TNU Journal of Science and Technology 227(11): 12 - 19 STUDY ON THE ADSORPTION CAPACITY OF ORANGE METHYLENE ON ACTIVATED CARBON PREPARED FROM SOYBEAN RESIDUE Nguyen Thi Anh Tuyet1, Vu Thi Hau2* TNU - University of Medicine and Pharmacy, 2TNU - University of Education ARTICLE INFO Received: 09/5/2022 Revised: 24/6/2022 Published: 24/6/2022 KEYWORDS Adsorption Orange methylene Activated carbon Soybean residue Zinc chloride ABSTRACT Methyl orange (MO) is one of the dyes of the azo family used in the textile industry, printing, paper production Recently, scientists have discovered its pollution and harm to the ecological environment and humans, especially this compound has the potential to cause cancer for users This paper focus on the adsorption of (MO) in aqueous solution on carbon prepared from soybean residue (TBD) The experiments were conducted using the following parameters: TBD mass is 0.05g/25 mL, shaking speed is 200 rounds/minute, equilibrium time is 120 minutes at room temperature (25 ± 10C); pH is best Mass TBD needed for MO adsorption is best at 0.05 g/25mL of MO solution In the temperature range of 298 - 323K, the values of ΔGo< 0; ΔHo = 122.99 kJ/mol implicates that the process is self-inflicted and exothermic According to the Langmuir adsorption isotherm model, the maximum adsorption capacity of TBD for MO was determined to be 153.85 mg/g at 298K The results of this study will be useful for the future expansion of low-cost activated carbon raw materials for dye removal in industrial wastewater NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYL DA CAM CỦA THAN HOẠT TÍNH CHẾ TẠO TỪ BÃ ĐẬU NÀNH Nguyễn Thị Ánh Tuyết1, Vũ Thị Hậu2* Trường Đại học Y Dược – ĐH Thái Nguyên, 2Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên THÔNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 09/5/2022 Ngày hồn thiện: 24/6/2022 Ngày đăng: 24/6/2022 TỪ KHĨA Hấp phụ Metyl da cam Than hoạt tính Bã đậu nành Kẽm clorua TÓM TẮT Metyl da cam (MO) thuốc nhuộm thuộc họ azo sử dụng công nghiệp dệt may, in ấn, sản xuất giấy… Gần đây, nhà khoa học phát tính nhiễm nguy hại môi trường sinh thái người, đặc biệt hợp chất có khả gây ung thư cho người sử dụng Bài báo trình bày kết nghiên cứu hấp phụ MO than chế tạo từ bã đậu nành (TBĐ) Các thí nghiệm tiến hành với thông số sau: khối lượng TBĐ: 0,05 g/25mL; tốc độ lắc: 200 vòng/phút; thời gian đạt cân hấp phụ 120 phút nhiệt độ phòng (25 ± 10C); pH hấp phụ tốt khoảng 3,0 Khối lượng TBĐ cần thiết cho hấp phụ MO tốt 0,05 g/25mL dung dịch MO Trong khoảng nhiệt độ khảo sát từ 298 ÷ 323K, xác định giá trị ΔGo < 0; ΔHo = -122,99 kJ/mol chứng tỏ trình tự xảy tỏa nhiệt Theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir xác định dung lượng hấp phụ cực đại TBĐ đối MO 153,85 mg/g 298K Kết nghiên cứu hữu ích cho việc mở rộng nguồn nguyên liệu chế tạo than hoạt tính tương lai chi phí thấp để loại bỏ thuốc nhuộm nước thải công nghiệp DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5962 * Corresponding