Nghiên cứu biến tính mùn cưa làm vật liệu hấp phụ chất màu hữu cơ trong nước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA ------ PHAN THỊ KIM OANH Nghiên cứu biến tính mùn cưa làm vật liệu hấp phụ chất màu hữu cơ trong nước KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HÓA

- -

PHAN THỊ KIM OANH

Nghiên cứu biến tính mùn cưa làm vật liệu hấp

phụ chất màu hữu cơ trong nước

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CỬ NHÂN KHOA HỌC

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ô nhiễm môi trường nước hiện nay là một vấn đề được toàn xã hội quan tâm Ở Việt Nam đang tồn tại một thực trạng đó là nước thải ở hầu hết các cơ sở sản xuất chỉ được xử lí sơ bộ thậm chí thải trực tiếp ra môi trường Hậu quả là môi trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm nghiêm trọng Vì vậy, bên cạnh việc nâng cao ý thức của con người, siết chặt công tác quản lí môi trường thì việc tìm ra phương pháp nhằm loại bỏ các ion kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ độc hại ra khỏi môi trường nước có ý nghĩa hết sức to lớn

Chất màu hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: dệt may, cao su, giấy, mỹ phẩm…Do tính tan cao, các chất màu là tác nhân gây ô nhiễm các nguồn nước và hậu quả là tổn hại đến con người và các sinh vật sống Hơn nữa, chất màu trong nước thải rất khó loại bỏ vì chúng ổn định với ánh sáng, nhiệt và các tác nhân gây oxy hoá Trong số nhiều phương pháp được nghiên cứu để tách loại các phẩm màu trong môi trường nước, phương pháp hấp phụ được lựa chọn và đã mang lại hiệu quả cao Ưu điểm của phương pháp này là đi từ nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có, qui trình đơn giản và không đưa thêm vào môi trường những tác nhân độc hại

Hiện nay, có rất nhiều chất hấp phụ rẻ tiền, dễ kiếm (như: bã mía, vỏ lạc, lõi ngô,

vỏ dừa, rơm, bèo tây, chuối sợi…) được sử dụng để loại bỏ các chất gây độc hại trong môi trường nước Mùn cưa đang được đánh giá là tiềm năng để chế tạo các vật liệu hấp phụ (VLHP)

Xuất phát từ những lí do trên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu biến tính mùn cưa

làm vật liệu hấp phụ chất màu hữu cơ trong nước”

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Biến tính mùn cưa tạo ra vật liệu hấp phụ chất màu hữu cơ trong nước

- Ứng dụng làm vật liệu hấp phụ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

3.1 Đối tượng nghiên cứu: Mùn cưa

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Sử dụng phương pháp hóa học để biến tính mùn cưa Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính và quá trình hấp phụ của mùn cưa biến tính, từ đó so sánh

khả năng hấp phụ với mùn cưa chưa biến tính

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Nghiên cứu lí thuyết

Tổng quan tài liệu về:

- Tìm hiểu thực tế về mùn cưa từ gỗ cây bạch đàn

- Các phương pháp xác định nồng độ

- Quá trình hấp phụ chất màu hữu cơ trong nước

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp vật lý

+ Thu gom và xử lý mẫu mùn cưa

+ Xác định độ ẩm toàn phần

- Phương pháp hóa học: Phương pháp UV-VIS xác định nồng độ chất màu hữu cơ

trong nước

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Phương pháp biến tính mùn cưa tạo ra loại mùn cưa có khả năng hấp phụ cao đối với các chất màu hữu cơ trong nước, tạo ra hướng phát triển mới trong việc xử lý chất màu hữu cơ bằng mùn cưa

6 Kết cấu của đề tài

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung đề tài gồm 3 chương như sau: Chương 1 - Tổng quan

Chương 2 - Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 - Kết quả và bàn luận

Bạch đàn là chi thực vật có

hoa Eucalyptus trong

họ Myrtus, Myrtaceae Các thành viên của chi này có xuất xứ từ Australia Có hơn 700 loài bạch đàn, hầu hết có bản địa tại Australia, và một số nhỏ được tìm thấy ở New Guinea và Indonesia và một ở vùng viễn bắc Philippines và Đài Loan Các loài bạch đàn đã được trồng ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới gồm châu Mỹ, châu Âu, châu Phi, vùng Địa Trung Hải, Trung Đông, Trung Quốc, bán đảo Ấn Độ

