Nghiên cứu chế tạo than từ tre sử dụng tác nhân hoạt hóa KOH và khảo sát khả năng hấp phụ metyl da cam

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT2 AC Than hoạt tính Activated carbon 3 BET Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng Brunaur - Emmetle - Teller 4 COD Nhu cầu oxy hóa học Chemical Oxygen Demand 6 C

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THỊ THANH HOÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN TỪ TRE SỬ DỤNG TÁC NHÂN HOẠT HÓA KOH VÀ KHẢO SÁT KHẢ

NĂNG HẤP PHỤ METYL DA CAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2020

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THỊ THANH HOÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN TỪ TRE SỬ DỤNG TÁC NHÂN HOẠT HÓA KOH VÀ KHẢO SÁT KHẢ

NĂNG HẤP PHỤ METYL DA CAM

Ngành: Hóa vô cơ

Mã số: 8 44 01 13

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS VŨ THỊ HẬU

THÁI NGUYÊN - 2020

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo than từ tre, sử dụng tác nhân hoạt hóa KOH và khảo sát khả năng hấp phụ metyl da cam” là

do bản thân tôi thực hiện Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn làtrung thực và chưa có ai công bố trong một công trình nào khác Nếu sai sựthật tôi xin chịu trách nhiệm

Thái Nguyên, tháng 06 năm 2020

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thanh Hoài

LỜI CẢM ƠN

Bản luận văn được hoàn thành tại Trường Đại học Sư phạm - Đại họcThái Nguyên Trong quá trình làm luận văn em đã nhận được rất nhiều sựgiúp đỡ để hoàn thành luận văn

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của TS VũThị Hậu trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám hiệu, khoa Sau Đạihọc, khoa Hóa học trường ĐHSP Thái Nguyên đã giảng dạy và giúp đỡ emtrong quá trình học tập, nghiên cứu

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ phòng thí nghiệmkhoa Hóa học trường ĐHSP Thái Nguyên và các bạn bè đồng nghiệp đã giúp

đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luônbên cạnh, ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em

có thể hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiêncứu của bản thân còn hạn chế, nên luận văn có thể còn nhiều thiếu sót Em rấtmong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồngnghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn,

để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 06 năm 2020

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN iv

LỜI CẢM ƠN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Than hoạt tính 3

1.1.1 Định nghĩa 3

1.1.2 Nguyên liệu chế tạo than hoạt tính 4

1.1.3 Đặc trưng cơ bản của than hoạt tính 5

1.1.4 Quy trình chế tạo than hoạt tính 6

1.2 Nước thải dệt nhuộm 10

1.2.1 Đặc điểm về ngành dệt nhuộm 10

1.2.2 Nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm 11

1.2.3 Sơ lược về thuốc nhuộm 12

1.2.4 Các phương pháp xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm 16

1.3 Phương pháp hấp phụ 16

1.3.1 Hiện tượng hấp phụ 17

1.3.2 Hấp phụ trong môi trường nước 18

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ 19

1.3.4 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước 19

1.4 Phương pháp phân tích xác định hàm lượng metyl da cam 20

1.5 Một số hướng nghiên cứu về than tre và hấp phụ metyl da cam 20

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

1.6.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 24

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

1.6.3 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng (EDX) 26

1.6.4 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 26

Chương 2 THỰC NGHIỆM 28

2.1 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất 28

2.1.1 Thiết bị và dụng cụ 28

2.1.2 Hóa chất 28

2.1.3 Cách chuẩn bị dung dịch cần dùng trong các thí nghiệm 29

2.2 Phương pháp nghiên cứu 29

2.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu 29

2.2.2 Chế tạo than tre 30

2.2.3 Kết quả chế tạo than tre 31

2.3 Định lượng metyl da cam 31

2.4 Khảo sát đặc điểm bề mặt của TT chế tạo được 33

2.5 Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình chế tạo than 33

2.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung 33

2.5.2 Ảnh hưởng của thời gian nung 34

2.6 Xác định chỉ số hấp phụ iot của TT 34

2.7 Xác định một số thông số vật lý của TT 35

2.7.1 Xác định độ ẩm 35

2.7.2 Xác định hàm lượng tro 35

2.8 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng khả năng hấp phụ MO của TT theo phương pháp hấp phụ tĩnh 35

2.8.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH 35

2.8.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian 36

2.8.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 36

2.8.4 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng TT 36

2.8.5 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu dung dịch MO 37

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình chế tạo than 38 3.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung 38

3.1.2 Ảnh hưởng của thời gian nung 39

3.2 Kết quả khảo sát một số đặc trưng hóa lý của NL, TT 40

3.2.1 Kết quả ảnh SEM 40

3.2.2 Kết quả diện tích bề mặt riêng (phương pháp BET) 42

3.2.3 Kết quả xác định thành phần nguyên tố (phương pháp EDX) 43

3.2.4 Đặc trưng IR 44

3.3 Kết quả xác định chỉ số iot của mẫu than TT 45

3.4 Kết quả xác định một số thông số vật lý của mẫu TT 46

3.5 Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ MO của TT theo phương pháp hấp phụ tĩnh 47

3.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH 47

3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian 48

3.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng 50

3.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 51

3.5.5 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ 52

KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 1

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

2 AC Than hoạt tính (Activated carbon)

3 BET Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng

(Brunaur - Emmetle - Teller)

4 COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

6 Ccb Nồng độ cân bằng

7 EDX (Phổ tán xạ năng lượng tia X )

Energy-dispersive X-ray spectroscopy

8 IR Phương pháp phổ hồng ngoại

(Infrared (IR) spectroscopy)

9 MO Metyl da cam ( Metyl orange)

11 ppm Part per million

12 SEM Phương pháp kính hiển vi điện tử quét

(Scanning electron microscope)

14 TTKHH Than tre không hoạt hóa

15 VLHP Vật liệu hấp phụ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1 Kim ngạch xuất khẩu hàng dệt may Việt Nam năm 2019 10

Bảng 2.1 Các mẫu than chế tạo được 31

Bảng 2.2 Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ MO 32

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất hấp phụ MO của TT 38

Bảng 3.3 Ảnh SEM của NL, các mẫu TT và hiệu suất hấp phụ MO tương ứng 40

Bảng 3.4 Diện tích bề mặt riêng của NL và một số mẫu TT 42

Bảng 3.5 Thành phần phần trăm khối lượng và phần trăm nguyên tử cacbon và oxi trong các mẫu vật liệu 44

Bảng 3.6 Kết quả xác định chỉ số iot của TT 45

Bảng 3.7 Số liệu xác định độ ẩm của TT 46

Bảng 3.8 Số liệu xác định tỉ lệ tro của TT 47

Bảng 3.9 Kết quả xác định các thông số vật lý của TT 47

Bảng 3.10 Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào pH 47

Bảng 3.11 Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian 49

Bảng 3.12 Sự phụ thuộc của hiệu suất và dung lượng hấp phụ MO vào khối lượng TT 50

