Tải bản đầy đủ

nghiên cứu, tổng hợp, đặc trưng của vật liệu lai tạo Chitosan/oxit sắt và hấp thụ ion Niken trong xử lý nước thải

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Trờng đại học Phơng Đông
Khoa Công Nghệ Sinh Hoc - MôI trờng
-----------------------------------




Đồ án tốt nghiệp

Chuyên Ngnh: Công nghệ MôI Trờng

đề Tài:
Nghiên cứu tổng hợp, đặc trng của vật liệu lai tạo
Chitosan/oxit sắt và ứng dụng hấp phụ ion Niken (II)
trong xử lý nớc thải chứa kim loại nặng






Giáo viên hớng dẫn : th.S Trần Vĩnh Hoàng
Sinh viên thực hiện : trần Thị Phơng Thúy
MSSV : 505303058







Hà Nội 2009
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

1

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Lời cảm ơn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, các cô giáo trong khoa
Công nghệ Sinh học và Môi trờng đ tạo điều kiện cho tôi học tập trong suốt
4 năm học qua và trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Đồng thời tôi cũng
xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Hoá vô cơ Trờng đại học
Bách Khoa Hà Nội.
Đăc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thạc sĩ Trần Vĩnh Hoàng
đ trực tiếp hớng dẫn tôi và các thầy T.s Trần Đại Lâm, thầy Bùi Đình Long
đ tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.
Mặc dù đ cố gắng rất nhiều nhng do thời gian có hạn và bản thân
vẫn còn nhiều hạn chế nhất định trong kinh nghiệm và thực tế nên đồ án tốt
nghiệp không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Do đó tôi rất mong nhận đợc các ý
kiến đóng góp của hội đồng chấm đồ án, các thầy cô giáo và các bạn để đồ án
tốt nghiệp của tôi đợc hoàn chỉnh
hơn.


Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2009


SVTH
Trần Thị Phơng Thuý

Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

2

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Mục lục

Lời mở đầu ....................................................................................................... 1
Chơng I Tổng quan về tài liệu ........................................................... 9
I.1 Hiện trạng nớc thải ở Việt Nam và các phơng pháp xử lý .......................... 9
I.1.1 Hiện trạng nớc thải ở Việt Nam .......................................................... 9
I.1.2 Nguyên nhân của tình trạng ô nhiễm .................................................. 11
I.1.3 Các phơng pháp xử lý nớc thải ........................................................ 11
I.1.3.1 Xử lý bằng phơng pháp sinh học. ............................................... 11
I.1.3.2 Xử lý bằng phơng pháp hoá lý ....................................................... 12
I.1.3.3 Xử lý bằng phơng pháp hoá học ................................................. 13
I.2 Các vật liệu mới ......................................................................................... 14
I.2.1 Triển vọng phát triển phát triển của các vật liệu mới .......................... 14
I.2.2 ứng dụng của các vật liệu mới trong xử lý môi trờng ....................... 14
I.2.2.1 Oxit sắt nanô .................................................................................. 14
I.2.2.2 Chitosan ........................................................................................ 15
I.2.2.3 MnO
2
nanô .................................................................................... 15
I.3 Lý thuyết chung về hấp phụ ..................................................................... 16
I.3.1 Khái niệm chung về hấp phụ ............................................................... 16
I.3.2 Đẳng nhiệt quá trình hấp phụ ............................................................. 17
I.3.2.1 Phơng trình đẳng nhiệt Langmuir ................................................ 17
I.3.2.2 Phơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich ............................... 19
I.4 Động học và nhiệt động học của quá trình hấp phụ .................................. 19
I.4.1 Động học của quá trình hấp phụ ......................................................... 19
I.4.2 Nhiệt động học của quá trình hấp phụ ................................................ 20
I.5.1 Vật liệu Chitosan ................................................................................ 21
I.5.1.1 Nguồn gốc Chitosan ...................................................................... 21
I.5.1.2 Cấu trúc và tính chất của Chitosan ............................................... 21
I.5.2 Oxit Sắt ............................................................................................... 23
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

3

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

I.5.2.1 Cấu trúc tinh thể của Fe
3
O
4
........................................................... 23
I.5.2.2 Tính chất vật lý ............................................................................. 26
I.5.2.3. Một số phơng pháp hoa học tổng hợp oxit sắt .......................... 26
chơng ii: Thực nghiệm và các phơng pháp nghiên cứu .... 32
II.1 Hoá chất và dụng cụ ................................................................................ 32
II.2 Quy trình chế tạo vật liệu ......................................................................... 32
II.3 Xây dựng đờng chuẩn của Ni
2+
.............................................................. 34
II.4 Các phơng pháp nghiên cứu .................................................................... 35
II.4.1 Hiển vi điện tử quét (SEM) ............................................................... 35
II.4.2 Phổ phân tán năng lợng tia X (EDX) của vật liệu ........................... 35
II.4.3 Phân tích nhiệt .................................................................................... 36
II.4.4 Nhiễu xạ tia X (XRD) ........................................................................ 37
II.4.5 Phổ hấp thụ hồng ngoại ...................................................................... 38
Chơng III: Kết quả và thảo luận ..................................................... 34
III.1 Đặc trng của vật liệu oxit sắt/ chitosan ..................................................... 40
III.1.1 Sản phẩm Chitosan/ oxit sắt .............................................................. 40
III.1.2 Hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................................. 41
III.1.3 Phổ phân tán năng lợng tia X (EDX) của vật liệu .......................... 42
III.1.4 Phơng pháp phân tích nhiệt ............................................................. 43
III.1.5 Phổ hấp phụ hồng ngoại ................................................................... 44
III.1.6 Nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................................................... 46
III.2 Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni
2+
của vật liệu Chitosan/oxit sắt .......... 47
III.2.1 Xác định các điều kiện ảnh hởng đến khả năng hấp phụ của Ni
2+
.. 47
II.2.1.1 Xác định thời gian cân bằng ......................................................... 47
III.2.1.2 Xác định ảnh hởng của pH ........................................................ 47
III.2.1.3. Nhiệt động học của quá trình hấp phụ ....................................... 49
III.2.1.5. Động học của quá trình hấp phụ ................................................ 50

Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

4

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Danh Mục Bảng

Bng I.1 : Sn phm ca phn ng thu phân ............................................ 22
Bảng III.1: Các thông số của phơng trình hấp phụ Langmuir ..................... 43
Bảng III.2: Các thông số của phơng trình hấp phụ Freudlich .................... 43
Bảng III.3: Các thông số của quá trình nhiệt động học ................................ 44
Bảng III.4: Hiệu suất hấp phụ của vật liệu ................................................... 44
Bảng III.5: Thông số của phơng trình động học bậc nhất .......................... 45

