Nghiên cứu chế tạo than sinh học từ bã đậu nành để xử lý Cu₂⁺ , Pb₂⁺ trong nước

Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 25, Số 2/2020 
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN SINH HỌC TỪ BÃ ĐẬU NÀNH 
ĐỂ XỬ LÝ Cu2+ , Pb2+ TRONG NƯỚC 
Đến tòa soạn 20-12-2019 
Nguyễn Thị Minh Sáng, Phạm Phương Thảo, Lê Thu Thủy 
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội 
SUMMARY 
Research on the use of agricultural residues to make biochar applied to heavy metal treatment in 
Vietnam has received great interest during the last few years, due to its economy and efficiency. There 
have been many studies using straw, tea residue, coffee, etc to make adsorbents. This study presents the 
results of the synthesis of soya bean adsorbent materials which were applied to treat Cu2+ and Pb2+ 
ions in water. Structure and properties of biochar and denatured biochar were analyzed and 
determined by SEM, IR infrared imaging methods. The results show that the denaturation process has 
changed the structure of the material in the direction of increasing the total surface area of the 
material which lead to increased adsorption capacity. 
Key words: Adsorption, treatment of Cu, Pb, soybean residues, biochar 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Ô nhiễm môi trường hiện nay đang là một vấn 
đề nóng bỏng mang tính toàn cầu, ảnh hưởng 
trực tiếp đến sức khỏe và đời sống của con 
người. Môi trường nói chung và môi trường 
nước nói riêng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. 
Nước thải ở một số cơ sở sản xuất chỉ được xử 
lý sơ bộ, trong nước thải đó chứa rất nhiều các 
chất độc hại bao gồm các chất hữu cơ và các 
ion kim loại nặng như Cu, Ni, Pb, Cd, Fe, 
Zn Hậu quả là môi trường nước kể cả nước 
mặt và nước ngầm ở nhiều nơi đang bị ô nhiễm 
kim loại nặng trầm trọng. Đồng là một nguyên 
tố vi lượng quan trọng vì vai trò của nó trong 
việc tổng hợp enzyme, phát triển mô và xương. 
Tuy nhiên, đồng hóa trị hai (Cu2+) độc hại và 
gây ung thư . Tiêu thụ quá nhiều Cu2+ dẫn đến 
sự lắng đọng ở gan gây nôn mửa, đau đầu, 
buồn nôn, các vấn đề về hô hấp, đau bụng, suy 
gan và thận và cuối cùng là xuất huyết tiêu 
hóa. Chì đặc biệt độc hại đối với não, thận, hệ 
sinh sản và hệ tim mạch. Khi bị nhiễm độc chì 
sẽ gây ảnh hưởng đến chức năng của trí óc, 
thận, gây vô sinh, sẩy thai và tăng huyết áp. 
Hiện nay đã có nhiều phương pháp được áp 
dụng nhằm tách ion Cu2+ và Pb2+ ra khỏi môi 
trường nước như: phương pháp hóa lý, phương 
pháp sinh học, phương pháp hóa học...Trong 
đó phương pháp hấp phụ- sử dụng than sinh 
học chế tạo từ các nguồn tự nhiên như bã mía, 
lõi ngô, vỏ đậu, vỏ lạc, rơm rạ... để tách loại và 
thu hồi các kim loại nặng trong nước đã được 
một số tác giả trên thế giới và trong nước 
nghiên cứu. Phương pháp xử lý sử dụng than 
sinh học có nhiều ưu việt so với các phương 
pháp xử lý khác như giá thành xử lý không 
cao, tách loại được đồng thời nhiều kim loại 
trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng than 
sinh học và thu hồi kim loại, quá trình xử lý 
đơn giản và thân thiện với môi trường. 
Bã đậu nành là nguồn nguyên liệu có chứa 
nhiều chất xơ (hay xenlulozơ) rất thích hợp cho 
chế tạo than sinh học và nghiên cứu khả năng 
xử lý chất ô nhiễm trong nước. Hơn nữa, ở 
159
nước ta nguồn nguyên liệu này rất sẵn có và rẻ 
tiền, nếu thành công trong việc chế tạo ra than 
sinh học từ bã đậu nành để xử lý ion Pb2+ trong 
nước thì sẽ tiết kiệm được rất nhiều chi phí mà 
lại có hiệu quả cao. 
