Nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải

ðề tài nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ ñể hấp phụ các ion ñộc hại trong nước là một trong những giải pháp kỹ thuật nhằm ñáp ứng ñược yêu cầ

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn ñối với các thầy giáo hướng dẫn là TS PHAN ðÌNH TUẤN và ThS HOÀNG MINH NAM ñã tận tình hướng dẫn, giúp ñỡ và tạo ñiều kiện cho tôi ñược hoàn thành luận văn

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn ñến Quý Thầy Cô khoa Công Nghệ Hóa Học Trường ðại Học Bách Khoa, ðại Học Quốc Gia Tp HCM ñã tạo ñiều kiện và giúp

ñỡ tôi trong thời gian tôi học tập và làm luận văn tại Trường

Tôi cũng xin ñược gửi lời cảm ơn ñến Quý thầy Cô, Cán Bộ Công Nhân Viên Trung Tâm Thực Hành Công Nghệ Hóa Học - Trường ðại Học Công Nghiệp

Tp HCM về những sự giúp ñở quý báu trong quá trình tôi thực hiện luận văn

ABSTRACT

The waste water treatment is of great importance in environmental protection For an effective treatment of waste water, a lot of adsorbents has been discovered and developed Among the possible adsorbents, bone-black appears to

be of important application, especially for heavy metals

The thesis focused on the technology to produce bone-black and possible application in removing heavy metals from waste water It has been found that the main components of bone-black are carbon (10%), calcium phosphate (84%) in the form of carbornate-hydroxyl-apatite and calcium carbonate (6%) The produced bone-black can effectively adsorb lead cation and Asenic anion The positive research results of the adsorption on bone-black have pointed out a possible application of the adsorbent in future

TÓM TẮT

Xã hội càng phát triển, các hoạt ñộng con người ñược mở rộng ra nhiều lĩnh vực trong Nông Nghiệp, Công Nghiệp….Bên cạnh cũng sản sinh ra nhiều chất thải ñộc hại khó phân hủy và khó loại bỏ ñặc biệt là các kim loại nặng, các chất hữu cơ làm ô nhiễm môi trường ñất, môi trường nước Trong ñó thì Asen và Chì là các chất

có ñộc tính rất cao, có khả năng ảnh hưởng ñến sức khỏe con người nhiều dù với hàm lượng rất nhỏ Do ñó việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu có khả năng xử

lý ô nhiễm môi trường nước, loại bỏ các ion ñộc hại nói chung, Asen và Chì nói riêng là một yêu cầu thiết thực trong cuộc sống ngày nay

Hiện nay có nhiều nghiên cứu về phương pháp xử lý nước thải như: xử lý bằng phương pháp hóa học, phương pháp vật lý, phương pháp ñiện hóa, phương pháp dùng màng trao ñổi ion… Nhiều nghiên cứu ñã thành công và ñược ứng dụng trong thực tế Tuy nhiên việc tìm kiếm một giải pháp hữu hiệu trong việc xử lý môi trường là vấn ñề luôn luôn cần thiết Hơn nữa ngoài việc xử lý nước thải gây ô nhiễm môi trường, quá trình xử lý có kèm theo việc thu hồi các chất ñộc hại trong nước thải, ñặc biệt là các chất phóng xạ, kim loại nặng, các ion ñộc hại như Asen

ðề tài nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương và khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ ñể hấp phụ các ion ñộc hại trong nước là một trong những giải pháp kỹ thuật nhằm ñáp ứng ñược yêu cầu trong việc xử lý nước thải, góp phần bảo vệ môi trường

Than xương có thành phần chính là carbonate - hyñroxylapatite Công thức tổng quát [Cax.(PO4)y.(CO3)z.OH] Do ñặc ñiểm cấu tạo than xương nhiều tâm hấp phụ nên nó có khả năng hấp phụ và trao ñổi ion rất tốt, ñặc biệt là hấp phụ các kim loại nặng, các ion có ñộc tính cao… Ngoài ra than xương còn có khả năng ñược ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác Luận văn này nghiên cứu xác ñịnh quy trình chế tạo than xương hợp lý và xem xét khả năng hấp phụ của loại than xương này ñối với một số ion ñộc hại như ion Asen, Chì

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

ABSTRACT 2

TÓM TẮT 1

MỤC LỤC 2

DANH SÁCH HÌNH VÀ BẢNG BIỂU 4

Phần 1 TỔNG QUAN 6

1.1 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ 7

1.1.1 Khái niệm 7

1.1.2 Chất hấp phụ 9

1.1.3 Tính hấp phụ 10

1.1.4 Tính trao ñổi ion 14

1.2 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT THAN XƯƠNG 16

1.2.1 Mở ñầu 16

1.2.2 Tính hấp phụ của than xương 18

1.2.3 Phương pháp chế tạo và ứng dụng 18

1.3 KHÁI QUÁT VỀ ASEN VÀ CHÌ 21

1.3.1 TÍNH CHẤT CỦA ASEN VÀ HỢP CHẤT CỦA NÓ 21

1.3.2 TÍNH CHẤT CỦA CHÌ VÀ HỢP CHẤT CỦA NÓ 25

Phần 2 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 28

2.1 HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ PHÂN TÍCH 29

2.2 NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THAN XƯƠNG 29 2.2.1 Nguyên liệu 29

2.2.2 Xử lý nguyên liệu 30

2.2.3 Nung xương 31

2.2.4 Xác ñịnh tính chất cấu trúc của than xương 44

2.3 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THAN XƯƠNG LÀM CHẤT HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 44

2.3.1 Quá trình nghiên cứu 44

2.3.2 Các phương pháp Phân tích 45

2.3.3 Chuẩn bị mẫu 48

2.3.4 Kết quả nghiên cứu 49

Phần 3 THẢO LUẬN KẾT QUẢ 55

3.1 Quá trình chế tạo than xương 56

3.1.1 Phân tích phổ nhiễu xạ tia X 56

3.1.2 ðo diện tích bề mặt BET 57

3.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ nung ñến khả năng hấp phụ của than xương 57

3.1.4 Ảnh hưởng thời gian nung ñến khả năng hấp phụ của than xương 58

3.2 Khả năng ứng dụng than xương làm chất hấp phụ 61

3.2.1 Ảnh hưởng nồng ñộ ñến quá trình hấp phụ 61

3.2.2 Ảnh hưởng của pH ñến quá trình hấp phụ 65

3.2.3 Nghiên cứu sự thay ñổi nồng ñộ hấp phụ theo thời gian 66

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 75

Phụ lục 1 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG ASEN TRONG MẪU NƯỚC THẢI i

Phụ lục 2 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH XRD (X-RAY) CỦA MẪU THAN XƯƠNG ii

Phụ lục 3 KẾT QUẢ ðO XÁC ðỊNH BỀ MẶT RIÊNG CỦA MẪU THAN XƯƠNG THEO PHƯƠNG PHÁP BET iii

Phụ lục 4 BẢNG GIÁ TRỊ GIỚI HẠN CHO PHÉP CỦA CÁC THÔNG SỐ VÀ NỒNG ðỘ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC NGẦM (TCVN 5944 - 1995) iv Phụ lục 5 NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP GIÁ TRỊ GIỚI HẠN CÁC THÔNG SỐ VÀ NỒNG ðỘ CHẤT Ô NHIỄM (TCVN 5945 - 1995) v

DANH SÁCH HÌNH VÀ BẢNG BIỂU

1 Danh sách hình

Hình 1.1 Hình ảnh than xương ñược làm từ xương ngà voi 19

Hình 1.2 Hình ảnh cấu trúc của tinh thể than x ương ñược làm từ xương ñộng vật 20

