Khoá luận tốt nghiệp Hóa học: Khảo sát khả năng hấp phụ Ion Cu(II) và Pb(II) bằng than sinh học có nguồn gốc từ đũa tre và biến tính với Potassium Permanganate

Trong đó, than sinh học là loại vật liệu có tiềm năng rất lớn khi được sản xuất từ những nguyên liệu với chỉ phí thấp hơn các loại vật liệu hấp phụ khác cũng như giúp giảm phát thải CO:

l BỘ GIÁO DUC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHOA HÓA HỌC

ĐẠIHỌC a7

2SP

TP HO CHÍ MINH

KHOA LUAN TOT NGHIEP

KHAO SAT KHẢ NANG HAP PHU ION Cu(II) VA Pb(ID) BANG THAN SINH HỌC CO NGUON GOC TU DUA TRE VÀ BIEN TÍNH

VỚI POTASSIUM PERMANGANATE

Giảng viên hướng dân: TS Nguyễn Kim Diễm Mai

Sinh viên thực hiện: — Nguyễn Đăng Hoan

Ma số sinh viên: 46.01.201.038

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SU PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHOA LUAN TOT NGHIEP

KHAO SAT KHẢ NANG HAP PHU ION Cu(II VA Pb(H) BANG THAN

SINH HOC CO NGUON GOC TU DUA TRE VA BIEN TINH VOI

POTASSIUM PERMANGANATE

Giảng viên hướng dan: TS Nguyễn Kim Diém Mai

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đăng Hoan

LOI CAM DOAN

Trong khóa luận này, tôi xin cam đoan day là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự

hướng dẫn của TS Nguyễn Kim Diễm Mai và tôi đã thực hiện đề tài của mình với tinh thần

trách nhiệm cao nhất, đảm bảo sự chính xác và day đủ về các thông tin được trình bay trong

khóa luận Tôi đã tập trung nghiên cứu và phân tích kỹ càng dé đưa ra những kết luận mang

tính xây dựng.

Bên cạnh đó, tôi cũng cam kết tuân thủ các quy định và hướng dẫn của trường đạihọc và khoa về việc viết khóa luận đảm bảo tính chính xác, logic vả thuyết phục của bài

viết Tôi đành thời gian và công sức để hoàn thiện khóa luận của mình.

Với tỉnh thần trách nhiệm và nỗ lực hết mình, tôi hy vọng khóa luận của mình sẽ đạt

được những kết quả tốt nhất và có ý nghĩa góp phan mang tính xây dựng cộng đồng khoa

học và xã hội.

Người cam đoan

NGUYÊN ĐĂNG HOAN

LỜI CẢM ƠN

Đề hoàn thành khóa luận này, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo, giảng viên

va cán bộ trường Dai học Sư phạm Thành phố Hỗ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi đượchọc tập, rèn luyện và tích lũy kiến thức, kĩ năng cần thiết dé thực hiện khóa luận này

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Kim Diễm Mai đã tận tinh chi dẫn

va giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm khóa luận Tôi cũng xin chân thành cam ơn đến các

thay cô trong tô Hóa Công nghệ - Môi trường đã tạo điều kiện và đưa ra những góp ý,

những kiến thức dé tôi hoàn thành khóa luận

Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Anh Tiến đã tạo điều kiện cho tôi được sử dụng tủ nung trong phòng thí nghiệm Hóa V6 cơ Tôi cũng xin cảm ơn PGS.TS Nguyễn

Thị Ánh Tuyết và TS Nguyễn Văn My đã tạo điều kiện cho tôi được sử dụng phòng thi

nghiệm và thiết bị đo AAS.

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bạn bẻ và gia đình đã luôn ủng hộ động viên tôi trong

suốt quá trình học tập và thực hiện khóa luận Xin trân trọng cảm ơn tất cả mọi người

TP Hồ Chí Minh, thang 5 năm 2024

Sinh viên

NGUYEN ĐĂNG HOAN

MỤC LỤC

LỚI CAM Đ ÁN cocccetcoito0i2055666: 0022460240003005103166315646ã560546053353405365395936ã888886884853303388898438ã8388488388

LŨ 011027 VIN cas cece or ra g TT Tho TU iỢ

MƯC TỤC seectiisceesoeeootisociaE i200862014236233655613651836588863853915835593386553838859385398523589332338883882338338552355038

DANH MỤC CHỮ VIET TAT VÀ KĨ BIERU ssssccscsoscssscsssassssssssscssceosceoscsssassosesensconsoosees iv

DANHMUCIRBINH ANH sec eeereeeeeioeiireeeeeeooioobeiooiiooiiooroooiroooesoe vDANE MUC BANG ssisiisisssccsisicsicciccnicminmnmmnninamianmanmmmnnnnmannanes viiC0 | sẽ ẽẽ=ẽ ẽ=ẽ.ẽ==s=== 11.LÍDO CHỌN ĐỀ TÀI sss ssssssssanssanssansssnssanssanscansasnaasnaassasssassnasanassnssanssanscansaznaaiaas |

3, MỤC DICH NGHIÊN QUU ssssssscssscsssscssscssscssccssacssscossasssanssanssanssassesceascassosssessscassasssacess 2

3 DOL TƯỢNG VÀ PHAM VI NGHIÊN CỨU sso-<ssssSsc<c2sesspsspssee 2

4 NOUDUNG INGHIEIN DHbaaaaaaaaaaaaaaaaaaaarndaaadoddrootoooaanaaae 3

CHUONGI.TDNEGOHANs=-.- - -== =-—= -—=-=-. . 4

1.1 TONG QUAN VE COPPER VA Ô NHIEM COPPER TRONG MOI TRƯỜNG

NƯỚI kneeeicseeoetiteiiiiitcitix4531003442015263383636353888303303833555385536353858338302833238383535833688833359335 4

1,I;1.:Ð86:tfäh‹eöa kim loa COPE soococoicioooioouiotiiicoiiiiiitiooitottitii31003002311ã615082026858 4

1.1.2 Nguồn gốc ô nhiễm của copper trong môi trường nước -‹.-‹¿ 5c: csccxcse 4

DUS EGG AU CER CODER sis cissssssscnsnssisasssarisesssesssasisnasiasincsieassiesisadiinasiasinassieaisasscesiisasis 4

1.2 TONG QUAN VE LEAD VA Ô NHIEM LEAD TRONG MOI TRƯỜNG

UT GG acs sccsccssscnstcascssscsseussesscssscsstsssessssssesstessssssesscussesscssassssesduesseessussessssssesstsssssssessesssesssosasd 5

12:9 -Dacitinh Cua kam Ogle siicsiicssscasscasasessscscecasscetasaicoasseaaaseatassiccasscaissoseeasseaaaseaescseee 5

1.2.2 Nguồn gốc 6 nhiễm của lead trong môi trường nước ¿ zcszecszccse §

1,2:3.:Độc thah: Cla EBỮ¡cocciiiicioiiiiiiiiiiiiiEL001102101A011040106120413031188813868584456ã156681845883438561986856 5

1.3 THỰC TRẠNG O NHIEM COPPER VA LEAD 5-25<55sscsssesssesssesse 6

DSU; Wea V10LI|ATN: 22::4 :22242221422212211222114/1121/1222121212111211/161116121221131112221231333311911132215314521321110 6

92: Tiên (Hệ B10 besrcaraieenamnensnnnmmnmnnamnmananmananunamanamuanan 7

lá THANGSINH sce sscscccsscsscssccssccsscsssceszcsscasesascsssesscestcsscusscsssusscessssscastessssstoas! 8

1.4.1) Dyn ngbiaithian Sw HOC ses: ccsscscscsascacssessssacssssscsascasscaassassseacasascatscaascasscasscesassasnasase 8 1.42) Dacitinh cha than: sinh hOGs secs ices secesscaiscesscossssssscciscsessacssactsessassessssssssasasseassesasaesseesse: 9

1.4.3 Một số ứng dung của than sinh hQC -c.cccssessesseesesseesseseesseesesserseesesnseseeeeeeeenees 10

1.4.4 Một số phương pháp biến tinh than sinh học -2- 22 z2 s2scczcczzcEzcrxec H

1.4.5 Cơ chế hấp phụ của than sinh học -22- 2252222222222 S232 xzcxxecxxecrsrce 131.5 TINH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 14

1.5.1 Nphiên:cW0IW0BBE HHƯỚỔ coopoioeaoagoagoaigoiooiioitiittittiitiiititiiiii105103111813536168818850 14

I.5.2.Nÿn/È1i0000000210H0k nanaitteriogit6iisiiiieit6x011610041001010270140012210940023020210039005930536 16

CHUONG 2: THU GC NG HIM ssssicssosissccscccssscssssseusceomsvsccsscarcsesseusosscescavressccuscasecsessnrcsties 18

2.1 HOA CHAT, DUNG CỤ, THIẾT BY ĐO ‹.5<osssosscosseossoossoosse 18

BVM MS QCM (c0: 26052: 5cc01010022102211225227300211701275222E2102211953270101231123702212227923770E1751072772SE? 18

