Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Fe(III) của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cây sen và thử nghiệm xử lý môi trường

Không chỉ mang ý nghĩa tinh thần, cây sen còn mang lại các giátrị kinh tế cho người dân như: lá sen, hạt sen, ngó sen dùng để chế biến thành thựcphẩm hay thuốc đông y…Tuy nhiên sau mỗi m

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM –––––––––––––––––––––––

VI THỊ LINH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Mn(II), Fe(III) CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ CÂY SEN

VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2018

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM –––––––––––––––––––––––

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Vũ Th Hậu

THÁI NGUYÊN - 2018

ị

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Fe(III)

của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cây sen và thử nghiệm xử lý môi trường” là do

bản thân tôi thực hiện Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực Nếu sai sự thậttôi xin chịu trách nhiệm

Thái Nguyên, tháng 9 năm 2018

Tác giả luận văn

Vi Thị Linh

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Vũ Thị Hậu, cô giáo trực tiếp hướngdẫn, tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn Em xin chân thànhcảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô phòng Sau Đại học, cácthầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đãgiúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu

Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh, ủng hộ

và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hoàn thành quátrình học tập và nghiên cứu

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứucủa bản thân còn hạn chế nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu xót Em rấtmong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp vànhững người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn để luận văn đượchoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên,tháng 9 năm 2018

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN .3

1.1 Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng 3

1.2 Giới thiệu chung về ion kim loại nặng 3

1.2.1 Sơ lược về kim loại nặng 3

1.2.2 Giới thiệu về mangan và tác dụng sinh hóa của mangan 4

1.2.3 Giới thiệu về sắt và tác dụng sinh hóa của sắt 4

1.2.4 Quy chuẩn Việt Nam về nước thải công nghiệp 5

1.3 Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng 5

1.3.1 Phương pháp kết tủa 5

1.3.2 Phương pháp trao đổi ion 5

1.3.3 Phương pháp hấp phụ 6

1.3.4 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 6

1.4 Giới thiệu về than 12

1.5 Hấp phụ trong môi trường nước 14

1.5.1 Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước 14

1.5.2 Đặc điểm của sự hấp phụ trong môi trường nước 14

1.6 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử 15

1.6.1 Nguyên tắc 15

1.6.2 Phương pháp đường chuẩn 17

1.7 Giới thiệu về cây sen 17

1.8 Một số phương pháp đặc trưng vật liệu 18

1.8.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 18

1.8.2 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) 19

1.8.3 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 19

1.8.4 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng (EDX) 20

Chương 2: THỰC NGHIỆM 24

2.1 Thiết bị và hóa chất 24

2.1.1 Thiết bị 24

2.1.2 Hóa chất 24

2.1.3 Pha chế các dung dịch 24

2.2 Chế tạo vật liệu hấp phụ từ cây sen 25

2.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu 25

2.2.2 Chế tạo vật liệu hấp phụ từ cây sen 25

2.3 Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của TS chế tạo được 25

2.4 Xác định điểm đẳng điện của TS 26

2.5 Xác định chỉ số hấp phụ iot của TS 26

2.6 Xây dựng đường chuẩn xác định Mn(II) và Fe(III) 27

2.6.1 Xây dựng đường chuẩn Mn(II) 27

2.6.2 Xây dựng đường chuẩn Fe(III) 27

2.7 So sánh khả năng hấp phụ của NL và TS chế tạo được 28

2.8 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Mn(II), Fe(III) của TS theo phương pháp hấp phụ tĩnh 28

2.8.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH 28

2.8.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian 28

2.8.3 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng 28

2.8.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 29

2.8.5 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu 29

2.9 Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Mn(II), Fe(III) bằng phương pháp hấp phụ động trên cột 29

2.9.1 Chuẩn bị cột hấp phụ 29

2.9.2 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng 30

2.9.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất giải hấp 30

2.10 Xử lý mẫu nước thải chứa Mn(II), Fe(III) theo phương pháp tĩnh 30

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

3.1 Kết quả nghiên cứu một số đặc trưng hóa lí của TS chế tạo được 32

3.1.1 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 32

3.1.2 Diện tích bề mặt riêng 32

3.1.3 Phổ hồng ngoại IR 32

3.1.4 Xác định thành phần hóa học của TS 36

3.2 Điểm đẳng điện của TS 36

3.3 Chỉ số hấp phụ iot của TS 37

3.4 Kết quả xây dựng đường chuẩn của Mn(II) và Fe(III) 38

3.4.1 Kết quả xây dựng đường chuẩn Mn(II) 38

3.4.2 Kết quả xây dựng đường chuẩn Fe(III) 39

3.5 Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của NL và TS 40

3.6 Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Mn(II) và Fe(III) của TS 40

3.6.1 Ảnh hưởng của pH 40

3.6.2 Ảnh hưởng của thời gian 43

3.6.3 Ảnh hưởng của khối lượng 45

3.6.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ 47

3.7 Nhiệt động lực học hấp phụ Mn(II), Fe(III) của TS 49

3.7.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu 50

3.8 Kết quả khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Mn(II), Fe(III) theo phương pháp hấp phụ động đối với TS 53

3.8.1 Ảnh hưởng của tốc độ dòng 53

3.8.2 Kết quả giải hấp thu hồi Mn(II), Fe(III) 56

3.9 Kết quả xử lý nước thải chứa Mn(II), Fe(III) theo phương pháp hấp phụ tĩnh 59

KẾT LUẬN 60

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

4 Ảnh hiển vi điện tử quét Scanning Electron Microscopy SEM

5 Phổ tán sắc năng lượng Energy Dispersive X-ray Spectroscopy EDX

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Giá trị giới hạn nồng độ của một số ion kim loại trong nước thải

công nghiệp 5

Bảng 3.1 Thành phần hóa học của TS 36

Bảng 3.2 Kết quả xác định điểm đẳng điện của TS 36

Bảng 3.3 Kết quả xác định chỉ số iot của TS 37

Bảng 3.4 Kết quả xây dựng đường chuẩn Mn(II) 38

Bảng 3.5 Kết quả xây dựng đường chuẩn Fe(III) 39

Bảng 3.6 Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của NL và TS 40

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của TS 41

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của TS 43

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của TS 45

Bảng 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ của TS 47

Bảng 3.11 Các thông số nhiệt động đối với quá trình hấp phụ Mn(II), Fe(III) của TS 49

