Nghiên cứu phân hủy chất rhodamine b sử dụng kỹ thuật plasma jet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Trần Hồng Quân NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY CHẤT RHODAMINE B SỬ DỤNG KỸ THUẬT PLASMA JET Chuyên ngàn

NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY CHẤT RHODAMINE B

SỬ DỤNG KỸ THUẬT PLASMA JET

BỘ GIÁO DỤC

VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Trần Hồng Quân

NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY CHẤT RHODAMINE B

SỬ DỤNG KỸ THUẬT PLASMA JET

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số: 8440104

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ CHẤT RẮN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS ĐÀO NGUYÊN THUẬN

Hà Nội - 2021

nghiên cứu của tôi dựa trên những tài liệu, số liệu do chính tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS Đào Nguyên Thuận Chính vì vậy, các kết quả nghiên cứu đảm bảo trung thực và khách quan nhất Đồng thời, kết quả này chưa từng xuất hiện trong bất cứ một nghiên cứu nào Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực nếu sai tôi hoàn chịu trách nhiệm

Tác giả

Trần Hồng Quân

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Học viện Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện và hỗ trợ các công việc hành chính để tôi có thể hoàn thành các thủ tục và bảo vệ đúng thời hạn

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn TS Đào Nguyên Thuận - Trưởng phòng Công nghệ Plasma, Viện Khoa học Vật liệu đã tận tình hướng dẫn, giải đáp các thắc mắc, tạo điều kiện cho tôi học tập

và nghiên cứu để hoàn thành luận văn thạc sĩ Không chỉ là kiến thức, thầy đã chia sẻ những kỹ năng, kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu nói riêng và cuộc sống nói chung bằng những gì tâm huyết nhất

Tôi xin cảm ơn NCS Lê Thị Quỳnh Xuân, phòng Công nghệ Plasma, Viện Khoa học Vật liệu, luôn nhiệt tình giúp đỡ, chỉ bảo tôi trong thời gian tôi hoàn thành luận văn này ở phòng Công nghệ Plasma, Viện Khoa học Vật liệu

Cuối cùng là những người quan trọng nhất và không thế thiếu, cho tôi được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến cha mẹ, anh em trong gia đình, là nguồn động lực to lớn giúp tôi vượt qua khó khăn, luôn theo dõi, ủng hộ và giúp đỡ tôi vượt qua những trở ngại trên con đường học tập

Tôi rất mong nhận được những những ý kiến góp ý, bổ sung của các thầy

cô, bạn bè để tôi có thể hoàn thiện luận văn một cách trọn vẹn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 11 năm 2021 Học viên

Trần Hồng Quân

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

MỞ ĐẦU 5

1 Lý do lựa chọn đề tài 5

2 Mục tiêu của đề tài 5

3 Cấu trúc của luận văn 6

Chương 1 TỔNG QUAN 7

1.1 Giới thiệu về công nghệ plasma 7

1.1.1 Tổng quan về công nghệ plasma 7

1.1.2 Ứng dụng của công nghệ plasma 9

1.1.3 Tình hình nghiên cứu plasma lạnh 9

1.2 Chất màu Rhodamine B 10

1.2.1 Tổng quan về Rhodamine 10

1.2.3 Ứng dụng của Rhodamine B 11

1.2.4 Độc tính của thuốc nhuộm Rhodamine B 12

1.3 Các phương pháp xử lý Rhodamine B 12

1.4 Các phương pháp đo đặc trưng 14

1.4.1 Phổ hấp thụ UV-Vis 14

1.4.2 Phương pháp đo nồng độ H2O2 17

1.4.3 Phương pháp đo độ pH 18

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1 Hóa chất 19

2.2 Thiết lập hệ plasma phân hủy chất màu Rhodamine B 19

2.2.1 Hệ plasma jet 19

2.2.2 Bố trí thí nghiệm plasma trong quá trình phân hủy Rhodamine B 19 2.3 Quy trình tiến hành thí nghiệm 20

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21

3.1 Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc nồng độ Rhodamine B vào phổ hấp thụ 21

3.2 Phân hủy Rhodamine B bằng plasma jet 21

3.3 Cơ chế của quá trình phân hủy Rhodamine B bằng tia plasma 24

3.3.1 Gốc hydroxyl (• OH) là chất oxy hóa quan trọng 24

3.3.2 Ảnh hưởng của hydro peroxit (H2O2) trong quá trình xử lý plasma 25 3.4 Sự phu thuộc tốc độ phân hủy Rhodamine B vào các thông số hệ plasma jet 27

