Nghiên cứu khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của vật liệu hấp phụ chế tạo từ đài sen

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊNTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THÙY LINH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH, METYL DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ ĐÀI SEN Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã s

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THÙY LINH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH, METYL DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ

CHẾ TẠO TỪ ĐÀI

SEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Thái Nguyên - 2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THÙY LINH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH, METYL DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ

CHẾ TẠO TỪ ĐÀI

SEN

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 60.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Thị Hậu

Thái Nguyên - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quảnghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ côngtrình nào khác Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2017

Tác giả

Nguyễn Thùy Linh

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ, chuyên ngànhhóa phân tích, khoa hóa học – Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, em

đã nhận được sự ủng hộ, giúp đỡ của các thầy cô giáo, bạn bè và gia đình

Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Vũ Thị Hậu, cô giáo trựctiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa hóa học, khoa sau Đạihọc, và Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ

em trong quá trình học tập, nghiên cứu

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh,ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hoàn thànhquá trình học tập và nghiên cứu

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu củabản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu sót Em rất mongnhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp vànhững người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn đượchoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 04 năm

2017

Tác giả

Nguyễn Thùy Linh

Trang bìa phụ

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN .3

1.1 Sơ lược về thuốc nhuộm 3

1.1.1 Định nghĩa và phân loại thuốc nhuộm .3

1.1.2 Tình trạng ô nhiễm do nước thải dệt nhuộm ở nước ta 4

1.1.3 Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp 5

1.1.4 Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm .5

1.1.5 Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm 6

1.2 Giới thiệu chung về metylen xanh, metyl da cam 7

1.2.1 Metylen xanh 7

1.2.2 Metyl da cam 8

1.3 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 9

1.3.1 Cac khai niêm 9

1.3.2 Quá trình hấp phụ động trên cột 11

1.3.3 Cac mô hinh cơ ban cua qua trinh hâp phu 12

1.3.4 Hấp phụ trong môi trường nước 16

1.4 Phương pháp phân tích xác định hàm lượng chất hữu cơ mang màu 17

1.4.1 Phương pháp trắc quang 17

1.4.2 Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang 19

1.5 Giới thiệu về cây sen, đài sen ở Việt Nam 19

1.6 Một số hướng nghiên cứu khả năng hấp phụ của metylen xanh và metyl da cam và sử dụng cây sen làm VLHP .21

1.6.1 Một số hướng nghiên cứu khả năng hấp phụ của metylen xanh và metyl da cam .21

1.6.2 Một số hướng nghiên cứu sử dụng cây sen làm VLHP 23

1.7 Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 24

1.7.1 Phương pháp phổ hồng ngoại IR 24

1.7.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 25

1.7.3 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) 25

Chương 2 THỰC NGHIỆM 26

2.1 Thiết bị, dụng cụ va hoa chât 26

2.1.1 Thiết bị và dụng cụ 26

2.1.2 Hóa chất 26

2.2 Chế tạo vật liệu hấp phụ 27

2.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu 27

2.2.2 Chế tạo vật liệu hấp phụ 27

2.3 Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh, metyl da cam 27

2.3.1 Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh 27

2.3.2 Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metyl da cam 28

2.4 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ 28

2.4.1 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metylen xanh 28

2.4.2 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metyl da cam 28

2.5 Một số đặc trưng của VLHP 28

2.5.1 Khảo sát đặc điểm bề mặt của VLHP 28

2.5.2 Diện tích bề mặt riêng 28

2.5.3 Phổ hồng ngoại IR 29

2.5.4 So sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP 29

2.5.5 Xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo được 29

2.6 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh 29

2.6.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH 29

2.6.2 Ảnh hưởng của khối lượng 30

2.6.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP 30

2.6.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 31

2.6.5 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu 31

2.7 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh,

metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ động 31

2.7.1 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metylen xanh của VLHP theo phương pháp hấp phụ động 31

