TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ CÓ TỪ TÍNH VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG TÁCH LOẠI PHẨM MÀU AZO TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC (TÓM TẮT)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---Vũ Mai Phương TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ CÓ TỪ TÍNH VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG TÁCH LOẠI PHẨM MÀU AZO TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC TÓM TẮT L

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-Vũ Mai Phương

TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ CÓ TỪ TÍNH VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG TÁCH LOẠI PHẨM MÀU AZO TRONG MÔI TRƯỜNG

NƯỚC

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Chuyên ngành: Hóa Môi Trường

Mã số: 60440120

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS CHU XUÂN QUANG

2 PGS.TS ĐỖ QUANG TRUNG

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN.

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS Chu Xuân Quang

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội.

MỞ ĐẦU

Hiện nay, trước sự phát triển ngày càng lớn mạnh của đất nước về kinh tế và xãhội, đặc biệt là sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp đã ảnh hưởng rấtlớn đến môi trường sống của con người Bên cạnh sự lớn mạnh của nền kinh tế đấtnước là hiện trạng các cơ sở hạ tầng xuống cấp trầm trọng và sự ô nhiễm môi trườngđang ở mức báo động Một trong những ngành công nghiệp gây ô nhiễm môitrường lớn là ngành dệt nhuộm Bên cạnh các công ty, nhà máy còn có hàng ngàn

cơ sở nhỏ lẻ từ các làng nghề truyền thống Với quy mô sản xuất nhỏ, lẻ nên lượngnước thải sau sản xuất hầu như không được xử lý, mà được thải trực tiếp ra hệ thốngcống rãnh và đổ thẳng xuống hồ ao, sông, ngòi gây ô nhiễm nghiêm trọng tầng nướcmặt, mạch nước ngầm và ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người

Với dây chuyền công nghệ phức tạp, bao gồm nhiều công đoạn sản xuất khácnhau nên nước thải sau sản xuất dệt nhuộm chứa nhiều loại hợp chất hữu cơ độc hại,đặc biệt là các công đoạn tẩy trắng và nhuộm màu Việc tẩy, nhuộm vải bằng cácloại thuốc nhuộm khác nhau như thuốc nhuộm hoạt tính, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốcnhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm phân tán… khiến cho lượng nước thải chứa nhiềuchất ô nhiễm khác nhau (chất tạo màu, chất làm bền màu ) [7,8] Bên cạnh những lợiích của chất tạo màu họ azo trong công nghiệp nhuộm, thì tác hại của nó không nhỏkhi mà các chất này được thải ra môi trường Gần đây, các nhà nghiên cứu đã pháthiện ra tính độc hại và nguy hiểm của hợp chất họ azo đối với môi trường sinh thái vàcon người, đặc biệt là loại thuốc nhuộm này có thể gây ung thư cho người sử dụng sảnphẩm [19,30]

Với mục đích hiểu rõ hơn về đặc điểm quá trình xử lý các hợp chất hữu cơ độchại, đặc biệt là hợp chất tạo màu họ azo bằng vật liệu hấp phụ có từ tính, qua đóxác định được điều kiện thích hợp để xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế nên đề tàiluận văn “Tổng hợp vật liệu hấp phụ có từ tính và khảo sát khả năng tách loại phẩm màuazo trong môi trường nước ” đã được thực hiện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Chitosan

1.1.1 Khái quát về chitosan

Chitosan là polyme không độc, có khả năng phân huỷ sinh học và có tính tươngthích về mặt sinh học Trong nhiều năm qua, các polyme có nguồn gốc từ chitin đặcbiệt là chitosan đã được chú ý đặc biệt như là một loại vật liệu mới có ứng dụng đặ biệttrong công nghiệp dược, y học, xử lý nước thải và trong công nghiệp thực phẩm như làtác nhân kết hợp, gel hoá, hay tác nhân ổn định

Trong các loài thuỷ sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin –chitosan chiếm khá cao dao động từ 14-35% so với trọng lượng khô Vì vậy vỏ tôm,cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin – chitosan