Bảng III.6: Thông số của phơng trình động học bậc 2 ................................ 46
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

5

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Danh Mục Hình

Hình I.1 : Công thức lý thuyết của Chitosan .................................................. 16
Hình I.2 : Cấu trúc Spinel của Fe
3
O
4
.............................................................. 19
Hình II.1 : Mô hình nhiễu xạ tia X .................................................................. 31
Hình III.1 : Hạt Chitosan/oxit sắt trớc khi sấy ................................................ 34
Hình III.2 : Hạt Chitosan/oxit sắt sau khi sấy ................................................... 34
Hình III.3 : ảnh SEM của mẫu Chitosan/oxit sắt trớc khi hấp phụ Ni
2+
.......... 35
Hình III.4 : ảnh SEM của mẫu Chitosan/oxit sắt sau khi hấp phụ Ni
2+
............. 35
Hình III.5 : Mẫu đo EDX của mẫu Chitosan/ oxit sắt trớc khi hấp phụ Ni
2+
.. 36
Hình III.6 : Mẫu đo EDX của mẫu Chitosan/oxit sắt sau khi hấp phụ Ni
2+
....... 36
Hình III.7 : Phổ phân tích nhiệt TGA và DTA của vật liệu Chitosan/ oxit sắt .. 37
Hình III.8 : Phổ đo IR của mẫu Chitosan/ oxit sắt trớc khi hấp phụ .............. 38
Hình III.9 : Phổ đo IR của mẫu Chitosan/ oxit sắt sau khi hấp phụ .............. 39
Hình III.10: Phổ XRD của mẫu Chitosan/ oxit sắt trớc khi hấp phụ Ni
2+
...... 40
Hình III.11: Thời gian cân bằng hấp phụ của Ni
2+
............................................. 41
Hình III.12: Đồ thị đẳng nhiệt Langmuir đối với sự hấp phụ Ni
2+
của vật liệu lai
tạo chitosan/ oxit sắt ............................................................................................ 42
Hình III.13: Đồ thị đẳng nhiệt Freudlich đối với sự hấp phụ Ni
2+
..................... 42
Hình III.14: Đồ thị nhiệt động học của quá trình hấp phụ ................................. 43
Hình III.15: Đồ thị động học hấp phụ bậc nhất của vật liệu .............................. 45
Hình III.16: Đồ thị động học bậc hai của vật liệu .............................................. 46

Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

6

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Lời mở đầu
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền công nghiệp nớc
ta, tình hình ô nhiễm môi trờng cũng đang gia tăng đến mức báo động. Do đặc
thù của nền công nghiệp mới phát triển, cha có sự quy hoạch tổng thể và nhiều
nguyên nhân khác nhau nh: Điều kiện kinh tế của nhiều xí nghiệp còn khó
khăn hoặc do chi phí xử lý ảnh hởng đến lợi nhuận nên hầu nh các chất thải
công nghiệp của nhiều nhà máy cha đợc xử lý mà xả thẳng ra môi trờng; các
quy định về quản lý và bảo vệ môi trờng nớc còn thiếu. Dẫn đến tình trạng
môi trờng nớc ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô
nhiễm bởi nớc thải, khí thải và chất thải rắn. Tại các thành phố lớn, hàng trăm
cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trờng nớc do không có
công trình và thiết bị xử lý chất thải. Hàm lợng nớc thải của các nghành này
có chứa xyanua vợt đến 84 lần, H
2
S vợt 4,2 lần, hàm lợng NH
3
vợt 84 lần
tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nớc mặt trong vùng
dân c.
Hàm lợng ion kim loại trong nớc thải vợt quá tiêu chuẩn cho phép gây
ảnh nghiêm trọng tới sức khoẻ của con ngời
Nhiễm độc Asen trong thời gian dài làm tăng nguy có gây ng th bàng
quang, thận, gan và phổi. Asen còn gây ra các chứng bệnh về tim.
Zn còn có khả năng gây ung th đột biến, gây ngộ độc hệ thần kinh, sự
nhạy cảm, sự sinh sản, gây độc đến hệ miễn nhiễm. Sự thiếu hụt Zn trong cơ thể
gây ra các triệu chứng nh bệnh liệt dơng, teo tinh hoàn, mù màu, viêm da,
bệnh về gan và một số triệu trứng khác.
Việc phát hiện ra các vật liệu đang mở ra một cuộc cách mạng công nghiệp
mới là chế tạo ra nhng vật liệu có độ cứng, độ dẻo mà các vật liệu cũ không
có đợc.
Hiện nay trên thế giới và Việt Nam đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về
khả năng ứng dụng của vật liệu mới để xử lý môi trờng. Mới đây một nhà khoa
học Nhật Bản có sáng kiến sử dụng hạt nanô từ tính lọc nớc bằng cách cho một
loài vi khuẩn chuyên ăn các chất bẩn lơ lửng trong nớc bẩn đã đợc hoà tan
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

7

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

thêm các hạt nanô từ tính và các nhà khoa học nớc ta đã sử dụng kết hợp nanô
từ tính Fe
3
O
4
với Al
2
(SO
4
)
3
để lọc nớc, Al
2
(SO
4
)
3
khi tan trong nớc sẽ thuỷ
phân tạo thành Al(OH)
3
kết tủa dạng keo. Để góp phân tìm hiểu thêm về vấn đề
này. Chúng tôi đã chọn đề tài: Nghiên cứu tổng hợp, đặc trng của vật liệu lai
tạo Chitosan/oxit sắt và ứng dụng hấp phụ ion Niken (II) trong xử lử lý nớc thải
chứa kim loại nặng .

Mục đích của đề tài là:
- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Chitosan/oxit sắt.
- Nghiên cứu đặc trng vật liệu lai tạo Chitosan/oxit sắt.
- Bớc đầu nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni
2+
của vật liệu Chitosan/ oxit
sắt.
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