Tên khoa học: Eucalyptus spp

Giới (regnum) Plantae

Họ (familia) MyrtaceaePhân họ (subfamilia) MyrtoideaeTông (tribus) EucalypteaeChi (genus) Eucalyptus

Giới (regnum) Plantae

Bảng 1.1 Phân loại khoa học cây bạch đàn

Cây Bạch đàn thuộc loài đại mộc Lá thường thon dài cong cong có màu xanh hơi mốc trắng hoặc xanh đậm chứa chất dầu Eucalyptone thơm mùi dầu tràm mà trước đây bác

sĩ Bùi Kiến Tín gọi là dầu Khuynh diệp Hoa có cuốn ngắn, trái hình bông vụt khoản 1cm bên trong chứa nhiều hạt nhỏ màu nâu sậm

Tiền khởi ở Mền Nam, cây Bạch đàn mới du nhập được gọi là cây Khuynh điệp vì

có lá cong cong hình lưỡi liềm Sau đó ngành lâm nghiệp chế độ cũ đặt tên là cây Bạc hà

vì lá có mùi dầu Bạc hà, nhưng xin đừng nhầm lẫn với cây rau Bạc hà (Mentha ) cùng họ với cây rau Húng

Sau ngày 30-4-1975, cây Khuynh diệp hay còn gọi là cây Bạc hà được Bộ Lâm Nghiệp đặt tên là cây Bạch đàn, có tên khoa học là Eucalyptus spp, thuộc họ thực vật Sim (Myrtaceae) Không phải chỉ có một cây Bạch đàn mà tại tại nước Úc nơi xuất xứ, chi eucalyptus (tức chi Bạch đàn) có ít nhất hơn 70 loài (species) mọc từ các vùng đồng bằng

có độ cao ngang mực nước biển cho đến các vùng bình nguyên cao nguyên, từ các thung lũng đến đèo núi cao

Ở Việt Nam chỉ du nhập khoảng 10 loại bạch đàn như:

- Bạch đàn đỏ: Eucalyptus camaldulensis thích hợp vùng đồng bằng

- Bạch đàn trắng: Eu.alba, thích hợp vùng gần biển

- Bạch đàn lá nhỏ: Eu Tereticornis, thích hợp vùng đồi Thừa Thiên - Huế

- Bạch đàn liễu: Eu Exserta, thích hợp vùng cao miền Bắc VN

- Bạch đàn chanh: Eu Citriodora, thích hợp vùng thấp, lá có chứa tinh dầu mùi sả

- Bạch đàn lá bầu: Eu globules, thích hợp vùng cao nguyên

- Bạch đàn to: Eu grandis, thích hợp vùng đất phù sa

- Bạch đàn ướt: Eu saligna, thích hợp vùng cao nguyên Ðà Lạt

- Bạch đàn Mai đen: Eu Maidenii, thích hợp vùng cao như Lâm Đồng

Loài bạch đàn nói chung rất mau lớn, tán lá hẹp thưa, trồng trong vòng 5, 6 năm thì

có chiều cao trên 7m và đường kính thân cây khoảng 9-10 cm Trước năm 1975, người ta

đã nhầm lẫn trồng rừng Bạch đàn tập trung thuần loại ở Miền Trung Việt Nam nhằm mục đích phủ xanh và phủ nhanh đất trống đồi trọc nhưng kinh nghiệm cho thấy, cây Bạch đàn

là loài dễ trồng, ít kén đất, tăng trưởng nhanh nhưng hấp thụ nhiều nước và dưỡng chất trong đất nên nếu trồng tập trung thành rừng thuần loại trên đất trống đồi trọc vô tình sẽ làm khô cằn và nghèo nàn đất đai sau một vài chu kì Do đó, nếu cần phủ xanh đất trống đồi trọc thì chỉ nên trồng hỗn giao với loài bạch đàn bằng cách loài cây họ Ðậu như Keo lá tràm, Keo tai tượng hoặc Keo giậu để bù đắp chất đạm cho đất

