Luận văn Thạc sĩ Khoa học hoá học: Nghiên cứu khả năng hấp phụ metyl da cam, metylen xanh của các vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm khảo sát được khả năng giải hấp VLHP bằng dung dịch NaOH ở các nồng độ 0,1M ; 0,15M ; 0,2M. Kết quả cho thấy ở nồng độ càng cao khả năng giải hấp càng tốt. Nghiên cứu việc tái sử dụng VLHP chế tạo được từ bã mía cho thấy VLHP tái sinh lần một vẫn còn có khả năng hấp phụ tốt. Mời các bạn cùng tham khảo!

TỔNG QUAN

Nước thải dệt nhuộm

Ngành công nghiệp dệt nhuộm đã giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân suốt nhiều thập kỷ qua Hiện nay, lĩnh vực này bao gồm các doanh nghiệp nhà nước, doanh nghiệp tư nhân, dự án liên doanh, và các nhà máy có vốn đầu tư 100% nước ngoài, cùng với nhiều tổ hợp tư nhân lớn nhỏ đang hoạt động trong sản xuất sợi, dệt và nhuộm Mục tiêu của ngành là đạt sản lượng hơn hai tỷ mét vải vào năm tới.

Năm 2011, ngành công nghiệp dệt nhuộm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ, nhưng chỉ một số ít nhà máy lớn có hệ thống xử lý nước thải, trong khi phần lớn vẫn xả thải trực tiếp ra môi trường Nước thải dệt nhuộm thường có độ pH từ 9-11, với chỉ số BOD và COD cao, gây nguy hại cho hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng Hàm lượng chất độc hại như xyanua và H2S vượt gấp nhiều lần tiêu chuẩn cho phép, dẫn đến ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước bề mặt trong khu vực dân cư Do đó, ô nhiễm nguồn nước là vấn đề chính của ngành dệt nhuộm.

Thuốc nhuộm là các hợp chất hữu cơ có màu sắc, có khả năng hấp thụ một phần của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và gắn kết vào vật liệu dệt dưới những điều kiện nhất định Tính gắn màu của thuốc nhuộm đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra màu sắc bền vững cho sản phẩm dệt.

Thuốc nhuộm có thể được chia thành hai loại chính: nguồn gốc thiên nhiên và tổng hợp Hiện nay, thuốc nhuộm tổng hợp đang chiếm ưu thế trong việc sử dụng của con người Đặc điểm nổi bật của loại thuốc nhuộm này là tính ổn định và khả năng tạo màu sắc đa dạng cho sản phẩm.

Các loại thuốc nhuộm có độ bền màu và tính chất không bị phân hủy, điều này phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của chúng Cấu trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu Nhóm mang màu chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử π không cố định như C=C, C=N, N=N, và NO2 Trong khi đó, nhóm trợ màu như -NH2, -COOH, -SO3H, và -OH có vai trò quan trọng trong việc tăng cường màu sắc của nhóm mang màu thông qua việc dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử.

Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hoá học, màu sắc, phạm vi sử dụng Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất:

1.Phân loại theo cấu trúc hoá học gồm có: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm antraquinon, thuốc nhuộm triarylmetan, thuốc nhuộm phtaloxiamin [13]

Có nhiều loại thuốc nhuộm được phân loại theo đặc tính áp dụng, bao gồm: thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lưu hoá, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ cation, thuốc nhuộm axit và thuốc nhuộm hoạt tính.

1.1.2 Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm

Quá trình xử lý hóa học vật liệu trong ngành dệt gồm hai giai đoạn chính: xử lý ướt và xử lý khô Xử lý ướt bao gồm các công đoạn như xử lý trước, tẩy trắng, làm bóng nhuộm và in hoa, tiêu tốn từ 50 đến 300 lít nước cho mỗi kg hàng dệt, tùy thuộc vào loại vật liệu và thiết bị sử dụng Đáng chú ý, khoảng 88,4% lượng nước này sẽ bị thải ra ngoài, trong khi chỉ 11,6% bay hơi trong quá trình gia công Ô nhiễm nước thải là vấn đề chính trong ngành dệt - nhuộm, với các nguồn phát sinh nước thải chủ yếu được tóm tắt trong Bảng 1.1.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bảng 1.1 Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm [6]

Sản xuất vải sợi bông

Sản xuất vải sợi pha (tổng hợp/bông, visco)

Sản xuất vải, sợi len và pha

Giũ hồ Giũ hồ Giặt

Giặt Giặt Cacbon hóa (với len 100%)

Làm bóng Làm bóng Định hình ƣớt

Nấu – tẩy trắng Nấu – tẩy trắng Tẩy trắng (nếu yêu cầu)

In hoa In hoa In hoa

1.1.3 Giới thiệu về metyl da cam và metylen xanh

Metyl da cam, hay còn gọi là heliantin, là một loại monoazo phổ biến được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như phòng thí nghiệm, dệt may, in ấn, sản xuất giấy, công nghiệp dược phẩm và thực phẩm Chất này có khả năng xâm nhập vào cơ thể qua đường ăn uống, sau đó được chuyển hóa thành các amin thơm bởi vi sinh vật trong đường ruột, và có thể gây ra nguy cơ ung thư đường ruột.

