ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

VATSANA INTHAPASONG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
THAN HOẠT TÍNH TỪ BÃ ĐẬU NÀNH
VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI)
TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

VATSANA INTHAPASONG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
THAN HOẠT TÍNH TỪ BÃ ĐẬU NÀNH
VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI)
TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC
Ngành: Hóa vơ cơ
Mã số: 8440113

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Thị Hậu

THÁI NGUYÊN - 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu,
kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa có ai công bố trong
một luận văn nào khác.
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2020
Tác giả luận văn

VATSANA INTHAPASONG

i


LỜI CẢM ƠN
Để luận văn được hồn thành và có kết quả như ngày hôm nay, em xin
chân thành cảm ơn các thầy giáo, cơ giáo trong Bộ mơn Hóa Lý và trong Khoa
Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi và
giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo TS. Vũ Thị Hậu,
cô đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ em trong q trình em
thực hiện cho đến khi em hồn thành luận văn.
Em cũng xin chân thành cảm ơn Đại sứ quán Lào tại Việt Nam đã tạo
điều kiện giúp đỡ về mọi mặt trong thời gian em học tập tại Việt Nam.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè đã quan
tâm, động viên em và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong quá trình học tập
và nghiên cứu.
Mặc dù bản thân em đã rất cố gắng nhưng luận văn của em khơng tránh
khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các Thầy

giáo, Cơ giáo, ý kiến góp ý của các bạn để luận văn của em được hoàn thiện
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2020
Học viên

Vatsana Inthapasong

ii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
CHỮ VIẾT TẮT

CHỮ VIẾT ĐẦY ĐỦ

NL

Nguyên liệu

TBĐ

Than bã đậu

SEM

Hiển vi điện tử quét

BET


Diện tích bề mặt riêng

BTNMT
QCVN

Bộ tài nguyên môi trường
Quy chuẩn Việt Nam

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................ii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ..........................................................................iii
MỤC LỤC ..........................................................................................................iv
DANH MỤC BẢNG .........................................................................................vii
DANH MỤC HÌNH..........................................................................................viii
MỞ ĐẦU .............................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN..................................................................................3
1.1. Ô nhiễm do ion kim loại nặng .....................................................................3
1.1.1. Sơ lược về kim loại nặng...........................................................................3
1.1.2. Thực trạng ô nhiễm nguồn nước bởi kim loại nặng ..................................3
1.1.3. Tác dụng sinh hóa của ion kim loại nặng đối với con người và môi trường
.....4
1.2. Các phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng ..........................................5
1.2.1. Phương pháp kết tủa ..................................................................................5
1.2.2. Phương pháp trao đổi ion ..........................................................................5
1.2.3. Phương pháp điện hóa ...............................................................................6
1.2.4. Phương pháp oxi hóa khử..........................................................................6

1.2.5. Phương pháp sinh học ...............................................................................6
1.2.6. Phương pháp hấp phụ ................................................................................6
1.3. Hấp phụ trong môi trường nước ..................................................................7
1.3.1. Đặc điểm chung của hấp phụ trong mơi trường nước ...............................7
1.3.2. Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước .....................................8
1.4. Tổng quan về than hoạt tính và các giai đoạn điều chế than hoạt tính .......8
1.4.1. Tổng quan về than hoạt tính ......................................................................8
1.4.2. Các giai đoạn điều chế than hoạt tính......................................................11
1.5. Giới thiệu về Crom và tác dụng sinh hóa của crom đối với con người,
môi trường .................................................................................................12
1.6. Giới thiệu về cây đậu tương ......................................................................14
1.7. Một số hướng nghiên cứu sử dụng than hấp phụ ion kim loại
nặng............17
4


1.8. Một số cơng trình nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu được chế tạo
từ bã đậu nành.............................................................................................19
1.9. Một số phương pháp xác định đặc trưng hóa lý của than .........................21
1.9.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................21
1.9.2. Phương pháp hấp phụ đa phân tử(BET) ..................................................22
Chương 2. THỰC NGHIỆM ..........................................................................22
2.1. Thiết bị và hóa chất ...................................................................................23
2.1.1. Thiết bị.....................................................................................................23
2.1.2. Hóa chất ...................................................................................................23
2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ ............................................................................24
2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu...............................................................................24
2.2.2. Chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành .....................................................24
2.3. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Cr(VI) theo phương pháp
phổ hấp thụ phân tử UV -Vis ....................................................................25

2.4. Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của NL và TBĐ chế tạo được .............26
2.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung, tỉ lệ chất hoạt hóavà ngun
liệu đến q trình chế tạo than thơng qua thí nghiệm hấp phụ Cr(VI) .....26
2.6. Xác định chỉ số hấp phụ iot của TBĐ .......................................................26
2.7. Xác định điểm đẳng điện của TBĐ ...........................................................27
2.8. Các thí nghiệm hấp phụ.............................................................................27
2.8.1. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ Cr(VI) của các mẫu TBĐ ..................27
2.8.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của
TBĐ...27
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................29
3.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn Cr(VI).....................................................29
3.2. Một số đặc trưng của nguyên liệu và TBĐ ...............................................30
3.2.1. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) ..............................................................30
3.2.2. Diện tích bề mặt riêng (BET)
....................................................................31
3.3. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ Cr(VI) của nguyên liệu và các mẫu TBĐ
.....31
3.4. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Cr(VI) của TBĐ
......34
5


