BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VĂN BỀN

NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ XANH METYLEN
TRONG NƯỚC BẰNG ĐÁ ONG BIẾN TÍNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Đà Nẵng - Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VĂN BỀN

NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ XANH METYLEN
TRONG NƯỚC BẰNG ĐÁ ONG BIẾN TÍNH

Chun ngành: HĨA HỮU CƠ
Mã ngành: 60 44 01 14

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ TỰ HẢI

Đà Nẵng - Năm 2015

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Bền


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 2
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu......................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 2
5. Ý nghĩa của đề tài.................................................................................. 3
6. Bố cục luận văn ..................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 4
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XANH METYLEN .................................... 4
1.1.1. Cấu trúc và tính chất ....................................................................... 4
1.1.2. Lịch sử nghiên cứu .......................................................................... 4
1.1.3. Ứng dụng......................................................................................... 5
1.1.4. Tác hại ............................................................................................. 5
1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HẤP PHỤ ............................................................ 7
1.2.1. Khái niệm ........................................................................................ 7
1.2.2. Cân bằng hấp phụ ......................................................................... 10
1.2.3. Dung lượng hấp phụ cân bằng ..................................................... 11
1.2.4. Hiệu suất hấp phụ ........................................................................ 11
1.2.5. Sự hấp phụ trong môi trường nước ............................................... 11

1.2.6. Các loại vật liệu hấp phụ............................................................... 14
1.2.7. Quá trình hấp phụ động trên cột ................................................... 16
1.2.8. Các mơ hình cơ bản của quá trình hấp phụ ................................. 17
1.3. KHÁI NIỆM LATERITE ..................................................................... 21
1.3.1. Định nghĩa ..................................................................................... 21
1.3.2. Q trình laterite hóa..................................................................... 21


1.3.3. Các dạng kết vón .......................................................................... 22
1.3.4. Các dạng đá ong ........................................................................... 23
1.3.5. Tình hình laterite hóa ở Việt Nam ................................................ 27
1.3.6. Ứng dụng của laterite .................................................................... 28
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ................................................................... 29
2.1. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ.............................................. 29
2.1.1. Hóa chất ........................................................................................ 29
2.1.2. Dụng cụ ......................................................................................... 29
2.1.3. Thiết bị .......................................................................................... 29
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................... 29
2.2.1. Định lượng xanh metylen trong nước ........................................... 29
2.2.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu ..................................................... 30
2.2.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng bằng phương pháp quy hoạch thực
nghiệm ..................................................................................................... 34
2.2.4. Phương pháp khảo sát các đặc trưng hóa lý của đá ong tự nhiên và
đá ong biến tính ....................................................................................... 36
2.2.5. Khảo sát khả năng hấp phụ xanh metylen trong nước bằng đá ong
biến tính ................................................................................................... 43
2.4.6. Hấp phụ cột ................................................................................... 45
2.4.7. Giải hấp và tái sinh vật liệu........................................................... 46
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 47
3.1. XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN XANH METYLEN .......................... 47

3.2. NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH ĐÁ ONG ................................................ 48
3.2.1. So sánh các loại đá ong được biến tính theo các cách khác nhau. 48
3.2.2. Các bước thực hiện bài toán quy hoạch ........................................ 59
3.2.3. Xây dựng mơ tả tốn học và tối ưu hóa hàm mục tiêu dung lượng
hấp phụ .................................................................................................... 52


3.3. KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG HÓA LÝ CỦA ĐOTN VÀ ĐOBTHH 55
3.3.1. Xác định điểm đẳng điện của các vật liệu.................................. 55
3.3.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM)............................................ 56
3.3.3. Kết quả hấp phụ BET ................................................................... 58
3.4. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP
PHỤ XANH METYLEN TRONG NƯỚC CỦA ĐOTN VÀ ĐOBTHH.. 61
3.4.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ ............................... 61
3.4.2. Ảnh hưởng của pH ....................................................................... 63
3.4.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng ....................................................... 65
3.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch xanh metylen ban đầu .......... 66
3.4.5. Cơ chế hấp phụ giả định ............................................................... 71
3.4.6. Hấp phụ xanh metylen bằng phương pháp hấp phụ cột................ 73
3.4.7. Kết quả giải hấp và tái sinh của vật liệu ....................................... 75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 80
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao)
PHỤ LỤC


KÝ HIỆU VIẾT TẮT
- IUPAC

: International Union of Pure and Applied Chemistry


- BET

: Brunauer-Emmett-Teller

- SEM

: Scanning electron microscopy

- qe

: Dung lượng hấp phụ cân bằng

- qmax

: Dung lượng hấp phụ cực đại

- KL

: Hằng số Langmuir

- KF

: Hằng số Freundlich

- RL

: Tham số cân bằng

- r


: Hệ số tương quan

- R2

: Hệ số xác định

- Ce

: Nồng độ xanh metylen sau hấp phụ

- C0

: Nồng độ xanh metylen ban đầu

- H

: Hiệu suất hấp phụ

- ĐOBTHH : Đá ong biến tính hóa học
- ĐOTN

: Đá ong tự nhiên

- m

: Khối lượng


DANH MỤC BẢNG

Số hiệu

Tên bảng

Trang

2.1.

