Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng Cr(VI) của than cacbon hóa từ vỏ cà phê (2017)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
--------------

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG LOAN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
KIM LOẠI NẶNG Cr(VI) CỦA THAN
CACBON HÓA TỪ VỎ CÀ PHÊ

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

Người hướng dẫn khoa học

ThS. ĐỖ THỦY TIÊN

HÀ NỘI, 2017


LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn tới Ths. Đỗ
Thủy Tiên – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2và

PGS.TS. Trịnh Văn

Tuyên,Viện trưởng Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành bản
khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Hóa
học đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập dưới
mái trường ĐH Sư phạm Hà Nội 2.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn tạo mọi
điều kiện, động viên, giúp đỡ em trong quá trình học tập.
Do điều kiện thời gian và trình độ còn hạn chế, nên bản thân khóa luận
này không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của
thầy, cô giáo cũng như toàn thể các bạn để khóa luận của em có thể hoàn
thiện hơn.

Hà Nội, tháng 4 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Phương Loan


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bài khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu
thực sự của cá nhân em, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết,
nghiên cứu khảo sát thực nghiệm dưới sự hướng dẫn khoa học của ThS. Đỗ
Thủy Tiên.
Các số liệu và những kết quả đo được trong khóa luận là trung thực, do
cá nhân em tiến hành thí nghiệm.
Hà Nội, tháng 4 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Phương Loan


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu viết tắt



Tên đầy đủ

VLHP

Vật liệu hấp phụ

IR

Phương pháp phổ hồng ngoại (Infrared (IR)
spectroscopy).


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Một số hằng số vật lí của crom......................................................... 4
Bảng 1.2. Giá trị giới hạn nồng độ của ion kim loại Cr(VI) trong nước thải
công nghiệp ....................................................................................................... 8
Bảng 1.3: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ .................................................. 16
Bảng 1.4: TOC của than cacbon hóa làm từ các vật liệu khác nhau ............. 23
Bảng 1.5: Kích thước và diện tích bề mặt riêng của than cacbon hóa trên các
vật liệu khác nhau............................................................................................ 23
Bảng 3.1: Sự khác nhau về thành phần trong vỏ cà phê trồng tại tỉnh Đắk Lắk
và tỉnh Điện Biên............................................................................................. 29
Bảng 3.2: Kết quả tạo than và hiệu suất hấp phụ kim loại Cr(VI).................. 30
Bảng 3.3: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật
liệu hấp phụ. .................................................................................................... 32
Bảng 3.4: Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của VLHP......... 33
Bảng 3.5: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng vật liệu hấp phụ đến dung
lượng hấp phụ.................................................................................................. 34
Bảng 3.6: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ của
VLHP .............................................................................................................. 36
Bảng 3.7. Các thông số khảo sát sự hấp phụ Cr6+ của VLHP......................... 37
Bảng 3.8. So sánh một số chất hấp phụ được sử dụng để loại bỏ các Cr(VI)
trong nước ....................................................................................................... 39


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ............................................. 18
C
Hình 1.2. Sự phụ thuộc của cb vào Ccb ......................................................... 18
q
Hình 3.1. Hiệu quả hấp phụ Cr(VI) của than cacbon hóa từ vỏ cà phê .......... 31
Hình 3.2: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ .... 32
Hình 3.3: Ảnh hưởng thời gian đạt cân bằng hấp phụ của VLHP.................. 34
Hình 3.4: Ảnh hưởng của lượng vật liệu hấp phụ đến dung lượng hấp phụ .. 35
Hình 3.5: Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu đến khả năng hấp phụ của
VLHP .............................................................................................................. 36
Hình 3.6. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Cr(VI)... 38
Hình 3.7. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của VLHP đối với Cr(VI) ............ 38
Hình 3.8. Kết quả phân tích trên phổ hồng ngoại IR của vật liệu................... 40


