Đánh giá hiệu quả hấp thụ methylene xanh bằng than hoạt tính điều chế từ bã cà phê

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ HẤP PHỤ METHYLENE XANH BẰNG THAN HOẠT TÍNH ĐIỀU CHẾ TỪ BÃ CÀ PHÊ S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2021 - 110 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: LÊ TỐNG CÁT TƯỜNG S KC 0 7 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ HẤP PHỤ METHYLENE XANH BẰNG THAN HOẠT TÍNH ĐIỀU CHẾ TỪ BÃ CÀ PHÊ SV2021 – 110 Thuộc nhóm ngành khoa học: Môi trường SV thực hiện: Lê Tống Cát Tường – 19150041 Nam, Nữ: Nữ Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 19150CL0A – Khoa Đào tạo Chất lượng cao Năm thứ: /Số năm đào tạo: Ngành học: Công nghệ kỹ thuật môi trường Người hướng dẫn: TS Nguyễn Mỹ Linh TP Hồ Chí Minh, 10/2021 Mục lục THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài:  Tổng quan phương pháp xử lí phẩm màu :  Tổng quan phương pháp hấp phụ : 13  Tổng quan phương pháp hấp phụ từ vật liệu điều chế từ phế phẩm nông nghiệp: 19  Tổng quan bã cà phê nghiên cứu hấp phụ: .21 Lý chọn đề tài 26 Mục tiêu đề tài .27 Phương pháp nghiên cứu .27 Đối tượng phạm vi nghiên cứu : .28 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 29 1.1 Tổng quan ngành nước thải dệt nhuộm: 29 1.1.1 Sơ lược thuốc nhuộm: 29 1.1.2 Giới thiệu chung methylen xanh: 29 1.1.3 Ứng dụng: .30 1.1.4 Ảnh hưởng đến môi trường sinh thái: 30 1.2 Các phương pháp xử lí phẩm màu: 31 1.2.1 Phương pháp keo tụ 31 1.2.2 Phương pháp hấp phụ 31 1.2.3 Phương pháp oxy hóa 31 1.2.4 Phương pháp sinh học 32 1.2.5 Phương pháp màng lọc 32 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 2.1 Điều chế vật liệu: 33 2.1.1 Tiền xử lí .33 2.1.2 Điều chế 33 2.2 Đặc tính vật liệu: 34 2.3 Phương pháp nghiên cứu 34 2.3.1 Khảo sát pH tối ưu 34 2.3.2 Khảo sát khối lượng than tối ưu 34 2.3.3 Nghiên cứu cân hấp phụ dạng mẻ 34 2.3.4 Nghiên cứu động học hấp phụ 35 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ .36 3.1 Đặc tính vật liệu 36 3.2 Ảnh hưởng pH: 36 3.3 Ảnh hưởng lượng chất hấp phụ: .37 3.4 Đường đẳng nhiệt hấp phụ 37 3.5 Động học hấp phụ 39 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .42 Danh mục hình: Hình 1.1.2: Cơng thức cấu tạo methylene xanh .29 Hình 1.1.3: Dạng oxy hóa dạng khử methylen xanh 30 Hình 3.1: Bã cà phê trước sau đượ choạt hóa 36 Hình 3.2: Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến q trình hấp phụ than hoạt tính đièu chế từ bã cà phê lên methylen xanh 36 Hình 3.3: Kết khảo sát ảnh hưởng lượng chất hấp phụ methylen xanh .37 Hình 3.4: Mơ hình đẳng nhiệt Langmuir (a) mơ hình đẳng nhiệt Freundlich (b) hấp phụ methylen xanh than hoạt tính điều chế từ bã cà phê 38 Hình 3.5: Mơ hình động học giả bậc mơ hình động học giả bậc cho hấp phụ methylen xanh lên than hoạt tính điều chế từ bã cà phê .40 Danh mục bảng: Bảng 3.4: Các thơng số mơ hình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich thể cho hấp phụ methylen xanh lên than hoạt tính điều chế từ bã cà phê 39 Bảng 3.5: Phân tích động học giả bậc động học giả bậc hai cho hấp phụ methylen xanh lên than hoạt tính điều chế từ bã cà phê .40 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Đánh giá hiệu hấp phụ methylene xanh than hoạt tính điều chế từ bã cà phê - Chủ nhiệm đề tài: Lê Tống Cát Tường - Lớp: 19150CL0A Mã số SV: 19150041 Khoa: Khoa Đào tạo Chất lượng cao - Thành viên đề tài: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Nguyễn Ngọc Thiên 19150034 19150CL0A Khoa Đào tạo Chất lượng cao Đỗ Cao Cường 19150007 19150CL0B Khoa Đào tạo Chất lượng cao - Người hướng dẫn: TS Nguyễn Mỹ Linh Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu thực với mong muốn giảm lượng phế phẩm sau sử dụng từ cà phê thải ngồi mơi trường, đồng thời tận dụng phế phẩm để loại bỏ methylene xanh – chất có khả gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người đồng thời ô nhiễm môi trường cao thường có mặt nước thải dệt nhuộm Tính sáng tạo: - Tận dụng nguồn phế phẩm bã cà phê, thay phải xả thải ngồi mơi trường ta tận dụng chúng để ứng dụng vào việc loại bỏ màu nhuộm cách hiệu với chi phí rẻ tiền Kết nghiên cứu: Kết nghiên cứu thu chứng minh than hoạt tính điều chế từ bã cà phê cách hoạt hóa với NaOH có đặc tính bề mặt tốt chất hấp phụ hiệu để loại bỏ thuốc nhuộm khỏi dung dịch nước methyle xanh Sự hấp phụ methylen xanh lên than hoạt tính điều chế từ bã cà phê tuân theo mô tả mơ hình đẳng nhiệt Freundlich khơng đơn lớp biểu thị cho việc lượng bề mặt chất hấp phụ không đồng Các đặc điểm động học hấp phụ mô tả đầy đủ mơ hình PSOK Vì vậy, bã cà phê có tiềm to lớn để tạo vật liệu hấp phụ xanh thay cho than hoạt tính đắc tiền để hấp phụ chất nhuộm chất gây nhiễm khác dung dịch nước Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Khơng có Cơng bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Khơng có Ngày 13 tháng 10 năm 2021 SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Lê Tống Cát Tường Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Sinh viên nghiêm túc q trình thực đề tài Chính vậy, số liệu báo cáo có giá trị tin cậy, dùng tham khảo cho nghiên cứu sau Ngày 13 tháng 10 năm 2021 Người hướng dẫn (kí, họ tên) Nguyễn Mỹ Linh MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài: Tổng quan phương pháp xử lí phẩm màu : Năm 2020, DongliLi cộng dùng β-Cyclodextrin chức SBA-15 thông qua liên kết amide chất hấp phụ để loại bỏ nhanh chóng methyl xanh Trong nghiên cứu đó: Để loại bỏ thuốc nhuộm hữu nước, ví dụ xanh metyl (MB) khỏi nước, silica trung tính SBA-15 xếp chức hóa với β-cyclodextrin (β-CD) thơng qua liên kết amide.Các đặc tính vật lý hóa học bề mặt bề mặt chất hấp phụ chức β-CD (viết tắt SBA15-A-CD) đặc trưng cách có hệ thống.Kết kênh SBA-15 biến đổi cách đồng với nhóm amin tiếp tục kết thúc β-CD thông qua liên kết amide, mà khơng làm hỏng cấu trúc trung gian có trật tự nó.Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc, pH, cường độ ion, nhiệt độ muối đến hiệu suất hấp phụ khám phá.SBA15-A-CD cho thấy khả hấp phụ tối đa MB lên đến 1791 mg ·g−1 kết hợp với khả tái chế tuyệt vời.Bên cạnh đó, hoạt động hấp phụ MB lên SBA15-A-CD khảo sát tính tốn DFT NMR hai chiều.Cụ thể, khả hấp phụ nâng cao MB bắt nguồn từ tương tác chủ khách điều chỉnh khoang βCD nhóm thơm MB kết hợp với lực hút tĩnh điện nhóm amin nhóm sulfo hóa MB.Những phát mang lại hội tốt để cải thiện khả hấp phụ silica trung tính việc hấp phụ thuốc nhuộm anion nước thải Năm 2019, Chirag B Godiya cộng dùng amine natri alginate hydrogel chức hóa để loại bỏ metyl xanh nước cách hiệu nhanh chóng Trong nghiên cứu này: Trong đây, hydrogel tiềm dựa natri alginat (SA) tích hợp với polyetylenimin (PEI) chế tạo sử dụng để loại bỏ metyl xanh (MB) môi trường nước.Hydrogel SA/PEI chứng minh hiệu suất loại bỏ MB tuyệt vời, tức 99% MB loại bỏ khỏi nước vòng 30 phút cách sử dụng 0,5 g/L SA/PEI hydrogel nồng độ ban đầu 100 mg / L Hydrogel SA/PEI thể khả hấp phụ tối đa MB cao tới 400,0 mg/g với đường đẳng nhiệt hấp phụ động học tuân theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir động học giả bậc hai, tương ứng.Q trình hấp phụ diễn thơng qua che lấp chức hydrogel MB xác nhận phân tích quang phổ quang điện tử tia X (XPS).Sau bốn chu kỳ hấp phụ /giải hấp phụ liên tiếp,khả