CHƯƠNG 1. Tổng quan về chất hấp phụ Chất hấp phụ là những chất có diện tích bề mặt riêng lớn hoặc chứa các tâm hấp phụ trên bề mặt vật liệu. Cho đến nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã có rất nhiều công trình nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion kim loại trong môi trường nước. Các vật liệu hấp phụ được sử dụng là vật liệu có nguồn gốc hoàn toàn tự nhiên như bùn đỏ, cao lanh, quặng mangan, quặng sắt… hoặc các vật liệu được biến tính từ các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên như các phụ phẩm nông nghiệp, đá ong biến tính, cát thạch anh bọc oxit kim loại… Ngoài ra, chế tạo các chất hấp phụ kim loại nặng từ hoá chất tinh khiết cũng là hướng nghiên cứu của nhiều nhà khoa học hiện nay.
Tác giả Nguyễn Thị Vương Hoàn và cộng sự đã nghiên cứu khả năng hấp phụ Pb2+ và Cd2+ trong dung dịch nước của vật liệu MCM-41 biến tính bởi TiO2. Các tác giả đã sử dụng phương pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử và mô hình hấp phụ Langmuir để nghiên cứu sự hấp phụ ion kim loại trên vật liệu. Kết quả thực nghiệm cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu khảo sát tương đối lớn, khoảng 43mg/g đối với Pb và 36mg/g đối với Cd [10]. Tác giả Đỗ Trà Hương đã nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II) và đánh giá khả năng xúc tác oxi hóa xanh metylen, phân hủy metylen xanh của vật liệu oxit nano ﻻ-Fe2O3.
Vật liệu hấp phụ oxit nano ﻻ-Fe2O3 chế tạo được có dạng hình cầu, đồng đều, kích thước nanomet và diện tích bề mặt riêng là 176,2 m2/g. Tác giả đã khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Mn(II) của vật liệu hấp phụ bằng phương pháp tĩnh với thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 150 phút, pH = 4,5; dung lượng hấp phụ Mn(II) cực đại là 35,253mg/g [12]. Tác giả Nguyễn Thùy Dương đã nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ lạc và thăm dò xử lí môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy: pH tối ưu cho sự hấp phụ Mn(II) và Cu(II) lần lượt là 5,0 và 4,0.
Dung lượng hấp phụ cực đại đối với Mn(II) và Cu(II) lần lượt là 3,04mg/g và 7,67mg/g [5]. Tác giả Lihui Huang và cộng sự đã nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni(II) của cacbon hoạt tính có nguồn gốc từ thân cây sen được hoạt hóa bằng axit photphoric. 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.apatit Kết quả nghiên cứu cho thấy diện tích bề mặt riêng của vật liệu hấp phụ là 122 m2/g, dung lượng hấp phụ Ni(II) cực đại là 31,45mg/g [27]. Tác giả Shitong Yang và cộng sự đã nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni(II) trên vật liệu cacbon ống nano đa vách.
Sự ảnh hưởng của thời gian, pH, ion lạ và PAA (polyacrylic acid) đến khả năng hấp phụ Ni(II) của vật liệu đã được nghiên cứu. Khi pH tăng từ 2-9 thì hiệu suất hấp phụ Ni(II) tăng từ 0-99%, thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 2h. Khi pH < 8 thì PAA ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Ni(II) của vật liệu. Khi pH>8 thì PAA hầu như không gây ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ Ni(II) của vật liệu [33].
Tác giả Atul Kumar Kushwaha và cộng sự đã nghiên cứu sự hấp phụ Ni(II), Co(II), Cu(II) trên một loại vật liệu mới được tổng hợp từ chất hữu cơ. Cấu trúc của vật liệu được nghiên cứu bằng các phương pháp: SEM, FTIR, 1HNMR. Sự ảnh hưởng của các thông số như pH, nồng độ ion, thời gian, nhiệt độ… đến khả năng hấp phụ Ni(II), Co(II), Cu(II) của vật liệu đã được nghiên cứu. Sự hấp phụ các ion trên vật liệu đã được mô tả theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich [20].