3.4.1 Công suất nguồn phát và tốc độ dòng khí 27

3.4.2 Khoảng cách từ ống kim loại tới bề mặt dung dịch 28

3.5 Tìm phương pháp tăng tốc độ xử lý Rhodamine B 30

3.5.1 Thí nghiệm sử dụng khí Ni-tơ (N2) thay thế khí argon (Ar) 30

3.5.2 Thí nghiệm sử dụng ống thạch anh đục lỗ 32

3.5.3 Thí nghiệm sử dụng kết hợp khí argon và khí oxy 34

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37

KẾT LUẬN 37

KIẾN NGHỊ 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hình ảnh 4 trạng thái cơ bản của vật chất và hình ảnh của trạng thái

plasma 7

Hình 1.2 Hình ảnh Mặt Trời 8

Hình 1.3.Các tính chất của plasma lạnh và các ứng dụng của nó [2] 8

Hình 1.4 Cấu tạo chung của họ Triphenylmethane và cấu tạo của Rhodamine B 10

Hình 1.5 (A) Mẫu bột Rhodamine B và (B) dung dịch Rhodamine B 11

Hình 1.6 Sơ đồ hoạt động của hệ đo phổ hấp thụ UV-Vis [31] 14

Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo thiết kế chùm đơn và chùm đôi [30] 15

Hình 1.8 Hệ đo phổ UV-Vis ghép nối với máy tính 17

Hình 1.9 Máy đo pH cầm tay AD11 18

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thí nghiệm 20

Hình 3.1 (A) Phổ hấp thụ của các dung dịch Rhodamine B có nồng độ khác nhau, (B) Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của đỉnh phổ hấp thụ (554 nm) vào nồng độ Rhodamine B trong dung dịch 21

Hình 3.2 Hình ảnh 10 ml dung dịch Rhodamine B (50mg/l) (A) trước khi xử lý với plasma và (B) sau khi xử lý với plasma 24 phút (C) Phổ hấp thụ của Rhodamine B (0 phút, đường màu đen) trước và (24 phút, đường cong màu đỏ) sau khi xử lý với plasma Phần trong là cấu trúc hóa học của Rhodamine B 22 Hình 3.3 (A) Sự phụ thuộc phổ hấp thụ của Rhodamine B ở bước sóng 554 nm vào thời gian xử lý plasma (B) Tỉ lệ phần trăm thuốc nhuộm còn lại (chấm đen) là hàm của thời gian xử lý plasma và độ phù hợp (đường cong màu đỏ) theo động học phản ứng bậc một 22

Hình 3.4 (A) Nồng độ hydro peroxit (H2O2) được phát hiện bằng 2 phương pháp khác nhau sau một vài thời gian xử lý plasma (B) Đồ thị phần trăm của thuốc nhuộm còn lại là hàm của thời gian xử lý plasma ở 3 nồng độ H2O2 ban đầu khác nhau 25

Hình 3.5 So sánh tỷ lệ xử lý Rhodamine B với các công suất nguồn phát plasma khác nhau:1,3 W, 1 W và 0,7 W 27

Hình 3.6 So sánh tỷ lệ xử lý Rhodamine B với tốc độ dòng khí khác nhau:4 l/min và 8 l/min 28

Hình 3.7 Cách bố trí kim phát plasma và cốc dung dịch trong trường hợp (A) đầu phát plasma jet ngập trong dung dịch chất màu Rhodamine B; (B) đầu phát plasma jet cách bề mặt dung dịch 5 mm 29

Hình 3.8 So sánh tốc độ xử lý Rhodamine B ở hai trường hợp: (A) đầu phát plasma jet ngập trong dung dịch chất màu Rhodamine B; (B) đầu phát plasma jet cách bề mặt dung dịch 5 mm 29