hấp phụ hydrogel SA/PEI lên đến 60% khả hấp phụ chu kỳ đầu tiên.Do đó, vật liệu thân thiện với chi phí thân thiện với mơi trường, SA/PEI hydrogel chất hấp phụ tiềm việc khử nhiễm MB nước thải Năm 2021, Peng Chen cộng nghiên cứu phân hủy đồng cảm quang metyl da cam xanh metylen nước cách chiếu xạ ánh sáng nhìn thấy Trong nghiên cứu này: Trong cơng trình này, người ta đề xuất phương pháp để phân hủy đồng metyl da cam (MO) với xanh metylen (MB) làm chất cảm quang chiếu xạ ánh sáng nhìn thấy MO bị phân huỷ hiệu khoảng nồng độ rộng, tốc độ phân huỷ thúc đẩy đáng kể tăng nồng độ MB Kết EPR, LCMSMS, TOC sắc ký ion cho thấy chế phân hủy MO bao gồm hai phần: đường loại II qua trung gian O2 đường cảm quang loại I liên quan đến chuyển điện tử trực tiếp MB* MO Hơn nữa, hưởng lợi từ tự phân hủy MB, việc loại bỏ đồng MO MB nước thực cách kiểm sốt nồng độ MB ban đầu hệ thống, tránh vấn đề gặp phải quang xúc tác khơng đồng tách rắn-lỏng.Do đó,phương pháp dễ dàng hiệu chi phí có tiềm lớn việc ứng dụng loại bỏ MO MB khỏi nước thải cung cấp chiến lược để xử lý nước bền vững Năm 2020, Muhamad Altaf Nazir cộng nghiên cứu phát triển bề mặt ZIF-67 hydroxit kép có nhiều lớp: Loại bỏ xanh metylen metyl da cam khỏi nước Trong nghiên cứu này: Nước thải cơng nghiệp có chứa chất ô nhiễm hữu vấn đề phổ biến tính chất hóa học nguy hại Chế tạo ma trận hỗn hợp lai cách tiếp cận điển hình mạnh mẽ để tạo chức mà vật liệu pha đại diện được.Trong nghiên cứu này, báo cáo phát triển chỗ khung zeolit imidazolate (ZIF-67) hydroxit kép nhiều lớp (LDH) để tạo thành vật liệu tổng hợp xốp để phát triển vật liệu loại bỏ xanh metylen (MB) metyl da cam (MO).Quang phổ điện tử quét cho thấy cấu trúc giống bánh sandwich composite trang trí đa diện ZIF-67 Đối với nghiên cứu so sánh, ZIF-67 CoAl-LDH tổng hợp sử dụng để loại bỏ hấp phụ thuốc nhuộm MB MO Kết cho thấy có khả hấp phụ tốt (qm, 57,24 mg g−1) xanh metylen so với LDH (15,04 mg g−1) ZIF-67 (57,14 mg g−1) Hơn nữa, cho thấy khả hấp phụ tốt (qm 180,5 mg g−1) metyl da cam LDH (32,27 mg g−1) ZIF-67 (75,58 mg g−1) Ngoài ra,với thời gian tiếp xúc 100 phút 79,9% MB với thời gian tiếp xúc 90 phút, 72,3% MO hấp thụ ZIF-67 hỗn hợp Dữ liệu cân hấp phụ phù hợp tốt mơ hình Langmuir hệ số tương quan tương đối cao mơ hình Langmuir (R2=0,9953 ZIF-67 0,9889) MB (R2 = 0,9917 ZIF-67 0,9737) cho MO cho thấy hấp phụ lớp MB MO ZIF-67 hỗn hợp Hơn nữa, ZIF-67 hỗn hợp khơng cho thấy mát rõ ràng việc loại bỏ MB MO sau tái chế bốn lần Các kết tổng thể ZIF-67 điều chế hỗn hợp có hiệu việc loại bỏ chất nhiễm thuốc nhuộm có chứa metylen xanh metyl da cam dạng nước Năm 2019, Aqeel Ahmed Shah cộng dùng phương tiện tổng hợp nano ZnO pha tạp chất đồng để phân hủy hiệu metylen xanh metyl da cam Trong nghiên cứu này: Trong nghiên cứu này, nano oxit kẽm (ZnO) pha tạp với đồng phương pháp tăng trưởng hóa học nước nhiệt độ thấp sử dụng nồng độ khác đồng mg, 10 mg, 15 mg 20 mg dán nhãn tương ứng mẫu 1,2,3 4.Hình thái độ tinh khiết pha cấu trúc nano khảo sát kính hiển vi điện tử quét kỹ thuật nhiễu xạ tia X dạng bột.Việc xác định đặc tính quang học thực thơng qua máy quang phổ UV–Vis Độ rộng vùng cấm ZnO pha tạp coper giảm bước sóng 250-600 nm cho thấy thời gian tái tổ hợp cặp electron lỗ trống hơn, hiệu suất suy giảm quang nâng cao.ZnO thể nano giống hình dạng sau pha tạp chất đồng.Hiệu suất phân hủy ảnh hai thuốc nhuộm mãn tính metyl da cam MO metylen xanh MB tìm thấy 57,5% 60% tương ứng cho thời gian 180 phút Nghiên cứu cho thấy tạp chất đồng ZnO điều chỉnh hoạt động quang xúc tác với tốc độ đáng kể Các chất xúc tác quang đề xuất có triển vọng sử dụng để xử lý