Thành phần khoáng vật kết tinh trong Laterite tự nhiên

30

2.2.

Điều kiện thí nghiệm

36

bảng

3.1.

Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ xanh
metylen

48

3.2.

Kết quả hấp phụ của các vật liệu


49

3.3.

Điều kiện thí nghiệm được chọn

50

3.4.

Bảng kết quả tính tốn số liệu thực nghiệm

51

3.5.

Kết quả và điều kiện thí nghiệm ma trận thực nghiệm
trực giao cấp I, k = 3

52

3.6.

Tính mức chuyển động của các mức yếu tố

55

3.7.


Kết quả thí nghiệm theo hướng leo dốc đứng

55

3.8.

Diện tích bề mặt riêng của các vật liệu

62

3.9.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian

63

3.10.

Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào pH

64

3.11.

3.12.

3.13.

3.14.


Dung lượng và hiệu suất hấp phụ xanh metylen ở các
khối lượng chất hấp phụ khác nhau
Sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ vào nồng độ đối với
xanh metylen
Phân loại sự phù hợp của mơ hình đẳng nhiệt bằng
tham số RL
Giá trị tham số cân bằng RL của q trình hấp phụ bằng
đá ong bến tính

66

68

70

70


3.15.
3.16.
3.17.
3.18.

Sự phụ thuộc lnqe vào lnC đối với mơ hình Freundlich
So sánh hai mơ hình hấp phụ Langmuir và Freundlich
đối với vật liệu hấp phụ ĐOBTHH
Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào tốc độ dòng chảy
Sự ảnh hưởng của pH đến điện tích bề mặt vật liệu và
dạng tồn tại của xanh metylen trong dung dịch


71
72
75
76

3.19.

Hiệu suất giải hấp của HCl và NaOH

77

3.20.

Kết quả hấp phụ của VLTS

78


DANH MỤC HÌNH
Số hiệu

Tên hình

hình
1.1.
1.2.

Q trình hấp phụ động trên cột
Đường cong phân bố nồng độ chất bị hấp phụ tại điểm
cuối của cột theo thời gian


Trang
16
17

1.3.

Đường hấp phụ đẳng nhiệt

20

1.4.

Sự phụ thuộc của Ce/qe vào Ce

20

1.5.

Đá ong tròn

24

1.6.

Đá tổ ong

25

2.1.


Quy trình điều chế đá ong biến tính hóa học

35

2.2.

Tương tác giữu tia Rhơnghen và mạng tinh thể

38

2.3.

Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ theo phân
loại của IUPAC

40

2.4.

Đồ thị xác định các thơng số của phương trình BET

41

3.1.

Đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen

48


3.2.

Đồ thị xác định ĐĐĐ của các vật liệu.

56

3.3.

Ảnh SEM của vật liệu đá ong tự nhiên

57

3.4.

Ảnh SEM của vật liệu sau khi nung

58

3.5.

Ảnh SEM của vật liệu sau khi biến tính

58

3.6.

Ảnh SEM của vật liệu sau khi biến tính

57


3.7.

Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt BET của N2 trên ĐOTN

60

3.8.

Đồ thị theo tọa độ BET của ĐOTN hấp phụ N2

60

3.9.

Đồ thị theo tọa độ BET của ĐOBTHH hấp phụ N2

61

3.10.

Đồ thị theo tọa độ BET của ĐOBTHH hấp phụ N2

61

3.11.

Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ

63



3.12.
3.13.

Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ xanh metylen
Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ đối với dung
lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ xanh metylen

65
67

3.14.

Sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ vào nồng độ

68

3.15.

Sự phụ thuộc C/qe vào C đối với mơ hình Langmuir

69

3.16.

Tham số cân bằng RL đối với quá trình hấp phụ xanh
metylen bằng đá ong biến tính

70


3.17.

Sự phụ thuộc lnqe vào lnCe đối với mơ hình Freundlich

71

3.18.

Cấu trúc bề mặt vật liệu ĐOBTHH

73

3.19.

