Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano bifeo3 để xử lí phẩm màu hữu cơ trong nước

Tuy nhiên, do đặc thù của một ngành sản xuất phức tạp, s dụng nhiều nguyên, nhiên liệu, hóa chất, nên ô nhi m môi trường nói chung, ô nhi m nư c thải bởi nhiều thành phần trong đó đáng q

TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1 Tên khóa luận tốt nghiệp :

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano BiFeO 3 để xử lí phẩm màu hữu cơ trong nước

2 Giáo viên hướng dẫn : ThS Lê Khánh Toàn

ThS.Trần Thị Phương

3 Sinh viên thực hiện : Nguy n Th y Nhung – K59B – KHMT

4 Mục tiêu nghiên cứu :

Mục tiêu tổng quát:

- Tổng hợp được vật liệu có khả năngđể x l tốt các chất h u cơ trong

nư c

Mục tiêu cụ thể:

- Tổng hợp được vật liệu nano BiFeO3bằng phương pháp hóa học ư t

- Nghiên cứu đặc điểm hình thái, tính chất của vật liệu tổng hợp được

- Ứng dụng vật liệu nano BiFeO3 để x l ph m m u h u cơ trong nư c

5 Nội dung nghiên cứu :

-Tổng hợp vật liệu nano BiFeO3bằng phương pháp đồng kết tủa

- Khảo sát th nh phần v cấu tr c của vật liệu bằng phương pháp chụp SEM v EDX

- Khảo sát hoạt tính hấp phụ v x c tác của vật liệu đối v i quá trình x l

mg/l: khối lƣợng vật liệu BiFeO31.0 g/L; pH = 7; thời gian tiến hành là 40 phút

ở nhiệt độ phòng v i hiệu suất x l đạt trên 90%

- Bƣ c đầu nghiên cứu khả năng quang x c tác của vật liệu cho quá trình Fenton x lý phầm m u nhƣng chƣa hiệu quả

- Vật liệu có khả năng thu hồi và tái s dụng tốt

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận tốt nghiệp này thể hiện kết quả quá trình học tập và rèn luyện suốt bốn năm của em tại trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam

Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệpnày, lời đầu tiên em xin trân trọng cảm

ơn ThS Lê Khánh Toàn,ThS Trần Thị Phương đã tận tình hư ng dẫn, chỉ bảo

để em có thể hoàn thành khóa luận tốt nghiệpnày

Em cũng xin g i lời cảm ơn chân th nh đến các thầy cô trong khoaQuản

lý Tài nguyên rừng v Môi trường đã tận tâm dạy bảo, truyền đạt nh ng kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho sinh viên trong suốt quá trình học tập

Em xin trân trọng cảm ơn các thầy cô phòng thí nghiệm Hóa học, Trung tâm Phân tích môi trường và Ứng dụng công nghệ địa không gian,Trường Đại học Lâm Nghiệp Việt Namđã nhiệt tình hỗtrợ em trong quá trình tiến hành thực nghiệm của khóa luận

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn tạo mọi điều kiện, động viên, gi p đỡ em trong quá trình học tập

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Sinh viên

Nguy n Thúy Nhung

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1.Các hóa chất s dụng 17

Bảng 2.2 Các thiết bị s dụng 17

Bảng 2.3 Các dụng cụ s dụng 18

Bảng 3.1 Thành phần các nguyên tố trong nano BiFeO3 25

Bảng 3.2 Hiệu xuất x lý theo khối lƣợng vật liệu 28

Bảng 3.3 Hiệu xuất x lý theonồng độ RY 160 30

Bảng 3.4 Hiệu suất x lý theo thời gian trong điều kiện có ánh sáng 31

Bảng 3.5 Hiệu suất x lý theo pH 32

Bảng 3.6 Hiệu suất x lý theo nhiệt độ 33

Bảng 3.7 Hiệu xuất x lý theo ion cản 34

Bảng 3.8 Hiệu xuất x lý theo nồng độhydropeoxit 35

Bảng 3.9 Hiệu suất x lý theo thời gian trong bóng tối 36

Bảng 3.10 Kết quả s dụng vật liệu lần đầu 37

Bảng 3.11 Kết quả tái s dụng vật liệu 37

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu……….…… 20

Hình 2.2: Quy trình khảo sát khả năng x lý ph m màu của ph m nhuộm …23

Hình 3.1 Phổ EDX của nano BiFeO3 25

Hình 3.2 Ảnh SEM của vật liệu nano BiFeO3 26

Hình 3.3 Tươngquan gi a độ hấp thụ quang và nồng độ ph m RY 160 tại bư c sóng 422nm 28

Hình 3.4: Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu t i hiệu quả x lý 29

Hình 3.5: Ảnh hưởng của nồng độ RY 160t i hiệu quả x lý 30

Hình 3.6 Ảnh hưởng của thời gian t i hiệu suất x lý 31

Hình 3.7 Ảnh hưởng của pH t i hiệu quả x lý 32

Hình 3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ t i hiệu suất x lý 33

Hình 3.9 Ảnh hưởng của ion cản t i hiệu suất x lý 34

Hình 3.10 Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 t i hiệu suất x lý 35

