TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
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: - N H 2, - COOH, - SO 3H, - 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 - AdsorbableOrganohalogens), 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 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]
Cấu trúc hóa học, đặc tính.
+ Công thức phân tử: C 16 H 18 Cl N 3 Sl.3 H 2 O
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: Cl 2, NO, CO, SO 2, SO 2, H 2 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
Hình 1 Công thức phân tử của Xanh methylen động thực vật, gây ra hiện tưởng xáo trộn hoạt động của các vi sinh vật và ảnh hưởng tới quá trình tự làm sạch của nước [12]
Một số phương pháp xử lý xanh methylen trong nước thải dệt nhuộm
Phương pháp hấp phụ được dùng để phân hủy các chất hữu cơ không hoặc khó phân hủy sinh học Trong công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm, thường dùng chúng để khử màu nước 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 sử 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 lớn 400 - 1500 m 2 /g Ngoài ra người ta còn dùng xenlulo biến tính và 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 thử nghiệm khả năng hấp phụ thuốc nhuộm [9]
1.2.2 Phương pháp keo tụ Đây là phương pháp thông dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm Nước thải dệt nhuộm có tính chất như một dung dịch keo với các tiểu phân có kích thước hạt 10 −7 – 10 − 5 cm, các tiểu phân này có thể đi qua giấy lọc.
Phương pháp keo tụ được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải dệt nhuộm chứa các thuốc nhuộm phân tán và không tan Đây là phương pháp khả thi về mặt kinh thế tuy nhiên nó không xử lý được tất cả các loại thuốc nhuộm: thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm trực tiếp; thuốc nhuộm hoàn nguyên keo tụ tốt nhưng không kết lắng dễ dàng, bông cặn chất lượng thấp; thuốc nhuộm hoạt tính rất khó xử 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 lớn và không làm giảm tổng chất rắn hòa tan nên gây khó khăn cho tuần hoàn nước [9]
Cơ sở của phương pháp sinh học là sử dụng các vi sinh vật để phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thải Phương pháp sinh học đạt hiệu quả cao trong xử lý nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học với pH, nhiệt độ, chủng vi sinh thích hợp và không chứa các chất độc làm ức chế vi sinh Tuy nhiên nước thải xưởng nhuộm chứa thuốc nhuộm rất bền vi sinh hầu như không bị phân hủy sinh học Vì vậy để xử lý nước thải dệt nhuộm cần qua hai bước: tiền xử lý chất hữu cơ khó phân giải sinh học chuyển chúng thành những chất có thể phân hủy sinh học, tiếp theo là dùng phương pháp vi sinh
Xử lý sinh học có thể là xử 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 khử còn quá trình hiếu khí xảy ra sự oxi hóa các chất hữu cơ Quá trình yếm khí có thể chạy với tải lượng hữu cơ lớn, loại bỏ một lượng lớn các chất hữu 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 khử màu của quá trình này không cao (đối với thuốc nhuộm axit là 80 – 90%, thuốc nhuộm trực tiếp là 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 lớn [9]
Các kỹ thuật lọc thông thường là quá trình tách chất rắn ra khỏi nước khi cho nước đi qua vật liệu lọc có thể giữ cặn và cho nước đi qua Các kỹ thuật lọc thông thường không xử lý 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 nước thải dệt nhuộm gồm có vi lọc, siêu lọc, thẩm thấu ngược Điểm khác biệt giữa ba kỹ thuật trên là kích thước hạt mà chúng có thể lọc được Quá trình vi lọc có đường kính lỗ màng từ 0,1 ữ 10 àm, siờu lọc cú kớch thước lỗ màng trong khoảng 2 ữ 100nm, cũn trong thẩm thấu ngược lỗ màng có kích thức từ 0,5 ÷ 2 nm Siêu lọc có thể lọc được các phần tử ở kích cỡ nano, cùng với các hiệu ứng hấp phụ, tạo màng thứ cấp, siêu lọc cho phép lọc các phân tử Trong phương pháp thẩm thấu ngược, màng chỉ cho phép nước đi qua trong khi muối, axit và các phân tử hữu cơ không đi qua do đặt vào dung dịch nước thải cần xử lý một áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu của dung dịch đó Trong các kỹ thuật màng thì kỹ thuật siêu lọc có thể loại bỏ các chất tan với khối lượng phân tử lớn cỡ 1000 ÷ 100.000 g/mol Tuy nhiên nó không lọc được các loại thuốc nhuộm tan và có phân tử lượng thấp, kích thước nhỏ Việc loại bỏ các loại thuốc nhuộm này được thực hiện bằng phương pháp lọc nano và thẩm thấu ngược Lọc nano đã được chứng minh là có thể tách thuốc nhuộm hoạt tính có khối lượng phân tử khoảng 400 g/mol ra khỏi nước thải.