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh, metyl da cam 33

3.1.1 Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh 33

3.1.2 Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metyl da cam 34

3.2 Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh, metyl da cam 35

3.2.1 Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metylen xanh 35

3.2.2 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metyl da cam 35

3.3 Kết quả một số đặc trưng của VLHP 36

3.3.1 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 36

3.3.2 Diện tích bề mặt riêng .36

3.3.3 Phổ hồng ngoại (IR) 37

3.3.4 Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP 40

3.3.5 Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo được 40

3.4 Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh 42

3.4.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH 42

3.4.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng VLHP/thể tích dung dịch (nồng độ đầu xác định) 44

3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP 47

3.4.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 50

3.4.5 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu 52

3.5 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ động 54

3.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metylen xanh của VLHP theo phương pháp hấp phụ động 54

3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metyl da camcủa VLHP theo phương pháp hấp phụ động 57KẾT LUẬN 59TÀI LIỆUTHAM KHẢO 60

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may 5

Bảng 1.2: Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm [16] 7

Bảng 3.1: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh ở các bước sóng khác nhau 33

Bảng 3.2: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl da cam ở các bước sóng khác nhau 34

Bảng 3.3: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh với các nồng độ khác nhau 35

Bảng 3.4: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl da cam với các nồng độ khác nhau 35

Bảng 3.5 : Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP 40

Bảng 3.6: Số liệu xác định điểm đẳng điện của VLHP 41

Bảng 3.7: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của VLHP 42

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng VLHP/thể tích dung dịch (nồng độ đầu xác định) đến khả năng hấp phụmetylen xanh, metyl da cam của VLHP .45

Bảng 3.9 Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của VLHP vào thời gian 48

Bảng 3.10: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam vào nhiệt độ 50

Bảng 3.11: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ của VLHP vào nồng độ đầu 52

Bảng 3.12: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir 54

Bảng 3.13: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metylen xanh 55

Bảng 3.14: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metyl da cam 57

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

vi ii

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của xanh metylen 7

Hình 1.2 Công thức cấu tạo cation MB+ 8

Hình 1.3 Dạng oxy hóa và dạng khử của xanh metylen 8

Hình 1.4 Mô hình cột hấp phụ 11

Hình 1.5 Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ trên cột hấp phụ theo thời gian 12

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của metylen xanh vào bước sóng 33

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của metyl da cam vào bước sóng 34

Hình 3.3 Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh 35

Hình 3.4 Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metyl da cam 36

Hình 3.5 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của nguyên liệu 36

Hình 3.6 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của VLHP 36

Hình 3.7 Phổ hồng ngoại (IR) của nguyên liệu 38

Hình 3.8 Phổ hồng ngoại (IR) của VLHP 39

Hình 3.9 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP 40

Hình 3.10 Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP 41

Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào pH 43

Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp thụ metyl da cam vào pH của VLHP 43

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào tỷ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch 46

Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam của VLHP vào tỷ lệ khối lượng VLHP/thể tích dung dịch 46

Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào thời gian 49

Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam

vào thời gian 49

Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào nhiệt độ 51

Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam vào nhiệt độ 51

Hình 3.19 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với metylen xanh .53

Hình 3.20 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của metylen xanh 53

Hình 3.21 Đường đẳng nhiệt Langmuir của VLHP đối với metyl da cam 53

Hình 3.22 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của metyl da cam 53

Hình 3.23 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metylen xanh 56

Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metyl da cam 58

MỞ ĐẦU

Môi trường là nhân tố có ảnh hưởng quyết định đến sự tồn tại và phát triển củamỗi con người, mỗi quốc gia trên thế giới, chính vì vậy bảo vệ môi trường và đảmbảo phát triển bền vững là vấn đề có tính sống còn của mỗi quốc gia Trong nhữngnăm gần đây cùng với sự phát triển của nền công nghiệp, các nhà máy khu chế xuấtngày càng tăng Mỗi năm những nhà máy, khu chế xuất này thải ra một lượng nướcthải lớn gây ô nhiễm môi trường Nước ta là nước có ngành công nghiệp dệt nhuộmphát triển vì vậy hàng năm nước thải của ngành công nhiệp này chiếm một lượngđáng kể Lượng nước thải này chứa nhiều chất hữu cơ mang màu độc hại nếu khôngđược xử lý, loại bỏ sẽ xâm nhập vào cơ thể tích tụ gây hại nghiêm trọng đến sức khỏecon người, phá hủy cảnh quan môi trường tự nhiên

