Nghiên cứu chế tạo vật liệu biến tính từ lá cây bìm bìm và định hướng ứng dụng trong xử lý nước

ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG -o0o - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU BIẾN TÍNH TỪ LÁ CÂY BÌM BÌM VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC GVHD : Th.S Nguyễn Thị Hồng Tình SVTH : Trần Thị Thảo MSSV : 25206505975 Đà Nẵng, tháng 5 năm 2023 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được khóa luận tốt nghiệp này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Th.S Nguyễn Thị Hồng Tình đã trực tiếp truyền đạt và tận tình giúp đỡ cho em nhiều kiến thức chuyên môn, kỹ năng học tập và nghiên cứu, giúp bổ trợ vô cùng có ích trong suốt thời gian em tham gia làm đồ án tốt nghiệp và cũng là hành trang quý giá cho em sau khi tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong khoa Môi trường và Khoa học tự nhiên đã tạo điều kiện tốt nhất cho em về trang thiết bị và cơ sở vật chất trong suốt quá trình em tham gia nghiên cứu về đồ án tốt nghiệp của mình Em xin gửi lời cảm ơn sấu sắc tới gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh và động viên, đưa ra những ý kiến góp ý, khích lệ và tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này Cuối cùng, trong quá trình nghiên cứu, không tránh khỏi những thiếu xót Em kính mong nhận được sự đóng góp và các ý kiến từ Thầy (Cô), để em có thể hoàn thiện đồ án này và học hỏi thêm nhiều kinh nghiệm bổ ích, giúp em trong công việc sau này Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Trần Thị Thảo 1 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 DANH MỤC BẢNG 4 DANH MỤC HÌNH 5 MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT .3 1.1.Sơ lược về thuốc nhuộm 3 1.1.1.Giới thiệu về nước thải dệt nhuộm 3 1.1.2.Xanh methylen 4 1.1.3.Tình hình ô nhiễm xanh methylen trong nước thải dệt nhuộm 4 1.2Một số phương pháp xử lý xanh methylen trong nước thải dệt nhuộm 5 1.2.1.Phương pháp hấp phụ .5 1.2.2.Phương pháp keo tụ 5 1.2.3.Phương pháp sinh học 5 1.2.4.Phương pháp lọc .6 1.3.Giới thiệu về cây bìm bìm 7 1.3.1.Giới thiệu 7 1.3.2.Đặc điểm hình thái thực vật của cây Bìm Bìm 7 1.3.3 Thành phần của lá cây bìm bìm 10 1.3.4.Một số hướng nghiên cứu sử dụng lá cây bìm bìm 10 1.4.Kết luận chương 1 11 CHƯƠNG 2 HÓA CHẤT SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 12 2.1.Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 12 2.2.Hóa chất và thiết bị cho nghiên cứu 12 2.2.1.Hóa chất và vật liệu nghiên cứu 12 2.2.2.Thiết bị 12 2.3.Phương pháp nghiên cứu .13 2.3.1.Phương pháp xử lý số liệu .13 2.3.2.Chế tạo vật liệu hấp phụ từ lá cây bìm bìm 13 2 2.3.3.Biến tính vật liệu hấp phụ từ lá cây bìm bìm bằng dung dịch HNO3 .14 2.3.4.Dựng đường chuẩn Xanh methylen .15 2.4.Khảo sát các điều kiện tối ưu hấp phụ xanh methylen của vật liệu 16 2.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ xanh methylen của vật liệu hấp phụ 16 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ xanh methylen của vật liệu hấp phụ .17 2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ xanh methylen của vật liệu hấp phụ 17 2.5.Kết luận chương 2 17 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 18 3.1.Phương pháp hiển vi điện tử quét 18 3.2.Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu biến tính 19 3.2.1.Quy trình lựa chọn mẫu vật liệu hấp phụ biến tính từ HNO3 19 3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ xanh methylen của vật liệu hấp phụ .20 3.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ xanh methylen của vật liệu hấp phụ .21 3.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ xanh methylen của vật liệu hấp phụ .23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO .27 3 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ vật liệu 1 Bảng 2.Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen 1 Bảng 3.Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ xanh methylen 2 Bảng 4.Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ xanh methylen 2 Bảng 5.Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ xanh methylen 2 4 DANH MỤC HÌNH Hình 1 Công thức phân tử của Xanh methylen Hình 2 Rừng cây bìm bìm ở Sơn Trà, Đà Nẵng Hình 3 Cơ quan dinh dưỡng của cây Bìm Bìm (A Thân cây khi còn non; B Thân cây già; C Mặt dưới lá cây trưởng thành; D Mặt trên lá cây trưởng thành [7] Hình 4.Hoa của cây bìm bìm (A Kiểu cụm hoa; B Bộ nhụy; C Đài hoa; D và E Tràng hoa; F Bộ nhị dính trên tràng hoa; G Bộ nhị [7] Hình 5.Quả và hạt cây Bìm Bìm (A Quả non; B và C Quả khi chín; D Hạt [7] .1 Hình 6 Quy trình tổng hợp vật liệu 1 Hình 7 Chế tạo vật liệu 1 Hình 8 Đường chuẩn nồng độ xanh methylen 1 Hình 9 Kết quả chụp phương pháp kính hiển vi điện tử quét của lá cây bìm bìm với độ phóng đại 5 μm của m của (A) Vật liệu biến tính và (B) Vật liệu thô .1 Hình 10 Khảo sát hấp phụ vật liệu biến tính từ HNO3 1 Hình 11 Sự phụ thuộc của pH vào khả năng hấp phụ xanh methylen đối với vật liệu biến tính 2 Hình 12 Ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ xanh methylen 2 Hình 13 Sự phụ thuộc của thời gian vào khả năng hấp phụ xanh methylen đối với vật liệu biến tính 2 Hình 14 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ xanh methylen 2 Hình 15 Sự phụ thuộc của nồng độ vào khả năng hấp phụ xanh methylene đối với vật liệu biến tính 2 Hình 16.Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ xanh methylen 2 5 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài và lý do chọn đề tài Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường nước đặc biệt ngày càng trầm trọng bởi sự xuất hiện của nhiều nghành công nghiệp như ngành dệt nhuộm, công nghệ cao su, xi mạ, điện – điện tử, hóa chất, thuộc da…v.v cùng với những lợi ích kinh tế, một vấn đề đang được quan tâm, đó là tình trạng ô nhiễm môi trường do nước thải từ các nhà máy dệt nhuộm gây ra Màu của nước thải dệt nhuộm thường có cường độ lớn, nhiều màu sắc khác nhau Do đó, khi được thải vào môi trường, nước thải ảnh hưởng xấu đến mỹ quan môi trường, gây ô nhiễm đất và nước, ảnh hưởng đến sức khỏe và cuộc sống của con người Để giải quyết vấn đề ô nhiễm phẩm màu trong nước, các nghiên cứu trong lĩnh vực này đã chỉ ra rằng việc sử dụng vật liệu hấp phụ là một trong những giải pháp mang lại hiệu quả cao, tiết kiệm được nhiều chi phí và khả năng ứng dụng cao trong việc xử lý nguồn nước thải có chứa phẩm màu Chính vì vậy, khi nhận thức được đầy đủ ý nghĩa của việc tận dụng nguồn sinh khối có sẵn trong tự nhiên chủ yếu từ nông nghiệp như: rơm, rạ, trấu, vỏ hạt cà phê, bã mía, sơ dừa, lá cây bìm bìm v.v là nguồn nguyên liệu giá rẻ, có thể tái tạo và sử dụng để chế tạo vật liệu biến tính từ vật liệu thô nhằm loại bỏ phẩm màu khỏi nguồn nước Đó là lí do lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu biến tính từ lá cây bìm bìm và định hướng ứng dụng trong xử lý nước” 2 Mục tiêu nghiên cứu Nhằm nghiên cứu khả năng xử lý xanh methylen trong nước bằng vật liệu đã được biến tính chế tạo từ lá cây bìm bìm khô, từ đó để đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu biến tính từ lá cây bìm bìm đối với xanh methylen thông qua các khảo sát pH, thời gian và nồng độ 3 Nội dung nghiên cứu Để hoàn thành các mục tiêu đặt ra, đề tài này dự kiến sẽ tiến hành thực hiện các công việc nghiên cứu sau đây: - Tổng quan tài liệu liên quan đến phẩm màu xanh methylen và lá cây bìm bìm 1 - Nghiên cứu quy trình chế tạo vật liệu biến tính từ lá cây bìm bìm khô trong phòng thí nghiệm nhằm làm vật liệu hấp phụ nhằm loại bỏ xanh methylen có trong nước thải - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ xanh methylen như: pH, thời gian và nồng độ 4 Ý nghĩa của việc nghiên cứu Đưa ra được kết quả tham khảo trong xử lý nguồn nước bị ô nhiễm, thu thập tài liệu, dùng excel để xử lý số liệu Sử dụng nguồn vật liệu có trong tự nhiên từ thực vật, để chế tạo vật liệu hấp phụ, góp phần giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường, mặc khác vật liệu hấp phụ được tạo ra từ đó sẽ mang lại