Hình 1.3 Cấu trúc mạng tinh thể thành phần carbonate - hy ñroxylapatite 20

Hình 2.1 Hình ảnh xương làm mẫu nghiên cứu chế tạo ñã qua sơ chế 30

Hình 2.2 Quy trình xử lý nguyên liệu xương 31

Hình 2.3 Các bước thí nghiệm ñược tiến hành trong quá trình nung xương 32

Hình 2.4 Ảnh than xương khi nung ở các nhiệt ñộ khác nhau 34

Hình 2.5 Hình ảnh thử hoạt tính hấp phụ của than xương với KMnO4 35

Hình 2.6 Hình ảnh thử khả năng hấp phụ màu của than xương 36

Hình 2.7 Ảnh chụp thử khả năng hấp phụ màu Metylen xanh 39

Hình 2.8 Mẫu than xương BB 650-120 44

Hình 2.9 Hình ảnh chiết mẫu Chì bằng dithizon 47

Hình 2.10 Hình ảnh quá trình khảo sát pH theo thời gian 52

Hình 3.1 Ảnh hưởng nhiệt ñộ nung xương ñến khả năng hấp phụ 57

Hình 3.2 Ảnh hưởng thời gian nung xương ñến khả năng hấp phụ trên thuốc thử KMnO4 và xanh metylen 59

Hình 3.3 ðường hấp phụ ñẳng nhiệt của Asen 61

Hình 3.4 ðường hấp phụ ñẳng nhiệt của Asen – Chì 62

Hình 3.5 ðường hấp phụ ñẳng nhiệt của Chì 62

Hình 3.6 ðồ thị xác ñịnh các hằng số trong phương trình BET của Asen 64

Hình 3.7 ðồ thị xác ñịnh các hằng số trong phương trình BET của Asen 64

Hình 3.8 Sự thay ñổi pH của dung dịch trong quá trình hấp phụ ion Pb2+ 65

Hình 3.9 Ảnh hưởng sự hấp phụ than xương theo thời gian ñối với dung dịch Chì 67

Hình 3.10 Ảnh hưởng sự hấp phụ than xương theo thời gian lên dung dịch Asen 68

2 Danh sách bảng biểu

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ nung ñến ñộ thu hồi than xương 33

Bảng 2.2 Ảnh hưởng chế ñộ nhiệt ñộ khi nung tới khả năng hấp phụ của than xương 34

Bảng 2.3 Mức ñộ hấp phụ lần thứ 2 với các mẫu than xương thu ñược 37

Bảng 2.4 Bảng thử khả năng hấp phụ màu Metylen xanh 0,001% 38

Bảng 2.5 Thử khả năng hấp phụ màu của than xương lần 2 39

Bảng 2.6 Thử khả năng hấp phụ màu Metylen xanh 0.1% 40

Bảng 2.7 Ảnh hưởng của thời gian nung ñến ñộ thu hồi than xương 41

Bảng 2.8 Ảnh hưởng thời gian nung ñến tính chất của than xương thu ñược 42

Bảng 2.9 Ảnh hưởng thời gian nung ñến tính chất của than xương thu ñược 43

Bảng 2.10 Pha mẫu mẫu nước từ dung dịch Asen và Chì có nồng ñộ 1000mg/l 45

Bảng 2.11 Lấy mẫu ño trắc quang 47

Bảng 2.12 Kết quả ño ñộ hấp thu các mẫu dung dịch Chì 48

Bảng 2.13 Ảnh hưởng của nồng ñộ Asen lên chất hấp phụ than xương 50

Bảng 2.14 Ảnh hưởng của nồng ñộ Chì lên chất hấp phụ than xương 50

Bảng 2.15 Ảnh hưởng của nồng ñộ Chì – Asen lên chất hấp phụ than xương 51

Bảng 2.16 Bảng số liệu khảo sát ảnh hưởng của pH ñến hấp phụ Chì 52

Bảng 2.17 Sự thay ñổi nồng ñộ Chì bị hấp phụ theo thời gian tiếp xúc pha 53

Bảng 2.18 Sự thay ñổi nồng ñộ Asen bị hấp phụ theo thời gian tiếp xúc pha 54

Phần 1TỔNG QUAN

1.1 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ

1.1.1 Khái niệm [15, 19, 31, 32, 33]

Bề mặt chất rắn có khuynh hướng hấp dẫn các cấu tử trong pha khí và pha lỏng bao quanh nó Các cấu tử này thường bị giữ thành một lớp hay thỉnh thoảng nhiều lớp trên bề mặt chất rắn Nếu thành phần các cấu tử trên bề mặt chất rắn khác với thành phần trong pha khí hoặc pha lỏng thì tạo nên cơ sở quá trình phân riêng

Trong ña số trường hợp, chất hấp phụ (chất rắn) phải liên kết thuận nghịch với các cấu tử bị hấp phụ ñể có thể tái sử dụng chất hấp phụ Như vậy quá trình hấp phụ là quá trình hút chọn lọc các cấu tử trong pha khí hay pha lỏng trên bề mặt chất rắn

Quá trình hấp phụ ñược thực hiện bằng cách cho tiếp xúc hai pha không hòa tan là pha rắn (chất hấp phụ) với pha khí hoặc pha lỏng Dung chất (chất bị hấp phụ)

sẽ ñi từ pha lỏng (hoặc khí) ñến pha rắn cho ñến khi nồng ñộ của dung chất phân bố giữa hai pha ñạt cân bằng Về nguyên tắc, các kỹ thuật ñã ñược sử dụng ñể thực hiện quá trình tiếp xúc giữa hai pha không hòa tan ñều có thể thực hiện ñược cho quá trình hấp phụ

Một quá trình lỏng – rắn khác là quá trình trao ñổi ion, ñó là quá trình trao ñổi thuận nghịch giữa một chất rắn nhất ñịnh và dung dịch ñiện giải Quá trình liên

hệ ñến bản chất hóa học của sự tương tác giữa ion với chất rắn và sự khếch tán của các ion trong pha rắn ðây là hiện tượng phức tạp hơn hấp phụ nhưng kỹ thuật chung và kết quả nhận ñược là tương tự

ðể hiểu ñược bản chất của quá trình hấp phụ, ta phân biệt hai loại hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

1.1.1.1 Hấp phụ vật lý

Hấp phụ vật lý hay hấp phụ “Van Der waals” là hiện tượng tương tác thuận nghịch của các lực hút giữa các phân tử chất rắn và chất bị hấp phụ Ví dụ khi các lực hút tương tác giữa các phân tử chất rắn và chất khí lớn hơn lực hút giữa các

phân tử chất khí thì các chất khí sẽ ngưng tụ trên bề mặt chất rắn mặc dù áp suất của chất khí nhỏ hơn áp suất hơi ở cùng nhiệt ñộ Quá trình này ñi kèm với hiện tượng phát nhiệt, lượng nhiệt thoát ra lớn hơn ẩn nhiệt hóa hơi và gần bằng nhiệt thăng hoa của chất khí Dung chất không thẩm thấu vào mạng tinh thể của chất rắn mà bị giữ trên bề mặt chất rắn Khi ñạt cân bằng áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ sẽ bằng với áp suất của pha khí, nếu hạ áp suất khí hoặc tăng nhiệt ñộ, chất bị hấp phụ

sẽ nhả hấp nguyên dạng Quá trình hấp phụ trong công nghiệp ñược xem xét tùy thuộc trên tính thuận nghịch ñể thu hồi chất hấp phụ dùng lại, thu hồi chất bị hấp phụ, ñể tách một hỗn hợp

1.1.1.2 Hấp phụ hóa học

Hấp phụ hóa học hay còn gọi là hấp phụ hoạt hóa, là kết quả của sự tương tác hóa học giữa chất rắn và chất bị hấp phụ Nhiệt phát ra trong hấp phụ hóa học thường lớn cở nhiệt phản ứng Quá trình thường là không thuận nghịch Hấp phụ hóa học thường có tầm quan trọng ñặc biệt trong phản ứng xúc tác và không xét ñến

ở ñây

Quá trình hấp phụ ñược phát hiện vào thế kỷ 19 nhưng lúc ñó chưa phổ biến rộng rãi, cho ñến thấp niên 40 - 50 bước ñầu sử dụng than hoạt tính vào việc xử lý nước thải ñô thị

