Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt ghiệp

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

TRẦN THỊ PHƢƠNG MAI

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
KIM LOẠI NẶNG Cr (VI) CỦA THAN
HOẠT TÍNH BIẾN TÍNH BẰNG H3PO4
TRÊN NỀN VỎ CÀ PHÊ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng

HÀ NỘI, 2017

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt ghiệp

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

TRẦN THỊ PHƢƠNG MAI

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
KIM LOẠI NẶNG Cr (VI) CỦA THAN
HOẠT TÍNH BIẾN TÍNH BẰNG H3PO4
TRÊN NỀN VỎ CÀ PHÊ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

Th.S ĐỖ THỦY TIÊN

HÀ NỘI, 2017

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt ghiệp

LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn tới Ths. Đỗ
Thủy Tiên – trƣờng ĐH Sƣ Ph m Hà N i 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 hƣớng 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 d y và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập dƣới
mái trƣờng ĐH Sƣ ph m Hà N i 2.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, b n bè đã luôn t o mọi

điều kiện, đ ng viên, giúp đỡ em trong quá trình học tập.
Do điều kiện thời gian và trình đ còn h n chế, nên bản thân khóa luận
này không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự góp ý của
thầy, cô giáo cũng nhƣ toàn thể các b n để khóa luận của em có thể hoàn
thiện hơn.
Hà Nội, tháng 5 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Trần Thị Phƣơng Mai

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt ghiệp

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bài khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu
thực sự của cá nhân em, đƣợc thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết,
nghiên cứu khảo sát thực nghiệm dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của ThS. Đỗ
Thủy Tiên.
Các số liệu và những kết quả đo đƣợc trong khóa luận là trung thực, do
cá nhân em tiến hành thí nghiệm.
Hà Nội, tháng 5 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Trần Thị Phƣơng Mai

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học



Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt ghiệp

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu viết tắt

Tên đầy đủ

AC

Than ho t tính (Activated carbon)

VLHP

Vật liệu hấp phụ

SEM

Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning
Electron Microscope)

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt ghiệp


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. M t số hằng số vật lý của crom ........................................................ 3
Bảng 1.2. Giá trị giới h n nồng đ của Cr VI trong nƣớc thải công nghiệp .. 7
Bảng 1.3. M t số đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ .................................................. 13
Bảng 1.4. Sự khác nhau về thành phần trong vỏ cà phê trồng t i tỉnh ĐăkLăk
và tỉnh Điện Biên .................................................................................. 22
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng đ H3PO4 ngâm tẩm, nhiệt đ
đốt đến khả năng hấp phụ của VLHP ................................................... 30
Bảng 3.2. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ của
VLHP .................................................................................................... 33
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng hấp phụ
của VLHP .............................................................................................. 35
Bảng 3.4. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của liều lƣợng VLHP đến khả năng
hấp phụ .................................................................................................. 36
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng đ Cr VI đến hiệu quả hấp
phụ của VLHP ....................................................................................... 38
Bảng 3.6. Các thông số khảo sát sự hấp phụ Cr (VI) của VLHP ................... 39

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt ghiệp

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ..................................... 15
Hình 1.2. Sự phụ thu c của Ccb/q vào Ccb............................................... 15
Hình 3.1. Đồ thị đƣờng chuẩn xác định nồng đ Cr (VI) ....................... 29

Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của nồng đ H3PO4 ngâm tẩm
than, nhiệt đ đốt than đến khả năng hấp phụ của VLHP ............ 30
Hình 3.3. Mẫu 30%-4000C dùng làm VLHP .......................................... 31
Hình 3.4. Than chƣa biến tính................................................................. 32
Hình 3.5. Than biến tính bằng H3PO4 ..................................................... 32
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ của
VLHP ............................................................................................ 34
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng hấp
phụ của VLHP............................................................................... 35
Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của liều lƣợng VLHP đến khả
năng hấp phụ ................................................................................. 37
Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của nồng đ đầu Cr VI đến hiệu
suất hấp phụ của VLHP ................................................................ 38
Hình 3.10. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Cr
(VI) ................................................................................................ 40
Hình 3.11. Sự phụ thu c của C/q vào C của VLHP đối với Cr (VI) ...... 40

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt ghiệp

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 3
1.1. Giới thiệu về nguyên tố Crom................................................................. 3
1.1.1. Tính chất vật lý, hóa học của crom ................................................. 3
1.1.2. Công dụng của crom ....................................................................... 4

