Tài liệu Khảo sát khả năng hấp phụ ion cu2+ trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƢ PHẠM BỘ MÔN SƢ PHẠM HÓA HỌC Đề tài: KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Cu2+ TRÊN VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành SƢ PHẠM HÓA HỌC Giáo viên hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: Th.S NGUYỄN MỘNG HOÀNG ĐỖ THỊ MỸ TIÊN MSSV: 2102206 Lớp: Sƣ phạm Hóa học K36 Cần Thơ, 2014 TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƢ PHẠM BỘ MÔN SƢ PHẠM HÓA HỌC Đề tài: KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Cu2+ TRÊN VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành SƢ PHẠM HÓA HỌC Giáo viên hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: Th.S NGUYỄN MỘNG HOÀNG ĐỖ THỊ MỸ TIÊN MSSV: 2102206 Lớp: Sƣ phạm Hóa học K36 CẦN THƠ, 2014 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng LỜI CẢM ƠN  Trong suốt quá trình thực hiện luận văn em đã học hỏi và tích lũy đƣợc nhiều kinh nghiệm quý báu về mặt kiến thức cũng nhƣ kinh nghiệm sống. Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, em còn nhận đƣợc nhiều sự hỗ trợ và sự giúp đỡ rất tận tình của thầy cô, gia đình và bạn bè. Nay em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:  Cô Phan Thị Ngọc Mai, Thầy Nguyễn Mộng Hoàng, Thầy Nguyễn Điền Trung đã tận tình hƣớng dẫn, đóng góp ý kiến và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình làm thí nghiệm.  Quý thầy, Cô trong bộ môn Sƣ phạm Hóa học – Khoa Sƣ phạm – Trƣờng Đại học Cần Thơ.  Gia đình, bạn bè và tập thể lớp Sƣ phạm Hóa học K36 những ngƣời luôn quan tâm giúp đỡ và đồng hành cùng em trong suốt thời gian vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn! SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên i Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN  ........... ............................................................................................................................ ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên ii Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN  ........... ............................................................................................................................ ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên iii Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN  ........... ............................................................................................................................ ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên iv Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng TÓM TẮT LUẬN VĂN Để góp phần vào việc tìm kiếm các vật liệu hấp phụ sẵn có, rẻ tiền cho việc xử lí môi trƣờng mà đề tài “Khảo sát khả năng hấp phụ ion Cu2+ trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía” đã đƣợc thực hiện. Trong đề tài này, chúng tôi đã chế tạo đƣợc một loại vật liệu hấp phụ từ bã mía qua xử lí hoạt hóa bằng axit sunfuric đậm đặc, tiến hành khảo sát khả năng hấp phụ ion Cu2+ của vật liệu hấp phụ vừa chế tạo, khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ nhƣ thời gian, pH, nồng độ đầu của ion Cu2+ ở nhiệt độ phòng, xác định độ hấp phụ cực đại và hằng số cân bằng hấp phụ của vật liệu hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt của Langmuir. Nồng độ ion Cu2+ trƣớc và sau khi hấp phụ đƣợc xác định bằng phƣơng pháp chuẩn độ tạo phức với thuốc thử EDTA. Kết quả thực nghiệm cho thấy thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 10 phút, pH thích hợp cho sự hấp phụ đối với ion Cu2+ là 5,0. Khi tăng nồng độ của dung dịch thì hiệu suất hấp phụ giảm. Bã mía biến tính bằng axit sunfuric đậm đặc có khả năng hấp phụ tốt hơn bã mía nguyên liệu. Độ hấp phụ cực đại của vật liệu hấp phụ là 78,74 mg/g và hằng số cân bằng hấp phụ là 0,124. SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên v Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ........................................................... ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................................. iii TÓM TẮT LUẬN VĂN ..................................................................................................v MỤC LỤC ......................................................................................................................vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ix DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................x DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................xi PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................1 1. ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................1 2. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI .......................................................................................... 1 3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..............................................................................1 PHẦN NỘI DUNG..........................................................................................................2 Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................................2 1.1. Ảnh hƣởng của sự ô nhiễm kim loại nặng tới sức khỏe con ngƣời....................2 1.1.1. Tình trạng nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng ..............................................2 1.1.2. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con ngƣời và môi trƣờng............2 1.1.3. Tính chất độc hại của kim loại đồng. .................................................................2 1.2. Một số phƣơng pháp xử lý nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng ....................3 1.2.1. Phương pháp kết tủa .......................................................................................... 3 1.2.2. Phương pháp trao đổi ion ..................................................................................3 1.2.3. Phương pháp hấp phụ ........................................................................................ 4 1.3. Các khái niệm cơ bản và các loại hấp phụ ......................................................... 4 1.3.1. Các khái niệm cơ bản ........................................................................................ 4 1.3.2. Các loại hấp phụ ................................................................................................ 4 1.3.2.1. Hấp phụ vật lý ....................................................................................................4 1.3.2.2. Hấp phụ hóa học .................................................................................................5 1.3.3. Sự hấp phụ trên giới hạn rắn – dung dịch ........................................................ 5 1.3.3.1. Sự hấp phụ phân tử trong dung dịch và các yếu tố ảnh hƣởng .......................... 5 1.3.3.2. Sự hấp phụ các chất điện ly ................................................................................8 1.3.3.3. Sự hấp phụ trao đổi............................................................................................. 9 SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên vi Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng 1.3.4. Hấp phụ trong môi trường nước ......................................................................10 1.3.5. Cân bằng hấp phụ - các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ ............................. 10 1.3.5.1. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Henry ..................................................................11 1.3.5.2. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich .......................................................... 12 1.3.5.3. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ..............................................12 1.4. Phƣơng pháp định lƣợng kim loại ....................................................................14 1.5. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ - bã mía ............................................................ 16 Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM ......................................................................................... 20 2.1. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị ....................................................... 20 2.1.1. Nguyên liệu .......................................................................................................20 2.1.2. Hóa chất ...........................................................................................................20 2.1.3. Dụng cụ và thiết bị ........................................................................................... 