Ở Việt Nam, do gỗ bạch đàn thường đốn chặt khoảng 5-7 năm để làm cây chống trong xây dựng và làm bột giấy hay ván dăm bào gọi là ván Okal (panneau de copaux) nên cho rằng bạch đàn là lọai gỗ mềm và kém chất lượng khi làm đồ mộc gia dụng, trong khi

ở nước Úc, các rừng bạch đàn có tuổi trên 70-80 năm, cây cao đến 50-60 mét, đường kính trung bình đến cả mét và gỗ được sử dụng đa năng từ làm bột giấy, ván ép, ván dăm bào, trụ cột cho đến dồ mộc gia dụng, xây cất nhà cửa cũng như công trình xây dựng nặng

1.1.2 Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu hấp phụ

học thành phố Hồ Chí Minh: Xơ dừa sau khi hoạt hóa bằng axit citric có khả năng hấp phụ/trao đổi ion rất cao ngang bằng với nhựa trao đổi ion hoặc zeolite A Hiệu suất xử lý

Ni2+ đạt 90,22% và 83,24% tương ứng với nồng độ Ni2+ là 100 ppm và 50 ppm, ngang với zeolite A Hiệu suất xử lý Cd2+ ở hai nồng độ trên là 81,21% và 70,36%, ngang với nhựa trao đổi ion Dung lượng xử lý một lần cũng tương đương nhựa trao đổi ion và zeolite A [3]

Vỏ lạc:

- Được sử dụng để chế tạo than hoạt tính với khả năng tách loại ion Cd (II) rất cao Chỉ cần hàm lượng than hoạt tính là 0,7g/l có thể hấp phụ dung dịch chứa Cd (II) 20mg/l Nếu so sánh với các loại than hoạt tính dạng viên có trên thị trường thì khả năng hấp phụ của nó cao gấp 31 lần [9]

- Một nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học khoa công nghệ môi trường, trường đại học Mersin, Thổ Nhĩ Kì cho thấy, vỏ củ lạc, một trong những phế phẩm lớn

nhất, rẻ mạt của ngành công nghiệp thực phẩm, có thể sử dụng để cải tạo ruộng, lọc các nguồn nước bị nhiễm kim loại độc do các nhà máy thải ra, đặc biệt ở các vùng đất, nguồn nước bị nhiễm ion kim loại thì vỏ củ lạc có thể loại bỏ 95% ion đồng ra khỏi nước thải công nghiệp Có thể đạt được hiệu quả cao nhất nếu nước có tính axit yếu trong khi nhiệt độ ít tác động đến hiệu suất tách loại ion kim loại [10]

Vỏ đậu tương: có khả năng hấp phụ tốt đối với nhiều ion kim loại nặng như: Cu (II),

Zn (II) và các hợp chất hữu cơ Trong sự so sánh với 1 số vật liệu tự nhiên khác, vỏ đậu tương thể hiện khả năng hấp phụ cao hơn, đặc biệt đối với các kim loại nặng Vỏ đậu tương sau khi xử lý bằng NaOH và axit citric thì dung lượng hấp phụ cực đại đối với Cu đạt đến 1,7 mmol/l (ứng với 108mg/g) [8]

Bã mía: được đánh giá như phương tiện lọc chất bẩn từ dung dịch nước và được

ví như than hoạt tính trong việc loại bỏ các ion kim loại nặng như: Cr (III), Ni (II), Cu (II)….Bên cạnh khả năng tách loại ion kim loại nặng, bã mía còn thể hiện khả năng hấp phụ tốt đối với dầu [7]

Lõi ngô: nhóm nghiên cứu ở trường đại học North Carolina (Hoa Kì) đã tiến hành

nghiên cứu và đề xuất qui trình xử lý lõi ngô bằng dung dịch NaOH và H3PO4 để chế tạo vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng Hiệu quả xử lý của vật liệu hấp phụ tương đối cao Dung lượng hấp phụ cực đại của hai kim loại nặng Cu và Cd lần lượt là 0,39 mmol/g và 0,62 mmol/g vật liệu [5]