8

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Chơng I
Tổng quan về ti liệu
I.1 Hiện trạng nớc thải ở Việt Nam và các phơng pháp xử lý
I.1.1 Hiện trạng nớc thải ở Việt Nam
Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây
áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nớc trong vùng lãnh thổ. Môi
trờng nớc ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm
bởi nớc thải, khí thải và chất thải rắn. Tại các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở
sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trờng nớc do không có công trình
và thiết bị xử lý chất thải. Ô nhiễm nớc do sản xuất công nghiệp là rất nặng.
Hàm lợng nớc thải của các nghành này có chứa xyanua vợt đến 84 lần, H
2
S
vợt 4,2 lần, hàm lợng NH
3
vợt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô
nhiễm nặng nề các nguồn nớc mặt trong vùng dân c [13]
Mức độ ô nhiễm nớc ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, cụm công
nghiệp tập chung là rất lớn.
Tại cụm công nghiệp Tham Lơng, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nớc bị
nhiễm bẩn bởi nớc thải công nghiệp với tổng lợng nớc thải ớc tính 500.000
m
3
/ ngày từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt. ở thành phố Thái Nguyên,
nớc thải công nghiệp thải ra từ các cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, luyện
kim màu, khai thác than. Về mùa cạn tổng lợng nớc thải khu vực thành phố
Thái Nguyên chiếm khoảng 15% lu lợng sông Cầu, nớc thải từ sản xuất giấy
có độ pH từ 8,4 9 và hàm lợng NH
4
là 4mg/l, hàm lợng chất hữu cơ cao,
nớc thải có mầu nâu, mùi khó chịu
Tình trạng ô nhiễm ở các đô thị thấy rõ nhất là ở thành phố Hồ Chí Minh và
thành phố Hà Nội. ở các thành phố này, nớc thải sinh hoạt không có hệ thống
xử lý tập trung mà trực tiếp xả ra nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mơng). Mặt
khác, còn rất nhiều cơ sở sản xuất không xử lý nớc thải, phần lớn các bệnh viện
và các cơ sở y tế lớn cha có hệ thống thu gom hết đợc là những nguồn quan
trọng gây ra ô nhiễm nớc. Hiện nay , mức độ ô nhiễm trong các kênh, sông, hồ
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

9

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

ở các thành phố lớn là rất nặng. ở thành phố Hà Nội tổng lợng nớc thải của
thành phố lên tới 300.000 400.000 m
3
/ngày. Hiện nay mới chỉ có 5/31 bệnh
viện có hệ thống xử lý nớc thải, chiếm 25% lợng nớc thải bệnh viện, 36/400
cơ sỏ sản xuất có xử lý nớc thải. lợng rác thải sinh hoạt cha đợc thu gom
khoảng 1.200 m
3
/ngày đang xả vào các khu đất ven các hồ, kênh, mơng trong
nội thành, chỉ số BOD, oxy hoà tan, các chất NH
4
, NO
2
, NO
3
[14]
ở các sông, hồ, mơng nội thành đều vợt quá quy định cho phép. ở thành
phố Hồ Chí Minh thì lợng rác thải lên tới gần 4.000 tấn/ngày, chỉ có 24/142 cơ
sở y tế là có xử lý nớc thải, khoảng 3.000 cơ sở sản xuất gây ô nhiễm thuộc
diện phải di dời.
Không chỉ ở Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh mà ở các đô thị khác nh Hải
Phòng, Huế, Đà Nẵng, Nam Định, Hải Dơng nớc thải sinh hoạt cũng không
đợc xử lý, độ ô nhiễm nguồn nớc nơi tiếp nhận nớc thải đều vợt quá tiêu
chuẩn cho phép (TCCP), các thông số chất lơ lửng (SS), BOD, COD, ôxy hoà tan
(DO) đều vợt từ 5 -10 lần, thậm chí 20 lần TCCP.
Về tình trạng ô nhiễm nớc ở nông thôn và khu vực sản xuất nông nghiệp.
Hiện nay, ở Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn, là nơi cơ
sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con ngời và gia súc không
đợc xử lý nên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi, làm cho tình trạng ô nhiễm
nguồn nớc về mặt hữu cơ và vi sinh vật ngày càng cao. Theo báo cáo của bộ
nông nghiệp và phát triển nông thôn, số vi khuẩn Feca coliform trung bình biến
đổi từ 1.500 3.500 MNP/100ml ở các vùng ven sông Tiền và sông Hậu tăng lên
tới 3800-12.500MNP/100ML ở các kênh tới tiêu.
Trong sản xuất nông nghiệp, do lạm dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật,
các nguồn nớc ở sông, hồ, kênh, mơng bị ô nhiễm, ảnh hởng lớn đến môi
trờng nớc và sức khoẻ của nhân dân.
Theo thông kê của bộ thuỷ sản, tổng diện tích mực nớc sử dụng cho nuôi
trồng thuỷ sản đến năm 2001 của cả nớc là 751.999 ha. Do nuôi trồng thuỷ sản
ồ ạt, thiếu quy hoạch, không tuân theo quy trình kỹ thuật nên gây nhiều tác động
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

10

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

tiêu cực tới môi trờng nớc. Cùng với việc sử dụng nhiều và không đúng cách
các loại hoá chất trong nuôi trông thuỷ sản thì các thức ăn d lắng xuống đáy ao,
hồ, kênh, lòng sông làm cho môi trờng nớc bị ô nhiễm các chất hữu cơ, làm
phát triển một số loài sinh vật gây bệnh và xuất hiện một số tảo độc, thậm chí đã
có dấu hiệu xuất hiện thuỷ chiều đỏ ở một số vùng ven biển ở nớc ta.
I.1.2 Nguyên nhân của tình trạng ô nhiễm
Có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan dẫn đến tình trạng ô nhiễm
môi trờng nớc, nh sự gia tăng dân số, mặt trái của quá trình công nghiệp hoá,
hiện đại hoá, cơ sở hạ tầng yếu kém lạc hậu, nhận thức của ngời dân về vấn đề
môi trờng còn cha cao Đáng chú ý là sự bật cập trong hoạt động quản lý,
bảo vệ môi trờng. Nhận thức của nhiều cấp chính quyền, cơ quan quản lý, tổ
chức và cá nhân có trách nhiệm về nhiệm vụ bảo vệ môi trờng nớc cha sâu
sắc và đầy đủ, cha thấy rõ ô nhiễm môi trờng nớc là loại ô nhiễm gây nguy
hiểm trực tiếp, hàng ngày và khó khắc phục đối với đời sống con ngời cũng nh
sự phát triển bền vững của đất nớc.
Bên cạnh đó, các quy định về quản lý và bảo vệ môi trờng nớc còn thiếu
(VD: cha có các quy định và quy trình kỹ thuật phục vụ cho công tác quản lý và
bảo vệ nguồn nớc). Cơ chế phân công và phối hợp giữa các cơ quan, các
nghành và địa phơng cha đồng bộ, còn chồng chéo, cha có quy định rõ ràng,
cha có chiến lợc quy hoạch khai thác, sử dụng và bảo vệ tài nguyên nớc theo
lu vực và các vùng lãnh thổ lớn. Ch
a có các quy định hợp lý trong việc đóng
góp tài chính để quản lý và bảo vệ môi trờng nớc, gây nên tình trạng thiếu hụt
tài chính, thu không đủ chi cho bảo vệ môi trờng.
I.1.3 Các phơng pháp xử lý nớc thải
I.1.3.1 Xử lý bằng phơng pháp sinh học.
Thực chất của phơng pháp sinh học để xử lý nớc thải là sử dụng khả năng
sống và hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất bền hữu cơ trong nớc
thải. Chúng sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh
dỡng, chúng nhận đợc các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trởng và
sinh sản nên sinh khối đợc tăng lên.
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