1.1.3. Ảnh hƣởng của crôm....................................................................... 5
1.1.4. Hiện tr ng ô nhiễm Cr (VI) do công nghiệp m điện t i Việt Nam 6
1.2. Giới thiệu về phƣơng pháp hấp phụ........................................................ 7
1.2.1. Các khái niệm ................................................................................. 7
1.2.2. Cân bằng hấp phụ ......................................................................... 11
1.2.3. Các phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ ........................................... 13
1.3. Than ho t tính

C và cấu trúc bề m t của C .................................. 15

1.3.1. Giới thiệu về C ........................................................................... 15
1.3.2. Điều chế C .................................................................................. 16
1.3.3. Cấu trúc xốp của bề m t than ho t tính ........................................ 19
1.4. Tổng quan về vật liệu vỏ cà phê ........................................................... 22
1.4.1. Giới thiệu về vỏ cà phê ................................................................. 22
1.4.2. Thành phần chính của vỏ cà phê................................................... 22
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 24
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu: .......................................................................... 24
2.2. Hóa chất và dụng cụ .............................................................................. 24
2.2.1. Hóa chất ........................................................................................ 24
2.2.2. Thiết bị nghiên cứu và dụng cụ..................................................... 24
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................... 25
2.3.1. Phƣơng pháp thu thập tài liệu ....................................................... 25
Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học


Khóa luận tốt ghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2


2.3.2. Phƣơng pháp phân tích.................................................................. 25
2.4. Phƣơng pháp thực nghiệm .................................................................... 25
2.4.1. Xây dựng đƣờng chuẩn Cr (VI) .................................................... 25
2.4.2. Thực nghiệm chế t o vật liệu hấp phụ trên nền vỏ cà phê ........... 26
2.4.3. Thực nghiệm nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cr (VI) .............. 27
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 29
3.1. Lập đƣờng chuẩn Cr (VI)...................................................................... 29
3.2. Kết quả chế t o vật liệu hấp phụ trên nền vỏ cà phê ............................ 29
3.2.1. Ảnh hƣởng của nồng đ H3PO4 ngâm tẩm, nhiệt đ đốt đến khả
năng hấp phụ của VLHP ............................................................... 29
3.2.2. Kết quả đánh giá cấu trúc bề m t của VLHP ................................ 32
3.3. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cr VI ............................... 33
3.3.1. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ của VLHP.................. 33
3.3.2. Ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP ........ 34
3.3.3. Ảnh hƣởng của liều lƣợng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ của
VLHP ............................................................................................ 36
3.3.4. Ảnh hƣởng của nồng đ Cr VI đến hiệu quả hấp phụ của VLHP
....................................................................................................... 37
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 434

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt ghiệp

MỞ ĐẦU
 Lý do chọn đề tài

Trong m t vài thập kỷ gần đây, sự phát triển m nh của kinh tế cũng nhƣ
bùng nổ dân số đã t o ra nhiều sức ép lên môi trƣờng sống, m t trong số đó là
vấn đề ô nhiễm kim lo i n ng trong nƣớc. Các ho t đ ng công nghiệp hay
sinh ho t của con ngƣời đã phát thải m t số lƣợng lớn kim lo i n ng đ c h i
vào môi trƣờng đất và nƣớc, tích lũy trong chuỗi thức ăn và cuối cùng tác
đ ng tới con ngƣời [20]. Trong số các kim lo i n ng thì Cr (VI) có đ c tính
cao, có thể gây ra các bệnh ngoài da, thủng màng ngăn mũi, viêm gan, viêm
thận, ung thƣ phổi Việc lo i trừ các thành phần chứa kim lo i n ng đ c h i,
đ c biệt là Cr (VI) ra khỏi nguồn nƣớc ngầm hay nƣớc thải công nghiệp là
m t trong những mục tiêu môi trƣờng quan trọng cần phải giải quyết hiện
nay. Đã có nhiều phƣơng pháp đƣợc áp dụng nhằm tách lo i các ion kim lo i
n ng khỏi môi trƣờng nƣớc, nhƣ: phƣơng pháp hóa lý phƣơng pháp hấp phụ,
phƣơng pháp trao đổi ion
học,

, phƣơng pháp sinh học, phƣơng pháp hóa

Trong đó, phƣơng pháp hấp phụ đƣợc áp dụng r ng rãi và cho kết quả

rất khả thi [12].
Than ho t tính (AC) với khả năng hấp phụ lớn là vật liệu rất cần thiết
cho ứng dụng để thanh lọc trong các ngành công nghiệp khác nhau và trong
xử lý nƣớc thải [17]. Nhu cầu về AC đang gia tăng nhanh chóng với nhận
thức cao về bảo vệ môi trƣờng. Tuy nhiên giá của các lo i AC là rất đắt tiền
do thực tế rằng hầu hết các sản phẩm