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................... 4
1.1. Giới thiệu về nguyên tố Crôm................................................................. 4
1.1.1. Tính chất vật lí, hóa học của Crôm
.............................................................4
1.1.2. Công dụng của Crôm
...................................................................................5
1.1.3. Ảnh hưởng của Crôm đến sức khỏe con người
.........................................6
1.1.4. Sự hình thành crôm trong hệ thống
nước...................................................8
1.1.5. Một số phương pháp xử lý kim loại nặng
................................................10
1.2.Giới thiệu về phương pháp hấp phụ....................................................... 10
1.2.1. Các khái niệm .............................................................................................10
1.2.2. Cân bằng hấp phụ
.......................................................................................14
1.2.3.Các phương trình đẳng nhiệt hấp
phụ........................................................16
1.3. Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP18
1.3.1.Giới thiệu về vỏ cà phê
...............................................................................19
1.3.2.Phân tích lựa chọn phương pháp xử lý ô nhiễm crôm
.............................20
1.4. Giới thiệu về công nghệ cacbon hóa, than cacbon hóa ...................... 21
1.4.1.Công nghệ cacbon hóa
................................................................................21
1.4.2.Than cacbon hóa..........................................................................................21
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................... 24
2.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................... 24
2.2. Hóa chất và dụng cụ.............................................................................. 24
2.2.1. Hóa chất......................................................................................................24


MỤC LỤC
2.2.2. Thiết bị........................................................................................................24
2.3. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 25
2.3.1. Phương pháp thu thập tài
liệu....................................................................25


2.3.2. Phương pháp phân
tích...............................................................................25
2.3.3. Phương pháp thực
nghiệm.........................................................................25
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................... 29
3.1. Thành phần chính của vỏ cà phê........................................................... 29
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đốt than, thời gian nung đến khả năng hấp phụ
của vật liệu ................................................................................................... 29
3.3. Khả năng hấp phụ kim loại Cr(VI) của VLHP ..................................... 31
3.3.1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp
phụ............31
3.3.2. Ảnh hưởng thời gian đạt cân bằng hấp phụ của
VLHP..........................33
3.3.3. Ảnh hưởng của liều lượng vật liệu hấp phụ đến dung lượng hấp phụ
..34
3.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Cr(VI) ban đầu đến khả năng
hấp phụ của
VLHP.......................................................................................................36
3.4. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ.................................................... 37
3.5. Phổ IR của vật liệu ................................................................................ 40
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 42


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội II

Khóa luận tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Kinh tế Việt Nam hiện nay so với nhiều năm trước đã có nhiều chuyển
biến, đời sống của người dân đã được nâng lên đáng kể.Theo Viện Kiến trúc
Quy hoạch (Bộ Xây dựng), tính đến thời điểm tháng 2/2011, Việt Nam hiện
có 256 khu công nghiệp và 20 khu kinh tế đã được thành lập. Bên cạnh việc
phát triển kinh tế, con người đã quan tâm hơn tới vấn đề bảo vệ môi
trường.Tuy nhiên, hoạt động này chỉ dừng lại ở một mức độ nhất định, đặc
biệt vấn đề xử lý chất thải ở các khu công nghiệp. Nguyên nhân chủ yếu là do
lượng khu công nghiệp lớn và thường xuyên xả chất thải không qua xử lý
hoặc xử lý chưa triệt để ra môi trường. Lượng chất thải này bao gồm nhiều
thành phần như vô cơ, hữu cơ và đặc biệt là kim loại nặng. Một phần kim loại
nặng này nằm trong nước thải, chúng xâm nhập và gây ô nhiễm môi trường
nước. Phần còn lại tích lũy trong đất, đi vào chuỗi thức ăn và gây ảnh hưởng
tới sức khỏe con người và sinh vật sống [5].Vì vậy, ô nhiễm môi trường đang
là vấn đề đang được quan tâm hiện nay. Trong đó, ô nhiễm do kim loại nặng
thải ra từ các ngành công nghiệp là mối đe dọa đối với sức khỏe con người và
sự an toàn của hệ sinh thái.
Hiện nay, trong hoạt động nông nghiệp con người sử dụng phân bón có
chứa Crôm, khi bón vào đất, cây hấp thụ một phần và phần còn lại được tích
tụ ở trong đất, sau đó được rửa trôi vào nguồn nước làm cho nước ngày càng
bị ô nhiễm.Dù xâm nhập vào cơ thể con người theo bất kì con đường nào
Crôm cũng được hòa tan vào trong máu ở nồng độ 0,001mg/l, sau đó chúng
chuyển vào hồng cầu và hòa tan nhanh trong hồng cầu, từ hồng cầu Crôm
chuyển vào các tổ chức phủ tạng, được giữ lại ở phổi, xương, thận, gan, phần
còn lại chuyển qua nước tiểu. Từ các cơ quan phủ tạng Crôm hòa tan dần vào
máu, rồi đào thải qua nước tiểu từ vài tháng đến vài năm. Nhiễm độc Crôm có