nước thải ứng dụng môi trường khác Methylen xanh chất màu thuộc họ thiôzin, phân ly dạng cation Một số tên gọi khác tetramethylthionine chlorhydrate, methylene blue, glutylene, methylthioninium chloride Đây hợp chất có mày xanh đậm ổn định nhiệt độ phòng Dạng dung dịch 1% có pH từ - 4,5 Methylen xanh đối kháng với loại hóa chất mang tính oxy hóa khử, kiềm, dichromate, hợp chất iod Khi phân hủy sinh khí độc như: Cl2, NO, CO, SO2, CO2, H2S Methylen xanh nguyên chất 100% dạng bột tinh thể Methylen xanh bị oxy hóa bị khử phân tử xanh methylen bị oxy hóa bị khử khoảng 100 lần/giây Quá trình làm tăng tiêu thụ oxy tế bào 1.1.3 Ứng dụng: Hình 1.1.3: Dạng oxy hóa dạng khử methylen xanh Methylen xanh hóa chất sử dụng rộng rãi ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ; sản suất mực in; xây dựng để kiểm nghiệm đánh giá chất lượng bê tông vữa; sử dụng y học Trong thủy sản, methylen xanh sử dụng vào kỉ 19 việc điều trị bệnh vi khuẩn, nấm kí sinh trùng Ngồi ra, methylen xanh cho hiệu việc chữa bệnh máu nâu Methemoglobin nhiều máu Bệnh thể dạng hemoglobin bất thường máu làm cho việc vận chuyển oxy máu khó khăn Những hợp chất gây tượng sử dụng kháng sinh, hàm lượng NO2- , NO3- nước dư lượng thuốc bảo vệ thực vật 1.1.4 Ảnh hưởng đến môi trường sinh thái: Methylen xanh hấp thu mạnh loại đất khác Trong môi trường nước, metylen xanh bị hấp thu vào vật chất lơ lửng bùn đáy ao khơng có khả bay ngồi mơi trường nước bề mặt nước Khi ước lượng số tích lũy sinh học, Cơ 30 quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) cho methylen xanh tích lũy sinh học thủy sinh vật (giá trị BCF = 1,5) Nếu thải methylen vào khơng khí, methylen xanh tồn dạng bụi lơ lửng Dạng bị phân hủy phản ứng quang phân với gốc oxy hóa [OH], thời gian bán hủy khoảng Sự quang phân trực tiếp diễn Đối với dạng hạt lơ lửng loại bỏ vật lý q trình phân hủy 1.2 Các phương pháp xử lí phẩm màu: 1.2.1 Phương pháp keo tụ Với phương pháp này, người ta tiến hành cho phèn nhôm, phèn sắt sữa vôi khử màu phần COD Nồng độ pH thay đổi theo tùy thuộc vào loại hóa chất tham gia trực tiếp vào q trình keo tụ Các hydroxit sắt nhôm hấp phụ chất màu nước thải cho hiệu suất cao với tác động thuốc nhuộm Mặt khác, để tăng trình xử lý người ta thường cho thêm polime hữu Tuy nhiên phương pháp lại tạo nhiều lượng bùn dư, hàm lượng COD giảm 60-70% 1.2.2 Phương pháp hấp phụ Dùng để xử lý chất thải khơng có khả phân hủy sinh học chất hữu không khó xử lý phương pháp sinh học, nước thải dệt nhuộm có chứa thuốc nhuộm hịa tan thuốc nhuộm hoạt tính Cơ sở q trình hấp phụ chất tan lên bề mặt chất rắn xốp Các chất hấp phụ thường than hoạt tính, than nâu, đất sét, magie, than hoạt tính sử dụng rộng rãi với bề mặt riêng lớn từ 400-500 m2/g Hàm lượng COD giảm tối đa khoảng 70% 1.2.3 Phương pháp oxy hóa Nước thải dệt nhuộm thường chứa nhiều chất hóa học bền vững nên cần tham gia chất oxi hóa mạnh Trong người ta thường sử dụng ozon khơng khí có chứa làm lượng ozon có khả khử màu hiệu Dùng khí clo mang đến hiệu kinh tế cao, chi phí đầu tư thấp lại có khả khử màu tốt Xử lý nước thải hàm lượng vi sinh định lại giảm đáng kể hàm lượng COD độ độc đáng kể Nhưng phương pháp lại tăng sản sinh hợp chất clo làm biến thiên hàm lượng halogen hữu AOX nguồn nước thải Nếu sử dụng H2O2 (preoxit) môi trường axit xúc tác muối sắt II lại có khả oxy hóa cao ozon chúng sinh gốc 31 hydroxyl trung gian Tuy nhiên phương pháp lại sử dụng tốn kém, thích hợp cho doanh nghiệp có quy mơ lớn nguồn vốn lớn 1.2.4 Phương pháp sinh học Tuy nước dệt thải nhuộm chứa nhiều chất khó phân hủy số lại có khơng chất dễ phân hủy sinh học Đặc biệt cần lưu