Bảng 3.13 Sự phụ thuộc của hiệu suất và dung lượng hấp phụ MO vào nhiệt độ 51

Bảng 3.14 Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào nồng độ 52

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1: Hình dạng than hoạt tính 4

Hình 1.2: Các nhóm chức thường gặp trên bề mặt than hoạt tính 6

Hình 1.3: Quy trình sản xuất than hoạt tính với 2 giai đoạn là than hóa và hoạt hóa 9

Hình 1.4: Sơ đồ nguồn phát sinh nước thải trong quy trình nhuộm 12

Hình 1.5.a: Công thức cấu tạo của MO 14

Hình 1.5.b: Mô hình phân tử của MO 14

Hình 2.1 Quy trình chế tạo TT 30

Hình 2.2: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ MO 32

Hình 3.1: So sánh hiệu suất hấp phụ MO của các mẫu TT được chế tạo có nhiệt độ nung khác nhau 38

Hình 3.2: So sánh hiệu suất hấp phụ MO của các mẫu TT được chế tạo có thời gian nung khác nhau 39

Hình 3.3.a: Phổ EDX của mẫu NL 43

Hình 3.3.b: Phổ EDX của mẫu TTKHH 43

Hình 3.3.c: Phổ EDX của mẫu AC500/120 43

Hình 3.3.d: Phổ EDX của mẫu AC600/120 43

Hình 3.3.e: Phổ EDX của mẫu AC700/120 44

Hình 3.3.f Phổ EDX của mẫu AC800/120 44

Hình 3.4: Phổ IR của các mẫu TTKHH (H8-Kh), AC500/120 (H5), AC800/120 (H8) 45

Hình 3.5: Đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ iot của than tre 46

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ MO của TT 48

Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây phát triển kinh tế gắn với bảo vệ môi trường

là chủ đề tập trung sự quan tâm của nhiều nước trên thế giới Một trong nhữngvấn đề đặt ra hàng đầu không chỉ riêng Việt Nam mà cả một số quốc gia trênthế giới là cải thiện môi trường ô nhiễm từ các chất độc hại do nền côngnghiệp tạo ra Điển hình như các ngành công nghiệp cao su, hóa chất, côngnghiệp thực phẩm, thuốc bảo vệ thực vật, y dược, luyện kim, xi mạ, giấy, đặcbiệt là ngành dệt nhuộm đang phát triển mạnh mẽ và chiếm kim ngạch xuấtkhẩu cao của Việt Nam

Ngành dệt nhuộm đã phát triển từ rất lâu trên thế giới nhưng nó chỉ mớihình thành và phát triển hơn 100 năm nay ở nước ta Trong những năm gầnđây, nhờ chính sách đổi mới mở cửa ở Việt Nam đã có 72 doanh nghiệp nhànước, 40 doanh nghiệp tư nhân, 40 dự án liên doanh và 100% vốn đầu tưnước ngoài cùng các tổ hợp đang hoạt động trong lĩnh vực dệt nhuộm Ngànhdệt may thu hút nhiều lao động góp phần giải quyết việc làm và phù hợp vớinhững nước không có nền công nghiệp nặng phát triển mạnh như nước ta.Tuy nhiên, hầu hết các nhà máy xí nghiệp dệt nhuộm ở ta đều chưa có hệthống xử lý nước thải mà đang có xu hướng thải trực tiếp ra sông, suối, ao,hồ… loại nước thải này có độ kiềm cao, độ màu lớn, nhiều hóa chất độc hạiđối với loài thủy sinh Ngân hàng Thế giới ước tính, ngành công nghiệp dệtnhuộm sử dụng 1/4 hóa chất toàn thế giới mỗi năm và 1/5 lượng nước ônhiễm toàn cầu do ngành công nghiệp này thải ra Và nếu không được xửlý,sau khi đi vào môi trường, chúng sẽ xâm nhập vào cơ thể, tích tụ lâu ngàygây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và động vật, đồng thờicòn phá hủy cảnh quan môi trường tự nhiên, làm mất cân bằng hệ sinh thái

Trước thực trạng đó, chúng ta cần đưa ra một số biện pháp thiết thực đểloại bỏ chất màu ra khỏi nước thải dệt nhuộm Cho đến nay, nhiều phương pháp

xử lý đã được nghiên cứu nhưng chưa có phương pháp nào thực sự hữu hiệu

đối với thuốc nhuộm Gần đây, một trong các phương pháp đang được nhiềungười quan tâm là việc sử dụng than hoạt tính được chế tạo từ các phụ phẩmcông nông nghiệp có nguồn gốc tự nhiên như xơ dừa, vỏ lạc, mạt cưa,chitosan, đài sen để làm vật liệu hấp phụ chất màu ra khỏi nước thải côngnghiệp dệt đã chứng minh là có hiệu quả mà không gây ra bất kỳ hiệu quả xấunào khác đối với môi trường.

Việt Nam là một trong 10 quốc gia có diện tích trồng tre lớn nhất thế giới

Do vậy, nguồn nguyên liệu từ tre vô cùng dồi dào Với những ưu điểm vượt trộinhư là chất khử mùi, kháng khuẩn tự nhiên, dễ phát triển mà không cần chămbón nên việc chọn tre để chế tạo than là giải pháp tối ưu trong việc xử lý nướcthải dệt nhuộm Với mong muốn tạo ra những sản phẩm có khả năng hấp phụ tốt,

chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo than từ tre, sử dụng tác nhân hoạt hóa KOH và khảo sát khả năng hấp phụ metyl da cam”.

Thực hiện đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về:

- Chế tạo vật liệu hấp phụ từ thân tre

- Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của vật liệu hấp phụ bằng phươngpháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tánsắc năng lượng (EDX), phổ hồng ngoại (IR)

- Khảo sát khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ metyl da cam của vật liệu hấp phụ chế tạo được

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Than hoạt tính

1.1.1 Định nghĩa

Than hoạt tính có tên tiếng anh (tên khoa học) là Activated Carbon

đây là một dạng Cacbon được hoạt hóa ở nhiệt độ cao bằng hơi nước từ 950 1200°C trong môi trường yếm khí

-Đây là một loại vật liệu có thành phần chính là cacbon ở dạng vô địnhhình chiếm từ 85 - 95% khối lượng, một phần nhỏ ở dạng tinh thể vụn graphit.Ngoài cacbon thì phần còn lại thường là tàn tro (mà chủ yếu là các kim loạikiềm và vụn cát) và các nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh, oxi, cósẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với cacbon trong quá trìnhhoạt hóa

Thành phần của than hoạt tính thông thường là: 88% C; 0,5% H;0,5%N; 1%S và 6-7% O Hàm lượng oxi có thể thay đổi từ 1-20% tùy thuộcvào nguyên liệu và cách điều chế than hoạt tính