Nguyễn Thị Phương Loan –K39D Hóa học

Trang1


thể bị ung thư phổi, ung thư gan, loét da, viêm da tiếp xúc, xuất hiện mụn
cơm, viêm gan, thủng vách ngăn giữa hai lá mía, viêm thận, đau răng, tiêu
hóa kém, gây độc cho hệ thần kinh và tim,…[5]. Vì vậy, việc xử lí Crôm
trong nước là đối tượng rất đáng quan tâm.
Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại
nặng ra khỏi môi trường nước như: phương pháp hóa lý, phương pháp sinh
học, phương pháp hóa học,…Trong đó, phương pháp hấp phụ được áp dụng
rộng rãi và cho kết quả rất khả thi. Với mục tiêu là tìm kiếm nguyên liệu có
sẵn trong tự nhiên, rẻ tiền, dễ kiếm, có thể tái tạo được để hấp phụ, loại bỏ
kim loại nặng trong nước là vấn đề em lựa chọn. Một trong những vật liệu
được sử dụng để hấp phụ kim loại đang được nhiều nhà khoa học quan tâm là
vật liệu có nguồn gốc sinh học, nguyên liệu là vỏ cà phê dùng để sản xuất
than cacbon hóa mà không đưa vào nguồn nước các hóa chất khác, xử lý hiệu
quả Crôm có giá thành rẻ và là phế phẩm nông nghiệp.
Với mục đích áp dụng phương pháp sinh học, rẻ tiền để loại bỏ Cr(VI)
trong nước, đồng thời giúp làm giảm lượng chất thải rắn nông nghiệp, tôi đã
chọn đề tài:“Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng Cr(VI) của than
cacbon hóa từ vỏ cà phê"
Mục đích nghiên cứu
- Chế tạo than cacbon hóa từ vỏ cà phê với các điều kiện nhiệt độ và
thời gian đốt than khác nhau.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ được ion kim loại nặng Cr(VI) trong
nước của VLHP chế tạo được.
Nội dung nghiên cứu
- Xác định thành phần chính của vỏ cà phê.
- Điều chế than cacbon hóa từ vỏ cà phê.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cr(VI) của VLHP điều chế từ vỏ cà
phê.


- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ.
- Xác định dung lượng hấp phụ của VLHP.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Điều chế được VLHP từ vỏ cà phê để ứng dụng làm vật hấp phụ các ion
kim loại nặng, những ion kim loại gây ô nhiễm môi trường.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về nguyên tố Crôm
1.1.1.Tính chất vật lí, hóa học của Crôm
Crôm là nguyên tố thuộc nhóm (VIB) trong bảng hệ thống tuần hoàn
các nguyên tố hóa học, có sô thứ tự là 24, cấu hình electron lớp ngoài cùng là
[Ar]3d54s1.
Bảng 1.1: Một số hằng số vật lí của crom
Cấu hình electron