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp khác nhau để loại bỏ các chất hữu cơmang màu ra khỏi môi trường nước như: thẩm thấu ngược, lọc nano, kết tủa hoặc hấpphụ, Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm như vậtliệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, chi phí thấp, thânthiện với môi trường, đặc biệt không làm nguồn nước ô nhiễm thêm Chính vì vậyđây là vấn đề đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu Trong lĩnhvực xử lý môi trường, ta có thể sử dụng vật liệu tự nhiên (đá ong, quặng sắt, đấtbazan…) hay vật liệu chế tạo từ xơ dừa, vỏ trấu, bã mía, bã chè… những loại vật liệunày đều có giá thành rẻ, thân thiện với môi trường và dễ kiếm tìm trong đời sống

Cây sen là loài cây quen thuộc được trồng phổ biến ở các ao hồ và rất có ýnghĩa đối với người dân Việt Nam Không chỉ vậy các bộ phận của cây sen từ hạt, lácho đến củ đều có lợi ích kinh tế cao như: nhụy sen dùng để ướp trà, lá sen để chữabệnh, hạt sen dùng làm thực phẩm… Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam sau khi thuhoạch hạt sen thì đài sen bị thải bỏ, không được sử dụng vào mục đích nào Đài sen

có đặc tính nhẹ và xốp có khả năng biến tính thành vật liệu hấp phụ tốt

Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp

phụ metylen xanh, metyl da cam của vật liệu hấp phụ chế tạo từ đài sen”

Trong đề tài chúng tôi lần lượt tập trung nghiên cứu các nội dung sau:

- Chế tạo vật liệu hấp phụ từ đài sen

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Sơ lược về thuốc nhuộm

1.1.1 Định nghĩa và phân loại thuốc nhuộm

Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất địnhcủa quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trongnhững điều kiện quy định (tính gắn màu)

Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp Hiện nay, conngười hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp Đặc điểm nổi bật của các loạithuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy Màu sắc của thuốcnhuộm có được là do cấu trúc hóa học Một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộmbao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu

Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ electron πkhông cố định như: > C = C <, > C = N -, - N = N -, - NO2, …

Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận electron như: - NH2, - COOH,

- SO3H, - OH, … đóng vai trò tăng cường của nhóm mang màu bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ electron [20]

Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hoá học, màu sắc, phạm vi sửdụng Tùy thuộc cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng được phân loại thành các họ,các loại khác nhau Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất:

Phân loại theo cấu trúc hoá học: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm antraquinon,

thuốc nhuộm inđizo, thuốc nhuộm phenazin, thuốc nhuộm triarylmetan, thuốc nhuộmphtaloxiamin

Phân loại theo đặc tính áp dụng: thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lưu

hoá, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ cation, thuốcnhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính [20]

Ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến một số loại thuốc nhuộm nhằm làm sáng tỏ hơn

về loại thuốc nhuộm sử dụng trong phần thực nghiệm của đề tài

Thuốc nhuộm azo: Nhóm mang màu là nhóm azo (- N = N -) phân tử thuốcnhuộm có một nhóm azo (monoazo) hay nhiều nhóm azo (điazo, triazo, polyazo).Thuốc nhuộm trực tiếp: Là loại thuốc nhuộm anion có dạng tổng quátAr─SO3Na Khi hoà tan trong nước nó phân ly cho về dạng anion thuốc nhuộm vàbắt màu vào sợi Trong tổng số thuốc nhuộm trực tiếp thì có 92% thuốc nhuộm azo.Thuốc nhuộm bazơ cation: Các thuốc nhuộm bazơ dễ nhuộm tơ tằm, bông cầmmàu bằng tananh Là các muối clorua, oxalat hoặc muối kép của bazơ hữu cơ chúng

dễ tan trong nước cho cation mang màu Trong các màu thuốc nhuộm bazơ, các lớphoá học được phân bố: azo (43%), triazylmetan (11%), arycydin (7%), antraquinon(5%) và các loại khác