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Oxy hòa tan

Nhu cầu oxy sinh hóa

Nhu cầu oxy hóa học

Ph m m u Reactive Yellow 160 SEM Scanning electron microscope

Kính hiển vi điện t quét EDX Engery dispersive X-ray spectroscopy

Phổ tán xạ năng lƣợng tia X UV-vis Ultraviolet-visible spectroscopy

Phổ t ngoại khả kiến

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2

1.1.Tổng quan về ô nhi m h u cơ 2

1.1.1 nhi m nư c trong ng nh dệt nhuộm 2

1.1.2 Ảnh hưởng của nư c thải dệt nhuộm đến môi trường 3

1.1.3 Một số phương pháp x lý chất h u cơ trong nư c 4

1.2.Tổng quan vật liệu nano 10

1.2.1.Khái niệm vật liệu nano 10

1.2.2.Ứng dụng của vật liệu nano 11

1.2.3.Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano 12

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 16

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 16

2.2 Nội dung nghiên cứu 16

2.3.Đối tượng và phạm vinghiên cứu 16

2.3.1 Đối tượng nghiên cứu 16

2.3.2 Phạm vi nghiên cứu 17

2.4 Hóa chất,thiết bị và dụng cụ 17

2.4.1 Hóa chất 17

2.4.2 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 17

2.5 Phương pháp nghiên cứu 19

2.5.1 Tổng hợp vật liệu 19

2.5.2 Xác định thành phần và tính chất của vật liệu 20

2.5.3 Phương pháp x lý số liệu 21

2.5.4.Xác định nồng độ ph m m u RY 160 trong nư c 21

2.5.5 Khảo sát khả năng x lý ph m màu của vật liệu 22

2.5.6 Tái s dụng vật liệu 24

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25

3.1 Thành phần v đặc tính của vật liệu 25

3.1.1 Thành phần của vật liệu 25

3.1.2 Hình thái bề mặt 26

3.2 Xác định bư c sóng hấp thụ đặc trưng v xây dựng đường chu n của dung dịch ph m nhuộm 27

3.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng t i khả năng hấp phụ của vật liệu 28

3.3.1 Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu 28

3.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ RY 160 29

3.3.3 Ảnh hưởng của thời gian x lý 30

3.3.4 Ảnh hưởng của pH 32

3.3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch 33

3.3.6 Ảnh hưởng của ion cản 34

3.4 Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu 35

3.4.1 Ảnh hưởng của H2O2 đến khả năng x lý của vật liệu 35

3.4.2 Ảnh hưởng ánh sáng đến khả năng x lý của vật liệu 36

3.5.Khảo sát khả năng tái s dụng 37

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN – TỒN TẠI – KIẾN NGHỊ 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU

Ô nhi m môi trường nói chung, ô nhi m môi trường nư c nói riêng đangl một vấn đề toàn cầu Nguồn gốc ô nhi m môi trường nư c chủyếu là do các nguồn nư c thải không được x lý thải trực tiếp ra môi trường bao gồm

nư c thải sinh hoạt và nư c thảisản xuất công nghiệp, nông nghiệp Một trong

nh ng ngành công nghiệp gây ô nhi m môi trường l n là ngành dệt nhuộm V i dây chuyền công nghệ phức tạp, bao gồm nhiều công đoạn sản xuất khác nhau nên nư c thải sau sản xuất dệt nhuộm chứa nhiều loại hợp chất h u cơ độc hại, đặc biệt l các công đoạn t y trắng và nhuộm màu

Nghiên cứu x l nư c thải có chứa phầm nhuộm h u cơ khó phân hủy là một vấnđề rất quan trọng nhằm loại bỏhếtcác chất n y trư c khi xảra môi trường, bảo vệ conngười v môi trường sinh thái

Trong nh ng năm gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu và s dụng các phương pháp khác nhau nhằm x lý các hợp chất h u cơ độc hại trong nư c thảinhư: phương pháp vật l , phương pháp sinh học, phương pháp hoá học, phương pháp điện hoá Trong đó, hấpphụlà một trong nh ng phương pháp hóa

lý phổ biến và hiệu quả để kh màu nhuộm Hấp phụ là sự bám dính, tập hợp của các nguyên t , các ion, phân t sinh học hoặc các phân t khí, chất lỏng, chất rắn hòa tan lên bề mặt một chất khác, thường là chất rắn Quá trình này tạo

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1.Tổng quan về ô nhiễm hữu cơ

1.1.1 n i n c tr ng ng n t n u

Trong nh ng năm gần đây, các ng nh công nghiệp nhẹ ở Việt Nam như: công nghệ dệt nhuộm, da giầy, in, chế biến nông sản…ng y c ng phát triển song song v i tình trạng ô nhi m môi trường ng y c ng gia tăng Nhưng do quy mô các công ty, xí nghiệp và các làng nghề không l n nên khảnăng x l nư c thải chưa được chú trọng Nguồn thải chưa được x lý hoặc x l chưa ho n to n từ các khu công nghiệp n y được thải trực tiếp ra ngoài gây ô nhi m môi trường, đặc biệt l môi trường nư c Các nguồn thải ra môi trường nư c một lượng các hợp chất h u cơ l n, khó phân hủy làm ảnh hưởng đến chất lượng nư c, gây ngộ độc cho các loài thủy sinh và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nư c phục vụ cho các hoạt động trong sản xuất và sinh hoạt của con người

Theo Niên giám Thống kê Việt Nam, dệt may đã vượt khai thác và xuất

kh u dầu, vươn lên th nh ng nh có kim ngạch xuất kh u cao nhất, đem lại nguồn thu l n cho ngân sách quốc gia Tuy nhiên, do đặc thù của một ngành sản xuất phức tạp, s dụng nhiều nguyên, nhiên liệu, hóa chất, nên ô nhi m môi trường nói chung, ô nhi m nư c thải bởi nhiều thành phần trong đó đáng quan tâm hàng đầu là các loại ph m nhuộm khó phân hủy sinh học (nhiều nhóm có tiềm năng gây ung thư cao trên động vật v con người) l điều không thể tránh khỏi Việc nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện các kỹ thuật phù hợp để x lý các nguồn thải dệt nhuộm vì thế có nghĩa an sinh xã hội rất cao Vấn đề này, từ lâu đã trở th nh b i toán môi trường nóng bỏng ở Việt Nam và kéo dài cho t i ngày nay