BU - ÐTNTIIE(GÌÌL:22212234225172402121302207203723909308739)139058817224023072307121004116303028070310133923602307133012017281054€ 18

DBs THIÊN Đ] :oissoooanosnnnntiisttiiiiti10153110381001831105838848883536810888085388383938888888881881388808488888888) 19

5:2.PHƯGƠNGEHAPNGHIỆN CỮU ssssssssssousscsssnccvesnsssouvessstsssuusssscevecssesssicesesssoussesssnccs 20

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu lí luận 5 Ác HH HH 1v, 20

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực tiến 2 2s xe SE Sxt>xerxcxersrrkesercee 20

2.2.3 Phương pháp phô hap thụ nguyên tử AAS (atomic absorption spectrophotometric)

38338 8383339583685 8785302888 2388555833858 85g233825883g853395253595825532302555883768385255585525385589538285 9558556955825 20 2.2.4 Phương pháp phô tán sắc năng lượng tia X EDX (Energy-dispersive X-ray

SECIS CODY ) | TT T1 101101 011011 01111711171 071011111110111111/711/70111711777170111111/7111 711777177111 71110111 10170111717 21

2.2.5 Phương pháp kính hiền vi điện tử quét tán xạ trường FESEM 212.2.6 Phương pháp đăng nhiệt hap phụ - giải hap phụ Na (BET) - - -: 21

2.3 QUY TRÌNH NGHIÊN COU ccsssssscsssssssssssssssssssscsssesssesssesnscssscssssessessneessseesss 23

2.3.1 Chế tạo than sinh học - 2-2 2s S132 1121252115111 1121211 212112125111 211111 22111 EEcC 232.3.2 Chế tạo than sinh học biến tính với dung dich potassium permanganate 24

2.3.3 Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng ion Cu(II) và Pb(H) 25

2.3.4 Khảo sát đơn biến các yêu tô ảnh hưởng c5 cv srircvirrrrrrrrrrrrree 272.3.5 Bồ trí thí nghiệm khảo sát điểm điện tích không (point of zero charge) 310:54; IR Bish cub HAD tat CHAN, cấu GEN cusassccsnconncsczusssnaisoscsassssaoanoasasaninaatoasencasassnscasnsaniead 322.3.7 Xử lí số liệu St SEES2111 21 2111521111121 11111 11 11 121121112111 11.21111212 11-21 c0, 32CHƯƠNG 3 KET QUA VÀ THẢO LUẬN -«cooscoosecoseooseoeossoose 35

3:1, DAC TINE THAN SIND H-— kugggggggggagaaaỷ-anaanaaaaaaaaaỷaaẳiaẳ 35

3:0): Ảnh FESEM cbav§TIÏÊU‹sorsossnaonnannannoinnanninnniinnnitiiitisiitliiiiSiiaG00531005018380.3600884 35

3.1.2 Phê tán xa năng lượng tia K (EDR) sss isssscsiscsssessseassaassacssncsiscassvanveassiasiacivacaincaneens 36

EM laiiiầdii aa.a.aÁTmn 38

3.1.4 Đăng nhiệt hap phụ - giải hap phụ N› (BET/BIH) -c -c - 39

3.1.5 Điểm điện tích không - ¡2-52 Sc 23 2x 2221710212112 721111 71221171072- 1e ceecrrrei 4I

3.2 KHAO SAT QUÁ TRÌNH HAP PHY ION Cu(H) VÀ Pb(H) BANG BC-KMnO,

ốc aốaốa ốc 6 ốổố a ố6ốỐaổ cổ 7 cốc acc 42

3.2.1 Ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình hấp phụ : .2¿.52<: 423:22 Ảnh hưởng cña thời gian hấp Phi sissies ccssccssceiscasacsissesesccsssssassascaiacossvessvessnsssossanaad 44

3.2.3 Mô hình về động học của quá trình hap phụ .2- 222 ©2zz7czzccxeccxece 46

3.2.4 Anh hưởng của nồng độ ion ban đầu đến quá trình hap phụ 49

3.2.5 Mô hình hap phụ đăng nhiệt - 5 5 22 222212233724 125 2117 21171721112211 721.2 51

3.2.6 Anh hưởng của khối lượng BC-KMnOs đến quá trình hap phụ 543:3, NHAN XET VỀ VẬT LIỆU THAN sissssssssssocssscasseisarssovesssaceressnesesesssrsesnssvansonssonnsonns 56CHƯƠNG 4 KET LUẬN VÀ KIÊN NGHID socssssessssvscicescsssosscssansescssvaccsnscssavssocsansessssvees 58

MM KẾT LUẬN sssccsiscscssssscsassccsccssscncscnsccnacansscnsscnsscnssseassanssansssasiaassaassaassanaaaasasasanaamaaaaans 58

đ:2.KIENNGHkeeeeeeineeoeibiioioiieiiioiioiiiitt10110010061016103500180030008505880ã008ã010803683) 58DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KEAO cssscssscsssscssccsscessscssscssscssscsssasssesssasssesssasssacssscseses 59

DANH MỤC CHU VIET TAT VA Ki HIỆU

Tir viet tat | Y nghia

BC Than sinh hoc

Than sinh hoc có nguôn goc từ đũa tre

BC-KMnO; Than sinh học biến tính bang KMnO¿

Atomic Absorption Spectrometry (quang phô hap thụ nguyên tử)Deionized Water (nước deion)

pH of zero point charge (pH tại điểm điện tích không) Point of zero charge (điểm điện tích không)

Energy-dispersive X-ray spectroscopy (phô tán sắc năng lượng tia X)

Fourier)

Field emission scanning electron microscopy (kính hiện vi điện tử

quét phát xa trường)

iv

DANH MỤC HÌNH ANH

Hình 2.1 Các dang đường hap phụ và giải hap phụ đăng nhiệt - -522 5525552 22

Hinhi2:2: Hinliánhiiluiff8 HW6tanaoieaoooniniiioioindtiiniiigiaiitii00ii001144102040868108g058864 23

Hình/2:3./Sg:đ điển chất II su enueeoinosiibiioiiiditbbnitsii61401300010018130062008210 0166088036 24

Hình 2:4 Rita than sinh hoc sai Khi niiiE : :-:-s:c ác cŸ c -cocce 24

Hình 2.5 Sơ đồ điều chế BC-KMnO, 2252-22 22222221222222112221111 22111 11221 cccrrre 25Hình 2.6 Đường chuẩn xác định nông ¡170000 0 0 ố.ốỐốố ốẽ na 26

Hình 2.7 Đường chuẩn xác định nông độ ion Pb(1]) -.2 55-52-2522222zc2zscvzcsvzzee 27

Hình 2.8 Quy trình khảo sát đơn biến các yếu tổ ảnh hưởng đến quá trình hap phụ ion

Cull) Ding vậtliệun|BGSKMHOIN eo cŸ ii oooooccoceiDoioaooaaoaa 28

Hình 2.9 Quy trình khảo sát don biến các yếu tổ ảnh hưởng đến quá trình hap phụ ion

PETE) ras Vat eG a Ca ss asics sscassceassainaasscanssessvosssvasnasascasnansanasasoanvensasassannevasnaas 30 Hình 3.1 Hình anh FESEM của vật liệu BC-ĐT À cceseeeseeesceeseeeseeecsesneesees 35

Hình 3.2 Hình ảnh FESEM của vật liệu BC-KMnOg 00.0 eee eee eeeeceeeeeteeeeteeaeeeeteeeeees 35

Hình 3.3 Gian đồ phô tán xạ năng lượng tia X theo % nguyên tử và theo % khối lượng

Cla BOK Os CGC Bến(BŨisooioaeiooniioiioeoiiuiatiitiiiitioitiittii1i0111141016112030062018818ã89383185857 36Hình 3.4 Giản đô phô tán xạ năng lượng tia X theo % nguyên tử và theo % khối lượng

của BC-KMnO¿ sau Bap phụ Cu(hl) cccccccssscssscssscsssssssnassnasssasssasssnssssassnassnassnasssnsasssssnasoaas 36

Hình 3.5 Gian do phô tán xạ năng lượng tia X theo % nguyên tử và theo % khối lượng

cna BC-K MnO4 sau hap pitt PIED): cciscccscasicacscsasscsaecacscasscasscascssssaasssasscarscacssasscasasasasaassaas 37

Hình 3.6 Pho FT-IR của vat liệu BC-KMnO; trước hap phy cesceescseecssecssnesenees 38

Hình 3.7 Phổ FT-IR của vật liệu BC-KMnO¿ sau hap phụ Cu(]) 5 38 Hình 3.8 Phô FT-IR của vật liệu BC-KMnO; sau hap phụ Pb(II) 5-55: 39

Hình 3.9 Đỗ thị đường hap phụ đăng nhiệt BET của No trên BC-KMnOx 40Hình 3.10 Đồ thị biéu điền sự phụ thuộc của ApH; theo pH dung dich của BC-KMnO¿ 42Hình 3.11 Dung lượng hap phụ và hiệu suất hap phu đối với ion Cu(II) của vật liệu theo

PORE OIG di seeeeeaieioeanibiibiitiiieiiilt012112631853350331655863395353553333633508331635563336350528562553236 4