tâm đến thành phần khác nước thải gây độc ảnh hưởng đến khả xử lý VSV chất vô cơ, formandehit, kim loại nặng,…vì trước xử lý sinh học sơ chất cách giảm nồng độ độc hại Trước tiến hành xử lý phương pháp hiếu khí, cần kiểm tra hàm lượng BOD5:N:P=100:5:1 Một số phương pháp xử lý sinh học thường dùng bùn hoạt tính, lọc sinh học, hồ oxy hóa Phương pháp xử lý sinh học thường cho kết xử lý khơng màu, lượng bùn tạo có sinh khối lớn lại tốn khâu xử lý bùn giá thành sử dụng VSV cao 1.2.5 Phương pháp màng lọc Đây phương pháp truyền thống thường dùng để thu hồi hồ tinh bột, PVA, muối thuốc nhuộm Màng lọc thường dùng RO NF mang lại hiệu cao có khả loại bỏ đến 99.5% hàm lượng COD Được thiết kế lỗ lọc có kích thước siêu nhỏ, dễ thấm hút giữ lại tạp chất bề mặt vật liệu lọc Có loại màng lọc gồm màng lọc sinh học màng lọc tổng hợp Đồng thời, phương pháp giúp doanh nghiệp tiết kiệm đến 70% lượng nước tiêu tốn trình nhuộm so với trước 32 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Điều chế vật liệu: Bã cà phê thu gom từ quán cà phê Highland Coffee nằm đường Phan Văn Trị, phường 10, quận Gị Vấp, TP Hồ Chí Minh 2.1.1 Tiền xử lí Bã cà phê sau thu gom rửa nhiều lần nước nước đổ bỏ có màu nâu nhạt, mục đích để loại bỏ bớt cốt cà phê lưu lại để giảm bớt độ màu bã cà phê Phần bã cà phê rửa đem sấy khô nhiệt độ 70 độ C – 80 độ C vòng 12 – 24 tiếng tủ sấy Sau đó, lấy bã cà phê đem hút ẩm vòng 24 tiếng bảo quản hộp kín đặt nơi khơ thoáng mát tủ dụng cụ Lúc này, bã cà phê sẵn sàng mang điều chế thành than hoạt tính 2.1.2 Điều chế Để điều chế than hoạt tính từ bã cà phê, việc cần làm hoạt hóa bề mặt vật liệu trước sau đem carbon hóa để vật liệu trở thành than, cuối ta có thành phẩm than hoạt tính Trước tiên, để hoạt hóa bề mặt bã cà phê ta ngâm bã cà phê với NaOH 6M theo tỉ tệ 1:2 cốc khuấy vòng tiếng máy khuấy từ Tiếp theo, ta lọc lại qua rây để loại bỏ bớt dung dịch NaOH, lấy phần bã trải khay đem sấy khô nhiệt độ 70 độ C – 80 độ C vòng 12 – 24 tiếng tủ sấy Sau đó, lấy bã nghiền nhỏ chúng q trình sấy bã cà phê dính lại với thành mảng lớn Tới giai đoạn than hóa bã cà phê, ta lấy bã bỏ vào cốc nung đậy nắp lại, để hạn chế việc vật liệu ta bị thất q trình nung ta nên bọc thêm giấy bạc bên ngồi cốc nung, đặt cốc nung vào tủ nung, chỉnh nhiệt độ 700 độ C nung vòng tiếng, sau tiếng tắt tủ nung chờ thêm 15 – 20 phút để tủ nung hạ nhiệt độ, sau tiến hành lấy cốc ra, lấy than khỏi cốc, đem than nghiền ray mịn ray có kích thước 0.25mm, sau bảo quản than hộp kín nơi thống mát 33 2.2 Đặc tính vật liệu: Cấu trúc lỗ rỗng bên vật liệu quan sát thông qua ảnh chụp từ Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt SEM) Các nhóm chức hóa học vật liệu xác định quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Khảo sát pH tối ưu Để đánh giá ảnh hưởng pH dung dịch đến khả hấp phụ than, loạt thí nghiệm thực cách lấy cốc chứa 250ml methylen xanh có nồng độ 50mg/l điều chỉnh giá trị pH từ đến 10 H2SO4 NaOH, cho vào cốc 0.5g than Sau cho hỗn hợp khuấy máy jartest 100 vịng/phút 60 phút, sau 60 phút dừng khuấy Thí nghiệm lặp lại lần điều kiện lấy giá trị trung bình với sai số chuẩn Nồng độ ban đầu sau hấp phụ methylen xanh xác định máy quang phổ UV – vis bước sóng 665nm 2.3.2 Khảo sát khối lượng than tối ưu Để khảo sát khối lượng chất hấp phụ tối ưu, ta thực loạt thí nghiệm cách lấy cốc chứa 250ml methylen xanh có nồng độ 50mg/l chỉnh giá trị pH tối ưu tìm thí nghiệm trên, cho vào cốc khối lượng than 0.5g, 1g, 2g, 5g Sau cho hỗn hợp khuấy máy jartest 100 vòng/phút 60 phút, sau 60 phút dừng khuấy Thí nghiệm lặp lại lần điều kiện lấy giá trị trung bình với sai số