Bảng 3.12 Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của TS 50

Bảng 3.13 Dung lượng hấp phụ cực đại qmax và hằng số Langmuir b 52

Bảng 3.14 Khả năng hấp phụ Mn(II) của một số than hoạt tính chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp 53

Bảng 3.15 Nồng độ Mn(II), Fe(III) thoát ra khỏi cột hấp phụ ứng với các tốc độ dòng khác nhau 54

Bảng 3.16 Kết quả giải hấp Mn(II) bằng EDTA có nồng độ khác nhau 56

Bảng 3.17 Hiệu suất giải hấp Mn(II) ứng với nồng độ EDTA khác nhau 57

Bảng 3.18 Kết quả giải hấp Fe(III) bằng HNO3 có nồng độ khác nhau 58

Bảng 3.19 Hiệu suất giải hấp Fe(III) ứng với nồng độ axit HNO3 khác nhau 58

Bảng 3.20 Kết quả xử lý nước thải chứa Mn(II), Fe(III) 59

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 10

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb 10

Hình 1.3 Mô hình cột hấp phụ 11

Hình 1.4 Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ trên cột hấp phụ theo thời gian 12

Hình 1.5 Hình ảnh hoa sen 18

Hình 3.1a Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của nguyên liệu 32

Hình 3.1b Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của TS 32

Hình 3.2 Phổ hồng ngoại IR của nguyên liệu 34

Hình 3.3 Phổ hồng ngoại IR của Than sen 35

Hình 3.4 Đồ thị xác định điểm đẳng điện của TS 37

Hình 3.5 Đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ iot của TS 38

Hình 3.6 Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II) 39

Hình 3.7 Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Fe(III) 39

Hình 3.8 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của NL và TS 40

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ Mn(II) của TS .41

Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ Fe(III) của TS 42

Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ Mn(II) của TS 44

Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ Fe(III) của TS 44

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng TS đến hiệu suất hấp phụ Mn(II) 46

Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng TS đến hiệu suất hấp phụ Fe(III) 46

Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến dung lượng hấp phụ Mn(II) 48

Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến dung lượng hấp phụ

Fe(III) 48

Hình 3.17a Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnKc vào 1/T của Mn(II) 49

Hình 3.17b Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnKc vào 1/T của Fe(III) 49

Hình 3.18 Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ban đầu của Mn(II) 51

Hình 3.19 Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ban đầu của Fe(III) 51

Hình 3.20 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của TS đối với Mn(II) .51

Hình 3.21 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Mn(II) 51

Hình 3.22 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của TS đối với Fe(III) 52

Hình 3.23 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Fe(III) 52

Hình 3.24 Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Mn(II) 55

Hình 3.25 Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Fe(III) 55

Hình 3.26 Ảnh hưởng của nồng độ EDTA đến khả năng giải hấp Mn(II) 57

Hình 3.27 Ảnh hưởng của nồng độ axit đến khả năng giải hấp Fe(III) 59

MỞ ĐẦU

Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nước ta đang trên đà phát triển mạnh

mẽ, không những ở thành thị mà cả ở nông thôn Những khu công nghiệp, cụm điểmcông nghiệp ngày càng nhiều, những khu đô thị mới hiện đại mọc lên, sản xuất hànghóa, chế biến nông sản, thực phẩm ngày càng trở nên sôi động Quá trình này đã đemlại những thành tựu to lớn cho đất nước, song kéo theo đó là vấn đề môi trường tựnhiên bị ô nhiễm nặng, gây tác động xấu đến sản xuất và đời sống con người

Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng đối với đời sống sản xuất và sinhhoạt của con người Tuy nhiên với tốc độ công nghiệp hóa, đô thị hoá phát triển cùng

sự gia tăng dân số cũng là nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm môi trường nước nghiêmtrọng Ở nước ta hiện nay, nước thải ở một số khu công nghiệp chỉ được xử lý sơ bộ,thậm chí chưa qua xử lý đã được thải ra môi trường Trong nước thải có chứa nhiềucác chất độc hại là các chất hữu cơ hay các ion kim loại nặng như: Mn(II), Pb(II),Fe(III), Ni(II)…Khi nồng độ của các ion này vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây ảnhhưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người Vì Vậy việc tìm ra các biện pháp xử lýnhằm loại bỏ các thành phần độc hại ra khỏi nguồn nước đã và đang là vấn đề đượcquan tâm Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng

để tách loại các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước Trong đó việc tận dụng cácphụ phẩm công, nông nghiệp để làm vật liệu hấp phụ xử lý môi trường nước làphương pháp được nhiều nhà khoa học quan tâm

Như chúng ta đã biết hình ảnh hoa sen gắn liền với nét bình dị, dân dã nơi thônquê, là biểu hiện của cốt cách tinh thần và ý chí vươn lên trước mọi khó khăn giankhổ của người Việt Không chỉ mang ý nghĩa tinh thần, cây sen còn mang lại các giátrị kinh tế cho người dân như: lá sen, hạt sen, ngó sen dùng để chế biến thành thựcphẩm hay thuốc đông y…Tuy nhiên sau mỗi mùa thu hoạch một số bộ phận cây senlại bị loại bỏ, để có thể khai thác hiệu quả giá trị sử dụng của cây sen chúng tôi lựa

chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Fe(III) của vật liệu hấp phụ

chế tạo từ cây sen và thử nghiệm xử lý môi trường”

Thực hiện đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về:

- Chế tạo vật liệu hấp phụ từ cây sen

- Nghiên cứu một số đặc trưng hóa lý của vật liệu hấp phụ bằng phương pháp

đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phương pháp quangphổ hồng ngoại (IR)

- Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Mn(II), Fe(III) củavật liệu hấp phụ chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh

- Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Mn(II), Fe(III) của vật liệu hấp phụchế tạo được theo phương pháp hấp phụ động trên cột

- Thử khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ đối với mẫu nước thải thực chứaMn(II), Fe(III) theo phương pháp hấp phụ tĩnh

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng

Hiện nay, Việt Nam đang phải đối mặt với thách thức lớn về tình trạng ônhiễm nguồn nước, đặc biệt là tại các khu công nghiệp và đô thị Tại các thành phốlớn, lượng nước thải chưa qua xử lý của hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp xảthẳng ra môi trường là nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nước Ở khu vực nôngthôn, tình trạng ô nhiễm nguồn nước cũng không ngừng gia tăng Theo thống kê, có76% số dân đang sinh sống ở nông thôn, là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớncác chất thải của con người và gia súc chưa được xử lý nên thấm xuống đất hoặc rửatrôi làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước ngày càng tăng Bên cạnh đó, tình trạng