11

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Phơng pháp này thờng đợc sử dụng để làm sạch các loại có chứa các
chất hữu cơ hoà tan hoặc các chất phân tán nhỏ, keo. Do vậy, chúng thờng đợc
dùng sau khi loại các tạp chất phân tán thô ra khỏi nớc thải.
Xử lý nớc thải bằng phơng pháp sinh học gồm các phơng pháp sau:
- Phơng pháp hiếu khí.
- Phơng pháp kỵ khí
- Phơng pháp thiếu khí
u điểm:
- Có thể xử lý nớc thải có phổ nhiễm bẩn các chất hữu cơ tơng đối rộng.
- Hệ thống có thể tự điều chỉnh theo phổ các chất nhiễm bẩn và nồng độ của
chúng.
- Thiết kế và trng thiết bị đơn giản.
Nhợc điểm:
- Đầu t cơ bản cho việc xây dng khá tốn kém
- Phải có chế độ công nghệ làm sạch đồng bộ và hoàn chỉnh.
- Các chất hữu cơ khó phân huỷ cũng nh các chất vơ cơ có độc tính ảnh
hởng đến thời gian và hiệu quả làm sạch. Các chất có độc tính tác động đến
quần thể sinh vật nói chung và trong bùn hoạt tính làm giảm hiệu suất sử lý của
quá trình.
- Có thể phải làm loãng nớc thải có nồng độ chất bẩn cao, nh vậy sẽ làm
tăng lợng nớc thải và cần diện tích mặt bằng rộng. [6]
I.1.3.2 Xử lý bằng phơng pháp hoá lý
Các phơng pháp hoá lý đợc sử dụng để xử lý nớc thải gồm lọc, đông tụ
và keo tụ, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, thẩm thấu ngợc, siêu lọc, thẩm tách
và điện thẩm táchCác phơng pháp này đ
ợc ứng dụng để loại ra khỏi nớc
thải các hạt phân tán.
Ưu điểm:
- Có khả năng loại các chất độc hữu cơ không bị oxy hoá sinh học.
- Hiệu quả xử lý cao hơn.
- Khích thớc hệ thống xử lý nhỏ hơn.
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

12

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

- Độ nhạy đối với sự thay đổi tải trọng thấp hơn.
- Có thể tự động hoá hoàn toàn
- Không cần theo dõi hoạt động của vi sinh vật.
- Có thể thu hồi các chất khác nhau
I.1.3.3 Xử lý bằng phơng pháp hoá học
Các phơng pháp hoá học dùng trong xử lý nớc thải gồm có: trung hoà,
oxy hoá và khử. Tất cả các phơng pháp này đều dùng các tác nhân hoá học nên
là phơng pháp đắt tiền. Ngời ta sử dụng các phơng pháp hoá học để khử các
chất hoà tan và trong các hệ thống cấp nớc khép kín. Đôi khi các phơng pháp
hoá học này đợc dùng để xử lý sơ bộ trớc xử lý sinh học hay sau công đoạn
này nh là một phơng pháp xử lý nớc thải lần cuối để thải vào nguồn
nớc.([2])
+ ở Việt Nam
Các phơng pháp xử lý nớc thải thờng đợc sử dụng phổ biến ở nớc ta là
các phơng pháp sinh học, hoá lý và phơng pháp hoá học. Ngày trớc phơng
pháp hóa học rất ít sử dụng bởi giá thành xử lý khá cao cha phù hợp với điều
kiện kinh tế hiện nay của nớc ta. Tuy nhiên gần đây các phơng pháp xử lý hóa
học đã đợc quan tâm nhiều hơn do khả năng xử lý của chúng là khá cao, đặc
biệt là xử lý các chất hữu cơ khó phân huỷ ở trong nớc thải. Một công nghệ mới
có hiệu quả xử lý khá cao với giá thành xử lý hợp lý đợc đề cập gần đây là công
nghệ Fenton xử lý nớc thải. Quá trình Fenton đã đợc phát hiện và nhắc đến
khá lâu (vào năm 1894 do J.H Fenton đợc công bố trong tạp chí Hội hoá học
Mỹ). Gần đây việc nghiên cứu và áp dụng để xử lý nớc thải đang đợc các nhà
khoa học Việt Nam quan tâm và thu đ
ợc nhiều thành quả trong công việc
nghiên cứu xử lý nớc thải nh: nớc thải dệt nhuộm, nớc rác, nớc thải có
chứa các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học.
Các làng nghề ở Việt Nam đang bị ô nhiễm nguồn nớc nghiêm trọng. Một
trong những giải pháp đa ra để khắc phục tình trạng ô nhiễm này là sử dụng
phơng pháp lọc sinh học nghập nớc và sử dụng cây lau sậy để xử lý nuớc thải..

Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

13

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

+ Trên thế giới
Hiện nay trên thế giới, xu hớng xử lý nớc thải bằng công nghệ sinh học
đang đợc sử dụng rộng rãi, Đặc biệt là công nghệ xử lý nớc thải bằng phơng
pháp bùn hoạt tính. Tuy nhiên phơng pháp bùn hoạt tính thông thờng có nhiều
nhợc điểm khó khắc phục nh: diện tích công trình lớn, hiệu quả năng lợng sử
dụng cha cao.
I.2 Các vật liệu mới
I.2.1 Triển vọng phát triển phát triển của các vật liệu mới
Việc phát hiện ra các vật liệu mới đang hứa hẹn mở ra một cuộc cách mạng
công nghiệp mới và thời đại vũ trụ. Nhờ vật liệu mới có thể tạo ra các sản phẩm
có độ cứng, độ bền, độ dẻo... nh mong muốn.
VD : Các nhà khoa học Mỹ thuộc Đại học Northweston vừa phát hiện ra
một loại vật liệu mới có thể chuyển nhiệt lợng thải hồi thành điện năng nhằm
tăng sức mạnh cho động cơ ô tô. Các nhà khoa học Trung Quốc đã phát hiện ra
một loại vật liệu mới có tính bền vững cao hơn kim cơng tới 1,5 lần.
I.2.2 ứng dụng của các vật liệu mới trong xử lý môi trờng
I.2.2.1 Oxit sắt nanô
Có thể loại bỏ Asen trong nớc bằng hạt nanô oxit sắt, thực nghiệm cho
thấy khi cho hạt nanô oxit sắt từ với nồng độ 1 g/l vào mẫu nớc có chứa nồng
độ asen là 0.1 mg/l chỉ sau một phút thì nồng độ asen đã giảm chỉ còn 0.0081
mg/l dới tiêu chuẩn của bộ y tế cho phép (0.01 mg/l).
Mới đây một nhà khoa học Nhật Bản có sáng kiến sử dụng hạt nano từ tính
lọc nớc bằng cách cho một loài vi khuẩn chuyên ăn các chất bẩn lơ lửng trong
nớc bẩn đã đợc hoà tan thêm các hạt nanô từ tính. Bình thờng các vi khuẩn có
tác dụng thu gom chất bẩn. Khi đã ăn no chúng tự chìm xuống đáy (do trọng
lực) và mang theo các chất bẩn đã thu gom đợc. Do vậy làm cho nớc trở nên
trong. Nếu trong nớc có hạt nanô từ tính thì các vi khuẩn sẽ gom vào mình tất
cả các chất bẩn thông thờng lẫn các hạt nanô. Khi đó chỉ cần sử dụng một nam
châm mạnh ta có thể hút các vi khuẩn này làm cho chúng chìm nhanh hơn do đó
cũng làm cho nớc trong nhanh hơn.
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