Hình 3.9 So sánh (A) độ pH khi sử dụng hai loại khí dẫn Ar và N2 và (B) tỉ lệ Rhodamine B còn lại trong dung dịch trong hai thí nghiệm sử dụng hai loại khí dẫn Ar và N2 31 Hình 3.10 Cách bố trí kim phát plasma và cốc dung dịch trong trường hợp (A) đầu phát plasma nguyên vẹn; (B) đầu phát plasma jet bị đục một lỗ 32 Hình 3.11 Cơ chế hoạt động của ống thạch anh 33 Hình 3.12 So sánh tốc độ xử lý Rhodamine B ở hai trường hợp: (A) đầu phát plasma nguyên vẹn; (B) đầu phát plasma jet bị đục một lỗ 33 Hình 3.13 Đồ thị so sánh độ pH ở hai trường hợp: (A) đầu phát plasma nguyên vẹn; (B) đầu phát plasma jet bị đục một lỗ 34 Hình 3.14 Sơ đồ bố trí thí nghiệm trong thí nghiệm kết hợp khí argon và oxy 35 Hình 3.15 So sánh tỷ lệ xử lý Rhodamine B trong hai trường hợp chỉ sử dụng bình oxy và trường hợp kết hợp khí argon và oxy 35

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Hiện nay, Rhodamine B được biết đến là một chất màu được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp dệt may, lĩnh vực sinh học và thậm chí còn được sử dụng trong thực phẩm Nước thải chứa Rhodamine B dư thừa khi được

xả thải ra môi trường sẽ trực tiếp gây ảnh hưởng tới môi trường tự nhiên, các loài động vật và cả con người Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng thuốc nhuộm Rhodamine B gây ung thư ở loài người Chính bởi những tác hại mà Rhodamine

B đã gây ra nên nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam đã cấm sử dụng loại thuốc nhuộm này trong thực phẩm Nhưng ở một số nước vẫn sử dụng Rhodamine B bất hợp pháp cho nhiều loại thực phẩm như hạt dưa, ớt bột…

Có nhiều phương pháp phân hủy Rhodamine B khác nhau như: các phương pháp hóa học, phương pháp vật lý và phương pháp sinh học Trong nghiên cứu này, tôi sử dụng phương pháp plasma để xử lý Rhodamine B với mong muốn giảm thiểu tối đa các chất hóa học Đây cũng làm một phương pháp

mới trong xử lý các chất thải màu ở Việt Nam

Trên cơ sở tham khảo các tài liệu đã công bố, điều kiện phòng thí nghiệm

tại phòng Công nghệ plasma, Viện Khoa học Vật liệu, tôi lựa chọn hướng nghiên cứu là: “Nghiên cứu phân hủy chất Rhodamine B sử dụng kỹ thuật plasma jet”

2 Mục tiêu của đề tài

Các mục tiên đề tài nghiên cứu này bao gồm:

- Thiết lập hệ thiết bị plasma jet ứng dụng vào quá trình phân hủy

Rhodamine B

- Tìm hiểu cơ chế và tác nhân chính giúp phân hủy Rhodamine B bằng phương pháp plasma jet

- Tối ưu hóa các điều kiện của hệ plasma jet để đạt được hiệu quả phân

hủy Rhodamine B cao nhất

3 Cấu trúc của luận văn

Nội dung chính của luận văn này được chia thành 4 chương chính như sau:

Chương 1 Tổng quan: trình bày tổng quan về và các ứng dụng của công nghệ plasma, về chất màu Rhodamine B, các phương pháp xử lý chất màu Rhodamine B đã được sử dụng hiện nay và các phương pháp đo phổ đặc trưng

sử dụng trong nghiên cứu

Chương 2 Thực nghiệm: giới thiệu các hóa chất được sử dụng trong thí nghiệm, trình bày các bước tiến hành thí nghiệm

Chương 3 Quá trình thực hiện và kết quả: Trình bày các kết quả nghiên cứu, giải thích các kết quả nghiên cứu, từ đó đưa ra các nhận xét Đưa

ra các phương án tối ưu tăng tốc độ xử lý Rhodamine B, thực hiện thí nghiệm, nhận xét và giải thích các kết quả thu được

Chương 4 Kết luận: Đưa ra kết luận về các kết quả thu được trong nghiên cứu và nhận xét các nghiên cứu tiềm năng có thể triển khai tiếp ở phòng Công nghệ Plasma – Viện Khoa học Vật liệu về xử lý chất thải màu bằng kỹ thuật plasma jet