Thuốc nhuộm axit: Là muối của axit mạnh và bazơ mạnh chúng tan trong nướcphân ly thành ion:

5

+ Na Anion mang màu, thuốc nhuộm tạo liên kết ion với tâm tích điện dương của vậtliệu Thuốc nhuộm axit có khả năng tự nhuộm màu tơ sợi protein (len, tơ tằm,polyamit) trong môi trường axit Xét về cấu tạo hoá học có 79% thuốc nhuộm axitazo, 10% là antraquion, 5% là triarylmetan và 6% là lớp hoá học khác [20]

1.1.2 Tình trạng ô nhiễm do nước thải dệt nhuộm ở nước ta

Hiện nay, sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp ở các làng nghề đạt đượcnhững thành tựu đáng kể nhưng do công nghệ lạc hậu, quy mô nhỏ lẻ nên chưa xử lýđược chất thải sau quá trình sản xuất dẫn đến ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọngảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng Tại một số làng nghề như: Vạn Phúc, Dương Nội(Hà Đông – Hà Nội), nhu cầu oxy hoá học (COD) trong các công đoạn tẩy, nhuộm đođược từ 380 ÷ 890mg/L, cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 3 ÷ 8 lần, độ màu đo được là750Pt - Co, cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần Các vấn đề về sự ô nhiễm môitrường dưới sự tác động của ngành công nghiệp dệt nhuộm đã gia tăng trong nhiềunăm qua Các quá trình tẩy nhuộm có tỷ lệ mất mát chất tẩy nhuộm lên đến 50%.Nguyên nhân của việc mất mát chất tẩy, nhuộm là do các chất này không bám dính

hết vào sợi vải, số phẩm nhuộm này sẽ đi theo đường nước thải ra ngoài Vì vậy, việc

xử lý nước thải dệt nhuộm là vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu

1.1.3 Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may được trình bày trong bảng 1.1 [18]

Bảng 1.1: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may

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

Thuốc nhuộm tổng hợp có từ lâu và ngày càng được sử dụng nhiều trong cácngành công nghiệp dệt may, giấy, cao su, mỹ phẩm do dễ sử dụng, giá thành rẻ,màu sắc đa dạng so với màu tự nhiên Tuy nhiên, h ầu hết các thuốc nhuộm sửdụng trong ngành công nghiệp dệt may đều có độ độc tính cho môi trường sống

trong nước Mặt khác, các chất hoạt động bề mặt và các hợp chất liên quan, chẳnghạn như bột giặt, các chất nhũ hóa, các chất phân tán được sử dụng trong hầu hếtcác công đoạn của mỗi quy trình gia công và cũng có thể là một trong nhữngnguồn quan trọng tạo độc tính cho môi trường nước [3].

Ngành công nghiệp dệt nhuộm nước ta đang phát triển rất đa dạng với quy môkhác nhau và đã thải ra ngoài môi trường một lượng lớn nước thải gây ô nhiễm cao.Nước thải dệt nhuộm thường có độ màu rất cao Việc sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm

và các sản phẩm của chúng gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, ảnh hưởng đếnsức khỏe con người và hệ sinh thái thủy sinh Cụ thể đối với con người gây ra cácbệnh về da, đường hô hấp, ung thư…, đối với hệ sinh thái thủy sinh có thể phá hủyhoặc ức chế khả năng sinh sống của vi sinh vật [2]