Biểu diễn sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào tốc độ
dòng chảy

75


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Vấn đề ơ nhiễm môi trường hiện nay đã và đang gây ra những hậu quả
vô cùng to lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống của con người trên toàn
cầu. Việc giải quyết vấn đề ô nhiễm luôn được đặt ra trong mọi khía cạnh
trong cuộc sống, từ các việc nhỏ nhất diễn ra hàng ngày tại mỗi gia đình cho
đến các quy trình sản xuất tại nhà máy, xí nghiệp, các điểm dịch vụ, giải trí…
tất cả đều quan tâm chú trọng đến việc làm thế nào để giảm thiểu việc phát

sinh ra các chất gây ô nhiễm môi trường.
Các nhà sản xuất luôn mong muốn kết tinh trong mỗi sản phẩm của mình
khơng chỉ có cơng nghệ sản xuất hiện đại, quy trình quản lý tiên tiến mà cịn
phải có phần trách nhiệm với môi trường. Tuy nhiên để đạt được điều này địi
hỏi phải có sự đầu tư quy trình sản xuất hiện đại, ít gây ơ nhiễm mơi trường, ít
phát sinh các chất độc hại hoặc có phương pháp xử lý chất thải hiệu quả, chi
phí hợp lý để đảm bảo giá thành sản phẩm có khả năng cạnh tranh trên thị
trường. Trong tình hình kinh tế hiện nay, đây là vấn đề hết sức khó khăn đối
với mỗi doanh nghiệp, đặc biệt là các doanh nghiệp mà trong quy trình sản
xuất thường xuyên phải thải ra các chất hữu cơ độc hại, khó phân hủy.
Vấn đề đặt ra là cần phải có những cơng nghệ xử lý nước thải đạt hiệu
quả, đáp ứng được các tiêu chuẩn xả thải theo quy định hiện hành mà chi phí
đầu tư cũng như chi phí vận hành phải ở mức chấp nhận được. Hiện nay có
nhiều phương pháp được áp dụng nhằm loại bỏ những tác nhân gây ô nhiễm
trong mơi trường nước, mỗi phương pháp có những ưu, nhược điểm riêng,
trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp được ứng dụng rộng rãi
bởi một số ưu điểm của phương pháp này mang lại. Do có khả năng loại bỏ
được những chất ơ nhiễm có độc tính cao, có màu, có mùi khó chịu mà các
phương pháp khác không xử lý hoặc xử lý không triệt để. Hơn nữa, phương


2

pháp hấp phụ cịn có ưu điểm là quy trình xử lý đơn giản, cơng nghệ xử lý
khơng địi hỏi thiết bị phức tạp, nguồn nguyên liệu sẵn có, chi phí xử lý thấp.
Tìm ra một vật liệu hấp phụ mới cũng là xu hướng được các nhà nghiên cứu
quan tâm.
Trong dân gian, theo kinh nghiệm của những người khoan giếng thì
những vùng (trong lịng đất) có đá ong thì nguồn nước ở đó sẽ trong hơn,
sạch hơn và khơng có mùi khó chịu. Cũng như ở vùng có đá ong, người dân

dùng đá ong làm thành giếng thì nước ở giếng đó trong hơn.
Chính vì vậy, chúng tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu hấp phụ xanh
metylen trong nước bằng đá ong biến tính”, nhằm mục đích chế tạo vật
liệu hấp phụ và khảo sát một số điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ của
vật liệu để tìm ra vật liệu có tính ứng dụng cao trong thực tế.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Biến tính đá ong bằng một số phương pháp để tạo ra vật liệu hấp phụ
tốt và ứng dụng xử lý nhiều hợp chất hữu cơ trong nước.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là đá ong (Laterite) và xanh metylen trong nước.
- Tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm tại phịng thí nghiệm hóa lý,
trường Đại học Sư phạm – ĐH Đà Nẵng.
- Nghiên cứu quá trình hấp phụ xanh metylen trên các mẫu giả được pha
từ tinh thể xanh metylen.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập, tổng hợp các tài liệu, tư liệu về nguồn nguyên liệu, phương
pháp nghiên cứu thành phần hóa học và ứng dụng của đá ong tự nhiên.
- Tìm hiểu phương pháp tổng hợp vật liệu và phương pháp xác định
nồng độ xanh metylen trong nước.
- Tìm hiểu về các phương pháp hấp phụ.