Các chất ô nhi m chủ yếu có trong nư c thải dệt nhuộm là thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt, các hợp chất halogen h u cơ, muối trung tính l m tăng tổng

h m lượng chất rắn, nhiệt độ cao và pH của nư c thải cao do lượng kiềm l n

Trong đó, thuốc nhuộm là thành phần khó x lý nhất, chứa các hợp chất

h u cơ khó phân hủy Thuốc nhuộm là nh ng chất h u cơ có m u, hấp thụ mạnh một phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trong nh ng điều kiện nhất định (tính gắn màu) Thuốc nhuộm

có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp Hiện nay, con người hầu như chỉ

s dụng thuốc nhuộm tổng hợp Đặc điểm nổi bật của các loại thuốc nhuộm là

độ bền màu - tính chất không bị phân hủy bởi nh ng điều kiện, tác động khác nhau của môi trường, đây vừa là yêu cầu v i thuốc nhuộm, vừa là thị hiếu của người tiêu dùng, nhưng cũng l vấn đề v i x l nư c thải dệt nhuộm Màu sắc của thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học của nó: một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu Nhóm mang màu là nh ng nhóm chứa các nối đôi liên hợp v i hệ điện t π linh động như

>C=CC=N- , >C=O, -N=N- Nhóm trợ màu là nh ng nhóm thế cho hoặc nhận điện t , như – SO-H, -COOH, -OH, NH2 , đóng vai trò tăng cường màu của nhóm mang màu bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ điện t Thông thường, các chất màu có trong thuốc nhuộm không bám dính hết vào sợi vải trong quá trình nhuộm mà còn lại một lượng dư nhất định tồn tại trong nư c thải Lượng thuốc nhuộm dư sau công đoạn nhuộm có thể lên đến 50% tổng lượng thuốc nhuộm được s dụng ban đầu Đây chính l nguyên nhân l m cho

nư c thải dệt nhuộm có độ màu cao và nồng độ chất ô nhi m l n.[4]

1.1.2 Ảnh hưởng của nước thải dệt nhuộm đến môi trường

Các loạiph m nhuộm tổng hợp đã có từ lâu đời v ng y c ng được s dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp dệt may, giấy, cao su, nhựa, da, mỹ

ph m, dược ph m và các ngành công nghiệp thực ph m do có đặc điểm là d s dụng, giá thành rẻ, ổn định v đa dạng về màu sắc so v i màu sắc tự nhiên Tuy nhiên việc s dụng rộng rãi thuốc nhuộm và các sản ph m của chúng gây ra ô nhi m nguồn nư c ảnh hưởng t i sức khỏe của con người v môi trường sống Các thuốc nhuộm h u cơ nói chung được xếp loại từ ít độc đến không độc đối

v i con người (được đặc trưng bằng chỉ số LD50) Các kiểm tra về tính kích thích da, mắt cho thấy đa số thuốc nhuộm không gây kích thích v i vật th

nghiệm (thỏ) ngoại trừ một số cho kích thích nhẹ Tác hại gây ung thư v nghi ngờ gây ung thư: không có loại thuốc nhuộm nào nằm trong nhóm gây ung thư cho người Các thuốc nhuộm azo được s dụng nhiều nhất trong ngành dệt, tuy nhiên chỉ có một số màu azo, chủ yếu là thuốc nhuộm benzidin, có tác hại gây ung thư Các nh sản xuất châu Âu đã ngừng sản xuất loại n y, nhưng trên thực

tế chúng vẫn được tìm thấy trên thị trường do giá thành rẻ và hiệu quả nhuộm

m u cao Khi đi v o nguồn nư c tự nhiên như sông, hồ… v i một lượng rất nhỏ của thuốc nhuộm đã cho cảm giác về màu sắc M u đậm của nư c thải cản trở

sự hấp thụ oxi và ánh sáng mặt trời, cản trở quá trình quang hợp, do đó l m giảm thiểu lượng oxi hòa tan trong nư c, gây tác hại cho sự hô hấp, sinh trưởng của các loài thủy sinh, l m tác động xấu đến khả năng phân giải của vi sinh đối v i các chất h u cơ trong nư c thải Đối v i cá và các loài thủy sinh, các kết quả th nghiệm trên cá của hơn 3000 loại thuốc nhuộm nằm trong tất cả các nhóm từ không độc, độc vừa, rất độc đến cực độc cho thấy có khoảng 37% loại thuốc nhuộm gây độc cho cá và thủy sinh, khoảng 2% thuộc loại rất độc và cực độc, các nghiên cứu cho thấy khả năng phân giải trực tiếp thuốc nhuộm hoạt tính bằng vi sinh rất thấp do đó thời gian tồn lưu d i trong môi trường.[1,8]

1.1.3 M t số p ơng p áp xử lý chất hữu cơ tr ng n c

a) Phương pháp hóa học

-Khử hóa học

Được ứng dụng trong trường hợp nư c thải chứa các chất d bị kh Phương pháp kh hóa học hiệu quảv i các thuốc nhuộm azo nhờphân giải liên kết azo tạo th nh các amin thơm không màu có khản năng phân giải vi sinh hiếu khí tốt hơn thuốc nhuộm gốc