[Ar]3d54s1

Năng lượng ion hóa, ev
I1

6,76

I2

16,49

I3

30,95

Nhiệt độ nóng chảy, ◦C

1875

Nhiệt độ sôi, ◦C

2197

Nhiệt thăng hoa, KJ/mol

368,2

Bán kính nguyên tử, A0

1,27

Crôm lần đầu tiên được nhà bác học người Pháp Vocolanh điều chế vào
năm 1797. Tên gọi crôm (chrome) xuất phát từ tiếng Hi Lạp Chroma có nghĩa
là “ màu sắc” vì các hợp chất của crôm đều có màu.
Crôm là một nguyên tố tương đối phổ biến trong thiên nhiên.Trong vỏ
trái đất, crôm chiếm 6.10-3 % tổng số nguyên tử. Khoáng vật chính của crôm
là sắt Crômit[Fe(CrO2)2]. Crôm là một kim loại cứng, mặtbóng, màu xám thép
với độ bóng cao và nhiệt nóng chảy cao. Nó là chất không mùi, không vị và
dễ rèn.Crôm là nguyên tố thứ 21 phong phú nhất trong vỏ trái đất với nồng độ
trung bình là 100ppm. Hợp chất của crôm được tìm thấy trong môi trường do


sự xói mòn của crôm và trong các loại đá, có thể xuất hiện do núi lửa phun
trào. Nồng độ trong đất là khoảng từ 1-3.000 mg/kg, trong nước biển từ 5-800
µg/l và trong các sông hồ là 26µg/l đến 5,2mg/l. Các trạng thái oxi hóa phổ
biến của crôm là +2, +3 và +6, với +3 là ổn định nhất. Các trạng thái +1,+4,
và +5 là khá hiếm. Các hợp chất của crôm với trạng thái oxi hóa là +6 là
những chất có tính oxi hóa mạnh. Trong không khí, crôm được oxi thụ động
hóa tạo thành một lớp màng mỏng bảo vệ trên bề mặt, ngăn chặn quá trình oxi
hóa tiếp theo đối với kim loại ở phía dưới.
1.1.2. Công dụng của Crôm
Crôm được sử dụng trong ngành luyện kim để tăng khả năng chống ăn
mòn và đánh bóng bề mặt. Nó có thể là một thành phần của hợp kim, chẳng
hạn như thép không gỉ để làm dao, kéo dùng trong mạ crôm, trong quá trình
anot hóa (dương cực hóa nhôm), theo nghĩa đen là chuyển bề mặt nhôm thành
ruby.
Làm thuốc nhuộm và sơn: Oxit crôm (Cr2O3) là chất đánh bóng kim
loại với tên gọi phấn lục. Các muối crôm nhuộm màu cho thủy tinh thành màu
xanh lục của ngọc lục bảo.Crôm là thành phần tạo ra màu đỏ của hồng ngọc,
vì thế nó được sử dụng trong sản xuất hồng ngọc tổng hợp.Nó tạo ra màu
vàng rực rỡ của thuốc nhuộm và sơn.
Là một xúc tác crômit được sử dụng làm khuôn để nung gạch ngói, các
muối crôm được sử dụng trong quá trình thuộc da, kali đicrommat( K2Cr2O7)
là một thuốc thử hóa học, được sử dụng trong quá trình làm vệ sinh các thiết
bị bằng thủy tinh trong phòng thí nghiệm cũng như trong vai trò một tác nhân
chuẩn độ. Nó cũng được sử dụng làm chất ổn định màucho các thuốc nhuộm
vải.
Oxit crôm (hóa trị IV) (CrO2) được sử dụng sản xuất băng từ, tạo hiệu
suất tốt hơn trong y học, crôm như là chất phụ trợ ăn kiêng để giảm cân,