Hình 1.1: Công thức cấu tạo chitin, chitosan và xenlulozo a

Chitosan và các dẫn xuất của nó có hoạt tính kháng nấm, kháng khuẩn, có khảnăng tự phân hủy sinh học cao, không gây dị ứng Không gây độc hại cho người và giasúc, có khả năng tạo phức với một số kim loại chuyển tiếp như Co(II), Ni(II), Cu(II)

do vậy chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: xử lý nước thải và bảo

vệ môi trường, dược học và y học, nông nghiệp, công nghiệp, công nghệ sinh học Chitosan có cấu trúc đặc biệt với các nhóm amin trong mạng lưới phân tử có khảnăng hấp phụ tạo phức với kim loại chuyển tiếp: Cu(II), Ni(II), Co(II) trong môi

trường nước Vì vậy chitosan đang được nghiên cứu kết hợp với một số chất khác đểứng dụng xử lý kim loại nặng trong nước.

- Có khả năng hấp phụ cao đối với các kim loại nặng

- Ở pH<6,3, chitosan có tính điện dương cao

- Trong phân tử chitosan có chứa nhóm –OH, -NHCOCH3 trong các mắt xíchN-acetyl-D-glucosaminc có nghĩa chúng vừa là ancol vừa là amine, vừa là amide.Phản ứng hóa học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thếN-

1.2 Oxit sắt từ

1.2.1 Cấu trúc tinh thể của Fe 3 O 4

Oxit sắt từ có công thức Fe3O4 là vật liệu từ tính đầu tiên mà con người biết đến

Từ thế kỷ IV người Trung quốc đã biết rằng Fe3O4 tìm thấy trong các khoáng vật tựnhiên có khả năng định hướng theo phương Bắc - Nam địa lý Đến thế kỷ XII, họ đã

sử dụng vật liệu Fe3O4 làla bàn, một công cụ giúp xác định phương hướng rất có ích.Trong tự nhiên, oxit sắt từ không những được tìm thấy trong khoáng vật mà nó cònđược tìm thấy trong cơ thể các sinh vật như ong, kiến, bồ câu…Chính sự có mặt của

Fe3O4 trong cơ thể những sinh vật đã tạo nên khả năng xác định phương hướng mangtính bẩm sinh của chúng

Trong phân loại vật liệu từ Fe3O4 được xếp vào nhóm vật liệu ferit có công thứctổng quát MO Fe3O4 có cấu trúc spinel (M là kim loại hóa trị II như : Fe, Ni, Co, Mn,

Mg hoặc Cu)

Hinh Hình 1.2 : Cấu trúc spinel của Fe 3 O 4 b

Mỗi phân tử Fe3O4 có momen từ tổng cộng là 4µβ ( µβ là magneton bohr nguyên

tử, µβ = 9,274.10-24 J/T trong hệ SI)

1.2.2 Tính chất

Một vài oxit sắt có chung cấu trúc tinh thể với các tương đồng khoáng chất khácnhau VD: goc-thie có cấu trúc giống với diaspore ( α-ALOOH), quặng sắt từ giốngvới spinel (MgAl2O3) Các cấu trúc của oxit sắt được xác định bởi sự sắp xếp của cácion oxy hay hydroxide Các ion dương chiếm các vị trí so le đối với lớp các ion âm.Bất cứ vật liệu nào đều có sự ảnh hưởng với từ trường ngoài (H), thể hiện bằng

độ từ hóa ( từ độ - M) Tỷ số C = M/N được gọi là độ cảm từ Tùy thuộc vào giá trị, độcảm từ có thể phân ra làm các loại vật liệu từ khác nhau Vật liệu có C < 0 (~10-6)được gọi là vật liệu nghịch từ Vật liệu có C > 0 (~10-6) được gọi là vật liệu thuận từ.Vật liệu có C > 0 với giá trị rất lớn có thể là vật liệu sắt từ, ferit từ

Ngoài độ cảm từ, một số thông số khác cũng rất quan trọng trong việc xác địnhtính chất của vật liệu VD: từ độ bão hòa Ms ( từ độ đạt cực đại tại từ trường lớn), cảmứng từ dư Br ( từ độ còn dư sau khi từ hóa đến độ bão hòa và đưa mẫu ra khỏi từtrường), lực kháng từ Hc ( từ trường ngoài cần thiết để một hệ, sau khi đạt trạng tháibão hòa từ, bị khử từ)