Kh hóa học trên cơ sở natri bohidrid, xúc tác bisunfit áp dụng v i thuốc nhuộm tan trong nư c như thuốc nhuộm trực tiếp, axit, hoạt tính chứa các nhóm azo hoặc các nhóm kh được và thuốc nhuộm phức đồng Quy trình này có thể

kh màu trên 90% v i các loại thuốc nhuộm kể trên

-Phương pháp oxi hóa

Phương pháp oxi hóa thường được dùng để x lý các hợp chất h u cơ trong nư c thải dệt nhuộm Do các hợp chất h u cơ trong nư c thải có cấu trúc phức tạp nên phải dùng các chất có tính oxi hóa mạnh để phá vỡ các phân t thuốc nhuộm thành các phần t nhỏ hơn, có cấu tạo đơn giản hơn Các chất oxi hóa được dùng phổ biến hiện nay là Ozon, Clo, H2O2…

Ozon là chất oxi hóa mạnh, được dùng để phá hủy các hợp chất h u cơ, đặc là các hợp chất màu azo có mặt trong nư c thải dệt nhuộm Ưu điểm của nó là

d tan trong nư c, tốc độ phản ứng nhanh, x lý triệt để, không tạo bùn cặn, cải thiện phân giải vi sinh, giảm chỉ số COD của nư c Ozon có thể s dụng đơn

lẻ hay kết hợp v i hyđroperoxit, tia t ngoại, siêu âm, hấp phụ than hoạt tính để phá hủy nhiều thuốc nhuộm azo như: N-rot-green, N-orange và indigo rabinol

Hydroperoxit cũng l một chất oxi hóa mạnh, có khả năng oxi hóa nhiều hợp chất h u cơ v vô cơ Tuy nhiên, nếu phản ứng oxi hóa chỉ bằng H2O2 thì không đủ hiệu quả để oxi hóa các chất có nồng độ l n Sự kết hợp gi a H2O2

và FeSO4 tạo nên hiệu ứng Fenton, cho phép khoáng hóa rất nhiều hợp chất h u

cơ v nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau ( hoạt tính, trực tiếp, bazơ, axit v phân tán), làm giảm chỉ số COD của nư c

Các chất chứa clo hoạt tính (NaOCl, Cl2,…) có thể x lý nhiều thuốc nhuộm khác nhau tương đối hiệu quả, tuy nhiên nó cũng có nh ng hạn chế nhất định Một số nghiên cứu chỉ ra rằng, việc x lý các chất màu họ azo có thể được oxi hóa bởi NaOCl, nhưng sau khi phá hủy các hợp chất h u

cơ, các halogen d dàng hình thành các trihalogenmetan và gây ô nhi m môi trường thứ cấp

b) Phương pháp vật lý

-Lọc

Các kỹ thuật lọc thông thường là quá trình tách chất rắn ra khỏi nư c khi cho nư c đi qua vật liệu lọc có thể gi cặn v cho nư c đi qua Các kỹ thuật lọc thông thường không x l được các tạp chất tan nói chung và thuốc nhuộm nói riêng

Các kỹ thuật lọc màng, có thể tách được thuốc nhuộm tan ra khỏi nư c

thải dệt nhuộm gồm có vi lọc, siêu lọc, th m thấu ngược Điểm khác biệt gi a

ba kỹ thuật trên l kích thư c hạt mà chúng có thể lọc được Quá trình vi lọc

có đường kính lỗ màng từ 0,1 ÷ 10 µm, siêu lọc có kích thư c lỗ màng trong khoảng 2 ÷ 100nm, còn trong th m thấu ngược lỗ màng có kích thức từ 0,5 ÷ 2

nm Siêu lọc có thể lọc được các phần t ở kích cỡ nano, cùng v i các hiệu ứng hấp phụ, tạo màng thứ cấp, siêu lọc cho phép lọc các phân t Trong phương pháp th m thấu ngược, màng chỉ cho phép nư c đi qua trong khi muối, axit và các phân t h u cơ không đi qua do đặt vào dung dịch nư c thải cần

x lý một áp suất l n hơn áp suất th m thấu của dung dịch đó Trong các kỹ thuật màng thì kỹ thuật siêu lọc có thể loại bỏ các chất tan v i khối lượng phân

t l n cỡ 1000 ÷ 100.000 g/mol Tuy nhiên nó không lọc được các loại thuốc nhuộm tan và có phân t lượng thấp, kích thư c nhỏ Việc loại bỏ các loại thuốc nhuộm n y được thực hiện bằng phương pháp lọc nano và th m thấu ngược Lọc nano đã được chứng minh là có thể tách thuốc nhuộm hoạt tính

có khối lượng phân t khoảng 400 g/mol ra khỏi nư c thải

Tuy v i nh ng ưu điểm trên nhưng giá th nh của màng, thiết bị lọc cao và năng suất giảm dần do thuốc nhuộm lắng xuống làm b n màng lọc

c) Phương pháp hóa lý

-Keo tụ

Hiện tượng keo tụ là hiện tượng các hạt keo cùng loại có thể hút nhau tạo thành nh ng tập hợp hạt có kích thư c và khối lượng đủ l n để có thể lắng xuống do trọng lực trong một thời gian đủ ngắn