ô nhiễm do kim loại nặng thải ra từ các ngành công nghiệp là một mối đe dọa nghiêmtrọng đối với sức khỏe con người cũng như đối với hệ sinh thái Kim loại nặng và độc

tố là các thành phần đặc trưng của các chất thải công nghiệp, các kim loại nặng nóichung rất khó loại bỏ bằng các biện pháp xử lý nước thông thường và nếu chúng xâmnhập vào các nguồn nước sinh hoạt ở ngưỡng cao hơn cho phép sẽ gây nên nhữnghậu quả nghiêm trọng như tỉ lệ người mắc các bệnh cấp và mãn tính liên quan đến ônhiễm nước như viêm da tiêu hóa, tiêu chảy và nguy cơ ung thư ngày càng cao Tạimột số địa phương trường hợp bệnh nhân mắc bệnh ung thư, viêm nhiễm chiếm từ40-50% nguyên nhân là do sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm Theo đánh giá của các

Bộ Y tế và NN&PTNT, trung bình mỗi năm, Việt Nam có khoảng 9.000 người chết

vì nguồn nước ô nhiễm và điều kiện vệ sinh kém; trên 100.000 trường hợp mắc ungthư mới phát hiện mà một trong những nguyên nhân chính là do sử dụng nguồn nước

bị ô nhiễm Ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt ô nhiễm do kim loại nặng đang gây tổnthất lớn cho sức khỏe con người và cho các ngành sản xuất kinh doanh, nông nghiệp,nuôi trồng thủy sản

1.2 Giới thiệu chung về ion kim loại nặng

1.2.1 Sơ lược về kim loại nặng

Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3 Một vàikim loại nặng có thể cần thiết cho cơ thể sống bao gồm động vật, thực vật, các vi sinh

có thể tồn tại dưới dạng ion và phức chất Nguồn nước có chứa kim loại nặng nếuđược đưa đi tưới cây thì sẽ khiến cây trồng và đất trồng sẽ bị ô nhiễm kim loại nặng.

Do đó kim loại nặng trong môi trường nước có thể đi vào cơ thể con người thông quacon đường ăn uống

1.2.2 Giới thiệu về mangan và tác dụng sinh hóa của mangan

Mangan là nguyên tố đóng vai trò thiết yếu trong tất cả các dạng sống, lànguyên tố phổ biến thứ 12 trong sinh quyển, chiếm 0,1% trong vỏ trái đất Trong tựnhiên Mangan tồn tại trong đất, nước, trầm tích và trong các vật chất sinh học khácnhau Đây là nguyên tố rất cần cho sự phát triển sinh giới Về mặt dinh dưỡngmangan là một nguyên tố vi lượng, nhu cầu dinh dưỡng mỗi ngày từ 30-50µg/kg thểtrọng Mangan là chất có tác dụng kích thích nhiều loại enzim trong cơ thể, có tácdụng đến sự trao đổi chất canxi và photpho trong cấu tạo xương

Mangan cũng trở thành kim loại có tính độc hại khi được hấp thụ ở nồng độ

cao Với con người, mangan gây ra hội chứng được gọi là “manganism”, gây ảnh

hưởng đến hệ thần kinh trung ương, bao gồm các triệu chứng như đau đầu, mất ngủ,viêm phổi, run chân tay, đi lại khó khăn, co thắt cơ mặt, tâm thần phân liệt, thậm chí

ảo giác Nó cũng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái thông qua chuỗi thức ăn[10]

1.2.3 Giới thiệu về sắt và tác dụng sinh hóa của sắt

Sắt là kim loại rất phổ biến, chiếm 5% khối lượng vỏ Trái Đất Trong tự nhiên,người ta chỉ gặp sắt ở trạng thái tự do trong các mảnh thiên thạch Nhưng hợp chấtcủa sắt tồn tại dưới dạng quặng thì rất phong phú Nồng độ của sắt trong nước tựnhiên có thể từ 0,5-50mg/L Sắt còn có thể hiện diện trong nước uống do quá trìnhkeo tụ hóa học bằng hợp chất của sắt do sự ăn mòn trong ống dẫn nước

Sắt là một nguyên tố căn bản trong dinh dưỡng của con người Nước uống có

sự có mặt của sắt sẽ dẫn đến sự thay đổi mùi vị, ngoài ra độc tính của sắt còn dẫn đến

những hậu quả như chứng chán ăn, tiểu ít, tiêu chảy, hạ thân nhiệt, thêm vào đó cóthể bị tắc nghẽn mạch máu của đường tiêu hóa, não, tim, gan, trên thận và tuyến ức.Trường hợp ngộ độc sắt cấp tính thường xảy ra với gan và hệ tiêu hóa dẫn đến cáccăn bệnh như xơ gan [26, 34].

1.2.4 Quy chuẩn Việt Nam về nước thải công nghiệp

QCVN 40:2011/BTNMT quy định nồng độ của ion kim loại trong nước thải công nghiệp như sau:

Bảng 1.1 Giá trị giới hạn nồng độ của một số ion kim loại

trong nước thải công nghiệp

từ dung dịch dưới dạng hiđroxit kim loại rất ít tan Trong phương pháp kết tủa đối vớikim loại thì pH đóng vai trò rất quan trọng Khi xử lý cần chọn tác nhân trung hòa vàđiều chỉnh pH phù hợp Phương pháp này chỉ là quá trình xử lý sơ bộ, đòi hỏi nhữngquá trình xử lý thiếp theo [2]

1.3.2 Phương pháp trao đổi ion

Đây là một trong những phương pháp thường được dùng để tách kim loại nặng

ra khỏi nước thải Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion dùng ionit là quá

trình trao đổi ion, quá trình này được tiến hành trong cột cationit và anionit Ionitđược làm từ nhựa hữu cơ tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc hyđrocacbon có cácnhóm chức trao đổi ion Khi nhựa trao đổi ion đã bão hòa, người ta khôi phục lạicationit và anionit bằng dung dịch axit loãng hoặc dung dịch bazơ loãng Về mặt kỹthuật hầu hết các kim loại nặng đều có thể tách ra bằng phương pháp trao đổi ion.Tuy nhiên phương pháp này cần có nguồn kinh phí lớn, đặc biệt đối với nhà máy cóquy mô lớn, lượng nước thải nhiều nên vẫn chưa được áp dụng phổ biến [1]