1.2 Chất màu hữu cơ [6]

1.2.1 Khái quát về chất màu hữu cơ

Thực phẩm thường có màu sắc đặc trưng nhưng trong quá trình chế biến và bảo quản thì nó bị biến đổi màu, không đạt được màu mong muốn hoặc mất màu

VD: Đun nóng có thể làm thay đổi màu tự nhiên của sản phẩm, đó là do các phản ứng oxydaza, Maillard như nước cam khi đun nóng sẽ chuyển thành màu hồng, bột cà chua

sẽ chuyển thành màu nâu

Một số sản phẩm thực phẩm được sản xuất từ nhiều nguyên liệu tự nhiên nên không có màu sắc đặc trưng

VD: Sản xuất bánh kẹo từ các nguyên liệu bột, đường…

Sản xuất surami có thể tạo màu giống tôm, cá hoặc thịt bò…

Một số biện pháp giữ cho màu thực phẩm:

 Xây dựng một quy trình công nghệ để bảo quản được tối đa màu sắc tự nhiên của thực phẩm

 Tách ra, cô đặc và bảo quản các chất màu từ chính thực vật hoặc các nguyên liệu giàu chất màu

 Tạo nên chất màu tổng hợp nhân tạo giống như màu tự nhiên và dùng nó cho các sản phẩm đã bị biến đổi màu hoặc màu tự nhiên không đủ mạnh

 Phối hợp sử dụng các phương pháp kể trên theo những biện pháp khác nhau Cần phải giữ màu sắc tự nhiên của thực phẩm trong điều kiện khả năng cho phép

1.2.2 Phân loại

1.2.2.1 Chất màu tự nhiên

Chất màu tự nhiên chia làm 3 nhóm chính:

- Antoxian có màu đỏ và màu xanh lam

- Carotinoit có màu vàng

- Clorofin sắc tố xanh lá cây

Tất cả các sắc tố này là những hợp chất hóa học phức tạp và được tạo nên trong quá trình sống thích ứng với các loại thực vật

Mức độ bền của chúng rất khác nhau và trong quá trình bảo quản, chế biến nhiệt

và các gia công khác sẽ bị thay đổi theo những các khác nhau

Vì vậy, lúc dạng tươi sản phẩm thường có màu đẹp, sau khi chế biến màu sẽ bị mất

đi một phần hoặc có khi mất màu hẳn Điều đó làm cho giá trị mặt hàng và giá tri sử dụng giảm đi và vẻ hấp dẫn bên ngoài của thức ăn sẽ bị kém

Tính độc hại: tất cả chất màu tự nhiên đều không độc hại

1.2.2.2 Chất màu vô cơ

Các chất màu có nguồn gốc vô cơ chủ yếu dùng để trang trí thực phẩm

Sử dụng các loại bột nhẹ để chống lại hiện tượng dính giữa loại thực phẩm này với thực phẩm khác ở giữa 2 bề mặt thực phẩm

Fe2O3; FeO (màu đỏ), dùng để trang trí trên bề mặt thực phẩm như mứt, bánh kẹo

Au, Ag được sử dụng trong các món ăn dùng cho giới thượng lưu, cán dát thành các lá thật mỏng, sau đó cắt thành sợi nhỏ  tạo ấn tượng màu rất tốt

Đá quý được chế biến thành bột để rắc lên bề mặt thực phẩm để tạo ra độ phản quang tốt

Tính độc hại: Phần lớn các chất màu vô cơ có tính độc hại và một số còn khó tiêu hóa sau khi sử dụng nên cần phải thận trọng khi dùng trong thực phẩm

1.2.2.3 Chất màu nhân tạo

Chất màu nhân tạo là chất màu được tổng hợp hữu cơ từ các nguyên liệu tự nhiên

* Ưu điểm:

- Bền màu

- Đa dạng về màu sắc: màu vàng, màu đỏ, màu xanh, màu đen

- Có thể tạo màu thích hợp với thị hiếu, có 3 phương pháp phối màu:

* Ứng dụng

- Chất màu nhân tạo được sử dụng trong phạm vi tương đối hẹp, thường được sử dụng sản xuất bánh kẹo và sản xuất nước uống không rượu, sản xuất đồ hộp chủ yếu là