Phèn nhôm Al2(SO4)3.nH2O (n=14÷18), muối sắt Fe2(SO4)3.nH2O hoặc FeCl3.nH2O (n=1÷6) được coi là nh ng chất keo tụ cổ điển, trong đó phèn nhôm là chất keo tụ phổ biến nhất tại Việt Nam, trong khi đó muối sắt lại là chất keo tụ phổ biến ở các nư c công nghiệp phát triển do khoảng pH keo tụ tối ưu rộng hơn (5 ÷ 9), bông cặn nặng, bền hơn v dư lượng sắt trong nư c thấp hơn so v i dùng phèn nhôm (pH keo tụ 5,5 ÷ 7) Polime nhôm (PAC): khi hòa tan PAC tạo các hạt polime Al13 (thực chất là Al13O4(OH)24) có điện tích vượt trội v kích thư c l n gây keo tụ mạnh, bông cặn l n và thủy phân chậm nên

tăng tác dụng của chúng lên các hạt keo cần x lý

Phương pháp keo tụ được s dụng rộng rãi trong x l nư c thải dệt nhuộm chứa các thuốc nhuộm phân tán v không tan Đây l phương pháp khả thi về mặt kinh thế tuy nhiên nó không x l được tất cả các loại thuốc nhuộm: thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm trực tiếp; thuốc nhuộm hoàn nguyên keo tụtốt nhưng không kết lắng d dàng, bông cặn chất lượng thấp; thuốc nhuộm hoạt tính rất khó x lý bằng các tác nhân keo tụ thông thường và còn

ít được nghiên cứu Bên cạnh đó phương pháp keo tụ cũng tạo ra một lượng bùn thải l n và không làm giảm tổng chất rắn hòa tan nên gây khó khăn cho tuần ho n nư c[3]

- Hấp phụ

Phương pháp hấp phụ được dùng để phân hủy các chất h u cơ không hoặc khó phân hủy sinh học Trong công nghệ x l nư c thải dệt nhuộm, thường dùng ch ng để kh m u nư c thải dệt nhuộm hòa tan và thuốc nhuộm hoạt tính Cơ sở của quá trình là sự hấp phụ chất tan lên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ), sau đó giải hấp để tái sinh chất hấp phụ Các chất hấp phụ thường được s dụng là than hoạt tính, than nâu, đất sét, magie cacbonat Trong số đó, than hoạt tính hấp phụ hiệu quả nhất là do có bề mặt riêng l n 400 - 1500 m2 /g Ngoài

ra người ta còn dùng xenlulo biến tính v lignoxenlulo để hấp phụ thuốc nhuộm axit và thuốc nhuộm cation Các vật liệu thiên nhiên như lõi ngô, mạt cưa, thân cây mía, trấu,… cũng được th nghiệm khả năng hấp phụ thuốc nhuộm

Phương pháp hấp phụ được dùng rộng rãi để làm sạch triệt để nư c thải khỏi các chất h u cơ ho tan sau khi x lý sinh học cũng như x lý cục bộ khi trong nư c thải có chứa một h m lượng rất nhỏ các chất đó Nh ng chất này không phân huỷ bằng con đường sinh học v thường có độc tính cao Nếu các chất cần kh bị hấp phụ tốt v khi chi phí riêng lượng chất hấp phụ không l n thì việc áp dụng phương pháp này là hợp l hơn cả

Trong trường hợp tổng quát, quá trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn:

• Di chuyển các chất cần hấp phụ từ nư c thải t i bề mặt hạt hấp phụ

• Thực hiện quá trình hấp phụ;

• Di chuyển chất ô nhi m vào bên trong hạt hấp phụ (vùng khuếch tán trong) Người ta thường dùng than hoạt tính, các chất tổng hợp hoặc một số chất thải của sản xuất như xỉ tro, xỉ, mạt sắt và các chất hấp phụ bằng khoáng sản như đất sét, silicagen…Để loại nh ng chất ô nhi m như: chất hoạt động

bề mặt, chất màu tổng hợp, dung môi clo hoá, dẫn xuất phenol v hydroxyl…

- Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ

Diện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ: diện tích l n bao hàm một khả năng hấp phụ cao hơn

Kích thư c hạt của vật liệu hấp phụ: kích thư c hạt nhỏ hơn l m giảm

sự khuếch tán nội bộ và truyền khối hạn chế để sự xâm nhập của các chất

bị hấp phụ bên trong vật liệu hấp phụ ( ví dụ, trạng thái cân bằng được d dàng đạt được và khả năng hấp thụ gần như đầy đủ có thể đạt được) Ngoài ra bột vật liệu hấp phụ phải được tuân thủ bằng cách loại bỏ

Thời gian tiếp xúc và thời gian lưu:thời gian càng lâu hiệu quả càng cao tuy nhiên các thiết bị sẽ l n hơn

Độ tan của chất tan ( chất bị hấp phụ) trong chất lỏng (nư c thải): chất

ít tan trong nư c sẽ được d dàng tách ra khỏi nư c hơn so v i các chất có khả năng hòa tan cao Ngo i ra, các chất không phân cực sẽ được loại bỏ d

d ng hơn chất phân cực kể từ sau có áp lực l n hơn cho nư c

Tính chất hóa học của chất bị hấp phụ: Các chất kị nư c sẽ hấp phụ tốt hơn sơ v i nh ng chất ưa nư c, các chất không phân ly bị hấp phụ như nhau

v i bất kỳ giá trị nào của pH trong môi trường Nói chung đa số các chất b n khi hấp phụ có thể xác định được giá trị pH tối ưu Nếu không tạo được điều kiện tối ưu cho từng loại chất h u cơ phân ly trong nư c thì sẽ tốn nhiều lượng vật liệu hấp phụ mà hiệu quả sẽ không đạt được như mong muốn

Mối quan hệ của các chất tan trong vật liệu hấp phụ (carbon):bề mặt của than hoạt tính chỉ l hơi phân cực Do đó các chất không phân cực sẽ d

dàng chọn carbon hơn so v i nh ng chất phân cực (nư c phân cực)

Số lượng của các nguyên t carbon: đối lượng l n các nguyên t cacbon liên kết v i độ phân cực thấp v đó một tiềm năng l n để được hấp phụ (ví dụ, mức độ hấp thụ tăng trong chuỗi formic, axit propionic acetic-butyric)

Kích thư c của các phân t liên quan đến kích thư c của các lỗ rỗng: các phân t l n có thể quá l n để vào lỗ rỗng Điều này có thể làm khả năng giảm hấp phụ

Mức độ ion hóa của phân t chất bị hấp phụ:các phân t bị ion hóa được hấp thụ ở một mức độ nhỏ hơn so v i các phân t trung tính

pHmức độ ion hóa bị ảnh hưởng bơi pH (các hợp chất có tính axit là loại

bỏ tốt hơn ở pH thấp hơn.)