1.3.3 Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp có tính ưu việt hơnhẳn so với phương pháp khác Vật liệu hấp phụ thường được chế tạo từ các nguồnnguyên liệu sẵn có trong tự nhiên, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lýkhông đòi hỏi thiết bị phức tạp, đặc biệt các vật liệu hấp phụ có độ bền khá cao, cóthể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành xử lý thấp, tức hiệu quả kinh tế cao [17].Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ với chất hấp phụ là vật liệuchế tạo từ cây sen để hấp phụ Mn(II) và Fe(III)

1.3.4 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ

Chất bị hấp phụ: là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặtchất hấp phụ

Tùy theo bản chất của lực tương tác mà người ta chia hấp phụ thành hai loại:hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Hấp phụ vật lý là quá trình xảy ra bởi lựcVanderWaals giữa phần tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ, liên kết này yếu,

dễ bị phá vỡ Hấp phụ vật lý là quá trình thuận nghịch, các chất bị hấp phụ có thể dễdàng bị tách ra khỏi chất hấp phụ khi thay đổi điều kiện hấp phụ Hấp phụ hoá học là

quá trình hấp phụ xảy ra nhờ các lực liên kết hoá học giữa bề mặt chất hấp phụ vàphần tử chất bị hấp phụ, liên kết này bền, khó bị phá vỡ.

Trong thực tế, sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học chỉ làtương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt Trong một số hệ hấp phụ, sự hấpphụ xảy ra đồng thời cả hai qua trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [1, 17]

- Giải hấp phụ

Giải hấp phụ là sự đi ra của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ Quátrình này dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với qua trình hấp phụ.Đây là phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đặc trưng về hiệu quảkinh tế

Đối với hấp phụ vật lý để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thông qua các yếu tố sau:

+ Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ.+ Tăng nhiệt độ

+ Thay đổi bản chất tương tác của hệ thống thông qua thay đổi pH của môi trường

+ Sử dụng tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã hấp phụ trên bề mặtchất rắn

+ Sử dụng tác nhân là vi sinh vật

Dựa trên nguyên tắc giải hấp phụ nêu trên, một số phương pháp tái sinh vậtliệu hấp phụ đã được sử dụng: phương pháp nhiệt, phương pháp hoá lý, phương pháp

vi sinh [1]

- Dung lượng hấp phụ cân bằng

Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vịkhối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định về nồng độ vànhiệt độ [17]

Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:

Co: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/L)

Ccb: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L)

* Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ

Có thể mô tả quá trình hấp phụ dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ Đườngđẳng nhiệt hấp phụ biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thờiđiểm vào nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch tại thời điểm đó ởmột nhiệt độ xác định Đường đẳng nhiệt hấp phụ được thiết lập bằng cách cho mộtlượng xác định chất hấp phụ vào một lượng cho trước dung dịch có nồng độ đã biếtcủa chất bị hấp phụ

Với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng thì đường đẳng nhiệthấp phụ được mô tả qua các phương trình đẳng nhiệt: phương trình đẳng nhiệt hấpphụ Henry, Freundlich và Langmuir…[17].

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Henry

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry: mô tả sự tương quan tuyến tính giữalượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và nồng độ (áp suất) của chất bị hấp phụtrong pha thể tích ở trạng thái cân bằng:

q= K.C (1.6)Trong đó:

q: Lượng chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng (mg/g)

K: Hằng số hấp phụ Henry

C: Nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng bằng hấp phụ (mg/g)

Phương trình này chỉ áp dụng trong vùng áp suất hoặc nồng độ không cao

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là phương trình thực nghiệm mô

tả sự hấp phụ xảy ra trong phạm vi một lớp

Phương trình này được biểu diễn bằng một hàm số mũ:

k: hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố

khác n: hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn lớn hơn 1

Phương trình Freundlich phản ánh khá sát số liệu thực nghiệm cho vùng banđầu và vùng giữa của đường hấp phụ đẳng nhiệt tức là ở vùng nồng độ thấp của chất

bị hấp phụ

Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir:

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir là phương trình mô tả cân bằnghấp phụ đầu tiên được thiết lập bằng lí thuyết

Phương trình đẳng nhiệt Langmuir được xây dựng cho hệ hấp phụ rắn – lỏng

có dạng:

m ax

c b

cbTrong đó:

q: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)

qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

b: hằng số Langmuir

Phương trình đẳng nhiệt Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:

Khi b.Ccb<< 1 thì q = qmax.b.Ccb: mô tả vùng hấp phụ tuyến tính, lượng chất bịhấp phụ tỉ lệ thuận với nồng độ của dung dịch

Khi b.Ccb>> 1 thì q = qmax : mô tả vùng hấp phụ bão hoà

Để xác định các hằng số trong phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, có thể sử dụng phương pháp đồ thị bằng cách đưa phương trình về dạng đường thẳng:

* Quá trình hấp phụ động trên cột

Quá trình hấp phụ động trên cột được mô tả như sau [1]:

Cho một dòng khí hay dung dịch chứa chất bị hấp phụ qua cột hấp phụ Sau một thời gian thì cột hấp phụ chia làm ba vùng:

Vùng 1 (đầu vào nguồn xử lý): Chất hấp phụ đã bão hòa và đạt trạng thái cân bằng Nồng độ chất bị hấp phụ ở đây bằng nồng độ của nó ở lối vào

Vùng 2 (vùng chuyển khối): Nồng độ chất bị hấp phụ thay đổi từ giá trị nồng

độ ban đầu tới không

Vùng 3 (vùng lối ra của cột hấp phụ): Vùng mà quá trình hấp phụ chưa xảy ra, nồng độ chất bị hấp phụ bằng không

Chiều dài vùng chuyển khối là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu sự hấpphụ động trên cột Khi tỉ lệ giữa chiều dài cột hấp phụ với chiều dài vùng chuyển khốigiảm đi thì việc sử dụng cột cho một chu trình cũng giảm, lúc đó lượng chất hấp phụcần thiết tăng lên

Tại điểm cuối của cột hấp phụ, nồng độ của chất bị hấp phụ xuất hiện và tăng dầntheo thời gian Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nồng độ của chất bị hấp phụ trên cột hấpphụ theo thời gian được gọi là đường cong thoát và có dạng như hình 1.4

