Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ Ion Pb(II) Trong Dung Dịch Của Than Sinh Học Biến Tính

• Tác giả: Phạm Tăng Cát Lượng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Kim Diễm Mai
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Sư Phạm Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ Ion Pb(II) Từ Dung Dịch Bằng Than Sinh Học Biến Tính
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lí do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 2. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 2.1. Ô nhiễm môi trường nước
• 2.1.1. Khái niệm
• 2.1.2. Nguyên nhân
• 2.1.2.1. Quá trình tự nhiên
• 2.1.2.2. Quá trình nhân tạo
• 2.2. Thực trạng ô nhiễm kim loại nặng trên thế giới
• 2.3. Thực trạng ô nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam
• 2.4. Ô nhiễm chì trong môi trường nước
• 2.5. Đặc tính của kim loại chì
• 2.6. Nguồn gốc ô nhiễm của chì trong môi trường nước
• 2.7. Độc tính của chì
• 2.8. Hiện trạng ô nhiễm chì ở Việt Nam
• 2.9. Các phương pháp xử lí kim loại nặng
• 2.9.1. Phương pháp kết tủa
• 2.9.2. Phương pháp trao đổi ion
• 2.9.3. Phương pháp điện hoá
• 2.9.4. Phương pháp sinh học
• 2.9.5. Phương pháp hấp phụ
• 2.10. Than sinh học và cấu trúc bề mặt
• 2.10.1. Định nghĩa than sinh học
• 2.10.2. Cấu trúc than sinh học
• 2.10.3. Biến tính than sinh học
• 2.10.4. Một số cơ chế hấp phụ kim loại nặng của than sinh học
• 2.11. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 2.12. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2.13. Hoá chất, dụng cụ, thiết bị đo
• 2.14. Phương pháp nghiên cứu
• 2.14.1. Phương pháp nghiên cứu lí luận
• 2.14.2. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn
• 2.14.3. Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
• 2.14.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.14.5. Phương pháp phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.14.6. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
• 2.14.7. Phương pháp Brunauer-Emmett-Teller (BET) để xác định diện tích bề mặt riêng
• 2.15. Quy trình nghiên cứu
• 2.15.1. Chế tạo than sinh học
• 2.15.2. Chế tạo than sinh học biến tính với dung dịch potassium permanganate
• 2.15.3. Chế tạo than sinh học biến tính với dung dịch potassium permanganate và phủ hydroxyapatite
• 2.15.4. Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng ion Pb(II)
• 2.15.5. Khảo sát đơn biến các yếu tố ảnh hưởng
• 2.15.5.1. Bố trí thí nghiệm khảo sát điểm điện tích không (point of zero charge - pHpzc)
• 2.15.5.2. Xử lí số liệu
• 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc tính than sinh học biến tính có nguồn gốc từ mùn cưa
• 3.1.1. Khảo sát ảnh chụp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.1.2. Khảo sát quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
• 3.1.3. Khảo sát phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 3.1.4. Khảo sát diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp Brunauer-Emmett-Teller (BET)
• 3.1.5. Khảo sát điểm điện tích không (point of zero charge- pHpzc)
• 3.2. Khảo sát quá trình hấp phụ ion Pb(II) bằng BC-KMnO4
• 3.2.1. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình hấp phụ
• 3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ
• 3.2.3. Mô hình về động học của quá trình hấp phụ
• 3.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb(II) ban đầu đến quá trình hấp phụ
• 3.2.5. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt
• 3.2.6. Ảnh hưởng của khối lượng than đến quá trình hấp phụ
• 3.3. Khảo sát quá trình hấp phụ ion Pb(II) bằng BC-HAp
• 3.3.1. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình hấp phụ
• 3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ
• 3.3.3. Mô hình về động học của quá trình hấp phụ
• 3.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb(II) ban đầu đến quá trình hấp phụ
• 3.3.5. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt
• 3.3.6. Ảnh hưởng của khối lượng than đến quá trình hấp phụ
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Hấp Phụ Pb II Bằng Than Sinh Học

Ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng như chì (Pb(II)), là một vấn đề cấp bách toàn cầu. Quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa đã làm gia tăng đáng kể lượng dung dịch Pb(II) thải ra môi trường. Chì và các hợp chất của nó rất bền và khó phân hủy, tích tụ trong môi trường với nồng độ cao, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và sinh vật. Các phương pháp xử lý truyền thống thường tốn kém và không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn Pb(II). Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường để xử lý ô nhiễm môi trường là vô cùng quan trọng. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng than sinh học và than sinh học biến tính như một vật liệu hấp phụ tiềm năng để loại bỏ ion Pb(II) từ dung dịch nước.