author Email:vuthihaukhoahoa@gmail.com http://jst.tnu.edu.vn 12 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 12 - 19 Giới thiệu Công nghiệp dệt nhuộm đời ngày phát triển không ngừng nhằm đáp ứng nhu cầu may mặc ngày đa dạng người Ngành góp phần tăng tỷ trọng xuất khẩu, giải công an việc làm cho lượng lớn lao động Việt Nam Tuy nhiên, với lợi ích kinh tế, vấn đề quan tâm, tình trạng nhiễm mơi trường nước thải từ nhà máy dệt nhuộm gây Màu nước thải dệt nhuộm thường có tính tan cao, cường độ lớn, nhiều màu sắc khác Do đó, thải vào mơi trường, nước thải ảnh hưởng xấu đến mỹ quan môi trường, gây ô nhiễm đất nước, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe sống người dân xung quanh Loại bỏ MO khỏi môi trường nước phương pháp hấp phụ sử dụng than chế tạo từ nguồn khác nhà khoa học nước quan tâm nghiên cứu [1]-[9] Cây đậu nành coi cung cấp dầu thực vật quan trọng hạt đậu nành có chứa hàm lượng dầu béo cao loại đậu đỗ khác Hiện nay, từ hạt đậu tương (đậu nành) người ta chế biến 600 sản phẩm khác nhau, có 300 loại làm thực phẩm chế biến phương pháp cổ truyền, thủ công đại dạng tươi, khô lên men làm giá, đậu phụ, tương, xì dầu đến sản phẩm cao cấp khác cà phê đậu nành, bánh kẹo thịt nhân tạo… Tuy nhiên sau lần chế biến thành thực phẩm bã đậu nành lại bị thải bỏ dùng cho chăn nuôi gia súc Trong bã đậu nành chứa lượng lớn hàm lượng chất xơ, thích hợp cho việc chế tạo than hoạt tính Quy trình chế tạo kết hấp phụ xanh metylen than bã đậu trình bày nghiên cứu trước [10] Bài báo tiếp tục trình bày kết nghiên cứu than hoạt tính chế tạo từ bã đậu nành hấp phụ MO Thực nghiệm 2.1 Hóa chất thiết bị nghiên cứu Hóa chất: MO; dung dịch ZnCl2 95%; dung dịch NaOH 0,1M; dung dịch HCl 3M; 0,1M; dung dịch Na2CO3 0,1M Tất hóa chất nêu có độ tinh khiết PA, xuất xứ Trung Quốc Thiết bị nghiên cứu: Thiết bị nghiền, thiết bị rây (kích thước lỗ 5mm), cân phân tích số Precisa XT 120ASwitland (Thụy Sĩ), bếp cách thủy, lò nung Carbolite (Anh), máy lắc IKA HS-260 (Malaysia), máy đo pH Precisa 900 (Thụy Sĩ), tủ sấyJeitech (Hàn Quốc), máy đo quang UV-Vis 1700 Shimadzu (Nhật) 2.2 Chế tạo vật liệu hấp phụ Nguyên liệu sử dụng nghiên cứu bã đậu nành, việc chuẩn bị nguyên liệu quy trình chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành trình bày chi tiết nghiên cứu trước [10] Kết chế tạo 04 mẫu TBĐ, mẫu TBĐ chế tạo tương ứng với tỉ lệ (mL) : khối lượng nguyên liệu (g) 0:1; 1:2; 1:1; 2:1 kí hiệu là: M01, M12, M11, M21 2.3 Quy trình thực nghiệmvà thí nghiệm nghiên cứu 2.3.1 Quy trình thực nghiệm Trong thí nghiệm hấp phụ: - Thể tích dung dịch MO: 25 mL với nồng độ xác định - Lượng chất hấp phụ: 0,05 g - Thí nghiệm tiến hành nhiệt độ phòng (25 ± 1oC), sử dụng máy lắc với tốc độ 200 vòng/phút http://jst.tnu.edu.vn 13 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 12 - 19 2.3.2 Các thí nghiệm nghiên cứu + Khảo sát sơ khả hấp phụ MO mẫu TBĐ chế tạo được: nồng độ dung dịch MO ban đầu 202,12 mg/L; thời gian hấp phụ: 120 phút Các điều kiện khác như: thể