Hấp phụ có thể thực hiện cho nhiều hoạt ñộng mà khó thực hiện ñược bằng các kỹ thuật thông thường khác như: hấp thụ, chưng cất, dùng màng trao ñổi ion Thời gian gần ñây các ứng dụng cho quá trình hấp phụ ñược phát triển nhanh vì nhu cầu về chất lượng bảo vệ môi trường ngày càng cao, ñồng thời các ưu ñiểm cho quá trình hấp phụ thì ñáp ứng ñược cho các yêu cầu trên Những chất hấp phụ mới ñược tổng hợp liên tục làm cải thiện tính hấp phụ ngày càng tốt hơn Tuy nhiên ñể nghiên cứu một chất hấp phụ mới ứng dụng cho một phản ứng mới phải mất từ vài tháng ñến vài năm, nhờ vậy các nhà khoa học càng hiểu sâu hơn về cơ chế hấp phụ giúp cho họ thiết kế và mô phỏng quá trình hấp phụ ñược chính xác và nhanh hơn

ða số các chất khoáng và những nguyên liệu vô cơ thường làm nguyên liệu

ñể tổng hợp chất hấp phụ, ñã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo thành công một số chất hấp phụ như: hợp chất aluminate, silicate, zeolites Tuy nhiên khả năng hấp phụ chưa cao ðể ñánh giá một chất hấp phụ người ta thường dựa trên một số tính năng hấp phụ qua các tính chất chung như: khả năng hấp phụ, tính chọn lọc, khả năng tái sinh hấp phụ, giá thành sản xuất

Xử lý nước hấp phụ có thể tái sinh, tức là thu hồi và tận dụng chất thải và phân hủy, tiêu hủy chất thải cùng với chất hấp phụ Hiệu quả xử lý của phương pháp này ñạt 80 – 95% và phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất hấp phụ, diện tích bề mặt chất hấp phụ, cấu trúc hóa học của chất cần hấp và trạng thái của nó trong dung dịch

Ứng dụng hấp phụ ñược biết nhiều nhất là làm sạch nước thải, ñặc biệt là nước thải ñô thị, ngoài ra nó còn dùng ñể làm sạch khí, xử dụng làm phương tiện ñể tách chất từ hỗn hợp lỏng Có nhiều ứng dụng cho quá trình hấp phụ, tuy nhiên chọn lựa ñể tìm chất hấp phụ sẽ tốt hơn cho việc tìm một quá trình hấp phụ

1.1.2 Chất hấp phụ

ðể làm chất hấp phụ người ta sử dụng than hoạt tính, các chất tổng hợp và chất thải của một số ngành sản xuất (tro, xỉ, mặt cưa…) Chất hấp phụ vô cơ như ñất sét, Silicagen, keo nhôm và các hydroxyt kim loại ít ñược sử dụng vì năng lương tương tác tương ñối lớn Phổ biến nhất là than hoạt tính, nhưng cần có các tính chất xác ñịnh như: tương tác yếu với phân tử nước và mạnh với các chất hữu cơ, có lỗ xốp thô tương ñối (8 – 50 Ao) ñể có thể hấp phụ các phân tử hữu cơ lớn và phức tạp,

có lượng chất bị hấp phụ lớn trong thời gian tiếp xúc ngắn, tính chọn lọc cao và có khả năng ñược phục hồi Ngoài ra, than phải bền nước và thấm nước nhanh Trong quá trình xử lí nước thải, người ta sử dụng than nhuyễn với kích thước hạt 0,25 – 0,5mm và than phân tán cao với hạt nhỏ hơn 40mm

Quan trọng là than phải có hoạt tính xúc tác thấp ñối với phản ứng oxy hóa

và trùng ngưng vì một số chất hữu cơ trong nước thải có khả năng bị oxy hóa và bị

hóa nhựa Các quá trình này ñược thúc ñẩy bởi xúc tác Các chất hóa nhựa bít kín lỗ xốp của than và gây khó khăn cho việc tái sinh nó ở nhiệt ñộ thấp Cuối cùng chúng phải có giá thành thấp, không giảm khả năng hấp phụ ngay khi tái sinh và bảo ñảm

số chu kỳ làm việc lớn Nguyên liện ñể sản xuất than hoạt tính có thể là bất kì vật liệu nào chứa cacbon nào như: than, gỗ, polymer, chất thải rắn của công nghiệp thực phẩm, giấy …

Vận tốc của quá trình hấp phụ phụ thuộc vào nồng ñộ, cấu trúc của chất hòa tan, nhiệt ñộ nước, dạng và tính chất hấp phụ, trong trường hợp tổng quát quá trình hấp phụ bao gồm 3 giai ñoạn:

- Chuyển vật chất từ nước thải ñến bề mặt hạt hấp phụ (khuếch tán ngoài)

- Hấp phụ

- Chuyển vật chất vào trong hạt hấp phụ (khuếch tán trong)

Quá trình hấp phụ diễn ra nhanh nên giai ñoạn xác ñịnh quá trình hấp phụ có thể là khuếch tán ngoài hoặc khuếch tán trong Trong một số trường hợp cả hai giai ñoạn khuếch tán cùng quyết ñịnh vận tốc hấp phụ

Trong vùng khuếch tán ngoài vận tốc truyền khối ñược xác ñịnh chủ yếu bằng cường ñộ rối của dòng, mà trước hết nó phụ thuộc vào vận tốc chất lỏng Trong vùng khuếch tán trong cường ñộ truyền khối phụ thuộc dạng và kích thước lỗ xốp, hình dạng và kích thước hạt, kích thước phân tử chất cần hấp phụ và hệ số truyền vật chất ðể tính toán sơ bộ nên chọn vận tốc dòng chảy 1,8m/h và ñường kính dhạt= 2,5mm Nếu vận tốc dòng chảy và kích thước hạt nhỏ hơn các giá trị vừa nêu thì quá trình ñược xác ñịnh bởi khuếch tán ngoài, nếu lớn hơn thì khuếch tán trong

1.1.3 Tính hấp phụ [19, 20, 21]

Tính hấp phụ là tính chất quan trọng mang lại nhiều ứng dụng thực tế của than nói chung và than xương nói riêng, trong ñó nó có vai trò như chất xúc tác

Khả năng hấp phụ ñược quyết ñịnh bởi ñặc tính bề mặt và cấu trúc xốp của than Với kích thước hạt nhỏ và do cấu trúc mạng lưới tinh thể, than có bề mặt riêng lớn khoảng 500-760 m2/g

Diện tích bề mặt riêng của than, bề mặt ngoài và bề mặt trong cấu trúc mạng

bề mặt trong ñược xác ñịnh bởi bề mặt của khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể Trong quá trình hấp phụ, bề mặt trong bị thay ñổi do khoãng cách

cơ bản giữa các lớp thay ñổi phụ thuộc vào loại ion trao ñổi, do ñó tính chất và cấu trúc của chất hấp phụ có thể thay ñổi Bề mặt ngoài ñược tạo nên bởi bề mặt mao quản chuyển tiếp tùy thuộc vào kích thước hạt than Hạt càng nhỏ, diện tích bề mặt ngoài càng lớn và kích thước mao quản chuyển tiếp càng nhỏ

Bề mặt riêng, kích thước lỗ và dung lượng hấp phụ của than ñược xác ñịnh bằng phương pháp hấp phụ Phương pháp thông dụng nhất ñể xác ñịnh bề mặt của than là dựa vào quá trình hấp phụ khí nitơ ñể tính toán theo phương trình hấp phụ

ña lớp BET

1.1.3.1 Sự hấp phụ các chất ñiện ly

Các ion trong dung dịch là những phần tử tích ñiện, cho nên sự hấp phụ các ion là quá trình diễn ra sự phân bố lại ñiện tích Do tương tác tĩnh ñiện các ion trái dấu này ñược hút ñến gần lớp bề mặt phân chia pha và hình thành lớp ñiện tích kép

Các ion chất ñiện ly ñược hấp phụ ưu tiên theo những tính chất sau, phần bề mặt chất hấp phụ có ñiện tích xác ñịnh, nên chỉ hấp phụ các ion có ñiện tích trái dấu với nó và khả năng hấp phụ phụ thuộc rất nhiều vào bản chất các ion

ðối với ion cùng ñiện tích, ion nào có bán kính nhỏ nhất thể hiện khả năng hấp phụ cao nhất