thông thường dưới dạng Clorua crôm (crôm hóa trị III). Ngoài ra nó còn
được dùng làm phụ gia cho vào xăng, làm dây dẫn điện chịu nhiệt độ cao…
1.1.3. Ảnh hưởng của Crôm đến sức khỏe con người
Trong nước crôm nằm ở hai dạng hóa trị: anion Cr(III) và anion
Cr(VI)là
4 và
7 . Trong các nguồn nước thải, tùy theo mục đích
2− 𝐶���
𝐶 ����
�2−
phân tích, ta có thể định dạng riêng rẽ hàm lượng crom ở dạng không tan và
dạng tan ở các dạng Cr(III) và Cr(VI).
Nhìn chung, sự hấp thụ của crom vào cơ thể con người tùy thuộc vào
trạng thái oxi hóa của nó. Cr(III) là trạng thái oxi hóa ổn định nhất. Có thể thu
được bằng cách hòa tan nguyên tố crom trong các axit như axit clohidric hay
axit sulfuric. Cr(III) là một chất dinh dưỡng thiết yếu giúp cơ thể sử dụng các
đường, protein và chất béo và sự thiếu hụt nó có thể sinh ra bệnh gọi là thiếu
hụt crôm. Ngược lại, crôm hóa trị VI lại rất độc.Cr(VI) hấp thụ qua dạ dày,
ruột nhiều hơn Cr(III) (mức độ hấp thụ qua đường ruột tùy thuộc vào dạng
hợp chất mà nó sẽ hấp thụ) và còn có thể thấm qua màng tế bào. Nếu Cr(III)
chi hấp thụ 1% thì lượng hấp thụ của Cr(VI) lên tới 50%. Tỷ lệ hấp thụ qua
phổi không xác định được, mặc dù một lượng đáng kể đọng lại trong phổi và
phổi là một trong những bộ phận chứa nhiều crôm nhất. Crôm xâm nhập vào
cơ thể theo ba con đường: hô hấp, tiêu hóa và khi tiếp xúc trực tiếp với da.
Con đường xâm nhập đào thải crôm ở cơ thể người chủ yếu qua đường thức
ăn. Cr(VI) đi vào cơ thể dễ gây biến chứng, tác động lên tế bào, lên mô tạo ra
sự phát triển tế bào không nhân, gây ung thư, tuy nhiên với hàm lượng cao
crôm làm kết tủa các prôtêin, các axit nuclêic và ức chế hệ thống men cơ bản.
Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất kì con đường nào crôm cũng được hòa tan
trong hổng cầu nhanh gấp 10÷20 lần. Từ hồng cầu crôm chuyển vào các tổ
chức phủ tạng, được giữ lại ở phổi, xương, thận, gan, phàn còn lại chuyển qua
nước tiểu. Từ các cơ quan nội tạng crôm hòa tan dần vào máu, rồi đào thả qua


nước tiểu vài tháng đến vài năm. Các nghiên cứu cho thấy con người hấp thụ
Cr(VI) nhiều hơn Cr(III) nhưng độc tính của Cr(VI) lại cao hơn Cr(III)
khoảng 100 lần. Nước thải sinh hoạt có thể chứa lượng crôm tới 0,7 µg/ml
mà chủ yếu ở dạng Cr(VI), có độc tính với nhiều loại động vật có vú. Cr(VI)
dù chỉ một lượng nhỏ cũng có thể gây độc đối với con người. Nếu crôm có
nồng độ lớn hơn giá trị 0,1mg/l gây rối loạn sức khỏe như nôn mửa… Khi
thâm nhập vào cơ thể nó liên kết với các nhóm –SH trong enzim và làm mất
hoạt tính của enzim gây ra rất nhiều bệnh cho con người [14].
Crôm và các hợp chất của crôm chủ yếu gây ra các bệnh ngoài da.Bề
mặt da là bộ phận dễ bị ảnh hưởng, niêm mạc mũi dễ bị loét.Phần sụn của
vách mũi dễ bị thủng. Khi da tiếp xúc trực tiếp vào dung dịch Cr(VI), chỗ tiếp
xúc dễ bị nổi phồng và loét sâu, có thể bị loét đến xương. Khi Cr(VI) xâm
nhập vào cơ thể qua da, nó kết hợp với prôtêin tạo thành phản ứng kháng
nguyên. Kháng thể gây hiện tượng dị ứng, bệnh tái phát.Khi tiếp xúc trở lại,
bệnh sẽ tiến triển nếu không được cách ly và sẽ trở thành tràm hóa.
Khi crôm xâm nhập theo con đường hô hấp dễ dẫn tới bệnh viêm yết
hầu, viêm phế quản, viêm thanh quản do niêm mạc bị kích thích (sinh ra ngứa
mũi, hắt hơi, chảy nước mũi).
Nhiễm độc crôm có thể bị ung thư phổi, ung thư gan, loát da, viêm da
tiếp xúc, xuất hiện mụn cơm, viêm gan, thủng vách ngăn giữa hai lá mía, ung
thư phổi, viêm thận, đau răng, tiêu hóa kém, gây độc cho hệ thần kinh và tim.
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chứa Cr(VI)[1]. QCVN
40:2011/BTNMT quy định nồng độ của Cr(VI) trong nước thải công nghiệp
như sau:


Bảng 1.2. Giá trị giới hạn nồng độ của ion kim loại Cr(VI) trong nước thải
công nghiệp
Nguyên tố
Cr(VI)

Đơn vị
mg/l

Giá trị C
A

B

0,05

0,1

Trong đó:
Cột A quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công
nghiệp khi xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt;
Cột B quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công
nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt;
Mục đích sử dụng của nguồn tiếp nhận nước thải được xác định tại khu
vực tiếp nhận nước thải.
1.1.4.Sự hình thành crôm trong hệ thống nước
Crôm được tạo thành trong nước từ các nguồn tự nhiên như sự phong
hóa của các thành phân đá, sự xói mòn của crôm và các bụi phóng xạ khô
trong bầu khí quyển. Nồng độ của crôm tại các con sông và hồ trong giới hạn
khoảng 0.5-100nM, trong khi ở vùng nước biển khoảng 0.1-16nM. Nồng độ
của crôm ở những vùng bị ô nhiễm nặng có thể cao hơn rất nhiều. Nồng độ
của crôm trong nước tăng ở các nơi (chủ yếu là các con sông) được gây ra bởi
một lượng nước thải lớn thải ra từ các hoạt động công nghiệp như ngành công
nghiệp luyện kim, mạ điện, công nghiệp thuộc da, từ các bãi rác vệ sinh, nước
tháp làm mát và các ngành công nghiệp hóa chất khác. Hàm lượng và trạng
thái của crôm trong nước thải phụ thuộc vào các tính chất mà quá trình công
nghiệp sử dụng crôm.
Trong các vùng nước tự nhiên, crôm tồn tại ở hai dạng trạng thái oxi
hóa ổn định làCr(III) và Cr(VI). Sự có mặt và tỉ lệ giữa hai trạng thái này phụ


thuộc vào các quá trình khác nhau bao gồm sự biến đổi hóa học và phản ứng
quang hóa, quá trình kết tủa, sự thủy phân, hấp phụ.
Dưới điều kiện thiếu oxi, Cr(III) là trạng thái duy nhất. Ở pH>7 ion
𝐶� 2−chiếm ưu thế. Tại giá trị pH trung bình, tỉ lệ Cr(III)/Cr(VI) phụ thuộc
�𝐶4
vào nồng độ oxi, nồng độ của chất khử, chất oxi hóa trung gian và các tác
nhân tạo phức khác.
Sự hình thành crôm trong vùng nước bề mặt cho thấy H2O/phức
hydroxo chiếm ưu thế trong điều kiện phổ biến ở các vùng nước tự nhiên,
mặc dù Cr(III) hình thành các phức hợp khác nhau với nguồn gốc từ các chất
hữu cơ tự nhiên như axit amin, axit humic và các axit khác. Quá trình hình
thành làm giảm kết tủa Cr(OH)3.H2O, phổ biến trong điều kiện pH ở các vùng
nước tự nhiên nhưng hầu hết la trong các khu phức hợp. Cr(III) được cố định
bởi các hợp chất phân tử lớn. Hơn nữa, các phức Cr(III) có xu hướng hấp thụ
bởi các chất rắn có nguồn gốc tự nhiên, nó góp phần làm giảm sự limh động
của Cr(III) và xúc tác sinh học trong các vùng nước.
Bản chất và tính chất của các trạng thái crôm khác nhau trong nước thải
có thể là rất khác nhau tại các vùng nước tự nhiên.Bởi vì trong điều kiện hóa
lý thay đổi, nước thải có nguồn gốc từ nhiều ngành công nghiệp khác nhau.Sự
có mặt của crôm và nồng độ của nó trong các hình thức xả thải phụ thuộc chủ
yếu vào các hợp chất crôm được sử dụng trong công nghiệp, vào độ pH và
chất thải hữu cơ hay chất thải vô cơ đến từ nguyên liệu chế biến. Vì vậy,
Cr(VI) sẽ có mặt chủ yếu trong nước thải từ các ngành luyện kim, công
nghiệp chế biến kim loại, phóng xạ và trong chất nhuộm. Cr(III) có trong
nước thải trong các ngành thuộc da, dệt may, và trong nước thải công nghiệp
mạ trang trí. Sự có mặt của các vật chất hữu cơ hay vô cơ khác nhau cũng như
giá trị pH trong các hình thức thải crôm bị ảnh hưởng bởi tính hòa tan, sự hút
thấm và các phản ứng oxi hóa khử [14].