chuẩn Nồng độ ban đầu sau hấp phụ methylen xanh xác định máy quang phổ UV – vis bước sóng 665nm 2.3.3 Nghiên cứu cân hấp phụ dạng mẻ Lượng chất bị hấp phụ vào than hoạt tính phụ thuộc vào chất chất bị hấp phụ với nồng độ đầu vào, cấu trúc bề mặt than hoạt tính, nhiệt độ độ pH nước Đối với hệ thống xử lí than hoạt tính, mối quan hệ lượng vật chất hấp phụ đơn vị khối lượng than hoạt tính nồng độ cân bằng, nhiệt độ pH khơng đổi gọi q trình đẳng nhiệt Để xác định đẳng nhiệt hấp phụ, ta thực loạt thí nghiệm cách lấy cốc chứa 250ml methylen xanh có nồng độ 50mg/l, 80mg/l, 100mg/l, 34 125mg/l, 250 mg/l; chỉnh giá trị pH tối ưu cho lượng than tối tìm thí nghiệm vào Sau cho hỗn hợp khuấy máy jartest 100 vòng/phút 60 phút nhiệt độ 25 độ C, sau 60 phút dừng khuấy Thí nghiệm lặp lại lần điều kiện lấy giá trị trung bình với sai số chuẩn Nồng độ ban đầu sau hấp phụ methylen xanh xác định máy quang phổ UV – vis bước sóng 665nm Khả hấp phụ cân qe (mg/g) tính tốn cách sử dụng phương trình sau: 𝑞𝑒 = (𝐶𝑜 − 𝐶𝑒 )𝑉 𝑚 (1) Trong đó: Co: Nồng độ ban đầu methylen xanh (mg/l) Ce: Nồng độ sau hấp phụ methylen xanh (mg/l) V: thể tích dung dịch (l) m: khối lượng than dùng (g) 2.3.4 Nghiên cứu động học hấp phụ Để nghiên cứu động học hấp phụ, ta thực loạt thí nghiệm cách lấy cốc chứa 250ml methylen xanh có nồng độ 50mg/l, 80mg/l, 100mg/l, 125mg/l, 250 mg/l; chỉnh giá trị pH tối ưu cho lượng than tối tìm thí nghiệm vào Sau cho hỗn hợp khuấy máy jartest 100 vòng/phút 180 phút, mốc thời gian phút, 10 phút, 15 phút, 20 phút, 30 phút, 60 phút, 90 phút, 120 phút, 150 phút, 180 phút ta tiến hành lấy mẫu để xác định nồng độ methylen xanh sau hấp phụ Thí nghiệm lặp lại lần điều kiện lấy giá trị trung bình với sai số chuẩn Nồng độ ban đầu sau hấp phụ methylen xanh xác định máy quang phổ UV – vis bước sóng 665nm Khả hấp phụ thời điểm t qt (mg/g) tính tốn cách sử dụng phương trình sau: 𝑞𝑡 = (𝐶𝑜 − 𝐶𝑡 )𝑉 𝑚 Trong đó: Co: Nồng độ ban đầu methylen xanh (mg/l) Ct: Nồng độ sau hấp phụ methylen xanh (mg/l) V: thể tích dung dịch (l) m: khối lượng than dùng (g) 35 (2) CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ 3.1 Đặc tính vật liệu Hoạt hóa Hình 3.1: Bã cà phê trước sau hoạt hóa 3.2 Ảnh hưởng pH: Đối với thí nghiệm khảo sát pH tối ưu, kết thể Hình cho thấy hiệu hấp phụ than hoạt tính điều chế từ bã cà phê tăng nhanh từ 25.2% đến 63.8% pH mức từ đến sau hiệu suất xử lí bắt đầu giảm dần Điều cho điều chỉnh điện tích bề mặt than hoạt tính mức độ ion hóa methylen xanh dung dịch nước Từ kết đó, nghiên cứu xin kết luận hiệu suất hấp phụ methylen xanh than hoạt tính điều chế từ bã cà phê đạt tối ưu pH nằm khoảng pH – 100 90 Hiệu suất (%) 80 70 63.8 56.6 60 61.4 58.8 47.6 50 36 40 25.2 30 20 10 11 pH Hình 3.2: Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ than hoạt tính đièu chế từ bã cà phê lên methylen xanh 36 3.3 Ảnh hưởng lượng chất hấp phụ: Kết thí nghiệm khảo sát liều lượng chất hấp phụ cách thay đổi lượng chất hấp phụ giá trị từ 0.5g, 1g, 2g, 5g thể Hình cho thấy rằng, với khối lượng chất hấp phụ 2g hiệu suất xử lí methylen xanh đạt 98%, điều gia tăng diện tích bề mặt chất hấp phụ xuất nhiều vị trí hấp phụ với liều lượng chất hấp phụ ngày tăng 120 Hiệu suất xử lý (%) 110 98.66 95.96 100 88.4 90 80 70.4 70 60 Khối lượng than (g) Hình 3.3: Kết khảo sát ảnh hưởng lượng chất hấp phụ methylen xanh 3.4 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Đường đẳng nhiệt hấp phụ dùng để nghiên cứu, cung cấp thơng tin giải thích tương tác chất hấp phụ chất bị hấp phụ Hơn nữa, giá trị số đẳng nhiệt cần thiết để dự đoán khả hấp phụ tối đa mơ tả lực tính chất bề mặt chất hấp