20 2.2. Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ ...................................................................21 2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP và bã mía nguyên liệu ........................ 22 2.3.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của bã mía nguyên liệu ........................................22 2.3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP ............................................................ 22 2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của VLHP ..................22 2.4.1. Ảnh hưởng của thời gian ..................................................................................22 2.4.2. Ảnh hưởng của pH............................................................................................ 23 2.4.3. Ảnh hưởng của lượng VLHP ............................................................................23 2.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ - Cân bằng hấp phụ ..................................................23 2.5. Xác định độ hấp phụ cực đại và hằng số cân bằng hấp phụ ............................. 24 Chƣơng 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN .........................................................................25 3.1. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của bã mía nguyên liệu và VLHP ...........25 3.1.1. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của bã mía nguyên liệu............................ 25 3.1.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP ................................................25 3.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng ............................................................ 26 3.2.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian ...................................................... 26 3.2.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH ................................................................ 28 3.2.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng VLHP ................................................29 3.2.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ion Cu2+ ..................................31 3.3. Xác định độ hấp phụ cực đại và hằng số hấp phụ. ...........................................32 SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên vii Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng Chƣơng 4: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ.........................................................................34 4.1. Kết luận ............................................................................................................34 4.2. Kiến nghị ..........................................................................................................34 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 35 SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên viii Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT 1 Nguyên nghĩa Từ viết tắt JECFA The Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives (Ủy ban Chuyên gia FAO/WHO về Phụ gia Thực phẩm) 2 FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations (Tổ chức Lƣơng thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc) 3 WHO World Health Organization (Tổ chức Y tế Thế giới) 4 VLHP Vật liệu hấp phụ (Bã mía sau khi xử lý) 5 EDTA Axit etilenđiamin tetraacetic SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên ix Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ định hƣớng các phân tử chất HĐBM trên bề mặt phân chia hai pha ....8 Hình 1.2: Đƣờng biểu diễn lga = f(lgCcb)......................................................................12 Hình 1.3: Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ........................................................... 14 Hình 1.4: Đồ thị sự phụ thuộc của Ccb/a vào Ccb ........................................................... 14 Hình 1.5: Dung dịch ion Cu2+ khi có mặt chỉ thị murexit .............................................16 Hình 1.6: Dung dịch ion Cu2+ sau chuẩn độ ..................................................................16 Hình 2.1: Bã mía cắt nhỏ ............................................................................................... 