1.1.5. Một số phương pháp xử lý kim loại nặng
Các phuơng pháp xử lý nước thải được chia thành các loại sau:
- Phương pháp xử lý lý học;
- Phương pháp xử lý hóa học và hóa lý;
- Phương pháp xử lý sinh học.
1.2.Giới thiệu về phương pháp hấp phụ
1.2.1. Các khái niệm
Hấp phụ: là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn khí, rắn - lỏng, khí - lỏng, lỏng - lỏng). Trong đó:
+ Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các
phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó.
+ Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề
mặt chất hấp phụ.
+ Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ.
Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt.Ngược với sự hấp phụ là quá trình đi
ra khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực
tương tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta phân
biệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [3].
- Hấp phụ vật lý
Định nghĩa: Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander
Walls giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba
loại lực: cảm ứng, định hướng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Vì
vậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao.
Hấp phụ vật lý không có tính chọn lọc. Quá trình hấp phụ vật lý là một
quá trình thuận nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấp
phụ. Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2÷6 kcal/mol. Sự hấp phụ


vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học của bề mặt, không có sự biến đổi cấu
trúc của các phân tử chất hấp phụ và bị hấp phụ [3].
- Hấp phụ hóa học
Định nghĩa: Hấp phụ hóa học được gây ra bởi các liên kết hóa học (liên
kết cộng hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí). Trong hấp phụ hóa học có sự
trao đổi electron giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.Cấu trúc electron phân
tử các chất tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình
thành liên kết hóa học.Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ hóa học thường lớn hơn
22 kcal/mol.
Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là
tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt.Một số trường hợp tồn tại cả
quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá
trình hấp phụ vật lý, khi tang nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả
năng hấp phụ hóa học tăng lên [8] [9].
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:
Ph ương p háp h óa l ý: 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 môi, sử
dụng phản ứng oxi hóa - khử, áp đặt các điều kiện làm dịch chuyển cân bằng
không có lợi cho quá trình hấp phụ.


Ph ương phá p 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.
Ph ương phá p vi s inh: là phương pháp tái tạo khả năng hấp phụ
của vật liệu hấp phụ nhờ vi sinh vật [3].
Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước
Hấp phụ trong môi trường nước là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ít
nhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ.
Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và
có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị
hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn
thì hấp phụ xảy ra với cặp đó.
Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của
chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức
độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất
hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về
độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt
trên chất hấp phụ không phân cực và ngược lại. Đối với các chất có độ phân
cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion như SO42-,
3-