1.1.5 Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm

Trong nhiều thập kỷ qua, ngành công nghiệp dệt nhuộm luôn có vị trí quantrọng trong nền kinh tế quốc dân Với các doanh nghiệp nhà nước, doanh nghiệp tưnhân, dự án liên doanh và các nhà máy có vốn đầu tư 100% nước ngoài cùng rấtnhiều tổ hợp tư nhân nhỏ, vừa và lớn đang hoạt động trong lĩnh vực sợi, dệt, nhuộmnhằm phấn đấu đạt chỉ tiêu hơn hai tỷ mét vải vào năm 2020 cho thấy quy mô vàđịnh hướng phát triển lớn mạnh của ngành công nghiệp này Tuy nhiên, trong số cácnhà máy chỉ có nhà máy lớn có xây dựng hệ thống xử lý nước thải còn lại hầu nhưchưa có hệ thống xử lý vẫn còn xả trực tiếp ra môi trường Loại nước thải dệtnhuộm có độ kiềm hoặc độ axit cao, màu đậm, có nhiều chất hữu cơ, vô cơ gây độccho quần thể sinh vật và ảnh hưởng sức khoẻ cộng đồng

Ở các ngành công nghiệp dệt may, nước thải thường có độ pH trung bình từ

9-11, chỉ số nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD), nhu cầu ôxy hoá học (COD) có thể lên đến700mg/1 và 2.500mg/1, hàm lượng chất rắn lơ lửng cao gấp nhiều lần giới hạn chophép Hàm lượng nước thải của các ngành này có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần,

H2S vượt 4,2 lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ônhiễm nặng nề các nguồn nước bề mặt trong vùng dân cư Do đó vấn đề ô nhiễm chủyếu trong ngành dệt nhuộm là ô nhiễm nguồn nước

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.

Bảng 1.2: Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm [16]

Sản xuất vải sợi bông Sản xuất vải sợi pha

(tổng hợp/bông, visco)

Sản xuất vải, sợi len và pha

(tổng hợp/len)

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

1.2 Giới thiệu chung về metylen xanh, metyl da cam

1.2.1 Metylen xanh

Metylen xanh là một hợp chất thơm dị vòng, có một số tên gọi khác như:tetramethylthionine chlorhydrate, methylene blue, methylthioninium chloride,glutylene, có công thức phân tử là: C16H18N3SCl [4]

Công thức cấu tạo của metylen xanh như sau:

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của xanh metylen

Metylen xanh có phân tử khối là 319,85 g/mol Nhiệt độ nóng chảy là: 100 110°C Khi tồn tại dưới dạng ngậm nước (C16H18N3SCl.3H2O) trong điều kiện tựnhiên, khối lượng phân tử của metylen xanh là 373,9 g/mol [17]

-Metylen xanh là một chất màu thuộc họ thiozin, phân ly dưới dạng cationMB+ là C16H18N3S+:

Hình 1.2 Công thức cấu tạo cation MB+

Metylen xanh có thể bị oxy hóa hoặc bị khử và mỗi phân tử bị oxy hóa và bịkhử khoảng 100 lần/giây Quá trình này làm tăng tiêu thụ oxy của tế bào

Hình 1.3 Dạng oxy hóa và dạng khử của xanh metylen

Metylen xanh là một loại thuốc nhuộm bazơ cation, là hóa chất được sử dụngrộng rãi trong các ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ, sản xuất mực in Metylen xanh bịhấp thụ rất mạnh bởi các loại đất khác nhau Trong môi trường nước, metylen xanh bịhấp thu vào vật chất lơ lửng và bùn đáy ao và không có khả năng bay hơi ra ngoàimôi trường nước ở bề mặt nước Nếu thải metylen xanh vào trong không khí, nó sẽtồn tại cả ở dạng hơi và bụi lơ lửng [20]

1.2.2 Metyl da cam

Metyl da cam là một chất bột tinh thể màu da cam, không tan trong dung môihữu cơ, khó tan trong nước nguội nhưng dễ tan trong nước nóng Metyl da cam là mộtmonoazo thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, dệt may và các ngành côngnghiệp khác Metyl da cam có thể xâm nhập vào cơ thể qua đường ăn uống, chuyểnhóa thành các amin thơm bằng vi sinh đường ruột và thậm chí có thể dẫn tới ung thư

đường ruột Dung dịch trong nước dùng làm chỉ thị chuẩn độ axit - bazơ, có màuhồng trong môi trường axit, màu vàng da cam trong môi trường kiềm, khoảng pHchuyển màu là 3,1 - 4,4 [17].