tích dung dịch MO, khối lượng chất hấp phụ, nhiệt độ hấp phụ, tốc độ lắc ghi + Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ MO TBĐ: - Ảnh hưởng pH: thời gian hấp phụ 120 phút; nồng độ dung dịch MO ban đầu 202,12 mg/L; pH dung dịch thay đổi từ đến 12 - Thời gian đạt cân hấp phụ: sử dụng giá trị pH tối ưu xác định thí nghiệm trước; nồng độ dung dịch MO ban đầu 200,18 mg/L;thời gian hấp phụ khác (5 ÷ 180 phút) - Ảnh hưởng khối lượng: sử dụng giá trị pH tối ưu; thời gian xác định thí nghiệm trước; nồng độ dung dịch MO ban đầu 214,47 mg/L; khối lượng TBĐ thay đổi từ 0,01g đến 0,07g - Ảnh hưởng nhiệt độ: sử dụng giá trị pH; thời gian, khối lượng TBĐ tối ưu xác định thí nghiệm trước; nồng độ dung dịch MO ban đầu 214,47 mg/L; nhiệt độ thí nghiệm thay đổi 298 - 323K - Ảnh hưởng nồng độ đầu MO xác định dung lượng hấp phụ cực đại: thời gian hấp phụ, khối lượng TBĐ, pH tối ưu xác định thí nghiệm trước; nồng độ ban đầu MO thay đổi từ 154,96 - 396,27 mg/L Nồng độ MO trước sau hấp phụ xác định phương pháp đo mật độ quang bước sóng 430 nm Dung lượng hiệu suất hấp phụ xác định theo phương trình (1) (2) (C Ct )V qt m (1) H Co C t 100 % Co (2) Trong đó: - qt: dung lượng hấp phụ thời điểm t (mg/g) - V: thể tích dung dịch MO lấy để hấp phụ (L) - m: khối lượng chất hấp phụ (g) - H: hiệu suất hấp phụ (%) - Co, Ct: nồng độ đầu nồng độ thời điểm t dung dịch MO (mg/L) Dung lượng hấp phụ cực đại TBĐ MO xác định dựa vào đồ thị Ccb/q = f(Ccb) – phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính: C cb 1 C cb q q max q maxb (3) Trong đó: - q, qmax: dung lượng hấp phụ dung lượng hấp phụ cực đại - Ccb: nồng độ thời điểm cân dung dịch MO - b: số Các đại lượng nhiệt động: biến thiên lượng tự (∆Go), entanpi (∆Ho) entropi (∆So) trình hấp phụ tính tốn cách sử dụng phương trình sau: q (4) KD e C cb (5) G o RT ln K D ln K D G o H o S o RT RT R (6) Trong đó: KD: số cân bằng; R: số khí (R = 8,314 J/mol.K); T: nhiệt độ (K) http://jst.tnu.edu.vn 14 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 12 - 19 TNU Journal of Science and Technology Kết thảo luận 3.1 Một số đặc trưng nguyên liệu TBĐ (mẫu M11) Kết xác định hình thái học bề mặt nguyên liệu ban đầu TBĐ trình bày Hình (a) (b) Hình Ảnh SEM nguyên liệu (a) TBĐ (b) Kết ảnh SEM cho thấy hình thái bề mặt cấu trúc TBĐ có thay đổi đáng kể sau q trình hoạt hóa ZnCl2 xử lý nhiệt Trên bề mặt TBĐ xuất nhiều lỗ xốp, kích thước khơng đồng đều, lỗ xốp “trung tâm” hấp phụ TBĐ Điều cho phép ta dự đoán khả hấp phụ TBĐ tốt bã đậu nành (nguyên liệu ban đầu) Theo [10], kết đo diện tích bề mặt riêng theo phương pháp BET mẫu nguyên liệu ban đầu 1,23 m2/g; TBĐ 605,7 m2/g Sự khác rõ rệt ảnh SEM diện tích bề mặt riêng TBĐ so với nguyên lệu ban đầu cho thấy TBĐ có khả hấp phụ tốt nguyên liệu Kết xác định điểm đẳng điện TBĐ pI = 6,35 [10] Điều cho thấy pH < pI bề mặt TBĐ tích điện dương, pH > pI bề mặt TBĐ tích điện âm 3.2 Khảo sát sơ khả hấp phụ MO mẫu TBĐ Kết khảo sát sơ khả hấp phụ MO mẫu TBĐ chế tạo thể Hình Hình Biểu đồ so