C thƣơng m i có nguồn gốc từ các

nguyên liệu tự nhiên tốn kém nhƣ gỗ ho c than. Do đó việc tận dụng phụ
phẩm nông nghiệp bao gồm vỏ cà phê, lõi ngô, bã trà, bã mía, vỏ trấu, mùn

cƣa, vỏ dừa

để xử lý kim lo i n ng trong nƣớc là m t trong những hƣớng

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

1


Khóa luận tốt ghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

nghiên cứu đang đƣợc quan tâm bởi tính kinh tế cũng nhƣ hiệu quả mà nó
mang l i.
Từ những lý do trên, tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ
kim loại nặng Cr (VI) của than hoạt tính biến tính bằng H3PO4 trên nền vỏ
cà phê”.
 Mục đích nghiên cứu
- Chế t o than ho t tính với chất ho t hóa là H3PO4 từ vỏ cà phê với các
điều kiện nhiệt đ và nồng đ chất ho t hóa khác nhau.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim lo i n ng Cr (VI) trong nƣớc của
VLHP chế t o đƣợc.
 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế t o vật liệu hấp phụ từ vỏ cà phê.
- Đánh giá cấu trúc bề m t của VLHP.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cr (VI) của VLHP chế t o đƣợc.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ.
- Xác định dung lƣợng hấp phụ của VLHP.
 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Điều chế đƣợc VLHP từ vỏ cà phê để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ các
ion kim lo i n ng, những ion kim lo i gây ô nhiễm môi trƣờng.
Về m t kinh tế thì đây là phế liệu nông nghiệp sẵn có và tiềm năng ở
Việt Nam, là m t d ng vật liệu hấp phụ đ c biệt và giá thành hợp lý, phù hợp
với điều kiện kinh tế của Việt Nam.

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

2


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt ghiệp

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 m t nguyên tố tƣơng đối phổ biến trong thiên nhiên. Trong vỏ
trái đất, crom chiếm 6.10-3 % tổng số nguyên tử. Khoáng vật chính của crom
là sắt cromit [Fe(CrO2)2]. Crom là nguyên tố thu c 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]3d54s1. Crom là m t kim lo i cứng, m t bóng, màu xám
thép với đ bóng cao và nhiệt đ nóng chảy cao. Crom nguyên chất là kim
lo i óng ánh, màu trắng xám. Các tr ng thái oxi hóa phổ biến của crom là +2,
+3 và +6, với +3 là ổn định nhất. Các tr ng thái +1, +4 và +5 là khá hiếm. Các
hợp chất của crom với tr ng thái oxi hóa +6 là những chất có tính oxi hóa
m nh.
Bảng 1.1. Một số hằng số vật lý của crom

Cấu hình electron

[Ar]3d54s1

Năng lƣợng ion hóa, ev
I1

6.76

I2

16.49

I3

30.95

Nhiệt đ nóng chảy, oC

1875

Nhiệt đ sôi, oC

2197

Nhiệt thăng hoa, KJ/mol

368.2

Bán kính nguyên tử, Ao


1.27

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

3


Khóa luận tốt ghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

1.1.2. Công dụng của crom
Crom nguyên chất rất dẻo, nhƣng hợp kim của nó với m t số kim lo i
khác dùng trong kỹ thuật l i là những hợp kim rất cứng, vì vậy ngƣời ta
thƣờng đƣa vào thép để tăng đ cứng, đ bền nhiệt, chống ăn mòn cho các
lo i thép hợp kim đ c biệt [11]. Crom đƣợc sử dụng trong ngành luyện kim để
tăng khả năng chống ăn mòn và đánh bóng bề m t. Nó có thể là m t thành
phần của hợp kim, chẳng h n nhƣ thép không gỉ để làm dao, kéo, dùng trong
m crom, trong quá trình anot hóa dƣơng cực hóa nhôm , theo nghĩa đen là
chuyển bề m t nhôm thành ruby.
Làm thuốc nhu m và sơn: Oxit crom Cr2O3) là chất đánh bóng kim lo i
với tên gọi phấn lục. Các muối crom nhu m màu cho thủy tinh thành màu
xanh lục. Crom là thành phần t o ra màu đỏ của hồng ngọc, vì thế nó đƣợc sử
dụng trong sản xuất hồng ngọc tổng hợp. Nó t o ra màu vàng rực rõ của thuốc
nhu m và sơn.
Là m t xúc tác cromit đƣợc sử dụng làm khuôn để nung g ch ngói, các
muối crom đƣợc sử dụng trong quá trình thu c da, kali dicromat (K2Cr2O7) là
m t thuốc thử hóa học, đƣợc sử dụng trong quá trình làm vệ sinh các thiết bị
làm bằng thủy tinh trong phòng thí nghiệm cũng nhƣ trong vai trò m t tác