3

- Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tại phịng thí nghiệm trường Đại
học sư phạm – Đại học Đà Nẵng
5. Ý nghĩa của đề tài
- Bước đầu khảo sát khả năng hấp phụ xanh metylen của đá ong biến
tính.
- Thử nghiệm 1 loại chất hấp phụ mới từ đá ong, dễ sản xuất, giá thành

thấp, nguồn gốc tự nhiên, hiệu quả hấp phụ cao.
- Ứng dụng xử lý nhiều chất hữu cơ trong nước.
- Tận dụng được một nguồn nguyên liệu rẻ tiền để làm chất hấp phụ có
khả năng thay thế được các loại chất hấp phụ có giá cao trên thị trường.
6. Bố cục luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung luận văn gồm:
Chương 1: Tổng quan tài liệu
Chương 2: Thực nghiệm
Chương 3: Kết quả và thảo luận


4

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XANH METYLEN
1.1.1. Cấu trúc và tính chất
Xanh metylen là một hợp chất thơm dị vòng, được tổng hợp cách đây
hơn 120 năm. Một số tên gọi khác như là tetramethylthionine chlorhydrate,
metylene blue, glutylene, methylthioninium chloride. Đây là một hợp chất có
màu xanh đậm và ổn định ở nhiệt độ phòng. Dạng dung dịch 1% có pH từ 3 4,5. Xanh metylen đối kháng với các loại hóa chất mang tính oxy hóa và khử,
kiềm, dicromat, các hợp chất của iot. Khi phân hủy sẽ sinh ra các khí độc
như: Cl2, NO, CO, SO2, CO2, H2S. Xanh metylen nguyên chất 100% dạng bột
hoặc tinh thể. Xanh metylen có thể bị oxy hóa hoặc bị khử và mỗi phân tử
của xanh metylen bị oxy hóa và bị khử khoảng 100 lần/giây. Quá trình này
làm tăng tiêu thụ oxy của tế bào.
Công thức phân tử xanh metylen: C16H18ClN3S.3H2O.

Công thức cấu tạo Xanh Metylen

Thuốc nhuộm xanh metylen là một chất được sử dụng rất thông dụng
trong kỹ thuật nhuộm, là chất chỉ thị và thuốc trong y học. Xanh metylen khó
phân hủy khi thải ra mơi trường làm mất vẻ đẹp mỹ quan của môi trường, ảnh
hưởng đến quá trình sản xuất và sinh hoạt của con người [29].
1.1.2. Lịch sử nghiên cứu
Năm 1925, Mansfield Clark đã giới thiệu tổng quan về ứng dụng của
xanh metylen vào cơng trình kỹ thuật, hóa cơng nghiệp, sinh học và y học.


5

Nhiều cơng trình nghiên cứu về xanh metylen đã được xuất bản cách đây hơn
100 năm nhưng hiện nay vẫn còn giá trị và đang tiếp tục được nghiên cứu.
Năm 1891, xanh metylen được sử dụng trong việc điều trị bệnh sốt rét bởi 2
nhà khoa học Paul Guttmann và Paul Ehrlich. Sau đó, với sự phát triển của y
học, một số hỗn hợp chứa xanh metylen cũng ra đời để đáp ứng cơng việc
kiểm tra kí sinh trùng gây bệnh sốt rét và phân tích tế bào bạch cầu như dung
dịch Giemsa, Eosin A, và Azure B. Chất màu với xanh metylen cũng được sử
dụng cho nghiên cứu trong y học hiện đại [10].
1.1.3. Ứng dụng
Xanh metylen là một hóa chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành
nhuộm vải, nilon, da, gỗ; sản suất mực in; trong xây dựng như để kiểm
nghiệm đánh giá chất lượng bê tông và vữa; và được sử dụng trong y học.
Xanh metylen an toàn đối với việc xử lý nấm trên trứng nhiều loài cá.
Đặt biệt là rất hiệu quả trong việc điều trị các bệnh về nấm Saprolegnia trên
các giai đoạn của cá. Trong sản xuất cá cảnh Pterophyllum scalare, xử lý
trứng ở liều 1~5 mg/l. Trị các bệnh liên quan đến nấm thủy mi trên cá ở liều
2~3 mg/l. Liều phun xuống ao ni từ 1 - 2 mg/l. Ngồi ra, xanh metylen rất
có hiệu quả trong việc tiêu diệt Ichthyophthiriosis, Costiasis, Chilodonelliasis.
Xanh metylen hoạt động như một chất ức chế nấm và vi khuẩn. Chúng diệt

hiệu quả Saproglenia, Costia, Trichdina ở liều 3 mg/l cho ngâm. Ở liều lượng
2 - 5 mg/l có thể sử dụng tắm ở tất cả các giai đoạn của cá [3].
Xanh metylen là chất sát khuẩn nhẹ, thường sử dụng để bôi lên các vết
thủy đậu, đặc biệt các tổn thương thủy đậu vỡ, đang tiết dịch để làm khơ vết
thương và dự phịng bội nhiễm [10].
1.1.4. Tác hại
Thuốc nhuộm xanh metylen đã có từ lâu và ngày càng được sử dụng
nhiều trong dệt may, giấy, cao su, nhựa, da, mỹ phẩm, dược phẩm và các