2. THỰC NGHIỆM 
2.1. Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị sử dụng 
a) Hóa chất 
- Bã đậu nành được thu thập từ các hộ chế biến 
đậu nành khu vực quanh Hà Nội 
- Dung dịch chì nitrat Pb(NO3)2 nồng độ 1g/l: 
Hãng Merck, xuất xứ Đức 
- Dung dịch đồng nitrat Cu(NO3)2 nồng độ 
1g/l: Hãng Merck, xuất xứ Đức 
- Axit nitric HNO3 đặc 63%, d= 1,51 g/cm3 : 
Hãng DaeJung, xuất xứ Hàn Quốc 
- Axit HCl đặc 36%, d= 1,18 g/cm3 : Xuất xứ 
Trung Quốc 
- NaOH dạng hạt: Xuất xứ Trung Quốc 
- Axit H3PO4 đặc 85%, d= 1,685 g/cm3: Xuất 
xứ Trung Quốc 
- Nước cất 
b) Thiết bị 
- Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS – Tại 
phòng thí nghiệm khoa Môi trường –Trường 
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội để 
xác định hàm lượng Pb trong mẫu 
- Thiết bị chụp ảnh SEM: Jeol 5410 LV tại 
Viện kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm và 
Khoa học Việt Nam 
- Máy chụp phổ FT- IR: U-4100 
Spectrophotometer tại Viện kỹ thuật nhiệt đới 
– Viện Hàn lâm và Khoa học Việt Nam 
- Các dụng cụ thiết bị cơ bản tại phòng thí 
nghiệm Môi trường – Trường Đại học Tài 
nguyên và Môi trường Hà Nội như: Lò nung, 
cân phân tích, máy khuấy lắc, dụng cụ thủy 
tinh 
2.2. Tổng hợp vật liệu 
a) Chế tạo than sinh học từ bã đậu nành 
Bã đậu nành sau khi thu thập, được rửa sạch để 
khô, sau đó đem sấy tại 100oC trong 24 giờ, 
cho đến khối lượng không đổi. Tiếp đó, cân 
chính xác 100 gam bã đã sấy đem nung tại 
450oC ở lò nung thổi khí Ar trong 2 giờ để thu 
vật liệu than sinh học. Sản phẩm tạo thành 
được nghiền nhỏ và phân loại qua rây với kích 
thước 0,5 mm trước khi tiến hành các thí 
nghiệm tiếp theo. 
b) Chế tạo than sinh học biến tính từ bã đậu 
nành 
Vật liệu than sinh học biến tính được chế tạo 
qua hai quá trình: 
Quá trình 1: Bã đậu nành sau khi thu thập sẽ 
được nhiều lần bằng nước cất cho tới khi sạch. 
Tiếp theo được ngâm trong dung dịch NaOH 
0,1M trong thời gian 60 phút để loại bỏ các 
chất tan và tạp chất còn lại trong mẫu. Kết thúc 
giai đoạn ngâm mẫu trong dung dịch NaOH, 
tiến hành rửa lại mẫu bằng nước cất cho tới khi 
dung dịch rửa có pH = 7. Sau đó để khô tự 
nhiên rồi đem sấy khô tại 100oC trong 24 giờ 
đến khối lượng không đổi. 
Quá trình 2: Mẫu sau khi xử lý qua quá trình 1 
được tiếp tục ngâm trong dung dịch axit H3PO4 
ở các nồng độ khác nhau từ 0,02÷0,5 M, trong 
thời gian 60 phút, tiếp đến đun sôi trong 30 
phút, để nguội rồi tiến hành lọc rửa nhiều lần 
bằng nước cất cho tới pH =7. Để mẫu khô tự 
nhiên, sau đó tiến hành nung mẫu tại 400oC ở 
lò nung thổi khí Ar trong 2 giờ để thu vật liệu 
than sinh học biến tính. 