nhân chuẩn đ . Nó cũng đƣợc sử dung làm chất ổn định màu cho các thuốc
nhu m vải.
Oxit crom (CrO2 đƣợc sử dụng sản xuất băng từ, t o hiệu suất tốt hơn.
Trong y học, crom nhƣ là chất phụ trợ ăn kiêng để giảm cân, thông thƣờng
duới d ng clorua crom (CrCl3). Ngoài ra nó còn đƣợc dùng làm phụ gia cho
vào xăng, làm dây dẫn điện chịu nhiệt đ cao

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

4


Khóa luận tốt ghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

1.1.3. Ảnh hƣởng của crôm
M c dù Crôm tồn t i ở nhiều tr ng thái khác nhau, chỉ có Cr (III) và
Cr (VI) gây ảnh hƣởng lớn đến sinh vật và con ngƣời.
- Đƣờng xâm nhập và đào thải:
Crôm xâm nhập vào cơ thể theo 3 đƣờng: hô hấp, tiêu hóa và qua da.
Cr VI đƣợc cơ thể hấp thu dễ dàng hơn Cr III nhƣng khi vào cơ thể Cr
(VI) sẽ chuyển thành d ng Cr (III). Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất cứ
đƣờng nào, Crôm cũng đƣợc hòa tan trong máu ở nồng đ 0.001mg/ml, sau
đó đƣợc chuyển vào hồng cầu và sự hòa tan ở hồng cầu nhanh hơn 10-20 lần.
Từ hồng cầu, Crôm đƣợc chuyển vào các tổ chức và phủ t ng. Crôm gắn với
Sidero filing albumin và đƣợc giữ l i ở phổi, xƣơng, thận, gan, phần còn l i
thì qua phân và nƣớc tiểu. Từ các cơ quan phủ t ng, Crôm l i đƣợc hòa tan
dần vào máu, rồi đƣợc đào thải qua nƣớc tiểu từ vài tháng đến vài năm. Do đó
nồng đ Crôm trong máu và nƣớc tiểu biến đổi nhiều và kéo dài.

- Tác đ ng đến sức khoẻ:
Qua ngiên cứu ngƣời ta thấy Crôm có vai trò sinh học nhƣ chuyển hóa
glucose, protein, chất béo ở đ ng vật hữu nhũ. Dấu hiệu của thiếu hụt Crôm ở
ngƣời gồm có giảm cân, cơ thể không thể lo i đƣờng ra khỏi máu, thần kinh
không ổn định. Tuy nhiên với hàm lƣợng cao Crôm làm giảm protein, axit
nucleic và ức chế hệ thống men cơ bản.
Cr VI đ c hơn Cr III . I RC đã xếp Cr (VI) vào nhóm 1, Cr (III) vào
nhóm 3 đối với các chất gây ung thƣ. Hít thở không khí có nồng đ Crôm (ví
dụ axit crômic hay Cr (III) trioxit) cao ( > 2μg/m3 ) gây kích thích mũi làm
chảy nƣớc mũi, hen suyễn dị ứng, ung thƣ khi tiếp xúc với Crôm có nồng đ
cao hơn 100 1000 lần nồng đ trong môi trƣờng tự nhiên). Ngoài ra Cr (VI)
còn có tính ăn mòn, gây dị ứng, lở loét khi tiếp xúc với da. Crom chủ yếu gây
Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

5


Khóa luận tốt ghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

nên các bệnh ngoài da nhƣ loét da, viêm da tiếp xúc, loét thủng màng ngăn
mũi, viêm gan, viêm thận, ung thƣ phổi... [6].
1.1.4. Hiện trạng ô nhiễm Cr (VI) do công nghiệp mạ điện tại Việt Nam
- Theo các số liệu thống kê cho ta thấy, hầu hết các nhà máy, cơ sở xi m
có quy mô nhỏ và vừa đều tập trung ở các thành phố lớn nhƣ Hà N i, Hải
Phòng, Thành phố Hồ Chí Minh, Biên Hòa