C0

0

t

Hình 1.4 Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ

trên cột hấp phụ theo thời gian

1.4 Giới thiệu về than

Than là một trong những chất có khả năng hấp phụ tốt và được sử dụngrộng rãi Thành phần hóa học chủ yếu của than là cacbon Việc lựa chọn nguyênliệu ban đầu cũng như quá trình hoạt hóa có liên quan chặt chẽ đến tính chất củathan Than được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu giàu cacbon như: gỗ, mùn cưa,

bã mía, trấu, lõi ngô

Phương pháp chế tạo than thường được tiến hành theo hai giai đoạn: than hóa

và hoạt hóa than

Than hóa thường được tiến hành ở nhiệt độ 400 ÷ 500°C Quá trình này, nhiệt

độ làm bay hơi và phân hủy các thành phần không phải cacbon Trong quá trình nàycần khống chế nhiệt độ và oxy để sự cháy và phân hủy mạng cacbon là ít nhất

Hoạt hóa than: là quá trình chế hóa than ở nhiệt độ cao trong môi trường hơinước hoặc khí CO2 Trong quá trình này, một phần cacbon sẽ bị khí hóa bớt để tạo ra

độ xốp cần thiết cho than Bề mặt riêng của than hoạt tính dao động trong khoảng

300-o

1000m2/g, còn đường kính lỗ nhỏ từ 30- 90 A Thường chọn nhiệt độ cho quá trìnhnày là 750- 950° C [17]

Để chế tạo than có thể sử dụng tác nhân hóa học như axit photphoric [32] hoặc

sử dụng axit sunfuric Axit sunfuric đặc hấp thụ mạnh hơi nước, nó có thể lấy nướccủa nhiều hợp chất hữu cơ như xenlulozơ, đường và biến chúng thành cacbon gọi là sựthan hóa [16]

Những tính chất đặc trưng của than

Than hoạt tính có những tính chất đặc trưng như: cấu trúc tinh thể, khối lượngriêng Ngoài ra than hoạt tính còn có những thông số cơ bản như: độ xốp, diện tích bềmặt, hệ mao quản và cấu trúc bề mặt [17]

- Độ xốp là tỉ số giữa thể tích của các lỗ xốp trên thể tích của vật xốp

- Thể tích lỗ xốp riêng là không gian rỗng tính cho một đơn vị khối lượng

- Bề mặt riêng là diện tích bề mặt tính cho một đơn vị khối lượng

- Hình dáng mao quản: trong thực tế rất khó xác định chính xác hình dáng củacác mao quản Song có bốn loại mao quản được thừa nhận là: mao quản hình trụ, hìnhcầu, hình khe, hình chai

- Phân bố kích thước của mao quản hay phân bố lỗ xốp dựa trên những giảthuyết về hình dáng mao quản Chúng được xác định theo sự biến đổi của thể tích haydiện tích bề mặt của mao quản với kích thước mao quản

Trong quá trình hấp phụ, yếu tố quan trọng đầu tiên để đánh giá khả năng hấpphụ của than là diện tích bề mặt riêng Thường thì diện tích bề mặt càng lớn sẽ có khảnăng hấp phụ càng cao, do có nhiều trung tâm hấp phụ trên bề mặt than Kích thướccủa mao quản và sự phân bố kích thước cũng là những yếu tố quan trọng để chọn cácloại than phù hợp với mục đích sử dụng Theo quy định của IUPAC, có thể chia maoquản thành ba loại dựa vào kích thước [21]

- Mao quản lớn: đường kính mao quản trung bình d ≥ 50 nm

- Mao quản trung bình: đường kính mao quản trung bình 2 nm <d < 50 nm

- Mao quản nhỏ: đường kính mao quản trung bình d < 2 nm

Đặc tính hóa học bề mặt của than

Khả năng hấp phụ của than hoạt tính được quyết định bởi cấu trúc vật lý và lỗxốp của chúng, nhưng cũng bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc hóa học Ngoài thànhphần chính là cacbon, than hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác (chiếm 5-10 %khối lượng than) Nhóm chức chứa oxy trên bề mặt than gọi là nhóm chức bề mặt.Trong quá trình hoạt hóa, tác nhân hoạt hóa phá hủy một phần mạng cacbon tinh thểtạo nên độ xốp Nguyên tử cacbon trên bề mặt chưa bị bão hòa hóa trị tạo ra các gốc

tự do Các gốc tự do là trung tâm tạo ra các nhóm chức bề mặt với mật độ tùy thuộcvào diện tích bề mặt than, bản chất của tác nhân hoạt hóa, điều kiện hoạt hóa, điềukiện bảo quản than

Nhóm chức bề mặt than biểu hiện hai tính chất: axit hoặc bazơ Nhóm chức thểhiện đặc tính nào thì chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hoạt hóa, quá trình xử lý than.Các nhóm chức bề mặt axit hay bazơ đều cùng tồn tại trên bề mặt một loại than, nhưngthường gặp nhóm axit nhiều hơn

Nhóm chức bề mặt ảnh hưởng đến đặc trưng bề mặt như tính ưa nước, độ phâncực, tính axit và đặc điểm hóa lý như khả năng xúc tác, dẫn điện Khả năng hấp phụ từdung dịch của than đối với các chất có tính chất phân cực khác nhau phụ thuộc vào cácnhóm chức bề mặt Phần lớn quá trình hấp phụ của các hợp chất kị nước thường giảmkhi hàm lượng nhóm chức axit tăng Ngoài ra nhóm chức bề mặt cũng ảnh hưởng đếnkhả năng khuếch tán của các phân tử trong mao quản.

Trong môi trường nước, bề mặt của than tích điện nên hình thành lớp điện képxung quanh bề mặt than Giá trị pH ở đó, mật độ điện tích các ion trên bề mặt ở trạngthái cân bằng (điểm điện tích bằng không) gọi là điểm đẳng điện Ở vùng pH dướiđiểm đẳng điện, bề mặt tích điện dương; vùng pH cao hơn điểm đẳng điện, bề mặt tíchđiện âm Điểm đẳng điện của than xử lý nước nằm trong phạm vi rộng 2,2- 10,6 [8]

1.5 Hấp phụ trong môi trường nước

1.5.1 Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước

Để tồn tại được ở trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trường nước bịhiđrat hoá tạo ra lớp vỏ là các phân tử nước, các phức chất hiđroxo, các cặp ion hayphức chất khác Tùy thuộc vào bản chất hóa học của ion, pH của môi trường, cácthành phần khác cùng có mặt mà hình thành các dạng tồn tại khác nhau [1]

1.5.2 Đặc điểm của sự hấp phụ trong môi trường nước

Hấp phụ trong môi trường nước diễn ra tương đối phức tạp Vì trong hệ có ítnhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ Do sự cómặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọcgiữa chất bị hấp phụ và dung môi tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấpphụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp

đó Thông thường, nồng độ chất tan trong dung dịch là nhỏ nên khi tiếp xúc với chấthấp phụ, các phần tử nước lập tức chiếm chỗ trên toàn bộ bề mặt chất hấp phụ Cácchất hấp phụ chỉ có thể đẩy phân tử nước để chiếm chỗ trên bề mặt chất hấp phụ Điềunày xảy ra khi tương tác giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ mạnh hơn tương tácgiữa chất hấp phụ và nước

Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bịhấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước củachất bị hấp phụ trong nước

15

Khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộcvào tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực đượchấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực và ngược lại Đối với các chất có độphân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion như SO 2

3 2

,PO-4 ,CrO 4 … thì quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua lớp điệnkép 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 hấpphụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do tương tác tĩnh điện Với cácion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn sẽ được hấp phụ tốt hơn do độ phân cựccao hơn và lớp vỏ hydrat nhỏ hơn [1]

Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của môi trường

Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ.Cácchất có tính axit yếu hoặc lưỡng tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dương hoặc trung hòatùy thuộc vào giá trị pH Ngoài ra sự biến đổi pH cũng ảnh hưởng đến nhóm chức bềmặt của chất hấp phụ, đến sự phân li của các nhóm chức [17]

Độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản của chất hấpphụ,… cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ

1.6 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử

1.6.1 Nguyên tắc

Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử dựa trên tính chất vật lí của các chất cótính chất hấp thu chọn lọc dòng ánh sáng đơn sắc Đây là phương pháp phân tích được

sử dụng phổ biến nhất trong các phương pháp phân tích hóa lý

Nguyên tắc chung của phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử là muốn xácđịnh một cấu tử X nào đó, ta chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sángrồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó ở một vùng phổ nhất định ứng với một bước sóngxác định, từ đó suy ra hàm lượng chất cần xác định X [9]

Cơ sở của phương pháp là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer - Lambert-Beer.Biểu thức của định luật:

- l là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua.

Như vậy, đường biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang A vào nồng độ

C của dung dịch phải có dạng y = a.x là một đường thẳng Tuy nhiên, do những yếu

tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch (mức độ đơn sắc của ánh sáng,

sự pha loãng dung dịch, nồng độ H+, sự có mặt của các ion lạ, hiệu ứng solvat hóa,hiệu ứng liên hợp ) nên đồ thị trên không có dạng đường thẳng với mọi giá trị củanồng độ Và biểu thức (1.13) có dạng:

xTrong đó:

Giá trị b = 1 khi nồng độ Cx nhỏ, khi Cx tăng thì b xa dần giá trị 1

Đối với một chất phân tích trong một dung môi xác định và trong một cuvet có

bề dày xác định thì ε = const và l = const Đặt K = k.ε.l ta có:

A  K.C b

 (1.15)Với mọi chất có phổ hấp thụ phân tử vùng UV-Vis thì luôn có một giá trị nồng

độ giới hạn Co xác định, sao cho:

- Với mọi giá trị Cx< Co: thì b = 1 và quan hệ giữa độ hấp thụ quang A và nồng

độ Cx là tuyến tính

- Với mọi giá trị Cx> Co: thì b < 1 (b tiến dần về 0 khi Cx tăng) và quan hệ giữa

độ hấp thụ quang A và nồng độ Cx là không tuyến tính

Phương trình (1.15) là cơ sở để định lượng các chất theo phương pháp đoquang phổ hấp thụ phân tử Trong phân tích người ta chỉ sử dụng vùng nồng độ tuyếntính giữa A và C, vùng tuyến tính này rộng hay hẹp phụ thuộc vào bản chất hấp thụquang của mỗi chất và các điều kiện thực nghiệm, với các chất có phổ hấp thụ UV-Vis càng nhạy, tức giá trị ε của chất đó càng lớn thì giá trị nồng độ giới hạn Co càngnhỏ và vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C càng hẹp [9].

1.6.2 Phương pháp đường chuẩn

Phương pháp đường chuẩn dựa trên sự phụ thuộc của độ hấp thụ phân tử vàoxvùng nồng độ nhỏ của cấu tử cần xác định trong mẫu theo phương trình: A = K.(Cx)b

để có sự phụ thuộc tuyến tính giữa A và C

Để xây dựng một đường chuẩn phục vụ cho việc định lượng một chất trước hếtphải pha chế một dãy dung dịch chuẩn có hàm lượng chất phân tích tăng dần trongcùng điều kiện.Tiến hành đo độ hấp thụ quang A của dãy dung dịch chuẩn đó Từ cácgiá trị độ hấp thụ quang A đo được dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụquang vào nồng độ các nguyên tố cần nghiên cứu, đồ thị A = f(C) được gọi là đườngchuẩn

Sau khi có đường chuẩn, pha chế các dung dịch cần xác định trong điều kiệnnhư dung dịch chuẩn Đo độ hấp thụ quang A của chúng được các giá trị Ax Dựa vàocác giá trị đo độ hấp thụ quang này và đường chuẩn xác định được nồng độ chất cầnphân tích [7]

1.7 Giới thiệu về cây sen

Cây sen (N Nucifera Gaert.) thuộc chi Nelumbo Adans, họ sen –

Nelumbonaceae, bộ sen - Nelumbonales, phân lớp Mộc Lan - Magnoliales, lớp hai lámầm - Dicotyledonae, ngành thực vật hạt kín - Angiospermea Trước đây cây sen chủyếu mọc hoang dại theo trạng thái tự nhiên nhưng hiện nay ở một số nơi cây sen đượctrồng Cây sen đã mang lại hiệu quả kinh tế cao và còn được dùng làm cây cảnh ở cáccông sở, trường học Ở Việt Nam cây sen phân bố rộng rãi khắp mọi nơi trong các ao,

hồ, đầm lầy, hay ruộng sâu, các tỉnh trồng nhiều sen như Bắc Ninh, Bắc Giang, HàNội, Thanh Hóa, Nghệ An và khu vực Đồng Bằng sông Cửu Long như Đồng Tháp, AnGiang, Sóc Trăng, Long An [12]