Hình 3.12 Dung lượng hap phụ và hiệu suất hap phụ đối với ion Pb(ID của vật liệu theo

BH đúng GCN csccscocoosooaooiaosooaoooatooobiiistiiaiisi1351605860515821505455808868885486388858865159358855ã8556 43

Hình 3.13 Dung lượng hap phụ và hiệu suất hap phụ trung bình của ion Cu(II) theo thời

GUID 5g1i8316031105161251155175517851185115510553455515317881851355533813585878558314881551918835457537183185i858788ã1815487835125ï 4S

Hình 3.14 Dung lượng hap phụ và hiệu suất hap phụ trung bình của ion Pb(II) theo thời

BÏNÌŸŸ :¿2i2z2tpzxti222022312021255512381235365305235525672358655825685355825852355035858355335535682355057825g55335855525853535558:5857 45

Hình 3.15 Mô hình động học bậc một đối với sự hap ¡100 (|) nh 47

Hình 3.16 Mô hình động học bậc hai đối với sự hap phụ Cu(I) -.5 55 47

Hình 3.17 Mô hình động học bậc một đối với sự hấp phụ Pb(II) -‹ -‹ : 47

Hình 3.18 Mô hình động học bậc hai đối với sự hấp phụ Pb(I]) - ‹.-.5-:: 48 Hình 3.19 Dung lượng hấp phụ vả hiệu suất hấp phụ ion Cu(II) theo nồng độ đầu của COM Ế ) | c 2 12262122162134221521616316231230121441603043013246106343421803582310036121014018g19304384301031434030310449484882110240103/ 50 Hinh 3.20 Dung lugng hap phụ va hiệu suất hap phụ ion Pb(1I) theo nong độ đầu của 0) 50 Hình 3.21 Mô hình hap phy đăng nhiệt Langmuir của than đối với ion Cu(ID) 52

Hình 3.22 Mô hình hap phụ đăng nhiệt Freundlich của than đối với ion CuI) 52

Hình 3.23 Mô hình hap phụ đăng nhiệt Langmuir của than đối với ion Pb{II) 53

Hình 3.24 Mô hình hap phụ đăng nhiệt Freundlich của than đối với ion Pb(I]) 53

Hinh 3.25 Dung lugng hap phụ va hiệu suất hấp phụ ion Cu(II) theo khéi lượng vật liệu

HỆ -KIMHỆ:.eassieiiisiiiiiiisiiiaoiiegi10210231122100301001653083552391831525888523039588588895525802353858523585388855 5S

Hình 3.26 Dung lượng hap phụ và hiệu suất hap phụ ion Pb(II) theo khối lượng vật liệu

BKMHÍDMN:::::iccciccooniioiniociiosgiS002006150311051006812351555155515648163855685835588355985583858335881565858ã15531354515658 55

vi

DANH MỤC BANG

Bang 1.1 Các nghiên cứu về than sinh học trong nước -2- 22 sz2sszcszzzcczee 14 Bảng 1.2 Các nghiên cứu về than sinh học ngoài nước 2-22©52c5ccc5cccscccce 16

Bảng 2.1 Danh mục các hóa chat sử dụng - - 22 252 1 210251155111 1022012112172 c6 18

Bang 2.2 Danh mục các dụng cụ đã sử dụng Hee 18

Bang 2.3 Danh mục sử dung các 011080 -.Ả 19

Bang 2.4 Đường chuân xác định nồng độ ion Cu(1]) - ¿©2522 5222222xzz£ 25

Bang 2.5 Dường chuẩn xác định nồng độ ion Pb(I]) 2-22 ©cZcc+zccxzccvzee 26

Bảng 2.6 Bảng mô tả điều kiện các thí nghiệm khảo sát đơn biến các yếu tổ ảnh hưởng

đến quá trình hap phụ ion Cu(I) bằng vat liệu BC-KMnÓ¿ -522522222ScsSscccee 28

Bang 2 2.7, Bang mô ta điều kiện các thí nghiệm khảo sát đơn biến các yếu tổ ảnh hưởng

đến quá trình hap phụ ion Pb(ID) bằng vật liệu BC-KMnO¿ - 2222552222225 cse2 30

Bang 3.1 Kết quả phân tích EDX cúa BC-KMnO¿ trước va sau hap phụ hai ion Cu(II) va

Bang 3.4 Một số tham số của phương trình đẳng nhiệt Langmuir va Freundlich trong hap

phụ Cu(ID và Pb(II) băng BC-KMnOa HH nu 53

Bang 3.5 So sánh vật liệu BC-KMnOy với các loại vật liệu kha cece 56

vil

XÁC NHẬN CHỈNH SỬA SAU BẢO VỆ

XÁC NHẬN CỦA GVHD XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG

(Kí và ghi rõ họ tên) (Kí và ghi rõ họ tên)

vill

MỞ ĐÀU

1 LÍ ĐO CHỌN ĐÈ TÀI

Nước chiếm phan lớn điện tích bề mặt Trái Dat và là môi trường sống của nhiều loài

sinh vật Nước cũng là một yếu tố không thê thiểu trong đời sống hang ngảy của con người

Ngày nay, 6 nhiễm nói chung va ô nhiễm nguồn nước nói riêng đang là một van dé nghiêm

trọng Hàm lượng các kim loại nặng như arsenic, cadmium, copper, lead, nickel cao vượt

ngưỡng trong nước gây nguy hiểm đến các sinh vật song và cả con người Việc phơi nhiễmcác kim loại nặng trong thời gian dai sẽ gây ảnh hướng xấu đến sức khỏe, gây độc các cơquan [1] Trong đó, ngộ độc copper có thé gây ra các ảnh hưởng đến hệ tiêu hóa, đa, phôi

và thận [2] Trong khi lead có thẻ tác động lên hệ sinh sản, hệ thần kinh, gây ung thư cũng

như tác dụng xau đến chức nang thận [3] Từ dé có thé thấy được những nguy hiém của các

ion kim loại nặng đối với sức khỏe con người Vì vậy, việc tìm kiếm một phương pháp để

làm giám ham lượng các kim loại nặng trong môi trường nước la việc hết sức can thiết Có

nhiều phương pháp được sử dụng dé giảm hàm lượng các kim loại nặng như kết tua, keo

tụ, trao đôi ion, điện hóa, hap phụ trong đó hap phụ kim loại bằng các vật liệu là một

phương pháp hiệu quả để loại bỏ các kim loại nặng Các loại vật liệu hấp phụ kim loại nặng

có thé bao gồm: than sinh học, các vật liệu vô cơ như các oxide kim loại của iron vàmanganese hay các polymer Trong đó, than sinh học là loại vật liệu có tiềm năng rất lớn

khi được sản xuất từ những nguyên liệu với chỉ phí thấp hơn các loại vật liệu hấp phụ khác

cũng như giúp giảm phát thải CO: khi xử lí rác thải bằng phương pháp đốt đối với các phụ

pham trong nông nghiệp.

Than sinh học là một loại vật liệu giá rẻ có khả năng hap phụ các ion kim loại nặng,

dé tăng kha nang hap phụ của than sinh học có thé sử dụng các phương pháp hóa học biến

tính giúp cho bé mặt than dé hap thụ hơn Ưu điểm của than sinh học là được sản xuất từ

nguồn nguyên vật liệu dễ kiếm tại Việt Nam như rom, ra, trâu, mùn cưa, tre Do đó, than

sinh học có tiềm năng cao dé phát triển của tại Việt Nam [4] Hiện nay, hau hết các quan ăn

đều sử dụng các loại đũa tre dùng một lần Vi vay, loại rác thai này có số lượng ngày cảng

Trang |

gia tăng và cần một có một phương pháp xử lí phù hợp Phương pháp hiệu quả đề giải quyếtcác vấn đề trên là điều chế than sinh học từ đũa tre đã qua sử dụng.

Tuy nhiên, than sinh học nói riêng chỉ có thé hap phụ ở một mức độ nhất định, dé

tăng khả năng hap phụ của than sinh học, người ta có thé tiễn hành biến đổi trên than sinh

học dé tạo ra được một loại than mới gọi là than sinh học biến tính Than sinh học có thé

được biến tính bằng nhiều phương pháp hóa học cũng như vật lí, trong đó biến tính với

potassium permanganate la một phương pháp hiệu quả với khả năng hap phụ của than sinh

học đã được biến tính đều cao hơn so với than sinh học ban đầu [5-7] Potassiumpermanganate hay còn gọi là thuốc tím là một chất oxi hóa phô biển, được dùng trong biển

tính than sinh học nhằm oxi hóa dé tạo các nhóm chức chứa oxygen trên bẻ mặt than

(-COO, -C=O ) cũng như tạo các vi hạt MnO, dé tăng khả năng hap phụ đối với các ion

kim loại [5].

Từ các hiện trạng trên, tôi đã lựa chọn dé tài: “KHAO SÁT KHẢ NANG HAP PHUION Cu(II) VÀ Pb(II) BANG THAN SINH HỌC CÓ NGUON GOC TỪ DUA TRE VÀ

BIEN TÍNH VỚI POTASSIUM PERMANGANATE”.