Trong sự hấp phụ, các ion có ñiện tích khác nhau thì ñiện tích ion càng cao (ñiện tích càng lớn) càng bị hấp phụ mạnh bởi bề mặt chất hấp phụ

Sự hấp phụ ưu tiên với những ion có mạng lưới tinh thể của chất hấp phụ rắn hoặc có cấu tạo giống với một trong các ion tạo ra mạng lưới tinh thể chất hấp phụ

1.1.3.2 Phương trình ñẳng nhiệt Langmuir

Có nhiều phương pháp mô tả mối quan hệ giữa chất hấp phụ và nồng ñộ chất

bị hấp phụ, trong ñó có phương trình Langmuir, phương trình ñẳng nhiệt xây dựng trên cơ sở lý thuyết của Langmuir, bao gồm:

Bề mặt chất hấp phụ ñồng nhất về năng lượng

Trên bề mặt chất rắn phân chia ra từng vùng nhỏ, các tâm hoạt ñộng mỗi vùng chỉ tiếp nhận một phân tử chất bị hấp phụ Trong trạng thái

bị hấp phụ các phân tử trên bề mặt chất rắn không tương tác với nhau

Quá trình hấp phụ là ñộng, tốc ñộ hấp phụ tỉ lệ với các vùng chưa bị chiếm chỗ, tốc ñộ giải hấp phụ tỉ lệ với tâm ñã bị chất bị hấp phụ chiếm chỗ

Phương trình Langmuir ñược biểu diễn như sau:

.1

m

q kCq

kC

=+Trong ñó:

q: Dung lượng hấp phụ (mg/g) C: Nồng ñộ cân bằng chất bị hấp phụ (mg/l)

k : Hằng số hấp phụ

qm: Hấp phụ cực ñại Phương trình mô tả mối quan hệ giữa q và c, chứa hai thông số qm có một giá trị xác ñịnh tương ứng với số tâm hấp phụ, hằng số k phụ thuộc cặp tương tác giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ, và nhiệt ñộ Phương trình trên áp dụng ñược cho áp dụng ñược cho hấp phụ trong môi trường nước ñể phân tích cho số liệu thí nghiệm

Các số liệu thí nghiệm q, c có thể xác ñịnh qm và k bằng phương pháp tối ưu hay ñơn giản bằng phương pháp ñồ thị

Biểu thức trên có thể viết lại như sau:

1

q = q k +q1.1.3.3 Phương trình ñẳng nhiệt Freundlich

ðây là phương trình mô tả hoàn toàn có tính chất kinh nghiệm thể hiện mối tương quan a và c từ thực nghiệm

P0: áp suất hơi bảo hòa V: thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất p

Vm: thể tích khí bị hấp phụ trong lớp ñơn phân tử C: thừa số năng lượng

1.1.4 Tính trao ñổi ion [21, 27]

Trao ñổi ion cũng ñược xem là một trong những hiện tượng hấp phụ chất ñiện ly Trong sự hấp phụ trao ñổi, chất hấp phụ hấp phụ một lượng ion xác ñịnh nào ñó từ dung dịch ñồng thời một lượng tương ñương các ion khác có cùng dấu ñiện tích vào dung dịch Tham gia sự trao ñổi không những chỉ các ion bám trên bề mặt chất hấp phụ, mà có thể cả các ion nằm sâu trong chất hấp phụ, tất nhiên quá trình chỉ xảy ra ở nơi có dung dịch có thể tiếp xúc ñược Sự trao ñổi ion có một số ñặc ñiểm sau:

Có tính chọn lọc, có nghĩa là sự trao ñổi chỉ xảy ra với những loại ion xác ñịnh tùy thuộc vào bản chất của chất hấp phụ và ion bị hấp phụ

Chất hấp phụ trao ñổi ion ñược chia thành hai loại:

Chất hấp phụ axit: mang tính chất của một axit, có khả năng trao ñổi cation với dung dịch

Chất hấp phụ bazơ: có tính chất của một bazơ, có thể trao ñổi anion với dung dịch

Do ñó quá trình trao ñổi ion diễn ra như một phản ứng hóa học, có thể làm thay ñổi pH của môi trường khi có ion H+ hay OH- ion tham gia trao ñổi

1.1.4.1 Nguyên lý trao ñổi

Quan sát một hệ gồm chất trao ñổi ion có kích thước ñều nhau chứa ion trao ñổi A và và dung dịch chứa B- là ion cần trao ñổi với A

R-A + B- = R-B + A-

R (gốc trao ñổi ion) khi tiếp xúc với dung dịch quá trình trao ñổi bắt ñầu diễn

ra cho ñến khi ñạt ñến trạng thái cân bằng, trong ñó sự phân bố cả ion A và ion B ñược gắn vào R trong dung dịch có giá trị không ñổi

Trong R-A các ion A khuếch tán ra ngoài dung dịch, còn ion B khuếch tán từ dung dịch vào trong R Quá trình khuếch tán ngược chiều nhau của hai ion A và B

gọi là sự trao ựổi ion

Quá trình trao ựổi ion là một quá trình nghiêm ngặt về tỉ lượng, mỗi một ion trao ựổi rời khỏi hạt nhựa phải ựược thay thế bởi một ion tương ựương về ựiện tắch

từ ngoài dung dịch ựi vào đó là kết quả của quy luật trung hòa ựiện tắch, khi một ion ra khỏi R thì R sẽ tắch ựiện trái dấu với ion trao ựổi nó cần ựược trung hòa bởi ion khác ựi từ ngoài vào Tổng số hàm lượng ion trao ựổi tắnh theo ựương lượng là hằng số

1.1.4.2 Tắnh chọn lựa của hợp chất trao ựổi

Năng lực hút bám các loại ion của chất trao ựổi ion không như nhau, có một

số ion dễ bị chất trao ựổi ion hút bám, nhưng sau khi hút bám cần ựem nó trực tiếp trao ựổi ra tương ựối khó khăn, một số ion khác rất khó bị hút bám nhưng khi trực tiếp trao ựổi ra tương ựối dễ dàng Tắnh năng này là tắnh năng chọn lựa trao ựổi ion Tắnh năng chọn lựa trao ựổi ion có ảnh hưởng rất lớn ựến quá trình trao ựổi và quá trình giải hấp nên ứng dụng thực tế rất quan trọng Nó có hai quy luật:

điện tắch càng lớn càng dễ bị trao ựổi ion hút bám, vắ dụ ion hóa trị 2

dễ hút bám hơn ion hóa trị 1

đối với ion có cùng ựiện tắch, số thứ tự nguyên tử lớn, bán kắnh hydrat của ion hình thành nhỏ dễ bị hút bám

Khi chất trao ựổi ion là anion, tắnh kiềm mạnh theo thứ tự:

SO42- > NO3- >Cl- >OH- >F- >HCO3- Khi chất trao ựổi là cation, tắnh lựa chọn của nó ựối với các loại ion theo thứ tự: Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+.Từ những tắnh toán về hằng số cân bằng, người ta ựưa ra thứ tự về khả năng trao ựổi anion hóa trị 1 là: OH>F->Cl->Br>NO3-, của anion hóa trị 2 là HAsO42-> CrO42-> SO42-> MoO42-

1.2 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT THAN XƯƠNG

1.2.1 Mở đầu [1, 2, 6, 7, 8, 9]

Một trong những hình thức sớm của than xương được biết đến nhiều nhất là xương cá cịn sĩt lại trong các lị nấu thức ăn Năm 2650 trước cơng nguyên, than xương thường được dùng để sơn thành tường phía trong các loại mộ cổ ở ai cập, và trong triều đại này thì than xương chỉ dùng để làm sơn

Suốt một thời gian dài, nhiều thay đổi lớn trong sử dụng than xương Một số người đã sử dụng than xương để làm thuốc chữa trị các chứng bệnh như: bệnh nhiễm khuẩn, bệnh động kinh ở phụ nữ và các bệnh về đường miệng Trong khỗng thời gian này, than hoạt tính cũng được sử dụng để tinh lọc các loại dược phẩm cho đến ngày nay