2-

PO4 ,CrO4 , … thì quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua
lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực cao trong nước bị bao
bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó bán kính (độ lớn) của các ion,
các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ
do tương tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn
sẽ được hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hyđrat nhỏ hơn.
Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của
dung dịch. Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ
và chất hấp phụ.Các chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu,


bazơ yếu hoặc lưỡng tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dương hoặc trung hoà
tùy thuộc giá trị pH.Tại giá trị pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt
chất hấp phụ bằng không, trên giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện âm và
dưới giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện dương. Đối với các chất trao đổi
ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm chức và các
cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môi trường, đồng thời trong hệ
cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất.
Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao
quản…cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ.
Đối với các hợp chất hữu cơ, trong môi trường nước chúng có độ tan
khác nhau do đó khả năng hấp phụ chúng trên VLHP là khác nhau. Phần lớn
các chất hữu cơ tồn tại trong nước dạng phân tử trung hòa, ít bị phân cực nên
quá trình hấp phụ trên VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơ chế hấp phụ
vật lý. Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụ thuộc vào: pH của
môi trường, lượng chất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ….
Đặc tính của ion kim loại nặng trong môi trường nước: Để tồn tại được ở
trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trường nước bị hydrat hóa tạo ra lớp
vỏ là các phân tử nước, các phức chất hidroxo, các cặp ion hay phức chất
khác. Tùy thuộc vào bản chất hóa học của các ion, pH của môi trường, các
thành phần khác cùng có mặt mà hình thành các dạng tồn tại khác nhau
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
Quá trình hấp phụ về cơ bản ảnh hưởng bởi các yếu tố sau :
- Khối lượng phân tử ;
- Cấu trúc phân tử ;
- Loại và số lượng các nhóm chức ;
- Hàm lượng tro và các hợp chất dễ bay hơi;
- Diện tích bề mặt riêng ;


- Số lượng vi lỗ có trong vật liệu ;
- pH của môi trường hấp phụ và pH của vật liệu;
- Liều 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. Các phần tử chất bị hấp
phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược pha
mang (hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ). Theo thời gian lượng chất bị hấp
phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở
lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, 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[8] [9].
+ 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 [9].
Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:
q=

(C0 -Ccb )V
m

Trong đó:
- q: dung lượng hấp phụ (mg/g)
- V: thể tích dung dịch (l)
-

m: khối lượng chất hấp phụ (g )

- C0: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
- Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)

(1.1)


Trong quá trình hấp phụ, các phần tử bị hấp phụ không bị hấp phụ đồng
thời, bởi vì các phần tử chất bị hấp phụ phải khuếch tán từ dung dịch đến bề
mặt ngoài chất hấp phụ và sau đó khuếch tán vào sâu bên trong hạt của chất
hấp phụ[6].
+ Dung lượng hấp phụ bão hòa: là dung lượng ở trạng thái cân bằng
+ Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ
dung dịch ban đầu.
H=

(C0 -Ccb )
.100%
C0

(1.2)

Trong đó:
H: Hiệu suất hấp phụ (%)
C0: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l).


1.2.3. Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Một số đường hấp phụ đẳng nhiệt được nêu trong bảng sau:
Bảng 1.3: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ
STT

Tên đường đẳng

Phương trình

nhiệt hấp phụ

Bản chất sự hấp
phụ

1

Langmuir

v K L .p
=
v0 1+K L .p

Vật lý và Hóa học

2

Henry

v=k.p

Vật lý và Hóa học

3

Freundlich

v=k.p (n>1)

1/n

Vật lý và Hóa học

Shlygin-Frumkin-

v = 1 lnC .p
0
vm a

Hóa học

4

Temkin
Brunauer-

5

Emmett-Teller

p
1  C-1 p
=
+
.
v.(p0 -p) vmC v mC p0

Vật lý, nhiều lớp

(BET)
Trong các phương trình trên, v là thể tích chất bị hấp
phụ,

v 0 là thể tch

hấp phụ cực đại, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, p0 là áp suất hơi bão
hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết trong cùng nhiệt độ.
Các ký hiệu KL, k,a, n là các hằng số.
Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của các VLHP
với ion kim loại nặng Cr(VI) trong môi trường nước theo mô hình đường
đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×