2 MUC DICH NGHIEN CUU

Nghiên cứu tong hợp vật liệu than sinh học biến tính có nguồn gốc từ đùa tre

Khảo sát tinh chất, hình thái và khả năng hap phụ ion Cu(II) và Pb(II) của vật liệu

sau khi tông hợp Xác định điều kiện về thời gian, nồng 46, pH và khối lượng vật liệu hap

phụ dé đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhất.

Sau khi nghiên cứu, bố sung thêm vào các kiến thức vẻ vật liệu than sinh học biến

tính có nguồn gốc từ đùa tre

3 ĐÓI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu

Than sinh học có nguồn gốc từ đũa tre

Tính chất, hình thái vật liệu và khả năng hap phụ ion Cu(II) va Pb(II) của than sinh

học biến tinh bằng potassium permanganate.

Pham vi nghiên cứu

Trang 2

Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa học môi trường - Đại học Su

phạm Thành phó Hỗ Chi Minh

Khả nang hap phụ ion Cu(II) và Pb(II) trong dung dich bằng than sinh học biến tính

có nguồn gốc từ đũa tre

Tính chất, hình thái của vật liệu than sinh học bién tính

4 NOI DUNG NGHIÊN CỨU

Tong hợp các tải liệu liên quan đến những phương pháp xử lí nước có chứa ion kimloại Cu(II) và Pb(II) độc tính của Cu(II) và Pb(1I) các khái niệm về hấp phụ than sinh học

và than sinh học biến tính.

Nghiên cứu về những tính chất và hình thái của than sinh học biến tính có nguồngóc từ đũa tre

Nghiên cứu kha năng hap phụ ion Cu(IT) và Pb(H) trong môi trường nước của thansinh học biến tính có nguồn gốc từ đũa tre thông qua khảo sát đơn biến các yếu tố ảnh

hưởng: (1) pH dung dịch, (2) thời gian, (3) nồng độ, (4) khói lượng

Trang 3

CHƯƠNG 1 TONG QUAN

1.1 TONG QUAN VE COPPER VA Ô NHIEM COPPER TRONG MOI TRƯỜNG

NUOC

1.1.1 Đặc tinh của kim loại copper

Copper là kim loại thuộc nhóm IB, nam ở ô thứ 29, thuộc chu ki 4, kí hiệu hóa học

là Cu Trữ lượng của copper trong vỏ Trái Dat là 0,003% Copper có màu đỏ, mạng tinh thélập phương tâm diện Copper có hai đồng vị ben là Cu chiếm 70,13% và “Cu chiếm

29,87% Copper là kim loại dan nhiệt tốt, nhiệt độ nóng chảy 1083°C, để tạo hợp kim với

các kim loại khác và chịu được ăn mòn nên được dùng trong nhiều ngành công nghiệp [S]

Copper trong tự nhiên tồn tại ở một số loại khoáng vật như copper, copper sulfur và dướidang các oxide hóa trị I và II [9] Trong cơ thé người, copper tồn tại trong thành phan của

một số enzyme và protein và tập trung chủ yếu ở gan Hợp chất của copper là cần thiết đốivới sự tông hợp hemoglobin va phospholipid [8]

1.1.2 Nguồn gốc ô nhiễm của copper trong môi trường nước

Nguồn ô nhiễm copper trong nước đến từ hai nguồn chính là tự nhiên (các hoạt động

núi lửa, địa chất) và nhân tạo (các hoạt động khai khoáng, nông nghiệp, các ngành công

nghiệp luyện kim, sản xuất thuốc trừ sâu) [10] Các hoạt động địa chất cũng như núi lửa sẽ

giải phóng lượng copper từ trong các loại quặng tích tụ trong lòng đất Trong khi các hoạt

động nhân tao, có thé đến từ các hoạt động nông nghiệp từ nước thải đô thị hay đặc biệt 1a

nước thai công nghiệp sẽ chứa lượng lớn copper [11].

1.1.3 Độc tính của copper

Copper là một một nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thé, được tìm thấy nhiều

trong não, gan và thận Do đó, nếu hàm lượng copper trong cơ thé vượt ngưỡng có thé gây

nguy hiểm cho các cơ quan trên Nhiễm độc copper cấp tính có thể có một số triệu chứng

chính như sau: sót, dau, ớn lạnh, buồn nôn, nôn, yếu cơ, co giật Trong khi nhiễm độc mãntính sẽ có các triệu chứng chính: có vị kim loại trong miệng, buôn nôn, nôn, đau bụng, tiêuchảy, táo bón, cơ thé dan suy nhược và dẫn đến giảm chức năng các cơ quan [12] Ngoài

ra, sự ô nhiễm kim loại như copper trong dat sẽ khiến cho cây trồng tích lũy một lượng

Trang 4

copper khiến cho người tiêu thụ gặp nguy hiểm, đặc biệt là copper tích tụ trong các loại rau

xanh Lượng copper quá mức cũng sẽ gây ảnh hưởng xấu đến cây trồng khiến cho thay đôi

bộ rễ, mắt cân bằng trong việc trao đôi chất cũng như gây ra các phản ứng oxi hóa quá mức[13].

1.2 TONG QUAN VE LEAD VÀ Ô NHIEM LEAD TRONG MOI TRƯỜNG

NUOC

1.2.1 Dac tinh của kim loại lead

Lead là kim loại thuộc nhóm I'VA, nằm ở 6 thứ 82, thuộc chu ki 6, kí hiệu hóa học

là Pb Lead là một trong những kim loại sớm nhất được con người tìm thấy Lead là kimloại màu xám, có cau trúc đặc khít ở dang lập phương tâm diện Lead có mười tam đồng vịkhác nhau, trong đó có bồn động vị thiên nhiên là 2Pb, ?2*Pb, 2?Pb và 2Pb là đồng vị bènnhất Trữ lượng của lead trong vỏ Trái Dat chiếm 1.10 - 4% tông số nguyên tử trong vỏ Trái

Dat, Lead và các hợp chất của lead đều rat độc Lead thường được dùng làm điện cực, đầu

đạn, các ông dan trong công nghiệp hóa học hay lam tưởng trong các phòng thí nghiệm có

phóng xa [14].

1.2.2 Nguồn gốc 6 nhiễm của lead trong môi trường nước

Nguồn gây ô nhiễm lead chủ yếu đến từ hoạt động sản xuất của các hoạt động khai

khoáng, các ngành công nghiệp liên quan đến sản xuất ắc quy, ống dan, sản xuất kim loại,

hợp chất hóa học chứa lead và các ngành luyện kim [15] Các chất thai từ các hoạt động

này sẽ xâm nhập vào các nguồn nước gây ô nhiễm lead cho môi trường nước Từ đó các

loài sinh vật sông đưới nước sẽ tích lũy lead trong cơ thé và theo chuỗi thức ăn dan dan sẽ

gây hại cho các loài động vật và cả con người Tại Việt Nam, theo một khảo sát vào năm

2020 về các kim loại nặng có mặt ở tram tích sông Sai Gòn đã chỉ ra việc các tram tích

trong sông đã bị ô nhiễm bởi kim loại nặng trong đó có lead [16].

1.2.3 Độc tính của lead

Lead và hợp chất của lead đều mang độc tính cao Nhiễm độc lead sẽ gây nguy hiểm

đến con người, tùy vảo liều lượng ngộ độc mà các mức độ ảnh hưởng đến các hệ cơ quan

sẽ tăng dân Khi hàm lượng lead trong mau cao sẽ gây ra các tôn thương đến thận, gây thiểu

Trang Š

máu, tôn thương hệ thần kinh và ảnh hưởng đến khả năng sinh sản ở nữ giới [3] Phụ nữ

mang thai có nông độ lead trong máu cao có nguy cơ sinh non hoặc sinh con thiểu cân Trẻ

em cũng là một đối tượng dễ nhiễm độc lead hơn người lớn khi dé hít hay nuốt phải bụi

nhiễm lead [17].

Ngộ độc lead bao gồm ngộ độc cấp tỉnh và ngộ độc mãn tính Ngộ độc cấp tính xảy

ra khi tiếp xúc nhiều với lượng lead trong thời gian ngắn, nông độ lead trong máu vào

khoảng 100 — 120 mg-dL" với các triệu chứng lâm sàng: đau cơ, mệt mỏi, dau vùng bụng,

dau đầu, nôn mira, co giật và hôn mê Ngộ độc mãn tính xảy ra khi tiếp xúc lâu đài với nồng

độ lead thấp nông độ lead trong máu ở trường hợp này vào khoảng 40 — 60 mg-dL"! với

các triệu chứng lâm sang: nôn kéo dai, bệnh lí về não, mệt mỏi, mê sảng, co giật và hôn mê

[18].