1.1. Thực Trạng Ô Nhiễm Chì Pb II Trong Môi Trường Nước

Ô nhiễm chì (Pb(II)) trong môi trường nước là một vấn đề nghiêm trọng trên toàn cầu. Các nguồn ô nhiễm chính bao gồm nước thải công nghiệp, khai thác mỏ, và sử dụng các sản phẩm chứa chì. Theo nghiên cứu, nồng độ chì cao có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, đặc biệt là ở trẻ em. Tiếp xúc lâu dài với chì có thể gây tổn thương não, thận và các vấn đề về hệ thần kinh. "Việc tiếp xúc với chì một thời gian dài sẽ gây ra hiện tượng tổn thương não, thận,… nguy cơ cao dẫn đến tử vong" (Pham Tang Cat Luong, 2022).

1.2. Vai Trò Của Than Sinh Học Trong Xử Lý Kim Loại Nặng

Than sinh học là một vật liệu giàu carbon được sản xuất từ sinh khối thông qua quá trình nhiệt phân. Nhờ có bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp và các nhóm chức phong phú, than sinh học có khả năng hấp phụ cao đối với nhiều chất ô nhiễm, bao gồm cả kim loại nặng. Than sinh học được xem là một giải pháp bền vững và kinh tế để xử lý nước thải và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

II. Thách Thức Cơ Hội Từ Vật Liệu Hấp Phụ Pb II Than Sinh Học

Mặc dù than sinh học có nhiều ưu điểm, nhưng khả năng hấp phụ Pb(II) của than sinh học thường chưa đủ cao để đáp ứng yêu cầu thực tế. Do đó, việc biến tính than sinh học để tăng cường khả năng hấp phụ là một hướng nghiên cứu quan trọng. Các phương pháp biến tính than sinh học bao gồm xử lý hóa học, vật lý hoặc sinh học để cải thiện bề mặt riêng, tăng số lượng nhóm chức và tạo ra các vị trí hấp phụ có ái lực cao với ion Pb(II). Việc lựa chọn phương pháp biến tính phù hợp là yếu tố then chốt để đạt được hiệu quả hấp phụ tối ưu. Một số nghiên cứu sử dụng vật liệu hấp phụ để xử lí Pb(II) như Jami Anwar cùng cộng sự đã nghiên cứu nhưng do vật liệu sử dụng thô chưa qua xử lí nên dung lượng hấp phụ cực đại chỉ đạt 2,18 mg‧g-1 [1].

2.1. Giới Hạn Về Khả Năng Hấp Phụ Của Than Sinh Học Nguyên Thủy

Than sinh học nguyên thủy, tức là than sinh học chưa qua biến tính, thường có khả năng hấp phụ Pb(II) hạn chế. Điều này là do bề mặt riêng và số lượng nhóm chức trên bề mặt than sinh học còn thấp. Để khắc phục hạn chế này, cần phải biến tính than sinh học để cải thiện các đặc tính hấp phụ.

2.2. Tầm Quan Trọng Của Phương Pháp Biến Tính Than Sinh Học

Phương pháp biến tính than sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả hấp phụ Pb(II). Các phương pháp biến tính khác nhau có thể tạo ra các vật liệu hấp phụ với các đặc tính khác nhau, phù hợp với các điều kiện ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn phương pháp biến tính phù hợp cần dựa trên các yếu tố như loại than sinh học, loại chất ô nhiễm, và điều kiện môi trường.