Đối v i tích hợp hấp phụ và quá trình lọc: than hoạt tính chỉ có tác dụng

v i một lượng nư c nhất định Sau khi lọc được một khối lượng nư c theo chỉ định của nhà sản xuất (chỉ nh ng hãng uy tín m i chỉ định theo tiêu chí này), than sẽ không còn khả năng hấp thụ n a

Ứng dụng của quá trình hấp phụ:

• Tách các chất h u cơ như phenol, alkylbenzen-sulphonic acid, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm từ nư c thải bằng than hoạt tính;

• Có thể dùng than hoạt tính kh thuỷ ngân;

• Có thể dùng để tách các chất nhuộm khó phân huỷ;

- i n hóa

Phương pháp n y dựa trên cơ sở quá trình oxi hóa/ kh xảy ra trên các điện cực Ở anot, nư c và các ion clorua bị oxi hóa dẫn đến sự hình thành O2, O3, Cl2 và các gốc là tác nhân oxi hóa các chất h u cơ trong dung dịch Quá trình kh điện hóa các hợp chất h u cơ như thuốc nhuộm, ở catot, kết hợp v i phản ứng oxi hóa điện hóa và quá trình tuyển nổi, keo tụ điện hóa dẫn đến hiệu suất x l m u v khoáng hóa cao Phương pháp điện hóa v i điện cực nhôm hoặc sắt là công nghệ x lý hiệu quả độ màu, COD, BOD, TOC, kim loại nặng, chất rắn lơ l ng Nghiên cứu cho thấy hiệu suất x lý các loại nư c thải từ xưởng nhuộm chứa nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau có khả năng đạt

t i 90% Đây l phương pháp được chứng minh hiệu quả đối v i việc x lý

độ màu, COD, BOD, TOC, kim loại nặng, chất rắn lơ l ng của nư c thải dệt nhuộm Tuy nhiên phương pháp điện hóa có giá thành cao do tiêu tốn năng lượng và kim loại l m điện cực

d) Phương pháp sinh học

Cơ sở của phương pháp sinh học là s dụng các vi sinh vật để phân hủy các hợp chất h u cơ trong nư c thải Phương pháp sinh học đạt hiệu quả cao trong x l nư c thải chứa các chất h u cơ d phân hủy sinh học v i pH, nhiệt

độ, chủng vi sinh thích hợp và không chứa các chất độc làm ức chế vi sinh Tuy nhiên nư c thải xưởng nhuộm chứa thuốc nhuộm rất bền vi sinh hầu như không bị phân hủy sinh học Vì vậy để x l nư c thải dệt nhuộm cần qua hai

bư c: tiền x lý chất h u cơ khó phân giải sinh học chuyển chúng thành nh ng chất có thể phân hủy sinh học, tiếp theo l dùng phương pháp vi sinh

X lý sinh học có thể là x lý vi sinh hiếu khí hoặc yếm khí tùy thuộc vào sự có mặt hay không có mặt oxi Quá trình yếm khí xảy ra sự kh còn quá trình hiếu khí xảy ra sự oxi hóa các chất h u cơ Quá trình yếm khí có thể chạy v i tải lượng h u cơ l n, loại bỏ một lượng l n các chất h u cơ đồng thời tạo ra khí sinh học, tiêu tốn ít năng lượng Lượng bùn thải của quá trình yếm khí rất thấp Tuy nhiên, hiệu quả kh màu của quá trình này không cao (đối v i thuốc nhuộm axit là 80 – 90 %, thuốc nhuộm trực tiếp l 81 %) Ngược lại, quá trình hiếu khí có hiệu suất cao trên 85 % nhưng nó lại tiêu tốn năng lượng cho sục khí và tạo lượng bùn thải l n

1.2.Tổng quan vật liệu nano

1.2.1.Khái ni m vật li u nano

Vật li u nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ

nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên v i nhau Kích thư c của vật liệu nano trải một khoảng khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm Để có một con số d hình dung, nếu ta có một quả cầu có bán kính bằng quả bóng bàn thì thể tích đó đủ để làm ra rất nhiều hạt nano có kích thư c 10 nm, nếu ta xếp các hạt đó thành một

hàng dài kế tiếp nhau thì độ dài của chúng bằng một ngàn lần chu vi của trái đất.

Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp

vào vật liệu tại các quy mô nguyên t , phân t và đại phân t Tại các quy mô

đó, tính chất của vật liệu khác hẳn v i tính chất của chúng tại các quy mô l n

hơn

Công ngh nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng

các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thư c trên quy mô nano mét

1.2.2.Ứng dụng của vật li u nano

Một số ví dụ về tiềm năng của vật liệu nano bao gồm sự bền bỉ tăng lên của vật liệu chống lại sự va chạm cơ học hoặc thời tiết, gi p tăng tuổi thọ h u ích của một sản ph m; các l p phủ chống ăn mòn v chống thấm nư c dựa trên công nghệ nano; vật liệu cách nhiệt m i để nâng cao hiệu suất năng lượng của các tòa nhà; thêm các hạt nano vào vật liệu để giảm trọng lượng và tiết kiệm năng lượng trong quá trình vận chuyển Trong lĩnh vực công nghiệp hóa chất, vật liệu nano được ứng dụng dựa trên các đặc tính x c tác đặc biệt của ch ng để tăng năng lượng và hiệu quả nguồn tài nguyên, và các vật liệu nano có thể thay thế các hóa chất có hại cho môi trường trong các lĩnh vực ứng dụng nhất định Các tiềm năng đang được đặt trong các sản ph m tối ưu hóa công nghệ nano và các quy trình sản xuất v lưu tr năng lượng; hiện đang trong giai đoạn phát triển và dự kiến sẽ đóng góp đáng kể vào việc bảo vệ khí hậu và giải quyết các vấn đề năng lượng của ch ng ta trong tương lai

Vật liệu nano đã bắt đầu được s dụng để làm sạch rác thải, thay thế các nguồn năng lượngkhông tái tạo bằng năng lượng tái tạo, giảm ô nhi m, tăng hiệu suất của pin mặt trời Gia tang diện tích bề mặt của một số dạng vật liệu nano gốm và kim loại có thể giúp giảm nhanh nồng độcác chất gây ô nhi m trong đất, nư c, không khí Sắt nano hiện đã được s dụng trong rất nhiềudự án

x lý môi trường và mang lại thành công đáng khích lệ Các nhà nghiên cứu đã

th nghiệm bơm cácbon trộn các hạt sắt nano vào đất ô nhi m khả năng thấm

hút các chất gây ô nhi m caohơn nhiều so v i vật liệu không có hạt nano

Vật liệu nano còn được s dụng để chế tạo các loại bao bì từ rác thải,dùng thay thế các loại vậtliệu tráng phủ truyền thống sản xuất từ nguyên liệu dầu mỏ không tái tạo.Trong lĩnh vực nănglượng, màng mỏng nano và công nghệ quang điện đang góp phần nâng cao hiệu quả của điện mặttrời, tăng khả năng hấp thu ánh sáng của pin mặt trời màng mỏng

Trong tương lai, vật liệu nano có thể giúp tạo ra các dạng năng lượng thay thế S dụng các chấtx c tác nano, người ta có thể sản xuất hyđrô (một dạng năng lượng thay thế) từ nư c Điện cựcquang s dụng vật liệu nano, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành hyđrô v i hiệu quả cao gấp 6lần so v i phương pháp dùng các vật liệu thông thường Hệ thống lọc và kh mặn nư c ứng dụngcông nghệ nano cho phép các phân t nư c đi qua nhưng gi lại các phân t có kích thư c l nhơn như ion muối và các tạp chất như vi khu n, virus, kim loại nặng, vật chất h u cơ.Vỏ cách điện cho dây cáp x lý bằng vật liệu nano composite chứa silic điôxít nano có khả năngchịu điện áp gấp 100,khả năng tải dòng cao gấp 100 lần các loại dây dẫn tốt nhất hiện nay

Vật liệu nano được ứng dụng trong việc x lý ô nhi m trong môi trường:

x lý và khắc phục hậu quả, phát hiện v ngăn ngừa ô nhi m và cải tiến kỹ thuật

kh muối là một lĩnh vực chính Các thiết bị lọc nư c có công nghệ nano có khả năng biến đổi lĩnh vực kh muối, ví dụ bằng cách s dụng hiện tượng phân cực nồng độ ion

1.2.3.M t số p ơng p áp tổng ợp vật li u nan

Trong nh ng năm qua, việc tổng hợp các hạt nano có kích thư c từ 1 đến

100 nm đã phát triển mạnh trên cả lĩnh vực nghiên cứu cơ bản v nghiên cứu ứng dụng Nh ng tính chất điện, quang, từ v cả tính chất hóa học đặc biệt của

ch ng phụ thuộc rất nhiều v o kích thư c hạt nanomet Có hai hư ng tiếp cận để tổng hợp vật liệu nano: hư ng tiếp cận từ trên xuống v từ dư i lên Hư ng tiếp cận từ trên xuống s dụng các phương pháp vật lí, còn hư ng tiếp cận từ dư i lên thường được thực hiện bằng con đường hoá học Ưu điểm của các phương

pháp vật lí l tổng hợp được lượng l n các hạt nano, nhưng sự đồng đều kích thư c hạt không cao do khó điểu khiển được kích thư c hạt Một nhóm các phương pháp sol-khí (aerosol) vật l được đưa ra để tổng hợp các hạt vật liệu oxit kích thư c nanomet Nhóm phương pháp n y bao gồm công nghệ ngưng tụ

từ pha hơi, phương pháp phun nung, lắng đọng hóa nhiệt của tiền chất kim

loại-h u cơ trong các buồng ploại-hản ứng ngọn l a v các quá trìnloại-h aerosol kloại-hác được đặt tên theo các nguồn năng lượng được s dụng để cung cấp nhiệt độ cao trong

sự biến đổi khí-hạt Ngược lại, các phương pháp hoá học đi từ các hợp chất trong pha lỏng cũng đã thu h t nhiều nh khoa học do khả năng có thể điều khiển được kích thư c hạt, thu được các hạt nano đồng đều Ngo i ra, các hạt nano có hình dạng đa dạng như nano dạng hạt, dạng thanh, dạng sợi, dạng đĩa …

có thể được tổng hợp từ các điều kiện phản ứng rất khác nhau (như s dụng

nh ng hỗn hợp các chất hoạt động bề mặt khác nhau…) Các phương pháp chế tạo vật liệu nói chung v vật liệu nano nói riêng rất phong ph v đa dạng Mỗi cách tổng hợp đều có ưu hoặc nhược điểm khác nhau Tùy mục đích s dụng loại vật liệu nano n o m người ta có thể chọn cách tổng hợp thích hợp v có hiệu quả cao Trong khuôn khổ bản luận án tác giả đề cập đến một số phương pháp tổng hợp vật liệu bằng phương pháp hoá học điển hình Hiện nay, các phương pháp hóa học ta có thể tạo ra các hạt nano đồng nhất có kích thư c v hình dạng đa dạng Sau đây l các phương pháp tiêu biểu:

a) Phương pháp hóa ướt

Bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo, phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, v kết tủa Theo phương pháp n y, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn v i nhau theo một tỷ phần thích hợp, dư i tác động của nhiệt độ, áp suất m các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano

Ưu điểm của phương pháp hóa ư t l các vật liệu có thể chế tạo được rất

đa dạng, ch ng có thể l vật liệu vô cơ, h u cơ, kim loại Đặc điểm của phương pháp n y l rẻ tiền v có thể chế tạo được một khối lượng l n vật liệu Nhưng nó

cũng có nhược điểm l các hợp chất có liên kết v i phân t nư c có thể l một khó khăn, phương pháp sol-gel thì không có hiệu suất cao

b)Phương pháp cơ học

Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học Theo phương pháp

n y, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thư c nhỏ hơn Ng y nay, các máy nghiền thường dùng l máy nghiền kiểu h nh tinh hay máy nghiền quay Phương pháp cơ học có ưu điểm l đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền v có thể chế tạo v i một lượng l n vật liệu Tuy nhiên nó lại có nhược điểm l các hạt bị kết tụ

v i nhau, phân bố kích thư c hạt không đồng nhất, d bị nhi m b n từ các dụng

cụ chế tạo v thường khó có thể đạt được hạt có kích thư c nhỏ Phương pháp n y thường được dùng để tạo vật liệu không phải l h u cơ như l kim loại

c)Phương pháp bốc bay

Gồm các phương pháp quang khắc,bốc bay trong chân không, vật lí, hóa học Các phương pháp n y áp dụng hiệu quả để chế tạo m ng mỏng hoặc l p bao phủ bề mặt tuy vậy người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu từ đế Tuy nhiên phương pháp n y không hiệu quả lắm để có thể chế tạo ở quy mô thương mại

d) Phương pháp hình thành từ pha khí

Gồm các phương pháp nhiệt phân, nổ điện, đốt laser, bốc bay nhiệt độ cao, plasma Nguyên tắc của các phương pháp n y l hình th nh vật liệu nano từ pha khí Nhiệt phân l phương pháp có từ rất lâu, được dùng để tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon Phương pháp đốt laser thì có thể tạo được nhiều loại vật liệu nhưng lại chỉ gi i hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của

ch ng thấp Phương pháp plasma một chiều v xoay chiều có thể dùng để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp để tạo vật liệu h u cơ vì nhiệt độ của nó có thể đến 9000 0

C

Phương pháp hình th nh từ pha khí dùng chủ yếu để tạo lồng carbon hoặcống carbon, rất nhiều các công ty dùng phương pháp n y để chế tạo mang tính thương mại

e)Phương pháp đồng kết tủa

Đây l một trong nh ng phương pháp đang được s dụng rộng rãi để tổng hợp vật liệu Phương pháp n y cho phépkhuếch tán các chất tham gia phản ứng khá tốt, tăng đáng kể bề mặt tiếp x c của các chất phản ứng do đó có thể điều chế được vật liệu mong muốn ở điều kiện nhiệt độ nung thấp Một điều quan trọng l trong điều kiện nghiêm ngặt kết tủa sẽ có th nh phần mong muốn Một số hoá chất l m môi trường cho quá trình kết tủa như: Na2CO3, NaOH, NH3

…

Phương pháp đồng kết tủa có ưu điểm sau:

- Cho sản ph m tinh khiết

- Tính đồng nhất của sản ph m cao

- Thay đổi các tính chất của vật liệu thông qua việc điều chỉnh các yếu tố ảnh hưởng như: pH, nhiệt độ, nồng độ, tốc độ của sự thuỷ phân, sự kết tinh ảnh hưởng hình thái học, độ l n v tính chất của các hạt sản ph m cuối cùng

Vật liệu tổng hợp được bằng phương pháp n y cho kích nhỏ, đồng đều, các tiền chất để tổng hợp đơn giản d tìm Tuy nhiên, để tổng hợp vật liệu nào

đó, không phải l c n o cũng lựa chọn được các tiền chất thích hợp

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát:

- Tổng hợp được vật liệu có khả năngđể x l tốt các chất h u cơ trong

nư c

Mục tiêu cụ thể:

- Tổng hợp được vật liệu nano BiFeO3bằng phương pháp hóa học ư t

- Nghiên cứu đặc điểm hình thái, tính chất của vật liệu tổng hợp được

- Ứng dụng vật liệu nano BiFeO3 để x l ph m m u h u cơ trong nư c

2.2 Nội dung nghiên cứu

-Tổng hợp vật liệu nano BiFeO3bằng phương pháp đồng kết tủa

- Khảo sát th nh phần v cấu tr c của vật liệu bằng phương pháp chụp SEM v EDX

- Khảo sát hoạt tính hấp phụ của vật liệu đối v i dung dịch ph m m u RY

160

- Đánh giá khả năng thu hồi v tái s dụng của vật liệu

2.3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.3.1 Đối t ợng nghiên cứu

- Vật liệu nano BiFeO3

-Ph m màuReactive Yellow 160 (RY 160):