Than hoạt tính có diện tích bề mặt rất lớn (từ 500 đến 2500 m2/g), là hệquả của cấu trúc xơ rỗng, nhờ đó nó có khả năng hấp phụ tốt nhiều loại hóachất Bề mặt riêng của than hoạt tính phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và đặcbiệt là phương thức chế tạo

Mỗi năm khoảng 150 nghìn tấn than hoạt tính dạng bột được sản xuất,cùng với khoảng 150.000 tấn than dạng hạt và 50.000 tấn dạng viên hoặcthanh

Nhiều nguyên liệu khác nhau có thể được sử dụng như gỗ, nhựa, đá haycác vật liệu tổng hợp để sản xuất than hoạt tính mà không cần đưa chúng vềdạng cacbon, đồng thời vẫn có được hiệu quả tương tự Than hoạt tính sau khi

sử dụng có thể được tái sinh (làm sạch hoặc giải hấp phụ) và có thể sử dụnghàng trăm, thậm chí hàng ngàn lần

Than hoạt tính được sản xuất từ các nguyên liệu tự nhiên bằng cách thanhóa và xử lý tiếp Trong quá trình này, một vài thành phần chuyển hóa thành khí

và bay hơi khỏi nguyên liệu ban đầu tạo thành các lỗ trống xốp (mao quản)

Hiện nay trên thị trường, than hoạt tính được bán dưới ba dạng:

1.1.2 Nguyên liệu chế tạo than hoạt tính

Nguồn nguyên liệu cho sản xuất than hoạt tính là những nguyên liệu cóhàm lượng cacbon cao nhưng lại chứa ít các thành phần vô cơ khác như gỗ,than non, than bùn, than đá,… Bên cạnh đó, rất nhiều loại chất thải nôngnghiệp như vỏ trấu, vỏ dừa,… cũng có thể chuyển thành than hoạt tính bởinguồn nguyên liệu này có sẵn, rẻ tiền, hàm lượng cacbon cao và các thànhphần vô cơ thấp

Có thể phân chia nguyên liệu thành ba nhóm như sau:

- Từ than đá, than bùn

- Từ thực vật: gỗ, bã mía, rơm rạ, vỏ quả, xơ dừa, bã cà phê…

- Từ động vât: xương, xúc tu các loài động vât

1.1.3 Đặc trưng cơ bản của than hoạt tính

Mỗi nhóm mao quản nhỏ, trung bình và lớn thể hiện một vai trò nhấtđịnh trong quá trình hấp phụ Mao quản nhỏ có diện tích bề mặt riêng chiếmtới 95% tổng diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính, đóng góp chủ yếu vàokhả năng hấp phụ của than hoạt tính Mao quản trung bình chiếm không quá5% tổng diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính Mao quản lớn có diện tích

bề mặt riêng rất nhỏ không vượt quá 0,5m2/g, đóng góp không đáng kể, chúnghoạt động như một kênh cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyển nhanh tới cácmao quản nhỏ hơn

1.1.3.2 Đặc tính hóa học bề mặt

Ngoài thành phần chính là cacbon, than hoạt tính còn chứa một lượng nhỏcác nguyên tố khác như hidro, oxi, lưu huỳnh, nitơ,…chúng được đưa vào thanhoạt tính cùng với nguyên liệu đầu và trong quá trình chế tạo Trên bề mặt thanhoạt tính luôn có một lượng oxi liên kết hoá học với nguyên tử cacbon, phức chấtcủa oxi với cacbon trên than hoạt tính được gọi là các hợp chất bề mặt hay cácnhóm chức bề mặt Tuỳ theo điều kiện và phương pháp điều chế than hoạt tính

mà lượng oxi tham gia hợp chất bề mặt có thể thay đổi

Do đặc điểm hoạt động của các nguyên tử cacbon, các oxit bề mặtthường có ở rìa các vi tinh thể và ở các liên kết ngang trên bề mặt than Cácoxit bề mặt ảnh hưởng đến tính chất phân cực của bề mặt than tạo nên tính ưanước Khả năng hấp phụ của than hoạt tính với các chất phân cực khác nhaucũng phụ thuộc vào các nhóm chức bề mặt này [15]

Các nhóm chức bề mặt của than hoạt tính biểu hiện một trong hai đặctính: axit hoặc bazơ Đặc trưng cho các nhóm chức bề mặt axit là các nhómcacboxyl, lacton, hydroxyl và đặc trưng cho các nhóm chức bề mặt bazơthường là các nhóm amin, pyron, chromen [24] Các nhóm chức có đặc tínhaxit, đặc biệt là nhóm cacboxyl làm cho bề mặt của than phân cực hơn và do

đó làm tăng ái lực của chúng với nước do tạo thành liên kết hiđro

Hình 1.2: Các nhóm chức thường gặp trên bề mặt than hoạt

tính 1.1.4 Quy trình chế tạo than hoạt tính

Quy trình chế tạo than hoạt tính thường được tiến hành theo hai giaiđoạn: than hóa và hoạt hóa.

1.1.4.1 Quá trình than hóa

Than hóa là quá trình dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu ban đầu vềdạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số hợp chất hữu cơ nhẹ, tạo maoquản ban đầu cho than Để tránh hiện tượng tro hóa, quá trình than hóa đượcthực hiện trong môi trường khí trơ, trong lò yếm khí hoặc chân không Nhiệt

độ than hoá thường trong khoảng 350 - 5000C, nhiệt độ quá cao làm cho than

bị trơ khó hoạt hoá Quá trình than hóa có thể thực hiện trong cả ba pha rắn,lỏng và khí tùy thuộc vào nguyên liệu ban đầu

- Than hóa trong pha rắn: Nguyên liệu ban đầu có bản chất thực vật như

gỗ, tre, sọ dừa, vỏ lạc, vỏ trấu, chúng được cấu tạo từ những hệ phân tử lớn

Sử dụng nhiệt độ để phân hủy và phá vỡ những liên kết nhằm tạo ra nhữngphân tử nhỏ hơn

Trong quá trình này, một số chất dễ phân hủy thường được giải phóngdưới dạng khí hoặc chất lỏng để lại các mao quản như đã nêu trên Than thuđược, do đó luôn có tỷ trọng nhỏ hơn nguyên liệu ban đầu

- Than hóa trong pha lỏng: Nguyên liệu ban đầu là vòng thơm, hắc ín, quátrình than hóa có cơ chế hoàn toàn khác với pha rắn Than tạo ra có dạng graphitkhông có mao quản, để tạo ra mao quản cần có sự tác động lên các lớp graphit

- Than hóa trong pha khí: Nguyên liệu ban đầu là những ankan nhưmetan, propan hoặc benzen trộn với khí heli Quá trình than hóa được thựchiện ở áp suất tương đối thấp

Đối với các loại nguyên liệu ban đầu khác nhau thì cách thức hình thànhmao quản ban đầu cũng như cơ chế hình thành than có đặc điểm riêng và hoàntoàn khác nhau Do đó, nguồn nguyên liệu khác nhau sẽ tạo ra những cấu trúcthan hoạt tính khác nhau Sau quá trình than hóa, than thu được có diện tích

bề mặt thấp, độ xốp không cao, hệ thống mao quản chưa phát triển Để tăngkhả năng hấp phụ của than, ta phải tiến hành bước tiếp theo là hoạt hóa than.