Metyl da cam là một chất bột tinh thể màu da cam, không tan trong dung môi hữu cơ và khó tan trong nước nguội, nhưng dễ tan trong nước nóng Dung dịch này được sử dụng làm chỉ thị chuẩn độ axit - bazơ, với màu hồng trong môi trường axit và vàng da cam trong môi trường kiềm, có khoảng pH chuyển màu từ 3,1 đến 4,4.

Công thức phân tử: C14H14N3O3.S.Na

Metyl da cam là một chất hữu cơ có tính chất lưỡng tính, với hằng số axit KA = 4.10^44 Trong môi trường kiềm và trung tính, chất này xuất hiện với màu vàng đặc trưng của anion.

Trong môi trường axit, anion này kết hợp với proton (H + ) chuyển thành cation màu đỏ :

Thuốc nhuộm metylen xanh là một chất phổ biến trong kỹ thuật nhuộm, được sử dụng làm chất chỉ thị và thuốc trong y học Tuy nhiên, metylen xanh khó phân hủy khi thải ra môi trường, dẫn đến việc làm mất vẻ đẹp mỹ quan và ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình sản xuất cũng như sinh hoạt của con người.

Công thức phân tử: C16H18ClN3S.3H2O

1.1.4 Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm

Ngành công nghiệp dệt nhuộm tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ với nhiều quy mô khác nhau Tuy nhiên, quá trình sản xuất này cũng tạo ra một lượng lớn chất thải có nguy cơ ô nhiễm cao Nước thải từ dệt nhuộm thường có khối lượng lớn và chứa hỗn hợp phức tạp các hóa chất như phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chất oxi hóa và các ion kim loại nặng Đặc biệt, nước thải dệt nhuộm thường không ổn định và có tính đa dạng, gây khó khăn trong việc xử lý hiệu quả.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên cho thấy rằng, phụ thuộc vào loại vải, chỉ có 60-70% phẩm nhuộm được hấp thụ, trong khi 30-40% còn lại thường ở dạng nguyên thủy hoặc bị phân hủy Điều này dẫn đến việc nước thải có độ màu rất cao, có thể đạt mức đáng kể.

Nồng độ Pt-Co và COD trong nước thải dệt nhuộm có thể thay đổi từ 80 đến 1800 mg/l, với việc thải trực tiếp các phẩm nhuộm hoạt tính và hoàn nguyên vào môi trường Lượng phẩm nhuộm thừa lớn dẫn đến gia tăng chất hữu cơ và độ màu của nước, gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm Sự sử dụng rộng rãi các loại thuốc nhuộm không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người, gây ra các bệnh về da, hô hấp, phổi và ung thư, mà còn đe dọa hệ sinh thái thủy sinh, làm giảm khả năng sinh sống của vi sinh vật.

Giới thiệu về phương pháp hấp phụ

Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nước thải như cơ học, sinh học, hóa lý và hóa học Trong số đó, phương pháp hấp phụ đang nhận được sự chú ý đặc biệt nhờ vào những ưu điểm vượt trội Vật liệu hấp phụ có thể được chế tạo từ nguyên liệu tự nhiên và phụ phẩm nông, công nghiệp dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, không yêu cầu thiết bị phức tạp và không thải ra môi trường các tác nhân độc hại.

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn – khí, rắn – lỏng, khí – lỏng, lỏng – lỏng) Trong đó:

 Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó

 Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ

 Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ

Hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt, ngược lại với quá trình giải hấp, nơi các phần tử rời khỏi bề mặt chất hấp phụ Dựa vào bản chất lực tương tác giữa phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, người ta phân loại thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.

Hấp phụ vật lý là quá trình diễn ra nhờ lực Vander Waals giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ, tạo ra một liên kết yếu dễ bị phá vỡ Do đó, quá trình này có tính thuận nghịch cao.

Hấp phụ vật lý là quá trình không có tính chọn lọc, với nhiệt lượng giải phóng khoảng 2÷6 kcal/mol Quá trình này ít bị ảnh hưởng bởi bản chất hóa học của bề mặt, đồng thời không gây biến đổi cấu trúc của các phân tử chất hấp phụ và bị hấp phụ.