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về công nghệ plasma

1.1.1 Tổng quan về công nghệ plasma

Plasma là một trong bốn trạng thái cơ bản của vật chất cùng với rắn, lỏng

và khí Đây là trạng thái mà vật chất tồn tại ở dạng một hệ bao gồm các ion, electron tự do, các phân tử, nguyên tử khí và các hạt trung hòa điện Tuy trạng thái plasma chứa các hạt ion và electron tự do song đây vẫn là một hệ trung hòa

về điện (quasi-neutral) Trong đời sống hàng ngày chúng ta có thể bắt gặp trạng thái plasma xuất hiện ở những sự vật hiện tượng xung quanh chúng ta, ví dụ như mặt trời, tia sét, lửa hay trong đèn huỳnh quang, [1]

Hình 1.1 Hình ảnh 4 trạng thái cơ bản của vật chất và hình ảnh của trạng

thái plasma

Ở trạng thái plasma, vật chất mang năng lượng cao nhất trong 4 trạng thái, điều này khiến các hạt có thể dễ dàng tương tác với nhau cũng như tương tác với các hạt bên ngoài Dựa vào các đặc điểm của trạng thái plasma là nhiệt

độ và mật độ của các electron tự do, người ta đã chia plasma thành 2 loại là plasma nóng và plasma lạnh

I.1.1.1 Plasma nóng

Plasma nóng là trạng thái các hạt (nguyên tử, phân tử, ion và electron tự do) có sự cân bằng nhiệt động học ở nhiệt độ rất cao (thông thường ở nhiệt độ

lớn hơn 10000oC) và có mức ion hóa rất cao (xấp xỉ 100 %) Mặt trời là một ví

dụ trong tự nhiên về trạng thái plasma nóng

Hình 1.2 Hình ảnh Mặt Trời I.1.1.2 Plasma lạnh

Plasma lạnh là trạng thái các hạt (nguyên tử, phân tử, ion và electron tự do) không có sự cân bằng nhiệt động học và mức độ ion hóa thấp (dưới 1%) Ở

trạng thái này, nhiệt độ của các electron tự do rất lớn (cỡ 10000 K) trong khi nhiệt độ của các phân tử và ion chỉ ở nhiệt độ phòng (khoảng 300 K) Trạng thái plasma lạnh thường có các gốc tự do (hidroxyl radical) chứa các nguyên từ oxy và ni-tơ Vì điều kiện tạo ra plasma lạnh đơn giản, chi phí thấp nên loại công nghệ này đang dần được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như nông nghiệp,

y tế, vật liệu, môi trường, Hiện nay công nghệ này đang nhận được nhiều sự quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng [1]

Hình 1.3.Các tính chất của plasma lạnh và các ứng dụng của nó [2]

1.1.2 Ứng dụng của công nghệ plasma

1.1.2.1 Ứng dụng của công nghệ plasma nóng

Plasma nóng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như khí hóa chất thải [3]; công nghệ vật liệu: tinh chể, chế tạo kim loại, hợp kim, tổng hợp bột gốm

mịn, [4]; thiêu kết plasma [5, 6]; chế tạo vật liệu nano như nano từ tính, nano oxit sắt, oxit nhôm, [7]

I.1.2.2 Ứng dụng của công nghệ plasma lạnh

Hiện nay, có nhiều loại kĩ thuật ứng dụng công nghệ plasma lạnh được

sử dụng trong các lĩnh vực như trong y tế như khử khuẩn, trị liệu - xử lý vết thương, điều trị các bệnh hiểm nghèo như ung thư, [8, 9]; trong công nghệ nano như chế tạo các nano vàng, nano bạc, [9]; trong nông nghiệp để tăng khả năng nảy mầm của hạt, tạo ra loại nước tưới cây giàu dưỡng chất [10] và cả trong lĩnh vực xử lý chất thải

1.1.3 Tình hình nghiên cứu plasma lạnh

Plasma lạnh đã được phát hiện, nghiên cứu và sử dụng từ cách đây 20 năm Các nghiên cứu sử dụng plasma lạnh xử lí chất hóa học đã được công bố

có thể kể đến như dung dịch nước thuốc nhuộm azo và thuốc nhuộm hữu cơ khác đã được xử lý bằng công nghệ plasma lạnh GAD (gliding arc discharge) [11, 12], phóng điện xung lưỡng cực ba pha (three-phase bipolar pulsed discharge) [13], DBD (dielectric barrier discharge) [14], DBD xung trong cấu hình đồng trục (pulsed DBD in coaxial configuration) [15], GDE (glow discharge electrolysis) [16] và corona discharge [11] Các tác giả đã sử dụng nhiều loại khí khác nhau như oxy, không khí, argon và nitơ làm xúc tác để loại

bỏ metyl orange[17], orange II [12], methylene blue [18], direct blue 106 [19]

và blue 137 [11] đã được đánh giá với các dạng plasma lạnh khác nhau Song chưa có nghiên cứu nào kĩ thuật plasma để xử lí chất hóa học