1.1.4.2 Quá trình hoạt hóa

Hoạt hóa là quá trình nâng cao hoạt tính cho than sau quá trình thanhóa Bản chất của hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbondưới tác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa, nhằm tạo độ xốp cho than bằngmột hệ thống mao quản có kích thước khác nhau, ngoài ra còn có thể tạo racác tâm hoạt động bề mặt Có hai phương thức hoạt hóa là hoạt hóa vật lý vàhoạt hóa hóa học

a Hoạt hóa vật lý (Hoạt hóa nhiệt)

Hoạt hóa vật lý thường được tiến hành ở nhiệt độ từ 800 - 1100oC vớitác nhân hoạt hóa là hơi nước, CO2 và oxi không khí Khi hoạt hóa bằng oxikhông khí, cacbon sẽ bị oxi hóa thành CO2, vì thế cần kiểm soát không khítrong quá trình hoạt hóa Các phản ứng hóa học xảy ra:

+ Hoạt hoá bằng oxi không khí:

Cn + O2 → CO + Cn-1 + Q (thiếu oxy)

Cn + O2 → CO2 + Cn-1 + Q (thừa oxy)+ Hoạt hoá bằng hơi nước:

Cn + H2O → CO + Cn-1 + H2 - QC+H2O→CO+H2

CO+C(O)→CO2+C+ Hoạt hoá bằng CO2:

C+CO2→CO+C(O)C(O) → CO

CO + C → C(CO)Các khí thoát ra ngoài và để lại lỗ trống trên bề mặt than Đây chính lànhững mao quản được hình thành trong quá trình hoạt hóa Ban đầu các maoquản tạo ra có kích thước nhỏ Nếu thời gian tiếp xúc càng kéo dài thì

kích thước các mao quản sẽ ngày càng tăng lên Tùy thuộc vào đặc tính củathan hoạt tính cần sử dụng mà chúng ta sẽ chọn điều kiện hoạt hóa hợp lý[15] Hoạt hóa vật lý thường được áp dụng cho than có cấu trúc rắn chắc nhưthan có nguồn gốc từ than đá, than bùn, xơ dừa, vỏ lạc, gỗ

b Hoạt hóa hóa học

Tác nhân hoạt hóa thường dùng là các hợp chất hóa học như ZnCl2,

Na2CO3, K2CO3, H3PO4,… Than sau khi than hóa được trộn với các chất hoạthóa Quá trình hoạt hóa thường được tiến hành ở nhiệt độ 450 - 9000C

Các chất hoạt hóa có tác dụng như chất ổn định, đảm bảo rằng thankhông bị xẹp trở lại Chúng sẽ lấp đầy các mao quản ban đầu và mở rộng kíchthước của chúng Kết quả là than sau khi hoạt hóa sẽ có cấu trúc rất xốp vàthường chứa đầy các chất hoạt hóa Sau đó than được rửa sạch và tiếp tục cácbước sản xuất tiếp theo Hoạt hóa hóa học thường được sử dụng nhiều hơn do

ưu điểm về nhiệt độ cũng như thời gian hoạt hóa so với hoạt hóa vật lý [15].Hoạt hóa hóa học thường được áp dụng cho than có nguồn gốc thực vật

Hiện nay với công nghệ mới nhất, quy trình sản xuất than hoạt tính chỉcòn duy nhất 1 công đoạn là đưa nguyên liệu vào lò Lò này sẽ xử lý cả 2 quy

trình than hoá và hoạt hoá một cách liền mạch, thống nhất để cho ra sản phẩmchất lượng nhất.

1.2 Nước thải dệt nhuộm

1.2.1 Đặc điểm về ngành dệt nhuộm

Trong những năm gần đây, công nghiệp dệt Việt Nam có những bướcphát triển đáng kể, điều đó không chỉ do nhu cầu may mặc ngày càng cao, màcòn do công nghệ tiên tiến tạo ra nhiều loại sản phẩm, mẫu mã đa dạng, chấtlượng cao, bắt kịp thị hiếu người tiêu dùng Dệt may hiện đang là mặt hàngxuất khẩu mũi nhọn, kim ngạch xuất khẩu ngày càng tăng Kim ngạch xuấtkhẩu hàng dệt may Việt Nam năm 2019 được thể hiện qua bảng:

Bảng 1.1: Kim ngạch xuất khẩu hàng dệt may Việt Nam năm 2019

Kim

ngạch 39 tỷ 15,2 tỷ 4,25 tỷ 4,2 tỷ 4 tỷ 4,4 tỷ 2,1 tỷxuất

khẩu

(USD)

Nhìn vào kim ngạch xuất khẩu hàng dệt may đem lại có thể thấy đây làngành công nhiệp chủ lực, đưa Việt Nam phát triển hơn trên thị trường Thếgiới Bên cạnh đó, ngành công nghiệp dệt nhuộm cũng có nhiều thay đổi,không chỉ còn những nhà máy, xí nghiệp quốc doanh, mà ngày càng có nhiều

xí nghiệp mới ra đời Kết quả khảo sát cho thấy hầu hết các nhà máy đều nhậpthiết bị, hoá chất từ nhiều nước khác nhau:

- Thiết bị: Mỹ, Đức, Nhật, Ba Lan, Ấn Độ, Đài Loan, …

- Thuốc nhuộm: Nhật, Đức, Thụy Sĩ, Anh, …

- Hóa chất cơ bản: Trung Quốc, Ấn Độ, Đài Loan, Việt Nam, …

Tuy nhiên, với khối lượng lớn hóa chất sử dụng, nước thải ngành dệtnhuộm có mức ô nhiễm cao do một lượng lớn chất nhuộm màu đã bị thải ramôi trường, đã và đang ngày càng gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng đối với

hệ sinh thái

Công nghiệp dệt sử dụng một lượng lớn nước và nước thải ngành dệt làtổng hợp nước thải công nghiệp phát sinh từ tất cả các công đoạn hồ sợi, nấutẩy, tẩy trắng, làm bóng sợi, nhuộm in và hoàn tất, trong đó, chủ yếu là nướcdùng cho quá trình nhuộm và hoàn tất sản phẩm Mặc dù thành phần chất rắn

lơ lửng gồm dư lượng chất nhuộm đã liên tục giảm xuống nhờ áp dụng côngnghệ mới, song do tác hai của chúng đối với hệ sinh thái, cũng như việc thải

ra một lượng nước thải quá lớn, dệt nhuộm được đánh giá là ngành côngnghiệp gây ô nhiễm nhất trong số các ngành công nghiệp Và các chất nhuộm

là tác nhân gây ô nhiễm cần phải loại bỏ để làm sạch môi trường vì chúng làmcho dòng nước thải có màu đậm đặc, ngăn cản quá trình quang hợp của cácthực vật, gây tác động xấu đối với hệ sinh thái