Tuy nhiên, đến thập niên 90 xảy ra một ý tưởng mới về thương mại Than xương được phát minh để sử dụng lọc đường trong quá trình sản xuất kết tinh đường, phát minh này được cơng nhận vào năm 1812 Trước đĩ vài năm, một nhĩm nghiên cứu thấy rằng than xương sử dụng tốt hơn trong quá trình khử màu trong rựu hoặc trong giấm Sự khám phá này, mở ra kỷ nguyên mới trong ứng dụng than xương cho ngành cơng nghiệp sản xuất đường

Một lĩnh vực khác cũng cần được giải quyết, trong các vườn nơng trại lớn tại các khu trung tâm ở Mỹ Người ta xây dựng các khu thảo nguyên để chứa các loại xương trâu bị giết mổ của một nhĩm người Mỹ ðể giải quyết các vấn đề này thì khĩ, phải dọn dẹp các khu đất của họ, các kho bãi để phân hủy nĩ Những điều này kéo dài đến khi ý tưởng dùng xương để làm phân bĩn được phát triển

Quá trình thu gom xương và bán lần đầu tiên ở Mỹ vào năm 1884 Một số người đã phát đạt trong việc buơn bán này Cĩ bốn đồn tàu mỗi năm chở đem bán, trung bình giá của mỗi tấn là 1000 USD Cơng việc thu gom xương đem bán sẽ vừa giải quyết được quá trình xử lý xương, vừa làm tăng thêm thu nhập cho gia đình họ bởi vì việc thu gom xương thì đở vất vả hơn làm cơng việc nhà

Tiền ñể trả cho việc thu gom xương ñược các nhà thương gia xem như một nghề buôn bán nếu có thể sử dụng hợp lý Người làm thuê xe ñẩy xương ñược ñẩy ñem bán từ thị trấn, ở ñó các nhà thương buôn sẽ kiểm tra họ Họ chỉ thu gom xương ñã ñược tẩy trắng, phần thịt và mở ñộng vật thì không ñược chấp nhận Xương ñược ñẩy mua và kiểm tra rất cẩn thận, phân loại, cân và ñược gánh ñem chất ñống dọc theo lề ñường ñể chờ phương tiện giao thông chở ñi

Than xương ñược sản xuất dùng làm phân bón trong suốt khoãng 1880 và

1890 Tuy nhiên ngành công nghiệp than xương là một hiểm họa vì càng ngày xương trâu trên các ñồng cỏ bị khan hiếm, các xác thối ở các nghĩa ñịa bị cướp bóc

ñể lấy xương, tạo ra các rạng nứt trong công nghiệp và xương người ñể làm than xương trở nên là ñề tài gây tranh cải Cuối cùng, xương người không ñược chấp nhận trong công nghiệp chế tạo than xương

Khi ngành công nghiệp xương phát triển, vị trí sản xuất than xương cũng ñược phát triển Năm 1880, than xương ñược mua tại 72 nông trại ở Mỹ ñể sản xuất than xương Năng suất than xương lần ñầu tiên là 5000 tấn /năm Năm 1883, than xương trở thành ñược dùng làm thay thế than cacbon ở Mỹ và ñược bán ra rất nhiều Năm 1885 các công ty trung bình bán ñược 50.000 USD mỗi tháng Than xương ñược sản xuất liên tục mỗi ngày 24h, sử dụng khoãng 13% xương bò rừng từ các ñồng cỏ trên khắp cả nước Mỹ ðến 1896 các loại xương bò hầu như bị phát quang, khan hiếm từ các ñồng cỏ Một số nhà máy dự trữ xương vẫn còn hoạt ñộng, tuy nhiên trong khoãng thời gian này họ thường sử dụng nguồn nguyên liệu thô thay thế xen kẽ với xương Than xương làm phân bón phụ thuộc vào nguồn khan hiếm

và giá cả của xương trên thị trường, vì vậy cần tìm nguồn nguyên liệu khác thay thế Hầu hết các công ty thay thế dạng ñá thô (canxi photphat) trong nguyên liệu ñể thay thế nguồn xương, vì vật liệu này rẻ và dễ tìm

Than xương còn ứng dụng làm bột màu trong ngành công nghiệp sản xuất bột màu, một số loại than xương ở ấn ñộ còn dùng làm thuốc bôi mi mắt và làm mỹ phẩm, sơn vecni Trong lĩnh vực bột màu than xương làm một màu sơn ñen ñậm, và

trong suốt thời gian này xuất hiện một ngành công nghiệp mới trong nền kinh tế khi ứng dụng than xương

1.2.2 Tính hấp phụ của than xương [13, 14, 17]

Hấp phụ bằng than xương là vấn ñề nóng bỏng ñược khảo sát trong thời gian gần ñây Hầu hết các ñề tài ñều xoay quanh quá trình nghiên cứu khả năng khử màu bằng than xương Mặc dù còn nhiều hạn chế trong phương pháp và chưa sáng tỏ trong nghiên cứu, nhưng cũng ñã có một vài nghiên cứu ñược công bố làm sáng tỏ vấn ñề này Một số bài nghiên cứu thành công ứng dụng than xương trong quá trình lọc ñường Một số nghiên cứu khác cũng trình bày chi tiết hơn trong vấn ñề ước lượng ứng dụng than xương trong quá trình khử màu trong ngành công nghiệp ñường

Khi ñiều này ñúng ñể hiểu tốt hơn nguyên lý về màu sắc của than xương ñã cho kết quả ước lượng cơ bản, rất nhiều các thông tin cụ thể thì than xương có giá trị trong hấp phụ các chất khác nhau, ñặc biệt trong phản ứng nghịch ñảo ñường Một số nghiên cứu khác ñề cập ñến vấn ñề hấp phụ các chất khác và ñưa ra các giải pháp thay thế khác Khi so sánh khả năng hấp phụ dùng than cacbon và than xương,

họ tạo ra một khoãng rộng các hấp phụ tro bằng than xương và than cacbon ñồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của than xương, kiểm tra ñộ dẫn nhiệt của than với dung dịch loãng và nghiên cứu làm tăng ñộ tro của than sau khi xử lý rửa giải từ ñộ bám chặt khi tro hấp phụ

Một số nghiên cứu than xương với than cacbon thấy rằng than xương tỏ ra hiệu quả tro tốt hơn than cacbon ðiều này thấy rằng khả năng ứng dụng than xương trong hấp phụ là ñáng tin cậy và tốt hơn than cacbon Thường người ta có xu hướng chọn than xương ñể hấp phụ các hợp chất vô cơ từ dung dịch ñường

1.2.3 Phương pháp chế tạo và ứng dụng [9, 10, 15, 19]

Qua nhiều nghiên cứu ứng dụng than, người ta phân than thành hai nhóm:

nhóm than hoạt tính (actived carbon) và nhóm than không hoạt tính (none – actived carbon) Sản xuất nhóm than hoạt tính có nguồn gốc ñi từ gổ hoặc các khoáng tự nhiên, nhóm than hoạt tính này thường ñược nung hoạt hóa từ gổ hoặc các khoáng

tự nhiên Nhóm than không hoạt tính ñược nung thu hồi từ các loại như: xương ñộng vật, máu ñộng vật, ngà voi…Và các nguyên liệu khác ñi từ ñộng vật

Hình 1.1 Hình ảnh than xương ñược làm từ xương ngà voi

ðặc ñiểm chung của nhóm than hoạt tính là diện tích bề mặt riêng rất lớn (m2/g) và tính chất hấp phụ ñược thể hiện bởi lực hút tỉnh ñiện Van Der Waals (hấp phụ vật lý) hoặc xảy ra các liên kết hóa học từ các chất hữu cơ và vô cơ ( hấp phụ hóa học ) Dựa trên ñặc ñiểm chung này, thường nhóm than hoạt tính dùng ñể làm các chất hấp phụ, chất xúc tác…

ðặc ñiểm chung của nhóm than không mang hoạt tính là diện tích bề mặt riêng của nó thấp ( 1 – 100 m2/g ) nhưng mật ñộ trao ñổi ñiện tích của nó thì rất cao, ñặc biệt khi nó nằm trong dung dịch Vì mang tính chất này nên nhóm than không hoạt tính ñược dùng như một chất keo tụ, ñể làm chất lọc