Hấp phụ hóa học xảy ra thông qua các liên kết hóa học như liên kết cộng hóa trị và lực ion, trong đó có sự trao đổi electron giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Quá trình này dẫn đến sự biến đổi đáng kể trong cấu trúc electron của các phân tử, tạo ra các liên kết hóa học mới Nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol.

Sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý thực tế chỉ mang tính tương đối, vì trong nhiều quá trình hấp phụ, cả hai loại hấp phụ này có thể xảy ra đồng thời.

Cân bằng hấp phụ là quá trình thuận nghịch trong đó các phần tử chất bị hấp phụ vẫn có khả năng di chuyển ngược lại vào pha mang Khi lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ tăng lên, tốc độ di chuyển ngược lại cũng tăng theo Cuối cùng, khi tốc độ hấp phụ và tốc độ giải hấp phụ trở nên bằng nhau, quá trình hấp phụ sẽ đạt trạng thái cân bằng.

Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất được hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng, dưới các điều kiện về nồng độ và nhiệt độ cụ thể.

Dung lượng hấp phụ bão hòa: là dung lƣợng nằm ở trạng thái cân bằng

1.2.2 Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ

1.2.2.1 Mô hình động học hấp phụ

Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ chủ yếu diễn ra trên bề mặt của chất hấp phụ, dẫn đến sự hình thành các giai đoạn kế tiếp nhau trong quá trình động học hấp phụ.

 Các chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ Đ â y l à giai đoạn khuếch tán trong dung dịch

 Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các hệ mao quản Đây là giai đoạn khuếch tán màng

 Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ Đây là giai đoạn khuếch tán trong mao quản

 Các phân tử chất bị hấp phụ đƣợc gắn vào bề mặt chất hấp phụ Đây là giai đoạn hấp phụ thực sự

Trong các giai đoạn của quá trình hấp phụ, giai đoạn có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định toàn bộ quá trình này Đối với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá trình khuếch tán thường diễn ra chậm và do đó đóng vai trò quyết định.

1.2.2.2 Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ

Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng nhất áp dụng cho hệ hấp phụ rắn - khí đƣợc nêu ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

Tên phương trình Phương trình

Bản chất của sự hấp phụ

Vật lý và hóa học

Henry v k p Vật lý và hóa học

n vk p (n > 1) Vật lý và hóa học

Trong các phương trình, v đại diện cho thể tích chất bị hấp phụ, thường được biểu diễn bằng cm³ ở điều kiện tiêu chuẩn, trong khi vₘ là đại lượng hấp phụ cực đại Ngoài ra, p là áp suất của chất bị hấp phụ ở pha khí.

: độ che phủ ; a b k k n C C, , , , , , , o : là các hằng số p o : áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở cùng nhiệt độ

Chúng tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của vật liệu lọc nước (VLHP) đối với metyl da cam và metylen xanh trong môi trường nước, áp dụng mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir.

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir là mô hình lý thuyết đầu tiên mô tả cân bằng hấp phụ Nó được xây dựng dựa trên những giả thuyết cơ bản về quá trình hấp phụ.

1 Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt của chất hấp phụ tại những trung tâm xác định

2 Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân

3 Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lƣợng hấp phụ trên các tiểu phân là nhƣ nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, được trình bày trong bảng 1.2, được phát triển cho hệ hấp phụ rắn – khí, nhưng cũng có thể áp dụng cho hấp phụ trong môi trường nước Trong trường hợp này, phương trình Langmuir có thể được biểu diễn dưới dạng: ax 1 cb m cb q bC q = = θ bC.

Trong đó: q,q m ax : dung lƣợng hấp phụ cân bằng, dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g)

: độ che phủ; b: hằng số Langmuir

C cb : nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)

Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:

+Trong vùng nồng độ nhỏ: b C cb > 1 thì qq m ax mô tả vùng hấp phụ bão hòa

Phương pháp phân tích xác định hàm lượng metyl da cam, metylen xanh

Để xác định hàm lượng metyl da cam và metylen xanh, chúng tôi áp dụng phương pháp trắc quang Trong phần này, chúng tôi chỉ nêu bật một số đặc điểm của phương pháp nhằm làm rõ các vấn đề sẽ được trình bày trong phần thực nghiệm.