1.3 Vật liệu từ tính ứng dụng xử lí nước thải

Trong phương pháp hấp phụ để loại bỏ triệt để các chất ô nhiễm trong nước thảithường sử dụng kỹ thuật hấp phụ tầng cố định với các cột có đường kính từ 0,1 đến 1,5

m và chiều cao có thể lên đến hơn 10 m Các cột thường được nhồi các vật liệu nhưthan hoạt tính, zeolit Dung dịch nước thải được dẫn lên đầu cột, khi đi qua vật liệuhấp phụ các chất ô nhiễm bị giữ lại, nước sạch được xử lí đi ra ngoài Tuy nhiên nhược

điểm của phương pháp này là thời gian tái sinh vật liệu hấp phụ lâu, quá trình vậnhành hay bị hiện tượng tắc cột phải nạp lại, tốn về thời gian và kinh phí Đối với kĩthuật hấp phụ tầng động, nhiều trường hợp quá trình lắng kéo dài làm ảnh hưởng đếntốc độ xử lí nước thải Để khắc phục nhược điểm này, nhiều nhà khoa học đã nghiêncứu chế tạo nhựa trao đổi ion có từ tính và nghiên cứu ứng dụng trong xử lí nước thải[31,32] Khi có tác dụng của từ trường các vật liệu hấp phụ sẽ tách ra khỏi hỗn hợphuyền phù nhanh hơn do vậy làm tăng tốc độ quá trình xử lí và tái sinh vật liệu Tuynhiên, việc sử ụng vật liệu polyme tổng hợp có thể tạo ra các monome khó phân hủy,gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường Do đó, xu hướng xử dụng các loại polyme có sẵntrong thiên nhiên được các nhà khoa học rất quan tâm, trong đó chitosan là vật liệuđược chú ý nhiều nhất do có cấu trúc và tính chất hóa lý đặc biệt, hoạt tính cao và khảnăng lựa chọn rất tốt đối với các hợp chất và kim loại nặng Chính vì thế, chúng tôi đãnghiên cứu và chế tạo ra vật liệu chitosan cố định các hạt Fe3O4 để xử lí nước thải dệtnhuộm.

1.4 Đặc tính và một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm

1.4.1 Đặc tính và các nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm

Nguồn nước thải phát sinh trong công nghiệp dệt nhuộm từ các công đoạn hồsợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất Trong đó lượng nước thải chủ yếu do quátrình giặt sau mỗi công đoạn Nhu cầu sử dụng nước trong nhà máy dệt nhuộm rất lớn

và thay đổi tùy theo mặt hàng khác nhau Theo phân tích của các chuyên gia, lượngnước được sử dụng trong các công đoạn sản xuất chiếm 72,3%, chủ yếu là từ các côngđoạn nhuộm và hoàn tất sản phẩm Người ta có thể tính sơ lược nhu cầu sử dụng nướccho 1 mét vải nằm trong phạm vi từ 12 -65 lít và thải ra 10 -40 lít nước [7,8]

Đối với con người, thuốc nhuộm có thể gây ra các bệnh về da, đường hô hấp,đường tiêu hóa Ngoài ra, một số thuốc nhuộm hoặc chất chuyển hóa của chúng rất độchại có thể gây ung thư (như thuốc nhuộm Benzidin, 4 – amino – azo – benzen) Cácnhà sản xuất Châu Âu đã cho ngừng sản xuất các loại thuốc nhuộm này nhưng trênthực tế chúng vẫn được tìm thấy trên thị trường do giá thành rẻ và hiệu quả nhuộmmàu cao

1.4.2 Các loại thuốc nhuộm thông thường

Thuốc nhuộm là các hợp chất mang màu dạng hữu cơ hoặc dạng phức của cáckim loại như Cu, Co, Ni, Cr…Tuy nhiên, hiện nay dạng phức kim loại không còn sử

dụng nhiều do nước thải sau khi nhuộm chứa hàm lượng lớn các kim loại nặnggây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Thuốc nhuộm dạng hữu cơ mang màu hiệnrất phổ biến trên thị trường.