21 Hình 2.3: Bã mía sau khi trộn với axit sunfuric đặc tỉ lệ 1:1 ........................................21 Hình 2.4: Hình ảnh của VLHP ...................................................................................... 21 Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng hấp phụ .................27 Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ của VLHP. .......29 Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của lƣợng chất hấp phụ ....................................30 Hình 3.4: Ảnh hƣởng của nồng độ đầu ion Cu2+ đến khả năng hấp phụ của VLHP.....31 Hình 3.5: Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với ion Cu2+ ................................ 32 Hình 3.6: Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của VLHP ...............33 SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên x Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ thƣờng gặp ........................................11 Bảng 1.2: Thành phần hóa học của bã mía ...................................................................17 Bảng 3.1: Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu ....................................25 Bảng 3.2: Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP ............................................25 Bảng 3.3: So sánh độ hấp phụ, hiệu suất hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ..............26 Bảng 3.4: Ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng hấp phụ ion Cu2+ của VLHP ..........27 Bảng 3.5: Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ Cu2+ của VLHP ......................... 28 Bảng 3.6: Ảnh hƣởng của lƣợng VLHP đến khả năng hấp phụ ion Cu2+ ....................30 Bảng 3.7: Ảnh hƣởng của nồng độ đầu đến hiệu suất hấp phụ Cu2+ của VLHP ..........31 Bảng 3.8: Số liệu nghiên cứu cân bằng hấp phụ .......................................................... 32 SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên xi Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng PHẦN MỞ ĐẦU 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, môi trƣờng nƣớc ở xung quanh nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề đang bị ô nhiễm nghiêm trọng [24]. Nguyên nhân là do nguồn nƣớc thải hầu nhƣ không đƣợc xử lí hoặc chỉ đƣợc xử lí sơ bộ trƣớc khi đƣa ra ngoài môi trƣờng. Các nguồn nƣớc thải này thƣờng có chứa nhiều ion kim loại nặng nhƣ: Cu2+, Mn2+, Pb2+,… Nếu nồng độ các kim loại này vƣợt quá giới hạn cho phép sẽ ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời cũng nhƣ là hệ sinh thái. Vì vậy, việc nghiên cứu và tìm ra biện pháp xử lí ô nhiễm môi trƣờng nƣớc là cần thiết và cấp bách. Đã có nhiều phƣơng pháp khác nhau đƣợc nghiên cứu và áp dụng để tách loại các kim loại nặng ra khỏi môi trƣờng nƣớc nhƣ: phƣơng pháp vật lý, phƣơng pháp hóa học… Trong đó, phƣơng pháp hấp phụ - sử sụng vật liệu hấp phụ (VLHP) chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên, các phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp nhƣ: vỏ lạc, vỏ dừa, vỏ trấu, lõi ngô, rơm rạ, bã mía… để tách kim loại từ dung dịch nƣớc đã đƣợc nhiều tác giả trên thế giới và trong nƣớc nghiên cứu. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là sử dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, rẻ tiền và thân thiện với môi trƣờng. Một trong các nguồn phụ phẩm công nghiệp có khối lƣợng lớn ở nƣớc ta là bã mía. Bã mía với thành phần chính là các xenlulozơ và hemixenlulozơ rất thích hợp cho việc nghiên cứu biến đổi tạo ra các vật liệu hấp phụ để tách loại các ion kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc. Xuất phát từ những lí do trên, chúng tôi chọn đề tài: “Khảo sát khả năng hấp phụ ion Cu2+ trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía”. 2. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã mía, khảo sát khả năng hấp phụ ion Cu2+ của vật liệu hấp phụ từ đó khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ nhằm đƣa ra những thông số tốt nhất để quá trình hấp phụ ion kim loại của vật liệu hấp phụ đạt hiệu suất cao nhất. 3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã mía. - Khảo sát khả năng hấp phụ của bã mía nguyên liệu và vật liệu hấp phụ. - Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ: thời gian, pH, lƣợng vật liệu hấp phụ và nồng độ đầu của ion Cu2+. SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên 1 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng PHẦN NỘI DUNG Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Ảnh hƣởng của sự ô nhiễm kim loại nặng tới sức khỏe con ngƣời 1.1.1. Tình trạng nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của các khu công nghiệp, khu chế xuất đã dẫn tới sự tăng nhanh hàm lƣợng kim loại nặng trong các nguồn nƣớc thải. Tại các thành phố lớn nhƣ Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, hàng trăm các cơ sở sản xuất công nghiệp đã và đang gây ô nhiễm các nguồn nƣớc do không có công trình hay thiết bị xử lý các kim loại nặng. Hơn thế nữa, mức độ ô nhiễm kim loại nặng ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, cụm công nghiệp tập trung là rất lớn. Tại cụm công nghiệp Tham Lƣơng, thành phố Hồ Chí Minh, mỗi ngày có khoảng 500.000 m3 nƣớc thải công nghiệp thải ra từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm dệt. Ở thành phố Thái Nguyên, nƣớc thải từ các cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, kim loại màu chƣa đƣợc xử lý thải trực tiếp ra sông Cầu. Hàng trăm làng nghề đúc đồng, nhôm, chì thuộc các tỉnh lƣu vực sông Cầu với lƣu lƣợng hàng ngàn m3/ngày không qua xử lý, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nƣớc và môi trƣờng khu vực. Theo các số liệu phân tích cho thấy, hàm lƣợng các kim loại nặng trong nguồn nƣớc nơi tiếp nhận nƣớc thải đều xấp xỉ hoặc vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép [1, 15, 24]. 1.1.2. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con ngƣời và môi trƣờng Các kim loại nặng ở nồng độ vi lƣợng là các nguyên tố dinh dƣỡng cần thiết cho sự phát triển bình thƣờng của con ngƣời. Tuy nhiên, nếu nhƣ vƣợt quá hàm lƣợng cho phép, chúng lại gây ra các tác động hết sức nguy hại tới sức khỏe con ngƣời. Các kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể thông qua các chu trình thức ăn. Khi đó, chúng sẽ tác động đến các quá trình sinh hóa và trong nhiều trƣờng 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 enzym trong cơ thể. Vì thế, các enzym bị mất hoạt tính, cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể [3]. 1.1.3. Tính chất độc hại của kim loại đồng. Đồng là kim loại màu đỏ, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, khó nóng chảy, đƣợc phân bố rộng rãi trong tự nhiên, là một trong các nguyên tố quan trọng. Trong công nghiệp, đồng là kim loại màu quan trọng nhất, chủ yếu dùng trong công nghiệp điện, ngành thuộc da, công nghiệp nhuộm, y học,… SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên 2 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng Đồng là một nguyên tố vi lƣợng cần thiết đối với con ngƣời, động vật và thực vật. Với thực vật, nếu thiếu đồng, làm giảm hàm lƣợng diệp lục tố, lá bị vàng úa, cây ngừng ra quả và có thể bị chết. Ở cơ thể ngƣời và động vật khi thiếu đồng, hoạt tính của hệ men giảm, quá trình trao đổi protein bị chậm lại, do đó làm các mô xƣơng chậm phát triển, thiếu máu, suy nhƣợc…Tuy nhiên, đồng là một ion kim loại độc hại, đặc biệt là ở nồng độ cao. Khi hàm lƣợng đồng trong cơ thể ngƣời đạt từ 60÷100 mg/kg thể trọng thì gây ngộ độc, buồn nôn; 30 gam sunfat đồng có tiềm năng gây tử vong ở ngƣời. Ở liều cao đồng tích lũy vào các bộ phận trong cơ thể nhƣ gan, thận,… và gây tổn thƣơng đối với các cơ quan này dẫn đến thiếu máu, ảnh hƣởng đến dạ dày và các bệnh đƣờng ruột. Hít phải đồng có các triệu chứng nhƣ viêm da dị ứng tiếp xúc, gây ảnh hƣởng đến gan và tụy và làm tổn thƣơng tế bào phổi. Những ngƣời thƣờng xuyên tiếp xúc với đồng và hợp chất của đồng có hiện tƣợng mất màu của da. Năm 1982, JECFA (Ủy ban chuyên viên FAO/WHO về phụ gia thực phẩm) đã đề nghị giá trị tạm thời cho lƣợng đồng đƣa vào cơ thể ngƣời có thể chịu đựng đƣợc là 0,5 mg/kg thể trọng/ngày [8, 15, 18]. 