Trong quá trình sản xuất, nƣớc


thải của các nhà máy xí nghiệp này đều bị ô nhiễm bởi các kim lo i n ng,
nhƣng vấn đề xử lý nƣớc thải còn chƣa đƣợc quan tâm, xem xét đầy đủ ho c
việc xử lý chỉ mang tính hình thức vì đầu tƣ cho m t quy trình xử lý nƣớc thải
khá tốn kém và việc thực thi Luật Bảo vệ môi trƣờng chƣa đƣợc nghiêm
minh, chỉ còn mang tính đối phó [2].
- Đ c trƣng của nƣớc thải ngành m điện là chứa hàm lƣợng cao các
muối vô cơ và kim lo i n ng nhƣ đồng, kẽm, crôm, niken Trong nƣớc thải
xi m thƣờng có sự thay đổi pH rất r ng từ rất axit (pH = 2 3 đến rất kiềm
(pH = 10 11). Các chất hữu cơ thƣờng có rất ít trong nƣớc thải xi m , phần
đóng góp chính là các chất t o bóng, chất ho t đ ng bề m t nên chỉ số
COD, BOD5 của nƣớc thải m điện thƣờng nhỏ và không thu c đối tƣợng cần
xử lý. Đối tƣợng cần xử lý chính trong nƣớc thải là các muối kim lo i n ng
nhƣ crôm, đồng, kẽm, sắt, photpho [8].
- Lƣợng nƣớc thải của m điện không phải là lớn so với các ngành công
nghiệp khác nhƣ nƣớc thải của ngành công nghiệp giấy, dệt

song thành

phần và các chất đ c h i trong đó khá lớn. Hơn nữa, các chất đ c h i này l i
có những biến thiên hết sức phức t p và phụ thu c vào quy trình công nghệ
cũng nhƣ từng công đo n trong quy trình đó. Vì vậy, muốn xử lý đ t hiệu quả
cao thì chúng ta cần phải thu gom, tách dòng theo từng công đo n, từng
trƣờng hợp cụ thể và lựa chọn phƣơng án xử lý thích hợp.
Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

6


Trường ĐHSP Hà Nội 2


Khóa luận tốt ghiệp

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chứa Cr (VI) [1]. QCVN
40:2011/BTNMT quy định nồng độ của Cr (VI) trong nước thải công nghiệp
như sau:
Bảng 1.2. Giá trị giới hạn nồng độ của Cr (VI) trong nƣớc thải công
nghiệp
Nguyên tố

Đơn vị

Cr(VI)

mg/l

Giá trị C
A

B

0.05

0.1

Trong đó:
C t A quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nƣớc thải công
nghiệp khi xả vào nguồn nƣớc đƣợc dùng cho mục đích cấp nƣớc sinh ho t;
C t B quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nƣớc thải công
nghiệp khi xả vào nguồn nƣớc không dùng cho mục đích cấp nƣớc sinh ho t;
Mục đích sử dụng của nguồn tiếp nhận nƣớc thải đƣợc xác định t i khu

vực tiếp nhận nƣớc thải.
1.2. Giới thiệu về phƣơng pháp hấp phụ
1.2.1. Các khái niệm
 Hấp phụ: là quá trình tích lũy chất trên bề m t phân cách các pha (rắn-khí,
rắn-lỏng, khí-lỏng, lỏng-lỏng).
Trong đó:
- Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lớp bề m t có khả năng hút các
phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó.
- Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề
m t chất hấp phụ.
Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

7


Khóa luận tốt ghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

- Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ.
Hấp phụ là m t quá trình tỏa nhiệt. Ngƣợc với sự hấp phụ là quá trình đi
ra khỏi bề m t chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực
tƣơng tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ ngƣời ta phân
biệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [3].
 Hấp phụ vật lý
Định nghĩa: Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander
Walls giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề m t chất hấp phụ (bao gồm cả ba
lo i lực: cảm ứng, định hƣớng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Vì
vậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao.
Hấp phụ vật lý không có tính chọn lọc. Quá trình hấp phụ vật lý là m t

quá trình thuận nghịch tức là có cân bằng đ ng giữa chất hấp phụ và bị hấp
phụ. Nhiệt lƣợng tỏa ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2÷6 kcal/mol. Sự hấp phụ
vật lý ít phụ thu c vào bản chất hóa học của bề m t, không có sự biến đổi cấu
trúc của các phân tử chất hấp phụ và bị hấp phụ [3].
 Hấp phụ hóa học
Định nghĩa: Hấp phụ hóa học đƣợc gây ra bởi các liên kết hóa học (liên
kết c ng hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí). Trong hấp phụ hóa học có sự
trao đổi electron giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Cấu trúc electron phân
tử các chất tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình
thành liên kết hóa học. Nhiệt lƣợng tỏa ra khi hấp phụ hóa học thƣờng lớn
hơn 22kcal/mol.
Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là
tƣơng đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. M t số trƣờng hợp tồn t i cả
quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Ở vùng nhiệt đ thấp xảy ra quá
trình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt đ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả
năng hấp phụ hóa học tăng lên [9] [13].
Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

8


Khóa luận tốt ghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

 Giải hấp phụ:
Giải hấp phụ là sự đi ra của chất bị hấp phụ khỏi bề m t 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 phƣơng pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đ c trƣng
về hiệu quả kinh tế.