Phương pháp chung ñể sản xuất nhóm cacbon hoạt tính là xử lý cacbon ở nhiệt ñộ cao với hơi nước, cacbon oxyt, các khí khác, hoặc nhiệt phân các hợp chất

hóa học chứa canxi ở dạng canxi cacbonat

Sản xuất nhóm cacbon không hoạt tính bao gồm: than xương, than ngà voi bằng cách nung xương ñộng vật trong bình kín Trong cấu trúc các lỗ xốp của than xương chứa một lượng thấp cacbon tinh khiết (10 – 20% khối lượng)

Trong chế tạo than xương, than ñốt từ xương ñộng vật, có dạng hạt, màu ñen, ñược sản xuất từ các loại xương ñộng vật Phương pháp sản xuất chủ yếu là nung xương ở nhiệt ñộ cao trong môi trường thiếu oxy ( bình kín ), thành phần hóa học chủ yếu trong than xương là dạng khoáng carbonate - hy ñroxylapatite, công thức tổng quát có dạng [Cax.(PO4)y.(CO3)z.OH]

Hình 1.2 Hình ảnh cấu trúc của tinh thể than x ương ñược làm từ xương ñộng vật

Hình 1.3 Cấu trúc mạng tinh thể thành phần carbonate - hy ñroxylapatite

Than xương có khả năng hấp phụ cao với một số các ion ñộc hại như: uran, Asen, Thủy ngân, Chì

Ngoài khả năng ứng dụng ñể hấp phụ một số kim loại nặng, than xương còn dùng ñể tách các hợp chất florua trong nước, thay thế cột nhựa trao ñổi ion, lọc bể,

sử dụng cho ngành bột màu (black pigment), dùng làm sơn mỹ thuật vì nó có màu ñen ñậm

1.3 KHÁI QUÁT VỀ ASEN VÀ CHÌ

1.3.1 TÍNH CHẤT CỦA ASEN VÀ HỢP CHẤT CỦA NÓ [22, 23, 24]

1.3.1.1 Asen

Asen không phản ứng với nước, với axit loãng Asen phản ứng ñược với axit nitric, nước cường thủy, kiềm Asen còn phản ứng với oxy, halogen, lưu huỳnh Với các kim loại kiềm, kiềm thổ và một số kim loại khác, Asen tương tác tạo nên Asenua và các muối Asenua này dễ dàng bị axit phân hủy Các phản ứng:

As2O3 + 4HNO3 + H2O → 2H3AsO4 + 4NO2

As2O3 (r) + 3H2O ⇌ 2H3AsO3 (bão hòa), (to)

As2O5 ở dạng rắn màu trắng, phân hủy khi ñun nóng, có dạng vô ñịnh hình

và dạng tinh thể As2O5 phản ứng với nước và thể hiện tính axit, phản ứng với kiềm

As2O5 còn bị cacbon khử khi ñun nóng Các phản ứng:

As2O5 → As2O3 + O2 (> 315oC)

As2O5 + 4H2O → 2(H3AsO4.0,5 H2O)↓ ⇌ 2H3AsO4 (bão hòa) + H2O

As2O5 +3H2O → As2O3.1,67H2O↓ +1,33H2O ⇌ 2H3AsO4 (bão hòa)

2As2O5 + 5C → 4As + 5CO2 ( 400 – 500oC)

1.3.1.4 Axit Asenic H3AsO4

H3AsO4: chất rắn trắng, không tách dạng khan, phân hủy khi ñun nóng Axit Asen là một axit yếu, tan nhiều trong nước Nó ñược trung hòa bằng kiềm loãng Các phản ứng:

H3AsO4 + H2O ⇌ H2AsO4- + H3O+ ; pKa = 2,26

H2AsO4- + H2O ⇌ HAsO42- + H3O+ ; pKa = 6,97

HAsO42-+ H2O ⇌ AsO43- + H3O+ ; pKa = 11,52

1.3.1.5 Natri Asenat Na3AsO4

Na3AsO4 là chất rắn, màu trắng, tan nhiều trong nước (AsO43- bị thủy phân khi Na3AsO4 tan trong nước ), là chất oxy hóa rất yếu trong môi trường axit Các

a ðối với con người và ñộng vật

Asen rất ñược nhiều người biết ñến vì những tính ñộc của một số hợp chất của nó Theo cơ quan phụ trách các chất ñộc và bệnh tật Hoa Kỳ thì Asen là một trong 20 chất ñộc nhất ñối với sự sống

Khi xâm nhập vào cơ thể Asen có thể gây hàng loạt chứng bệnh nguy hiểm như các bệnh dạ dày, rối loạn chức năng gan, hội chứng ñen da và ung thư da, bệnh chai bàn chân, các bệnh về tim mạch, gan, thận và cả bệnh thần kinh ðộc tính của Asen rất khác nhau, Asen vô cơ là chất ñộc mạnh, As(III) ñộc gấp 50 lần so với As(V)

Lượng As cho phép trong cơ thể người trưởng thành là dưới 50µg Khi vào

cơ thể với liều lượng lớn hơn thì sẽ gây ñộc hại cho cơ thể

Nguy cơ ñộc ñối với con người và ñộng vật phụ thuộc vào ñộ tan của các dạng khác nhau của Asen: anhiñrit Asen, natri Asenat, Chì Asenat Các hợp chất Asen tan ñược trong nước ñược cơ thể hấp thu nhanh chóng

Asen kim loại tự nó không gây hại ñối với sự sống Asen hữu cơ trong tôm,

cá, các loại hải sản khác tuy nhiều nhưng không ảnh hưởng tới sức khỏe con người Trong khi có ñiều kiện kết hợp với các nguyên tố khác thì chúng tạo nên một số chất có ñộc tính rất cao

ðộc hại của Asen ñến ñời sống thực vật chỉ ở nồng ñộ cao, còn ở nồng ñộ thấp lại kích thích sinh trưởng Sử dụng nhiều thuốc diệt cỏ chứa As có thể dẫn ñến

sự thiếu sắt cho thực vật

Mức ñộ chịu ñộc Asen ở những loài cây khác nhau thì khác nhau Mức ñộ này biểu hiện rõ ở nhiều loài không chứa Asen từ chất dinh dưỡng hòa tan như là rễ cây ñậu Lượng As trong các cây có thể ăn ñược thường rất ít, nồng ñộ As trong rễ thực vật chứa cao hơn trong thân, lá hoặc quả Lượng tích lũy trong rễ theo thứ tự: Asenat > Asenit > monometyl Asenat > dimetyl Asenat

c Sự phân bố của Asen trong môi trường nước

Ở khu vực Hà Nội, nước dưới ñất bị nhiễm Asen ñã ñược các nhà ñịa chất thủy văn phát hiện từ năm 1996 Các kết quả phân tích cho thấy hàm lượng Asen trong nước dao ñộng từ 0,0002 ñến 0,132 mg/l, trung bình là 0,0339 mg/l

Ở ñồng bằng Nam Bộ, tháng 7 năm 2001 Một khảo sát của UNICEF với 12.461 mẫu phân tích từ các giếng khoan ñược lấy từ 12 tỉnh cho thấy hàng chục triệu người Việt Nam ñang phải sử dụng nguồn nước sinh hoạt và ăn uống lấy từ tầng nước ngầm bị nhiễm thạch tín, tỉ lệ nguy cơ bị bệnh do tiếp xúc với Asen ở miền Bắc cao hơn miền Nam

d Các phương pháp loại bỏ Asen

Asen xuất hiện trong nguồn nước sinh hoạt bằng những con ñường khác nhau, song nó tồn tại (dạng hòa tan) ở hai loại hợp chất: A(III), As(V) Tính chất

hấp thụ hoặc khả năng tạo thành các hợp chất ít tan củaAs(V) cao hơn As(III), trong công nghệ khi xử lý thông thường, người ta phải chuyển trạng thái hóa trị As(III) vềAs (V)