Tác giả Phạm Xuân Cường và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp và khảo sát ảnh hưởng của khối lượng hạt vật liệu chế tạo từ bùn đỏ đến khả năng hấp phụ các kim loại nặng và asen. Trong nghiên cứu này các tác giả đã trình bày về cách chế tạo vật liệu và nghiên cứu khá sâu về thành phần cũng như cấu trúc vật liệu. Ngoài ra, các tác giả còn trình bày khá chi tiết về ảnh hưởng của khối lượng hạt vật liệu đến khả năng hấp phụ As(III), As(V), Cd2+, Cu2+, Pb2+ và Zn2+. Từ kết quả thực nghiệm, các tác giả đã đưa tới kết luận: với tỉ lệ khối lượng vật liệu và thể tích dung dịch bị hấp phụ là 40g/L sẽ thu được hiệu quả xử lí các kim loại nặng và asen là tối ưu [2].
Bên cạnh nghiên cứu này, các tác giả cũng nghiên cứu khả năng xử lý ô nhiễm kim loại nặng cadimi (Cd2+) bằng hạt vật liệu chế tạo từ bùn đỏ theo phương pháp hấp phụ cột. Kết quả nghiên cứu cho thấy, với nồng độ ban đầu của Cd2+ là 1,11mg/L (cao gấp 22 lần giới hạn cho phép theo quy chuẩn Việt Nam hiện hành) thì khả năng hấp phụ Cd2+ trên cột vật liệu gần như không đổi theo thời gian, phần trăm hấp phụ của Cd2+ lên đến 90% với tổng thể tích dung dịch Cd2+ chảy qua cột là 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.apatit 47 lít trong thời gian 17 ngày. Dung lượng hấp phụ Cd2+ trên cột vật liệu đạt 943mg/kg [3]. Tác giả Lưu Minh Đại và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng vật liệu oxit hỗn hợp Fe-Mn trên nền cát thạch anh để hấp phụ asen.
Trong nghiên cứu này, các tác giả đã chế tạo thành công vật liệu hấp phụ oxit nano hệ Fe-Mn/SiO2 bằng phương pháp gây đốt cháy gel PVA ở tỉ lệ mol Fe/Mn = 9/1. Dung lượng hấp phụ cực đại đạt 1,81mg/g đối với As(III); 2,01mg/g đối với As(V) và dung lượng hấp phụ động an toàn đạt 0,1mg/g [6]. Tác giả Phạm Thị Hà đã nghiên cứu khả năng hấp phụ Fe(III), Ni(II), Cr(VI) của vật liệu oxit nano MnO2 bọc cát trong môi trường nước và thử nghiệm xử lí môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian đạt cân bằng hấp phụ với Fe(III) là 150 phút, đối với Ni(II), Cr(VI) là 180 phút… Dung lượng hấp phụ cực đại đối với Fe(III), Ni(II) và Cr(VI) lần lượt là 2,316; 2,289; 1,266mg/g [7].
Tác giả Ngô Thị Mai Việt đã nghiên cứu khả năng hấp phụ Fe(III), Cr(VI) của các vật liệu đá ong biến tính. Trong nghiên cứu này, tác giả đã biến tính đá ong thành các vật liệu hấp phụ (vật liệu M1 là vật liệu đá ong biến tính với nguồn photphat là hoá chất tinh khiết; vật liệu M3 là vật liệu đá ong biến tính với nguồn photphat là quặng apatit) và đã xác định được điểm đẳng điện của các vật liệu là 6,5 (M1) và 8,7 (M3). Kết quả nghiên cứu các vật liệu bằng phương pháp SEM và BET cho thấy, vật liệu M1 có độ xốp và diện tích bề mặt riêng lớn hơn vật liệu M3. Ngoài ra, các thông số tối ưu cho quá trình hấp phụ Fe(III), Cr(VI) của các vật liệu đã xác định được.