sánh khả hấp phụ MO mẫu TBĐ Nhận xét: Kết Hình cho thấy điều kiện hiệu suất hấp phụ MO mẫu M11cao so với mẫu khác mẫu thấp M01 (mẫu không hoạt hóa ZnCl2) Điều cho thấy tác dụng hoạt hóa ZnCl2, đồng thời lượng ZnCl2 đưa vào mẫu phải phù hợp, (mẫu M12) khơng đủ hoạt hóa bề mặt hay nhiều (mẫu M21) làm giảm http://jst.tnu.edu.vn 15 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 12 - 19 TNU Journal of Science and Technology diện tích bề mặt nên khả hấp phụ MO giảm Từ kết trên, chọn mẫu M11cho nghiên cứu (Các mẫu TBĐ nhắc đến mục mẫu M11) 3.3 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ MO TBĐ 3.3.1 Ảnh hưởng pH Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ MO TBĐ Hình Hình Ảnh hưởng pH đến dung lượng hấp phụ MO Kết nghiên cứu rằng, miền pH khảo sát, hiệu suất hấp phụ MO TBĐ giảm pH tăng Điều cho thấy môi trường kiềm khơng thuận lợi cho q trình hấp phụ MO lên bề mặt TBĐ, nguyên nhân xuất cạnh tranh hấp phụ gốc OH- MO lên tâm hoạt động Mặt khác mức độ cồng kềnh MO lớn so với OH - nên hiệu hấp phụ giảm xuống mơi trường có nhiều gốc OH- Vì pH cao không thuận lợi cho hấp phụ MO Với kết thu được, nhận thấy giá trị pH tối ưu cho trình hấp phụ MO TBĐ 3,08 Kết thu trùng hợp với nhiều kết nghiên cứu hấp phụ MO vật liệu khác [5], [6] 3.3.2 Ảnh hưởng thời gian Kết khảo sát ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ MO TBĐ trình bày Hình 100 H% 90 80 70 30 60 90 120 150 Thời gian (phút) 180 210 Hình Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ MO Kết Hình cho thấy: Khi thời gian hấp phụ tăng hiệu suất hấp phụ tăng Trong khoảng thời gian từ 30 ÷ 180 phút hiệu suất hấp phụ tăng tương đối nhanh dần ổn định khoảng thời gian từ 120÷180 phút Hiệu suất hấp phụ phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc, thời gian http://jst.tnu.edu.vn 16 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 12 - 19 TNU Journal of Science and Technology tiếp xúc nhiều hiệu suất hấp phụ cao, đến thời điểm định, hiệu suất hấp phụ khơng tăng q trình hấp phụ đạt cân (trong trường hợp 120 phút) Do vậy, chọn thời gian đạt cân hấp phụ 120 phút sử dụng kết cho thí nghiệm 3.3.3 Ảnh hưởng khối lượng Kết khảo sát ảnh hưởng khối lượng đến khả hấp phụ MO TBĐ trình bày Hình Hình Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng khối lượng TBĐ đến hiệu suất hấp phụ MO Kết thực nghiệm cho thấy, khối lượng TBĐ tăng hiệu suất hấp phụ MO tăng Trong khoảng khối lượng TBĐ tăng từ 0,01÷0,05g, hiệu suất hấp phụ tăng nhanh Trong khoảng khối lượng tăng từ 0,05÷0,07g, hiệu suất hấp phụ tăng chậm tương đối ổn định (từ 91,01 – 92,53%) Điều lí giải tăng lên diện tích bề mặt, tăng lên số vị trí tâm hấp phụ TBĐ cân nồng độ MO dung dịch bề mặt chất rắn Vì vậy, chọn khối lượng TBĐ 0,05 gam cho nghiên cứu 3.3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến dung lượng hiệu suất hấp phụ MO TBĐ trình bày Bảng Bảng Sự phụ thuộc dung lượng hiệu suất hấp phụ MO TBĐ vào nhiệt độ T(K) Co (mg/L) 298 303 313 323 214,47 Ccb (mg/L) 19,28 22,18 32,67 