Tuy với những ưu điểm trên nhưng giá thành của màng, thiết bị lọc cao và năng suất giảm dần do thuốc nhuộm lắng xuống làm bẩn màng lọc [9]
Giới thiệu về cây bìm bìm
Bìm Bìm là một loại thực vật ngoại lai nguy hại, với những ưu thế vượt trội so với các loài trong ổ sinh thái về sức sống cũng như khả năng sinh sản, nên nó đã và đang gây ra những đe dọa nghiêm trọng trên nhiều bình diện khác nhau trên bán đảo Sơn Trà
Với sự thích nghi cao với các điều kiện sinh thái thổ nhưỡng khác nhau đã giúp cây Bìm Bìm xâm lấn đất lâm nghiệp và làm giảm diện tích rừng tự nhiên Ngoài ra, Bìm Bìm còn có ưu thế về dinh dưỡng, sự che tầm ánh sáng cũng như khả năng gây thắt nghẹn nên đã làm tổn thương các loài thực vật khác trong cùng hệ sinh thái. Cuối cùng, một hệ quả quan trọng nhất mà cây Bìm Bìm đã gây ra, đó chính là nguy cơ làm giảm đi tính đa dạng sinh học trong hệ sinh thái và ảnh hưởng đến các quần thể động, thực vật bản địa tại Khu bảo tồn thiên nhiên Sơn Trà [7]
1.3.2 Đặc điểm hình thái thực vật của cây Bìm Bìm
Thân cây: Cây Bìm Bìm thuộc dạng dây leo bằng thân quấn, cây có nhiều nhựa mủ trắng Chiều dài trung bình của thân từ 20 - 50m Thiết diện thân tròn Dây leo trườn trên cây, đất đá hoặc quấn vào cây khác Thân non có màu xanh, có lông màu vàng nhạt bao phủ, có mùi thơm nhẹ đặc trưng, đường kính từ 0,5 – 2,0 cm Thân già có lớp bần bao bọc, trên thân có nhiều nốt sần Đường kính thân từ 3 - 20 cm. [7]
Hình 2 Rừng cây bìm bìm ở Sơn Trà, Đà
Lá cây: Lá đơn, mọc cách, không có lá kèm Phiến lá hình tim, chiều ngang của lá trưởng thành từ 15 – 30cm Mép lá nguyên; ngọn lá có mũi nhọn dài; gốc phiến lá hình tim; mặt trên phiến là trên màu xanh đậm, mặt dưới màu xanh nhạt; có lông che chở ở cả 2 mặt trên và dưới Lá có mùi thơm nhẹ đặc trưng Cuống lá hình trụ, dài 5 - 10cm, gắn trực tiếp vào thân, không có bẹ lá.[7]
Hoa tự: Hoa mọc thành xim 7,0 – 10,0 hoa ở nách lá, cuống chung dài 8,0 - 10,0 cm. Hoa: Hoa to, màu trắng, đều, lưỡng tính, hoa mẫu 5 Cuống hoa hình trụ, màu xanh nhạt, dài khoảng 1,5 cm và có lông che chở bao phủ Lá bắc: Một lá bắc nhỏ dài 2mm, màu xanh lục nhạt Bên cạnh lá bắc có các 5-6 tua nhỏ dài 10 mm Đài hoa:
Gồm 5 lá rời, kích thước không bằng nhau; lá đài nằm ở ngoài có kích thước lớn hơn lá đài nằm ở bên trong Lá đài hình trứng đầu nhọn, dài 1,5 – 2,0 cm, rộng 0,5 - 1,0 mm màu lục nhạt, có lông tơ bao phủ, tiền khai hoa lá đài 5 điểm Không có đài phụ Tràng hoa: Năm cánh hoa dính nhau thành ống hình kèn dài 6,0 - 7,0 cm, đường kính loe 12,0-13,0 cm Tiền khai hoa vặn Bộ nhị: Năm nhị rời, chỉ nhị dạng sợi, hơi phình ở đáy, nhị dài không bằng nhau (3 nhị ngắn, 2 nhị dài), dài 0,7 – 1,2 cm, đính