Đó là: thời gian đạt cân bằng hấp phụ (90 phút đối với Fe(III); 120 phút đối với Cr(VI); kích thước hạt vật liệu là 0,05 – 0,2mm; khối lượng vật liệu là 0,2g; pH là 2,5 (đối với Fe(III)); 2,0 (đối với Cr(VI)). Sự hấp phụ Fe(III), Cr(VI) trên bề mặt đá ong biến tính tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir. Dung lượng hấp phụ Fe(III), Cr(VI) cực đại của các vật liệu lần lượt là: 76,92mg/g và 18,52mg/g (M1); 39,53mg/g và 17,85mg/g (M3) [19]. Ngoài các vật liệu hấp phụ được chế tạo từ hoá chất hoặc các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên được biến tính thì các vật liệu hấp có nguồn gốc hoàn toàn tự 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.apatit nhiên như quặng mangan, than bùn, các khoáng tự nhiên… cũng được nhiều nhà khoa học nghiên cứu sử dụng làm vật liệu hấp phụ một số ion kim loại nặng.
Tác giả Đồng Thị Hương Liên đã nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của quặng mangan Cao Bằng. Khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) của loại quặng này đã được tác giả nghiên cứu. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, sự hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) trên quặng mangan Cao Bằng tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir. Dung lượng hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) xác định được theo mô hình Langmuir lần lượt là 1,692mg/g và 1,845mg/g [13].
Tác giả Đỗ Trà Hương đã nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+, Ni2+ của than bùn Việt Yên - Bắc Giang. Khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ Cu2+, Ni2+ của vật liệu đã được tác giả nghiên cứu. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, sự hấp phụ Cu2+, Ni2+ trên than bùn Việt Yên - Bắc Giang tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir. Dung lượng hấp phụ Cu2+, Ni2+ xác định được theo mô hình Langmuir lần lượt là 10,49mg/g và 15,65/g [11].
Zeolit là một loại khoáng tự nhiên có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng. Zeolit là những tinh thể aluminosilicat của kim loại kiềm và kiềm thổ, có cấu trúc tứ diện và được nối với nhau bởi các nguyên tử oxi ở các đỉnh tứ diện. Trong tự nhiên có khoảng 40 loại zeolit. Dung lượng hấp phụ một số ion kim loại nặng của hai zeolit tiêu biểu là clinoptilolite và charbazite philipsite đã được nghiên cứu.
Dung lượng hấp phụ: Cd2+, Cr(VI), Co2+, Ni2+, Zn2+, Cu2+ và Pb2+ của clinoptilolite lần lượt là: 2,40; 2,40; 1,42; 0,48; 0,50; 1,64 và 1,60mg/g còn dung lượng hấp phụ: Cr3+, Ni2+, Zn2+ và Cu2+ của charbazite philipsite lần lượt là: 0,25; 0,56; 0,04 và 0,37mg/g [16]. Bên cạnh zeolit thì đất sét cũng là một trong các khoáng tự nhiên có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng. Đất sét được chia làm 3 loại chính là smectites, kaolinite và micas. Ngoài ra còn có ilite, bentonite.
Đất sét cũng có khả năng hấp phụ khá tốt một số ion kim loại nặng. Chẳng hạn, smectites có khả năng hấp phụ 0,68mg/g đối với Pb2+; 0,72mg/g đối với Cd2+ và 4,98mg/g đối với Zn2+. Dung lượng hấp phụ Pb2+, Cd2+ và Zn2+ của kaolinite lần lượt là: 0,12; 0,32 và 1,25mg/g. 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.apatit Đối với bentonit, khả năng hấp phụ Cd2+, Zn2+, Cr(VI) và Sr2+ lần lượt đạt 1,41; 4,54; 0,57 và 2,94mg/g [35, 36].
Tác giả Omer Yavuz và cộng sự đã nghiên cứu khả năng tách loại đồng, niken, coban và mangan trong dung dịch nước của cao lanh. Dung lượng hấp phụ cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các kim loại trên đã được nghiên cứu [29]. Mặc dù dung lượng hấp phụ các ion kim loại của các vật liệu này không cao nhưng do có giá thành rẻ (khoảng 0,1USD/1kg) nên chúng vẫn thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học.