Ở Việt Nam, công nghệ plasma lạnh mới chỉ thực sự được quan tâm và nghiên cứu từ cách đây 5 năm Nhiều nhóm nghiên cứu đã bắt đầu tìm hiểu và

ứng dụng plasma lạnh vào công nghệ y sinh [20], chế tạo nano kim loại [21], nhưng chưa có nghiên cứu nào được công bố sử dụng công nghệ plasma 1.2 Chất màu Rhodamine B

1.2.1 Tổng quan về Rhodamine

Rhodamine là một họ thuốc nhuộm thuộc nhóm thuốc nhuộm Triphenylmethane (có cấu tạo hóa học gồm 3 vòng benzen (C6H5)3CH) Họ này bao gồm 1 số chất hóa học quan trọng như Rhodamine B, Rhodamine 6G, Rhodamine 123 Các chất Rhodamine được dùng chủ yếu trong ngành công nghệ dệt, nhuộm vải và giấy, chỉ thị màu sinh học Đôi khi, các chất này còn được sử dụng trong nhuộm màu thực phẩm [22]

Các chất nhuộm thuộc nhóm Rhodamine khá độc, có thể hòa tan tốt các dung môi nước, methanol, ethanol, Sau khi hòa tan, các chất rhodamine có màu sắc tươi sáng Chính vì đặc điểm này, các chất rhodamine thường được sử

dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, điều này ảnh hưởng rất lớn tới sức

khỏe của người sử dụng

Hình 1.4 Cấu tạo chung của họ Triphenylmethane và cấu tạo của Rhodamine

B Thuốc nhuộm Rhodamine B là một loại thuốc nhuộm thuộc nhóm thuốc nhuộm azo Có cấu tạo phức tạp với cấu trúc nhiều vòng benzen

Rhodamine B là chất nhuộm màu hóa học có công thức C28H31N2O3Cl

Khối lượng mol của chất là 479.02 g/mol Rhodamine B còn được biết đến với

những tên gọi khác nhau như R.60 Tetraethyl rhodamine; D&C Red No 19; Rhodamine B chloride; C.I Basic Violet 10; C.I 45170 Khi ở dạng tinh thể, Rhodamine B tối màu, có ánh xanh, song ở dạng bột, chất này có màu tím đỏ [23]

Hình 1.5 (A) Mẫu bột Rhodamine B và (B) dung dịch Rhodamine B 1.2.3 Ứng dụng của Rhodamine B

Rhodamine B được sử dụng như một chất chỉ thị sinh học trong vaccine phòng bệnh dại cho động vật

Rhodamine B được sử dụng như một thuốc nhuộm được đưa vào trong dòng nước để xác định hướng vận chuyển và tốc độ dòng chảy, được sử dụng

rộng rãi trong các ứng dụng công nghệ sinh học như quang phổ huỳnh quang, kính hiển vi huỳnh quang hay trong flow cytometry

Ngoài ra, Rhodamine B được dùng để nhuộm màu và tạo màu trong ngành công nghiệp sợi, nhuộm màu trong phòng thí nghiệm để xét nghiệm tế bào do đặc trưng bền màu của nó Rhodamine B được dùng trong sinh học như

một loại thuốc nhuộm huỳnh quang Tận dụng các đặc tính phát quang của chúng, người ta sử dụng chúng trong việc kiểm soát liều lượng thuốc bảo vệ

thực vật được sử dụng để phun lên các loại cây trong thời gian canh tác Hoặc

chất này được trộn với chất PR 122 (Quinacridone Magenta) tạo ra màu nước

hồng tươi [23]

Loại phẩm màu này hiện vẫn đang được sử dụng trong thực phẩm (ví dụ như snack, tôm, hạt dưa, ớt bột, kẹo bông, siro, ) ở một số quốc gia, ngoài ra

nó còn được cho vào một số loại đồ uống với nồng độ 7.8 -3000 ppm Ở nước

ta, Rhodamine B đã bị cấm sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm song

vẫn bị sử dụng trái phép gây ra mối nguy hại lớn cho sức khỏe của người dân 1.2.4 Độc tính của thuốc nhuộm Rhodamine B

