Luận văn thạc sĩ Công nghệ dệt may: Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng và thuốc nhuộm methylene blue từ màng lọc tạo từ xơ gòn

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Lê Thị Hồng Nhan

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Tuấn Anh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 26 tháng 12 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch hội đồng: PGS TS Huỳnh Văn Trí2 Thư ký hội đồng: TS Lê Song Thanh Quỳnh3 Ủy viên: PGS TS Bùi Mai Hương

4 Phản biện 1: PGS TS Lê Thị Hồng Nhan5 Phản biện 2: TS Nguyễn Tuấn Anh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

PGS TS Huỳnh Văn Trí

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRƯƠNG VĂN ĐẠT MSHV: 2170479 Ngày, tháng, năm sinh: 03/06/1991 Nơi sinh: Trà Vinh Chuyên ngành: Công Nghệ Dệt, May Mã số: 8540204

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ ION KIM LOẠI NẶNG VÀ THUỐC NHUỘM

METHYLENE BLUE TỪ MÀNG LỌC TẠO TỪ XƠ GÒN

TÊN ĐỀ TÀI TIẾNG ANH: RESEARCH ON THE ABSORPTION OF HEAVY METAL IONS

AND METHYLENE BLUE DYES BY A KAPOK FIBER FILTER

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Phần lý thuyết:

+ Nghiên cứu tổng quan về kim loại chì, thuốc nhuộm methylene blue, xơ gòn + Nghiên cứu các phương pháp tiền xử lý hóa học xơ gòn

+ Nghiên cứu các phương pháp tạo màng lọc bằng phương pháp chải khô – ép nhiệt

+ Nghiên cứu phương pháp đánh giá và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ion Pb+ và thuốc nhuộm methylene blue của xơ gòn

- Phần thực nghiệm:

+ Tiền xử lý xơ gòn bằng oxit NaClO2

+ Tiến hành tạo màng lọc từ hỗn hợp xơ gòn đã tiền xử lý với xơ polypropylene

+ Thực nghiệm các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của màng lọc bao gồm: pH dung dịch hấp phụ, độ xốp màng hấp phụ, khối lượng màng hấp phụ, nhiệt độ hấp phụ, nhiệt động học hấp phụ, đường đẳng nhiệt hấp phụ, động học hấp phụ, và khả năng tái sử dụng của màng hấp phụ

- Phần đánh giá kết quả:

+ Đánh giá ngoại quan xơ gòn trước và sau khi tiền xử lý bằng NaClO2

+ Đánh giá khả năng tạo màng lọc từ hỗn hợp xơ gòn đã xử lý và xơ polypropylene

+ Đánh giá khả năng hấp phụ của màng lọc thông qua các yếu tố: pH dung dịch hấp phụ, độ xốp màng hấp phụ, khối lượng màng hấp phụ, nhiệt độ hấp phụ, nhiệt động học hấp phụ, đường đẳng nhiệt hấp phụ, động học hấp phụ, và khả năng tái sử dụng của màng hấp phụ

- -

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Bùi Mai Hương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

PGS TS Bùi Mai Hương

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Bùi Mai Hương, người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành nghiên cứu này Cô đã tận tình chỉ bảo cho em những kiến thức, những kinh nghiệm quý báu của mình, luôn hướng em đến những việc tốt đẹp nhất trên con đường học thuật Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến cô Lê Song Thanh Quỳnh, người đã tư vấn và chỉ ra những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu của em

Bên canh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Viện Y Tế Công Cộng và Viện Công Nghệ Sinh Học TPHCM đã hỗ trợ các thí nghiệm, kiểm định, giúp em tiến hành nghiên cứu được thuận lợi và đầy đủ nhất

Em xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2022

Trương Văn Đạt

ABSTRACT

This thesis investigates the adsorption process of heavy metal ions Pb2+ and methylene blue dye of filter web made from pre-treated kapok with NaClO2 and polypropylene fiber First, the kapok fiber is pretreated with NaClO2 oxide The morphological and structural changes of the kapok fibers were observed by scanning electron microscopy images The kapok fiber is then mixed with polypropylene fiber in a 70:30 ratio before being fed into the pilot carding machine to form a fiber web and fixed by a heat press machine to create a filter web The adsorption properties of the filter web were evaluated for Pb2+ ions and methylene blue dye The results showed that the pre-treatment conditions for kapok fibers with NaClO2 were 1.0% (wt%), 70 oC and 60 minutes The heat pressing dry-laid method produces a smooth, eveness filter web, and the adsorption process of the filter follows the pseudo-second-order 2 kinetic models and the Langmuir isotherm model Furthermore, adsorbent solution pH, filter web porosity, filter web mass, adsorption temperature, and adsorption thermodynamics all have a significant impact on the web's adsorption capacity Reusability and desorption of the filter web is high, in the 5th cycle, the adsorption capacity of the web for MB and Pb2+ ions only decreased by 9.13% and 11.48% compared to the first cycle, respectively The desorption capacity of the filter is more than 90% for MB and more than 73% for Pb2+ ions The research contributes to the development of a practical application of kapok fiber in the treatment of textile waste