Sen là một loại cây thủy sinh sống lâu năm, có hệ thống thân rễ phát triển, phânnhánh ngang nằm sâu ở lớp bùn đến 0,5m Từ các đốt vào phần đầu của thân rễ, hàngnăm mọc lên nhiều lá Độ dài cuống lá tùy thuộc vào mức nước nông hay sâu để phiến

lá vượt lên khỏi mặt nước, thực hiện chức năng hô hấp và quang hợp Cây ra hoa, hoa

nở buổi sáng, thụ phấn buổi trưa hoặc đầu buổi chiều Khả năng tái sinh tự nhiên củasen chủ yếu từ hạt Tuy nhiên, các đoạn thân rễ cũng được sử dụng để nhân giống

Hình 1.5 Hình ảnh hoa sen

Giá trị của cây sen không chỉ dừng lại ở ý nghĩa về mặt tinh thần mà nó còn cógiá trị kinh tế cao Các bộ phận của cây sen đều có thể được dùng làm thuốc trongđông y Hạt sen có vị ngọt, tính bình có tác dụng bổ dưỡng, an thần, trị các chứng tiêuchảy kéo dài, suy dinh dưỡng Gương sen có vị đắng chát, có tác dụng tiêu u, cầmmáu, chữa táo bón Hoa sen có vị đắng, tính ấm có tác dụng trị thấp, cầm máu vàchống mụn nhọt Nhị sen có tác dụng ích thận, thanh thần, bổ huyết, sáp tinh và chốngbăng huyết Lá sen có vị đắng, tính mát có tác dụng cầm máu, chữa an thần, hạ huyết

áp, băng huyết Lá sen có tác dụng an thần, trợ tim, hạ huyết áp nhẹ Ngó sen có tínhmát, tác dụng chữa huyết áp Củ sen có nhiều chất dinh dưỡng như protein và vitamin

C, khi dùng làm thực phẩm có tác dụng tăng cường chức năng tim, dạ dày

1.8 Một số phương pháp đặc trưng vật liệu

1.8.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét

- Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy – SEM)dùng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu

- Nguyên lý: Phương pháp hiển vi điện tử quét hoạt động trên nguyên tắc dùngmột chùm điện tử hẹp chiếu lên bề mặt mẫu, điện tử sẽ tương tác với bề mặt mẫu đo vàphát ra các bức xạ thứ cấp (điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược ) và từ việc thu các

bức xạ thứ cấp này, ta sẽ thu được hình ảnh vi cấu trúc tại bề mặt mẫu Hiểu một cáchđơn giản là dùng đèn soi lên bề mặt một vật và nhìn ánh sáng phản xạ để biết tấm hìnhthù ra sao.

1.8.2 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng

Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng phương trình BET ở dạng sau:

và quay (liên quan đến sự quay của phân tử xung quanh trục liên kết) Dạng nănglượng được sinh ra khi chuyển dịch giữa các mức này ở dạng lượng tử hóa, nghĩa làchỉ có thể biến thiên một cách gián đoạn Hiệu số năng lượng (phát ra hay hấp thụ)được tính theo công thức Bohr:

ΔE = hν (1.16)Trong đó, ΔE là biến thiên năng lượng, h là hằng số Planck, ν là tần số daođộng (số dao động trong một đơn vị thời gian)

Phổ hồng ngoại thường được ghi với trục tung biểu diễn độ hấp thụ A, trụchoành biểu diễn số sóng với trị số giảm dần (4000 - 400cm-1) Hầu hết các nhómnguyên tử trong hợp chất hữu cơ hấp thụ ở vùng 4000 - 650cm-1 Vùng phổ từ

4000 - 1500cm-1 được gọi là vùng nhóm chức vì chứa hầu hết các vân hấp thụ của các

nhóm chức như OH, NH, C=O, C=N, C=C Vùng phổ nhóm chức tập trung vào bốnvùng mà ở mỗi vùng, tần số đặc trưng của nhóm có giá trị thay đổi phụ thuộc vào cấutạo của phân tử: vùng 3650-2400cm-1 chứa các vân dao động hóa trị của X-H (X: O,

N, C, S, P.); vùng 2400-1900cm-1 gồm các vân do dao động hóa trị của các nhómmang liên kết ba hoặc hai liên kết đôi kề nhau; vùng 1900 - 1500cm-1 chứa các vândao động hóa trị của các nhóm mang liên kết đôi và do dao động biến dạng của nhóm -

NH2 Vùng phổ 1500- 700cm-1 mặc dù có chứa các vân hấp thụ đặc trưng cho daođộng hóa trị của các liên kết đơn như C-C, C-N, C-O và các vân do dao động biếndạng của các liên kết C-H, C-C nhưng thường được dùng để nhận dạng toàn phân tửhơn là để xác định các nhóm chức, vì ngoài vân hấp thụ trên còn có nhiều vân hấp thụxuất hiện do tương tác mạnh giữa các dao động

1.8.4 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng

Phương pháp đo phổ tán sắc năng lượng tia X là kỹ thuật phân tích thành phầnhóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác vớicác bức xạ (chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử).Khi chùm điện tử có năng lượng lớn được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâuvào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử Tươngtác này dẫn đến việc tạo ra các tia X Tần số tia X phát ra đặc trưng với nguyên tử củamỗi chất có mặt trong chất rắn Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thôngtin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ lệphần trăm các nguyên tố này

1.9 Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu hấp phụ

Phụ phẩm nông nghiệp có tính chất xốp và nhẹ do có tính chất sợi, là vật liệu lítưởng để chế tạo chất hút bám cho hấp phụ kim loại Nhóm chức bề mặt cacboxyl vàhyđroxyl có ái lực cao đối với các ion kim loại nặng Dùng biến đổi hoá học có thểlàm phóng to diện tích bề mặt, vị trí hấp phụ, lỗ xốp của vật liệu này… do đó cải thiệnđược khả năng hấp phụ mà không ảnh hưởng đến môi trường [27]

Dưới đây là một số phụ phẩm nông nghiệp được chế tạo thành vật liệu hấp phụ

có khả năng xử lý nguồn nước bị ô nhiễm các kim loại nặng

Bã mía: được biến tính bằng nhiều phương pháp sẽ tạo thành những vật liệu

khác nhau và khả năng hấp phụ khác nhau Bã mía được đánh giá là vật liệu có khảnăng hấp phụ tốt Bã mía khi được hoạt hoá bằng các tác nhân như: anhyđrit succinic,

axit xitric, fomanđehit, axit sunfuiric [28] để xử lý ô nhiễm kim loại nặng hay cáchợp chất hữu cơ độc hại đã được nghiên cứu thực hiện bởi các nhóm nghiên cứu ởBrazil, Ấn Độ, khoa Kỹ thuật - trường Đại học Putra Malaysia [34, 37, 38].