14

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Xuất phát từ ý tởng đó các nhà khoa học nớc ta đã sử dụng kết hợp nanô
từ tính Fe
3
O
4
với Al
2
(SO
4
)
3
để lọc nớc, Al
2
(SO
4
)
3
khi tan trong nớc sẽ thuỷ
phân tạo thành Al(OH)
3
kết tủa dạng keo. Kết tủa keo này có tác dụng nh một
tấm lới. Khi nó lắng đọng thì các chất bẩn mắc vào nó cũng bị kéo xuống theo,
kết quả là làm lắng đọng chất bẩn và làm cho nớc trong hơn. Khi đã kết hợp hạt
nano từ tính Fe
3
O
4
với AL(OH)
3
dới tác dụng của từ trờng. Ngoài các hạt
nanô từ tính bị hút xuống dới, các hạt này đi xuống chúng kéo tấm lới nhôm
hyđrôxit chuyển động theo. Kết quả là nhôm hyđrôxit lắng đọng nhanh hơn
hàng chục lần so với khi không dùng hạt nanô từ tính.
I.2.2.2 Chitosan
Chitosan và các dẫn xuất của nó có hoạt tính kháng nấm, kháng khuẩn, có
khả năng tự phân huỷ sinh học cao, không gây dị ứng. Không gây độc hại cho
ngời và gia súc, có khả năng tạo phức với một số kim koại chuyển tiếp nh:
Cu(II), Ni(II), Co(II)...do vậy chúng đợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
nh: xử lý nớc thải và bảo vệ môi trờng, dợc học và y học, nông nghiệp, công
nghiệp, công nghệ sinh học...
Chitosan có cấu trúc đặc biệt với các nhóm amin trong mạng lới phân tử có
khả năng hấp phụ tạo phức với kim loại chuyển tiếp: Cu(II), Ni(II), Co(II)...
trong môi trờng nớc. Vì vậy chitosan đang đợc nghiên cứu kết hợp với một số
chất khác để ứng dụng xử lý kim loại nặng trong nớc.
I.2.2.3 MnO
2
nanô
Nớc bị nhiễm thạch tín có thể gây những căn bệnh nghiêm trọng nh ung
th phổi, bàng quan hay daCác nhà khoa học đã dùng hạt nanô magnetite
oxide sắt và những nam châm bình thờng để loại bỏ chất độc không màu và
không mùi này. Thạch tín bám với các hạt oxide sắt, để loại bỏ các chất này có
thể dùng phơng pháp lọc nớc hoặc cho chúng đi qua những từ trờng đủ mạnh
để hút các hạt oxide sắt. thực nghiệm đã chứng minh các hạt nanô này hút lẫn
nhau. Nhờ sự tơng tác từ tính, chúng gắn kết tụ lại và dễ dàng loại ra khỏi
nguồn nớc bằng một nam châm bình thờng.
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

15

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

I.3 Lý thuyết chung về hấp phụ
I.3.1 Khái niệm chung về hấp phụ
Hiện nay phơng pháp hấp phụ đợc sử dụng rộng rãi để xử lý nớc thải
công nghiệp vì phơng pháp này rất vạn năng. Phơng pháp này cho phép xử lý
nớc thải chứa một hoặc nhiều chất bẩn khác nhau, kể cả khi nồng độ chất bẩn
trong nớc rất thấp, trong khi đó dùng các phơng pháp khác để xử lý thì không
đợc hoặc cho hiệu suất rất thấp. Nh vậy phơng pháp hấp phụ còn có thể dùng
để xử lý triệt để nớc thải sau khi đã xử lý bằng các phơng pháp khác.
Hiện tợng hấp phụ là hiện tợng tăng nồng độ chất tan trên bề mặt phân
chia giữa hai pha.
Hấp phụ có thể diễn ra ở bề mặt biên giới giữa hai pha lỏng và khí, giữa
pha lỏng và pha rắn. Trong công nghệ xử lý nớc thải khi nói về phơng pháp
hấp phụ tức là nói về quá trình hấp phụ chất bẩn hoà tan ở bề mặt biên giới giữa
pha lỏng và pha rắn. Ngời ta phân biệt ba loại hấp phụ sau đây:
- Hấp thụ là quá trình trong đó những phân tử của chất bẩn hoà tan chẳng
hạn nhng tập trung ở bề mặt mà còn bị hút sau vào các lớp bên trong của chất
rắn (hoặc chất lỏng). Tốc độ hấp thụ thờng nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ hấp
phụ. Khi xử lý nớc thải chứa các chất bẩn dạng khí hoà tan thì ngời ta dùng
các phơng pháp hấp thụ- tháp hấp thụ hoặc tháp lọc khí.
- Hấp phụ lý học là quá trình hút (hay còn gọi là tập trung) của một hoặc
hỗn hợp các chất bẩn hoà tan thể khí hoặc thể lỏng trên bề mặt chất rắn.
- Hấp phụ hoá học là quá trình hút các chất tan dạng khí dới tác dụng hoá
học. Nói cách khác tức là các chất tan hấp phụ lên bề mặt và tạo phản ứng hoá
học với chất rắn.
Quy luật chung của quá trình hấp phụ
Quá trình hấp phụ là quá trình thuận nghịch. Nghĩa là sau khi chất bẩn đã bị
hấp phụ rồi có thể di chuyển ngợc lại từ bề mặt chất hấp phụ vào dung dịch.
Hiện tợng này gọi là khử hấp phụ.
Với những điều kiện nh nhau, tốc độ của các quá trình thuận nghịch tơng
ứng tỷ lệ với nồng độ chất bẩn trong dung dịch và trên bề mặt chất hấp phụ. Khi
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