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] vào cuối ống tràng, xen kẽ cánh hoa, không thò ra ngoài, đáy chỉ nhị được bao bọc bởi đám lông mịn màu vàng Bao phấn 2 ô, dài khoảng 2,0 mm, đính lưng, hướng trong, mở dọc Hạt phấn rời, hình cầu gai Bộ nhụy: Hai lá noãn dính nhau thành bầu trên
2 ô, có vách giả chia thành bầu 4 ô, mỗi ô 1 noãn, đính noãn trung trụ gần đáy bầu. Vòi nhụy , dạng sợi mảnh, màu trắng, dài khoảng 1,5 – 2,3 cm, đính ở đỉnh bầu. Đầu nhụy to hình cầu dạng cuộn não, có 2 thùy, màu trắng Đĩa mật màu vàng nhạt nằm quanh đáy bầu [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]
Quả: Quả nang, hình trứng; Qua non có màu xanh; Quả khi chín có màu đen, kích thước 0,5 x 1,0 cm Trong mỗi quả có 4 hạt Quả có đài đồng trưởng.[7]
Hạt: Thiết diện cắt ngang hạt có hình tam giác; hạt màu nâu đen; kích thước 0,3
– 0,5 cm; Bên ngoài có lông nhung màu nâu bao phủ Hạt có nội nhũ Mầm cong, lá mầm rộng và xếp nếp.[7]
Hình 5.Quả và hạt cây Bìm Bìm (A Quả non; B và C Quả khi chín; D Hạt [7] 1.3.3 Thành phần của lá cây bìm bìm
Là dược liệu có chứa thành phần hóa học được sử dụng rất phổ biến trong các bài thuốc như: chất béo (khoảng 11%) glucozit phacbitin – chất có tính tẩy mạnh, Pharbatin (Purolic acid và Pharbitic acid): đây là Glocosid chứa 2% Lysergol; chanoclavine; Nilic acid; Gallic acid; Penniclavine; Isopenniclavine; Elymoclavine. [14]
1.3.4 Một số hướng nghiên cứu sử dụng lá cây bìm bìm a Làm dược liệu
Các nghiên cứu về tác dụng của vị thuốc khiên ngưu tử (hạt bìm bìm dược liệu) thu được kết quả như sau:
- Tăng độ lọc Inulin của thận
- Thử tác dụng in vitro cho thấy tác dụng ức chế giun đũa.
Chất Pharbitin: có tác dụng tẩy mạnh tương tự như Jalapin, giúp diệt các loại giun, sán, ấu trùng.
Nghiên cứu hoạt tính kháng oxy hóa trên một số mô hình in vitro của dược liệu bìm bìm [8]
Các loài có giá trị làm thuốc trong tông rạng thuộc hò bìm bìm Ở Việt Nam, tông Rạng (Poraneae) hiện biết có 5 chi Cordisepalum, Dinetus, Porana,
Khảo sát tác dụng lợi tiểu của cao chiết từ lá bìm bìm trên chuột nhắt trắng [11] b Làm vật liệu xử lý môi trường
Dùng dịch chiết từ cây bìm bìm để kháng nấm bệnh trên cây lúa giúp ức chế quá trình sinh trưởng các chủng nấm [15]
Hiệu quả phòng trừ cây bìm bìm và tác động môi trường do thuốc diệt cỏ tại Đà Nẵng [16] Đây là một hướng nghiên cứu mới để tìm kiếm các nguồn vật liệu ngoài tự nhiên để chế tạo vật liệu hấp phụ, nhằm xử lý môi trường.
Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan về nước thải dệt nhuộm, giới thiệu về xanh methylen, một số nghiên cứu và các phương pháp xử lý Tuy nhiên, không phải phương pháp nào cũng được áp dụng vào thực tiễn trong quá trình xử lý nước thải chứa xanh methylen, mà chúng được lựa chọn dựa trên hiệu quả xử lý, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường
Theo các nghiên cứu chỉ ra rằng, phương pháp sử dụng vật liệu hấp phụ được xem là sự lựa chọn tối ưu nhất cho việc xử lý nước thải chứa xanh methylen bởi tính ứng dụng cao Với phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu từ lá cây bìm bìm, là một trong những vật liệu hấp phụ tiềm năng, với khả năng hấp phụ cao, dễ tìm kiếm và thân thiện với môi trường nên được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải
Quá trình sản xuất và thí nghiệm nghiên hấp phụ xanh methylen của vật liệu biến tính từ lá cây bìm bìm sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2.
HÓA CHẤT SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Biến tính lá cây bìm bìm của Bán đảo Sơn Trà để chế tạo các vật liệu hấp phụ có khả năng xử lí hiệu quả phẩm màu có trong nước thải dệt nhuộm
2.1.2 Nội dung Để thực hiện được mục tiêu này nội dung nghiên cứu được thực hiện như sau: Biến tính than hoạt tính bằng dung dịch HNO 3 ở các điều kiện nồng độ phản ứng khác nhau
Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ xanh methylen của vật liệu Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ xanh methylen của vật liệu.
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ xanh methylen của vật liệu.
Hóa chất và thiết bị cho nghiên cứu
2.2.1 Hóa chất và vật liệu nghiên cứu
Lá cây bìm bìm thuộc bộ cây leo bằng than quấn, cây có nhiều nhựa mủ trắng, mọc leo trườn trên cây, bám trên đất đá hoặc quấn vào cây khác. Để thực hiện được đề tài này, lá cây bìm bìm được thu gom trên khu Bán đảo Sơn Trà Đà Nẵng, được dùng để làm vật liệu hấp phụ.
Các dung dịch HNO 3, HCl, NaOH.
Máy đo quang (máy quang phổ UV-VIS Carry 60)
Cân phân tích (Radwag PS 510 R1, Ba Lan); giấy đo pH; giấy lọc, pipet, rây kích thước; ống ly tâm; giấy cân; bình định mức 250 mL, 50 mL, ống đong, cốc thủy tinh 50 mL.
Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Phương pháp xử lý số liệu Để tính toán khả năng hấp phụ xanh methylen, nghiên cứu sử dụng 2 công thức sau:
Trong đó: H: là hiệu suất hấp phụ (%), q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/ g), C 0: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L), C banđầu : Nồng độ dung dịch đạt cân bằng hấp phụ (mg/L), V: thể tính chất dung dịch bị hấp phụ (l), m: Khối lượng vật liệu hấp phụ (g).
2.3.2 Chế tạo vật liệu hấp phụ từ lá cây bìm bìm
Bước 1: Lá cây bìm bìm thu về, rửa sạch sau đó đem phơi.
Bước 2: Ngâm trong NaOH 0,5M; HCl 0,5M trong 2h mỗi hóa chất.
Bước 3: Thu được lá sau ngâm và rửa lại với nước cất đến khi pH của vật liệu bằng 6,5 - 7.
Bước 4: Đem lá thu được sấy ở 110 ° C trong 6 giờ, để loại bỏ nước.
Bước 5: Nghiền qua ray có kích thước khác nhau, thu được vật liệu có kích thước
150 μm của (A) Vật liệu biến tính và (B) Vật liệu thôm.
(1) Lá sau khi phơi khô (2) Ngâm trong NaOH 0,5M (3) Ngâm trong HCl 0,5M (4) Sấy khô (5) Nghiền qua rây kích thước 150 μm của (A) Vật liệu biến tính và (B) Vật liệu thôm.
Hình 6 Quy trình tổng hợp vật liệu 2.3.3 Biến tính vật liệu hấp phụ từ lá cây bìm bìm bằng dung dịch HNO 3
Cân 0,2 gam vật liệu hấp phụ từ lá cây bìm bìm vào trong bình tam giác 250 mL có chứa 25 mL dung dịch HNO 3có các nồng độ khác nhau (1, 2, 3, 4, 5 và 6M), đậy nắp kín Lắc với tốc độ 50 vòng/phút trong thời gian 8h Sau khi kết thúc quá trình ngâm lắc, lấy vật liệu hấp phụ ra rửa bằng nước cất đến pH (pH= 6,5 – 7,0) Đem vật liệu hấp phụ sau khi biến tính sấy khô để tách loại nước ở 110 ° C trong thời gian 6h Vật liệu hấp phụ sau khi biến tính được bảo quản trong túi nhựa có khóa kéo, và được đánh số thứ tự Vật liệu hấp phụ sau khi biến tính sẽ được đem khảo sát khả năng hấp phụ phẩm màu xanh methylen để chọn ra loại vật liệu hấp phụ biến tính bằng dung dịch HNO 3nồng độ thích hợp có khả năng hấp phụ tối ưu.