3.4.1. Ảnh hưởng của pH...................................................................................34

6


3.4.2. Ảnh hưởng của thời gian .........................................................................35
3.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ ..........................................................................36
3.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu và xác định dung lượng hấp

phụ cực đại.................................................................................................37
KẾT LUẬN.......................................................................................................39
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN
NỘI DUNG LUẬN VĂN.........................................................................40
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................41
PHỤ LỤC

7


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1.

Kí hiệu các mẫu TBĐ....................................................................25

Bảng 3.1.

Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ Cr(VI) .............29

Bảng 3.2.

Số liệu khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ Cr(VI) của các mẫu .....31

Bảng 3.3.

Diện tích bề mặt riêng theo phương pháp BET của các mẫu .......31

Bảng 3.4.

Số liệu xác định điểm đẳng điện của TBĐ....................................33


Bảng 3.5.

Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của TBĐ ........34

Bảng 3.6.
....35

Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của TBĐ

Bảng 3.7.

Sự phụ thuộc dung lượng và hiệu suất hấp phụ Cr(VI)của than
vào nhiệt độ ...................................................................................36

Bảng 3.8.

Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu đến khả năng hấp phụ của
than ................................................................................................37

Bảng 3.9.

So sánh dung lượng hấp phụ Cr(VI) của TBĐ chế tạo được với
một số than khác............................................................................38

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1.

15

Cây đậu nành và bã đậu nành ................................................................

Hình 3.1.
29

Đường chuẩn xác định nồng độ Cr(VI) ................................................

Hình 3.2.

Biểu đồ so sánh hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của nguyên liệu và các
mẫu TBĐ.................................................................................................. 32

Hình 3.3.

Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của nguyên liệu (V505)và của 3 mẫu
TBĐ.......................................................................................................... 30

Hình 3.4.
33

Đồ thị xác định điểm đẳng điện của TBĐ ............................................

Hình 3.5
34

Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của TBĐ vào pH ..................

Hình 3.6.

36

Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Cr(VI) .....................

Hình 3.7.

Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của than đối
với Cr(VI) ................................................................................................ 38

viii


MỞ ĐẦU
Tốc độ cơng nghiệp hóa, đơ thị hóa khá nhanh và sự gia tăng dân số gây
áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ. Nguồn
nước thải của các cơ sở sản xuất, nước thải sinh hoạt chưa được xử lý hoặc xử
lý chưa triệt để vẫn hàng ngày thải ra môi trường. Hậu quả là môi trường nước
kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm kim loại nặng
nghiêm trọng. Nếu hàm lượng kim loại nặng vượt quá ngưỡng cho phép sẽ rất
độc và gây tác hại lâu dài tới cơ thể chúng ta. Kim loại nặng có thể tiếp xúc với
màng tế bào, ảnh hưởng tới quá trình phân chia ADN, dẫn đến thai chết, sự dị
dạng, quái thai cho các thế hệ sau. Có nhiều phương pháp khác nhau đã được
nghiên cứu và áp dụng để tách các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước. Một
trong các phương pháp đang được nhiều người quan tâm hiện nay là việc sử
dụng than hoạt tính được chế tạo từ các phụ phẩm nông nghiệp như: vỏ trấu
[27], vỏ lạc [17], [34], bã mía [18], [36], xơ dừa [29], vỏ cây [26]… để làm vật
liệu hấp phụ tách loại các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước. Phương pháp
này có ưu điểm như: đi từ ngun liệu rẻ tiền, sẵn có, quy trình đơn giản, phổ
cập, hiệu quả, không đưa thêm vào môi trường những tác nhân độc hại, không
độc hại cho con người và sinh vật...

Đậu nành là loại cây giàu hàm lượng chất đạm protein, được trồng để làm
thức ăn cho người và gia súc. Cây đậu nành là cây thực phẩm có hiệu quả kinh
tế lại dễ trồng. Sản phẩm từ cây đậu nành được sử dụng rất đa dạng như dùng
trực tiếp hạt thô hoặc chế biến thành đậu phụ, ép thành dầu đậu nành, nước
tương, làm bánh kẹo, sữa đậu nành,... đáp ứng nhu cầu về chất đạm trong khẩu
phần ăn hàng ngày của con người cũng như gia súc. Tuy nhiên sau mỗi lần chế
biến thành thực phẩm thì bã đậu nành thường chỉ được tận dụng trong chăn
nuôi hoặc bị loại bỏ, để có thể khai thác hiệu quả giá trị sử dụng của đậu nành
chúng tôi lựa chọn đề tài: “Chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành và khảo sát
khả năng hấp phụ Cr(VI) trong môi trường nước”.