16

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

nồng độ chất bẩn trong dung dịch ở giá trị cao nhất thì tốc độ hấp phụ cũng lớn
nhất. Khi nồng độ chất bẩn trên bề mặt chất hấp phụ tăng thì số phân tử (đã bị
hấp phụ) sẽ di chuyển trở lại dung dịch cũng càng nhiều.
Trong một đơn vị thời gian, số phân tử bị hấp phụ từ dung dịch lên bề mặt
chất hấp phụ bằng số phân tử di chuyển ngợc lại từ bề mặt chất hấp phụ vào
dung dịch thì nồng độ chất bẩn hoà tan trong dung dịch sẽ là một đại lợng
không đổi. Nồng độ này gọi là nồng độ cân bằng.
Có hai kiểu hấp phụ là hấp phụ trong điều kiện tĩnh và hấp phụ trong điều
kiện động.
- Hấp phụ trong điều kiện tĩnh là: không có sự chuyển dịch tơng đối của
phân tử chất lỏng (nớc) so với phân tử chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển
động với nhau. Biện pháp thực hiện là cho chất hấp phụ vào nớc và khuấy trộn
trong một thời gian đủ để đạt đợc trạng thái cân bằng (nồng độ cân bằng). Tiếp
theo cho lắng hoặc lọc để giữ chất hấp phụ lại và tách nớc ra.
- Hấp phụ trong điều kiện động là: có sự chuyển động tơng đối của phân
tử chất lỏng (nớc) so với phân tử chất hấp phụ. Biện pháp thực hiện là cho nớc
lọc qua lớp vật liệu hấp phụ.
I.3.2 Đẳng nhiệt quá trình hấp phụ [7]
Các số liệu thực nghiệm thu đợc khi nghiên cứu quá trình hấp phụ thờng
đợc mô tả bằng các phơng trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich.
I.3.2.1 Phơng trình đẳng nhiệt Langmuir
Tiền đề xây dựng lý thuyết:
- Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về năng lợng.
- Trên bề mặt vật rắn chia thành từng vùng nhỏ, các tâm hoạt động mỗi
vùng chỉ tiếp nhận một phần tử chất hấp phụ. Trong trạng thái bị hấp phụ các
phần trên bề mặt rắn không tơng tác với nhau.
- Quá trình hấp phụ là động, tức là quá trình hấp phụ và giải hấp phụ có tốc
độ bằng nhau khi trạng thái cân bằng đạt đợc. Tốc độ hấp phụ tỷ lệ với các
vùng cha bị chiếm chỗ (tâm hấp phụ), tốc độ giải hấp tỷ lệ với các tâm bị chất
hấp phụ chiếm chỗ.
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

17

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Phơng trình đẳng nhiệt :

(I.1)
Trong đó C
*
: Nồng độ cân bằng của ion kim loại trong dung dịch, mmol/l
q : Lợng ion kim loại đã bị hấp phụ, mmol/l
q
m
: Hằng số biểu thị dung lợng hấp phụ, còn đợc gọi là độ phủ
đơn lớp bề mặt, mmol/l
b : Hằng số đặc trng cho nhiệt hấp phụ, mmol/l
Phơng trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trng của hệ:
+ Khi nông độ dung dịch rất nhỏ, Tức bC
*
<<1, ta có:
q =q
m
bC
*
(I.2)
Nh vậy lợng ion kim loại bị hấp phụ là tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch
cân bằng
+ Khi nồng độ dung dịch đủ lớn, bC
*
>>1, ta có:
q q
m

Nh vậy theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir thì lợng cấu tử bị hấp
phụ đầu tiên tăng tuyến tính theo nồng độ dung dịch, sau đó mức độ tăng này
giảm dần đến một nồng độ đủ lớn thì lợng cấu tử bị hấp phụ sẽ đạt một giá trị
không đổi nếu tiếp tục tăng nồng độ, chứng tỏ bề mặt chấp hấp phụ đã đợc là
bão hoà bởi một đơn lớp các phân tử bị hấp phụ.
Phơng trình đẳng nhiệt Langmuir có thể chuyển về dạng tuyến tính:

(I.3)
Hoặc

(I.4)
Vậy nếu phơng trình đẳng nhiệt Langmuir mô tả đúng các kết quả thực
nghiệm thì đồ thị biểu diễn mối quan hệ 1/q theo 1/C
*
phải là đờng thẳng có
hiệu số góc là 1/bq
m
. Từ đó có thể dễ dàng xác định đợc hằng số Langmuir q
m

và b.
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

18

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

I.3.2.2 Phơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich
Phơng trình sau đây đợc mô tả trên cơ sở kinh nghiệm, có tính đến tính
không đồng nhất của bề mặt chất hấp phụ và sự phân bố của các tâm hoạt tính và
năng lợng của chúng theo quy luật hàm mũ:
q = K
F
(C
*
)
1/n
(I.5)
Trong đó :
K
F
và n là các hằng số dặc trng cho hệ hấp phụ (còn gọi là hằng số
Freundlich) , Với - K
F
biểu thị dung lợng hấp phụ
- 1/n biểu thị cờng độ hấp phụ
Phơng trình trên đợc gọi là phơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich,
đợc sử dụng rộng rãi nh một phơng trình kinh nghiệm. Mặc dù phơng trình
này đơn giản và thuận tiện nhng nó không phải luôn mô tả đúng số các số liệu
thực nghiệm trong vùng nồng độ rộng.
Lấy logarit cả 2 vế của phơng trình trên ta có:
lg q = lgK
F
+1/nlgC
*
(I.6)
Nh vậy nếu phơng trình đẳng nhiệt Freundlich mô tả đúng kết quả thực
nghiệm thì đồ thị biểu diễn mối quan hệ lgq theo lgC
*
phải là một đờng thẳng,
có hệ số góc là 1/n và cắt trục tung tại điểm có tung độ bằng lgK
F
, từ đó có thể
xác định đợc hằng số Freundlich.
I.4 Động học và nhiệt động học của quá trình hấp phụ
I.4.1 Động học của quá trình hấp phụ [12]
Quá trình hấp phụ có thể đặc trng bằng phơng trình động học, trong đó tốc độ
là một đặc trng quan trọng. Tốc độ của quá trình hấp phụ tỷ lệ thuận với hệ số
chuyển khối và động lực của quá trình:
)()('
*'*
YYKCCK
d
dC
vyy
y
vc
z
==

(I.7)

Trong đó: -
y
C
:
/ const
s
q
T
=

Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

19

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Lợng chất bị hấp phụ bởi một đơn vị thể tích chất hấp phụ (kg chất bị hấp
phụ/ m
3
chất bị hấp phụ)
- Thời gian hấp phụ (s).
- C