1.2.2 Nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm

Trong quá trình sản xuất, nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm chủ yếu

ở các khâu giặt, làm mềm vải hay nhuộm

Nước được sử dụng rất nhiều trong quá trình xử lý vải ướt Lượng nước

sử dụng thay đổi theo từng công đoạn và mặt hàng xử lý Trong cùng mộtcông đoạn thì việc sử dụng nước thải cũng khác nhau tùy theo loại thiết bị Cókhoảng 88% nước sử dụng được thải ra dưới dạng nước thải và 12% thoát ra

do bay hơi

Hình 1.4: Sơ đồ nguồn phát sinh nước thải trong quy trình nhuộm [21] 1.2.3 Sơ lược về thuốc nhuộm

1.2.3.1 Khái niệm về thuốc nhuộm

Thuốc nhuộm là tên chỉ chung của những chất hữu cơ có màu, hấp thụmạnh một phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả nănggắn kết vào vật liệu dệt trong những điều kiện quy định (tính gắn màu)

Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp Hiện naycon người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp Đặc điểm nổi bật củacác loại thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy Màu sắccủa thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học: một cách chung nhất, cấutrúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu.

Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệelectron π không cố định như:  C  C  ,  C  N ,  N  N , NO2 …

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

COOH , SO3 H , OH … đóng vai trò tăng cường của nhóm mang màu bằng

cách dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử [8]

1.2.3.2 Phân loại về thuốc nhuộm

a Phân loại theo cấu trúc hoá học

Nó có thể được chia thành: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm anthraquinone, thuốc nhuộm arylmethane, thuốc nhuộm chàm, thuốc nhuộm lưu huỳnh, thuốc nhuộm phthalocyanine, thuốc nhuộm nitro và nitroso, ngoài các loại thuốc nhuộm cấu trúc khác, như thuốc nhuộm methine và polymethine thuốc nhuộm.

b Phân loại theo đặc tính áp dụng

Nó có thể được chia thành: thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm axit,thuốc nhuộm cation, thuốc nhuộm hoạt tính, thuốc nhuộm azo không hòa tan,thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lưu huỳnh,thuốc nhuộm polycondensation, chất làm trắng huỳnh quang, ngoài ra, thuốcnhuộm oxy hóa cho vải dệt, thuốc nhuộm dung môi, thuốc nhuộmpolypropylen và màu thực phẩm cho thực phẩm

Ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến thuốc nhuộm nhằm làm sáng tỏ hơn về loại thuốc nhuộm sử dụng trong phần thực nghiệm của luận văn

Thuốc nhuộm azo: Nhóm mang màu là nhóm azo phân tử thuốc nhuộm

có một nhóm azo (monoazo) hay nhiều nhóm azo (điazo, triazo, polyazo) [8]

1.2.3.3 Khái quát về thuốc nhuộm metyl da cam

a Giới thiệu chung về metyl da cam (metyl orange - MO)

Công thức phân tử: C14H14N3NaO3S

Công thức cấu tạo:

Hình 1.5.a: Công thức cấu tạo Hình 1.5.b: Mô hình phân tử

Tên của metyl da cam:

- Tên thông thường : metyl da cam (MO)

- Tên quốc tế : Natri para - đimetylaminoazobenzensunfonat

MO trong nước được dùng làm chất chỉ thị chuẩn độ axit - bazơ vì có

độ tinh khiết cao và có khả năng thay đổi màu sắc khi pH của môi trường thayđổi tại một điểm cố định, có màu đỏ trong môi trường axit, màu vàng da camtrong môi trường kiềm, khoảng pH chuyển màu: 3,1 - 4,4

MO là hợp chất azo do có chứa nhóm mang màu N = N, có tính chấtlưỡng tính với hằng số axit Ka=4.10 44[8]

Cơ chế đổi màu của metyl da cam:

Trong môi trường kiềm và trung tính, nó có màu vàng là màu của anion Trong môi trường axit, anion này kết hợp với proton (H + ) chuyển thànhcation màu đỏ

Metyl da cam thường được sử dụng để nhuộm trực tiếp các loại sợiđộng vật, các loại sợi có chứa nhóm bazơ như len, tơ tằm, sợi tổng hợppolyamit trong môi trường axit, ngoài ra cũng có thể nhuộm xơ sợi xenlulozơvới sự có mặt của urê Cơ chế nhuộm màu được mô tả như sau:

b Đặc tính nguy hiểm của MO

MO là một chất có độc tính mạnh, khi tiếp xúc nếu không cẩn thận sẽgây ra nhiều nguy hại ảnh hưởng tới sức khỏe

Khi tiếp xúc với da, mắt, nuốt hay hít phải đều vô cùng nguy hiểm Nếuđộc tính xâm nhập vào trong cơ thể hoặc tiếp xúc quá liều sẽ làm cho chất độctích tụ trong các cơ quan nội tạng, lâu ngày có thể gây ra tử vong

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 tớiung thư đường ruột [10]

1.2.4 Các phương pháp xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm

Phương pháp trung hòa: thực hiện bằng cách trộn dòng nước thải có tính axit với dòng nước thải tính kiềm Ngoài ra, một cách khác có thể làm là

trộn các hóa chất phù hợp vào để điều chỉnh độ pH Phương pháp trung hòathường được thực hiện ở công trình bể điều hòa hoặc bể thu gom

Phương pháp keo tụ: là một trong những phương pháp được sử dụng

nhiều nhất để xử lý nước thải dệt nhuộm Các loại phèn nhôm hay phèn sắtthường được sử dụng để khử màu và một phần COD Để hiệu quả, người ta sẽdùng chung với sữa vôi như sunfat sắt hoặc sunfat nhôm hoặc là cả hai loạiphèn này và hydroxit canxi Ở quy mô công nghiệp thì người ta sẽ sử dụngphương pháp keo tụ điện hóa để khử màu

Phương pháp hấp phụ: Những chất không có khả năng phân hủy sinh

học hoặc khó xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ được xử lý bằng phươngpháp hấp phụ.Đây là một trong những phương pháp xử lý màu trong nước thảidệt nhuộm Thường thì màu nước thải chứa thuốc nhuộm hòa tan hoặc thuốcnhuộm hoạt tính sẽ ứng dụng tốt nhất

Phương pháp oxy hóa: Đặc thù riêng của nước thải ngành dệt nhuộm là

chứa nhiều thuốc nhuộm Cấu trúc hóa học của các thuốc nhuộm này rất phứctạp Do vậy, khi thực hiện phương pháp này để xử lý màu thì phải sử dụng cácchất oxy hóa mạnh Hiện nay, chất oxy hóa được dùng phổ biến nhất là ozonvới khả năng khử màu cực kì tốt