Nghiền qua ray kích thích 150 μm của (A) Vật liệu biến tính và (B) Vật liệu thôm
Bảng 1.Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ vật liệu
Nồng độ ban đầu
Nồng độ sau hấp phụ (mg/L) Hiệu suất(%) Biến tính 1 (
2.3.4 Dựng đường chuẩn Xanh methylen
Xanh methylen có độ hấp thụ quang của phẩm màu ổn định và đạt cực đại tại bước sóng 665 nm tại pH của dung dịch là 6 Trên cơ sở này chúng tôi xây dựng đường chuẩn với phẩm màu xanh methylen Kết quả được thể hiện trên bảng 3.
Bảng 2.Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen
Hình 7 Chế tạo vật liệu
Khảo sát các điều kiện tối ưu hấp phụ xanh methylen của vật liệu
2.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ xanh methylen vật liệu hấp phụ Để khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu tiến hành thí nghiệm như sau:
Bước 1: Chuẩn bị 5 ống ly tâm loại 50 mL Cân chính xác 0,2 g vật liệu vào mỗi ống
Hình 8 Đường chuẩn nồng độ xanh methylen
Bước 2: Dùng pipet hút 2,5 mL dung dịch xanh methylen cho vào mỗi ống, có nồng độ 50 mg/L Tiến hành điều chỉnh pH từ 2 - 10
Bước 3: Sau đó đặt các ống vào máy lắc, đem lắc trong thời gian 60 phút Để lắng 20 phút.
Bước 4: Lọc lấy dung dịch sau khi lắng, xác định lại nồng độ xanh methylen trong dung dịch Tiến hành đo Abs Dựa vào đường chuẩn ta xác định được khối lượng còn lại của xanh methylen sau khi hấp phụ.
2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ xanh methylen của vật liệu hấp phụ
Tiếp tục tìm các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ của vật liệu Tiến hành khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ như sau:
Bước 1: Chuẩn bị 6 ống ly tâm loại 50 mL, cân 0,2g vật liệu cho vào mỗi ống. Bước 2: Hút 2,5 mL dung dịch xanh methylen cho vào mỗi ống ở trên, điều chỉnh về giá trị pH tối ưu bằng 6
Bước 3: Tiến hành lắc, sau các khoảng thời gian 15, 30, 60, 90, 120 và 150 phút, để lắng 20 phút
Bước 4: Đem ra lọc, điều chỉnh pH dung dịch về 6 Đem đo độ hấp thụ quang của dung dịch, xác định dung dịch nồng độ phẩm màu còn lại
2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ xanh methylen của vật liệu hấp phụ
Tiếp tục tìm các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ của vật liệu Tiến hành khảo sát nồng độ cân bằng hấp phụ như sau:
Bước 1: Chuẩn bị 7 ống ly tâm loại 50 mL, cân 0,2 g vật liệu cho vào mỗi ống Bước 2: Hút 2,5 mL dung dịch xanh methylen cho vào mỗi ống ở trên, có nồng độ khác nhau (5, 10, 20, 30, 50, 70 và 100 mg/L) điều chỉnh về giá trị pH tối ưu bằng 6
Bước 3: Tiến hành lắc, trong thời gian tối ưu 60 phút, sau đó để lắng 20 phút Bước 4: Đem ra lọc, điều chỉnh pH dung dịch về 6 Đem đo độ hấp thụ quang của dung dịch, xác định dung dịch nồng độ phẩm màu còn lại.