1.3 THỰC TRẠNG Ô NHIÊM COPPER VÀ LEAD

1.3.1 Tại Việt Nam

Thành phố Hồ Chi Minh là một trung tâm công nghiệp của Việt Nam, nơi đây tập

trung rất nhiều nhà máy, xí nghiệp do đó các hoạt động sản xuất công nghiệp gây nhiều tác

hại đối với môi trường Trong một nghiên cứu vào năm 2022 vé sông Vam Thuật, một

nhánh của sông Sài Gòn cho thay hàm lượng Pb trung bình trong trầm tích là 41,96 mg-kg

1 con số nay đã vượt quá tiêu chuân về chất lượng tram tích của EPA Hoa Ki [19] Một

nghiên cứu về các mau đất quanh các khu công nghiệp tại thành phố Hồ Chi Minh cho thay

kết quả hàm lượng lead rửa giải vào nước vượt hơn 60 lần so với quy chuẩn an toàn của Bộ

Môi trường Nhật Ban (0,01 mg:L”), điều này có thé gây nguy hại cho hệ thông nước ngầm

trong khu vực gần nguôn phát thai, gây nguy hiểm cho dân cư sống xung quanh [20]

Các mẫu đất, nước ở Hưng Yên có hảm lượng lead vượt ngưỡng an toàn, cho thấy

rủi ro rất cao trong việc tiêu thụ các thực phẩm được tưới tiêu và trồng trên các khu vực ô

nhiễm này, khi hàm lượng Pb trong mẫu rau muống và rau cải đều đạt gần ngưỡng giới hạntheo TCVN 46/2007 QĐ-BYT, trong đó có một số mẫu rau đã vượt quá tiêu chuẩn [21].Rac thải điện tử cũng là một nguồn 6 nhiễm đáng báo động trong việc phát triển của khoahọc công nghệ hiện nay Một nghiên cứu về mức độ ô nhiễm ở khu vực thu gom va tai ché

Trang 6

rác thải điện tử cho thay 50% số lượng mẫu nước ngầm bi 6 nhiễm lead, đặc biệt có nhữngmẫu nước ngâm có hàm lượng copper vượt quá 10 - 20 lần tiêu chuẩn về copper trong nước

ngâm [22].

Một nghiên cứu khác tại Hà Nội cho thấy nguy co 6 nhiễm copper và lead từ nước

ri bùn thai khi bị tác động bởi mưa acid khi ở pH = 4.5 thì nồng độ Pb(H) và Cu(II) sẽ tăngnhanh khi ri bùn bị hòa tan với nồng độ tăng tir 0,15 và 0,11 mg-L" lên đến 26,20 và 18,76mg-L'!, tức là tăng khoảng 19 — 25 lần [23] Biên là một nguồn tải nguyên quan trọng tạinước ta, ô nhiễm biên bởi các kim loại nặng gây nguy hiém đến hệ sinh thái biên, cùng với

đó việc tiêu thụ các sản phẩm từ biển có thé gây nguy hiểm đến người tiêu ding Theo một

nghiên cứu được công bỗ vào năm 2016 về ô nhiễm các kim loại nặng ở vùng biên miễn

Trung, nông độ lead va copper trong trầm tích được tìm thấy có hàm lượng cao hơn ở các

tinh phía Bắc [22]

1.3.2 Trên thế giới

Tại Trung Quốc, đất nông nghiệp đã bị ô nhiễm bởi nhiều kim loại nặng, trong đó

có lead và copper, điều nảy có thê gây nguy hiém va ảnh hưởng cho các sản phâm nông

nghiệp được trồng trên các khu vực bị ô nhiễm [24] Theo nghiên cứu khác vào năm 2016

tại sông Bortala, phía Tây Bắc Trung Quốc, hàm lượng lead trong tram tích của sông đã

vào mức ô nhiễm và tác nhân gây ô nhiễm là các hoạt động của con người [25] Cũng vào

năm 2016, một nghiên cứu khác vẻ bụi đường ở Bắc Kinh, Trung Quốc đã chỉ ra hàm lượng

các kim loại nặng As, Cd, Cr Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Zn, Fe đều vượt quá các giá trị cơ ban,

nguồn gốc ô nhiễm đến từ phương tiện giao thông là chủ yếu, tiếp đến là yếu tô về đốt nhiên

liệu hóa thạch và sản xuất kim loại, yếu tố cuối cling liên quan dén viée str dung thuốc trừ

sâu, phân bón và thiết bị y tế [26]

Tại một đất nước đông dan cư khác là An D6, nhiều khu vực đất thành thị ở An Độ

bi ô nhiễm nặng bởi 6 kim loại nặng bao gồm Cu Cr, Pb, Ni, As và Zn, các khu vực đất bị

ô nhiễm này tập trung ở phía Bắc, Nam và phía Tây của An Độ [27] Ở một quốc gia châu

A khác là Iran, trong một nghiên cứu ở vùng Roodsar cho thay đất ở các độ sâu 5 em và 15

Trang 7

em đều bị nhiễm các kim loại nặng Pb, Ni, Cr, Cu với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép

[28].

Tai Nigeria, hau hết các mẫu nước ngầm đều bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng bao

gồm cả lead và copper, gây tác hại lớn đối với sức khỏe của cả người lớn và trẻ em [29]

Tại Ai Cập lượng nước xả thải từ các nguồn công và nông nghiệp ra sông Nile ven biển

Địa Trung Hải là đáng báo động Các nghiên cứu đã cho thấy hàm lượng các kim loại như

Pb, Cd, Cu, Zn, Mn trong các loải thủy sinh mà con người tiêu thụ đã vượt quá ngưỡng an toàn [30].

Trong một nghiên cứu tại cảng biên NSW, Uc đã cho thay trong trầm tích nồng độ

các kim loại nặng như As, Cu, Fe, Pb, Ni, Co va Zn đã vượt ngưỡng giá trị bình thường

[31] Các nghiên cứu ở Thổ Nhĩ Kì và Ba Lan cũng cho thấy đất bị ô nhiễm các kim loạinhư lead và copper chủ yếu bởi các hoạt động nhân tạo của con người từ các khu công

nghiệp hay các khu vực chứa rác thải lân cận [32, 33].

Nhìn chung, tình hình 6 nhiễm các kim loại như lead và copper dién ra ở khắp nơi

Nguyên nhân chính chủ yếu từ các hoạt động của con người, điều nay gây những nguy cơtiềm an cho sức khỏe cộng đồng khi tiêu thụ các sản phẩm bị ô nhiễm kim loại nặng cũng

như sinh sông trên các khu vực bi ô nhiễm.

1.4 THAN SINH HỌC

1.4.1 Định nghĩa than sinh học

Than sinh học là loại vật liệu giảu carbon được sản xuất từ các nguyên liệu hữu cơbằng cách nhiệt phân các nguyên liệu này trong điều kiện oxygen bị hạn chế [34] Nguồnnguyên liệu hữu cơ nay có thé là các phụ phẩm nông nghiệp, rác thải từ hữu cơ từ hộ giađình Việc lựa chọn nguyên liệu va nhiệt độ nhiệt phân cũng ảnh hưởng nhiều đến các đặc

tính của than sinh học được tạo thành Nhiệt độ nhiệt phân cao sẽ giảm kha năng trao đôi

cation, các chat dé bay hơi trong vật liệu cũng như giảm các nhóm chức acid như acid

carboxylic, ngược lại sẽ làm tăng điện tích bề mặt riêng cũng như thé tích mao quản của

vật liệu [35].

Trang 8

1.4.2 Đặc tính của than sinh học

a, Do xốp và điện tích bê mặt riêng

Trong quá trình nhiệt phân dé tạo ra than, các khí bay ra khỏi sinh khối ban đầu tạo

ra các lỗ trong và tạo ra được độ xốp cho than [36] Độ xốp và tông thé tích của lỗ trong sẽ

tăng khi nhiệt độ tăng [37, 38] Tùy thuộc vào đường kính của lỗ hay còn gọi là mao quản,

IUPAC vào năm 1985 đã phân loại ba loại mao quản như sau [39]:

- Mao quan có kích thước lớn (macropores) có đường kính lớn hơn 50 nm.

- Mao quản có kích thước trung bình (mesopores) có kính thước từ 2 nm đến 50 nm

- Mao quan có kích thước nhỏ (micropores) có kính thước nhỏ hơn 2 nm.

Diện tích bề mặt riêng đóng vai trò quan trọng trong kha năng hap phụ các chất củathan sinh học Diện tích bé mặt riêng sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ [40] Điện tích be mat

có liên quan chặt chẽ với độ xốp của vật liệu, trong đó anh hưởng lớn nhất đến mao quan

có kích thước nhỏ, thường diện tích bề mặt sẽ tỉ lệ thuận với tông thẻ tích mao quản [41].

Diện tích bề mặt và độ xốp sẽ ảnh hưởng đến khả năng hap phụ của vật liệu Diệntích lớn, các mao quản có số lượng lớn sẽ thuận lợi cho quá trình lap day các mao quản của

chất bị hấp phụ Tuy nhiên, kích thước mao quản sẽ ảnh hưởng đến chất bị hấp phụ, khimao quan phải có kích thước phù hợp với kích thước của chất bị hap phụ thì quá trình happhụ mới có thê xảy ra [41]

b, Khả năng trao đổi cation (CEC)

Khả năng trao đôi cation là kết quả của việc be mặt vật liệu tích điện âm thu hút cáccation, Vì vậy, kha năng trao đôi ion sẽ phụ thuộc vào cau trúc, diện tích bề mặt, các nhóm

chức cung cấp điện tích cho bề mặt vật liệu [42] Than sinh học có khả năng trao đổi cation

có thể hấp thụ các kim loại nặng và các hóa chất nông nghiệp trong đất [40] Đặc tính sinhhọc của đất và hàm lượng các cation trong đất sẽ ảnh hưởng đến khả năng trao đôi cation

của than sinh học, và nhờ kha năng trao đổi cation này mà than sinh học có thé dùng dé

thay đổi một số tính chat của đất [43]

c Tinh ôn định

Trang 9

Tinh thom và sự ngưng tụ thơm của than sinh học là hai tiêu chí đánh giá tính ồn

định của than Độ ôn định của than khi được điều chế ở nhiệt độ trên 500°C sẽ không phụthuộc vào nguyên liệu trong khi ở điều kiện nhiệt độ thấp hơn, các yếu tố khác sẽ ảnh hưởngđến độ 6n định của than [44] Ngoài ra, độ én định của than sinh học còn được đánh giá

dựa trên khả năng chống oxi hóa của than [45].

d Kha năng tái sứ dung

Than sinh học sau khi được sử dụng hap phụ các chất có thé được tái sử dụng thôngqua việc giải hap phụ Than sinh học từ rơm ngô biến tính với KOH cho hiệu suất giải happhụ đạt 81% sau 4 chu trình, trong khi hiệu suất hap phụ Cr(VI) duy trì trên 72% trong 2chu trình đầu và 54,67% trong chu trình cuối [46] Một loại vật liệu than sinh học khác từ

cây Seshania bispinosa sau thu hoạch được biến tinh dé tạo ra 2 loại than có chứa CuO va

MnO Khi cho vật liệu hap phụ As(V) cho hiệu suất hap phụ ở lần 1 lần lượt là 76,05% và

96,77%, sau các chu trình hap phụ va giải hap phụ cho kết quả ở lần hap phụ thứ 4 có hiệu

suất hap phụ đạt 71,23% và 93,60% [47] Khả năng tái sử dung của than sinh học giúp giảmchí phí và đem lại hiệu quả kinh tế cho việc xứ lí các chất độc hại

1.4.3 Một số ứng dụng của than sinh học

a Khả năng cải tạo đất

Than sinh học có nhiêu tác động tích cực trong việc cải tạo dat Than sinh học có tácdụng lam tăng pH đất đồng thời cải thiện đinh dưỡng và tăng chất lượng hạt [48] Ngoai ra,

than sinh học còn có tác dụng rõ rệt khi trộn chung với phân ủ: các cau trúc xốp của than

sinh học có thể là môi trường cho các vi sinh vật phát triển, cải thiện các đặc tính hóa lí củaphân và thúc day quá trình tạo min, tăng tốc độ phân hủy các chất hữu cơ khi ủ phân, giảm

thất thoát N trong quá trình ủ phân [49]

thông qua nhiều cơ chế khác nhau như tương tác tĩnh điện, tạo phức, tạo kết tủa, trao đồi

ion, hap phy mao quản, ảnh hưởng kj nước [50]

c Chất xúc tác

Than sinh học là một xúc tác có tiềm năng thay thé lớn với các chat xúc tác đắt tiền

khác Vai trò xúc tác của than sinh học đã được chứng minh qua nhiều phan ứng sản xuất

dau diesel sinh học, phan ứng loại bỏ NOx, loại bỏ hắc in trong dau sinh học và khí tông

hợp [Š 1].

1.4.4 Một số phương pháp biến tính than sinh học

a Biến đổi hóa học

Than sinh học có thê biến tinh bằng các chất hóa học dé thay đôi độ xốp, cầu trúc bé

mặt vật liệu hay xuất hiện các nhóm chức trên bề mặt Đối với biến tính bằng acid thì dưlượng kim loại và tạp chất sẽ được loại bỏ khỏi bề mặt vật liệu cùng với việc các nhómchức carboxylic được thêm vào sẽ làm tăng khả năng hap phụ các ion kim loại Trong khiviệc biến tính băng kiểm, các nhóm hydroxyl được thêm vào sẽ thuận lợi cho việc hap phụ

các oxyanion [Š2].

Biển tính bang acid như HNOs, H2SOs, H:PO¿ sẽ làm thay đôi diện tích bê mặt

cũng như thé tích mao quan của than Tùy thuộc vào nồng độ khác nhau cua acid được sửdụng mà diện tích bề mặt và thé tích mao quản có thé tăng hoặc giảm [53] Một nghiên cứuchỉ ra khi biến tính than sinh học từ bụi cưa thông với HsPOs 47.5% đã cho kết quả diện

tích bề mặt tăng đáng kê đến 600 lần đối với loại than điều chế ở 200°C (từ 1,06 m?-g"' lên

599 mˆ-g') va khoảng 4 lần đối với loại than điều chế ở 500°C (từ 162 m°-g'! lên 821

m°-g-) [54].

Biến tính bang các tác nhân kiềm như NaOH và KOH cũng thay đôi điện tích bẻ mặt

tùy theo nông độ của kiểm vả loại than sinh học được sử dung [53] Một nghiên cứu vào

năm 2015 đối với than sinh học từ cây hickory biên tính với NaOH 5M cho thay diện tích

bé mặt của than đã tăng từ 256 m°-g! lên 873 m?-g" trong khi khả năng trao đôi cation cũngtăng từ 45,7 cmol-kg! lên đến 124,5 cmol-kgTM [55]

Trang 11

Ngoài ra, biến tính than bằng các chất oxi hóa mạnh như KMnO¿, K:Cr:O: hoặcH:O: sé làm tăng các nhóm chức trên cau trúc bề mặt than, cải thiện kha năng hấp phụ vảloại bỏ các chất độc hại trong quá trình sử dung [56].

Than sinh học biến tính bằng KMnOs tạo cau trúc xóp cho than sinh học, giúp tăng

đáng kê số lượng các nhóm chức chứa oxygen trên bề mặt carbon Ngoai ra, quá trình oxihóa với KMnOa sẽ tạo ra MnO, trên bề mặt than, MnO, có khả năng tạo liên kết với các

kim loại nặng từ đó hấp phụ các kim loại nặng lên bê mặt than Một nghiên cứu chỉ ra thansinh học biến tính với KMnOs 0,2 M có nguồn gốc từ lúa mì cho điện tích bề mặt riêng lớn,

giảu nhóm chức bề mat và có số lượng lớn các vi hạt MnO,, dung lượng hap phụ của loạivật liệu này đối với Pb(II) Cd(IU) va Cu(II) lần lượt là 189.24; 29,06 và 32.68 mg-g"', cao

hơn khoảng 12 đến 17 lần so với than sinh học chưa được biến tính [5] Một loại than sinh

học khác được điều chế từ trau và Fe(NO:)› sau đó biến tính với KMnO¿ cho dung lượng

hap phụ đối với Pb(II) và Cd(H) cao gap 7 lần khi chưa biến tính với KMnO¿ [6] Một

nghiên cứu khác về than sinh học từ xơ mướp và Fe(NO3); sau đó biến tính với KMnO;

cho dung lượng hap phụ đối với Cu(II) sau khi biến tính với KMnOs sẽ cao hơn so với

trước khi biến tính [7]

Một kiểu biến tính hóa học nữa là biến tính băng cách sử dụng muối hoặc oxide kim

loại dé phủ một lớp nano kim loại làm tăng cường các đặc tính về hap phụ từ tinh và khả

nắng xúc tác của vật liệu Có hai cách biến tính đối với muối hoặc oxide kim loại: cách 1

là trộn nguyên liệu với oxide hoặc muối của kim loại sau đó nhiệt phan, cách 2 là trộn than

sau khi nhiệt phân với oxide hoặc muỗi của kim loại [53].

b Biến đổi vật lí

Phương pháp biến đôi vật lí chỉ sử dụng nhiệt độ cao và hơi nước hoặc một số loại

khí dé cải thiện thẻ tích mao quan vả điện tích bề mặt than sinh học Tuy nhiên phương

pháp biến đôi này không hiệu quả bằng các phương pháp biến tinh hóa học do kha nang

hấp phụ của than sinh học phụ thuộc nhiều vào các liên kết và tương tác của các nhóm chức

trên bê mặt [57]

Trang 12

1.4.5 Cơ chế hấp phụ của than sinh học

a Hap phụ bằng cúc mao quản trên bé mặt than sinh học

Tùy vào điều kiện san xuất than ma các mao quản trên bẻ mặt than sinh học có thé

có những kích thước khác nhau [36] Các ion kim loại bị hap phụ vào các lỗ trống trên bèmặt than bằng các lực tương tác vật lí như lực tương tác Van der Waals Các 16 trồng trên

bé mặt than chỉ hap phụ được các ion kim loại có kích thước nhỏ hơn va cũng chịu ảnh

hưởng bởi các yếu tổ khác như pH của dung dich, do đó khả năng hap phụ của từng loại

vật liệu đối với các ion kim loại hay các chất bị hap phụ khác là không giống nhau [58]

b, Hap phu bằng các nhóm chức trên bề mặt than sinh học

Các nhóm chức trên bé mặt than sinh học như -OH, -NH:›, -COOH có kha năng

liên kết với các ion kim loại thông qua các quá trình trao đôi ion, cũng như tạo ra các phức

chất Một nghiên cứu vào năm 2020 chỉ ra cơ chế chính của một loại than sinh học có nhiềunhóm -COOH trên bẻ mặt lả phản ứng tạo phức với các ion Cd(H), Ni(H) và Cu(H) [59]

Các loại than biến tính bằng KMnO: thường sẽ xuất hiện các nhóm chức chứa

oxygen như -C=O -COOH hay nhóm -OH có thê hap phụ theo cơ chế tạo phức với các ion

kim loại [Š].