Công thức phân tử: C 14 H 14 N 3 O 3 SNa

Công thức cấu tạo:

1.3 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ

1.3.1 Cac khai niêm

1.3.1.1 Sư hâp phu

Hâp phu la sư tich luy chất trên bê măt phân cach cac pha (khi-răn, long-răn,khi-long, long-long) Chất hấp phu la chât ma phân tư ở lơp bê măt co kha năng hútcác phần tử của pha khac năm tiêp xúc vơi no Chât bi hấp phu la chât bi hut ra khoipha thê tich đến tập trung trên bê măt chât hâp phụ

Tuy theo ban chât cua lưc tương tac giưa chât hâp phu va chât bi hâp phu,ngươi ta phân biêt hâp phu vât ly va hâp phu hoa hoc Hâp phu vât ly gây ra bơi lưcVander Waals giưa phân tư chât bi hâp phu va bê măt chât hâp phu, liên kêt nay yêu,

dễ bi pha vơ Hâp phu hoa hoc gây ra bơi lưc liên kêt hoa hoc giưa bê măt chât hâp phu va phân tư chât bi hâp phu, liên kêt nay bên, kho bi pha vơ.

Trong thưc tê, sư phân biệt giưa hâp phu vật ly va hâp phụ hoa hoc chi latương đối vì ranh giơi giưa chung không rõ rêt Môt số trương hơp tôn tai ca qua trìnhhâp phu vật ly va hâp phụ hoa hoc Ở vùng nhiêt đô thâp xay ra qua trinh hâp phu vât

ly, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phu vât ly giam và kha năng hâp phu hoa hoc tănglên [10]

1.3.1.2 Giai hâp phu

Giải hấp phu la quá trinh chất bi hâp phu ra khoi lơp bê măt chât hâp phu Giaihâp phụ dưa trên nguyên tăc sư dung cac yêu tô bất lơi đôi với qua trinh hâp phu

Đối với hấp phụ vật lý để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thôngqua các yếu tố sau:

- Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ

- Tăng nhiệt độ

- Thay đổi bản chất tương tác của hệ thống thông qua thay đổi pH môi trường

- Sử dụng tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã hấp phụ trên bề mặtchất rắn

- Sử dụng tác nhân là vi sinh vật

Dựa trên nguyên tắc giải hấp phụ nêu trên, một số phương phap tai sinh vâtliêu hâp phu đã được sử dụng: phương pháp nhiêt, phương phap hoa ly, phương phap

vi sinh [2]

1.3.1.3 Dung lương hâp phu cân băng

Dung lượng hấp phụ cân bằng la khôi lương chât bi hâp phu trên môt đơn vikhôi lượng chất hấp phụ ơ trang thai cân băng ơ điêu kiên xác đinh vê nông đô vanhiêt đô

Trong đo:

q: dung lương hâp phụ cân băng (mg/g)

V: thê tich dung dịch chât bi hâp phu (l)

m: khôi lương chất hâp phụ (g)

Co: nông đô dung dich ban đâu (mg/l)

Ccb: nông đô dung dich khi đat cân băng hâp phu (mg/l)

1.3.1.4 Hiệu suất hấp phụ

Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu

H  (Co C cb )

.100

Trong đó: - H: Hiệu suất hấp phụ

- Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)

- Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l) [10]

1.3.2 Quá trình hấp phụ động trên cột

Quá trình hấp phụ động trên cột được mô tả như sau

Cho một dòng khí hay dung dịch chứa chất bị hấp phụ qua cột hấp phụ Sau một thời gian thì cột hấp phụ chia làm ba vùng:

Lối vào

1.Vùng hấp phụ bão hoà2.Vùng chuyển khối3.Vùng chưa xảy ra sự hấp phụ

Lối ra

Hình 1.4 Mô hình cột hấp phụ

Vùng 1 (Đầu vào nguồn xử lý): Chất hấp phụ đã bão hòa và đạt trạng thái cân

bằng Nồng độ chất bị hấp phụ ở đây bằng nồng độ của nó ở lối vào.