Kết luận chương 2
Chương 2 đã trình bày các vật liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị được sử dụng trong quá trình nghiên cứu và khảo sát hấp phụ của vật liệu hấp phụ từ lá cây bìm bìm Đồng thời cũng trình bày được các phương pháp nghiên cứu, khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ dưới ảnh hưởng của các yếu tố như pH, thời gian, nồng độ hấp phụ, từ đó tính toán hiệu suất hấp phụ dựa trên đường chuẩn và nồng độ ban đầu của dung dịch xanh methylen.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Phương pháp hiển vi điện tử quét
Hình thái cấu trúc bề mặt của vật liệu trước và sau khi thực hiện quy trình biến tính được quan sát bởi kính hiển vi điện tử quét (SEM) với độ phóng đại 2.000 và 10.000 lần và thể hiện trên hình 9 Phương pháp SEM được sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu Ưu điểm của phương pháp này là có thể tạo ra một hình ảnh ba chiều của bề mặt mẫu vật, ta thu được những bức ảnh của các lớp bề mặt liệu ở chất lượng cao và không đòi hỏi phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu và hoạt động ở chân không thấp Một điểm mạnh khác của SEM là các thao tác điều khiển giản và giá thành của SEM thấp khiến cho nó rất dễ sử dụng Phương pháp SEM có tính hữu dụng bởi nó có độ phóng đại có thể thay đổi từ 10 đến 100.000 lần với hình ảnh rõ nét, hiển thị 2 chiều phù hợp cho việc phân tích hình dạng và cấu trúc bề mặt
(A) Vật liệu biến tính (B) Vật liệu thô
Qua Hình 8 ta thấy, Lá bìm bìm của vật liệu biến tính (A) sau khi xử lý cho thấy bề mặt của vật liệu có nhiều nếp gấp có dạng sợi gợn sóng, gồ ghề và không đồng nhất Vật liệu biến tính có bề mặt cấu trúc xốp hơn vật liệu thô Điều này có thể được giải thích do quá trình vật liệu tiếp xúc với các tác nhân hóa học là dung dịch
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 (A) Vật liệu biến tính và (B) Vật liệu thôm của (A) Vật liệu biến tính và (B) Vật liệu thô
HNO3 1M làm cho một số tạp chất trong vật liệu ban đầu bị loại bỏ tạo bề mặt vật liệu xốp hơn Với đặc tính này rất phù hợp để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ chất ô nhiễm trong môi trường.
Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu biến tính
3.2.1 Quy trình lựa chọn mẫu vật liệu hấp phụ biến tính từ HNO 3
Cân 0,2 gam vật liệu hấp phụ từ lá cây bìm bìm vào trong bình tam giác 250 mL có chứa 25 mL dung dịch HNO 3có các nồng độ khác nhau (1, 2, 3, 4, 5 và 6M), đậy nắp kín Lắc với tốc độ 50 vòng/phút trong thời gian 8h Sau khi kết thúc quá trình ngâm lắc, lấy vật liệu hấp phụ ra rửa bằng nước cất đến pH (pH 6,5 – 7,0) Đem vật liệu hấp phụ sau khi biến tính sấy khô để tách loại nước ở
110 ° C trong thời gian 6h Vật liệu hấp phụ sau khi biến tính được bảo quản trong túi nhựa có khóa kéo, và được đánh số thứ tự Vật liệu hấp phụ sau khi biến tính sẽ được đem khảo sát khả năng hấp phụ phẩm màu xanh methylen để chọn ra loại vật liệu hấp phụ biến tính bằng dung dịch HNO 3nồng độ thích hợp có khả năng hấp phụ tối ưu.
Biến tính 1 Biến tính 2 Biến tính 3 Biến tính 4 Biến tính 5 Biến tính 6
Hình 10 Khảo sát hấp phụ vật liệu biến tính từ HNO 3
Nhìn chung khả năng loại bỏ phẩm màu nhuộm của vật liệu biến tính Biến tính 1 cao hơn hẳn so với các mẫu còn lại Cụ thể Biến tính 1 có khả năng loại bỏ cao nhất là 97,08% tiếp theo Biến tính 2 là 97,35% và Biến tính 3 là 95,40%, tương đối với Biến tính 5, Biến tính 6 là 92,12% còn thấp nhất là Biến tính 4 với 91,71% Vì vậy ta chọn mẫu Biến tính 1 làm vật liệu biến tính.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ xanh methylen của vật liệu hấp phụ
Cân 0,2 gam vật liệu biến tính trong 50 mL dung dịch xanh methylen có nồng độ
50 mg/L tại các pH khác nhau (2, 4, 6, 8 và 10) đem lắc trong thời gian 60 phút Để lắng 20 phút, gạn bỏ than, điều chỉnh giá trị pH của dung dịch về 6 Đem đo độ hấp thụ quang, xác định dung dịch nồng độ phẩm màu còn lại.