1


Thực hiện đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về:
- Chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành.
- Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của than chế tạo được bằng phương
pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM).
- Khảo sát khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
hấp phụ của than chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh.

2


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Ô nhiễm do ion kim loại nặng
1.1.1. Sơ lược về kim loại nặng
Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3.
Một vài kim loại nặng có thể cần thiết cho cơ thể sống bao gồm động vật, thực

vật, các vi sinh vật khi chúng chỉ ở một hàm lượng nhất định nào đó. Tuy nhiên
khi ở một hàm lượng lớn hơn giới hạn cho phép nó sẽ trở nên độc hại.
Trong tự nhiên kim loại nặng tồn tại ở cả ba môi trường: mơi trường đất,
mơi trường nước, mơi trường khơng khí. Trong đó mơi trường nước là mơi
trường có khả năng phát tán kim loại nặng đi xa và rộng nhất, trong mơi trường
này kim loại nặng có thể tồn tại dưới dạng ion và phức chất. Nguồn nước có
chứa kim loại nặng nếu được đưa đi tưới cây thì sẽ khiến cây trồng và đất trồng
sẽ bị ô nhiễm kim loại nặng. Do đó kim loại nặng trong mơi trường nước có thể
đi vào cơ thể con người thơng qua con đường ăn uống [39], [40].
1.1.2. Thực trạng ô nhiễm nguồn nước bởi kim loại nặng
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật, của các lĩnh
vực kinh tế, các loại hình dịch vụ,… nhu cầu cuộc sống của con người ngày
càng tăng cao về mọi mặt. Điều này đã thúc đẩy quá trình khai thác các kim loại
trong trong ngành cơng nghiệp khai khống cũng ngày một tăng lên. Đây là
nguyên nhân chính làm cho nguồn nước bị ô nhiễm bởi các ion kim loại nặng
điển hình như Cu2+, Fe3+, Pb2+, Ni2+, Cd2+, Cr(VI),…
Ở nước ta mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực
hiện chính sách và pháp luật bảo vệ mơi trường, nhưng tình trạng ơ nhiễm
nguồn nước vẫn là vấn đề đáng lo ngại, đặc biệt là ở các thành phố lớn như Hà
Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phịng,…[2]. Theo đánh giá của các cơng
trình nghiên cứu thì hầu hết các sơng, hồ ở ba thành phố lớn là Hà Nội, thành
phố Hồ
3


Chí Minh, thành phố Hải Phịng và một số thành phố có các khu cơng nghiệp
lớn như Bình Dương,… nồng độ kim loại nặng của các con sông ở các khu vực
này đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 3 đến 4 lần. Tại cụm công nghiệp
Tham Lương, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nước bị ơ nhiễm bởi nước thải
công nghiệp từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt ước tính với tổng lượng

nước thải khoảng 500.000 m3/ngày. Ở thành phố Thái Nguyên, nước thải công
nghiệp thải ra từ các cơ sở sản xuất giấy, gang thép, luyện kim màu, khai thác
than... chiếm khoảng 15% lưu lượng nước sông Cầu. Khảo sát một số làng nghề
sắt thép, đúc đồng, nhơm, chì, giấy, dệt nhuộm ở Bắc Ninh cho thấy có hàng
ngàn m3 nước thải khơng qua xử lý được thải ra hàng ngày, gây ô nhiễm nguồn
nước và môi trường trong khu vực [42].
1.1.3. Tác dụng sinh hóa của ion kim loại nặng đối với con người và môi
trường
Kim loại nặng được chia làm 3 loại: các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu,
Ni, Cd, As, Co, Sn,…), những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…) và các kim
loại phóng xạ (U, Th, Ra, Am,…).
Kim loại nặng không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng độc ở dạng
ion vì nó có thể gắn kết các chuỗi cacbon ngắn khó đào thải gây ngộ độc.
Kim loại nặng có thể tồn tại trong khí quyển (dạng hơi), thủy quyển (các
muối hòa tan), địa quyển (dạng rắn khơng tan, khống, quặng,…) và sinh quyển
(trong cơ thể con người, động vật, thực vật). Trong những điều kiện thích hợp
kim loại nặng trong nước có thể phát tán vào mơi trường đất và khí.
Trong mơi trường nước, kim loại nặng tồn tại dưới 3 dạng và đều có thể
ảnh hưởng đến sinh vật, đó là: (1) hịa tan, (2) bị hấp phụ bởi các thành phần vô
sinh hoặc hữu sinh, lơ lửng trong nguồn nước hoặc lắng tụ xuống đáy, (3) tích
tụ trong cơ thể sinh vật. Một số kim loại nặng ở nồng độ vi lượng là các chất
dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người, động vật và
thực vật, các kim loại cần thiết như Co, Cu, Fe, Mn, Ni,… Tuy nhiên, một số
kim loại
4


nặng như Pb, Fe, Cu, Cr,… nếu vượt quá hàm lượng cho phép sẽ gây ra các tác
động hết sức nguy hại tới sức khỏe của con người [15], [30], [36].
Các kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể con người thơng qua các chu

trình thức ăn. Khi đó, chúng sẽ tác động đến các q trình sinh hóa và trong
nhiều trường hợp dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng về mặt sinh hóa. Các
kim loại nặng có ái lực lớn với các nhóm -SH, -SCH3 của các nhóm enzim
trong cơ thể. Vì thế các enzim bị mất hoạt tính cản trở quá trình tổng hợp
protein của cơ thể [15], [30].
1.2. Các phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng
1.2.1. Phương pháp kết tủa
Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất được đưa vào
nước thải với kim loại cần tách, ở pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và
được tách khỏi nước thải bằng phương pháp lắng. Phương pháp này thường
dùng để thu hồi kim loại từ dung dịch dưới dạng hiđroxit kim loại rất ít tan.
Trong phương pháp kết tủa đối với kim loại thì pH đóng vai trị rất quan trọng.
Khi xử lý cần chọn tác nhân trung hòa và điều chỉnh pH phù hợp. Phương pháp
này chỉ là quá trình xử lý sơ bộ, địi hỏi những q trình xử lý tiếp theo [6].
1.2.2. Phương pháp trao đổi ion
Đây là một trong những phương pháp thường được dùng để tách kim loại
nặng ra khỏi nước thải. Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion dùng
ionit là quá trình trao đổi ion, quá trình này được tiến hành trong cột cationit và
anionit. Ionit được làm từ nhựa hữu cơ tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc
hyđrocacbon có các nhóm chức trao đổi ion. Khi nhựa trao đổi ion đã bão hịa,
người ta khơi phục lại cationit và anionit bằng dung dịch axit loãng hoặc dung
dịch bazơ loãng. Về mặt kỹ thuật hầu hết các kim loại nặng đều có thể tách ra
bằng phương pháp trao đổi ion. Tuy nhiên, phương pháp này cần có nguồn kinh
phí lớn, đặc biệt đối với nhà máy có quy mơ lớn, lượng nước thải nhiều nên vẫn
chưa được áp dụng phổ biến [3].

5


1.2.3. Phương pháp điện hóa

Tách kim loại bằng cách nhúng các điện cực trong nước thải có chứa kim
loại nặng cho dòng điện một chiều chạy qua. Bằng phương pháp này cho phép
tách các ion kim loại ra khỏi nước thải, khơng bổ sung thêm hóa chất nhưng lại
thích hợp với nước thải có nồng độ các ion kim loại cao (trên 1g/L), chi phí
dành cho điện năng là khá lớn [32].
1.2.4. Phương pháp oxi hóa khử
Đây là một phương pháp thơng dụng để xử lý nước thải có chứa kim loại
nặng khi mà phương pháp vi sinh không thể xử lý được. Nguyên tắc của
phương pháp này là dựa trên sự chuyển từ dạng này sang dạng khác bằng sự có
thêm electron (khử) và mất electron (oxi hóa) một cặp được tạo bởi sự cho nhận
electron được gọi là hệ thống oxi hóa - khử [28].
1.2.5. Phương pháp sinh học
Một số loài thực vật, vi sinh vật trong nước sử dụng kim loại như chất vi
lượng trong quá trình phát triển sinh khối như bèo tây, bèo tổ ong, tảo,… Với
phương pháp này, nước thải có nồng độ kim loại nặng nhỏ hơn 60 mg/L và bổ
sung đủ chất dinh dưỡng (nitơ, photpho), các nguyên tố vi lượng cần thiết khác
cho sự phát triển của các loài thực vật như rong tảo. Phương pháp này cần diện
tích lớn và nếu nước thải có lẫn nhiều kim loại thì hiệu quả xử lý kém [7].
1.2.6. Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp có tính ưu việt
hơn hẳn so với phương pháp khác. Vật liệu hấp phụ thường được chế tạo từ các
nguồn nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản,
cơng nghệ xử lý khơng địi hỏi thiết bị phức tạp, đặc biệt các vật liệu hấp phụ có
độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành xử lý thấp, tức hiệu
quả kinh tế cao [8], [13], [21].
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ với chất hấp
phụ là than hoạt tính chế tạo từ bã đậu nành để hấp phụ Cr(VI) trong môi
trường nước.

6



1.3. Hấp phụ trong môi trường nước
1.3.1. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước
Hấp phụ trong môi trường nước thường diễn ra khá phức tạp, vì trong hệ
có ít nhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp
phụ. Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra q trình hấp phụ cạnh
tranh và có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là:
chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh
hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó. Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ
thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc
kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước. Vì
vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ
thuộc vào tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không
phân cực được hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực và ngược lại. Đối
với các chất có
độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion như
SO 42 , PO 34 , CrO24 … thì quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện
thơng
qua lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực cao trong nước bị
bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó bán kính (độ lớn) của các
ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của
hệ do tương tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn
sẽ được hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hydrat nhỏ hơn.
Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng 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
hoặc lưỡng tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dương hoặc trung hồ tùy thuộc giá
trị pH. Tại giá trị pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất hấp phụ
bằng khơng, trên giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện âm và dưới giá trị đó

bề mặt hấp phụ tích điện dương. Đối với các chất trao đổi ion diễn biến của hệ
cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm chức và các cấu tử trao đổi cũng phụ
7


thuộc vào pH của môi trường, đồng thời trong hệ cũng xảy ra cả quá trình hấp
phụ và tạo phức chất [3].
Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao
quản,… cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ.
1.3.2. Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước
Để tồn tại được ở trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trường nước
bị hiđrat hoá tạo ra lớp vỏ là các phân tử nước, các phức chất hiđroxo, các cặp
ion hay phức chất khác. Dạng phức hiđrxo được tạo ra nhờ phản ứng thuỷ
phân. Sự thuỷ phân của ion kim loại trong dung dịch có thể chịu ảnh hưởng rất
lớn bởi pH của dung dịch. Khi pH của dung dịch thay đổi dẫn đến thay đổi
phân bố các dạng thuỷ phân, làm cho thay đổi bản chất, điện tích, kích thước
ion kim loại có thể tạo phức, sự hấp phụ và tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ,
điều này ảnh hưởng đến cả dung lượng và cơ chế hấp phụ [3].
1.4. Tổng quan về than hoạt tính và các giai đoạn điều chế than hoạt tính
1.4.1. Tổng quan về than hoạt tính
Than hoạt tính (Activated Carbon) là một dạng carbon, được xử lý hoạt
hóa dưới nhiệt độ cao trong mơi trường yếm khí để tạo ra cấu trúc lỗ xốp, rỗng
làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc cho hấp phụ hoặc phản ứng hóa học.
Than hoạt tính được làm từ nhiều ngun liệu như than đá, gỗ, gáo dừa,
vỏ trấu, thân tre,… Than hoạt tính có những tính chất đặc trưng như: cấu trúc
tinh thể, khối lượng riêng. Ngoài ra than hoạt tính cịn có những thơng số cơ bản
như: độ xốp, diện tích bề mặt, chỉ số iot, độ cứng, kích thước hạt, hệ mao quản
và cấu trúc bề mặt [27].
Một số thơng số của than hoạt tính
- Độ xốp là tỉ số giữa thể tích của các lỗ xốp trên thể tích của vật xốp.Thể

tích lỗ xốp riêng là khơng gian rỗng tính cho một đơn vị khối lượng. Kích thước
của lỗ xốp được tính bằng khoảng cách giữa hai cạnh của rãnh hoặc đường kính
của ống xốp. Theo tiêu chuẩn của IUPAC thì kích thước lỗ xốp được chia ra
làm
8


ba loại: micro pore có kích thước bé hơn 2 nm, meso pore có kích thước từ 2-50
nm và macro pore có kích thước từ 50 nm trở lên. Những lỗ xốp meso có diện
tích bề mặt chiếm khơng q 5% tổng diện tích bề mặt của than. Những lỗ xốp
kích thước lớn khơng có nhiều ý nghĩa trong hoạt tính của than vì diện tích bề
mặt riêng của chúng khơng đáng kể.
- Bề mặt riêng là diện tích bề mặt tính cho một đơn vị khối lượng.Diện
tích bề mặt riêng của than hoạt tính được đo bằng m²/g và là một thông số hết
sức quan trọng đối với than, cho biết khả năng hấp phụ của than hoạt tính. 95%
diện tích bề mặt riêng của than là diện tích của những lỗ xốp micro.
- Chỉ số iot: là một chỉ số cơ bản của than hoạt tính đặc trưng cho diện
tích bề mặt của lỗ xốp cũng như khả năng hấp phụ của than. Chỉ số iot được
tính bằng khối lượng iot có thể được hấp phụ bởi một đơn vị khối lượng của
than (mg/g). Nguyên lý của phương pháp đo dựa trên sự hấp phụ lớp đơn phân
tử iot trên bề mặt của than. Chỉ số iot càng lớn thì mức độ hoạt hóa càng cao.
Giá trị của chỉ số iot nằm trong khoảng 500-1200 mg/g. Từ giá trị của chỉ số iot
có thể tính ra được diện tích bề mặt riêng của than.
- Độ cứng: Là khả năng chống chịu mài mịn của than hoạt tính. Đây là
một thơng số quan trọng bởi vì trong q trình sử dụng, than hoạt tính cịn phải
chịu những tác động vật lý như: bị đặt dưới dòng chảy lỏng hoặc khí, dưới tác
động của áp suất, do đó than cần phải đảm bảo được những yếu tố về độ cứng
nhằm giữ được nguyên vẹn cấu trúc trong quá trình sử dụng và phục hồi. Độ
cứng của than phụ thuộc rất nhiều vào nguyên liệu đầu vào cũng như mức độ
quá trình hoạt hóa.

- Kích thước hạt: Kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến khả năng tiếp cận
của chất được hấp phụ tới bền mặt của than. Kích thước càng nhỏ thì khả năng
tiếp cập càng dễ và quá trình hấp phụ diễn ra càng nhanh. Điều này đặc biệt có
ý nghĩa khi hấp phụ trong hệ khí có áp suất thấp. Tính tốn kỹ được phân bố
kích
9


thước hạt giúp chúng ta có thể chọn lựa được những thông số áp suất tối ưu để
giảm thiểu tối đa mức tiêu thụ năng lượng.
- Hình dáng mao quản: trong thực tế rất khó xác định chính xác hình
dáng của các mao quản. Song có bốn loại mao quản được thừa nhận là: mao
quản hình trụ, hình cầu, hình khe, hình chai.
- Phân bố kích thước của mao quản hay phân bố lỗ xốp dựa trên những
giả thuyết về hình dáng mao quản. Chúng được xác định theo sự biến đổi của
thể tích hay diện tích bề mặt của mao quản với kích thước mao quản.
Trong q trình hấp phụ, yếu tố quan trọng đầu tiên để đánh giá khả năng
hấp phụ của han là diện tích bề mặt riêng. Thường thì diện tích bề mặt càng lớn
sẽ có khả năng hấp phụ càng cao, do có nhiều trung tâm hấp phụ trên bề mặt
than. Kích thước của mao quản và sự phân bố kích thước cũng là những yếu tố
quan trọng để chọn các loại than phù hợp với mục đích sử dụng. Theo quy định
của IUPAC, có thể chia mao quản thành ba loại dựa vào kích thước [14].
- Mao quản lớn: đường kính mao quản trung bình d ≥ 50 nm.
- Mao quản trung bình: đường kính mao quản trung bình 2 nm nm.
- Mao quản nhỏ: đường kính mao quản trung bình d < 2 nm.
Đặc tính hóa học bề mặt của than
Khả năng hấp phụ của than hoạt tính được quyết định bởi cấu trúc vật lý
và lỗ xốp của chúng, nhưng cũng bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc hóa học.
Ngồi thành phần chính là cacbon, than hoạt tính cịn chứa các nguyên tố khác

(chiếm 5-10 % khối lượng than). Nhóm chức chứa oxy trên bề mặt than gọi là
nhóm chức bề mặt. Trong q trình hoạt hóa, tác nhân hoạt hóa phá hủy một
phần mạng cacbon tinh thể tạo nên độ xốp. Nguyên tử cacbon trên bề mặt chưa
bị bão hịa hóa trị tạo ra các gốc tự do. Các gốc tự do là trung tâm tạo ra các
nhóm chức bề mặt với mật độ tùy thuộc vào diện tích bề mặt than, bản chất của
tác nhân hoạt hóa, điều kiện hoạt hóa, điều kiện bảo quản than...

10


Nhóm chức bề mặt than biểu hiện hai tính chất: axit hoặc bazơ. Nhóm
chức thể hiện đặc tính nào thì chủ yếu phụ thuộc vào q trình hoạt hóa, q
trình xử lý than. Các nhóm chức bề mặt axit hay bazơ đều cùng tồn tại trên bề
mặt một loại than, nhưng thường gặp nhóm axit nhiều hơn.Nhóm chức bề mặt
ảnh hưởng đến đặc trưng bề mặt như tính ưa nước, độ phân cực, tính axit và
đặc điểm hóa lý như khả năng xúc tác, dẫn điện. Khả năng hấp phụ từ dung
dịch của than đối với các chất có tính chất phân cực khác nhau phụ thuộc vào
các nhóm chức bề mặt. Phần lớn quá trình hấp phụ của các hợp chất kị nước
thường giảm khi hàm lượng nhóm chức axit tăng. Ngồi ra nhóm chức bề mặt
cũng ảnh hưởng đến khả năng khuếch tán của các phân tử trong mao quản.
Trong mơi trường nước, bề mặt của than tích điện nên hình thành lớp
điện kép xung quanh bề mặt than. Giá trị pH ở đó, mật độ điện tích các ion trên
bề mặt ở trạng thái cân bằng (điểm điện tích bằng khơng) gọi là điểm đẳng
điện. Ở vùng pH dưới điểm đẳng điện, bề mặt tích điện dương; vùng pH cao
hơn điểm đẳng điện, bề mặt tích điện âm. Điểm đẳng điện của than xử lý nước
nằm trong phạm vi rộng 2,2- 10,6 [10].
1.4.2. Các giai đoạn điều chế than hoạt tính
Điều chế than hoạt tính gồm 2 giai đoạn: Than hóa và hoạt hóa. Than hóa
là giai đoạn chuyển hóa nguyên liệu về dạng than, làm tăng hàm lượng cacbon
và tạo bề mặt xốp ban đầu. Hoạt hóa (vật lý, hóa học) với mục đích phát triển lỗ