2.3. Phương Pháp Biến Tính Than Sinh Học Tiềm Năng Nhất Hiện Nay

Có nhiều phương pháp biến tính than sinh học khác nhau, bao gồm xử lý axit, xử lý bazơ, xử lý oxy hóa, và phủ vật liệu nano. Các phương pháp này có thể cải thiện bề mặt riêng, tăng số lượng nhóm chức, hoặc tạo ra các vị trí hấp phụ có ái lực cao với ion Pb(II). Hydroxyapatite (HAp) có kích thước hạt nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn, ion Ca(II) trong HAp dễ trao đổi với các ion kim loại hoá trị II. Liang và các cộng sự đã nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu(II) và ion Pb(II) vật liệu có nguồn gốc từ hydroxyapatite cho thấy kết quả xử lí ion Pb(II) rất tốt [5].

III. Cách Biến Tính Than Sinh Học Hấp Phụ Pb II Hiệu Quả Nhất

Nghiên cứu này tập trung vào việc biến tính than sinh học bằng dung dịch potassium permanganate (KMnO4) và phủ hydroxyapatite (HAp) để tăng cường khả năng hấp phụ ion Pb(II). Potassium permanganate là một chất oxy hóa mạnh, có thể tạo ra các nhóm chức oxy trên bề mặt than sinh học, tăng cường khả năng liên kết với ion Pb(II). Hydroxyapatite là một khoáng chất có khả năng trao đổi ion, có thể hấp phụ ion Pb(II) thông qua cơ chế trao đổi ion. Việc kết hợp cả hai phương pháp này có thể tạo ra một vật liệu hấp phụ có khả năng hấp phụ Pb(II) cao và ổn định.

3.1. Sử Dụng Potassium Permanganate KMnO4 Biến Tính Than Sinh Học

Potassium permanganate (KMnO4) là một chất oxy hóa mạnh có thể được sử dụng để biến tính than sinh học. Quá trình xử lý bằng KMnO4 có thể tạo ra các nhóm chức oxy trên bề mặt than sinh học, chẳng hạn như nhóm carboxyl và nhóm hydroxyl, giúp tăng cường khả năng liên kết với ion Pb(II). Nghiên cứu từ tác giả Tan và các cộng sự của mình đã chế tạo thành công than sinh học nguồn gốc từ rơm biến tính bằng cách phủ lớp manganese oxide lên bề mặt vật liệu, cho thấy việc hấp phụ được cải thiện đáng kể [2].

3.2. Phủ Hydroxyapatite HAp Lên Than Sinh Học Giải Pháp Tối Ưu

Hydroxyapatite (HAp) là một khoáng chất có khả năng trao đổi ion và hấp phụ. Việc phủ HAp lên bề mặt than sinh học có thể tạo ra một vật liệu hấp phụ composite với khả năng hấp phụ Pb(II) cao. HAp có kích thước hạt nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn [3], [4], ion Ca(II) trong HAp dễ trao đổi với các ion kim loại hoá trị II. Liang và các cộng sự đã nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu(II) và ion Pb(II) vật liệu có nguồn gốc từ hydroxyapatite cho thấy kết quả xử lí ion Pb(II) rất tốt [5].

IV. Nghiên Cứu Động Học Và Cơ Chế Hấp Phụ Pb II Của Than Sinh Học

Nghiên cứu này cũng tập trung vào việc khảo sát động học hấp phụ và cơ chế hấp phụ Pb(II) của than sinh học biến tính. Các mô hình động học hấp phụ như Langmuir, Freundlich và Temkin được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ. Việc hiểu rõ cơ chế hấp phụ giúp tối ưu hóa quá trình hấp phụ và lựa chọn điều kiện vận hành phù hợp. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ như pH dung dịch, thời gian hấp phụ, nồng độ Pb(II) và nhiệt độ hấp phụ cũng được nghiên cứu.

4.1. Ảnh Hưởng Của pH Dung Dịch Đến Hiệu Quả Hấp Phụ Pb II

pH dung dịch là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ Pb(II). pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của than sinh học và sự tồn tại của ion Pb(II) trong dung dịch. Thông thường, hiệu quả hấp phụ tăng khi pH tăng, do bề mặt than sinh học trở nên tích điện âm hơn, thu hút ion Pb(II) tích điện dương.