Phương pháp trắc quang bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau để định lượng một chất, từ các phương pháp đơn giản như dãy chuẩn nhìn màu, chuẩn độ so sánh màu, đến cân bằng màu bằng mắt Những phương pháp này chỉ cho phép xác định nồng độ gần đúng của chất cần định lượng, phù hợp để kiểm tra ngưỡng cho phép của các chất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên, các phương pháp phân tích quang phổ như phương pháp đường chuẩn, dãy tiêu chuẩn, chuẩn độ trắc quang, cân bằng, thêm và vi sai được sử dụng tùy thuộc vào điều kiện và đối tượng phân tích cụ thể Việc chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác trong phân tích.

Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp đường chuẩn để định lƣợng metyl da cam và metylen xanh [1]

Phương pháp đường chuẩn là một kỹ thuật quan trọng trong định lượng chất, dựa trên phương trình A = kC(x)b Để xây dựng đường chuẩn, trước tiên cần pha chế một dãy dung dịch chuẩn với nồng độ chất hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng nồng độ tuyến tính (b = 1) Sau đó, tiến hành đo độ hấp thụ quang A của các dung dịch này Cuối cùng, từ các giá trị A đo được, chúng ta sẽ dựng đồ thị A = f(C), được gọi là đường chuẩn.

Sau khi thiết lập đường chuẩn, tiến hành pha chế các dung dịch cần xác định trong điều kiện tương tự Tiến hành đo độ hấp thụ quang A của các dung dịch này với cùng điều kiện như khi xây dựng đường chuẩn, thu được các giá trị A x Bằng cách áp dụng các giá trị A x vào đường chuẩn, ta có thể xác định được các nồng độ tương ứng.

Giới thiệu về VLHP bã mía

Mía là cây trồng có khả năng tạo ra sinh khối lớn, với 1 hecta có thể cho từ 70-100 tấn mía chỉ trong chưa đầy 1 năm Việt Nam có khí hậu nhiệt đới thuận lợi cho ngành mía đường phát triển Trong niên vụ 2006 - 2007, diện tích mía cả nước đạt 310,067 ha, với sản lượng thu hoạch khoảng 17 triệu tấn Theo quy hoạch phát triển, đến năm 2011, sản lượng đường sản xuất trong cả nước phấn đấu đạt 1,5 triệu tấn.

Tại hội nghị tổng kết sản xuất mía đường gần đây ở Hà Nội, Hiệp hội Mía đường Việt Nam thông báo rằng niên vụ 2009/2010, diện tích mía nguyên liệu cả nước dự kiến đạt khoảng 290.000 ha, tăng 19.400 ha so với vụ trước Trong đó, diện tích vùng mía nguyên liệu tập trung của các nhà máy là 221.816 ha, với năng suất bình quân đạt 55 tấn/ha và tổng sản lượng ước tính đạt 16 triệu tấn.

Theo các nhà khoa học, việc chế biến 10 triệu tấn mía để sản xuất đường tạo ra 2,5 triệu tấn bã mía, trong đó 80% được sử dụng để đốt lò hơi trong các nhà máy đường, dẫn đến việc thải ra 50.000 tấn tro Mặc dù bã mía là phế thải, nhưng nó chứa nhiều chất hữu cơ, gây ô nhiễm môi trường và ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng.

Bã mía có thể được sử dụng để sản xuất bột giấy và ép thành ván trong kiến trúc Ngoài ra, nó còn là nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất Furfural, phục vụ cho ngành sợi tổng hợp Khi nguồn nguyên liệu từ rừng ngày càng giảm, mía sẽ trở thành một giải pháp thay thế hiệu quả cho ngành công nghiệp này.

Bã mía chiếm 25-30% trọng lƣợng mía đem ép Trong bã mía chứa trung bình 49% là nước, 48% là xơ (trong đó chứa 45-55% xenlulozơ) 2,5% là chất hoà tan (đường) [11]

Hàm lượng các thành phần hóa học trong bã mía có thể thay đổi tùy thuộc vào loại mía và đặc điểm vùng trồng Dưới đây là bảng thống kê phần trăm các thành phần hóa học chính có trong bã mía.

Bảng 1.3 Thành phần hoá học của bã mía [13]

Chất hoà tan khác (tro, sáp,protein ) 5 ÷ 3

Xenlulozơ: xenlulozơ là polisaccarit do các mắt xích - glucozơ [C6 H7O 2(OH 3)]n nối với nhau bằng liên kết 1,4-glicozit Phân tử khối của xenlulozơ rất lớn, khoảng từ 10000- 15000u

Hemixenlulozơ là một loại polisaccarit tương tự như xenlulozơ, nhưng có số lượng mắt xích nhiều hơn Nó bao gồm nhiều loại mắt xích khác nhau và chứa các nhóm thế axetyl và metyl.