Phương pháp màng: được dùng để thu hồi hóa chất rồi tái sử dụng Phương pháp sinh học: Trong nước thải dệt nhuộm, có nhiều chất có khả năng phân hủy sinh học Do đó có thể sử dụng phương pháp sinh học để

xử lý nước thải hiệu quả

Cho đến nay, nhiều loại vật liệu hấp phụ đã được nghiên cứu như thanhoạt tính, bùn hoạt hóa, vật liệu gel , trong đó cacbon thương mại được xem

là VLHP hiệu quả nhất Tuy nhiên do giá thành khá cao, nên nhiều loại vậtliệu hấp phụ giá rẻ nguồn gốc tự nhiên khác như mạt cưa, than bùn, rơm rạ,chitosan, than tre…đã được nghiên cứu làm vật liệu thay thế

1.3.1 Hiện tượng hấp phụ

Hấp phụ là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn khí, rắn - lỏng, khí - lỏng, lỏng - lỏng) Chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khảnăng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó.được gọi là chất hấpphụ; còn là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấpphụ gọi là chất bị hấp phụ

-Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chấthấp phụ và chất bị hấp phụ Tùy theo bản chất của lực tương tác mà người taphân biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

1.3.1.1 Hấp phụ vật lý

Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander Walls giữaphân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba loại lực: cảmứng, định hướng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ Vì vậy hấp phụvật lý có tính thuận nghịch cao

Hấp phụ vật lý không có tính chọn lọc Quá trình hấp phụ vật lý là mộtquá trình thuận nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấpphụ Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2÷6 kcal/mol Sự hấp phụvật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học của bề mặt, không có sự biến đổi cấutrúc của các phân tử chất hấp phụ và bị hấp phụ

1.3.1.2 Hấp phụ hóa học

Hấp phụ hóa học được gây ra bởi các liên kết hóa học (liên kết cộnghóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí,…) Trong hấp phụ hóa học có sự trao đổielectron giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Cấu trúc electron phân tử

các chất tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình thànhliên kết hóa học Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22kcal/mol.

Hấp phụ hóa học đòi hỏi phải có ái lực hóa học giữa bề mặt chất hấpphụ và chất bị hấp phụ, do đó mang tính đặc thù rõ rệt Đây không phải là mộtquá trình thuận nghịch

Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ

là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt Trong nhiều quá trình hấpphụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Ở vùng nhiệt độthấp thường xảy ra hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lýgiảm, khả năng hấp phụ hóa học tăng lên

1.3.2 Hấp phụ trong môi trường nước

Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phứctạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất 3 thành phần gây tương tác là nước,chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ xảy

ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất hấp phụ và dung môi trên bề mặtchất hấp phụ Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó Tínhchọn lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố như: độ tan của chất bịhấp phụ trong nước, tính ưa nước, tính kị nước của chất hấp phụ, mức độ kịnước của các chất bị hấp phụ trong môi trường nước

So với hấp phụ trong pha khí, hấp phụ trong môi trường nước thường

có tốc độ chậm hơn nhiều Đó là do tương tác giữa chất bị hấp phụ với dungmôi nước và với bề mặt chất hấp phụ làm cho quá trình khuếch tán của cácphân tử bị chậm lại

Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH củamôi trường Sự thay đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất chất bịhấp phụ (các chất có tính axit yếu, bazơ yếu hay trung tính phân li khác nhau

ở các pH khác nhau) mà còn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề mặtchất hấp phụ

Các chất hữu cơ có độ tan trong nước khác nhau Khả năng hấp phụtrên VLHP đối với các chất hữu cơ có độ tan cao sẽ yếu hơn với các chất hữu

cơ có độ tan thấp hơn Như vậy, từ độ tan của chất hữu cơ trong nước có thể

dự đoán khả năng hấp phụ chúng lên VLHP Phần lớn các chất hữu cơ tồn tạitrong nước dạng phân tử trung hoà, ít bị phân cực Do đó quá trình hấp phụtrên VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơ chế hấp phụ vật lý Khả nănghấp phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụ thuộc vào: pH của dung dịch, lượngchất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ…[4]

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

Có 3 yếu tố chính ảnh hưởng đến sự hấp phụ của các chất lên bề mặtchất rắn, đó là:

 Nồng độ của chất tan trong chất lỏng (hoặc áp suất đối với chất khí).

 Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi tăng nhiệt độ, sự hấp phụ trong dung dịch giảm nhưng thường ở mức độ ít.

 Quá trình hấp phụ cạnh tranh đối với các chất bị hấp phụ

Ngoài ra, còn một vài yếu tố khác như sự thay đổi diện tích bề mặt củachất hấp phụ và sự thay đổi pH của dung dịch [8]

1.3.4 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước

Hấp phụ trong môi trường nước là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ítnhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ

Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và

có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bịhấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơnthì hấp phụ xảy ra với cặp đó

Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan củachất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức

độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước

19

Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH củadung dịch Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ

và chất hấp phụ Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kíchthước mao quản,… cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ

Đối với các hợp chất hữu cơ, trong môi trường nước chúng có độ tankhác nhau do đó khả năng hấp phụ chúng trên vật liệu hấp phụ là khác nhau.Phần lớn các chất hữu cơ tồn tại trong nước dạng phân tử trung hòa, ít bị phâncực nên quá trình hấp phụ trên vật liệu hấp phụ đối với chất hữu cơ chủ yếutheo cơ chế hấp phụ vật lý Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên vật liệuhấp phụ phụ thuộc vào: pH của môi trường, lượng chất hấp phụ, nồng độ chất

bị hấp phụ… [8]

1.4 Phương pháp phân tích xác định hàm lượng metyl da cam

Để xác định hàm lượng metyl da cam chúng tôi phương pháp phổ hấpthụ phân tử UV-Vis

Từ phương trình cơ sở A = K.(C x ) b về nguyên tắc, để xây dựng mộtđường chuẩn phục vụ cho việc định lượng một chất trước hết phải pha chếmột dung dịch chuẩn có nồng độ hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng nồng độtuyến tính (b=1) Tiến hành đo độ hấp thụ quang của dãy dung dịch chuẩn đó

Từ các giá trị độ hấp thụ quang A đo được dựng đồ thị A = f (C), đồ thị A = f(C), gọi là đường chuẩn

Sau khi có đường chuẩn, pha chế các dung dịch cần xác định trong điềukiện giống như xây dựng đường chuẩn Đo độ hấp thụ quang A của chúng vớiđiều kiện như khi xây dựng đường chuẩn (cùng dung dịch so sánh, cùngcuvet, cùng bước sóng) được giá trị Ax Áp các giá trị đo được vào đườngchuẩn sẽ tìm được các giá trị nồng độ Cx tương ứng

1.5 Một số hướng nghiên cứu về than tre và hấp phụ metyl da cam

Trên thế giới đã có một số nhà khoa học nghiên cứu biến tính thân tre

để làm vật liệu hấp phụ xử lý mPSPôi trường như các nhà khoa học ở TháiLan, Ấn độ,Trung Quốc …

Tác giả T Horikawa (Nhật) cùng cộng sự đã chế tạo thành công thanhoạt tính có nguồn gốc từ tre với tác nhân K2CO3 Kết quả nghiên cứu chothấy diện tích bề mặt của than tăng lên rất nhiều (khoảng 2175m2/g) cao gấp2,5 lần và thể tích lỗ xốp tăng gấp 3 lần so với than tre điều chế được khikhông có tác nhân hoạt hóa [34].

