Nghiên cứu khả năng hấp phụ methylene blue của bã cà phê

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA KỸ THUẬT THỤC PHÁM VÀ MƠI TRƯỜNG LUẬN VĂN TĨT NGHIỆP NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METHYLENE BLUE CỦA BÃ CÀ PHÊ Sinh viên thực : Nguyễn Đình Huy Giáo viên hướng dẫn : TS Triệu Quốc An Tp.HCM, tháng 10 năm 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TÁT THÀNH Cán hướng dẫn: Cán chấm phản biện: Khóa luận bảo vệ HỘI ĐÒNG CHÁM BAO VỆ LUẬN VĂN ĐẠI HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỀN TÁT THÀNH, ngày 09 thảng 10 năm 2020 TRƯỜNG ĐH NGUYỀN TÁT THÀNH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KỶ THUẬT THỤC PHẤM & MÔI TRƯỜNG Độc lập - Tụ - Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh, ngày 09 thảng 10 năm 2020 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Đình Huy Mã số sinh viên: 1611535935 Chuyên ngành: Hóa Hữu Cơ Lớp: 16DHH1A Tên đề tài: Tiếng Việt: Nghiên cứu khả hấp phụ Methylene Blue bà cà phê Tiếng Anh: The adsorptive treatment of Methylene Blue from aqueous solution by spent coffee ground Nhiệm vụ luận văn - Nghiên cứu khả hấp phụ Methylene Blue cùa BCP trình hấp phụ theo mẻ; - Ảnh huởng thời gian khuấy trộn, pH, nong độ đầu, nhiệt độ đến khả hấp phụ BCP đuợc khảo sát; - Mơ hình hóa cân hấp phụ thơng qua mơ Langmuir, Freundlich khảo sát trình giải hap MB Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 08/05/2020 Ngày hoàn thành nhiệm vụ luận văn: 30/09/2020 Người hướng dần: TS Triệu Quốc An hướng dẫn 100% Nội dung yêu cầu luận văn thông qua môn Trưởng Bộ môn Người hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) ThS Nguyễn Đình Phúc TS Triệu Quốc An LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tở lòng biết ơn sâu sắc đến TS Triệu Quốc An người đà khơng ngần ngại, tận tình hướng dần truyền đạt cho em kiến thức mới, phương pháp nghiên cứu kinh nghiệm học thuật q báu giúp em có đế hồn thành khóa luận Em xin cảm ơn tất thầy cơ, anh chị quản lý phịng thí nghiệm khoa Kỳ Thuật Thực Phẩm - Môi Trường ln tạo điều kiện tốt cho em thực tốt luận văn tốt nghiệp TĨM TẮT LUẬN VĂN TĨT NGHIỆP Bài khóa luận trình bày kết đạt việc sử dụng bã cà phê đê làm vật liệu hấp phụ Methylene Blue (MB) dung dịch nước Anh hường cùa yeu to thời gian khuấy, ánh hướng pH, ánh hưởng nồng độ đầu, ảnh hưởng cùa nhiệt độ đến hấp phụ cùa BCP tiến hành thông qua trình hap phụ theo mẻ; bên cạnh đó, q trình giãi hấp phụ MB nghiên cứu Quả trình hấp phụ MB vật liệu hấp phụ bã cà phê đánh giả tuân theo phương trình Langmuir tot phương trình Freundlich Dung lượng hấp phụ toi đa 63.39 mg/g trình hấp phụ MB đạt bảng sau 150 phút ABSTRACT This study presents the results obtained in experiments using spent coffee grounds as an adsorbent toward methylene blue (MB) in aqueous solution The factors influencing the adsorption process were investigated including stirring time, pH, temperature, initial concentration of MB The desorption process was also studied by varying the pH of solution The adsorption data of spent coffee ground toward methylene blue (MB) was well fitted to the Langmuir adsorption model The maximum adsorption capacity was found to be 63.39 mg/g and the adsorption equilibrium was establised after 150 