phụ Trong nghiên cứu này, đường đẳng nhiệt Langmuir Freundlich sử dụng để phân tích liệu cân thực nghiệm Mơ hình Langmuir (Langmuir 1917) đại diện phương trình (3) với giả thiết xảy tượng hấp phụ đơn lớp vị trí hấp phụ giống tương đương mặt lượng 𝐶𝑒 𝐶𝑒 = + 𝑞𝑒 𝑞𝑚 𝑞𝑚 𝐾𝐿 Trong đó: qe: dung lượng hấp phụ trạng thái cân (mg/g) Ce: Nồng độ cân methylen xanh (mg/l) qm: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) 37 (3) KL: số hấp phụ Langmuir (L/mg) Ngược lại, mơ hình Freundlich (Freundlich 1906) thiết lập cho hệ thống lượng bề mặt không đồng với hấp phụ không đơn lớp đưa phương trình: 𝑙𝑔𝐶𝑐𝑏 = 𝑙𝑔𝐾𝐹 + 𝑛 × 𝑙𝑔𝑞𝑒 (4) Trong đó: qe: dung lượng hấp phụ trạng thái cân (mg/g) Ccb: Nồng độ cân methylen xanh (mg/l) n: mức độ thuận lợi trình hấp phụ KF: khả hấp phụ chất hấp phụ ( 𝑚𝑔 𝑔 ×( 𝑚𝑔 qm KL xác định từ đồ thị tuyến tính 𝑛 ) ) 𝐶𝑒 𝑞𝑒 so với Ce với độ dốc 𝑞𝑚 (Hình 5a) KF n xác định từ đồ thị tuyến tính log(qe) so với log(Ce) với hệ số góc 𝑛 (Hình 5b) Các thơng số hấp phụ mơ hình cho Bảng Kết thể Bảng cho thấy rằng, hệ số tương quan R2 đường đẳng nhiệt Freundlich (0.9147) cao hệ số tương quan R2 đường đẳng nhiệt Langmuir (0.7812), điều chứng tỏ hấp phụ methylen xanh lên than hoạt tính điều chế từ bã cà phê hấp phụ đơn lớp Từ kết luận rằng, mơ hình Freundlich sử dụng để mô tả cân hấp phụ, biểu thị cho việc lượng 2.5 Log qe Ce/qe (g/L) bề mặt chất hấp phụ không đồng 1.5 0.5 0 20 (a) 40 60 80 100 Ce (mg/L) 0.6 0.8 (b) 1.2 1.4 Log Ce Hình 3.4: Mơ hình đẳng nhiệt Langmuir (a) mơ hình đẳng nhiệt Freundlich (b) hấp phụ methylen xanh than hoạt tính điều chế từ bã cà phê 38 Bảng 3.4: Các thơng số mơ hình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich thể cho hấp phụ methylen xanh lên than hoạt tính điều chế từ bã cà phê Mơ hình Thơng số Giá trị Langmuir qm (mg/g) KL (L/mg) R 27.93 0.7812 0.096 Freundlich n KF ( 2.133 𝑚𝑔 𝑔 ×( 0.1617 𝑚𝑔 𝑛 ) ) R2 0.9147 3.5 Động học hấp phụ Để nghiên cứu chế động học hấp phụ chất bị hấp phụ lên chất hấp phụ điều kiện thí nghiệm khác nhau, người ta thường sử dụng phương trình động học khác Nghiên cứu lựa chọn hai mơ hình động học mơ hình động học giả bậc (PFOK) mơ hình động học giả bậc hai (PSOK) để xem xét mối quan hệ dung lượng chất bị hấp phụ thời gian diễn hấp phụ Các phương trình mơ tả sau: Phương trình giả bậc tuyến tính Lagergren (1898) đưa để xác định số tốc độ hấp phụ là: ln(𝑞𝑒 − 𝑞𝑡 ) = 𝑙𝑛𝑞𝑒 − 𝐾1 𝑡 (5) Trong đó: qe: dung lượng hấp phụ trạng thái cân (mg/g) qt: dung lượng hấp phụ thời điểm t (phút) (mg/g) K1: số cân tốc độ hấp phụ PFOK ( 𝑝ℎú𝑡 ) Các giá trị qe K1 xác định từ giao điểm độ dốc đường biểu diễn mối quan hệ tuyến tính 𝑙𝑛(𝑞𝑒 − 𝑞𝑡 ) thời gian t nồng độ methylen xanh ban đầu khác (Hình 6a) Kết đưa Bảng Phương trình giả bậc hai Ho McKay (1998) đưa dựa hấp phụ cân là: 𝑡 𝑡 = + 𝑞𝑡 𝐾2 𝑞𝑒 𝑞𝑒 (6) Trong đó: K2: số cân tốc độ hấp phụ PSOK ( 39 𝑔 𝑚𝑔 × 𝑝ℎú𝑡 ) (Hình 6b) biểu diễn mối quan hệ 𝑡 𝑞𝑡 thời gian t sử dụng để xác định qe K2 từ giao điểm hệ số góc Các giá trị động học thơng số hấp phụ cho Bảng Thời gian (phút) 50 100 150 200 35 50 30 100 250 80 125 -1 25 -2 t/qt ln(qe-qt) 20 -3 15 -4 10 -5 50 100 250 80 125 -6 50 (a) 100 (b) 150 200 Thời gian (phút) Hình 3.5: Mơ hình động học giả bậc mơ hình động học giả bậc cho hấp phụ methylen xanh lên than hoạt tính điều chế từ bã cà phê Bảng 3.5: Phân tích động học giả bậc động học giả bậc hai cho hấp phụ methylen xanh lên than hoạt tính điều chế từ bã cà phê Nồng độ qe thực đầu vào nghiệm Mơ hình động học giả bậc K1 qe tính tốn R2 Mơ hình động học giả bậc hai qe tính K2 -1 tốn R2 (mg/L) (mg/g) (1/phút) 50 5.688 0.0187 0.2169 0.9625 0.5697 6.098 80 8.138 0.0178 0.3629 0.8575 0.2163 8.143 100 9.263 0.0137 1.083 0.9854 0.163 10.07 0.9998 125 11.16 0.0119 0.7147 0.958 0.092 11.17 250 21.06 0.0066 1.148 0.9181 0.067 15.11 (mg/g) 40 (g.