Tác giả B.H.Hameed cùng cộng sự (Malaysia) đã điều chế than hoạt tính

từ tre bằng cách hoạt hóa với KOH, nung ở 850°C trong 2 giờ với sự có mặt của

CO2 Than hoạt tính sau đó được hấp phụ metylen xanh cho khả năng hấp phụcực đại là 454,2 mg/g Nghiên cứu động học hấp phụ cho thấy sự hấp phụmetylen xanh trên than hoạt tính tuân theo mô hình động học giả bậc 2 [23]

Nhóm nghiên cứu của Enbo Yang (Trung Quốc) đã nghiên cứu chế tạothan sinh học có nguồn gốc từ tre để hấp phụ Dibenzothiophene Trong côngtrình này, than sinh học có nguồn gốc từ tre được hoạt hóa bằng ZnCl2, sau đóoxy hóa bằng HNO3 đậm đặc Kết quả nghiên cứu cho thấy, than sinh họcđược thu được có thể loại bỏ 96% sunfua và dung lượng hấp phụ cực đại đạt38,4 mg-S/g - vượt trội hơn nhiều so với than hoạt tính thương mại (AC) Hơnnữa, than sinh học chế tạo được có thể tái sử dụng được ba lần mà khả nănghấp phụ giảm không đáng kể [24]

Eva Viglašová và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo, đặc tính hóa lý và khảnăng hấp phụ nitrat của composit tre/montmorillnit Các dữ liệu thực nghiệmcho thấy than tre có khả năng hấp phụ tốt nhất ở pH=4 Việc loại bỏ nitrat đạtđược rất nhanh, chỉ sau 10 phút Dung lượng hấp phụ cực đại của than là 5mg/g, của hỗn hợp than và montmorillonite là 9 mg/g Kết quả nghiên cứucho thấy composite đem lại hiệu quả trong xử lý nước thải công nghiệp hoặcnước thải có chứa các chất gây ô nhiễm anion như nitrat [25]

Nhóm tác giả Rui Wang, Yoshimasa Amano, Motoi Machida (NhậtBản) đã nghiên cứu tính chất bề mặt và khả năng hấp phụ - giải hấp phụ hơinước của than và than hoạt tính điều chế từ tre Trong nghiên cứu này, than và

than hoạt tính từ tre được điều chế bằng cách than hóa với sự có mặt N2, hoạthóa CO2 và amoni hóa ở 500-900ºC, oxi hóa bằng HNO3 ở nhiệt độ phòng.Các kết quả cho thấy quá trình than hóa tốt nhất ở 700ºC, diện tích bề mặttương đối lớn (S = 1430 m2/g) và thể tích lỗ xốp meso là V = 0,2cm3/g; độrộng/ chiều ngang lỗ xốp là 2,67 nm [29].

Tác giả S.K Ghosh, A Bandyopadhyay (Ấn Độ) nghiên cứu sự hấpphụ xanh metylen của tre đã được xử lý bằng axit citric Đã xác định các đặctrưng của chất hấp phụ: tỉ trọng, điểm đẳng điện (6,6), kích thước hạt(32,53μm); đặc điểm bề mặt được phân tích bằng SEM, BET (393,3 mm); đặc điểm bề mặt được phân tích bằng SEM, BET (393,3 m2 /g) vàFTIR Các thí nghiệm đã được thực hiện nồng độ đầu (100 đến 400 mg/L),thời gian tiếp xúc (10 đến 100 phút), lượng chất hấp phụ (0,2 đến 1,4 g/L), tốc

độ lắc (50 đến 350 vòng/phút) và nhiệt độ (290 đến 305K) ở pH tự nhiên là7,5 Sự hấp phụ tuân theo mô hình động học giả bậc 2 Đã xác định các thông

số nhiệt động ( G0: 33,70 đến −25,43 kJ/mol; H0: 134,97 kJ/mol; S0: 554,51J/mol K) ; năng lượng hoạt hóa: 84,078 kJ/mol Kết quả nghiên cứu cho thấy,chất hấp phụ có khả năng loại bỏ xanh metylen cao (99,97%), dung lượng hấpphụ cực đại cao (725 mg/g), pH dung dịch thu được sau hấp phụ nằm tronggiới hạn xả an toàn [31]

Nhóm tác giả Huan Xu […] đã nghiên cứu cơ chế hấp phụ thủy ngân bởithan tre biến tính bằng HNO3 Các thí nghiệm hấp phụ được tiến hành bằng cách

sử dụng lò phản ứng ở nhiệt độ 120°C - 160°C Nghiên cứu các đặc trưng chấthấp phụ bằng các phương pháp: SEM, BET, FTIR và XPS Các nhóm chức chứaoxy như cacboxyl, cacboxylat và cacbonyl được quan sát thấy trên mẫu than trebiến tính Các thí nghiệm hấp phụ cho thấy các mẫu than tre biến tính có khảnăng hấp phụ thủy ngân tốt hơn so với mẫu không biến tính [27]

Samorn Hirunpraditkoon cùng cộng sự đã nghiên cứu chế tạo than hoạttính từ đồ dùng làm từ tre trong gia đình bị thải bỏ bằng cách hoạt hóa hóa học(dùng KOH) Quá trình than hóa diễn ra ở 800oC trong 1 - 3 giờ với sự có mặt

của nitơ Than chế tạo được có diện tích bề mặt (1281,7-1532,8 m2/g) và thểtích lỗ xốp (0,4246-0,4911cm3/g) lớn hơn than hoạt tính thương mại; chỉ sốiot lớn (811,2 - 850,4 mg/g); khả năng hấp phụ xanh metylen của than chế tạođược thấp hơn so với iot [30].