M t số phƣơng pháp tái sinh vật liệu hấp phụ:
- Phƣơng pháp hóa lý: Có thể thực hiện t i chỗ, ngay trên c t hấp phụ
nên tiết kiệm đƣợc thời gian, không làm vỡ vụn chất hấp phụ và có thể thu hồi
chất hấp phụ ở tr ng thái nguyên vẹn. Phƣơng pháp hóa lý có thể thực hiện
theo cách: chiết với dung môi, sử dụng phản ứng oxi

hóa - khử, áp đ t các

điều kiện làm dịch chuyển cân bằng không có lợi cho quá trình hấp phụ.
- Phƣơng pháp nhiệt: Sử dụng cho các trƣờng hợp chất bị hấp phụ bay
hơi ho c sản phẩm phân hủy nhiệt của chúng có khả năng bay hơi.
- Phƣơng pháp vi sinh: là phƣơng pháp tái t o khả năng hấp phụ của vật
liệu hấp phụ nhờ vi sinh vật [3].
 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc [3]
Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ít
nhất ba thành phần gây tƣơng tác là: nƣớc - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ.
Do sự có m t của nƣớc nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ c nh tranh và
có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nƣớc t o ra các c p hấp phụ là: chất bị
hấp phụ - chất hấp phụ; nƣớc - chất hấp phụ, c p nào có tƣơng tác m nh hơn
thì hấp phụ xảy ra với c p đó.
Tính chọn lọc của các c p hấp phụ phụ thu c vào các yếu tố: đ tan của
chất bị hấp phụ trong nƣớc, tính ƣa nƣớc ho c kị nƣớc của chất hấp phụ, mức
đ kị nƣớc của chất bị hấp phụ trong nƣớc. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất
hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trƣớc tiên phụ thu c vào tính tƣơng đồng về
đ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực đƣợc hấp phụ tốt
Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

9



Khóa luận tốt ghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

trên chất hấp phụ không phân cực và ngƣợc l i. Đối với các chất có đ phân
cực cao, ví dụ các ion kim lo i hay m t số d ng phức oxy anion nhƣ SO42-,
PO43-, CrO42-

thì quá trình hấp phụ xảy ra do tƣơng tác tĩnh điện thông qua

lớp điện kép. Các ion ho c các phân tử có đ phân cực cao trong nƣớc bị bao
bọc bởi m t lớp vỏ là các phân tử nƣớc, do đó bán kính đ lớn) của các ion,
các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hƣởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ
do tƣơng tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn
sẽ đƣợc hấp phụ tốt hơn do đ phân cực cao hơn và lớp vỏ hyđrat nhỏ hơn.
Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc còn bị ảnh hƣởng nhiều bởi pH của
dung dịch. Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ
và chất hấp phụ. Các chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu,
bazơ yếu ho c lƣỡng tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dƣơng ho c trung hoà
tùy thu c giá trị pH. T i giá trị pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề m t
chất hấp phụ bằng không, trên giá trị đó bề m t chất hấp phụ tích điện âm và
dƣới giá trị đó bề m t chất hấp phụ tích điện dƣơng. Đối với các chất trao đổi
ion diễn biến của hệ cũng phức t p do sự phân li của các nhóm chức và các
cấu tử trao đổi cũng phụ thu c vào pH của môi trƣờng, đồng thời trong hệ
cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và t o phức chất.
Ngoài ra, đ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề m t, kích thƣớc mao
quản cũng ảnh hƣởng tới sự hấp phụ.
Đối với các hợp chất hữu cơ, trong môi trƣờng nƣớc chúng có đ tan
khác nhau do đó khả năng hấp phụ chúng trên VLHP là khác nhau. Phần lớn
các chất hữu cơ tồn t i trong nƣớc d ng phân tử trung hòa, ít bị phân cực nên

quá trình hấp phụ trên VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơ chế hấp phụ
vật lý. Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụ thu c vào: pH của
môi trƣờng, lƣợng chất hấp phụ, nồng đ chất bị hấp phụ