Bảng 3.Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ xanh methylen pH 2 4 6 8 10
Hình 11 Sự phụ thuộc của pH vào khả năng hấp phụ xanh methylen đối với vật liệu biến tính
Từ kết quả Hình 9 cho thấy pH có ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý xanh methylen. Khi pH càng tăng thì hiệu suất loại bỏ của vật liệu biến tính đối với phẩm màu nhuộm xanh methylen cũng tăng theo Cụ thể khi tăng pH từ 2 - 6 thì hiệu suất loại bỏ xanh methylen tăng mạnh từ 77.14% - 87.78%, từ pH 6 -10 đạt 87,97%, hiệu quả loại bỏ gần như không thay đổi nhiều và đạt giá trị cân bằng đến hết quá trình Vì vậy nghiên cứu này chọn pH = 6 là pH tối ưu cho các quá trình khảo sát.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ xanh
Cân 0,2 gam vật liệu biến tính vào ống ly tâm chứa 50 mL dung dịch xanh methylen nồng độ 50 mg/L, điều chỉnh pH dung dịch về giá trị 6, đem lắc trong các thời gian khác nhau (15, 30, 60, 90, 120 và 150 phút) Để lắng 20 phút, gạn bỏ than, điều chỉnh pH của dung dịch về 6 Đem đo độ hấp thụ quang của dung dịch, xác định dung dịch nồng độ phẩm màu còn lại.
Bảng 4.Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ xanh methylen
Hình 12 Ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ xanh methylen
Thời gian (phút) 15 phút 30 phút 60 phút 90 phút 120 phút 150 phút
Hình 13 Sự phụ thuộc của thời gian vào khả năng hấp phụ xanh methylen đối với vật liệu biến tính
Kết quả khảo sát ở Hình 11 cho thấy hiệu suất hấp phụ của vật liệu biến tính chịu ảnh hưởng rất lớn của thời gian, tốc độ hấp phụ nhanh ở khoảng 15 - 60 phút đầu tiếp xúc Đặc biệt, chỉ sau 15 phút phản ứng, hiệu loại bỏ đạt trên 77% Dựa vào biểu đồ Hình 11 thấy rằng, tại 60 phút thì hiệu suất hấp phụ đạt khoảng 90,39% và đạt trạng thái cân bằng, sau thời gian đó hiệu suất hấp phụ không tăng đáng kể và gần như ổn định Như vậy thời gian càng tăng thì khả năng tiếp xúc giữa xanh methylen trong nước và vật liệu cao Do đó, hiệu suất tăng khi tăng thời gian hấp phụ Vậy chọn mốc 60 phút là mức cân bằng cho bước khảo sát.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ xanh
methylen của vật liệu hấp phụ.
Cân 0,2 gam vật liệu biến tính vào ống nhựa chứa 50 mL dung dịch xanh methylen với các nồng độ ban đầu khác nhau (5, 10, 20, 30, 50, 70 và 100 mg/L) tại pH của dung dịch bằng 6 đem lắc trong thời gian 60 phút Để lắng 20 phút, gạn bỏ than, điều chỉnh pH dung dịch về 6, đem đo độ hấp thụ quang, xác định nồng độ xanh methylen còn lại trong dung dịch.
Bảng 5.Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ xanh methylen
Hình 14 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ xanh methylen
Hình 15 Sự phụ thuộc của nồng độ vào khả năng hấp phụ xanh methylene đối với vật liệu biến tính
Khảo sát nồng độ
Kết quả khảo sát nồng độ được thể hiện ở Hình 13 cho thấy rằng, khi tăng nồng độ thì hiệu suất hấp phụ của vật liệu biến tính đối với xanh methylen giảm dần Cụ thể khi tăng nồng độ từ 5 mg/L đến 100 mg/L thì hiệu suất hấp phụ giảm từ 99.83% xuống còn 77.61% Quá trình hấp phụ đạt hiệu suất 77.61%, đạt tối ưu ở nồng độ
100 mg/L Như vậy, nồng độ 100 mg/L được chọn là nồng độ tối ưu cho quá trình này.