Vùng 2 (Vùng chuyển khối): Nồng độ chất bị hấp phụ thay đổi từ giá trị nồng

độ ban đầu tới không

Vùng 3 (Vùng lối ra của cột hấp phụ): Vùng mà quá trình hấp phụ chưa xảy ra, nồng độ chất bị hấp phụ bằng không

Khi thời gian thực hiện quá trình hấp phụ tăng lên thì vùng hấp phụ dịchchuyển theo chiều dài của cột hấp phụ Chất hấp phụ sẽ xuất hiện ở lối ra khi vùngchuyển khối chạm tới đáy cột Đây là thời điểm cần dừng quá trình hấp phụ để nồng

độ của chất bị hấp phụ ở lối ra không vượt quá giới hạn cho phép Tiếp theo cột hấpphụ được giải hấp để tiếp tục thực hiện quá trình hấp phụ

C

Co

O t

Hình 1.5 Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ trên cột hấp

phụ theo thời gian

Tại điểm cuối của cột hấp phụ, nồng độ của chất bị hấp phụ xuất hiện và tăngdần theo thời gian Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nồng độ của chất bị hấp phụ trên cộthấp phụ theo thời gian được gọi là đường cong thoát và có dạng như hình 1.5

1.3.3 Cac mô hinh cơ ban cua qua trinh hâp phu

1.3.3.1 Mô hinh đông hoc hâp phụ

Đối với hê hâp phu long- rắn, qua trinh đông học hâp phu xay ra theo cac giaiđoan chinh sau:

- Khuếch tán của cac chât bi hấp phu tư pha long tới bê măt chât hâp phu

- Khuếch tan bên trong hat hấp phu

- Giai đoan hấp phu thực sự: cac phân tư bi hâp phu chiêm chỗ cac trung tâmhâp phu.

Trong tât ca cac giai đoạn đó, giai đoan nao co tôc đô châm nhât se quyết đinhtoàn bộ qua trinh đông hoc hâp phu Vơi hệ hâp phu trong môi trương nươc, qua trinhkhuêch tán thương chậm va đong vai tro quyêt đinh

Tốc độ hấp phụ v la biên thiên nông đô chât bi hâp phu theo thơi gian:

v  dxdt

t: thời gian (giây)

: hê sô chuyên khôi

Co: nông đô chât bi hâp phu trong pha mang tai thơi điêm ban đâu

(mg/l) Ccb: nông đô chât bi hâp phu trong pha mang tai thơi điêm t

(mg/l)

k: hăng số tôc độ hâp phu

q: dung lương hâp phu tại thơi điểm t (mg/g)

qmax: dung lương hâp phu cưc đai (mg/g)

Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren

d q t

 k

Dạng tích phân của phương trình này là:

qe, qt là dung lượng hấp phụ tại thời gian đạt cân bằng và tại thời gian t (mg/g)

k1, k2 là hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất (thời gian-1) và bậc hai (g.mg-1 thờigian-1) biểu kiến

1.3.3.2 Cac mô hinh đăng nhiêt hâp phu

Có thê mô tả quá trình hâp phu dựa vao đương đẳng nhiêt hâp phu Đươngđẳng nhiệt hấp phụ biêu diễn sư phụ thuôc cua dung lương hâp phu tai môt thơi điêmvao nông đô cân băng cua chất bi hâp phu trong dung dich tai thơi điểm đo ở môtnhiệt độ xac đinh Đương đăng nhiêt hâp phu đươc thiết lâp băng cach cho môt lươngxác định chât hâp phụ vao một lương cho trươc dung dich có nông đô đa biêt cua chât

bi hâp phu

Vơi chât hâp phu la chất rắn, chât bi hấp phu la chât long thì đương đăng nhiêthấp phụ được mô tả qua cac phương trinh đăng nhiêt: phương trinh đăng nhiêt hấpphụ Henry, phương trinh đăng nhiêt hâp phu Freundlich và phương trinh đăng nhiêthâp phu Langmuir, [11]