6

ngành công nghiệp thực phẩm bởi sử dụng dễ dàng, giá thành rẻ, ổn định và
đa dạng so với màu sắc tự nhiên. Tuy nhiên việc sử dụng rộng rãi các sản
phẩm của xanh metylen sẽ thải ra môi trường một lượng lớn xanh metylen,
chất này khó phân hủy làm mất vẻ đẹp mỹ quan của môi trường, ảnh hưởng
đến q trình sản xuất và sinh hoạt của con người.
Ơ nhiễm nước thải dệt nhuộm phụ thuộc các hóa chất, chất phụ trợ,
thuốc nhuộm và công nghệ sử dụng. Đối với nước thải dệt nhuộm thì nguồn
ơ nhiễm do chất phụ trợ và hóa chất dệt nhuộm có thể được giải quyết bằng
các phương pháp truyền thống, trong khi đó, ô nhiễm do thuốc nhuộm trở
thành vấn đề chủ yếu đối với nước thải dệt nhuộm. Thuốc nhuộm sử dụng
hiện nay là các thuốc nhuộm tổng hợp hữu cơ. Nước thải sinh ra từ dệt nhuộm
thường lớn và chứa hỗn hợp phức tạp các hóa chất dư thừa: phẩm nhuộm,
chất hoạt động bề mặt, chất oxi hóa, các ion kim loại nặng tổn thất thuốc
nhuộm đưa vào nước trung bình 10% với màu đậm, 2% với màu trung bình,
nhỏ hơn 2% với màu nhạt [10].
Xanh metylen vào nguồn nước như sông, hồ với một nồng độ rất nhỏ
của thuốc nhuộm đã cho cảm giác về màu sắc. Màu đậm của nước thải cản trở
sự hấp thụ oxy và ánh sáng mặt trời, gây bất lợi cho sự hô hấp, sinh trưởng

của các lồi thuỷ sinh vật, nó tác động xấu đến khả năng phân giải của vi sinh
vật đối với các chất hữu cơ trong nước thải.
Hiện nay đã có những biện pháp xử lý chất màu xanh metylen trong môi
trường nước. Tuy nhiên, hấp phụ là phương pháp được sử dụng nhiều vì vật
liệu dễ tìm, giá cả hợp lý, chế tạo đơn giản và hiệu suất mang lại cao, thân
thiện với môi trường. Những vật liệu đã được nghiên cứu hấp phụ xanh
metylen như rơm, bã chè, bã mía, mùn cưa, bùn đỏ,…


7

1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HẤP PHỤ
1.2.1. Khái niệm
a. Hấp phụ
- Hấp phụ là quá trình tập hợp các phân tử khí, hơi hoặc các phân tử, ion
của một chất lên bề mặt phân chia pha. Bề mặt phân chia pha có thể là lỏng –
rắn, khí – lỏng, khí – rắn.
- Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần
tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất hấp phụ có bề mặt riêng càng lớn
thì khả năng hấp phụ càng mạnh. Bề mặt riêng là diện tích bề mặt đơn phân
tử tính đối với 1g chất hấp phụ.
- Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề
mặt chất hấp phụ.
- Sự hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa các phần tử chất hấp phụ và
chất bị hấp phụ. Tùy theo bản chất của lực tương tác mà người ta phân biệt
hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
- Hấp phụ vật lý được gây ra bởi lực Van Der Waals (bao gồm ba loại
lực: cảm ứng, định hướng, khuếch tán), lực liên kết hiđro…đây là những lực
yếu, nên liên kết hình thành khơng bền, dễ bị phá vỡ. Nói cách khác, trong
hấp phụ vật lý các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ khơng tạo

thành hợp chất hóa học (khơng hình thành các liên kết hóa học) mà chỉ bị
ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt bằng lực liên kết
phân tử yếu, do đó sự hấp phụ vật lý luôn luôn thuận nghịch. Nhiệt hấp phụ
khơng lớn.
- Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hóa học, trong đó có những lực
liên kết mạnh như lực liên kết ion, lực liên kết cộng hóa trị, lực liên kết phối
trí… gắn kết những phần tử chất bị hấp phụ với những phần tử của chất hấp
phụ thành những hợp chất bề mặt. Năng lượng liên kết này lớn (có thể tới