Chương 3 đã trình bày các kết quả thực nghiệm của việc khảo sát các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ của vật liệu biến tính như: pH, thời gian, nồng độ.
Từ các kết quả, cho thấy vật liệu biến tính có khả năng xử lý xanh methylen và đạt hiệu quả.
Hình 16.Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ xanh methylen
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Qua quá trình thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu biến tính từ lá cây bìm bìm và định hướng ứng dụng trong xử lý nước”, đã thu được một số kết quả như sau:
- Đã chế tạo được vật liệu biến tính từ 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 thông qua quá trình xử lý hóa học bằng HNO 31M
- Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu theo pH, kết quả cho thấy pH tăng từ 2 -
10 thì hiệu suất loại bỏ xanh methylen tăng, quá trình hấp phụ vật liệu biến tính xanh methylen đạt tối ưu tại pH = 6.
- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ xanh methylen Kết quả thực nghiệm cho thấy thời gian càng tăng thì khả năng tiếp xúc giữa xanh methylen trong nước với vật liệu cao Do đó, hiệu suất tăng khi thời gian hấp phụ tăng Vậy chọn mốc 60 phút là mức tối ưu đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu.
- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến quá trình hấp phụ xanh methylen Kết quả khi tăng nồng độ thì hiệu suất hấp phụ của vật liệu biến tính đối với xanh methylen giảm dần.
Như vậy, việc sử dụng vật liệu hấp phụ lá bìm bìm biến tính trong quá trình xử lý nguồn nước bị ô nhiễm xanh methylen có nhiều ưu điểm như: Vật liệu không những dễ tìm kiếm, không độc hại mà còn có khả năng xử lý xanh methylen khá tốt Với những thuận lợi trên đây đã mở ra một triển vọng cho việc nghiên cứu việc sử dụng lá cây bìm bìm - nguồn nguyên liệu trong tự nhiên, thân thiện với môi trường, góp phần vào quá trình xử lý nguồn nước bị ô nhiễm nhằm thực hiện mục tiêu phát triển bền vững của nước ta trong giai đoạn “công nghiệp hóa – hiện đại hóa Các kết quả nghiên cứu quá trình biến tính đều thực hiện ở nhiệt độ thường, dung lượng hấp phụ phẩm màu tốt, dễ dàng thực hiện trong điều kiện không quá phức tạp, khả năng ứng dụng thực tiễn tốt, phục vụ cho nhu cầu sử dụng thực tế của người dân.
Do thời gian có hạn và kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu còn có sai sót và thiếu sót không thể tránh khỏi Chính vì vậy, đề tài có một số kiến nghị để được tốt hơn như sau:
- Các thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu từ lá cây bìm bìm không chỉ được áp dụng cho phẩm màu nhuộm xanh methylen mà cần được tiếp tục thực hiện với các phẩm màu khác methylen da cam, methylen đỏ, Alzarin vàng GG
- Ngoài các khảo sát về ảnh hưởng của pH, thời gian và nồng độ hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ; các thông số cần được khảo sát thêm như liều lượng, nhiệt độ, vận tốc khuấy để đánh giá chi tiết hơn về khả năng hấp phụ của vật liệu
- Các mô hình nghiên cứu và ứng dụng loại vật liệu hấp phụ từ lá cây bìm bìm này cần được mở rộng để đưa vào thực tế xử lý các loại nước ô nhiễm, giúp giảm chi phí xử lý, không độc hại đến môi trường và con người xung quanh.
[1] Ma Thị Vân Hà (2015) Nghiên cứu khả năng hấp phụ methylen xanh và methyl da cam của vật liệu đá ong biến tính Tạp chí phân tích Hóa, Lý và
[2] Nguyễn Vân Hương (2015) Nghiên cứu biến tính bề mặt than hoạt tính trà bắc và khảo sát khả năng hấp phụ một số phẩm màu trong nước thải dệt nhuộm Luận văn thạc sĩ Đại học quốc gia Hà Nội.
[3] Nguyễn Thị Tuyết Nam (2014) Nghiên cứu khả năng xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm bằng TiO2 Đề tài nghiên cứu cấp khoa học cơ sở.
[4] Nguyễn Thùy Dương (2008) Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ lạc và thăm dò xử lý môi trường. Luận văn thạc sĩ.