đồ hộp rau quả

- Cho phép nhuộm màu thực phẩm bằng các chất màu tổng hợp

- Nhiều trường hợp cơ quan bảo vệ sức khỏe như Cục VSATTP, Viện dinh dưỡng cấm sử dụng vào trong thực phẩm các chất màu hữu cơ nhân tạo vì chưa biết hết được tác dụng phức tạp của nó đối với con người

a Nhóm chất màu vàng

- Tartrazine (E102)

Là dẫn xuất axit pyrazol cacboxylic, có màu vàng chanh Ký hiệu E102

Dùng trong sản xuất bánh kẹo, thực phẩm tráng miệng, mứt, rượu, trứng cá muối, tôm, vỏ ngoài phomat, vỏ ngoài thịt chín

Liều dùng: 7,5 trọng lượng cơ thể

- Quinolein vàng (Quinoline Yellow: màu vàng)

Quinolein là muối Natri của axit Monsulphonic và quinolydanedion, có màu vàng

Liều dùng: 2,5 mg/kg khối lượng cơ thể

- Sunset yellow FCF (E110): vàng da cam S

Vàng da cam S là muối Na của axit Naphtol- sulphonic, có màu vàng da cam Ký hiệu E110

Dùng trong sản xuất bánh kẹo, thực phẩm tráng miệng, mứt, rượu, trứng cá muối, tôm, vỏ ngoài phomat, vỏ ngoài thịt chín,

Liều dùng: 0,5 mg/kg khối lượng cơ thể

Sản phẩm thương mại có dạng bột màu vàng Một lít nước có thể hòa tan được 180g sunset yellow FCF Điểm lưu ý là chất màu rất bền nhiệt Ở 1300C, màu sắc vẫn không

bị thay đổi Trong môi trường kiềm mạnh, sunset yellow FCF sẽ tạo nên màu đỏ

Tương tự như tartrazine, sunset yellow FCF được sử dụng để cho sản phẩm nước giải khát pha chế không cồn và rượu mùi

b Nhóm chất màu đỏ

- Carmoisine (E.122)

Carmoisine (hay còn gọi là azorubine) là chất màu tổng hợp, công thức hóa học là

C22H12N2O7S2Na2, phân tử lượng là 502Da.Chất màu này được phát hiện từ cuối thế kỷ 19

Một lít nước ở 160C có thể hòa tan được 80g carmoisine Chất màu này được sử dụng trong sản xuất syrup, nước giải khát pha chế không cồn và rượu mùi

Azorubine là muối Na của axit Naphtol- sulphonic, có màu đỏ Ký hiệu E122 Dùng trong sản xuất kẹo, mứt, nước giải khát ,ngoài ra còn sử dụng trong công nghiệp nhuộm và in

Liều dùng: 0,5 mg/kg khối lượng cơ thể

- Amaran (màu đỏ bordeaux)

Amaran là muối có 3 nguyên tử Na của axit Naphtol- disulphonic, có màu đỏ Bordeaux (Booc đô) Ký hiệu: E123

Dùng trong sản xuất trứng cá muối, nước quả

Trong sản xuất rượu vang có thể dùng amazan để điều chỉnh màu của rượu Liều dùng: 0,75 mg/kg khối lượng cơ thể

- Đỏ rệp

Đỏ rệp là muối có 3 nguyên tử Na của axit Naphtol- disulphonic, có màu đỏ giống màu đỏ của axit cacminic (chất màu tự nhiên) thu được khi chiết suất từ loại côn trùng này, sau khi trộn với dung dịch nước axit hay amoniac

Dùng trong sản xuất bánh kẹo, thực phẩm tráng miệng, mức, rượu, trứng cá muối, tôm, vỏ ngoài phomat, vỏ ngoài thịt chín

Liều dùng: 0,75 mg/kg khối lượng cơ thể

- Erytrozin

Erytrozin là muối của terreetra-iodo-fluoresxin, có màu đỏ

Dùng trong sản xuất bánh kẹo, thực phẩm tráng miệng, mứt, rượu, trứng cá muối, tôm, vỏ ngoài phomat, vỏ ngoài thịt chín