: Nồng độ cân bằng tơng đối của chất bị hấp phụ trong hỗn hợp hơi
(kg chất bị hấp phụ/ m
3
khí trơ).
C


: Nồng độ cân bằng tơng đối của chất chất bị hấp phụ trong hỗn
hợp hơi (kg chất bị hấp phụ/ m
3
khí trơ).
-
Y
: Nồng độ khối lợng tơng đối của hỗn hợp hơi (kg chất bị hấp phụ /
kg khí trơ).
-
*
Y
: Nồng độ khối lợng cân bằng tơng đối của hỗn hợp hơi (kg chất bị
hấp phụ / kg khí trơ).
- K

c
: Hệ số chuyển khối tính theo cho một đơn vị thể tích lớp chất hấp
phụ khi động lực quá trình biểu diễn bằng, (kg chất bị hấp phụ/
trokhi m
phu hõp bichõt kg
.s.phu hõpchõt
3
3
m
= 1/s.
- K


c
: Hệ số chuyển khối tính cho một đơn vị thể tích lớp chất hấp phụ
khi đọng lực quá trình biểu diễn bằng (kg/m
3
.s)
+ Khi chất hấp phụ trong hỗn hợp có nồng độ nhỏ thì khối lợng riệng của
hỗn hợp khi có thể coi nh khôi lợng riêng của khí sạch:
y
y
vc
vy
Y
C
K
K




=
'
'
(I.8)
Trong đó:

- khối lợng riệng của khi trơ (kg/m
3
)
I.4.2 Nhiệt động học của quá trình hấp phụ
Trong thực tế, nhiệt hấp phụ của các chất hữu cơ không phụ thuộc vào nhiệt độ
mà chỉ phụ thuộc vào lợng hơi bị hấp phụ. Có thể tính nhiệt hấp phụ cho một số
chất nh sau: q= mX
n
(I.9)
Trong đó: - q : Nhiệt hấp phụ (kJ/kg than).
- X : lợng hơi đợc hấp phụ (1/kg than).
- m, n : Hằng số cho trớc.
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

20

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

21

+ Khi không có số liệu thực nghiệm thì nhiệt hấp phụ (tính cho 1 mol khí)
đợc xác định theo công thức sau:
/ c
s
q
T
= onst
(I.10)
- q : Nhiệt hấp phụ (J/mol khí).
T
s
: Nhiệt độ sôi của chất bị hấp phụơ áp suất khi quyển (
o
K).
/
s
q
T
: Hằng số phụ thuộc vào chất hấp phụ.
+ Nhiệt hấp phụ có thể tính theo công thức sau:
Trong đó :
)/1()/1(
)/lg(10.44
21
12
3
TT
pp
q

=

J/kmol (I.11)
-
1
,
2
: áp suất cân bằng của thiết bị hấp phụ trên chất hấp phụ nhiệt độ T
1
và T
2
tính theo
0
K.
I.5 Vật liệu nghiên cứu
I.5.1 Vật liệu Chitosan [9, 12]
I.5.1.1 Nguồn gốc Chitosan
Chitosan đợc xem là polymer tự nhiên quan trọng nhất, là dẫn xuất của
Chitin. Với đặc tính có thể hoà tan tốt trong môi trờng acid, Chitosan đợc ứng
dụng nhiều trong các lĩnh vực: thực phẩm, mỹ phẩm, dợc phẩm
Trong mỗi loại nguyên liệu ta thu đợc những dẫn xuất khác nhau. Bằng
phơng pháp nhiễu xạ tia X, ngời ta đã chứng minh đợc Chitosan có chủ yếu
trong vỏ cứng của các loài động vật giáp xác nh tôm, cua, mai mựcVì vậy
trong số các polyme nguồn gốc tự nhiên sản lợng của Chitosan rất lớn (chỉ đứng
thứ 2 sau xenlulo)
I.5.1.2 Cấu trúc và tính chất của Chitosan
Bằng phổ cộng hởng từ hạt nhân (NMR), phổ hồng ngoại (IR) và một số
phơng pháp khác đã xác định đợc cấu trúc hoá học của Chitosan rất giống
Xenlulo. Trong xenlulo nhóm OH ở vị trí C
2
của mỗi đơn vị DGlucza. Khi
thay nhóm OH trong xenlulo bằng nhóm NH
2
, ta đợc cấu trúc của Chitosan.
Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

I.5.1.2.1 Cấu trúc
Chitosan là dẫn xuất đề axetyl hoá của Chitin, trong đó nhóm (NH
2
) thay
thế nhóm (COOCH
5
) ở vị trí C(2). Chitosan đợc cấu tạo từ các mắt xích D-
gluczamin liên kết với nhau bởi các liên kết -(1,4)-glicozit, do vậy chitosan có
thể gọi là Poly--(14)-2-desoxyl-D-Glucoza hoặc là Poly--(14)
DGlucosamin (cấu trúc III).
Công thức lý thuyết của chitosan


Hình I.1: Công thức lý thuyết của Chitosan
Phản ứng trong thực tế xảy ra không hoàn toàn vì vậy ngời ta quy ớc:
- Độ deaxetyl hoá (degree of deeactyllation)(DD)>50% gọi là chitosan.
- DD 50% gọi là chitin.
Chitosan đợc Rouget phát hiện lần đầu vào năm 1859, khi ông đun sôi
chitin trong dung dịch KOH
đặc
. Do chitosan có nhóm amin nên tính chất của nó
khác rất nhiều chitin. Chitosan tan đợc trong axit loãng, đây là đặc điểm dễ
nhất để phân biệt chitosan với chitin.
I.5.1.2.2 Tính chất của Chitosan
Chitosan ở thể rắn có thể tồn tại dới hai dạng: Dạng tinh thể và dạng vô
định hình. Chitosan không tan trong nớc, kiềm đặc và loãng, không tan trong
cồn, axeton và các dung môi hữu cơ khác. Chitosan tan đợc trong dung dịch
axit loãng tạo dung dịch keo trong suốt. Độ nhớt của chitosan trong dung dịch
keo liên quan đến kích thớc và khối lợng phân tử trung bình của chitosan (đây
cũng là tính chất của tất cả dung môi polyme).
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