Rhodamine B gây độc cấp và mãn tính Qua tiếp xúc gây dị ứng hoặc làm mẩn ngứa da, mắt, Qua đường hô hấp gây ho, ngứa cổ, khó thở, đau

ngực Qua đường tiêu hóa gây nôn mửa, có hại cho gan và thận Nếu tích tụ

dần trong cơ thể gây nhiều tác hại đối với gan, thận, hệ sinh sản, hệ thần kinh cũng như gây ung thư

Thực nghiệm trên chuột bạch cho thấy Rhodamine B gây ung thư với

liều lượng 89.5 mg/kg qua đường uống hoặc tiêm vào tĩnh mạch Khi Rhodamine B đi vào cơ thể có thể chuyển hóa thành amin thơm tương ứng có

phần độc hại hơn loại thường, gây ung thư và phát triển khối u dạ dày Tiếp đó, Rhodamine B và các dẫn xuất của nó được lọc qua gan, và tại đây, chất này tiếp

tục gây ra ung thư cho đối tượng thí nghiệm Trong một vài thí nghiệm khác, người ta phát hiện ra rằng Rhodamine B có thể phá vỡ cấu trúc nhiễm sắc thể

và ADN khi đưa vào nuôi cấy trong tế bào ở môi trường phòng thí nghiệm [24] 1.3 Các phương pháp xử lý Rhodamine B

Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để xử lý chất màu Rhodamine B và nhiều chất màu khác Các phương pháp này được chia thành 3 nhóm chính đó là phương pháp sinh học, phương pháp vật lý và phương pháp hóa học

Phương pháp sinh học: Một số phương pháp sinh học để xử lý Rhodamine B là ví dụ như sử dụng vi tảo [25], sử dụng nấm Basidiomycetes [26], bùn hoạt tính (dried biomass of activated sludge) [27], Các phương pháp phân hủy sinh học có đặc điểm chung đều là phương pháp xử lý thân thiện với môi trường, không để lại chất phụ gia độc hại sau phản ứng nhưng nhược điểm

của chúng là tốc độ phân hủy chậm, thời gian phân hủy kéo dài từ vài ngày, vài

tuần cho tới vài tháng

Phương pháp hóa học: Một số phương pháp hóa học thường được sử

dụng để xử lý Rhodamine B như sử dụng TiO2 hấp phụ, sử dụng bùn đỏ [28], axit humic [29], Việc sử dụng các chất hóa học trong xử lý dung dịch chất mày Rhodamine B có ưu điểm thời gian xử lý nhanh Nhưng nhược điểm của phương pháp này là phải tính toán cẩn thận tỉ lệ hóa chất cần xử lý, tránh gây lãng phí, dư thừa hóa chất; sau khi xử lý chất màu thì rất khó để thu hồi lượng

chất hóa học đã sử dụng hoặc sản phẩm còn lại sau phân hủy, từ đó dẫn đến

khả năng gây ô nhiễm thứ cấp do trong môi trường nước có khả năng xuất hiện thêm các loại chất khác

Phương pháp vật lý: Một số phương pháp vật lý đã được sử dụng như sử

dụng kết hợp H2O2 và rung siêu âm, [22] hoặc sử dụng H2O2 kết hợp với với tia

tử ngoại [30] Việc sử dụng các phương pháp vật lý này có ưu điểm không sử

dụng các chất xúc tác tồn tại trong nước sau xử lý, tốc độ xử lý tương đối nhanh

so với các phương pháp khác, nhưng nhược điểm của phương pháp vật lý là lượng điện tiêu thụ lớn dẫn tới kinh phí cho quá trình xử lý tăng cao, rất khó để

xử lý trên một diện tích rộng địa hình hiểm trở và yêu cầu các trang thiết bị

nhất định

Trong luận văn này, tôi sử dụng kĩ thuật plasma jet để xử lý dung dịch

chất màu Rhodamine B Ưu điểm của phương pháp này là tốc độ xử lý nhanh, nhưng có những nhược điểm về xử việc xử lý trên diện rộng Trong những năm

gần đây, với sự phát triển của công nghệ plasma trong nhiều lĩnh vực khác

nhau, người ta đã sử dụng plasma để xử lý chất thải đã được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới ví dụ như dung dịch nước thuốc nhuộm azo và thuốc nhuộm