LS Chan, WH Cheung và G McKay nghiên cứu hấp phụ thuốc nhuộmaxit bằng than hoạt tính có nguồn gốc từ tre Trong nghiên cứu này, than hoạttính được chế tạo bằng cách hoạt hóa tre với axit photphoric Hai loại thuốcnhuộm axit với kích thước phân tử khác nhau đã được sử dụng, đó là AcidYellow 117 (AY117) và Acid Blue 25 (AB25) Kết quả nghiên cứu cho thấythuốc nhuộm có kích thước phân tử nhỏ hơn - AB 25- dễ dàng được hấp phụlên than trong khi thuốc nhuộm kích thước lớn hơn- AY117- hấp phụ ít Cóthể dùng than này cho hấp phụ hỗn hợp thuốc nhuộm áp dụng trong côngnghiệp, đặc biệt là công nghiệp dệt nhuộm [28]

Ở Việt Nam có một số công bố hấp phụ metyl da cam bởi các chất hấp phụ có nguồn gốc xenlulozơ:

Tác giả Nguyễn Trung Thành cùng các cộng sự, trung tâm trắc quang

và kỹ thuật tài nguyên môi trường An Giang đã nghiên cứu và chứng minhđược khả năng hấp phụ metyl da cam của tro trấu từ lò đốt gạch thủ công với200mg tro trấu (đã hoạt hoá với hàm lượng HF trong dung dịch là 10% thểtích) có khả năng loại bỏ 99% metyl da cam từ 50mL dung dịch metyl da cam(10mg/L) với thời gian hấp phụ là 30 phút ở pH =5 [16]

Nhóm nghiên cứu 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 tínhbằng phương pháp kết hợp hoạt hóa với từ hóa từ sợi cây dứa bà (dứa mỹ) Sợidứa bà được hoạt hóa kết hợp từ hóa với muối sắt trong axit nitric ở nhiệt độ cao,sau đó thử nghiệm khả năng hấp thụ của chúng với một số chất hữu cơ trongdung dịch nước Kết quả cho thấy, than hoạt tính từ tính dạng sợi được chế tạobằng phương pháp mới có khả năng hấp phụ metyl da cam và phenol

trong dung dịch nước cao hơn so với than hoạt tính gáo dừa thương phẩm Từtính cao của than hoạt tính dạng sợi còn cho phép tách than khỏi dung dịchmột cách triệt để và dễ dàng bằng hệ lọc từ, mở ra triển vọng cải tiến côngnghệ xử lý nước bằng vật liệu hấp phụ có từ tính và hệ lọc từ [34].

Tác giả Nguyễn Thùy Linh đã nghiên cứu khả năng hấp phụ xanh metylen, metyl da cam của vật liệu hấp phụ chế tạo từ thân cây sen Kết quả nghiên cứu cho thấy ở 25±1ºC thì đối với xanh metylen thời gian cân bằng hấp phụ là 60 phút, pH = 8,0 còn đối với metyl da cam là 150 phút, pH là 2,0 Và dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu hấp phụ đối với xanh metylen theo mô hình đẳng nhiệt Langmuỉ là 109,89 mg/g, đối với metyl da cam là 31,55 mg/g [8].

Tác giả Phùng Thị Ngọc Anh nghiên cứu chế tạo than tre sử dụng tácnhân hoạt hóa H3PO4 và khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh Nghiêncứu cho thấy thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 90 phút Giá trị pH hấp phụ tốtnhất là 7 Trong khoảng khối lượng than tre đã khảo sát thì hiệu suất hấp phụtăng tuyến tính theo khối lượng, khối lượng tối ưu là 0,03g (ứng với nồng độđầu của metylen xanh = 200 mg/L; Vdd= 25 mL) [1]

Một số tác giả khác cũng tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ hợp chất màu của các loại vật liệu hấp phụ khác nhau như: vỏ trấu, sợi cacbon và sợi đay, vỏ cam… Kết quả thu được cho thấy khả năng hấp phụ của các vật liệu hấp phụ đối với không chỉ metyl da cam mà các thuốc nhuộm khác đều cho hiệu suất khá cao.

1.6 Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu

1.6.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)

Nguyên tắc của phương pháp hiển vi điện tử quét là dùng chùm điện tửquét lên bề mặt mẫu vật và thu lại chùm tia phản xạ Qua việc xử lý chùm tiaphản xạ này, có thể thu được những thông tin về hình ảnh bề mặt mẫu để tạoảnh của mẫu nghiên cứu

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét cho phép quan sát mẫu với độphóng đại rất lớn, từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần

Chùm điện tử được tạo ra từ catot qua hai tụ quang sẽ được hội tụ lênmẫu nghiên cứu Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ thứcấp Mỗi điện tử phát ra này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổithành tín hiệu sáng, chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo

độ sáng trên màn hình

Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình Độ sáng tốitrên màn hình phụ thuộc lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu, đồng thời cònphụ thuộc bề mặt của mẫu nghiên cứu Ưu điểm của phương pháp SEM là có thểthu được bức ảnh ba chiều rõ nét và không đòi hỏi khâu chuẩn bị mẫu quá phứctạp.Tuy nhiên phương pháp này cho độ phóng đại nhỏ hơn phương pháp TEM

Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) được tiến hành tại Viện Kỹthuật nhiệt đới-Viện Hàn lâm KH & CN Việt Nam

1.6.2 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET)

Hiện nay phương pháp BET được ứng dụng rất phổ biến để xác địnhdiện tích bề mặt riêng của các chất hấp phụ rắn

Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng phương trình BET ở dạng sau:

P  1  (C 1)P V(P  P)0 V C m V CP m0 (1.11)Trong đó:

- V là thể tích chất bị hấp phụ tính cho một gam chất rắn

- Vm là thể tích chất hấp phụ cần thiết để tạo một lớp đơn phân tử chất

bị hấp phụ trên bề mặt một gam chất ở áp suất cân bằng P

1.6.3 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng (EDX)

Phổ tán sắc năng lượng là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vậtrắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ(mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử)

Kỹ thuật EDX chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử ở đó, ảnh

vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có nănglượng cao tương tác với vật rắn Khi chùm điện tử có năng lượng lớn được chiếuvào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớpđiện tử bên trong của nguyên tử Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X

có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luậtMosley Có nghĩa là, tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗichất có mặt trong chất rắn Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ chothông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thôngtin về tỉ phần các nguyên tố này

1.6.4 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

Phổ hồng ngoại dùng để xác định cấu trúc phân tử của chất cần nghiêncứu, dựa vào các tần số đặc trưng trên phổ của các nhóm chức trong phân tử.Phổ hồng ngoại chính là phổ dao động - quay vì khi hấp thụ bức xạ hồngngoại thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay của các nhóm chứcđều bị kích thích Phổ dao động - quay của phân tử được phát sinh ra do sựchuyển dịch giữa các mức năng lượng dao động và quay (liên quan đến sựquay của phân tử xung quanh trục liên kết) Dạng năng lượng được sinh ra khichuyển dịch giữa các mức này ở dạng lượng tử hóa, nghĩa là chỉ có thể biếnthiên một cách gián đoạn Hiệu số năng lượng (phát ra hay hấp thụ) được tínhtheo công thức Bohr:

Trong đó, ΔE = hνE là biến thiên năng lượng, h là hằng số Planck, ν là tần số dao động (số dao động trong một đơn vị thời gian)