xốp, tăng diện tích bề mặt than. Hoạt hóa là giai đoạn khó thực hiện hơn và là
giai đoạn quyết định chất lượng sản phẩm.
Giai đoạn than hóa: Thơng thường q trình than hóa được thực hiện ở
nhiệt độ cao, trong mơi trường kị khí, các vật liệu giàu cacbon sẽ bị đề hydrat
hóa tạo than có diện tích bề mặt riêng phát triển. Q trình than hóa đảm bảo
hạn chế tối đa sự lưu thơng của khí oxi, sự có mặt của oxi sẽ đốt cháy than thu
được trong giai đoạn này. Để tạo môi trường trơ trong giai đoạn than hóa thơng
thường có các phương pháp phổ biến sau: Sử dụng khí nitơ, sử dụng cát (SiO2)
hoặc những hạt sỏi, sử dụng khí CO2hoặc hơi nước.

11


Giai đoạn hoạt hóa: Hoạt hóa là q trình bào mòn mạng lưới tinh thể
cacbon dưới tác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa tạo độ xốp cho than bằng
một hệ thống lỗ có kích thước khác nhau, ngồi ra cịn tạo các tâm hoạt động
trên bề mặt.
Có hai phương pháp hoạt hóa cơ bản là hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa
học. Mục đích của giai đoạn hoạt hóa là phát triển mạnh bề mặt riêng của than
thu được sau giai đoạn than hóa. Hoạt hóa vật lý sử dụng tác nhân nhiệt độ để
thay đổi cấu trúc bề mặt than, cịn hoạt hóa hóa học dựa vào phản ứng hóa học
của chất hoạt hóa với bề mặt than để thay đổi cấu trúc bề mặt than.
Hoạt hóa hóa học tiến hành sau giai đoạn than hóa. Dưới sự có mặt của
các chất hoạt hóa, xảy ra phản ứng ăn mòn bề mặt than, kết quả làm tăng cấu
trúc xốp của bề mặt than. Các chất hoạt hóa thường được dùng nhiều nhất là:
CO2, H2O, KOH, NaOH, ZnCl2, H3PO4… Cơ sở chung để chọn chất hoạt hóa là
chất đó phải có khả năng xúc tác cho quá trình đehydrat hóa hoặc tương tác
được với cacbon. Về cơ bản có thể phân chia chất hoạt hóa làm nhiều loại khác
nhau như tác nhân hoạt hóa có tính axit (H3PO4, H2SO4, ZnCl2…) và tác nhân
có tính bazơ (KOH, NaOH, K2CO3…). Trong q trình hoạt hóa có thể xảy ra

các phản ứng
như sau:
C + CO2 → 2CO
C + H2O → CO + H2
C + KOH → K2CO3+ H2
Đặc điểm của phản ứng này là CO2 và H2O ăn mòn dần cacbon khơng
chỉ trên bề mặt mà cịn ở các khe, các rãnh, những chỗ khuyết tật của mạng
lưới tinh thể, làm cho cacbon thu được có cấu trúc xốp và bề mặt riêng phát
triển mạnh [19].
1.5. Giới thiệu về Crom và tác dụng sinh hóa của crom đối với con người,
mơi trường
Crom là một một ngun tố hóa học trong bảng tuần hồn có ký hiệu Cr
và số hiệu ngun tử bằng 24, là nguyên tố đầu tiên của nhóm VIB, là 1 kim
loại cứng, giịn, có độ nóng chảy cao. Crom cũng là nguyên tố phổ biến thứ 21
trong
12


vỏ Trái Đất với nồng độ trung bình 100 ppm. Các hợp chất crom được tìm thấy
trong mơi trường do bào mịn các đá chứa crom và có thể được cung cấp từ
nguồn núi lửa. Nồng độ trong đất nằm trong khoảng 1 đến 3000 mg/kg, trong
nước biển từ 5 đến 800 µg/lit, và trong sơng và hồ từ 26 µg/lit đến 5,2 mg/lit.
Crom được khai thác dưới dạng quặng cromit (FeCr2O4). Gần một nửa quặng
cromit trên thế giới được khai thác tại Nam Phi, bên cạnh đó Kazakhstan, Ấn Độ
và Thổ Nhĩ Kỳ cũng là các khu vực sản xuất đáng kể. Các trầm tích cromit
chưa khai thác có nhiều, nhưng về mặt địa lý chỉ tập trung tại Kazakhstan và
miền nam Châu Phi [43].
Crom là một chất gây ơ nhiễm độc hại chính, xâm nhập vào dịng nước
thơng qua các hoạt động công nghiệp khác nhau. Nguồn gây ô nhiễm crom bao
gồm xử lý chất thải có chứa crom và thải ra từ các quy trình mạ điện. Các