hữu cơ khác đã được xử lý bằng công nghệ plasma lạnh GAD (gliding arc discharge) [11, 12] và phóng điện xung lưỡng cực ba pha (three-phase bipolar pulsed discharge) [13], DBD [14], DBD xung trong cấu hình đồng trục (pulsed DBD in coaxial configuration) [15], GDE (glow discharge electrolysis) [16] và corona discharge [11] Các nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhiều loại khí khác nhau như oxy, không khí, argon và nitơ làm xúc tác để loại bỏ methyl orange[17], orange II [12], methylene blue [18], direct blue 106 [19] và blue

137 [11] đã được đánh giá với các dạng plasma lạnh khác nhau Song ở Việt Nam, việc sử dụng plasma lạnh để xử lý các chất màu độc hại còn khá mới, và đây là nghiên cứu đầu tiên sử dụng plasma jet để xử lý các chất màu độc hại

Trong nghiên cứu này, tôi sẽ tìm hiểu các tác nhân chính giúp phân hủy

chất màu Rhodamine B bằng hệ plasma jet, tìm ra cơ chế phân hủy Từ đó tối

ưu hóa các thông số của hệ plasma jet để đạt được hiệu quả phân hủy cao nhất

1.4 Các phương pháp đo đặc trưng

1.4.1 Phổ hấp thụ UV-Vis

1.4.1.1 Nguyên lý

Hình 1.6 Sơ đồ hoạt động của hệ đo phổ hấp thụ UV-Vis

Quang phổ UV-Vis (tử ngoại- khả kiến) bản chất giống như sóng bức xạ điện từ và sự tương tác của nó với vật chất được sử dụng rộng rãi trong các thiết

bị quang phổ phân tích để xác định, mô tả, định lượng các loại hợp chất

Khi một vật liệu được chiếu xạ bằng sóng điện từ, các hiện tượng như truyền, hấp thụ, phản xạ và tán xạ có thể xảy ra và quang phổ quan sát cho thấy

sự tương tác của bước sóng với các vật thể có kích thước rời rạc, chẳng hạn như nguyên tử, phân tử và đại phân tử

Nguyên tắc đo lường cho máy quang phổ UV-Vis tương đối đơn giản và bao gồm một nguồn sáng, một thiết bị phân tán bước sóng, mẫu và detector

Bộ khuếch đại đơn sắc: Bộ khuếch đại đơn sắc chứa gương, các khe hẹp

và lưới Ánh sáng đa sắc từ một nguồn sáng được đưa vào bộ đơn sắc thông qua khe hẹp và chuẩn trực vào một lưới nhiễu xạ được xoay để chọn bước sóng

rời rạc Ánh sáng sau đó được lấy nét lại bởi một tấm gương khác vào khe thoát

ra để có thể được điều chỉnh nhằm kiểm soát băng thông quang phổ (SBW) Ánh sáng sau đó được lấy lại bởi một loạt các gương khác và hướng đến mẫu – nơi nó được hấp thụ, phản xạ hoặc truyền qua

Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo thiết kế chùm đơn và chùm đôi [30]

Có hai loại thiết kế: chùm đơn (single beam) và chùm đôi (double beam) Trong cấu hình đơn chùm, bộ đơn sắc, mẫu và bộ tách sóng được sắp xếp nối

tiếp và ánh sáng đơn sắc thu được có cường độ I0 chiếu vào mẫu và phát hiện được ánh sáng truyền qua có cường độ I Trong đó, I/I0 là hệ số truyền Mặc dù đây là hệ thống quang học được thiết kế đơn giản, nhưng nó dễ bị ảnh hưởng

bởi sự dao động của nguồn sáng và cần có phép đo trống cho mỗi lần đo Trong

cấu hình chùm tia kép, ánh sáng đơn sắc được chia thành hai chùm bởi một bộ tách chùm cố định hoặc động, và các chùm sáng riêng lẻ đi qua một mẫu và

một tham chiếu và được phát hiện Cường độ nguồn sáng thay đổi theo thời gian nên quy chiếu chùm tia giám sát năng lượng của đèn và giải thích sự khác