22

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Trong phân tử chitosan có chứa nhóm chức OH, NHCOCH
5
, trong các
mắt xích N-axetyl-D-glucozamin v nhóm NH
2
trong các mắt xích D-
glucozamin có nghĩa chúng vừa là ancol vừa là amin, vừa là amít. Phản ứng hoá
học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O, dẫn xuất thế N, dẫn
xuất thế O,N.
Mặt khác chitosan là những polyme mà monome đợc nối với nhau bởi các
liên kết -(14)-glicozit, các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hoá học
nh: axit, bazơ, tác nhân oxy hoá và enzim thuỷ phân.
Chitosan có nhóm NH
2
nên nó mang tính chất của một amin, một bazơ và
có khả năng tạo phức với các ion kim loại. Một số phản ứng của Chitosan:
- Bị cắt mạch bởi axit, enzim hoặc bức xạ để tạo ôligome.
- Phản ứng Van-Wisselingh: Chitosan có tác dụng với dung dịch lugo cho
mầu nâu, chuyển sang đỏ tím khi có mặt axit sunfuric.
- Phản ứng Alternative: Chitosan tác dụng với axit sunfurich tạo tinh thể
hình cầu chitosan sufat, chất này làm mất mầu dung dịch fuscin 1% hay dung
dịch axit picric 1%.
- Nhóm amin trong phân tử có thể bị khử do một số tác nhân oxy hoá nh
Ba(BrO)
2
, Ag(NO)
3
, N
2
O
3
, HNO
2

I.5.2 Oxit Sắt [2]
I.5.2.1 Cấu trúc tinh thể của Fe
3
O
4

Oxít sắt từ có công thức Fe
3
O
4
là vật liệu từ tính đầu tiên mà con ngời biến
đến. Từ thế kỷ IV ngời Trung quốc đã biết rằng Fe
3
O
4
tìm thấy trong các
khoáng vật tự nhiên có khả năng định hớng theo phơng Bắc - Nam địa lý. Đến
thế kỷ XII, họ đã sử dụng vật liệu Fe
3
O
4
làm la bàn, một công cụ giúp xác định
phơng hớng rất có ích. Trong tự nhiên, oxit sắt từ không những đợc tìm thấy
trong khoáng vật mà nó còn đợc tìm thấy trong cơ thể các sinh vật nh ong,
kiến, bồ câu...Chính sự có mặt Fe
3
O
4
trong cơ thể những sinh vật này đã tạo nên
khả năng xác định phơng hớng mang tính bẩm sinh của chúng.
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

23

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

Trong phân loại vật liệu từ Fe
3
O
4
đợc xếp vào nhóm vật liệu ferit có công
thức tổng quát MO. Fe
3
O
4
có cấu trúc spinel (M là kim loại hoá trị 2 nh: Fe, Ni,
Co, Mn, Mg hoc Cu).
Trong loại vật liệu ferit các ion oxy có bán kính khoảng 1,32 lớn hơn rất
nhiều bán kính ion kim loại (0,6 ữ 0,8 ) nên chúng có khả năng nằm rất sát
nhau và sắp xếp thành một mạng lới có cấu trúc lập phơng tâm mặt xếp khớp
nhau. Trong mạng ferit có 2 loại hốc: loại thứ nhất là hốc tứ diện (nhóm A) đợc
giới hạn bởi bốn ion oxy, loại th hai là hốc bát diện (nhóm B) đợc giới hạn bởi
sáu ion oxy. Các ion kim loại M
2+
v Fe
3+
sẽ nằm ở các hốc này và tạo nên hai
dạng cấu trúc spinel của nhóm vật liệu ferit.
Dạng thứ nhất, toàn bộ các ion M
2+
nằm ở vị trí A còn toàn bộ các ion Fe
3+

nằm ở vị trí B. Cấu trúc này đảm bảo hoá trị của các nguyên tử kim loại vô số
các oxi bao quanh các ion Fe
3+
và M
2+
có tỷ số 3/2 nên nó đợc gọi là spinel
thuận. Cấu trúc này đợc tìm thấy trong ferit ZnO.Fe
2
O
3
.
Dạng thứ hai thờng gặp hơn đợc gọi là cấu trúc spinel đảo. Trong cấu trúc
spinel đảo một nửa ion Fe
3+
cùng toàn bộ ion M
2+
nằm ở vị trí B, số ion Fe
3+
còn
lại nằm ở các vị trí A. Oxít sắt từ Fe
3
O
4
FeO. Fe
2
O
3
là một ferit có cấu trúc
spinel đảo điển hình. Tức là một nửa só ion Fe
3+
chiếm hốc bát diện, nửa còn lại
chiếm hốc tứ diện, các ion Fe
2+
đều chiếm hốc bát diện, chính cấu trúc spinel đảo
này đã quyết định tính chất từ của Fe
3
O
4
, đó là tính chất từ ferit từ.
Momen từ của các ion kim loại trong hai phân mạng A và B phân bố phản
song song, điều này đợc ghỉa thích nhờ sự phụ thuộc góc của tơng tác siêu trao
đổi AOB=125
o
9, AOA=79
o
38, BOB= 90
0
, do đó tơng tác phản sắt từ giữa A
và B là mạnh nhất.
Oxit sắt từ Fe
2
O
3
có cấu trúc tinh thể lập phơng, có tính bán dẫn, màu đen,
có ánh kim và tồn tại trong tự nhiên dới dạng khoáng vật manhetit.
Có thể viết công thức dạng Fe
2+
O
2-
(Fe
3+
)
2
(O
2-
)
3
trong đó các ion sắt có
những tơng tác ghép Spin phản song song tơng tự nh phản sắt từ. Nhng do
sự triệt tiêu hoàn toàn nên vật liệu có mômen ferit từ riêng. Ferir lập phơng có
cấu trúc tinh thể Spin đảo. Cấu trúc Spinel có thể nh đợc tạo ra từ các mặt
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

24

Đồ án tốt nghiệp Khoa
CNSH&MT

phẳng xếp chặt của các ion O
2-
. Ngoài ra có hai loại vị trí có thể bị ion sắt chiếm
chỗ: Hốc bát diện và hốc tứ diện. Một nửa số ion Fe
3+
chiếm hốc bát diện còn lại
chiếm hốc tứ diện. Các ion Fe
2+
đề chiếm hốc bát diện


Hình I.2: Cấu trúc spinel của Fe
3
O
4
Trong Fe
3
O
4
vì ion Fe
3+
có mặt ở cả hai phân mạng với số lợng nh nhau
nên bị triệt tiêuvì vậy momen từ do Fe
2+
quyết định. Trong vô số ô cơ sở của oxit
sắt Fe
3
O
4
các momem từ của các ion Fe
2+
và sắt từ Fe
3+
có sự sắp xếp khác nhau.


Hình I.2: Sự phân bố các mômem từ spin của các ion Fe
2+
và Fe
3+
trong một
ô cơ sở của Fe
3
O
4

Mỗi phân tử Fe
3
O
4
có momen từ tổng cộng là 4

(

là magneton bohr
nguyên tử,

=9,274.10
-24
J/T trong hệ SI).
Trần Thị Phơng Thuý

MSSV
: 505303058

25

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×