1.2. Một số phƣơng pháp xử lý nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng 1.2.1. Phương pháp kết tủa Nguyên tắc chung của phƣơng pháp kết tủa là thêm một tác nhân tạo kết tủa vào dung dịch nƣớc, điều chỉnh pH của môi trƣờng để chuyển ion cần tách về dạng hợp chất ít tan, tách ra khỏi dung dịch dƣới dạng kết tủa. Xuất phát từ phƣơng trình sau: Mn+ + nOH-     M(OH)n ↓ Ở đây n là hóa trị của các kim loại (n = 2, 3) Với quá trình kết tủa hiđroxit kim loại nặng, pH của dung dịch nƣớc ảnh hƣởng rất mạnh. 1.2.2. Phương pháp trao đổi ion Đây là phƣơng pháp khá phổ biến sử dụng các chất có khả năng trao đổi ion (ionit hay còn gọi là nhựa trao đổi ion) với các cation kim loại nặng để giữ, tách các ion kim loại ra khỏi nƣớc. nRH + Mn+  RnM + nH+ RCl + A-  RA + ClSVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên 3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng 1.2.3. Phương pháp hấp phụ Trong phƣơng pháp này ngƣời ta sử dụng các vật liệu hấp phụ có diện tích bề mặt riêng lớn, trên đó có các trung tâm hoạt động, có khả năng lƣu giữ các ion kim loại nặng trên bề mặt VLHP. Việc lƣu giữ các ion kim loại nặng có thể do lực tƣơng tác giữa các phân tử (lực Vander Waals – hấp phụ vật lý), cũng có thể do sự tạo thành các liên kết hóa học, tạo phức chất giữa các ion kim loại với các nhóm chức (trung tâm hoạt động) có trên bề mặt VLHP (hấp phụ hóa học), cũng có thể theo cơ chế trao đổi ion, … 1.3. Các khái niệm cơ bản và các loại hấp phụ 1.3.1. Các khái niệm cơ bản [5, 9, 11] Hấp phụ là một hiện tƣợng bề mặt, đó là sự tích lũy các chất khí hay chất tan trên bề mặt phân chia pha thƣờng là chất rắn hay chất lỏng. Chất hấp phụ là chất mà trên bề mặt của nó xảy ra sự hấp phụ. Chất bị hấp phụ là chất có khả năng tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ. Sự giải hấp là quá trình ngƣợc lại với sự hấp phụ tức là chất bị hấp phụ đi ra khỏi bề mặt chất hấp phụ. Độ hấp phụ (dung lƣợng hấp phụ) là lƣợng chất bị hấp phụ (thƣờng tính bằng mol) hấp phụ lên 1 cm2 lớp bề mặt và ký hiệu là A. Thứ nguyên của độ hấp phụ là mol/cm2. Trong trƣờng hợp không biết bề mặt riêng thì độ hấp phụ tính cho 1 gam chất hấp phụ. Trong trƣờng hợp này thứ nguyên của độ hấp phụ là mol/g. Hiện tƣợng hấp phụ xảy ra do lực tƣơng tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tƣơng tác mà ngƣời ta chia thành hai loại hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. 1.3.2. Các loại hấp phụ 1.3.2.1. Hấp phụ vật lý Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion,…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Vander Waals. Đó là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: lực định hƣớng, lực cảm ứng, lực phân tán, liên kết hiđro. Tất cả các loại lực trên đều mang bản chất của lực tĩnh điện. Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên 4 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng chỉ bị ngƣng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ trên bề mặt chất hấp phụ. Ở hấp phụ vật lý có nhiệt hấp thụ không lớn. 1.3.2.2. Hấp phụ hóa học Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp thụ tạo thành hợp chất hóa học với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ khi đó là lực liên kết hóa học thông thƣờng (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…). Nhiệt hấp phụ hóa học tƣơng đối lớn khoảng vài chục kcal/mol. Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học chỉ là tƣơng đối, vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học. 1.3.3. Sự hấp phụ trên giới hạn rắn – dung dịch [5, 9, 11] Sự hấp phụ trên giới hạn rắn – dung dịch giống với sự hấp phụ trên bề mặt rắn – khí, nhƣng hiện tƣợng phức tạp hơn rất nhiều vì sự có mặt của cấu tử thứ ba là môi trƣờng (dung môi). Các phân tử dung môi cũng có thể hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ nên sẽ có sự cạnh tranh giữa dung môi và chất tan. Ngoài ra, nguyên nhân gây ra sự phức tạp thêm này là do tƣơng tác giữa chất tan với dung môi. Khi khảo sát sự hấp phụ chất tan trên bề mặt rắn cần phân biệt hai trƣờng hợp: sự hấp phụ chất không điện ly khi trên bề mặt chỉ hấp phụ các phân tử chất bị hấp phụ và sự hấp phụ chất điện ly khi trên bề mặt thƣờng có sự hấp phụ chọn lọc một số ion của chất điện ly có mặt trong dung dịch. 1.3.3.1. Sự hấp phụ phân tử trong dung dịch và các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ. Đối với sự hấp phụ phân tử trong dung dịch thì độ hấp phụ đƣợc tính theo biểu thức 1.1: a Trong đó: (C  Ccb ).V (1.1) m C, Ccb là nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (M). V là thể tích dung dịch xảy ra sự hấp phụ (l). m là khối lƣợng chất hấp phụ (g). a là độ hấp phụ của chất hấp phụ (mol/g). Để khảo sát sự biến thiên của độ hấp phụ theo nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ có thể sử dụng phƣơng trình hấp phụ Freundlich hay phƣơng trình hấp phụ của SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên 5 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng Langmuir (cả hai phƣơng trình này dùng tốt trong trƣờng hợp nồng độ dung dịch khá loãng). Tuy nhiên, ta cũng có thể sử dụng phƣơng trình lý thuyết Gibbs nhƣng việc xác định sức căng bề mặt trên giới hạn dung dịch – rắn không thực hiện đƣợc nên không thể sử dụng trực tiếp phƣơng trình này. Hiệu suất hấp phụ đƣợc tính theo công thức 1.2: H Trong đó: (C  Ccb ) .100 C (1.2) C, Ccb là nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (M). Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự hấp phụ phân tử trong dung dịch.  Ảnh hưởng của dung môi Các phân tử dung môi là đối thủ cạnh tranh với các phân tử chất tan trong quá trình hấp phụ. Nếu dung môi càng bị hấp phụ kém trên chất hấp phụ thì sự hấp phụ chất tan lên bề mặt rắn càng tốt. Hay nói khác đi là dung môi nguyên chất có sức căng bề mặt càng lớn thì khả năng bị hấp phụ lên bề mặt càng kém và khả năng bị hấp phụ của chất tan trên bề mặt rắn càng cao. Vì vậy, sự hấp phụ chất tan trong dung dịch nƣớc thƣờng tốt hơn sự hấp phụ chất tan trong dung môi hữu cơ. Một tiêu chuẩn khác cho dung môi trong sự hấp phụ là nhiệt thấm ƣớt của nó lên chất hấp phụ. Khi cho chất hấp phụ vào một chất lỏng thì lƣợng nhiệt thấm ƣớt q thoát ra bằng hiệu số của năng lƣợng bề mặt toàn phần của chất hấp phụ. q = S(E1-E2) (1.3) Trong đó: S là bề mặt riêng. E1 là năng lƣợng bề mặt toàn phần trên ranh giới chất hấp phụ - không khí. E2 là năng lƣợng bề mặt toàn phần trên ranh giới chất hấp phụ - chất lỏng. Sự khác biệt về tính phân cực trên ranh giới chất hấp phụ - chất lỏng bé hơn so với trên ranh giới chất hấp phụ - không khí nên E1 > E2 và q > 0. Nhiệt thấm ƣớt phụ thuộc vào các giá trị E1, E2 vào độ xốp và độ phân tán của chất hấp phụ. Nhiệt thoát ra trong sự thấm ƣớt càng cao thì tƣơng tác giữa dung môi và chất hấp phụ càng mạnh. Khi đó, sự hấp phụ chất tan là rất kém. Những chất có phân tử phân cực cho hiệu ứng nhiệt lớn trong sự thấm ƣớt bởi các chất lỏng phân cực. Tƣơng SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên 6 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Mộng Hoàng tự, những chất có phân tử không phân cực cho hiệu ứng nhiệt lớn trong sự thấm ƣớt bởi các chất lỏng không phân cực Vì bề mặt riêng có ảnh hƣởng đến nhiệt thấm ƣớt nên Rehbinder đền nghị dùng đại lƣợng α là tủy số giữa nhiệt thấm ƣớt của chất hấp phụ dạng bột bởi nƣớc (q1) và bởi dung môi hydrocarbon (q2) làm đặc trƣng cho tƣơng tác của môi trƣờng phân cực (nƣớc) với chất hấp phụ.  q1 q2 (1.4) Với sự gần đúng bậc nhất có thể xem môi trƣờng hòa tan chất bị hấp phụ càng tốt thì sự hấp phụ xảy ra trong môi trƣờng đó càng kém.  Ảnh hưởng của tính chất chất hấp phụ Bản chất và độ xốp của chất hấp phụ cũng ảnh hƣởng rất lớn đến sự hấp phụ trong dung dịch. Các chất hấp phụ phân cực hấp phụ tốt các chất phân cực và ngƣợc lại các chất hấp phụ không phân cực hấp phụ tốt các chất không phân cực. Kích thƣớc lỗ xốp cũng ảnh hƣởng đáng kể đến sự hấp phụ. Khi kích thƣớc chất tan nhỏ có thể đi sâu vào trong mao quản của chất hấp phụ khi độ xốp của chất hấp phụ tăng làm cho độ hấp phụ tăng và khi độ xốp giảm mà kích thƣớc chất tan tăng thì độ hấp phụ giảm.  Ảnh hưởng của chất bị hấp phụ Quy tắc Rehbinder đã đƣa ra quy tắc về sự phụ thuộc của độ hấp phụ vào độ phân cực của các chất trong hệ. Theo quy tắc này, chất C có thể bị hấp phụ trên bề mặt chia hai pha A và B khi hằng số điện môi của nó có giá trị trung gian giữa hằng số điện môi của A và của B, nghĩa là:  A   C   B hay là  A   C   B Đối với những chất hoạt động bề mặt mà phân tử có hai phần phần phân cực và phần không phân cực thì khi bị hấp phụ trên bề mặt phân chia pha sẽ có sự định hƣớng phân tử nhƣ sau: phần phân cực hƣớng về pha phân cực, phần không phân cực hƣớng về pha không phân cực, đƣợc mô tả ở hình 1.1. SVTH: Đỗ Thị Mỹ Tiên 7