Ngoài ra, các nhóm chức có thé hấp phụ các chat thông qua việc tạo các liên kết phốitrí, liên kết cộng hóa trị hay liên kết hydrogen

c Hap phụ bằng phan ứng tạo kết tia

Đối với một số ion kim loại dé tạo kết tủa, các anion (như CO;*-, POa*, OH") được

giải phóng từ be mặt than có thẻ tạo thành các kết tủa với các ion kim loại [60] Yếu tổ kết

tủa này chịu ảnh hướng nhiều bởi pH của dung dich, do đó tùy thuộc vao ion kim loại va

các anion có trên bé mặt than sinh học mà pH được lựa chọn sao cho phù hợp để hấp phụ

hiệu quả.

d Hap phụ bằng tương tác tĩnh điện

Vật liệu than sinh học được tạo ra sẻ có một lượng điện tích âm và đương được tích

lũy trên bề mặt than Khi hấp phụ các ion kim loại các vị trí tích điện âm sẽ có xu hướng

Trang 13

hút các ion kim loại mang điện tích đương về phía nó và ngược lại các điện tích dương sẽ

có xu hướng hút các ion mang điện tích âm [50] Tuy nhiên, số lượng điện tích âm haydương trên bề mặt than sẽ được quyết định dựa trên pH của dung dich và điểm điện tíchkhông (point of zero charge) của vật liệu, do đó cần điều chỉnh pH sao cho phù hợp dé vậtliệu có khả năng hap phụ tốt nhất [61]

1.5 TINH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.5.1 Nghiên cứu trong nước

Bảng 1.1 Các nghiên cứu về than sinh học trong nước

Đặng Kim Tại, Biến tính với

Vũ Xuân Hồng Tro trầu MnSO¿ trong Cu(I)

như các acid, base hay các chất oxi hóa có tác động đáng kẻ trong việc tăng khả năng hấp

phụ của vật liệu Nguyên liệu được lựa chọn rất phù hợp cho điều kiện tự nhiên ở Việt Nam

Nghiên cứu vẻ than sinh học điều chế từ be chuối của nhóm tác giả trường Dai học

Thái Nguyên cho dung lượng hap phụ cực đại đối với Fe(III) và Ni(II) lần lượt là 26.32

mg-g'! và 25,00 mg-g'' [62].

Loại than sinh học điều chế từ vỏ chuỗi và rơm sau đó biến tính với H3PO4 cho dung

lượng hap phụ cực đại đối với Cu(I) lần lượt là 53,2 mg-g! và 46,3 mg-g`, đối với Pb(ID)

là 121,95 mg-g! và 55,56 mg-g'! [63].

Loại than sinh học được điều chế từ phân bò ở 300°C, 450°C và 600°C do Nguyễn Văn Phương và cộng sự điều chế vào năm 2019 và 2020 cho dung lượng hap phụ cực đại

cao nhất đối với Cu(II) là 21.8 mg-g' với than điều chế ở 450°C và cao nhất đối với Pb(II)

là 76,9 mg-g với than điều chế ở 600°C [64], [65]

Loại than sinh học có nguồn gốc từ tro trau biến tính với MnSOs trong HạO: cho

hiệu quả hap phụ tốt nhất ở pH = 7-8 Dung lượng hap phụ cực đại của loại than nay đối

với Cu(II) là 21,19 mg-g [66].

Nghiên cứu vào năm 2021 của nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Thành phố

Hỗ Chi Minh đôi với than sinh học có nguồn gốc tir mun cưa cho thay than sinh học hap

phụ tốt nhất ở pH = 4 và dung lượng hấp phụ cực đại đối với Cu(II) và Pb(II) lần lượt là

20,49 mg-g" và 62,11 mg-g'` [67].

Trang 15

Trần Tuyết Sương và cộng sự vào năm 2023 đã nghiên cứu than sinh học có nguồn

gốc từ cành thanh long và biến tính với HNOs, kết qua cho thấy nông độ HNO3 tối ưu là2M và dung lượng hap phụ tối đa ở pH = 2 đối với ion Cr(VI) là 5.91 mg-g" [68]

1.5.2 Nghiên cứu ngoài nước

Băng 1.2 Các nghiên cứu về than sinh học ngoài nước

lon kim loại

Bin Gao va cộng Biên tinh với

Cây hickory Pb(I)

sự [70] KMnO;

Cd(H)

ẽ Pb(I1) CdD

Bin Gao vả cộng - Biên tính với

Cây hickory Cu(II) Zn(H)

sự [71] NaOH

Nii)

Biến tính vớiChen Sun và cộng

Fe(NO:): và

sự [6]

KMnO;

Chat thải nhà bếp: sẽ

-Kai Ning và cộng - Biên tính với

gạo, rau, trái cây, thịt,

sự [72] K›HPO;

xương

; Pb(qI)

Yue Zhang và Biên tính với

2023 Rom lúa mi Cu(H)

cộng sự [5] KMnO; 0,2M

Cd(H)

Trang L6

Các nghiên cứu ở nước ngoài cho thấy than sinh học điều chế từ các loại vật liệukhác nhau đều cho những kết quả tích cực Than sinh học sau khi biến tính đều có dung

lượng hấp phụ các ion kim loại cao hơn so với than sinh học ban đầu.

Than sinh học từ bụi cưa và biến tính tạo nhóm chức -NH; cho dung lượng hap phụ

cực đại đối với Cu(II) là 17,01 mg-g” tại 303K [69]

Nghiên cứu của Bin Gao vả cộng sự vao năm 2015 về than sinh học từ cây hickory

và biến tính với KMnO; cho dung lượng hap phụ cao hơn han so với than sinh học chưa

biến tính Dung lượng hap phy cực đại đối với Cu(II) tăng từ 12,297 mg-g' lên 34,205

mg-g!, đối với Cđ(I) tăng từ 4,748 meg"! lên 28,104 mẹg-g1 và đối với Pb(ID tăng từ 71,430 mg-g! lên đến 153,109 mg-g"[70].

Một nghiên cứu khác của Bin Gao và cộng sự vào năm 2016 về than sinh học từ cây

hickory và biến tính với NaOH Than biến tính có bề mặt hap phụ khả năng trao đôi ion va

chịu nhiệt cải thiện đắng kẻ, hap phụ ưu tiên Pb(H) va Cu(H) khi cho hấp phụ trong hỗnhợp các ion kim loại gồm Pb(II), Cu(II), Cd(1), NiŒI) Zn(H) Khi hap phụ chi ion Pb(II)thì than chưa biến tinh cho dung lượng hấp phụ cực đại đạt 11,2 mg-g'' trong khi than đãbiến tính với NaOH thi dung lượng hap phụ cực dat tăng đến 53.6 mg-g} [71]

Than sinh học có nguồn góc từ trau và biến tính với Fe(NO3)3 va KMnO¿ cho dunglượng hap phụ Pb(II) và Cd(11) cao gap 7 lần so với than sinh học chưa biến tính Với dunglượng hap phụ cực đại đối của than chưa biến tính va đã biến tinh lần lượt là 16,990 mg-g'

! và 148,562 mg:g' đối với Pb(II); 9,667 mg-g"! và 76,884 mg-g' đối với Cd(II) [6].

Than sinh học từ chat thai nhà bếp và biến tính với KaHPO: được nghiên cứu vàonăm 2022 có khả nang hap phụ tốt Pb(II) Dung lượng hấp phụ cực đại của than chưa biếntính là 172,23 mg-g" và than sau biến tính là 257,95 mg-g" [72]

Than sinh học có nguồn gốc tử rơm lúa mi và biến tính với KMnO¿ 0,2M cho dung

lượng hap phụ Pb(H), Cd(II) và Cu(II) cao hon han (12-17 lần) so với than sinh học chưabiến tính Dung lượng hap phụ cực dai sau của than sau biến tính đối với Pb(II), Cd(ID vả

Cu(II) lần lượt là 189,24 mg-g', 29,06 mg-g 1 và 32,68 mg-g [5]

Trang L7

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM

2.1 HÓA CHAT, DUNG CỤ, THIET BỊ DO

2.1.1 Hóa chất

Nitric acid 65-68% | > 99% HNO: Xilong Scientific

6 Sodium hydroxide > 99% Xilong Scientific

4 Cân điện tử Satorius | TE214S

k +

5 May lic SCILOGEX SK-O330-Pro

6 Máy đo pH cam tay Hanna HI8314

7 May do AAS Thermo Scientific ICE 3000

8 May deion Labconco 9000 WaterPro PS

2.2 PHUONG PHAP NGHIEN CUU

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu lí luận

Tông quan các tai liệu nghiên cứu liên quan đến copper va lead về nguồn gốc 6

nhiềm, độc tính, các phương pháp hấp phụ ion kim loại, than sinh học, biến tính than sinh

học Sử dụng các phương pháp phân tích tông hợp, hệ thống hóa và đánh giá dé nghiên

cứu các tài liệu.