Phương pháp tạo kết tủa/lắng

1.3.2.2 Chì (II) oxyt

Oxyt Chì nằm ở dạng màu ñỏ (dạng thù hình α) hoặc vàng (dạng thù hình β)

Nó bền nhiệt ít tan trong nước, trong dung dịch Amoniac Thể hiện tính lưỡng tính (phản ứng với acid và kiềm), bị O2 oxy hóa, bị Hydro và CO khử

1.3.2.3 Pb(II) Nitrat

Chì (II0 Nitrat màu rắn, bị phân hủy khi ñun nóng Tan nhiều trong nước nguội (bị thủy phân ở dạng cation Pb2+), tan trong acid loãng Phân hủy khi ñun sôi dung dịch Không tạo nên tinh thể hydrat Phản ứng với acid, kiềm Bị kẽm khử Tham gia vào phản ứng trao ñổi, nó là một chất oxy hóa mạnh

1.3.2.4 PbCl2

PbCl2 nằm trong khoáng vật Cotunic, màu trắng, nóng chảy và sôi không

phân hủy, bền nhiệt, tan ít trong nước, tan kém hơn trong acid Clohyric loãng, acid Nitric loãng Không tạo nên tinh thể hydrat Bị thuỷ phân bởi hơi nước, acid ñặc, kiềm, hydrat Amoniac Bị Clo hoá, bị hydro khử Tham gia phản ứng trao ñổi, phản ứng tạo phức

1.3.2.5 ðộc tính của Chì

Chì là một kim loại phổ biến khắp nơi trong môi trường: trong sơn chế tạo bằng Chì, không khí, ñất, bụi bặm trong nhà, thực phẩm, một vài loại gốm sứ và gang, và cả nước nữa Chì có thể gây ra nhiều nguy hiểm cho sức khỏe nếu cơ thể hấp thụ Chì quá nhiều Chì tích tụ trong cơ thể trong nhiều năm và có thể gây tổn hại não, tế bào hồng cầu và thận Trẻ em và phụ nữ mang thai có nguy cơ nhiễm Chì cao hơn Một lượng Chì vô hại ñối với người lớn lại có thể làm chậm tiến trình phát triển của cơ thể và não ở trẻ em và thai nhi Ngoài ra, trẻ em khi chơi ñùa lại thường tiếp xúc với những nguồn nhiễm Chì, ví dụ như bụi bặm, ñất cát Những nguồn này thì hiếm khi gây hại cho người lớn Do vậy, cần phải rửa tay và ñồ chơi của trẻ thường xuyên, và không ñể trẻ cho gì khác vào miệng ngoài ñồ ăn

1.3.2.6 Sự phân bố của Chì trong nước

Chì luôn tồn tại trong môi trường xung quanh, trong sinh hoạt hàng ngày Chì có thể tìm thấy trong sơn, ñất, bụi bặm trong nhà, thực phẩm, nước vòi, và một

số loại gốm, sứ và gang Chì có thể là một mối nguy hại cho sức khỏe nếu cơ thể hấp thụ quá nhiều Chì Hầu hết các trường hợp nhiễm ñộc Chì là do tiếp xúc với sơn khô bị tróc hoặc bụi sơn có chứa Chì Mặc dù Chì trong nước vòi không hẳn là nguyên nhân duy nhất gây ngộ ñộc Chì, nó có thể làm gia tăng mức ñộ tiếp xúc Chì, ñặc biệt là ñối với các trẻ sơ sinh uống thuốc hoặc nước trái cây ép pha với nước Mặc dù nguồn nước do Công ty Cấp Thoát Nước cung cấp là nguồn nước không chứa Chì khi rời khỏi bể chứa và các ống dẫn nước hầu hết ñược chế tạo từ sắt và thép, do ñó không gây nước nhiễm Chì Tuy nhiên, Chì có thể hòa vào nước thông qua các ống dẫn tại nhà, các mấu nối ống bằng Chì, và một số thiết bị lắp ñặt bằng ñồng Sự ăn mòn của các vật liệu chứa Chì này có thể làm cho nước bị nhiễm Chì,

ñặt biệt là nếu nước ñọng lại một thời gian dài trong ống trước khi sử dụng Theo quy ñịnh EPA, các hộ gia ñình có nguy cơ nhiễm Chì cao phải ñược kiểm ñịnh sau khi nước ñọng lại trong ống qua ñêm Quy ñịnh EPA yêu cầu 90% các mẫu kiểm ñịnh có nguy cơ cao nhất phải có mức nhiễm Chì dưới mức Chì hoạt tính là 15 ppb

Chì rất khác biệt so với các chất nhiễm bẩn khác trong nước ở chỗ nó không

có trong nguồn nước tự nhiên như ao hồ và sông ngòi Chì hấp thụ vào nước chủ yếu là do hiện tượng ăn mòn của các vật liệu chứa Chì trong hệ thống phân phối nước và các ñường ống trong nhà Các vật liệu này gồm mấu nối bằng Chì dùng ñể kết nối các ống dẫn bằng ñồng, vòi nước bằng ñồng và ñồng mạ crom, và trong một

số trường hợp, các ống nước làm bằng Chì nối hộ gia ñình với nguồn nước chính Vào năm 1986, Quốc hội cấm sử dụng các kết nối có chứa trên 0.2% Chì, và hạn chế lượng Chì trong vòi nước, ống nước và các vật liệu khác không quá 8.0% Khi nước ñọng trong ống Chì hoặc hệ thống ống nước có chứa Chì trong nhiều giờ, Chì

có thể hòa tan vào trong nguồn nước uống của bạn Có nghĩa là dòng nước ñầu tiên lấy ra từ ống vào buổi sáng, hoặc vào làm việc về có thể chứa hàm lượng Chì rất cao

1.3.2.7 Các phương pháp loại bỏ Chì

Chì xuất hiện trong nguồn nước sinh hoạt bằng những con ñường khác nhau, song nó tồn tại chủ yếu (dạng hòa tan) dạng hợp chất: Pb(II) Trong công nghệ khi

xử lý thông thường, người ta dùng các phương pháp như:

Phương pháp hóa học ( tạo tủa )

Phương pháp vật lý ( hấp phụ, hấp thụ )

Phương pháp ñiện hóa

Phần 2CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

2.1 HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ PHÂN TÍCH

Các hóa chất và thiết bị phân tích cơ bản ñã ñược chúng tôi sử dụng trong quá trình nghiên cứu sau ñây:

Na2SO3 (TQ) (NH4)HC6H5O7 (Merk) [Amonicitrat]

PbNO3 chuẩn (Merk)

H3AsO4 chuẩn (Merk) CHCl3 (TQ)

HNO3 (TQ)

NH2OH.HCl(TQ)

NH3 (TQ) KMnO4(TQ) Chất chỉ thị Dithizon(Merk)

2.2.1 Nguyên liệu

Hiện nay ở nước ta nói chung có nhiều các lò giết mổ ñộng vật ñể cung cấp nguyên liệu cho các công ty, nhà máy chế biến thức ăn, cung cấp thực phẩm cho con người Tuy nhiên, trong quá trình chế biến thức ăn có nguồn gốc từ ñộng vật người ta thường lấy phần da, thịt, các bộ phận bên trong của ñộng vật Phần xương

ñộng vật bị thải bỏ hoặc nếu tận dụng xương ñể chế biến thức ăn thì người ta dùng

ñể lấy phần tủy trong xương (nấu xương ñể lấy tủy) Quá trình này thường có ở các nhà máy chế biến nước tương, các tiệm nấu phở…

Mặc dù ñã tận thu chất dùng ñể chế biến thức ăn, xương ñộng vật vẫn là nguồn thải, do ñó nó cũng cần phải ñược xử lý Trong luận này chúng tôi sử dụng mẫu xương ñã qua nấu (xương thải bỏ) ñể làm nguyên liệu chế tạo than xương

Nguyên liệu chế tạo than xương nhiều và ña dạng, sẳn có trong thực tế, chủ yếu gồm xương ñộng vật như: xương heo, xương trâu, xương bò… Mẫu xương ñược lấy từ xương phế thải ở các lò giết mổ hoặc xương phế thải ñã nấu từ các tiệm phở