Lignin: là loại polime đƣợc tạo ra bởi các mắt xích phenylpropan Lignin giữ vai trò là chất kết nối giữa xenlulozơ và hemixenlulozơ [13].

Một số hướng nghiên cứu sử dụng bã mía làm VLHP xử lý môi trường

Bã mía, với thành phần chủ yếu là xenlulozơ và hemixenlulozơ, có khả năng được biến tính để trở thành vật liệu hấp phụ hiệu quả Nhiều nhà khoa học trên thế giới, đặc biệt là ở Brazil, Ấn Độ và Malaysia, đã nghiên cứu ứng dụng bã mía trong việc xử lý môi trường như một giải pháp hấp phụ.

Các nhà nghiên cứu tại Brazil đã phát triển vật liệu hấp phụ từ bã mía thông qua xử lý với anhydrit succinic, nhằm hấp phụ các ion Cu²⁺, Cd²⁺ và Pb²⁺ trong dung dịch nước Dung lượng hấp phụ tối đa đạt được lần lượt cho Cu²⁺, Cd²⁺ và Pb²⁺ là 62 mg/g, 106 mg/g và 122 mg/g.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Putra, Malaysia, đã phát triển một quy trình xử lý bã mía thành vật liệu hấp phụ (VLHP) nhằm tách loại màu trong dung dịch keo Phương pháp này cho thấy hiệu quả cao trong việc loại bỏ màu trong nước thải, với ưu điểm nổi bật là không để lại cặn và có khả năng loại bỏ hoàn toàn màu ngay cả trong dung dịch loãng.

Nhóm nghiên cứu tại Viện Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ Ấn Độ đã phát triển vật liệu hấp phụ (VLHP) từ bã mía thông qua quá trình xử lý bằng axit xitric để loại bỏ Cr(VI) trong dung dịch nước Kết quả nghiên cứu cho thấy bã mía sau khi xử lý có khả năng hấp thụ gần như hoàn toàn Cr(VI) với hiệu suất hấp phụ đạt 98% ở pH 2, tốc độ lắc 50 vòng/phút và nồng độ 2000ppm.

Nước ta đã thực hiện nhiều nghiên cứu về việc sử dụng bã mía làm vật liệu hấp phụ, đặc biệt trong khả năng hấp phụ các kim loại nặng như Cr(VI), Ni2+, Pb2+ và Cu2+.

Nghiên cứu cho thấy vật liệu chế tạo từ bã mía xử lý bằng anhydrit succinic có khả năng hấp phụ Mn 2+ và các ion kim loại nặng với dung lượng hấp phụ cực đại lần lượt là 49,75 mg/g đối với Cr (VI), 65,36 mg/g đối với Ni 2+, 60,61 mg/g đối với Pb 2+, 54,35 mg/g đối với Cu 2+ và 88,50 mg/g đối với Mn 2+.

Các tác giả [15] đã tiến hành nghiên cứu và so sánh khả năng tách loại các thuốc nhuộm axit trong dung dịch nước bằng các vật liệu hấp phụ (VLHP) được chế tạo từ than bã mía, vỏ lạc, than lá chè, bèo tây và tro trấu Kết quả cho thấy tất cả các VLHP này đều có khả năng hấp phụ các thuốc nhuộm axit với hiệu suất cao.

Metyl da cam và metylen xanh có thể được sử dụng cùng với các vật liệu hữu cơ từ phụ phẩm nông nghiệp và công nghiệp có thành phần hóa học tương tự như bã mía để tách loại khỏi nước.

Một nhóm các nhà hóa học từ Đài Loan đã thành công trong việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP) từ vỏ cam và vỏ chuối, có khả năng hấp phụ hiệu quả các loại phẩm nhuộm như metyl da cam, metylen xanh, metyl tím và công gô đỏ.

Trường Đại học Bách khoa và Viện Công nghệ hóa học đã nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ tính dạng sợi có cấu trúc lỗ xốp từ sợi cây dứa bà bằng phương pháp kết hợp hoạt hóa và từ hóa Sợi dứa bà được hoạt hóa với muối sắt trong axit nitric ở nhiệt độ cao và thử nghiệm khả năng hấp thụ các chất hữu cơ trong dung dịch nước Kết quả cho thấy than hoạt tính từ tính dạng sợi có khả năng hấp phụ metyl da cam và phenol cao hơn so với than hoạt tính gáo dừa thương phẩm Đặc biệt, tính từ cao của than hoạt tính này cho phép tách khỏi dung dịch một cách dễ dàng bằng hệ lọc từ, mở ra triển vọng cải tiến công nghệ xử lý nước bằng vật liệu hấp thụ có từ tính.

Trung tâm trắc quang và kỹ thuật tài nguyên môi trường An Giang đã chứng minh rằng tro trấu từ lò đốt gạch thủ công có khả năng hấp phụ metyl da cam hiệu quả Cụ thể, 200mg tro trấu đã được hoạt hóa với 10% HF có thể loại bỏ 99% metyl da cam từ 50ml dung dịch (10mg/l) chỉ trong 30 phút, ở pH = 5 Ngoài ra, hệ tác chất H2O2/OMS-2 cũng có thể được sử dụng để hấp phụ metyl da cam, với hiệu suất xử lý đạt 83-84% sau 60 phút.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng vật liệu hấp phụ là bã mía được xử lý bằng fomanđêhit và axit sunfuric để hấp phụ metyl da cam và metylen xanh trong dung dịch nước.

THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ

2.1 Thiết bị, dụng cụ, hóa chất

2.1.1 Thiết bị và dụng cụ

- Máy quang phổ hấp thụ phân tử UV mini 1240 (Shimadzu–Nhật Bản)

- Máy đo pH Preccisa 600 (Thụy Sỹ)

- Máy khuấy IKA Labortechnik (Đức)

- Phễu lọc hút chân không

- Cân điện tử 4 số Fricisa XT 120A – Switland

- Tủ sấy Jero Tech(Hàn Quốc)

- Pipet, cốc , bình định mức, rây …

- Axit sufuric đặc, dung dịch NaHCO3 1%

- Dung dịch metylen xanh nồng độ 300mg/l

- Dung dịch metyl da cam nồng độ 500mg/l

- Cồn 60 0 , dung dịch NaOH 0,01M ; 0,15M; 0,2M ; dung dịch HCl 0,01M

2.2 Chế tạo các VLHP từ bã mía

Bã mía sau khi được rửa sạch sẽ được cắt nhỏ và cho vào nước cất đun sôi trong 30 phút để loại bỏ đường hòa tan còn lại Sau đó, bã mía sẽ được sấy khô ở nhiệt độ 80 độ C trong 24 giờ.

Bã mía khô đƣợc nghiền thành bột mịn (nguyên liệu đầu) [9]

2.2.2 Chế tạo các vật liệu hấp phụ a.VLHP 1: Cân một lƣợng xác định nguyên liệu rồi trộn với dung dịch fomanđehit 1% theo tỉ lệ 1: 5 (nguyên liệu: fomanđehit; khối lƣợng (mg) : thể tích (ml)), sau đó đem sấy ở 50 o C trong 4 giờ Lọc thu lấy nguyên liệu, rửa sạch bằng nước cất hai lần để loại bỏ fomanđêhit dư và sấy ở 80 o C cho đến khô thu đƣợc VLHP 1[9] b.VLHP 2: Cân một lƣợng xác định nguyên liệu, trộn đều với H2SO4 đặc theo tỉ lệ 1:1 (nguyên liệu : axit sunfuric; khối lƣợng (mg) : thể tích (ml)), sau đó đem sấy ở 150 o C trong 24 giờ Nguyên liệu sau khi sấy đƣợc rửa sạch bằng nước cất hai lần và ngâm trong dung dịch NaHCO3 1% trong

24 giờ để loại bỏ axit dƣ và tạo độ xốp Lọc lấy bã rắn và tiếp tục sấy ở

150 o C cho đến khô rồi đem nghiền nhỏ thu đƣợc VLHP 2 (dạng than)

Nguyên liệu đầu, VLHP 1 và VLHP 2 được rây lấy các kích thước khác nhau từ ≤0,02mm; 0,03÷0,05mm; 0,06÷0,1mm [9]

2.3 Định lƣợng metyl da cam và metylen xanh

2.3.1 Định lƣợng metyl da cam

Để xác định nồng độ metyl da cam, bắt đầu từ dung dịch metyl da cam có nồng độ 500 mg/l, tiến hành pha loãng để tạo ra các dung dịch có nồng độ lần lượt là 10, 20, 30, 40 và 50 mg/l Đồng thời, cần chuẩn bị mẫu trắng không chứa metyl da cam để so sánh.

Sử dụng dung dịch NaOH 0,01M và HCl 0,01M để điều chỉnh pH của các dung dịch đến mức 1,5 Tiến hành đo độ hấp thụ quang (A) tại bước sóng λE6,5nm bằng cuvet 1cm Dựa trên số liệu thực nghiệm, xây dựng đường chuẩn để xác định nồng độ metyl da cam.