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC TÙ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH V MỞ ĐẦU CHƯƠNG TÓNG QUAN VỀ NGHIÊN cúu 1.1 Ô nhiễm nguồn nước VLHP có nguồn gốc từ nơng nghiệp 1.1.1 Nước thải từ nhà mảy công nghiệp 1.1.2 Các VLHP có nguồn gốc từ rác thải nông nghiệp 1.1.3 Bã cà phê 1.1.4 Đặc trưng cấu trúc VLHP-BCP 1.2 Nước thải dệt nhuộm 1.3 Thành phần loại thuốcnhuộm 1.4 Thuốc nhuộm azo Methylene Blue 1.4.1 Thuốc nhuộm azo 1.4.2 Methylene blue 1.5 Một số phương pháp loại bỏ phẩm nhuộm 10 1.5.1 Phương pháp hấp phụ-giải hấp 10 1.5.2 Phương pháp trắc quang (UV-Vis) 12 Chương TÓNG QUAN VỀ ĐÓI TƯỢNG NGHIÊN cứu 14 2.1 Nguyên liệu 14 2.2 Dụng cụ - thiết bị - hóa chất 14 2.3 Thời gian địa điểm nghiên cứu 14 2.3.1 Thời gian nghiên cứu 14 2.3.2 Địa điêm nghiên cứu .14 2.4 Phương pháp nghiên cứu 15 2.5 Bố trí thí nghiệm 16 2.5.1 Anh hưởng thời gian khuấy lên khả hấp phụ MB BCP 16 2.5.2 Anh hưởng pH lên khả hấp phụ MB BCP 16 2.5.3 Anh hưởng nồng độ ban đầu MB lên khả hap phụ cùa BCP 17 2.5.4 Anh hưởng nhiệt độ lên khả hấp phụ MB BCP 17 2.5.5 Nghiên cứu trình giải hap MB từ BCP 17 Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 19 3.1 Ket ảnh hưởng thời gian khuấy lên khả hấp phụ MB BCP 19 3.2 Ket ảnh hưởng ciía pH lên khả hấp phụ MB ciía BCP 21 3.3 Ket ảnh hưởng nồng độ ban đầu MB lên khả hấp phụ ciia BCP 22 3.4 Ket ảnh hưởng cua nhiệt độ lên khả hấp phụ MB BCP 24 3.5 Ket nghiên cứu trình giải hap MB từ BCP .26 Chương KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .27 4.1 Kết luận 27 4.2 Khuyến nghị 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT .28 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG ANH 29 11 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BCP: Bã cà phê Dd: dung dịch DLHP: Dung lượng hấp phụ GDP: Gross Domestic Product MB: Methylene Blue Ppm: Parts Per Million PZC: Point of Zero Charge Rpm: Revolutions Per Minute SCG: Spent Coffee Ground SEM: Scanning Electron Microscope TNHH: Trách nhiệm hữu hạn VLHP: Vật liệu hấp phụ iii 2.5 Bố trí thí nghiệm 2.5.1 Anh hưởng cùa thời gian khuấy lên khả hấp phụ MB BCP Mơ tả thí nghiệm: Dung dịch MB đà pha sẵn nồng độ ban đầu 1000 ppm, từ dung dịch 50, 100, 200 200 ppm chuẩn bị từ dung dịch Các thời gian chia làm giai đoạn: 30 phút, 60 phút, 120 phút, 180 phút, 240 phút, 480 phút mồi thí nghiệm Mồi thí nghiệm thực lặp lại lần Tiến hành thí nghiệm: Rót 100 ml MB vào becher 250 mL có nồng độ 50 ppm, 100 ppm, 200 ppm Sau đó, cân xác khoảng gram bã cà phê thêm vào dung dịch MB tiến hành trình khuấy tốc độ 250 rpm Khuấy thời gian trình bày mục mơ tả thí nghiệm Ket thúc khuấy trộn, hồn hợp ly tâm phút với tốc độ 4000 rpm Nồng độ MB xác định thiết bị ƯV-Vis bước sóng 664 nm 2.5.2 Anh hướng pH lên khả hấp phụ MB cùa BCP Mơ tả thí nghiệm: Nồng độ dung dịch MB cố định nong độ 100 ppm, pH dung dịch MB điều chỉnh NaOH 0.1 M HC1 0.1M đến số pH 2, 3,4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 Mồi thí nghiệm thực lặp lại lần Tiến hành thí nghiệm: Rót 100ml MB vào becher 250 mL có nồng độ cố định 100 ppm với pH dung dịch 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 Sau đó, cân xác khoảng gram bã cà phê thêm vào dung dịch MB tiến hành trình khuấy tốc độ 250 rpm Khuấy thời gian cố định 150 phút (đây thời gian khuấy tối ưu từ kết khảo sát thời gian khuấy trộn) Ket thúc khuấy trộn, hồn hợp ly tâm phút với tốc độ 4000 rpm Nồng độ MB xác định thiết bị ƯV-Vis bước sóng 664 nm 16 2.5.3 Anh hưởng nồng độ ban đầu MB lên hấp phụ BCP Mơ tả thí nghiệm: Ảnh hưởng nồng độ đầu dung dịch MB tiến hành việc thay đổi nồng độ ban đầu từ 25 - 2000 ppm (cụ thể 25ppm, 50ppm, lOOppm, 150ppm, 200ppm, 300ppm, 500ppm, lOOOppm, 1500ppm, 2000ppm Mồi thí nghiệm thực lặp lại lần Tiến hành thí nghiệm: Rót 100 mL MB vào becher 250ml có nồng độ thay đổi theo mơ tả thí nghiệm Sau đó, cân xác khoảng gram bà cà phê thêm vào dung dịch MB tiến hành trình khuấy tốc độ 250 rpm Khuấy thời gian cố định 150 phút (đây thời gian khuấy tối ưu từ kết khảo sát thời gian khuấy trộn) Ket thúc khuấy trộn, hồn hợp ly tâm phút với tốc độ 4000 rpm Nồng độ MB xác định thiết bị UV-Vis bước sóng 664 nm 2.5.4 Anh hưởng nhiệt độ lên khả hấp phụ MB BCP Mô tả thí nghiệm: Ảnh hưởng nhiệt độ dung dịch lên trình hấp phụ tiến hành nhiệt độ 30°C, 45°c, 55°c, 60°C, nồng độ đầu MB thay đoi khác từ25ppm, 50ppm, lOOppm, 150ppm, 200ppm, 300ppm, 500ppm, lOOOppm, 1500ppm, 2000ppm Mồi thí nghiệm thực lặp lại lần mồi điều kiện nhiệt độ nồng độ Tiến hành thí nghiệm: tiến hành tương tự mục 3.5.4 2.5.5 Nghiên cứu trình giải hap MB từ BCP Mơ tả thí nghiệm: Quá trình giải hấp MB tiến hành cách thay đổi pH dung dịch Cụ the, mầu bã cà phê hấp phụ MB chuẩn bị việc tiến hành làm nhiều thí nghiệm hấp phụ nồng độ 500ppm, tốc độ khuấy 250rpm, thời gian khuấy 150 phút Sau hấp phụ, hồn hợp dung dịch lọc chân không phần bã cà phê sấy nhiệt độ 105°C Thí nghiệm giải hấp tiến hành mầu bã cà phê dung dịch nước cất có pH thay đổi khoảng 2-12 17 Tiến hành thí nghiệm: Sử dụng becher 250ml rót 100ml nước cất điều chỉnh so pH từ ( 2,4,6,8,10,12) Cân gram bã cà phê hấp phụ đổ vào becher dùng máy khuấy đũa tốc độ cố định 250rpm Thời gian cố định 150 phút Thời gian hấp phụ kết thúc sử dụng ống ly tâm, thí nghiệm sử dụng ống ly tâm, cho dung dịch vào ong ly tâm khoảng 10ml Tiến hành ly tâm thời gian cố định phút tốc độ 4000rpm Sau kết thúc thời gian ly tâm, đem mẫu dung dịch đo quang Sử dụng cuvette thủy tinh G4 đe đo quang ghi nhận kết 18 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Ket ảnh hưởng thòi gian khuấy lên khả hấp phụ MB BCP Thời gian (Phút) Hình 3.1 Ảnh hương thời gian khuấy lên khả hấp phụ bã cà phê nồng độ 50ppm Thời gian(Phút) Hình 3.2 Ảnh hưởng thòi gian khuấy lên khả hấp phụ bã cà phê nồng độ lOOppm 19 Hình 3.3 Ảnh hưởng thịi gian khuấy lên khả hấp phụ bã cà phê nồng độ 200ppm Ket hình 3.1 - 3.3 cho thấy khoảng thời gian cần thiết đe trình hấp phụ đạt trạng thái cân 150 phút Sau 150 phút, khả hấp phụ bã cà phê khơng có thay đổi q nhiều; thế, q trình khuấy trộn tiến hành 150 phút cho thí nghiệm sau 20 3.2 Ket ảnh hưởng pH lên khả hấp phụ MB BCP Hình 3.4 Ảnh hưởng pH lên khả hấp phụ MB bã cà phê Hình 3.5 Biểu đồ điểm điện tích khơng (PZC) Hình 3.4 cho thấy pH dung dịch gây ảnh hưởng đến khả hấp phụ MB bã cà phê pH bề mặt vật liệu bã cà phê trung hịa điện (zero charge) khoảng pH 6.2 (hình 3.5) Bắt đầu từ điểm có giá trị pH = đến 11, phần trăm hấp phụ không 21 thay đối nhiều, pH trung bình nước đo từ khoảng 5.5 - 6.5 nên việc sử dụng nước máy trực tiếp cho