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

10


Khóa luận tốt ghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Đ c tính của ion kim lo i n ng trong môi trƣờng nƣớc: để tồn t i đƣợc ở
tr ng thái bền, các ion kim lo i trong môi trƣờng nƣớc bị hydrat hóa t o ra lớp
vỏ là các phân tử nƣớc, các phức chất hidroxo, các c p ion hay phức chất
khác. Tùy thu c vào bản chất hóa học của các ion, pH của môi trƣờng, các
thành phần khác cùng có m t mà hình thành các d ng tồn t i khác nhau.
 Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ
Quá trình hấp phụ về cơ bản ảnh hƣởng bởi các yếu tố sau:
- Khối lƣợng phân tử
- Cấu trúc phân tử
- Lo i và số lƣợng các nhóm chức
- Hàm lƣợng tro và các hợp chất dễ bay hơi
- Diện tích bề m t riêng
- Số lƣợng vi lỗ có trong vật liệu
- pH của môi trƣờng hấp phụ và pH của vật liệu
- Liều lƣợng vật liệu hấp phụ
- Thời gian hấp phụ
- Nồng đ chất hấp phụ

1.2.2. Cân bằng hấp phụ
Hấp phụ vật lý là m t quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp
phụ khi đã hấp phụ trên bề m t chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngƣợc pha
mang (hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ). Theo thời gian lƣợng chất bị hấp
phụ tích tụ trên bề m t chất hấp phụ càng nhiều thì tốc đ di chuyển ngƣợc trở
l i pha mang càng lớn. Đến m t thời điểm nào đó, tốc đ hấp phụ (quá trình
thuận) bằng tốc đ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đ t
tr ng thái cân bằng [9] [13].
- Dung lƣợng hấp phụ cân bằng:
Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

11


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt ghiệp

Dung lƣợng hấp phụ cân bằng là khối lƣợng chất bị hấp phụ trên m t
đơn vị khối lƣợng chất hấp phụ ở tr ng thái cân bằng trong điều kiện xác định
về nồng đ và nhiệt đ [13].
Dung lƣợng hấp phụ đƣợc tính theo công thức:
q=

(

)

(1.1)


Trong đó:
q: dung lƣợng hấp phụ (mg/g)
V: thể tích dung dịch (l)
m: khối lƣợng chất hấp phụ (g )
Co: nồng đ dung dịch ban đầu (mg/l)
Ccb: nồng đ dung dịch khi đ t cân bằng hấp phụ (mg/l)
Trong quá trình hấp phụ, các phần tử bị hấp phụ không bị hấp phụ đồng
thời, bởi vì các phần tử chất bị hấp phụ phải khuếch tán từ dung dịch đến bề
m t ngoài chất hấp phụ và sau đó khuếch tán vào sâu bên trong h t của chất
hấp phụ [6].
- Dung lƣợng hấp phụ bão hòa: là dung lƣợng ở tr ng thái cân bằng
- Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng đ dung dịch bị hấp phụ và nồng đ
dung dịch ban đầu.
H=

(

)

100%

(1.2)

Trong đó:
H: Hiệu suất hấp phụ (%)
Co: nồng đ dung dịch ban đầu (mg/l)
Ccb: nồng đ dung dịch khi đ t cân bằng hấp phụ (mg/l).

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học


12


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt ghiệp

1.2.3. Các phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ
M t số đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt đƣợc nêu trong bảng sau:
Bảng 1.3. Một số đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ

STT

Tên đƣờng đẳng

Phƣơng trình

nhiệt hấp phụ

v
b. p

v0 1  b. p

1

Langmuir

2


Henry

v  k. p

3

Freundlich

v  k. p1/ n (n  1)

Shlygin-Frumkin-

v
1
 ln C 0 . p
vm a

4

Temkin
Brunauer-

5

Emmett-Teller

Bản chất sự hấp
phụ
Vật lý và Hóa học


Vật lý và Hóa học

Vật lý và Hóa học

Hóa học

p
1 C  1 p


.
v.( p0  p) vm C vm C p0 Vật lý, nhiều lớp

(BET)

Trong các phƣơng trình trên, v là thể tích chất bị hấp phụ, v 0 là thể tích
hấp phụ cực đ i, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, p 0 là áp suất hơi bão
hòa của chất bị hấp phụ ở tr ng thái lỏng tinh khiết trong cùng nhiệt đ . Các
ký hiệu b, k, a, n là các hằng số.
Trong đề tài này, tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của VLHP với ion
kim lo i n ng Cr (VI) trong môi trƣờng nƣớc theo mô hình đƣờng đẳng nhiệt
hấp phụ Langmuir.