Liều dùng: 2,5 mg/kg khối lượng cơ thể

Liều dùng: 2,5 mg/kg khối lượng cơ thể

- Xanh lơ sáng FCF ( xanh Brilliant FCF)

Xanh lơ sáng FCF là C37H34N2Na2O9S3 là chất có màu xanh lơ sáng

Ký hiệu E133

Được phếp sử dụng ở Canada, Anh và Mỹ cho các sản phẩm bánh kẹo, confirur, siro, đồ hộp

- Màu đen sáng Brilliant PN

Màu đen sáng Brilliant PN: là muối có 4 Na của axit tetrasulphonic, có màu đen sáng Ký hiệu là E151

Dùng trong sản xuất bánh kẹo, thực phẩm tráng miệng, mứt, rượu, trứng cá muối, tôm, vỏ ngoài phomat, vỏ ngoài thịt chín

VD: Trong quay thịt gà, thịt lợn ở các siêu thị Metro hay Big C thì sau khi quay đến màu vàng họ sẽ tạo ra những vết đen trên thịt Nếu mà quay đến khi xuất hiện màu đen thì tốn thời gian và chất lượng nhiều khi không ngon

Liều dùng: 1,0 mg/kg khối lượng cơ thể

1.2.3 Giới thiệu chất màu hữu cơ màu xanh lục sáng BS [6]

Màu xanh lục sáng BS là một thuốc nhuộm tổng hợp màu xanh lá cây với công thức phân tử C27H25N2O7S2Na

Tên gọi thường gặp: E142, CI Food Green 4, Brilliant Green BS, Green S, Greens S, Food Green S, FD&C Green 4, Acid green 50, Lissamine Green B, Wool Green S, or C.I

44090

Hình 1.2 Công thức cấu tạo chất màu xanh lục sáng BS

Thành phần chủ yếu là sodium 1naphthalenyl)methylene]-2,5-cyclohexadien-1-ylidene]N-methylmethanaminium và các chất phụ trợ NaCl và/hoặc Natri sunfat là thành phần chính không mang màu, màu xanh lục sáng BS được xem như là 1 muối Natri hoặc muối Kali và Canxi

N-[4-(dimethylamino)phenyl]2-hydroxy-3,6-disulfo-Tên hóa học: Sodium naphthalenyl) -methylene]2,5-cyclohexadien -1-ylidene]-N-methylmethanaminium; Sodium5-[4-dimethylamino-α-(4-dimethyliminocyclohexa-2,5-dienylidene)benzyl]-6-hydroxy -7sulfonato-naphthalene-2-sulfonate

N-[4-[[4-(dimethylamino)phenyl](2-hydroxy3,6-disulfo-1-Chức năng & đặc điểm: Tạo màu xanh lá cho thực phẩm, hòa tan trong nước, nhưng không ổn định trong axit hoặc dung dịch kiềm

Sản phẩm: quả ngâm đường, siroo, nước giải khát, bánh kẹo, rượu

Hàng ngày tiêu thụ: Lên đến 5 mg / kg trọng lượng cơ thể

Liều lượng trong thực phẩm: nước giải khát 100 mg/lit; thực phẩm rắn 50-500 mg/kg

Bước sóng hấp thu là 634 nm

Dạng bột, màu xanh, tan trong nước 8% ở 25oC, không bền trong mội trường axit

và kiềm nhưng hòa tan rất tốt trong dung dịch glycol và etanol (đến 95%) Màu của nó dễ phát hiện, và ổn định trong 1 khoảng pH khá rộng,và ổn định trong dung dịch chứa natri benzoate, nhưng sẽ là ảnh hưởng rất xấu nếu có mặt SO2

Màu xanh lục sáng BS là một thuốc nhuộm quan trọng, nó có thể được sử dụng

để nhuộm sống tế bào Nó được sử dụng trong nhãn khoa, trong số huỳnh quang và hồng Bengal, để chẩn đoán rối loạn khác nhau của bề mặt của mắt