1.4.3 Một số phương pháp xử lí nước thải dệt nhuộm

1.4.3.1 Phương pháp keo tụ

Đây là phương pháp thông dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm Nước thải dệtnhuộm có tính chất như một dung dịch keo với các tiểu phân có kích thước hạt 10-7 –

10-5 cm, các tiểu phân này có thể đi qua giấy lọc

Quá trình lắng chỉ có thể tách được các hạt rắn huyền phù nhưng không thể táchđược các chất gây ô nhiễm bẩn ở dạng keo và hòa tan, vì những hạt rắn có kích thướcquá nhỏ.Để tách các hạt rắn đó một cách có hiệu quả, cần chuyển các tiểu phân nhỏthành các tập hợp lớn hơn.Việc khử các hạt keo đòi hỏi trước hết cần trung hòa điệntích của chúng, tiếp đến là liên kết chúng với nhau bằng các chất đông tụ Các khối kếttủa bông lớn chịu ảnh hưởng của lực trọng trường bị sa lắng xuống, trong quá trình salắng sẽ kéo theo các hạt lơ lửng và các hạt tạp chất khác Để tăng tốc độ keo tụ, tốc độ

sa lắng, tốc độ nén ép các bông keo và đặc biệt để làm giảm lượng chất keo tụ có thểdùng thêm các chất trợ keo, chất này có vai trò liên kết giữa các hạt keo với nhau [1]

1.4.3.2 Phương pháp oxy hóa tăng cường – AOP

Đây là phương pháp có khả năng phân hủy triệt để những chất hữu cơ có cấutrúc bền, độc tính cao chưa bị loại bỏ hoàn toàn bởi quá trình keo tụ và không dễ bị oxyhóa bởi các chất oxy hóa thông thường, cũng như không hoặc ít bị phân hủy bởi vi sinhvật

Bản chất của phương pháp là xảy ra các quá trình oxi hóa để tạo ra các gốc tự donhư OH• có hoạt tính cao, có thể khoáng hóa hoàn toàn hầu hết các hợp chất hữu cơ bềnthành các sản phẩm bền vững như CO2 và các axit vô cơ không gây khí thải Một số ví

dụ về phương pháp oxi hóa tăng cường như Fenton, Peroxon, catazon, quang fenton vàquang xúc tác bán dẫn

1.4.3.3 Phương pháp hấp phụ

Hấp phụ là quá trình tụ tập (chất chứa, thu hút…) các phân tử khí, hơi hoặc cácphân tử, ion của chất tan lên bề mặt phân chia giữa các pha Bề mặt phân chia pha cóthể là lỏng – rắn, khí – rắn Chất mà trên bề mặt của nó có sự hấp phụ xảy ra gọi là chất

hấp phụ, còn chất mà được hấp phụ trên bề mặt phân chia pha được gọi là chất bị hấpphụ Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ.

Phương pháp hấp phụ là một phương pháp tách trực tiếp các cấu tử tan trongnước, được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật xử lý nước thải nhờ có các ưu điểm sau:

Có khả năng làm sạch nước ở mức độ cao, đáp ứng nhiều cấp độ chất lượng

Quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp

Vật liệu hấp phụ có độ bền khá cao, có khả năng tái sử dụng nhiều lần nên chiphí thấp nhưng hiệu quả xử lý cao

Vật liệu ứng dụng trong phương pháp hấp phụ rất đa dạng : than hoạt tính,zeolite, composit, đất sét, silicagel Với mỗi loại vật liệu có đặc điểm và tính chọn lọcriêng phù hợp với từng mục đích nghiên cứu và sử dụng thực tiễn

1.5 Khái niệm chung về hợp chất màu azo

1.5.1 Đặc điểm cấu tạo

Hợp chất azo là những hợp chất màu tổng hợp có chứa nhóm azo - N= N- Hầuhết các loại hợp chất màu azo chỉ chứa một nhóm azo (gọi là monoazo), một số ítchứa hai nhóm hoặc nhiều hơn Hợp chất azo thường có chứa một vòng thơm liênkết với nhóm azo và nối với một naphtalen hay vòng benzen thứ hai Sự khácnhau giữa các hợp chất azo chủ yếu ở vòng thơm, các nhóm quanh liên kết azo giúp