8

hàng trăm kJ/mol), do đó liên kết tạo thành bền, khó bị phá vỡ. Vì vậy hấp
phụ hóa học thường không thuận nghịch và không thể vượt quá một đơn lớp
phân tử.
- Trong hấp phụ hóa học, cấu trúc điện tử của các phần tử của các chất
tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi sâu sắc dẫn đến sự hình thành liên
kết hóa học. Sự hấp phụ hóa học cịn địi hỏi sự hoạt hóa phân tử, do đó xảy
ra chậm.
- Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là
tương đối vì ranh giới giữa chúng khơng rõ rệt. Một số trường hợp tồn tại
đồng thời cả hai hình thức hấp phụ. Ở vùng nhiệt độ thấp thường xảy ra hấp
phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm, khả năng hấp phụ
hóa học tăng lên [2].
b. Giải hấp phụ
Giải hấp phụ là sự đi ra của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt 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 phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đặc trưng
về hiệu quả kinh tế.
Một số phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ:

Phương pháp hóa lý: Có thể thực hiện tại chỗ, ngay trên cột hấp phụ nên
tiết kiệm được thời gian, không làm vỡ vụn chất hấp phụ và có thể thu hồi
chất hấp phụ ở trạng thái nguyên vẹn.
Phương pháp hóa lý có thể thực hiện theo cách: chiết với dung mơi, sử
dụng phản ứng oxi hóa - khử, áp đặt các điều kiện làm dịch chuyển cân bằng
khơng có lợi cho quá trình hấp phụ.
Phương pháp nhiệt: Sử dụng cho các trường hợp chất bị hấp phụ bay hơi
hoặc sản phẩm phân hủy nhiệt của chúng có khả năng bay hơi.


9

Phương pháp vi sinh: là phương pháp tái tạo khả năng hấp phụ của vật
liệu hấp phụ nhờ vi sinh vật.
c. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
- Bản chất chất hấp phụ
+ Diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ của chất hấp phụ: Diện tích bề mặt là
một trong những đặc tính chủ yếu ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của chất
hấp phụ. Khả năng hấp phụ của chất hấp phụ rắn thường tỉ lệ với diện tích bề
mặt riêng, nghĩa là sự hấp phụ tăng khi diện tích bề mặt tăng. Tuy nhiên, nếu
chỉ có diện tích bề mặt riêng thì khơng đủ để giải thích khả năng hấp phụ của
các chất rắn xốp. Sự phân bố kích thước lỗ trong chất hấp phụ rắn, cho thấy
các lỗ nhỏ tạo ra diện tích bề mặt riêng lớn. Một số lỗ nhỏ quy định chiều của
phân tử, phân tử trong dung dịch sẽ thẩm thấu qua lỗ có đường kính lớn và
khơng lọt qua các lỗ có đường kính nhỏ hơn.
+ Kích thước hạt: Diện tích bề mặt của chất hấp phụ xốp tăng lên cùng
với sự giảm kích thước lỗ, điều đó làm cho khả năng hấp phụ tăng lên. Tuy
nhiên, khi kích thước hạt quá nhỏ làm giảm khe hở các mao quản làm cho khả
năng hấp phụ giảm.
+ Hóa học bề mặt: Sự có mặt của nhóm chức đặc trưng trên bề mặt của

chất hấp phụ liên quan tới đặc tính nhất định và ảnh hưởng đến quá trình hấp
phụ.
- Bản chất chất bị hấp phụ
+ Độ hòa tan: Khả năng hịa tan cao thì sự tương tác giữa dung mơi và
chất bị hấp phụ cao, khả năng hấp phụ giảm do phải phá vỡ liên kết lưỡng
cực dung môi-hạt trong dung mơi trước khi hấp phụ.
+ Khối lượng, kích thước phân tử và độ phân cực cũng ảnh hưởng đến
khả năng hấp phụ.


10

- Ảnh hưởng của pH
Giá trị pH của dung dịch (dung mơi là nước) ảnh hưởng rất lớn đến q
trình hấp phụ. Vì khi thay đổi giá trị pH, thì giá trị điện tích trên bề mặt chất
hấp phụ và dạng ion của chất bị hấp phụ tồn tại trong dung dịch thay đổi làm
cho sự tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ có sự thay đổi. Tuy
nhiên đối với những chất bị hấp phụ là chất khơng điện li hoặc điện li yếu thì
sự thay đổi pH khơng ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng rất ít đến quá trình hấp phụ.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ
Quá trình hấp phụ là tự xảy ra (G < 0), kèm theo sự giảm năng lượng.
Nó tuân theo mối quan hệ:
G = H - TS
Quá trình hấp phụ xảy ra, hệ chuyển từ trạng thái chuyển động sang
trạng thái ít chuyển động hơn, entropy giảm (S < 0). Để quá trình tự xảy ra
thì H < 0. Vì vậy, khi giảm nhiệt độ khả năng hấp phụ tăng.
+ Ngoài ra, q trình hấp phụ cịn ảnh hưởng bởi một số yếu tố khác
như: khối lượng vật liệu hấp phụ; Thời gian hấp phụ; Nồng độ chất hấp phụ.
1.2.2. Cân bằng hấp phụ
Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Khi tốc độ hấp phụ (quá

trình thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ
đạt trạng thái cân bằng.
Với một lượng xác định, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ
và áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha thể tích.
q = f(T, P hoặc C)
Trong đó:
q: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
T: Nhiệt độ
P: Áp suất