1.2.4 Tác hại của ô nhiễm nước do chất màu hữu cơ [6]

Chất màu tổng hợp có từ lâu và ngày càng được sử dụng nhiều trong dệt may, giấy, cao su, nhựa, da, mỹ phẩm, dược phẩm và các ngành công nghiệp thực phẩm Vì chất màu

có đặc điểm: sử dụng dễ dàng, giá thành rẻ, ổn định và đa dạng so với màu sắc tự nhiên Tuy nhiên việc sử dụng rộng rãi chất màu và các sản phẩm của chúng gây ra ô nhiễm nguồn nước ảnh hưởng tới con người và môi trường Khi đi vào nguồn nước nhận như sông, hồ… Với một nồng độ rất nhỏ của chất màu đã cho cảm giác về màu sắc Màu đậm của nước thải cản trở sự hấp thụ oxy và ánh sáng mặt trời, gây bất lợi cho sự hô hấp, sinh trưởng của các loại thuỷ sinh vật Như vậy nó tác động xấu đến khả năng phân giải của vi sinh đối với các chất hữu cơ trong nước Đối với cá và các loại thủy sinh: các thử nghiệm trên cá của hơn 3000 chất màu nằm trong tất cả các nhóm từ không độc, độc vừa, rất độc đến cực độc Trong đó có khoảng 37% chất màu gây độc cho cá và thủy sinh, chỉ 2% chất màu ở mức độ rất độc và cực độc cho cá và thủy sinh

Đối với con người có thể gây ra các bệnh về da, đường hô hấp, phổi Ngoài ra, một

số chất màu hoặc chất chuyển hoá của chúng rất độc hại có thể gây ung thư Các nhà sản

xuất châu Âu đã ngừng sản suất loại này, nhưng trên thực tế chúng vẫn được tìm thấy trên thị trường do giá thành rẻ và hiệu quả nhuộm màu cao

1.3 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ [1], [2], [4], [5]

1.3.1 Hiện tượng hấp phụ

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí-rắn, lỏng-rắn, khí- lỏng, lỏng-lỏng) Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ; còn chất được tích luỹ trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ

Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Tuỳ theo bản chất của lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học

1.3.1.1 Hấp phụ vật lý

Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion ) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu Đó là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng Lực liên kết này yếu nên dễ bị phá vỡ Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hoá học (không hình thành các liên kết hoá học) mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn

1.3.1.2 Hấp phụ hoá học

Hấp phụ hoá học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hoá học với các phân tử chất bị hấp phụ Lực hấp phụ hoá học khi đó là lực liên kết hoá học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hoá trị, liên kết phối trí ) Lực liên kết này mạnh nên khó bị phá vỡ Nhiệt hấp phụ hoá học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol

1.3.2 Hấp phụ trong môi trường nước

Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức tạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác: nước, chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó

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

So với hấp phụ trong pha khí, sự hấp phụ trong môi trường nước thường có tốc độ chậm hơn nhiều Đó là do tương tác giữa chất bị hấp phụ với dung môi nước và với bề mặt chất hấp phụ làm cho quá trình khuếch tán của các phân tử chất tan chậm

Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH của môi trường

Sự thay đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất chất bị hấp phụ (các chất có tính axit yếu, bazơ yếu hay trung tính phân li khác nhau ở các giá trị pH khác nhau) mà còn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề mặt chất hấp phụ

 Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ - Giai đoạn hấp phụ thực sự

Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình hấp phụ

1.3.4 Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch Các phân tử chất bị hấp phụ khi

đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha mang Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược lại pha mang càng lớn Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng

Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ:

q = f (T,P hoặc C) (1.1)

Ở nhiệt độ không đổi (T=const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của q vào P hoặc C (q= fT

(P hoặc C )) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ

Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể xây dựng trên cơ sở lý thuyết, kinh nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tuỳ thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất và kinh nghiệm xử lý số liệu thực nghiêm

Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng được nêu ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng

Trong các phương trình trên, ν là thể tích chất bị hấp phụ, νm là thể tích hấp phụ cực đại, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, po là áp suất hơi bão hoà của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở cùng nhiệt độ Các kí hiệu a, b, k, n là các hằng số

Với chất hấp phụ là rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng thì đường đẳng nhiệt hấp phụ được mô tả thông qua phương trình đẳng nhiệt: phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry, phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich và phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir…