Bảng 2.1 Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metyl da cam

Hình 2.1 Đường chuẩn xác định nồng độ metyl da cam

Từ dung dịch gốc của metylen xanh có nồng độ 300 mg/l chuẩn bị các dung dịch có nồng độ nhƣ sau: 0,24; 0,30; 0,36; 0,42; 0,48 mg/l

Chuẩn bị một mẫu trắng không chứa metylen xanh và đo độ hấp thụ quang (Abs) của từng dung dịch bằng máy UV mini 1240 (Shimadzu - Nhật Bản) tại bước sóng 664 nm với cuvet 1 cm Từ đó, xây dựng đường chuẩn để xác định nồng độ metylen xanh, với kết quả được trình bày trong bảng 2.2 và hình 2.2.

Bảng 2.2 Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh

Hình 2.2 Đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh

2.4 Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và các VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh

2.4.1 Khảo sát khả năng hấp phụ metyl da cam của nguyên liệu và các VLHP

Cân 0,4g của từng loại nguyên liệu VLHP1 và VLHP2 vào ba bình tam giác có dung tích 100ml Sau đó, thêm vào mỗi bình 100ml dung dịch metyl da cam với nồng độ 247,89mg/l, giá trị này được xác định theo đường chuẩn sau khi pha chế.

Tiến hành lắc trong máy lắc với thời gian 120 phút ( thời gian lắc là thời gian hấp phụ), ở nhiệt độ phòng (25±1 0 C) Lọc thu lấy phần dung dịch

Tính dung lƣợng hấp phụ cực đại q (mg/g) và hiệu suất hấp phụ H (%) của VLHP và nguyên liệu đối với metyl da cam theo công thức: q = (C 0 C cb ).V m

C0 , Ccb là nồng độ metyl da cam ban đầu và sau khi hấp phụ tương ứng (mg/l)

V: thể tích của dung dịch metyl da cam (ml) m : lƣợng VLHP (g)

Các kết quả đƣợc chỉ ra trong bảng 2.3

Bảng 2.3 Các thông số hấp phụ metyl da cam của nguyên liệu và VLHP

Kết quả nghiên cứu cho thấy cả nguyên liệu và vật liệu hữu cơ phân hủy (VLHP) đều có khả năng hấp phụ metyl da cam Tuy nhiên, khi so sánh hiệu suất và dung lượng hấp phụ, VLHP thể hiện khả năng hấp phụ vượt trội hơn nguyên liệu Cụ thể, hiệu suất và dung lượng hấp phụ của VLHP1 cao gấp gần 2 lần so với nguyên liệu, trong khi VLHP2 cao gấp gần 3 lần.

2.4.2 Khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh của nguyên liệu và các VLHP

Cân riêng rẽ 0,4g mỗi loại nguyên liệu VLHP1 và VLHP2 vào ba bình tam giác có dung tích 100ml Sau đó, thêm vào mỗi bình 100ml dung dịch metylen xanh với nồng độ 99,23mg/l, giá trị này được xác định theo đường chuẩn sau khi pha.

Tiến hành lắc trong máy lắc trong 120 phút ở nhiệt độ phòng (25±1°C) và pH 7, sau đó lọc thu phần dung dịch Tính toán dung lượng hấp phụ cực đại q (mg/g) và hiệu suất hấp phụ H (%) của các vật liệu hấp phụ (VLHP) và nguyên liệu đối với metylen xanh theo công thức 2.1 và 2.2 Kết quả được trình bày trong bảng 2.4.

Bảng 2.4 Các thông số hấp phụ metylen xanh của nguyên liệu và VLHP

Kết quả từ bảng 2.4 cho thấy nguyên liệu và hai loại vật liệu hữu cơ đã qua xử lý (VLHP) đều có khả năng hấp phụ metylen xanh Tuy nhiên, khả năng hấp phụ của hai loại VLHP vượt trội hơn so với nguyên liệu, với hiệu suất và dung lượng hấp phụ của VLHP 2 cao hơn VLHP 1 Đặc biệt, hiệu suất hấp phụ của VLHP 2 cao gần gấp 3 lần so với nguyên liệu.

2.5 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của các VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh

2.5.1.1 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ metyl da cam của các VLHP

Lấy các bình tam giác dung tích 100mg/l có đánh số thứ tự, mỗi bình chứa 0,4g các VLHP và 100ml dung dịch metyl da cam nồng độ 247,89mg/l

Sử dụng dung dịch NaOH 0,01M và HCl 0,01M để điều chỉnh pH của các dung dịch đến các giá trị 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0 Quá trình này được thực hiện bằng cách lắc trong máy lắc trong 120 phút ở nhiệt độ phòng.