(1.1)


11

C: Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha thể tích (mg/l)
1.2.3. Dung lượng hấp phụ cân bằng
Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một
đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định
về nồng độ và nhiệt độ [5].
𝑞=

𝐶0 −𝐶𝑐𝑏
𝑚

.𝑉

(1.2)

Trong đó:

q: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
V: Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l)
m: Khối lượng chất bị hấp phụ (g)
C0: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/l)
Ccb: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l)
1.2.4. Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ
dung dịch ban đầu.
𝐻=

𝐶0 −𝐶𝑐𝑏
𝐶0

. 100

(1.3)

1.2.5. Sự hấp phụ trong môi trường nước
Trong nước, tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ rất phức tạp
vì trong hệ có ít nhất là ba thành phần gây tương tác: nước – chất hấp phụ chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung mơi nên trong hệ sẽ xảy ra q trình
hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung mơi trên bề mặt chất hấp
phụ. Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó. Tính chọn lọc
của cặp tương tác phụ thuộc vào hai yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong
nước, tính ưa hay kỵ nước của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.
Nước là dung môi phân cực, trong trạng thái lỏng các phân tử không tồn
tại ở trạng thái biệt lập mà chúng tương tác, gắn kết với nhau thông qua cấu


12


liên kết hidro. Theo quy tắc “những chất có bản chất hóa học giống nhau thì
hịa tan lẫn nhau” thì những chất có phân tử phân cực dễ hịa tan trong dung
môi phân cực và ngược lại. Tương tự như vậy, các chất hấp phụ tương tác với
chất tan và dung môi theo đặc thù như trên thể hiện qua tính thấm ướt của bề
mặt. Như vậy, khả năng hấp phụ của chất tan lên chất hấp phụ trước hết phụ
thuộc vào tính tương đồng giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ về độ phân
cực: chất không phân cực hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực và
ngược lại. Một chất tan có độ phân cực cao hơn nước có thể hấp phụ tốt trên
chất hấp phụ phân cực (quy tắc Trauben).
Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH của
môi trường. Sự thay đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất chất bị
hấp phụ (các chất có tính axit yếu, bazơ yếu hay trung tính phân li khác nhau
ở các giá trị pH khác nhau) mà còn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề
mặt chất hấp phụ. Bản thân chất hấp phụ trong môi trường nước cũng mang
điện tích, điện tích thay đổi dấu khi thay đổi pH của môi trường. Tại pH bằng
điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất rắn bằng khơng, khi pH nhỏ hơn
điểm đẳng điện thì bề mặt tích điện tích dương và ngược lại. Mật độ điện tích
càng lớn khi điểm pH của hệ càng xa điểm đẳng điện. Với các chất bị hấp phụ
có tính axit và bazơ yếu, phụ thuộc vào pH, nó có thể tồn tại ở trạng thái
mang điện tích hay trung hịa. Với các axit yếu, pH > pK thì nó tích điện âm,
pH < pK thì nó ở trạng thái trung hịa. Với bazơ yếu ta có hình ảnh ngược lại.
So với q trình hấp phụ trong pha khí, hấp phụ trong pha nước xảy ra
chậm hơn nhiều chủ yếu do tương tác giữa chất bị hấp phụ với dung môi
nước và với bề mặt chất hấp phụ làm cho quá trình khuếch tán của các phân
tử chất tan chậm. Do đó trong thực tiễn công nghệ, dung lượng hấp phụ của
một hệ rất ít khi được sử dụng triệt để, nhất là đối với các chất hấp phụ có
dung lượng cao (diện tích bề mặt lớn, độ lớn của mao quản nhỏ).