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Henry

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry là phương trình đẳng nhiệt đơn giản mô

tả sự tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và nồng độ (áp suất) của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng:

a = K.P (1.2) Trong đó:

K: hằng số hấp phụ henry a: lượng chất bị hấp phụ (mol/g)

P: áp suất (mmHg)

Từ số liệu thực nghiệm cho thấy vùng tuyến tính này nhỏ Trong vùng đó, sự tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt chất rắn là không đáng kể

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là phương trình thực nghiệm mô tả

C (1.3) Hoặc dạng phương trình đường thẳng:

Xây dựng đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc lgCf vào lg x

m sẽ xác định được các hằng số trong phương trình: n , lgk

tgα = n ; ON = lgk Phương trình Freunlich phản ánh khá sát số liệu thực nghiệm cho vùng ban đầu và vùng giữa của đường hấp phụ đẳng nhiệt tức là ở vùng có nhiệt độ thấp của chất bị hấp phụ

1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

Nhìn chung tốc độ của quá trình hấp phụ phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ, bản chất và cấu trúc của chất tan, loại và tính chất các chất hấp phụ

1.3.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian

Trong quá trình hấp phụ, năng lượng tự do bề mặt hệ giảm (∆G < 0) Đồng thời độ hỗn độn của hệ giảm (do các tiểu phân của chất bị hấp phụ lên trên bề mặt chất hấp phụ được sắp xếp một cách có trật tự), nghĩa là ∆S < 0

Từ đó suy ra: ∆G = ∆H – T.∆S < 0, do đó ∆H < 0 Vậy quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt Điều này phù hợp với thực nghiệm: hấp phụ vật lý hay hấp phụ hóa học đều tỏa nhiệt Như vậy, nên theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng, lượng chất hấp phụ sẽ giảm khi nhiệt độ tăng Tuy nhiên, ở vùng nhiệt độ thấp, hấp phụ hóa học thường diễn ra chậm, và khi nhiệt độ tăng thì tốc độ hấp phụ có thể tăng theo Ở nhiệt độ cao, quá trình khuếch tán tăng làm giảm thời gian đạt cân bằng, nhưng độ hấp phụ giảm xuống do tăng quá trình giải hấp phụ các phân tử khỏi bề mặt chất hấp phụ

Tóm lại, tốc độ quá trình hấp phụ của các chất khác nhau trên những chất hấp phụ khác nhau thay đổi trong khoảng khá rộng Sự hấp phụ trong dung dịch xảy ra chậm hơn nhiều so với pha khí vì sự khuếch tán xảy ra chậm hơn Đặc biệt các chất bị hấp phụ có kích thước lớn rất khó khuếch tán vào các vật liệu hấp phụ có đường kính lỗ xốp nhỏ, do

đó cần có thời gian tiếp xúc dài để đạt trạng thái cân bằng hấp phụ

1.3.5.2 Ảnh hưởng của tính tương đồng

Những chất có bản chất giống nhau tương tác mạnh hơn so với tương tác giữa các chất có bản chất khác nhau Tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ có tính cộng hợp, tức là lực tương tác chung bằng tổng các lực thành phần Hệ hấp phụ ở trong nước

bị chi phối bởi tính ưa nước và kị nước, là hệ quả của tương tác giữa chất hấp phụ, chất

bị hấp phụ với nước

1.3.5.3 Ảnh hưởng của pH

Quá trình hấp phụ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi pH của môi trường Sự thay đổi pH của môi trường dẫn đến sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp phụ, các nhóm chức bề mặt, thế oxi hóa khử, dạng tồn tại của hợp chất đó (đặc biệt đối với hợp chất có độ phân cực cao, các chất có tính lưỡng tính, chất có tính axit yếu, bazơ yếu)

Đối với chất hấp phụ rắn: hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa các nguyên tử trên bề mặt chất rắn với các chất tan, trên cơ sở lực hút tĩnh điện, lực định

hướng và lực tán xạ Trong trường hợp lực tương tác đủ mạnh có thể gây ra liên kết hóa học hoặc tạo phức trao đổi ion Lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ càng mạnh thì khả năng hấp phụ càng lớn, khả năng giữ các chất bị hấp phụ trên bề mặt vật rắn càng cao