2.3. Khảo sát khả năng xử lý Cu và Pb của 
vật liệu 
a) Khảo sát thời gian tiếp xúc 
Đối với vật liệu hấp phụ thời gian tiếp xúc là 
một thông số quan trọng ảnh hưởng tới dung 
lượng hấp phụ, vì thế việc xác định thời gian 
tiếp xúc để thực hiện hấp phụ tốt nhất là cần 
thiết. Khảo sát thời gian tiếp xúc được thực 
hiện với điều kiện: 0,5g vật liệu, 100ml dung 
dịch chì nồng độ 50 ppm và 100ml dung dịch 
đồng nồng độ 50 ppm , pH = 5, tại nhiệt độ 
phòng, thời gian khảo sát từ 10 phút đến 120 
phút. 
b) Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý Cu2+, 
Pb2+ 
Điều kiện thực nghiệm: 0,5g vật liệu, 100ml 
dung dịch chì nồng độ 50 ppm và 100ml dung 
dịch đồng nồng độ 50 ppm, thời gian tiếp xúc 
60 phút, tại nhiệt độ phòng. Khoảng pH khảo 
sát từ 1-7. 
160
c) Ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+, Pb2+ tới 
quá trình hấp phụ 
Điều kiện thực nghiệm: 0,5g vật liệu, 100ml 
dung dịch Pb2+ và 100ml dung dịch Cu2+ , thời 
gian tiếp xúc 60 phút, tại nhiệt độ phòng, pH 
=5, nồng độ Cu2+ , Pb2+ thay đổi lần lượt là: 
1ppm, 10 ppm, 20 ppm, 40 ppm, 70 ppm và 
100 ppm. 
2.4. Phương pháp phân tích xác định Cu2+, 
Pb2+ 
Hàm lượng ion Cu2+, Pb2+ được xác định bằng 
phương pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử 
(AAS) theo tiêu chuẩn SMWW – 3111B:2012 
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
3.1. Chế tạo vật liệu 
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit H3PO4 
khác nhau được thực hiện như mô tả trong mục 
2.1. kết quả được biểu diễn trên hình 1 
Hình 1: Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc giữa nồng 
độ axit H3PO4 và hiệu suất hấp phụ 
Qua đồ thị hình 1 cho thấy sau khi biến tính 
bằng axit H3PO4, các vật liệu đều có khả năng 
hấp phụ tốt hơn so với vật liệu than sinh học 
thông thường. Vật liệu sau khi biến tính bằng 
axit photphoric, khả năng hấp phụ ion Cu2+, 
Pb2+ đã tăng, chứng tỏ gốc –H2PO3 sau biến 
tính đã làm tăng tổng số gốc anion của vật liệu. 
Điều này dự báo khả năng hấp phụ kim loại 
nặng của vật liệu sau biến tính. Đối với Pb với 
hiệu suất đạt từ 68,056% cho tới 87,488% và 
với Cu hiệu suất từ 80,9666% cho tới 94,47%. 
Tuy nhiên khi biến tính bằng axit H3PO4 nồng 
độ 0,1M thì hiệu suất hấp phụ đạt lớn nhất, vật 
liệu này sẽ được lựa chọn để tiến hành các 
khảo sát tiếp theo. 
3.2. Đặc trưng cấu trúc, tính chất của vật 
liệu 
a) Kết quả phân tích phổ hồng ngoại IR 
Mẫu được gửi đến Viện kỹ thuật nhiệt đới, sau 
khi quét phổ IR ta có hình ảnh kết quả như sau: 
Hình 2. Phổ IR của vật liệu than sinh học chế 
tạo từ bã đậu nành 
Hình 3. Phổ IR của vật liệu than sinh học biến 
tính bằng axit nồng độ 0,1M 
So sánh 2 phổ hồng ngoại ở hình 2 và hình 3: 
Có sự xuất hiện của pic có số sóng đặc trưng 
cho nhóm –OH và nhóm C=O. Tuy nghiên độ 
rộng và cường độ pic ở hình 3 lớn hơn hình 2 
phản ánh kết quả của phản ứng este hóa giữa 
cellulose và axit đã làm tăng số lượng nhóm –
OH. Ngoài ra ở vật liệu cacbon hóa biến tính 
còn nhận thấy thêm một loại nhóm chức nữa là 
–COOH chứng tỏ gốc –COOH được tạo ra sau 
khi ta biến tính với dung dịch axit H3PO4 0.1M 
và sau quá trình nung. 
Quá trình biến tính bằng axit giúp cấu trúc vật 
liệu xốp hơn, diện tích bề mặt tăng lên làm 
tăng khả năng hấp phụ ion. Các nhóm –OH của 
161
xenlulozo có khả năng trao đổi ion, bản thân 
các nhóm này có khả năng trao đổi yếu vì liên 
kết –OH phân cự chưa đủ mạnh. Phương pháp 
biến tính bằng axit nhàm tăng số lượng nhóm –
COOH làm tăng khả năng trao đổi ion. Điều 
này cũng lý giải được tại sao hiệu suất xử lý 
ion Cu2+ , Pb2+ của vật liệu than sinh học biến 
tính lại cao hơn. 
b) Kết quả chụp SEM 
Kết quả chụp ảnh SEM của vật liệu than sinh 
học và than sinh học biến tính chế tạo từ bã 
đậu nành, được thể hiện trong hình 4 và hình 5. 
