơng tác mà ngƣời ta có thể chia hấp phụ thành 2 loại: hấp
phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
Hấp phụ vật lý: Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân
(nguyên tử, phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực Van der Walls yếu. Đó
là tổng hợp của nhiều loại lực khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định


13

hƣớng. Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không
tạo thành hợp chất hoá học (không tạo thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ
chỉ ngƣng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ. Ở hấp
phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn.
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
thƣờng (liên kết ion, cộng hóa trị, liên kết phối trí…) Nhiệt hấp phụ hóa học tƣơng đối
lớn, có thể đạt tới giá trị 800 kJ/mol.
Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tƣơng đối
vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời
cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
Giải hấp phụ: Giải hấp phụ là quá trình chất bị hấp phụ ra khỏi lớp bề mặt chất
hấp phụ. Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình
hấp phụ. Giải hấp phụ là phƣơng pháp tái sinh vật liệu hấp phụ (VLHP) để có thể tiếp
tục sử dụng lại nên nó mang đặc trƣng về hiệu quả kinh tế.
Dung lƣợng hấp phụ (Q): Dung lƣợng hấp phụ là khối lƣợng chất bị hấp phụ trên
một đơn vị khối lƣợng chất hấp phụ ở điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ.
Q

(C 0  C ).V
m


(1.1)

Trong đó:
Q: Dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)
V: Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l)
m: Khối lƣợng chất hấp phụ (g)
C0: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/l)
C: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng hấp phụ (mg/l)
Hiệu suất hấp phụ (H): Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị
hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu. [2,6]