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

13


Trường ĐHSP Hà Nội 2


Khóa luận tốt ghiệp

Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đƣợc xây dựng dựa trên các
giả thuyết:
- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề m t t i những trung tâm xác định.
- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ m t tiểu phân.
- Bề m t chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lƣợng hấp phụ trên các
tiểu phân là nhƣ nhau và không phụ thu c vào sự có m t của các tiểu
phân hấp phụ trên các trung tâm bên c nh.
Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir nêu ở phƣơng trình 1.1 đƣợc
xây dựng cho hệ hấp phụ rắn - khí. Tuy nhiên, phƣơng trình trên cũng có thể
áp dụng cho hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc. Khi đó phƣơng trình Langmuir
đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

=θ=

(1.3)

Trong đó:
q, qm : dung lƣợng hấp phụ cân bằng, dung lƣợng hấp phụ cực đ i
(mg/g)
: đ che phủ
b : hằng số Langmuir
Ccb : nồng đ chất bị hấp phụ khi đ t tr ng thái cân bằng hấp phụ
(mg/l)
Phƣơng trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đ c trƣng của hệ:
- Trong vùng nồng đ nhỏ: b.Ccb << 1 thì q =

. b. Ccb mô tả vùng hấp


phụ tuyến tính.
- Trong vùng nồng đ cao: b.Ccb >> 1 thì q =

mô tả vùng hấp phụ bão

hòa.

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

14


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt ghiệp

Khi nồng đ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới h n trên thì đƣờng đẳng
nhiệt biểu diễn là m t đo n cong. Để xác định các hằng số trong phƣơng trình
đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, đƣa phƣơng trình 1.3 về d ng phƣơng trình
đƣờng thẳng:

Ccb
1
1


.Ccb
q
b.qm qm


(1.4)

Ccb
vào Ccb sẽ xác định đƣợc các hằng
q
số KL, qm trong phƣơng trình. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có d ng
Xây dựng đồ thị sự phụ thu c của

nhƣ Hình 1.1 và Hình 1.2.

Hình 1.1. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir

Hình 1.2. Sự phụ thuộc của
vào Ccb

1.3. Than hoạt tính AC v cấu tr c ề mặt của AC
1.3.1. Giới thiệu về AC
Có rất nhiều định nghĩa về AC, tuy nhiên có thể nói chung rằng, AC là
m t d ng của cacbon đã đƣợc xử lý để mang l i m t cấu trúc rất xốp, do đó
có diện tích bề m t rất lớn. AC là chất hấp phụ quý và linh ho t, đƣợc sử dụng
r ng rãi cho nhiều mục đích nhƣ lo i bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và
Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

15


Khóa luận tốt ghiệp


Trường ĐHSP Hà Nội 2

các t p chất hữu cơ, vô cơ trong nƣớc thải công nghiệp và sinh ho t, thu hồi
dung môi, làm s ch không khí, trong kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải
công nghiệp và khí thải đ ng cơ, trong làm s ch nhiều hóa chất, dƣợc phẩm,
sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí.
AC đƣợc sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồi
vàng, b c, và các kim lo i khác, làm chất mang xúc tác. Chúng cũng đƣợc
biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học, đƣợc sử dụng để lo i bỏ các đ c tố
và vi khuẩn của m t số bệnh nhất định.
Cacbon là thành phần chủ yếu của AC với hàm lƣợng khoảng 85-95%.
Bên c nh đó

C còn chứa các nguyên tố khác nhƣ hidro, nitơ, lƣu huỳnh và

oxi. Các nguyên tử khác lo i này đƣợc t o ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu
ho c liên kết với cacbon trong suốt quá trình ho t hóa và các quá trình khác.
Thành phần các nguyên tố trong AC thƣờng là 88% C, 0.5% H, 0.5% N,
1% S, 6 7% O. Tuy nhiên hàm lƣợng oxy trong AC có thể thay đổi từ
1 20% phụ thu c vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế. AC thƣờng
có diện tích bề m t nằm trong khoảng 800 1500m2/g và thể tích lỗ xốp từ
0.2 0.6cm3/g [18]. Diện tích bề m t AC chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ
hơn 2nm.
1.3.2. Điều chế AC
AC chủ yếu đƣợc điều chế bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô chứa
cacbon ở nhiệt đ nhỏ hơn 10000C. Quá trình điều chế gồm 2 bƣớc: Than hóa
ở nhiệt đ dƣới 8000C trong môi trƣờng trơ và sự ho t hóa sản phẩm của quá
trình than hóa ở nhiệt đ khoảng 950 10000C.
 Quá trình than hóa
Quá trình than hóa là dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu, đƣa nó về

d ng cacbon, đồng thời làm bay hơi m t số chất hữu cơ nhẹ t o lỗ xốp ban

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa học

16