Hình 4. Ảnh SEM của than sinh học 
Hình 5. Ảnh SEM của than sinh học biến tính 
Từ ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM ở hình 5 
và hình 6 ta nhận thấy: hình thái cấu trúc bề 
mặt của vật liệu thu được là khá xốp, vật liệu 
than sinh học biến tính có diện tích bề mặt và 
cấu trúc xốp hơn so với vật liệu than sinh học 
được chế tạo từ bã đậu nành chưa biến tính. 
Nguyên nhân là do sự biến đổi cấu trúc hóa 
học của vật liệu khi thực hiện biến tính và 
nung ở nhiệt độ cao. 
3.3. Thử nghiệm, đánh giá khả năng hấp 
phụ xử lý Cu2+, Pb2+ của vật liệu 
a) Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 
Hình 6. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 
Kết quả thu được cho thấy hiệu hấp phụ đối 
với ion Cu2+, Pb2+ tăng nhanh trong khoảng 
thời gian từ 10 đến 30 phút. Khi tiếp tục kéo 
dài thời gian tiếp xúc tới 120 phút, dung lượng 
hấp phụ tiếp tục tăng tuy nhiên độ tăng ko 
đáng kể. Tại khoảng thời gian 30 đến 50 phút 
thì quá trình hấp phụ đạt tới trạng thái bão hòa. 
b) Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ 
Cu2+, Pb2+ 
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá 
trình hấp phụ của vật liệu với nồng độ ion 
Cu2+, Pb2+ ban đầu là 50 ppm ở khoảng pH từ 
1 – 7 được biểu diễn trên hình 8 
Hình 7. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp 
phụ đồng, chì 
162
Trong môi trường axit mạnh (pH thấp), các 
phần tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ 
đều tích điện dương bởi vậy lực tương tác là 
lực đẩy tĩnh điện, bên cạnh đó nồng độ H+ cao 
sẽ xảy ra sự cạnh tranh với cation kim loại 
trong quá trình hấp phụ nên làm giảm hiệu suất 
hấp phụ. Tuy nhiên khi pH tăng thì xảy ra sự 
kết tủa của ion kim loại làm giảm khả năng hấp 
phụ. Từ đồ thị ta thấy vật liệu hấp phụ chì tốt 
nhất ở pH = 5. 
c) Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+, 
Pb2+ tới quá trình hấp phụ 
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion 
Cu2+, Pb2+ tới quá trình hấp phụ của vật liệu 
than sinh học biến tính chế tạo từ được thể hiện 
trong đồ thị hình 8, 9. Dung dịch Cu2+, Pb2+ 
nồng độ thay đổi từ 1 – 100 ppm, thí nghiệm 
được tiến hành theo từng mẻ ở pH = 5. 
Hình 8. Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb2+ và 
Cu2+ đến tải trọng hấp phụ của vật liệu 
Hình 9. Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb2+ và 
Cu2+ đến hiệu suất hấp phụ của vật liệu 
Dựa vào hình 8,9 ta thấy khi nồng độ Pb2+ và 
Cu2+ tăng lên thì tải trọng hấp phụ tăng lên một 
cách gần như tuyến tính còn hiệu suất hấp phụ 
thì giảm. Điều này có thể giải thích: với cùng 
một lượng vật liệu hấp phụ với nồng độ loãng, 
các ion kim loại chuyển động tự do, có khả 
năng hấp phụ tốt. Ở nồng độ cao, có sự va 
chạm, cản trở chuyển động lẫn nhau, hạn chế 
khả năng hấp phụ 
Hình 10. PT Langmuir đối với Cu 
Hình 11. PT Langmuir đối với Pb 
Dựa vào phương trình đẳng nhiệt: y = 0,0611x 
+ 0,4311 với R2 = 0,9514 ta tính được dung 
lượng hấp phụ Cu2+ cực đại đại Qmax = 
1/0,0611 = 16,37 mgCu/g 
(Xem tiếp Tr. 170) 
163