thấy khơng ảnh hưởng đến q trình thí nghiệm Bã cà phê dung dịch MB pH cao có mật độ điện tích dương bề giảm dần mật độ điện tích âm tăng dần, pH cao MB có xu hướng tồn cation dung dịch, pH tăng dần trình hấp phụ sè diễn hiệu theo tương tách tĩnh điện hút Ngược lại, dung dịch MB có pH thấp, mật độ điện điện tích dương bề mặt bã cà phê tăng nhóm chức -COOH khơng phân ly; nhóm chức amino (-NH2), peptide (-CO-NR2), -OH bị proton hóa làm giảm khả hấp phụ MB vi tương tác tình điện bề mặt bã cà phê MB 3.3 Ket ảnh hưởng ciia nồng độ ban đầu MB lên khả hấp phụ BCP 0.12 0.1 0.08 -Ẹ 0.06 V—I 0.04 0.02 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 l/ce Hình 3.6 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 22 0.6 - 1.5 - 0.5 - y = 0.4368x + 0.9011 R2 = 0.885 —I—I—rQr -0.5 0.5 1.5 2.5 lnCe Hình 3.7 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 1 0 0 1 • ■ 1 • sb ri 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (6 /6 ) • I 400 Ce (mg/L) 200 600 8(10 Hình 3.8 Đồ thị thể mối tương quan nồng độ cân dung lượng hấp phụ Mơ hình nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính biếu diễn qua phương trình sau: _ 1 , _— ~_ * ~T~ + qe qmax.KL Ce qmax Trong qmax dung lượng hấp phụ cực đại, qe dung lượng hấp phụ nồng độ Ce (mg/g), Kl số hấp phụ Langmuir Ce nồng độ dung dịch 23 Từ phương trình trên, dung lượng hấp phụ tính tốn theo mơ hình qmax = 63.29 mg/g (Langmuir) qmax =1.10 (Freundlich) Từ hình 3.6 hình 3.7 cho ta thấy hệ số xác định R2 phương trình Langmuir cao (> 0.997) R2 phương trình Freundlich tương đối thấp so với mơ hình Langmuir (~ 0.885) cho thấy mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir phù họp để mô tả cân hấp phụ MB bã cà phê Bảng 3.1 So Sánh VLHP từ rác thải nông nghiệp VLHP Tên phẩm nhuộm DLHP Tài liệu tham khảo Vỏ dưa chuột Methylene Blue 111.11 mg/g (Franca, Oliveira, 2009) Vỏ dưa Methylene Blue 333.33 mg/g (Djelloul, n.d.) Vỏ chuối Methylene Blue 18.647 mg/g (Amel, Hassena, 2012) Vở khoai tây Methylene Blue 33.55 mg/g (Oktem, Soylu,Aytan 2012) Bã cà phê (Thực Nghiệm) Methylene Blue 63.29 mg/g 3.4 Ket ảnh hưởng nhiệt độ lên khả hấp phụ MB BCP Hình 3.9 Phần trăm hấp phụ MB lên bã cà phê nhiệt độ khác 24 Hình 3.10 Dung lượng hấp phụ MB lên bã cà phê nhiệt độ khác Từ hình 3.9 3.10 cho thấy phần trăm hấp phụ dung lượng hấp phụ tỷ lệ nghịch với nhau, cụ thể dung lượng hấp phụ tăng phần trăm hấp phụ giảm mức nồng độ từ 25ppm - 200ppm cho thấy sử ổn định cùa phần trăm hấp phụ dung lượng hấp phụ, nồng độ cao hon 300ppm đến 2000ppm có thay đổi chênh lệch liên tục phần trăm hấp phụ khả hấp phụ Ket từ hình 4.9 4.10 cho thấy nhiệt độ tăng dần, khả hấp phụ có xu hướng giảm có the dự đốn q trình hấp phụ trình tỏa nhiệt (AHo 5; - Dừ liệu hấp phụ cho thấy mơ hình hấp phụ nhiệt Langmuir mơ tả họp lý q trình hấp phụ; - Dung lượng hấp phụ tối đa cùa BCP 63.39mg/g Nhừng kết đạt đề tài tiền đề nghiên cứu vật liệu hấp phụ dựa bã cà phê việc loại chất ô nhiễm như: phẩm nhuộm, kim loại nặng, dư lượng chất dinh dưỡng môi trường phosphate, nitrate 4.2 Khuyến nghị Do hạn chế thời gian kinh nghiệm nên nội dung đề tài chưa tiến đến trình ứng dụng bã cà phê mẫu nước thải thí nghiệm hấp phụ liên tục (fixed bed column) 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT “Sách Các Phương Pháp Đo Quang.” n.d Accessed September 21, 2020 Tapchicongthuong.vn 2020 “Thực trạng giải pháp phát triển cho ngành Cà phê Việt Nam.” Tạp chí Công Thương June 14, 2020 Tú Nguyền Thị Thanh 2010 “Nghiên cứu khả hấp phụ metyl đỏ dung dịch nước vật liệu hâp phụ chê tạo từ bã mía thử nghiệm xử lý mơi trường.” Thesis, Trường Đại học Sư phạm Công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm, công ty tnhh giải pháp công nghệ môi trường phước, “công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm.” Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghệ Môi Trường Phước Trình Accessed September 24, 2020 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG ANH Adsorption Chater June 2014 Pdf.” n.d Ajmal, Mohammad, Rifaqat Ali Khan Rao, Rais Ahmad, and Jameel Ahmad 2000 “Adsorption Studies on Citrus Reticulata (Fruit Peel of Orange): Removal and Recovery of Ni(II) from Electroplating Wastewater.” Journal of Hazardous Materials 79 (1-2): 117-31 Akkaya, Giilbahar, and Fuat Giizel “Application Of Some Domestic Wastes As New Low-Cost Biosorbents For Removal Of Methylene Blue: Kinetic And Equilibrium Studies,” n.d., 25 Amel, Khalfaoui, Meniai Abdeslam Hassena, and Derbal Kerroum “Isotherm and Kinetics Study of Biosorption of Cationic Dye onto Banana Peel.” Energy Procedia, 2012, 10 Bhatnagar, Amit, Mika Sillanpãâ, and Anna Witek-Krowiak 2015 “Agricultural Waste Peels as Versatile Biomass for Water Purification - A Review.” Chemical Engineering Journal 270 (June): 244-71 Campos-Vega, Rocio, Guadalupe Loarca-Pina, Haydé A Vergara-Castaneda, and B Dave Oomah 2015 “Spent Coffee Grounds: A Review on Current Research and Future Prospects.” Trends in Food Science & Technology 45 (1): 24-36 Clifton, Jack, and Jerrold B Leikin 2003 “Methylene Blue:” American Journal of Therapeutics 10 (4): 289-91 Djelloul, Chawki “Dynamic Adsorption of Methylene Blue by Melon Peel in Fixed- Bed Columns.” Desalination and Water Treatment, n.d., 11 Franca, Adriana s., Leandro s Oliveira, and Mauro E Ferreira “Kinetics and Equilibrium Studies of Methylene Blue Adsorption by Spent Coffee Grounds.” Desalination 249, no (November 2009): 267-72 Gupta, V.K., and Suhas 2009 “Application of Low-Cost Adsorbents for Dye Removal - A Review.” Journal of Environmental Management 90 (8): 2313-42 Kyzas, George z., Nikolaos K Lazaridis, and Athanassios Ch Mitropoulos 2012 “Removal of Dyes from Aqueous Solutions with Untreated Coffee Residues as Potential Low-Cost Adsorbents: Equilibrium, Reuse and Thermodynamic Approach.” Chemical Engineering Journal 189-190 (May): 148-59 Liang, Sha, Xueyi Guo, and Qinghua Tian 2013 “Adsorption of Pb 2+, Cu2+ and Ni2+ from Aqueous Solutions by Novel Garlic Peel Adsorbent.” Desalination and Water Treatment 51 (37-39): 7166-71 Salleh, Mohamad Amran Mohd, Dalia Khalid Mahmoud, Wan Azlina Wan Abdul Karim, and Azni Idris 2011 “Cationic and Anionic Dye Adsorption by 29 Agricultural Solid Wastes: A Comprehensive Review.” Desalination 280 (1-3): 1-13 Tokimoto, Toshimitsu, Naohito Kawasaki, Takeo Nakamura, Jyunichi Akutagawa, and Seiki Tanada 2005 “Removal of Lead Ions in Drinking Water by Coffee Grounds as Vegetable Biomass.” Journal of Colloid and Interface Science 281 (1): 56-61 30