13


Hệ hấp phụ trong nước bị chi phối bởi tính chất ưa nước và kỵ nước, là
hệ quả của tương tác giữa chất hấp phụ, chất bị hấp phụ với nước. Một số
chất hữu cơ như hydrocacbon, dẫn xuất halogen của nó có độ tan rất hạn chế
trong nước do tính kỵ nước của chúng. Do tính chất đó chúng ln có khuynh
hướng khơng chịu hịa hợp, tìm cách cụm lại với nhau (tạo nhũ) hoặc tìm tới
những đối tượng dễ hịa hợp hơn là các chất khơng phân cực như than, các
khoáng vật, các hạt chất hữu cơ, các hạt sa lắng và hấp phụ trên đó.
Cơ chế hấp phụ
Khi nói đến cơ chế hấp phụ trong mơi trường nước thì bản chất hóa học
của chất bị hấp phụ, chất hấp phụ và các yếu tố khác của môi trường như pH,
nhiệt độ, nồng độ ion, chất lạ sẽ quyết định cơ chế.
Các quá trình liên quan đến hiện tượng hấp phụ bao gồm: q trình tích
điện trên bề mặt chất hấp phụ, hiệu ứng tĩnh điện và tạo phức giữa các ion
trong dung dịch với các trung tâm hấp phụ tích điện.
Để mơ tả cơ chế hấp phụ, cho tới nay tồn tại bốn mơ hình chủ yếu: Mơ
hình Gouy-Chapman-Stem-Graham (GCSG), mơ hình trao đổi ion, mơ hình
tương tác ion-dung mơi và mơ hình tạo phức chất bề mặt.
Tiền đề của tất cả các mơ hình trên của quá trình hấp phụ là kết quả của
phản ứng giữa các ion tan và các tâm điện tích trên bề mặt chất rắn. Sự khác
biệt giữa các mơ hình là sự mô tả khác nhau về phản ứng trên. Đặc trưng điển
hình quan trọng của các mơ hình là sự tồn tại các lớp điện kép sát cạnh tâm
điện tích trên bề mặt. Lớp điện kép được hình thành từ điện tích của bề mặt
chất rắn và sự thay đổi nồng độ các ion tan theo khoảng cách so với bề mặt
chất rắn. Sự hình thành các trung tâm tích điện trên bề mặt chất hấp phụ trong
nước có thể do những nguyên nhân hấp phụ chọn lọc các phần tử mang điện,
hấp phụ các polyelectrolit, sự thay thế đồng hình của mạng chất rắn, phân li
các nhóm chức bề mặt.



14

1.2.6. Các loại vật liệu hấp phụ
Một hệ hấp phụ có dung lượng cao hay thấp trước hết phụ thuộc vào lực
tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Ngoài lực tương tác do bản
chất của hệ tương tác quyết định có thể dễ dàng nhận thấy một chất hấp phụ
có diện tích bề mặt lớn sẽ có khả năng hấp phụ cao hơn so với chất hấp phụ
cùng bản chất nhưng có diện tích bề mặt thấp hơn. Diện tích bề mặt của chất
hấp phụ tăng theo độ phân tán, độ phân tán càng lớn thì diện tích bề mặt tính
theo đơn vị khối lượng (diện tích riêng) càng cao.
Với các biện pháp cơ học (đập, nghiền) chỉ có thể tạo được một mức độ
phân tán hay diện tích bề mặt hạn chế, thường ít vượt quá 1 m2/g. Muốn có độ
phân tán cao phải dựa vào các biện pháp hóa, lý. Các chất rắn xốp là hệ phân
tán cao, thậm chí đạt tới mức phân tán của phân tử nên có diện tích lớn, có
thể tới 1000 m2/g. Một trong những nhiệm vụ quan trọng của việc chế tạo
chất hấp phụ là kiểm soát được độ xốp và phân bố độ xốp theo kích thước của
chất hấp phụ.
Nguyên tắc chế tạo chất hấp phụ xốp đều dựa trên các phương pháp
- Phương pháp kết tụ là tạo ra một cấu trúc xốp từ vật liệu có kích thước
nhỏ, khác với tạo viên bằng phương pháp cơ học. Vật liệu để tạo cấu trúc xốp
trong trường hợp này có kích thước rất nhỏ, ví dụ ở trạng thái keo phân tán
trong một chất lỏng. Bằng các tác nhân vật lý, hóa học làm cho chúng co
cụm, liên kết với nhau. Khi sấy khô khoảng cách giữa chúng giảm đi điều đó
giúp tăng độ bền liên kết giữa các hạt. Diện tích bề mặt của vật liệu chính là
tổng diện tích của các hạt nhỏ.
- Phương pháp ăn mòn (leaching) là phương pháp đi từ một vật liệu đặc,
dùng các tác nhân hóa học cho phản ứng với khối chất đó tạo ra sản phẩm có
tính tan tốt, sản phẩm tạo thành mang một phần nguyên liệu ra ngoài tạo độ
xốp.