Vỏ lạc: Được sử dụng để chế tạo than hoạt tính với khả năng tách Cd2+ rất cao,chỉ cần hàm lượng than hoạt tính là 0,7 g/l có thể hấp phụ rất tốt dung dịch chứa Cd2+nồng độ 20 mg/L Nếu so sánh với các loại than hoạt tính thông thường thì khả nănghấp phụ của nó cao gấp 31 lần [23]

Vỏ đậu tương: Có khả năng hấp phụ tôt đối với nhiều ion kim loại nặng như

Cd2+, Zn2+, và một số hợp chất hữu cơ, đặc biệt hấp phụ rất tốt Cu2+ Vỏ đậu tươngsau khi xử lý với Natri hiđroxit và axit xitric thì dung lượng hấp phụ cực đại lên tới

108 mg/g [41]

Lõi ngô: sau khi được xử lý bằng natri hiđroxit và axit photphoric thì hiệu quả

hấp phụ tương đối cao, dung lượng hấp phụ cực đại đối với Cd2+ và Cu2+ lần lượt là25mg/g và 69mg/g [40]

Xơ dừa: được chuyển thành than hoạt tính dùng để hấp phụ các ion kim loại

Cd2+, Ni2+, Cu2+ có trong nước thải công nghiệp Than xơ dừa là chất hấp phụ có hiệuquả đối với Cr(VI), V5+, Ni2+, Hg2+ Xơ dừa cũng được sử dụng để hấp phụ Co3+, Cr3+,

Ni2+ từ dung dịch [30]

Trấu: có tiềm năng để sử dụng làm chất hấp phụ chi phí thấp Roy đã chứng

minh vỏ trấu hấp phụ các kim loại nặng As, Cd, Cr, Pb ( trên 99%) và Sr (94%) Than

vỏ trấu loại bỏ 23,4 mg/g Cr(VI) trong dung dịch tại pH = 2 Daifullah sử dụng vỏ trấuloại bỏ các kim loại từ một hỗn hợp phức tạp chứa 6 kim loại nặng (Fe, Mn, Zn, Cu,

Cd và Pb) và hiệu quả đạt gần 100% Vỏ trấu biến tính được áp dụng cho sự hấp phụCr(VI) từ dung dịch [39]

Tác giả Hai Liu và cộng sự [32] đã nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thâncây sen bằng cách than hóa bởi hai tác nhân H3PO4 40% và hỗn hợp H3PO4,pentaerythritol (PER) (tỉ lệ 0,2 mol H3PO4: 0,1 mol PER) thu được than AC-H3PO4 vàAC-PER dùng để hấp phụ ion Ni2+ trong nước thải Kết quả nghiên cứu cho thấy cảdiện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của than hoạt tính AC-H3PO4 (SBET = 1418,78

m2/g; 1,253 cm3/g) cao hơn hẳn than AC-PER (SBET = 342,67 m2/g; 0,273 cm3/g) Tuy

nhiên các kết quả nghiên cứu về BET, SEM, FTIR, XPS cho thấy rằng than AC-PERchứa nhiều các nhóm chức chứa oxi trên bề mặt hơn AC-H3PO4 Việc thêm PER vào

quá trình than hóa thân sen chỉ làm giảm diện tích bề mặt riêng nhưng làm tăng đáng

kể số lượng nhóm chức bề mặt có tính axit của cacbon Điều đó được thể hiện thôngqua dung lượng hấp phụ cực đại Ni2+ của AC-PER và AC-H3PO4 theo mô hình đẳngnhiệt Langmuir là 0,92 mmol/g và 0,58 mmol/g

Tác giả Weifeng Liu [33] và cộng sự đã nghiên cứu so sánh khả năng loại bỏnorfloxacin khỏi dung dịch nước của hai vật liệu hấp phụ oxit nhôm hoạt hóa bằng Fe(Al2O3/Fe) và than hoạt tính chế tạo từ thân sen (LAC) Các kết quả nghiên cứu chothấy vật liệu Al2O3/Fe loại bỏ norfloxacin tối đa 21,58 mmol/g ở pH = 6,5 và than LACloại bỏ norfloxacin tối đa 922,70 mmol/g ở pH = 5,5 theo mô hình đẳng nhiệtLangmuir

Tác giả Hai Liu và cộng sự [31] nghiên cứu so sánh các đặc trưng vật lý, bướcđầu nghiên cứu khả năng loại bỏ Cd(II) của than hoạt tính chế tạo từ thân sen bằngcách hoạt hóa bởi hai tác nhân H3PO4 85% (PPA) và Guanidine phosphate (GPP) thuđược hai loại than AC-PPA và AC-GPP Kết quả nghiên cứu cho thấy mặc dù thanAC-GPP có diện tích bề mặt riêng nhỏ hơn AC-PPA (491 m2/g và 1503 m2/g) nhưngkhả năng hấp phụ Cd(II) của than AC-GPP cao gấp 3-4 lần so với AC-PPA và chứanhiều các nhóm chức cơ bản vả tổng quát hơn trên bề mặt Việc than hóa bằng GPP đãlàm xuất hiện các nhóm chức mới chứa Nitơ trên bề mặt than: O=C−NH− và C−NH2,các nhóm này đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ Cd(II)

* Một số kết quả trong và ngoài nước về nghiên cứu hấp phụ ion Mn(II), Fe(III)

Tác giả Abdessalem Omri và cộng sự [25] đã nghiên cứu loại bỏ ion Mn(II)trong dung dịch nước bằng vật liệu hấp phụ là than hoạt tính chế tạo từ một loại hạt cótên Ziziphus spina Vật liệu chế tạo được có diện tích bề mặt là 914,23m2/g Tác giả đãxác định được dung lượng hấp phụ cực đại đối với quá trình hấp phụ Mn(II) của vậtliệu hấp phụ là 172mg/g

Tác giả Abideen Idowu Adeogun [26] đã nghiên cứu sử dụng vỏ trấu, thân câyngô để hấp Phụ các ion Mn(II) và Pb(II) trong nước Kết quả cho thấy dung lượng hấpphụ cực đại đối với Mn(II) đạt 8,52mg/g và đối với Pb(II) đạt 7,38 mg/g tương ứng trênvật liệu thô (UTCS) Trên vật liệu biến tính axit (ATCS) dung lượng hấp phụ cực đạiđối với Mn(II) đạt 9,00 mg/g và đối với Pb(II) đạt 9,33 mg/g Nghiên cứu cho thấy quá