Mô hình đăng nhiệt hâp phụ Henry

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry: la phương trinh đăng nhiệt đơn gian

mô tả sư tương quan tuyên tinh giưa lượng chât bi hấp phu trên bê măt pha răn vanông đô (ap suất) của chất bi hâp phu ơ trang thai cân băng:

a = K P (1.9)Trong đo:

K: hăng số hâp phụ Henry

a: lương chât bị hâp phụ (mol/g)

P: ap suât (mmHg)

Tư sô liệu thưc nghiêm cho thây vung tuyến tính nay nho Trong vung đó,

sự tương tác giữa các phân tư chât bi hấp phu trên bê măt chât rắn la không đang

kê [16]

Mô hình đăng nhiêt hấp phu Freundlich

Phương trinh đăng nhiêt hâp phu Freundlich la phương trinh thưc nghiêm mô

ta sư hâp phu xay ra trong pham vi một lơp [11]

Phương trinh nay đươc biêu diễn băng môt ham số mu:

k: hằng sô phu thuôc vao nhiêt đô, diên tich bề măt va cac yêu tô

khac n: hăng sô phu thuôc vào nhiêt độ va luôn lơn hơn 1

Phương trinh Freundlich phan anh khá sat số liệu thưc nghiêm cho vung banđầu và vùng giữa của đương hấp phu đăng nhiêt tưc la ơ vung nông đô thâp cua chât

bi hâp phụ [11]

Mô hình hâp phụ đăng nhiêt Langmuir:

Phương trinh hâp phụ đăng nhiệt Langmuir có dạng:

q: dung lương hâp phu tai thơi điêm cân băng (mg/g)

qmax: dung lương hâp phu cưc đai (mg/g)

b: hăng sô Langmuir

Khi tich sô b.Ccb << 1 thi q = qmax.b.Ccb: mô tả vùng hâp phu tuyên tính

Khi tich sô b.Ccb >> 1 thi q = qmax : mô tả vùng hâp phu bao hoa

Phương trình Langmuir có thể biểu diễn dưới dạng phương trình đường thẳng:

RL=1 thì sự hấp phụ là tuyến tính.

1.3.4 Hấp phụ trong môi trường nước

Hấp phụ trong môi trường nước là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ít nhất bathành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ Do sự có mặt củanước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bịhấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chấthấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó

Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bịhấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước củachất bị hấp phụ trong nước Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất

bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng: chất

bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực vàngược lại Đối với các chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một sốdạng phức oxy anion như SO 2 , PO 3

, CrO 2 … thì quá trình hấp phụ xảy ra do

4 4 4

tương tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép Các ion hoặc các phân tử có độ phân cựccao trong nước bị bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó bán kính (độlớn) của các ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấpphụ của hệ do tương tác tĩnh điện Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớnhơn sẽ được hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hydrat nhỏ hơn

Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung dịch

Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ Cácchất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu, bazơ yếu hoặc lưỡng tính sẽ bịphân li, tích điện âm, dương hoặc trung hoà tùy thuộc giá trị pH Tại giá trị pH bằng

điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng không, trên giá trị đó bề mặtchất hấp phụ tích điện âm và dưới giá trị đó bề mặt hấp phụ tích điện dương Đối vớicác chất trao đổi ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm chức

và các cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môi trường, đồng thời trong hệ cũngxảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất [2]

Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản,…cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ [2]

1.4 Phương pháp phân tích xác định hàm lượng chất hữu cơ mang màu

1.4.1 Phương pháp trắc quang

Nguyên tắc: Phương pháp trắc quang là phương pháp phân tích được sử dụng

phổ biến nhất trong các phương pháp phân tích hóa lý Nguyên tắc chung của phươngpháp phân tích trắc quang là muốn xác định một cấu tử X nào đó, ta chuyển nó thànhhợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó và suy rahàm lượng chất cần xác định X [5]

Cơ sở của phương pháp là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer - Lambert-Beer.Biểu thức của định luật: