Tài liệu Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng bằng diatomite tự nhiên và diatomite biến tính bởi oxit mangan

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2015 - 2016 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG BẰNG DIATOMITE TỰ NHIÊN VÀ DIATOMITE BIẾN TÍNH BỞI OXIT MANGAN i TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2015 - 2016 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG BẰNG DIATOMITE TỰ NHIÊN VÀ DIATOMITE BIẾN TÍNH BỞI OXIT MANGAN Sinh viên thực hiện: CHU THỊ MINH HẢO Nam, Nữ: Nữ Dân tộc: Kinh Lớp, khoá: D13HPT02 Năm thứ: 03 /Số năm đào tạo: 04 Ngành học: Cử nhân Hoá học Người hướng dẫn: ThS: NGUYỄN TRUNG HIẾU UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG BẰNG DIATOMITE TỰ NHIÊN VÀ DIATOMITE BIẾN TÍNH BỞI OXIT MANGAN - Sinh viên thực hiện: Chu Thị Minh Hảo - Lớp: D13HPT02 Khoa: KHTN Năm thứ: 03 Số năm đào tạo: 04 - Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trung Hiếu 2. Mục tiêu đề tài: Đánh giá khả năng loại bỏ các kim loại nặng trong dung dịch nước của diatomite tự nhiên và diatomite biến tính bởi oxit mangan. 3. Tính mới và sáng tạo: Khảo sát khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng trong môi trường nước của diatomite trước và sau biến tính bằng oxit mangan theo mô hình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai và đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir. 4. Kết quả nghiên cứu: Vật liệu diatomite đã được biến tính có khả năng làm chất hấp phụ loại bỏ có kim loại nặng trong dung dịch nước. 5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Vật liệu diatomite sau biến tính bằng natri hydroxit hoặc oxit mangan có khả năng ứng dụng để làm chất hấp phụ xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng từ các nhà máy công nghiệp. 6. Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài: Ngày tháng năm Sinh viên chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài iii CHU THỊ MINH HẢO Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực hiện đề tài: Ngày Xác nhận của lãnh đạo khoa tháng năm Người hướng dẫn NGUYỄN TRUNG HIẾU UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN iv CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN: Ảnh 4x6 Họ và tên: CHU THỊ MINH HẢO Sinh ngày 20 tháng 09 năm 1995 Nơi sinh: Tỉnh Hưng Yên Lớp: D13HPT02 Khóa: 2013 - 2017 Khoa: Khoa Học Tự Nhiên Địa chỉ liên hệ: 29/4A, Kp.Bình Phước B, p.Bình Chuẩn, Tx.Thuận An, Bình Dương Điện thoại: 0968962317 Email: [email protected] II. QUÁ TRÌNH HỌC TẬP (kê khai thành tích của sinh viên từ năm thứ 1 đến năm đang học): * Năm thứ 1: Ngành học: Hóa Học Khoa: Khoa Học Tự Nhiên Kết quả xếp loại học tập: Trung Bình - Khá Sơ lược thành tích: học kì I : 7.07 ; học kì II : 6.86 * Năm thứ 2: Ngành học: Hóa Học Khoa: Khoa Học Tự Nhiên Kết quả xếp loại học tập: Khá Sơ lược thành tích: học kì I : 7.43, học kì II : 7.44 * Năm thứ 3: Ngành học: Hóa Học Khoa: Khoa Học Tự Nhiên Kết quả xếp loại học tập: Khá Sơ lược thành tích: Học kì I : 7.07 Ngày tháng năm Xác nhận của lãnh đạo khoa Sinh viên chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài CHU THỊ MINH HẢO DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI TT Họ và tên Lớp, Khóa Chữ ký v 1 Trần Thị Kim Dung D13HPT02 2 Nguyễn Thị Kim Cúc D13HPT02 3 Bùi Thanh Nở D13HPT02 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ 1 DANH MỤC BẢNG BIỂU 2 DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT 3 MỞ ĐẦU 4 vi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6 1.1. Sự ô nhiễm môi trường nước bởi các kim loại nặng 6 1.2. Phương pháp hấp phụ để loại bỏ kim loại nặng khỏi môi trường nước 9 1.2.1. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ 10 1.2.2. Phương rình động học hấp phụ 11 1.2.3. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 12 1.3. Giới thiệu về diatomite 13 1.4. Tính năng của diatomite biến tính bằng oxit mangan 16 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 18 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 18 2.1.1. Mục tiêu 18 2.1.2. Nội dung 18 2.2. Phương pháp nghiên cứu 18 2.2.1. Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD) 18 2.2.2. Hiển vi điện tử quét và phân tích năng lượng tán xạ tia X 19 2.2.3. Đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ nitơ 20 2.2.4. Phổ hồng ngoại (Fourier Transform Infrared, FTIR) 23 2.2.5. Phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectroscopy, AAS) 23 2.3. Thực nghiệm 24 2.3.1. Vật liệu và hoá chất 24 2.3.2. Hoạt hóa diatomite bằng natri hydroxit 24 2.3.3. Biến tính diatomite bằng oxit mangan 25 2.3.4. Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại trong dung dịch nước của diatomite tự nhiên và diatomite biến tính bằng oxit mangan 25 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1. Một số tính chất đặc trưng của diatomite tự nhiên và diatomite biến tính 26 3.2. Khảo sát sự hấp phụ ion kim loại trong dung dịch nước của diatomite tự nhiên và diatomite biến tính bằng oxit mangan 30 3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ 30 3.2.2. Động học hấp phụ 32 3.2.3. Đẳng nhiệt hấp phụ 34 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37 vii 1.Kết luận 37 2.Kiến nghị 37 1 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Ảnh SEM của diatomite 15 Hình 1.2. Các dạng hydroxyl trên bề mặt diatomite 15 Hình 2.1. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên mạng tinh thể 19 Hình 2.2. Cácloại hấp phụ đẳng nhiệt 20 Hình 2.3. Bốn dạng vòng trễ thường thấy của đường đẳng nhiệt hấp phụ nitơ 21 Hình 2.4. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của P/[V(Po – P)] theo P/Po 22 Hình 3.1. Ảnh SEM: (a, b) DPY; (c, d) DB; và (e, f) Mn-DB 26 Hình 3.2. Giản đồ XRD: (a) DPY; (b) DB; và (c) Mn-DB 28 Hình 3.3. Phổ FT-IR: (a) DPY; (b) DB; và (c) Mn-DB 29 Hình 3.4. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ của các mẫu diatomite và diatomite biến tính bởi oxit mangan: (a) DPY; (b) DB; và (c) Mn-DB 30 Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa thời gian và nồng độ của ion kim loại trong dung dịch khi bị hấp phụ bởi các mẫu diatomite: (a) Cu2+; và (b) Zn2+ 31 Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa t và t/qt của quá trình hấp ion Cu2+ trong dung dịch bởi các chất hấp phụ khác nhau: (a) DB; và (b) Mn-DB 33 Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa t và t/qt của quá trình hấp ion Zn2+ trong dung dịch bởi Mn-DB 33 Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn mô hình đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính của quá trình hấp phụ ion Cu2+ trên: (a) DB ; và (b) Mn-DB 35 Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn mô hình đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính của quá trình hấp phụ ion Zn2+ trên Mn-DB 35 2 DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3.1. Phần trăm về khối lượng của một số nguyên tố chính trong các mẫu diatomite và diatomite biến tính bằng oxit mangan 27 Bảng 3.2. Diện tích bề mặt riêng của mẫu diatomite tự nhiên, diatomite đã xử lí bằng natri hydroxit và diatomite biến tính bởi oxit mangan 30 Bảng 3.3. Dữ liệu hấp phụ ion Cu2+ trong dung dịch nước của mẫu DB và Mn-DB theo thời gian 32 Bảng 3.4. Dữ liệu hấp phụ ion Zn2+ trong dung dịch nước của mẫu Mn-DB theo thời gian 32 Bảng 3.5. Dữ liệu hấp phụ ion Cu2+ trong dung dịch nước của mẫu DB và Mn-DB ở các nồng độ ban đầu khác nhau (thời gian hấp phụ 240 phút) 34 Bảng 3.6. Dữ liệu hấp phụ ion Zn2+ trong dung dịch nước của mẫu Mn-DB ở các nồng độ ban đầu khác nhau (thời gian hấp phụ 240 phút) 34 Bảng 3.7. Dung lượng hấp phụ cực đại của các mẫu diatomite xác định theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir 36 3 DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) DB DPY EDX (Energy Dispersive X-ray) FIIR (Fourier Transform Infrared) Mn – DB SEM (Scanning Electron Microscopy) Phổ hấp thụ nguyên tử Diatomite tinh chế bằng bazơ Diatomite tinh chế bằng bazơ Phổ tán xạ tia X Phổ hồng ngoại DB biến tính bởi MnCl2 Hiển vi điện tử quét MỞ ĐẦU Nước được coi là một nguồn tài nguyên quan trọng đối với cuộc sống của con người. Nhưng hiện nay, nguồn nước ngày càng bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng từ các nhà máy của các ngành công nghiệp như mạ, gốm sứ, thủy tinh, sản xuất pin,…, 4 ngày càng nhiều. Các kim loại nặng như đồng, chì, thủy ngân, cadimi,… đã ảnh hưởng rất nhiều tới sức khỏe con người. Đó là vấn đề đang được xã hội quan tâm. Trước đây, đã có nhiều nghiên cứu về việc loại bỏ các kim loại nặng trong nước bằng các phương pháp khác nhau như: kết tủa hóa học, trao đổi ion, hấp phụ, điện hóa, sinh học,… Trong đó, hấp phụ được xem là phương pháp hữu hiệu và kinh tế nhất. Diatomite được tạo thành từ các mảnh vỏ tảo diatom, một loại thực vật đơn bào ưa sắt có cấu tạo từ oxit silic vô định hình. Các giống tảo diatom tạo đá chủ yếu là các tảo trôi nổi sống trong môi trường nước ngọt miền duyên hải, số lượng tảo bám đáy rất ít. Ngoài các mảnh vỏ tảo diatom, trong đá còn có thể có số lượng nhỏ gai xương bọt biển. Hàm lượng mảnh vỏ diatom trong diatomite chiếm từ 50% trở lên với số lượng mảnh vỏ từ 5-7 triệu đến 100 triệu mảnh vỏ/gam đá. Nguồn vật liệu oxit silic vô định hình cấu tạo nên vỏ tảo có cấu trúc khung với nhiều lỗ mao quản kích thước nhỏ 0,5-3 µm. Các mảnh vỏ tảo thường có dạng đốt trúc tồn tại dạng quần thể hoặc từng đốt đơn lẻ kích thước từ 3-5 đến 30µm, thậm chí bị vỡ vụn, dập nát. Với thành phần chính là silic và tính chất xốp cao nên diatomite là một chất hấp phụ mạnh và là chất cách nhiệt lý tưởng. Do đó diatomite được sử dụng rộng rãi như là chất lọc, chất trợ lọc, chất mang xúc tác và là chất cách âm cách nhiệt. Gần đây, một số công trình công bố ứng dụng diatomite làm chất mang sinh học, chất mang thuốc, chất mang xúc tác, cột sắc ký chức năng lọc được sự quan tâm rất lớn. Không những thế muốn sử dụng tốt người ta còn biến tính diatomite để được hiệu quả như mong muốn, một trong số đó là biến tính diatomite bằng oxit mangan để làm tăng khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng trong dung dịch nước. Trong nghiên cứu hấp phụ, Al – Degs và cộng sự [17] đã nghiên cứu về dung lượng hấp phụ của daitomite Jordan. Kết quả cho thấy rằng diatomite là một vật liệu hấp phụ tiềm năng đối với ion Pb(II). Các tính chất trao đổi bên trong được cải thiện hơn bằng cách biến tính với oxit mangan. Vật liệu hấp phụ được biến tính bởi oxit mangan cho thấy có xu hướng hấp phụ các ion chì khỏi dung dịch cao hơn. Hiệu suất hấp phụ cao của diatomite đã biến tính được cho là do diện tích bề mặt tăng lên và tích điện âm bề mặt cao hơn sau khi được biến tính. Al-Ghouti [5] cũng đã chứng minh 5 rằng diatomite ngâm tẩm bằng oxit mangan là một vật liệu hấp phụ hiệu quả để loại bỏ kim loại nặng trong dung dịch nước. Oxit mangan được xem như cái máy “hút bụi” tốt để làm sạch các ion kim loại nặng đến mức mà nó đã được coi như một nơi chứa ion kim loại nặng [17]. Oxit mangan là một nguyên liệu quan trọng trong mặt đất, địa hóa học biển và trong trầm tích. Loại birnessite (Na4Mn14O27.9H2O hoặc -MnO2) là một trong những dạng phổ biến và hoạt động nhất của khoáng mangan trong đất, trầm tích và trong nước. Đây là một vật liệu hấp phụ mạnh của các ion khoáng và hoạt động như một máy “hút bụi” để làm sạch môi trường biển và nước ngọt [11]. Vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng trong nước bằng diatomite tự nhiên và diatomite biến tính bởi oxit mangan. Đề tài này được trình bày theo các mục chính sau: - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Nội dung, phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm - Chương 3: Kết quả và thảo luận - Kết luận và kiến nghị 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Sự ô nhiễm môi trường nước bởi các kim loại nặng Ô nhiễm môi trường nước là hiện tượng các vùng nước như: sông, hồ, biển, nước ngầm,… bị các hoạt động của con người làm ô nhiễm các chất có thể gây hại cho con người và cuộc sống của các sinh vật trong tự nhiên. Đối với hệ thống cấp nước cộng đồng thì nguồn nước ngầm luôn là nguồn nước được quan tâm, bởi vì, các nguồn nước mặt thường bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phụ thuộc và sự biến động theo mùa. Ngoài ra, nguồn nước ngầm ít chịu ảnh hưởng bởi tác động của con nguời. Trong nước ngầm hầu như không có các hạt keo hay hạt lơ lửng, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh thấp. Nước ngầm bị ảnh hưởng bởi các điều kiện hạ tầng, thời tiết, nắng mưa, các quá trình phong hóa và sinh hóa trong khu vực. Ở những vùng có điều kiện phong hóa tốt, có nhiều chất bẩn và lượng mưa lớn thì chất lượng nước ngầm dễ bị ô nhiễm bởi các chất khoáng hòa tan, các chất hữu cơ, mùn lâu ngày theo nước mưa ngấm vào đất. Ngoài ra nguồn nước ngầm còn bị nhiễm bẩn do tác động của con người như các chất thải của con người, động vật, các chất thải sinh hoạt, chất thải hóa học, việc sử dụng phân bón hóa học,… Việt Nam là một trong những nước đang phải đối diện với sự ô nhiễm kim loại nặng ở nguồn nước một cách trầm trọng. Trong quá trình sinh hoạt hàng ngày, dưới tốc độ phát triển như ngày nay con người vô tình làm ô nhiễm nguồn nước bằng các hóa chất, chất thải từ các nhà máy, xí nghiệp. Các đơn vị, cá nhân sử dụng nước ngầm dưới hình thức khoan giếng, sau khi ngưng sử dụng không bịt kín các lỗ khoan lại làm cho nước bẩn chảy vào làm ô nhiễm nguồn nước ngầm. Các nhà máy xí nghiệp xả khói bụi công nghiệp làm ô nhiễm không khí, khi trời mưa, các chất ô nhiễm sẽ lẫn vào nước mưa góp phần làm ô nhiễm nguồn nước. Việt nam cũng là quốc gia có nguồn nước ngầm khá phong phú về trữ lượng và khá tốt về chất lượng. Nước ngầm ở Việt Nam nói chung có hàm lượng muối cao, hàm lượng Fe, Mn, Mg cao hơn so với thế giới. Vấn đề ô nhiễm nguồn nước bởi các kim loại nặng đã trở thành vấn đề nghiêm trọng trong những năm gần đây. Kim loại nặng không chỉ rất độc mà còn có tác dụng gây hại đến các sinh vật trong nước. Các kim loại nặng như cadimi, đồng, chì, 7 nickel… thải ra ngoài môi trường từ nước thải của các nhà máy mạ điện, nhà máy làm điện cực, nhà máy sản xuất chất màu. Chúng có khả năng tích lũy lâu dài trong cơ thể sinh vật. Trong cơ thể con người, chúng là tác nhân gây hư thận, phổi và gây tổn thương xương. Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm 3. Một số kim loại nặng có thể cần thiết cho sinh vật, chúng được xem là nguyên tố vi lượng. Một số không cần thiết cho sự sống, khi đi vào cơ thể sinh vật có thể không gây độc hại gì. Kim loại nặng gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Chì (Pb): Là nguyên tố có độc tính cao đối với sức khoẻ con người. Chì gây độc cho hệ thần kinh trung ương, hệ thần kinh ngoại biên, tác động lên hệ enzim có nhóm hoạt động chứa hyđro. Người bị nhiễm độc chì sẽ bị rối loạn bộ phận tạo huyết (tuỷ xương). Tuỳ theo mức độ nhiễm độc có thể bị đau bụng, đau khớp, viêm thận, cao huyết áp, tai biến não, nhiễm độc nặng có thể gây tử vong. Đặc tính nổi bật là sau khi xâm nhập vào cơ thể, chì ít bị đào thải mà tích tụ theo thời gian rồi mới gây độc. - Chì đi vào cơ thể con người qua nước uống, không khí và thức ăn bị nhiễm chì. - Chì tích tụ ở xương, kìm hãm quá trình chuyển hoá canxi bằng cách kìm hãm sự chuyển hoá vitamin D. - Tiêu chuẩn tối đa cho phép theo WHO nồng độ chì trong nước uống: £ 0,05 mg/ml. Đồng (Cu): hiện diện trong nước do hiện tượng ăn mòn trên đường ống và các dụng cụ thiết bị làm bằng đồng hoặc đồng thau. Các loại hóa chất diệt tảo được sử dụng rộng rãi trên ao hồ cũng làm tăng hàm lượng đồng trong nguồn nước. Nước thải từ nhà máy luyện kim, xi mạ, thuộc da, sản xuất thuốc trừ sâu, diệt cỏ hay phim ảnh cũng góp phần làm tăng lượng đồng trong nguồn nước. Đồng không tích lũy trong cơ thể nhiều đến mức gây độc. Ở hàm lượng 1-2 mg/l đã làm cho nước có vị khó chịu, và không thể uống được khi nồng độ cao từ 5-8 mg/l. Tiêu chuẩn nước uống và nước sạch đều quy định hàm lượng đồng nhỏ hơn 2 mg/l. 8 Kẽm (Zn): Kẽm ít khi có trong nước, ngoại trừ bị ô nhiễm từ nguồn nước thải của các khu khai thác quặng. Chưa phát hiện kẽm gây độc cho cơ thể người, nhưng ở hàm lượng > 5 mg/l đã làm cho nước có màu trắng sữa. Tiêu chuẩn nước uống và nước sạch đều quy định hàm lượng kẽm < 3mg/l. Thuỷ ngân (Hg): Tính độc phụ thuộc vào dạng hoá học của nó. Thuỷ ngân nguyên tố tương đối trơ, không độc. Nếu nuốt phải thuỷ ngân kim loại thì sau đó sẽ được thải ra mà không gây hậu quả nghiêm trọng. Nhưng thuỷ ngân dễ bay hơi ở nhiệt độ thường nên nếu hít phải sẽ rất độc. Thuỷ ngân có khả năng phản ứng với axit amin chứa lưu huỳnh, các hemoglobin, abumin; có khả năng liên kết màng tế bào, làm thay đổi hàm lượng kali, thay đổi cân bằng axit bazơ của các mô, làm thiếu hụt năng lượng cung cấp cho tế bào thần kinh. Trẻ em bị ngộ độc thuỷ ngân sẽ bị phân liệt, co giật không chủ động. Trong nước, metyl thủy ngân là dạng độc nhất, nó làm phân liệt nhiễm sắc thể và ngăn cản quá trình phân chia tế bào. - Thuỷ ngân đưa vào môi trường từ các chất thải, bụi khói của các nhà máy luyện kim, sản xuất đèn huỳnh quang, nhiệt kế, thuốc bảo vệ thực vật, bột giấy… - Nồng độ tối đa cho phép của WHO trong nước uống là 1mg/l; nước nuôi thuỷ sản là 0,5mg/l. Asen (As): Là kim loại có thể tồn tại ở dạng tổng hợp chất vô cơ và hữu cơ. Trong tự nhiên tồn tại trong các khoáng chất. Nồng độ thấp thì kích thích sinh trưởng, nồng độ cao gây độc cho động thực vật. - Nguồn tự nhiên gây ô nhiễm asen là núi lửa, bụi đại dương. Nguồn nhân tạo gây ô nhiễm asen là quá trình nung chảy đồng, chì, kẽm, luyện thép, đốt rừng, sử dụng thuốc trừ sâu… - Asen có thể gây ra 19 căn bệnh khác nhau. Các ảnh hưởng chính đối với sức khoẻ con người: làm keo tụ protein do tạo phức với asen III và phá huỷ quá trình photpho hoá; gây ung thư tiểu mô da, phổi, phế quản, xoang… - Tiêu chuẩn cho phép theo WHO nồng độ asen trong nước uống là 0,01 mg/l. Cađimi (Cd): Là kim loại được sử dụng trong công nghiệp luyện kim, chế tạo đồ nhựa; hợp chất cađimi được sử dụng để sản xuất pin. 9 Nguồn tự nhiên gây ô nhiễm cađimi do bụi núi lửa, bụi vũ trụ, cháy rừng… Nguồn nhân tạo là từ công nghiệp luyện kim, mạ, sơn, chất dẻo… - Cađimi xâm nhập vào cơ thể người qua con đường hô hấp, thực phẩm. Theo nhiều nghiên cứu thì người hút thuốc lá có nguy cơ bị nhiễm cađimi. - Cađimi xâm nhập vào cơ thể được tích tụ ở thận và xương; gây nhiễu hoạt động của một số enzim, gây tăng huyết áp, ung thư phổi, thủng vách ngăn mũi, làm rối loạn chức năng thận, phá huỷ tuỷ xương, gây ảnh hưởng đến nội tiết, máu, tim mạch. - Tiêu chuẩn theo WHO cho nước uống £ 0,003 mg/l. Crom (Cr): tồn tại trong nước với 2 dạng Cr (III), Cr (VI). Cr (III) không độc nhưng Cr (VI) độc đối với động thực vật. Với người Cr (VI) gây loét dạ dày, ruột non, viêm gan, viêm thận, ung thư phổi. - Crom xâm nhập vào nguồn nước từ các nguồn nước thải của các nhà máy mạ điện, nhuộm, thuộc da, chất nổ, mực in, in tráng ảnh… - Tiêu chuẩn WHO quy định hàm lượng crom trong nước uống là £ 0,005 mg/l. Mangan (Mn): là nguyên tố vi lượng, nhu cầu mỗi ngày khoảng 30 - 50 mg/kg trọng lượng cơ thể. Nếu hàm lượng lớn gây độc cho cơ thể; gây độc với nguyên sinh chất của tế bào, đặc biệt là tác động lên hệ thần kinh trung ương, gây tổn thương thận, bộ máy tuần hoàn, phổi, ngộ độc nặng gây tử vong. - Mangan đi vào môi trường nước do quá trình rửa trôi, xói mòn, do các chất thải công nghiệp luyện kim, acqui, phân hoá học. - Tiêu chuẩn qui định của WHO trong nước uống là £ 0,1 mg/l. 1.2. Phương pháp hấp phụ để loại bỏ kim loại nặng khỏi môi trường nước Hấp phụ là phương pháp tách chất, trong đó các cấu tử từ hỗn hợp lỏng hoặc khí hấp phụ trên bề mặt chất rắn, xốp. Chất hấp phụ: chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ. Chất bị hấp phụ: chất được tích luỹ trên bề mặt chất hấp phụ. Chất mang: là vật liệu phân tán chất hấp phụ. Quá trình giải hấp là quá trình đẩy chất bị hấp phụ ra khỏi bề mặt chất hấp phụ. Khi quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng thì tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp. 10 Hấp phụ gồm hai quá trình: hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học. Hấp phụ vật lý gây ra do lực Van de Van, liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ. Hấp phụ hoá học tạo thành lực liên kết hoá học giữa mặt chất bị hấp phụ và phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này tương đối bền và khó bị phá vỡ. Thông thường, trong quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hai quá trình trên. Để phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học, người ta đưa ra một số chỉ tiêu so sánh sau: - Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hoặc đa lớp, hấp phụ hoá học chỉ là đơn lớp. - Tốc độ hấp phụ: Hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hoá phân tử do đó xảy ra nhanh, hấp phụ hoá học nói chung đòi hỏi sự hoạt hoá phân tử do đó xảy ra chậm hơn. - Nhiệt lượng hấp phụ: Đối với hấp phụ vật lý lượng nhiệt toả ra ΔH≤20kJ/mol, còn hấp phụ hoá học nhiệt toả ra ΔH ≥ 50kJ/mol. - Tính đặc thù: Hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hoá học do đó ít mang tính đặc thù rõ rệt. Còn hấp phụ hoá học mang tính đặc thù cao, nó phụ thuộc vào khả năng tạo thành liên kết hoá học giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. 1.2.1. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ Cân bằng hấp phụ: quá trình chất khí hoặc chất lỏng hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ đã hấp phụ trên bề mặt chất bị hấp phụ vẫn di chuyển ngược lại. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ di chuyển ngược lại pha mang (giải hấp) thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng. Dung lượng hấp phụ cân bằng được biểu thị khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng dưới các điều kiện nồng độ và nhiệt độ cho trước. Dung lượng (q) được xác định theo công thức: q= (1.1) Trong đó ( Ci−C f ) .V m 11 V: Thể tích dung dịch (l). m: Khối lượng chất hấp phụ (g). Ci: Nồng độ chất bị hấp phụ dung dịch ban đầu (mg/l). Cf: Nồng độ chất bị hấp phụ dung dịch cân bằng (mg/l). Cũng có thể biểu diễn dung lượng hấp phụ theo khối lượng chất hấp phụ trên một đơn vị diện tích bề mặt chất hấp phụ: q= ( Ci−C f ) .V m.s (1.2) Trong đó: s: diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ (cm2) Ci: Nồng độ chất bị hấp phụ trong dung dịch ban đầu (mg/l) Cf: Nồng độ chất bị hấp phụ trong dung dịch cân bằng (mg/l). 1.2.2. Phương trình động học hấp phụ Các tham số động học hấp phụ rất quan trọng trong nghiên cứu ứng dụng chất hấp phụ. Tuy nhiên, các tham số động học thực rất khó xác định vì quá trình hấp phụ khá phức tạp, bị ảnh hưởng nhiều yếu tố như khuếch tán, bản chất cấu trúc xốp, thành phần hóa học của chất hấp phụ… Do đó hiện nay người ta thường ứng dụng phương trình động học hình thức để xác định các hằng số tốc độ biểu kiến. Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren : d qt =k 1( qe −q t ) dt (1.3) Dạng tích phân của phương trình trên là: q log (¿ ¿ e−q t )=logq e − ¿ k1 t 2,303 (1.4) Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng: dqt 2 =k 2 ( qe −qt ) dt (1.5) Dạng tích phân của phương trình này là: t 1 1 = + t 2 qt k 2 . q e qe (1.6) 12 Trong đó qe: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g). qt: dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g) k1: hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất biểu kiến (phút-1) k2: hằng số tốc độ hấp phụ bậc hai biểu kiến (g.mg-1.phút-1). Từ các phương trình trên, có thể xác định được giá trị thực nghiệm của q t theo t và tính được hằng số tốc độ hấp phụ biểu kiến k 1, k2. Giá trị của hằng số tốc độ biểu kiến là một trong các thông số để so sánh giữa các chất hấp phụ đối với cùng một chất bị hấp phụ. 1.2.3. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 1.2.3.1. Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Phương trình đẳng nhiệt Langmuir được xây dựng trên các giả thuyết : - Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định. - Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân. - Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh. Tuy vậy, mô hình Langmiur có thể áp dụng cho quá trình chất hấp phụ trong dung dịch nước. Khi đó, phương trình Langmuir được biễu diễn như sau: qe = qmax . K .C e 1+ K . C e (1.7) Trong đó : Ce : nồng độ chất hấp phụ tại thời điểm cân bằng . qe : dung lượng hấp phụ, mg/g. qmax : dung lượng hấp phụ cực đại, mg/g. K : hằng số Langmuir. Khi nồng độ chất bị hấp phụ là rất nhỏ (K.Ce << 1) ta có: qe = qmax.K.Ce Như vậy, dung lượng hấp phụ tỉ lệ với nồng độ chất hấp phụ. (1.8)