Nguồn nguyên liệu làm ñối tượng nghiên cứu trong luận văn này là xương bò (các dạng xương ống) vì nó sẳn có và dễ tìm, xương phế thải ñược lấy từ các tiệm nấu phở ñã qua sơ chế (nấu chín)

Quá trình xử lý mẫu xương ñược thực hiện theo sơ ñồ ở hình 2.2 Xương sau khi lấy mẫu về ñược rửa bằng nước nóng 50 – 60oC ñến khi sạch hết bụi bẩn, mỡ khô Sau ñó mỡ ñược tẩy bằng xà phòng Xương ñược tiếp tục rửa bằng nước nóng 50- 60oC, sấy khô ở nhiệt ñộ 105oC và sau ñó ñược ñập sơ bộ trước khi cho vào lò

nung

Hình 2.2 Quy trình xử lý nguyên liệu xương Thông số quy trình sơ chế:

- Quá trình rửa : bằng nước nóng (nhiệt ñộ 50 – 600C )

- Tẩy mỡ bằng nước xà phòng loãng

- Rửa sạch lại bằng nước nóng (nhiệt ñộ 50 – 600C )

- Sấy : dùng tủ sấy (nhiệt ñộ sấy 1050C)

2.2.3 Nung xương

2.2.3.1 Quy trình nung xương

ðể chế tạo than xương, xương cần ñược nung trong môi trường khử (nung trong bình kín không có oxy)

Mẫu xương sau khi ñã qua sơ chế, ñược lấy ñem cân ñể xác ñịnh khối lượng xương ban ñầu Sau khi cân ta tiến hành sấy ở nhiệt ñộ 105oC, thời gian khoảng 2 giờ và nung ở các nhiệt ñộ khác nhau

2.2.3.2 ðiều kiện nung

Tiến hành nung mẫu xương ñể khảo sát tìm ñiều kiện quy trình nung thích

hợp Trong phần các nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành khảo sát quá trình nung

xương theo thời gian và nhiệt ñộ nung

Thông số nung:

- Xương: nguyên liệu ñã qua xử lý sơ bộ

- ðập nhỏ: thực hiện bằng tay

- Sấy khô: trong tủ sấy ở nhiệt ñộ 1050 C

- Quá trình nung: dùng bình kín nung trong lò nung

(a) Mẫu xương (b) Lớp bình ngoài (c) Lớp bình trong

(d) Mẫu xương cho vào (e) ðậy kín lớp bình trong

(g) Lớp cát sạch (h) Bình ñậy kín lớp ngoài (i) Nung xương

Hình 2.3 Các bước thí nghiệm ñược tiến hành trong quá trình nung xương

2.2.3.3 Khảo sát tìm nhiệt ñộ nung xương thích hợp

Tiến hành khảo sát quá trình nung bằng cách: cố ñịnh thời gian nung (60 phút), thay ñổi ñiều kiện nung ở các nhiệt ñộ khác nhau (nhiệt ñộ nung thay ñổi từ

400 - 8000C) Ảnh hưởng của nhiệt ñộ nung ñến màu sắc và ñộ thu hồi than xương ñược trình bày trên bảng 2.1

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ nung ñến ñộ thu hồi than xương

m2(g) (khối lượng mẫu than xương)

H(%) (tỉ lệ thu hồi)

Các mẫu than xương nung ñều thu ñược có màu ñen ñậm ðể xác ñịnh ñiều kiện nung thích hợp, chúng tôi tiến hành thử hoạt tính hấp phụ màu của các mẫu

than xương vừa nung với thuốc tím KMnO4 và chỉ thị màu hữu cơ metylen xanh

(a) Xương nung ở 400oC (b) Xương nung ở 4500C (c) Tnung = 5000C

(d) Tnung = 5500C (e) Tnung = 6000C (f) Tnung = 6500C Hình 2.4 Ảnh than xương khi nung ở các nhiệt ñộ khác nhau

Qua các ảnh chụp mẫu than xương thu ñược ta thấy dù ở các nhiệt ñộ nung khác nhau, sản phẩm nung ñều thu là than xương có màu ñen

2.2.3.4 Thử hoạt tính hấp phụ của than xương ñể xác ñịnh nhiệt ñộ nung thích hợp

a Thử hoạt tính hấp phụ với thuốc thử màu KMnO4

Tiến hành thử hoạt tính hấp phụ của than xương thu ñược ở các nhiệt ñộ nung khác nhau bằng thuốc thử KMnO4

Các mẫu than xương kích thước trung bình 3mm có ký hiệu lần lượt BB (m – n: m là nhiệt ñộ nung, n là thời gian nung) ñược lấy với các khối lượng bằng nhau

và bằng 3g Sau ñó, mẫu than xương lần lượt ñược trộn với 50ml dung dịch thuốc tím KMnO4 0,01N, tiến hành lắc mẫu ở tốc ñộ 250 vòng/phút, thời gian 60 phút ñể thử hoạt tính hấp phụ của than Kết quả thu ñược ñược thể hiện qua bảng 2.2

Bảng 2.2 Ảnh hưởng chế ñộ nhiệt ñộ khi nung tới khả năng hấp phụ của than xương

Nhận xét:

Bảng kết quả cho thấy tất cả các mẫu than xương ñều có khả năng hấp phụ màu với dung dịch KMnO4 Tuy nhiên khả năng hấp phụ của các mẫu là không ñều nhau ở mỗi nhiệt ñộ nung xương khác nhau Từ bảng kết quả ta loại trừ ñược 5 mẫu than xương có khả năng hấp phụ kém (mức ñộ hấp phụ < 5,266 mgKMnO4/g than)

Các mẫu còn lại (4 mẫu) ñều làm mất màu tím của KMnO4 Do ñó tiếp tục tiến hành thử hoạt tính hấp phụ của than xương lần 2 và dùng phương pháp ño màu UV/VIS ( ño ở bước sóng cực ñại λmax= 550nm) ñể xác ñịnh mẫu than xương hấp phụ tốt nhất

Quá trình thử hoạt tính hấp phụ lần thứ hai ñược thực hiện như cũ, chỉ tăng hàm lượng KMnO4 từ 0,01N lên 0,1N Kết quả xác ñịnh sự hấp phụ lần 2 ñược trình bày qua bảng 2.3

Hình 2.6 Hình ảnh thử khả năng hấp phụ màu của than xương

Bảng 2.3 Mức ñộ hấp phụ lần thứ 2 với các mẫu than xương thu ñược Mẫu

Kết luận: Kết quả thử hoạt tính hấp phụ màu với dung dịch KMnO4 cho thấy:

− Khả năng mẫu than xương hấp phụ màu tốt, ñó là mẫu BB 650 – 60, ứng với nhiệt ñộ nung 650oC

Như vậy có thể ñi ñến kết luận rằng: Mẫu than xương ký hiệu BB 650 – 60 ñược nung ở 650oC trong thời gian 60 phút là mẫu than xương có khả năng hấp phụ tốt ðể kiểm tra, chúng tôi tiến hành khảo sát sự hấp phụ chất màu hữu cơ metylen xanh ñối với các mẫu than xương thu ñược

b Thử hoạt tính hấp phụ với thuốc thử màu xanh metylen

Quá trình thử nghiệm tương tự quá trình hấp phụ KMnO4, chỉ thay thế bằng mẫu dung dịch chứa 0,001% xanh metylen Kết quả thử hoạt tính hấp phụ với metylen xanh ñược thể hiện qua bảng 2.4

Bảng 2.4 Bảng thử khả năng hấp phụ màu Metylen xanh 0,001%

(ml)

Mức ñộ hấp phụ xanh metylen (mg Metylen/g Than)

ñộ hấp phụ < 0,05 mgMetylen/gThan)

Tiếp tục hấp phụ màu với metylen xanh cho các mẫu hấp phụ mạnh Tăng nồng ñộ metylen từ 0,001% lên 0,01%, giảm khối lượng than xương cho vào từ 10g xuống còn 5g Kết quả hấp phụ lần 2 ñược trình bày qua bảng 2.5