Ở nhiệt độ 25±1 °C, tiến hành lọc bỏ bã rắn và xác định nồng độ metyl da cam còn lại trong mỗi dung dịch sau quá trình hấp phụ Sau đó, tính toán dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ của các vật liệu hấp phụ (VLHP) đối với metyl da cam theo công thức (2.1) và (2.2) Kết quả được trình bày chi tiết trong bảng 2.5 và hình 2.3.

Bảng 2.5 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ của các VLHP đối với metyl da cam

VLHP1 VLHP2 pH C0(mg/l) Ccb(mg/l) H% q(mg/g) C0(mg/l) Ccb(mg/l) H% q(mg/g) 1,0 247,89 19,36 88,19 57,13 247,89 5,78 97,67 60,53 1,5 247,89 19,61 82,09 57,07 247,89 9,05 96,35 59,71 2,0 247,89 29,46 80,12 54,61 247,89 23,18 93,65 56,18 2,5 247,89 49,64 77,94 49,56 247,89 33,46 90,50 53,61 3,0 247,89 79,38 61,89 42,13 247,89 50,92 82,46 49,24 4,0 247,89 102,30 58,73 36,40 247,89 50,36 79,68 48,03 5,0 247,89 113,80 54,09 33,52 247,89 55,59 77,58 47,46 6,0 247,89 118,24 51,32 32,41 247,89 52,89 77,08 47,28 7,0 247,89 122,67 47,28 31,31 247,89 52,38 76,82 46,52 8,0 247,89 128,60 45,18 29,82 247,89 52,23 76,04 46,01

Hình 2.3 Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào pH đối với metyl da cam Nhận xét:

Kết quả từ bảng 2.5 cho thấy rằng hiệu suất hấp phụ của VLHP giảm khi pH tăng, nhưng mức giảm không đáng kể Ở pH từ 1,5 đến 2,5, hiệu suất hấp phụ của VLHP tương đối ổn định, trong khi từ pH 3.0 trở lên, hiệu suất giảm chậm Do đó, chúng tôi chọn pH 1,5 cho các thí nghiệm tiếp theo Điều này cho thấy môi trường kiềm không thuận lợi cho quá trình hấp phụ metyl da cam lên bề mặt VLHP, do sự cạnh tranh hấp phụ giữa gốc OH⁻ và metyl da cam trên các tâm hoạt động Hơn nữa, kích thước cồng kềnh của metyl da cam so với gốc OH⁻ làm giảm hiệu quả hấp phụ trong môi trường có nhiều gốc OH⁻ Vì vậy, pH cao không thích hợp cho việc hấp phụ trong điều kiện thực tế.

2.5.1.2 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ metylen xanh của các VLHP

Lấy các bình tam giác dung tích 100mg/l có đánh số thứ tự, mỗi bình chứa 0,4g các VLHP và 100ml dung dịch metylen xanh nồng độ 99,23mg/l

Sử dụng dung dịch NaOH 0,01M và HCl 0,01M để điều chỉnh pH của các dung dịch đến các giá trị 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Quá trình lắc được thực hiện trong 120 phút ở nhiệt độ phòng (25±1 0 C) Sau đó, lọc bỏ bã rắn và xác định nồng độ metylen xanh còn lại trong mỗi dung dịch sau hấp phụ Tính toán dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ của các vật liệu hấp phụ đối với metylen xanh theo công thức (2.1) và (2.2) Kết quả được trình bày trong bảng 2.6 và hình 2.4.

Bảng 2.6 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ của các VLHP đối với metylen xanh pH

Hình 2.4 Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào pH đối với metylen xanh

Kết quả từ bảng 2.6 và hình 2.4 cho thấy rằng khi pH tăng, hiệu suất hấp phụ của VLHP 1 và VLHP 2 đều gia tăng Trong khoảng pH từ 2 đến 7, hiệu suất hấp phụ của VLHP 1 tăng nhanh chóng, trong khi VLHP 2 chỉ tăng không đáng kể Ở pH từ 7 đến 9, hiệu suất hấp phụ của cả hai loại VLHP duy trì ổn định Vì vậy, chúng tôi đã chọn pH 7 cho các thí nghiệm tiếp theo.

2.5.2 Ảnh hưởng của thời gian

2.5.2.1 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ metyl da cam của các VLHP

Tiêu đề	Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ Metyl Da Cam, Metylen Xanh Của Các Vật Liệu Hấp Phụ Chế Tạo Từ Bã Mía
Tác giả	Ngô Thị Lan Anh
Người hướng dẫn	PGS.TS. Lê Hữu Thiềng
Trường học	Đại học Thái Nguyên
Chuyên ngành	Khoa học hóa học
Thể loại	luận văn
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Thái Nguyên

Định dạng
Số trang	74
Dung lượng	731,76 KB