ổn định nhóm –N = N – bởi chính những nhóm này tạo nên một hệ thống chuyểnđộng, là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới màu sắc của hợp chất azo Khi hệ thốngchuyển vị và phân chia sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ thường xuyên ánh sáng ở vùngkhả kiến [12,13]

1.5.2 Tính chất

Hợp chất màu azo bền hơn tất cả các phẩm màu thực phẩm tự nhiên Đặcbiệt, phẩm màu azo bền trong phạm vi pH khá rộng của thực phẩm, bền với nhiệt khiphơi dưới ánh sáng và oxy, rất khó bị phân hủy bởi các vi sinh vật Chính vì vậy, cáchợp chất màu azo được ứng dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp (thựcphẩm, in, nhuộm ) [2,21]

CHƯƠNG 2 – THỰC NGHIỆM

2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu có từ tính Chitosan/Fe3O4 nhằm đánhgiá hiệu quả xử lí phẩm màu azo có trong nước thải dệt nhuộm Để thực hiện đượcmục tiêu này nội dung nghiên cứu được thực hiện như sau:

- Tổng hợp Chitosan/ Fe3O4 ở các điều kiện nồng độ vàthời gian phản ứng khácnhau

- Khảo sát và đánh giá khả năng sử dụng chitosan thương mại và oxit sắt từthương mại

- Khảo sát và đánh giá bề mặt vật liệu và khả năng hấp phụ hai loại phẩm màuazo

2.2 Thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu

2.2.1 Hóa chất và Vật liệu nghiên cứu

- Dung dịch Alizrin vàng G 1000 mg/l : Cân chính xác 1,0 gam Alizarin vàng Gvào cốc 250 ml chứa nước cất, đun nóng ở 400C, để nguội, định mức bằng nước cấtđến 1000 ml Các dung dịch có nồng độ khác sử dụng trong thực nghiệm sẽ được phaloãng trực tiếp từ dung dịch này

-Dung dịch Methyl đỏ 1000 mg/l : Cân chính xác 0,1 gam Methyl đỏ vào cốc

500 ml nước cất, đun cách thuỷ ở 400C, để nguội, định mức bằng nước cất đến 1000

ml Các dung dịch có nồng độ khác sử dụng trong thực nghiệm sẽ được pha loãng trựctiếp từ dung dịch này

- Dung dịch HCl, NaOH, CH3COOH, glutaralđehyt

- Các dung dịch muối clorua, các dung dich muối natri

2.2.2 Thiết bị

- Máy trắc quang UV-Vis THERMO ELECTRON COVPORATION

- Điện cực đo pH THERMO SCIENTIFIC

- Máy đo độ đục (HI 98703)

- Máy phân tích đa chỉ tiêu (DR600)

- Cân phân tích HR200 – SHIMMADZU

- Bộ máy khuấy Jar tester

- Tủ sấy MENMERT - Đức

- Máy khuấy từ MSH 20 D/MS – MP4

- Máy hút chân không LAB LABOPORT

2.3 Phương pháp phân tích trắc quang xác định nồng độ phẩm màu trong dung dịch

Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu, xác định hàm lượng phẩm màu còn lạisau quá trình hấp phụ của chitosan, Fe3O4 và các vật liệu chúng tôi khảo sát lại khảnăng hấp thụ ánh sáng của 2 loại phẩm màu (Methyl đỏ, Alizarin vàng G) ở các pHkhác nhau

Chuẩn bị các dung dịch phẩm màu (Methyl đỏ, Alizarin vàng G) có nồng độ 5 mg/l trong các pH khác nhau(2, 4, 6, 8, 10) Khảo sát độ hấp thụ ánh sáng trong

khoảng bước sóng từ 200 – 800 nm Tìm khoảng bước sóng tối đa và ổn định, khảo sáttiếp với khoảng cách 2nm để tìm bước sóng tối ưu Các kết quả được thể hiện trên hình 2.1, 2.2 :

-0.05

0 0.05