biệt năng lượng từ sự dao động điện áp, độ lệch của đèn và ánh sáng đi lạc

Bằng cách chia tách đường quang học, ánh sáng tới và ánh sáng truyền qua có

thể được đo đồng thời, bù lại ảnh hưởng của dao động nguồn sáng Do đó, độ

hấp thụ đo được là tỷ số của chùm mẫu so với chùm tham chiếu

1.4.1.2 Định luật Lambert – Beer

Để xác định nồng độ dung dịch qua phép đo UV-Vis, tôi đã sử dụng định

luật Lambert – Beer Định luật Lambert – Beer còn được biết đến với một số tên gọi khác như Beer – Lambert hay Beer – Lambert – Bouguer đây là một

hiện tượng dựa trên phép đo phổ hấp thụ của các mẫu dung dịch

Định luật Lambert – Beer được cho bởi công thức:

𝐴 = 𝜀𝑙𝑐 trong đó: A là độ hấp thụ;

ε là hệ số molar extinction coefficient (M-1cm-1);

l là chiều dài đường đi của tia sáng qua mẫu (cm);

c là nồng độ của chất đó (M)

Hình 1.8 Hệ đo phổ UV-Vis ghép nối với máy tính 1.4.1.3 Bộ thí nghiệm UV-Vis

Trong thí nghiệm thực tế, tôi tiến hành đo phổ hấp thụ trên hệ UV-Vis được bố trí như hình 1.8 Phép đo độ hấp thụ UV-Vis được thực hiện bằng curvet thạch anh có chiều dài truyền qua là 10 mm và thể tích mẫu ít nhất là

300 ml Hệ đơn trục Ocean Optics bao gồm nguồn sáng DH-2000-BAL, giá đỡ cuvet và quang phổ kế USB4000 được kết nối bằng các sợi quang Thông thường, 300-500 ml dung dịch sau khi xử lý bằng plasma được nhỏ vào cuvet

thạch anh rồi đưa vào giá đỡ cuvet Chùm tia được tạo ra bởi nguồn sáng Vis, đi qua mẫu và ánh sáng truyền qua được thu thập và đưa vào máy quang

UV-phổ Phần mềm Oceanview được sử dụng để điều khiển quang phổ kế và thu

thập dữ liệu với độ trễ là 500 ms Mỗi thí nghiệm đều được thực hiện ba lần đo liên tục và lấy kết quả trung bình để đưa ra phổ hấp thụ của mẫu Sau khi có tín

hiệu thì giá trị phổ hấp thụ được biểu thị trên phần mềm Origin 8.5

1.4.2 Phương pháp đo nồng độ H2O2

Trong quá trình nghiên cứu, thí nghiệm, tôi đã sử dụng hai phương pháp

để phát hiện và đo nồng độ H2O2:

Phương pháp 1 – dựa trên phổ hấp thụ: Sử dụng phép đo phổ hấp thụ UV-Vis với việc theo dõi giá trị đỉnh phụ hấp thụ ở bước sóng 230 nm và sử

dụng định luật Lambert – Beer để tính toán nồng độ;

Phương pháp 2 – dựa trên chuẩn độ: Dùng 2 ml mẫu cho vào bình nón

chứa sẵn 20 ml nước, thêm 20 ml dung dịch acid sulfuric (H2SO4) 10% và chuẩn độ bằng dung dịch kali permanganat (KmnO4) 0.1 N (quan sát sự thay đổi màu sắc bằng mắt thường) 1 ml dung dịch kali permanganat 0.1 N tương ứng với 1.701 mg H2O2

1.4.3 Phương pháp đo độ pH

pH là thước đo mức độ axit/ba-zơ cơ bản Phạm vi đi từ 0 đến 14, với 7

là là độ pH bình thường của nước Độ pH dưới 7 cho thấy dung dịch có tính axit, trong khi độ pH lớn hơn 7 cho thấy tính ba-zơ của dung dịch Độ pH của chất lỏng là một phép đo rất quan trọng liên quan đến chất lượng nước Trong quá trình chiếu chùm tia plasma jet vào dung dịch cũng dẫn tới làm thay đổi độ

pH của toàn dung dịch đang khảo sát Do vậy, trong quá trình nghiên cứu, tôi

đã đo độ pH bằng thiết bị máy đo pH cầm tay AD11 (hình 1.9) do hãng Adwai Instruments (Hungary) sản xuất Độ phân giải của thiết bị là 0.1

Hình 1.9 Máy đo pH cầm tay AD11