nguồn chất thải Cr(VI) tiềm năng là nước thải từ luyện kim, mạ điện, thuộc da,
nhuộm dệt, sơn, mực và các ngành sản xuất nhôm.
Crom kim loại và các hợp chất Cr(III) thông thường không được coi là
nguy hiểm cho sức khỏe, nhưng các hợp chất crom hóa trị sáu (Cr(VI)) lại là
độc hại ngay ở nồng độ thấp nếu nuốt/hít phải do các vấn đề liên quan đến sức
khỏe của nó ở người bao gồm các nguy cơ gây ung thư và gây đột biến. Tổ
chức y tế thế giới (WHO) khuyến cáo hàm lượng cho phép tối đa của Cr(VI)
trong nước uống là 0,05 mg/L. Do các hợp chất của crom đã từng được sử dụng
trong thuốc nhuộm và sơn cũng như trong thuộc da, nên các hợp chất này thơng
thường hay được tìm thấy trong đất và nước ngầm tại các khu vực công nghiệp
đã bị bỏ hoang. Các loại sơn lót chứa crom hóa trị VI vẫn còn được sử dụng
rộng rãi trong các ứng dụng sửa chữa lại tàu vũ trụ và ô tô. Liều tử vong của các
hợp chất Cr(VI) độc hại là khoảng nửa thìa trà vật liệu. Phần lớn các hợp chất
Cr(VI) gây kích thích mắt, da và màng nhầy, có thể gây bệnh đối với những
người có cơ địa dị ứng. Cr(VI) có trong thành phần của xi măng Porland có thể
gây bệnh dị ứng xi măng với những người có cơ địa dị ứng hoặc có thời gian
tiếp xúc qua da thường xuyên và đủ lâu với xi măng. Phơi nhiễm kinh niên
trước các hợp chất crom (VI) có thể gây ra tổn thương mắt vĩnh viễn, nếu không
được xử lý đúng cách. Crom
13


(VI) được công nhận là tác nhân gây ung thư ở người [1].
Hơn nữa, crom có thể dẫn đến ung thư trong phổi và đường tiêu hóa. Con
người hấp thụ quá nhiều crom dẫn đến tổn thương gan và thận, tổn thương mao
mạch, kích thích đường tiêu hóa và hệ thần kinh trung ương.
Các phương pháp thông thường để xử lý chất thải Cr(VI) bao gồm kết
tủa, hấp phụ bằng than hoạt tính, trao đổi ion, q trình màng, oxy hóa và khử.
Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp này dẫn đến việc loại bỏ hoàn toàn các ion
kim loại, độ chọn lọc thấp, chi phí vận hành cao, tiêu thụ nhiều thuốc thử, năng

lượng và tạo ra các chất ơ nhiễm thứ cấp. Ngồi ra, nó đã được tiết lộ rằng
những kỹ thuật này khi được áp dụng, một số trong số chúng thường khơng có
khả năng đáp ứng các giới hạn tiêu chuẩn thải đối với nồng độ kim loại nặng
nằm trong khoảng từ 0,1 đến 3 mg/L. Kỹ thuật hấp phụ vẫn là công nghệ áp
dụng hiệu quả và phổ biến nhất được sử dụng rộng rãi so với các kỹ thuật khác
trong các lĩnh vực bảo vệ mơi trường tồn cầu. Hấp phụ có những ưu điểm khác
biệt so với các phương pháp thông thường bao gồm khả năng tái sử dụng vật
liệu sinh học, chi phí vận hành thấp, độ chọn lọc đối với kim loại cụ thể, thời
gian hoạt động ngắn và khơng có bùn hóa học. Một số vật liệu nơng nghiệp đã
được sử dụng để hấp phụ kim loại nặng như đã được công bố trong nhiều
nghiên cứu [17], [18], [27], [34], [36],…
1.6. Giới thiệu về cây đậu tương
Đậu nành hay đỗ tương, đậu tương (tên khoa học Glycine max) là loại
cây họ Đậu (Fabaceae).Đậu tương được xuất hiện đầu tiên trong quyển Species
Plantarum của Linnaeus, với tên gọi Phaseolus max L. Việc kết hợp Glycine
max (L.) Merr., theo đề nghị của Merrill năm 1917, đã trở thành tên gọi chính
thức được cơng nhận của lồi này. là lồi bản địa của Đơng Á. Lồi này giàu
hàm lượng chất đạm protein, được trồng để làm thức ăn cho người và gia súc.
Cây đậu nành là cây thực phẩm có hiệu quả kinh tế lại dễ trồng. Sản phẩm từ
cây đậu nành được sử dụng rất đa dạng như dùng trực tiếp hạt thô hoặc chế
biến thành đậu phụ, ép thành dầu đậu nành, nước tương, làm bánh kẹo, sữa đậu
nành, okara...
14