4.2. Ảnh Hưởng Của Thời Gian Tiếp Xúc Đến Quá Trình Hấp Phụ

Thời gian hấp phụ là một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ Pb(II). Ban đầu, quá trình hấp phụ diễn ra nhanh chóng do có nhiều vị trí hấp phụ trống trên bề mặt than sinh học. Sau đó, tốc độ hấp phụ chậm lại khi các vị trí hấp phụ dần bị lấp đầy. Cần xác định thời gian hấp phụ tối ưu để đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhất.

4.3. Mô Hình Hấp Phụ Đẳng Nhiệt Langmuir Freundlich Temkin

Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt như Langmuir, Freundlich và Temkin được sử dụng để mô tả mối quan hệ giữa lượng Pb(II) được hấp phụ và nồng độ Pb(II) trong dung dịch ở trạng thái cân bằng. Các mô hình này cung cấp thông tin về cơ chế hấp phụ, khả năng hấp phụ tối đa và ái lực của vật liệu hấp phụ đối với ion Pb(II).

V. Ứng Dụng Than Sinh Học Biến Tính Xử Lý Ô Nhiễm Pb II Thực Tế

Nghiên cứu này hướng đến việc phát triển một phương pháp xử lý nước thải hiệu quả và chi phí xử lý thấp sử dụng than sinh học biến tính. Than sinh học được điều chế từ mùn cưa, một phụ phẩm nông nghiệp phổ biến và rẻ tiền ở Việt Nam, góp phần giảm thiểu chất thải và tạo ra giá trị gia tăng từ nguồn phế thải. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong việc xử lý nước thải chứa Pb(II) từ các ngành công nghiệp khác nhau, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

5.1. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Xử Lý Nước Thải Công Nghiệp

Than sinh học biến tính có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp chứa Pb(II). Phương pháp này có thể được sử dụng để loại bỏ Pb(II) từ nước thải của các ngành công nghiệp như khai thác mỏ, sản xuất pin, và luyện kim. Việc sử dụng than sinh học giúp giảm thiểu chi phí xử lý và tạo ra một giải pháp bền vững cho ô nhiễm môi trường.

5.2. Tính Khả Thi Về Mặt Kinh Tế Của Quy Trình Xử Lý Pb II

Việc sử dụng than sinh học trong xử lý Pb(II) mang lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế. Than sinh học được điều chế từ các nguồn sinh khối rẻ tiền, giúp giảm thiểu chi phí vật liệu. Quy trình sản xuất than sinh học đơn giản và không đòi hỏi công nghệ phức tạp, giúp giảm chi phí vận hành. Ngoài ra, than sinh học đã qua sử dụng có thể được tái sử dụng hoặc xử lý để thu hồi kim loại, tạo ra giá trị gia tăng.

VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Về Hấp Phụ Pb II

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của than sinh học biến tính trong việc hấp phụ ion Pb(II) từ dung dịch nước. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các phương pháp xử lý nước thải hiệu quả và bền vững sử dụng than sinh học. Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình biến tính than sinh học, khảo sát ảnh hưởng của các chất ô nhiễm khác đến quá trình hấp phụ, và phát triển các phương pháp tái sử dụng vật liệu hấp phụ sau khi sử dụng.

6.1. Đánh Giá Tổng Quan Về Kết Quả Nghiên Cứu Hấp Phụ Pb II

Kết quả nghiên cứu cho thấy than sinh học biến tính có khả năng hấp phụ Pb(II) cao hơn so với than sinh học nguyên thủy. Phương pháp biến tính bằng potassium permanganate (KMnO4) và phủ hydroxyapatite (HAp) đã cải thiện đáng kể bề mặt riêng và số lượng nhóm chức trên bề mặt than sinh học, tăng cường khả năng liên kết với ion Pb(II).

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng Phát Triển Trong Tương Lai

Trong tương lai, cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình biến tính than sinh học để đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhất. Nghiên cứu cũng cần khảo sát ảnh hưởng của các chất ô nhiễm khác, như các kim loại nặng khác và các chất hữu cơ, đến quá trình hấp phụ Pb(II). Ngoài ra, cần phát triển các phương pháp tái sử dụng vật liệu hấp phụ sau khi sử dụng để giảm thiểu chất thải và tăng tính bền vững của quy trình xử lý.