35,93 q (mg/g) 139,42 137,35 129,86 127,53 H (%) 91,01 89,66 84,77 83,25 Kết Bảng cho thấy khoảng nhiệt độ khảo sát từ 298 đến 323K nhiệt độ tăng dung lượng hiệu suất hấp phụ MO TBĐ giảm Điều giải thích sau: Do hấp phụ trình tỏa nhiệt nên tăng nhiệt độ cân hấp phụ chuyển dịch theo chiều nghịch tức làm tăng nồng độ chất bị hấp phụ dung dịch dẫn đến làm giảm hiệu suất dung lượng hấp phụ trình hấp phụ Từ kết thu dựa vào phương trình nhiệt động lực học tính thơng số nhiệt động Kết Bảng Kết Bảng cho thấy: Giá trị lượng tự (ΔGo) thu có giá trị âm chứng tỏ trình hấp phụ MO TBĐ trình tự xảy ra; giá trị biến thiên lượng entanpi (ΔHo) có giá trị âm cho thấy q trình hấp phụ trình tỏa nhiệt http://jst.tnu.edu.vn 17 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 12 - 19 TNU Journal of Science and Technology Bảng Các thơng số nhiệt động q trình hấp phụ MO TBĐ Co (mg/L) 204,05 1/T(K-1) 0,0034 0,0033 0,0032 0,0031 lnKD 7,23 6,19 3,97 3,55 ΔGo(kJ/mol) -17,91 -15,60 -10,34 -9,53 ΔHo(kJ/mol) ΔSo(kJ/mol.K) -122,99 -0,35 3.3.5 Ảnh hưởng nồng độ MO ban đầu xác định dung lượng hấp phụ cực đại Từ kết thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ MO ban đầuđến dung lượng hấp phụ TBĐ, dựa vào phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính (Hình 6) tính dung lượng hấp phụ cực đại TBĐ MO 153,85 mg/g Hình Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính TBĐ MO Dung lượng hấp phụ MO TBĐ chế tạo cao so với số than hoạt tính chế tạo từ nguồn khác tro trấu, vỏ keo liềm, thấp so với than thân tre than chế tạo từ lignin Kết cho thấy khả hấp phụ MO loại than hoạt tính phụ thuộc vào chất nguyên liệu đầu chế tạo than quy trình chế tạo tác nhân hoạt hóa Dữ liệu cụ thể trình bày Bảng Bảng Dung lượng hấp phụ MO TBĐ số than khác STT Nguyên liệu đầu chế tạo than Thân tre Than Trà Bắc Lignin Vỏ keo liềm Tro trấu Bã đậu nành Tác nhân hoạt hóa KOH HNO3, H2O2 ZnCl2 HF ZnCl2 qmax (mg/g) 312,50 9,34 300,00 10,36 33,50 153,85 Tài liệu tham khảo [5] [6] [7] [8] [9] Bài báo Kết luận Kết khảo sát khả hấp phụ MO 04 mẫu TBĐ chế tạo cho thấy, mẫu có tỉ lệ (mL): khối lượng nguyên liệu (g) 1:1 cho khả hấp phụ MO cao Sự hấp phụ MO TBĐ nghiên cứu điều kiện thí nghiệm khác Kết thu được: pH tốt cho hấp phụ TBĐ MO khoảng pH ~3; Thời gian đạt cân hấp phụ TBĐ MO 120 phút Khối lượng TBĐ cần thiết cho hấp phụ MO tốt http://jst.tnu.edu.vn 18 Email: jst@tnu.edu.vn ... chế tạo than hoạt tính Quy trình chế tạo kết hấp phụ xanh metylen than bã đậu trình bày nghiên cứu trước [10] Bài báo tiếp tục trình bày kết nghiên cứu than hoạt tính chế tạo từ bã đậu nành hấp. .. 2.2 Chế tạo vật liệu hấp phụ Nguyên liệu sử dụng nghiên cứu bã đậu nành, việc chuẩn bị nguyên liệu quy trình chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành trình bày chi tiết nghiên cứu trước [10] Kết chế. .. keo liềm, thấp so với than thân tre than chế tạo từ lignin Kết cho thấy khả hấp phụ MO loại than hoạt tính phụ thuộc vào chất nguyên liệu đầu chế tạo than quy trình chế tạo tác nhân hoạt hóa Dữ