(mg.phút) ) (mg/g) Dựa vào bảng 2, ta quan sát tính phù hợp mơ hình chứng minh hệ số tương quan (R2) phương trình khác biệt (Δqe) qe tính tốn từ mơ hình (qe, cal) thu từ thực nghiệm (qe, exp) Từ Bảng 2, giá trị R2 mơ hình PFOK 0,9 ≈ giá trị Δqe cao, cho thấy qe, cal qe, exp không gần nhau, nên PFOK khổng phù hợp để mô tả hấp phụ nghiên cứu Ngược lại mơ hình PSOK, giá trị R2 tất trường hợp 0,999 1, giá trị Δqe lại nhỏ Do đó, mơ hình PSOK khả thi để mơ tả trình hấp phụ methylen xanh lên than hoạt tính điều chế từ bã cà phê, điều cho thấy hấp phụ hóa học bước giới hạn tốc độ trình hấp phụ 41 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nghiên cứu chứng minh than hoạt tính điều chế từ bã cà phê cách hoạt hóa với NaOH có đặc tính bề mặt tốt chất hấp phụ hiệu để loại bỏ thuốc nhuộm khỏi dung dịch nước methyle xanh Sự hấp phụ methylen xanh lên than hoạt tính điều chế từ bã cà phê tn theo mơ tả mơ hình đẳng nhiệt Freundlich không đơn lớp biểu thị cho việc lượng bề mặt chất hấp phụ không đồng Các đặc điểm động học hấp phụ mơ tả đầy đủ mơ hình PSOK Vì vậy, bã cà phê có tiềm to lớn để tạo vật liệu hấp phụ xanh thay cho than hoạt tính đắc tiền để hấp phụ chất nhuộm chất gây ô nhiễm khác dung dịch nước Nghiên cứu cần thiết kế hợp lý để ứng dụng thực tế Hơn nữa, nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ chưa khảo sát, cần bổ sung nghiên cứu khác để thu trình hấp phụ tốt Cần nghiên cứu thêm nhiệt động học trình hấp phụ 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Công ty CPXD công nghệ môi trường (2020), Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm ,Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm (moitruonghopnhat.com), 15/09/2021 [2] Foo, K.Y., Hameed, B.H., 2011 Preparation of activated carbon from date stones by microwave induced chemical activation: application for methylene blue adsorption Chem Eng J 170, 338–341 [3] Foo, K.Y., Hameed, B.H., 2012 Coconut husk derived activated carbon via microwave induced activation: effects of activation agents, preparation parameters and adsorption performance Chem Eng J 184, 57–65 [4] Hien, T.T nnk, 2020 Adsorption isotherms and kinetic modeling of methylene blue dye onto a carbonaceous hydrochar adsorbent derived from coffee husk waste Sci of Total Env 725, 138325 [5] Ma Thị Vân Hà, 2015, NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH VÀ METYL DA CAM CỦA CÁC VẬT LIỆU ĐÁ ONG BIẾN TÍNH, Luận văn thạc sỹ, Trường Đại học Sư phạm, Thái Nguyên [6] Rattanapan, S., Srikram, J., Kongsune, P., 2017 Adsorption of Methyl Orange on Coffee grounds Activated Carbon Ene Pro 138, 949-954 [7] Zhou, Y., Fu, S., Zhang, L., Zhan, H., Levit, M.V., 2014 Use of carboxylated cellulose nanofibrils-filled magnetic chitosan hydrogel beads as adsorbents for Pb(II) Carbohydr Polym 101, 75–82 S K L 0 ... cho hấp phụ methylen xanh lên than hoạt tính điều chế từ bã cà phê Bảng 3.5: Phân tích động học giả bậc động học giả bậc hai cho hấp phụ methylen xanh lên than hoạt tính điều chế từ bã cà phê. .. khơ thoáng mát tủ dụng cụ Lúc này, bã cà phê sẵn sàng mang điều chế thành than hoạt tính 2.1.2 Điều chế Để điều chế than hoạt tính từ bã cà phê, việc cần làm hoạt hóa bề mặt vật liệu trước sau... hoạt tính điều chế từ bã cà phê 38 Bảng 3.4: Các thơng số mơ hình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich thể cho hấp phụ methylen xanh lên than hoạt tính điều chế từ bã cà phê Mơ hình Thơng số Giá trị