một giá trị kinh tế cao Các kết quả nghiên cứu trong đề tài có thể dùng tham khảo cho các nghiên cứu liên quan 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Sơ lược về thuốc nhuộm Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, 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 những điều kiện quy định (tính gắn màu) Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp Hiện nay con người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp Đặc điểm nổi bật của các loại thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy Màu sắc của thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học: một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu Nhóm mang màu là những nhóm có chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử không cố định như: > C = C C = N -, - N = N -, - NO2 … Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận điện tử như: - NH2, - COOH, - SO3H, - OH … đóng vai trò tăng cường màu bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử [1] 1.1.1 Giới thiệu về nước thải dệt nhuộm Nước thải dệt nhuộm là sự tổng hợp nước thải phát sinh từ tất cả các công đoạn hồ sợi, nấu tẩy, tẩy trắng, làm bóng sợi, nhuộm in và hoàn tất Theo phân tích của các chuyên gia, trung bình, một nhà máy dệt nhuộm sử dụng một lượng nước đáng kể, trong đó, lượng nước được sử dụng trong các công đoạn sản xuất chiếm 72,3%, chủ yếu là trong công đoạn nhuộm và hoàn tất sản phẩm Xét hai yếu tố là lượng nước thải và thành phần các chất ô nhiễm trong nước thải, ngành dệt nhuộm được đánh giá là ô nhiễm nhất trong số các ngành công nghiệp Các chất ô nhiễm chủ yếu có trong nước thải dệt nhuộm là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, thuốc nhuộm, các chất hoạt động bề mặt, các hợp chất halogen hữu cơ (AOX - Adsorbable Organohalogens), muối trung tính làm tăng tổng hàm lượng chất rắn, nhiệt độ cao (thấp nhất là 40°C) và pH của nước thải cao từ 9 đến 12, do lượng kiềm trong nước thải lớn Trong số các chất ô nhiễm có trong nước thải dệt nhuộm, thuốc nhuộm là thành phần khó xử lý nhất, đặc biệt là thuốc nhuộm azo không tan – loại thuốc nhuộm được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, chiếm 60 - 70% thị phần Thông thường, các chất màu có trong thuốc nhuộm không bám dính hết vào sợi vải trong quá trình nhuộm mà bao giờ cũng còn lại một lượng dư nhất định tồn tại trong nước 3 thải Lượng thuốc nhuộm dư sau công đoạn nhuộm có thể lên đến 50% tổng lượng thuốc nhuộm được sử dụng ban đầu Đây chính là nguyên nhân làm cho nước thải dệt nhuộm có độ màu cao, và nồng độ chất ô nhiễm lớn [3] 1.1.2 Xanh methylen Cấu trúc hóa học, đặc tính + Công thức phân tử: C16 H 18Cl N 3 Sl.3H2O + Công thức cấu tạo: Hình 1 Công thức phân tử của Xanh methylen Xanh methylen là một chất màu thuộc họ thiôzin, phân ly dưới dạng cation Một số tên gọi khác như là tetramethylthionine chlorhydrate, methylene blue, glutylene, methylthioninium chloride Đây là một hợp chất có màu xanh đậm và ổn định ở nhiệt độ phòng Dạng dung dịch 1% có pH từ 3 - 4,5 Xanh methylen đối kháng với các loại hóa chất mang tính oxy hóa và khử, kiềm, dichromate, các hợp chất của iod Khi phân hủy sẽ sinh ra các khí độc như: Cl2, NO, CO, SO2, SO2, H2 S Xanh methylen nguyên chất 100% dạng bột hoặc tinh thể Xanh methylen có thể bị oxy hóa hoặc bị khử và mỗi phân tử của xanh methylen bị oxy hóa và bị khử khoảng 100 lần/giây Quá trình này làm tăng tiêu thụ oxy của tế bào [1] 1.1.3 Tình hình ô nhiễm xanh methylen trong nước thải dệt nhuộm Xanh methylen là một loại thuốc nhuộm được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp dệt nhuộm, thường được sử dụng trực tiếp để nhuộm màu vải, sợi bông hay dùng để nhuộm giấy, nhuộm các sản phẩm từ tre nứa, mành trúc, da và chế mực viết Xanh methylen có thể gây ra các bệnh về mắt, da, đường hô hấp, đường tiêu hóa hoặc có thể gây ung thư Nồng độ xanh methylen trong nước quá cao sẽ cản trở sự hấp thụ oxy vào nước từ không khí do đó làm cản trở sự sinh trưởng của các 4