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn

Sử dụng máy do AAS Thermo Scientific tại phỏng thì nghiệm phân tích của trường

Đại học Sư phạm Thành phố Hỗ Chí Minh dé xác định nông độ ion Cu(1I) và Pb(II) bằng

phô hap thụ nguyên tử ngọn lửa Sử dụng các phương pháp phô tán sắc năng lượng tia X

(EDX), phương pháp kính hiền vi điện tử quét tán xạ trường (FESEM) và phương pháp happhụ - khử hap phụ đăng nhiệt va tính toán theo phương trình BET dé xác định hình thái,cấu trúc và thành phan của vật liệu

2.2.3 Phương pháp phd hấp thụ nguyên tử AAS (atomic absorption

spectrophotometric)

Phương pháp nay dựa trên nguyên lí khi nguyên tử ở dang hơi và được chiếu sángbang bức xạ có năng lượng thích hợp thi các electron sẽ chuyên lên các mức năng lượngcao hơn Mỗi nguyên tố sẽ hap thụ năng lượng từ một bước sóng cụ thé Từ việc đo lượng

sự hâp thụ các bức xạ nông độ của chât cân đo sẽ được xác định.

Trang 20

2.2.4 Phương pháp phô tán sắc năng lượng tia X EDX (Energy-dispersive X-ray

spectroscopy)

Phương pháp nay dùng dé xác định thành phan của vật liệu rắn dựa trên việc ghi lại

phô tia X phát ra từ mẫu vật ran do tương tác với các bức xạ phát ra từ kính hiên vi điện tử

Tan số tia X phát ra đặc trưng cho mỗi nguyên tử của mỗi chất có mặt trong vật liệu rắn.

Từ đó việc ghi nhận phô tia X sẽ cho thông tin về các nguyên tô hóa học có trong vật liệuran và tỉ lệ các nguyên tô đó có trong loại vật liệu nay.

2.2.5 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét tán xạ trường FESEM

Phương pháp nay dùng dé chụp ảnh vật liệu ở kích thước ở kích thước rất nhỏ,

phương pháp này giúp quan sát trực tiếp được hình thái của vật liệu được nghiên cứu

2.2.6 Phương pháp đăng nhiệt hap phụ - giải hap phụ N: (BET)

Phương pháp này ding dé xác định các thông số cia vật liệu như điện tích bề mặtriêng, thê tích mao quản, sự phân bố và kích thước của mao quản Phương pháp này đo

lượng khí N2 được hap phụ hay giải hap phụ từ bề mặt chất ran tại áp suất hơi cân bằng

bằng phương pháp cô định thê tích

Dựa vào dạng đường hap phụ đăng nhiệt và giải hap phụ đăng nhiệt mà ta có thé

phân thanh 6 loại như Hình 2.1 [73]:

Trang 21

iLượng chat bj hip phụ eT HL

—

Áp suất tương đối

Hình 2.1 Cac dang đường hap phụ và giải hap phụ đăng nhiệt [73]

- Đường hap phụ va giải hap phụ dang I (a) va I (b) đặc trưng cho loại vật liệu maoquản có kích thước nhỏ, với đường kính mao quan theo dang I (a) nhỏ hon | nm va dang I

(b) nho hon 2 nm.

- Dường hap phụ và giải hap phụ dang II đặc trưng cho vật liệu có mao quản lớn

hoặc không có mao quản.

- Đường hap phụ và giải hap phụ dang HI cho biết vật liệu có sử tương tác giữa chat

hap phụ va chat bị hap phụ yeu, các phan tử tập trung thành cụm tại những vị trí thuận lợi nhat trên về mặt vật liệu.

- Đường hap phụ va giải hấp phụ dang IV (a) và IV (b) đặc trưng cho mao quản có

kích thước trung bình Với dạng IV (a) đặc trưng cho mao quản có đường kính lớn hơn 4

nm và dạng IV (b) đặc trưng cho mao quản có đường kính nhỏ hơn 4 nm.

- Đường hap phụ và giải hap phụ dang V giống với dang III ở p/p® thấp do tương tác

giữa chat bị hap phụ và chất hap phụ yếu Dạng V thường được quan sát thay ở trường hợphap phụ nước trên các mao quan kj nước có kích thước nho và trung bình.

Trang 22

- Đường hap phụ và giải hap phụ dang VI đặc trưng cho sự hap phụ đa lớp trên vật

liệu không mao quản.

2.3 QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU

2.3.1 Chế tạo than sinh học

Mẫu đữa tre được mua vào tháng 7/2023, mẫu được đem đi nghiền nhỏ va say khô

ở tủ sấy ở nhiệt độ 80°C trong 24 giờ

Hình 2.2 Hình ảnh mẫu dia tre

Tiếp theo, mẫu đũa tre đã được nghiền nhỏ và say khô được nung trong khí nitrogen

(Nà) trong 2 giờ ở nhiệt độ 400°C Sau quá trình nung, than tiếp tục được nghiền nhỏ và rửa

sạch bằng acetone, ethanol 96° và nước khử ion (DI) nhiều lần cho đến khi nước lọc trong

Than tiếp tục được say ở nhiệt độ 80°C trong 24 giờ Quá trình nay tao ra một loại than sinh

hoc từ đũa tre được gọi là BC-DT.

Sơ đồ điều chế than sinh học có nguồn gốc từ đũa tre như sau:

Trang 23

l Nung ở 400°C

trong 2 giờ với

1 Nghiên nhỏ Nitrogen

2 Say khô ở 80°C 2 Rửa sạch

trong 24 giờ 3 Say khô ở 80°C

trong 24 giờ

Hình 2.4 Rửa than sinh học sau khi nung

Mẫu BC-ĐT sau đó được đem đi ray nhỏ với kích thước 75 pm, cho vào túi zip sạch và bảo quản trong bình hút âm.

2.3.2 Chế tao than sinh học biến tính với dung dich potassium permanganate.

a Pha hóa chat

Trang 24

Cân 0.3160 gram KMnO: va pha thành 200 mL dung dịch KMnOg 0,01M Can

4.0000 gram BC-DT cho vào cốc sạch chứa 200 mL KMnO¿ 0,01M thu được hỗn hợp A.

b Quy trình điều che

Khuấy từ trong 6 I Lọc

giờ :

Say ở 80°C

trong 24 giờ

Hình 2.5 Sơ đồ điều chế BC-KMnO;

Hon hợp A được khuấy liên tục trong 6 giờ ở nhiệt độ phòng Sau đó hỗn hợp được

lọc và rửa lại bang nước khử ion (DI) trong 3 lần và dem đi say ở 80°C trong 24 giờ Quátrình trên thu được than sinh học biến tinh bằng KMnO; gọi là BC-KMnOs

2.3.3 Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng ion Cu(II) và Pb(H)

Đường chuẩn của Cu(H) và Ni(1I) được xây dựng dựa trên các dung dịch chuẩn đã

biết trước nông độ Từ các dung dịch chuẩn ta sẽ pha một day dung dich đã biết trước nồng

độ dé dựng lên đường chuẩn của từng ion kim loại Việc xây dựng đường chuẩn này rất

quan trọng va đỏi hỏi độ chính xác cao để kết quả phân tích có được độ tin cậy cao

a Đường chuẩn xác định ion Cu(II)

Bang 2.4 Đường chuẩn xác định nồng độ ion Cu(II)

Pi i i fd XE

y = 0,018x + 0,0041

R?=1

Nông độ Cu(I) (mg L`)

Hình 2.6 Dường chuẩn xác định nồng độ ion Cu(1)

Khi nồng độ Cu(II) trong mẫu vượt quá đường chuan, ta cần pha loãng mẫu theo ti

lệ thích hợp để đảm bao nông độ của chất trong mẫu nằm trong phạm vi đường chuẩn

b Đường chuẩn xác định ion Phự!)

Bảng 2.5 Đường chuẩn xác định nồng độ ion Pb(H)

_ = eee

Hình 2.7 Đường chuẩn xác định nồng độ ion Pb(II)

Khi nông độ Pb(II) trong mẫu vượt quá đường chuan, ta cần pha loãng mau theo ti

lệ thích hợp dé đảm bảo nồng độ của chat trong mẫu nằm trong phạm vi đường chuẩn

2.3.4 Khao sát đơn biến các yếu tố ảnh hưởng

a Khảo sát đơn biến các yếu tổ ảnh hưởng đến quả trình hap phụ ion Cu(ID của

BC-KMnOy

Trang 27