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là công trình nghiên cứu của Trương Văn Đạt, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của cô PGS.TS Bùi Mai Hương Các số liệu, hình ảnh và những kết luận được trình bày trong luận văn này hoàn toàn trung thực

Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này

TP Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2022

Trương Văn Đạt

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 3

2.1 Xơ gòn 3

2.1.1 Nguồn gốc, cấu trúc và tính chất của xơ gòn 3

2.1.2 Khả năng hấp phụ ion kim loại của xơ gòn thô 5

2.2 Các phương pháp xử lý hóa học xơ gòn 5

2.2.1 Tiền xử lý xơ gòn bằng axit/kiềm 6

2.2.2 Tiền xử lý xơ gòn bằng quá trình oxy hóa 6

2.3 Phương pháp tạo màng hấp phụ từ hỗn hợp xơ gòn, xơ polypropylene 8

2.4 Hiện trạng ô nhiễm ion kim loại nặng và thuốc nhuộm 9

2.4.2 Thuốc nhuộm methyl blue 11

3.1 Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị, dụng cụ thí nghiệm 21

3.1.1 Nguyên liệu và hóa chất thí nghiệm 21

3.1.2 Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm 22

3.2 Quá trình xử lý hóa học xơ gòn bằng NaClO2 25

3.3 Quá trình tạo màng lọc từ xơ gòn và xơ polypropylene bằng phương pháp trải khô-ép nhiệt 26

3.4 Quá trình xác định điểm đẳng điện của màng lọc 28

3.5 Quá trình ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ của màng lọc 29

3.6 Quá trình thử nghiệm ảnh hưởng của độ xốp màng xơ đến khả năng hấp phụ của màng lọc 31

3.7 Quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng màng lọc đến quá trình hấp phụ của màng lọc 33

3.8 Quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ của màng lọc 35

3.9 Quá trình đẳng nhiệt hấp phụ của màng lọc 37

3.10 Quá trình động học hấp phụ của màng lọc 39

3.11 Quá trình tái sử dụng của màng lọc 41

3.12 Phân tích thống kê kết quả thực nghiệm 43

3.12.1 Phương pháp so sánh hai trị trung bình bằng chuẩn Student 43

3.12.2 Phương pháp xét sự tương quan giữa X và Y bằng hệ số tương quan Pearson, r 44

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 46

4.1 Đánh giá quá trình xử lý hóa học xơ gòn bằng NaClO2 46

4.2 Đánh giá quá trình tạo màng lọc từ xơ gòn và xơ polypropylene bằng phương pháp chải khô - ép nhiệt 47

4.3 Đánh giá quá trình xác định điểm đẳng điện (điểm không điện tích) của màng lọc 48

4.4 Đánh giá ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ của màng lọc 49

4.5 Đánh giá ảnh hưởng của độ xốp màng lọc đến quá trình hấp phụ của màng lọc 51

4.6 Đánh giá ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp thụ đến quá trình hấp phụ của màng lọc 53

4.7 Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ của màng lọc 55

4.8 Đánh giá quá trình đẳng nhiệt hấp phụ của màng lọc 59

4.9 Đánh giá quá trình động học hấp phụ của màng lọc 62

4.10 Đánh giá quá trình tái sử dụng của màng lọc 66

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN 68

5.1 Kết luận 68

5.2 Hướng phát triển luận văn 70

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 71

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 84

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 84

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC 84

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 3.1 Sơ đồ quy trình xử lý xơ gòn bằng NaClO2 25 Hình 3.2 Máy chụp ảnh SEM hãng ZEISS 26 Hình 3.3 Sơ đồ quy trình tạo màng lọc từ xơ gòn đã xử lý bằng NaClO2 và xơ polypropylene bằng phương pháp trải khô 27 Hình 3.4 Sơ đồ quy trình xác định điểm đẳng điện của màng lọc 28 Hình 3.5 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Pb2+ của màng lọc 29 Hình 3.6 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ MB của màng lọc 30 Hình 3.7 Sơ đồ quy trình tạo màng lọc từ xơ gòn và xơ polypropylene với độ xốp màng khác nhau 32 Hình 3.8 Đo chiều dày màng lọc bằng thước panme 33 Hình 3.9 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của khối lượng màng lọc đến quá trình hấp phụ Pb2+ của màng lọc 34 Hình 3.10 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của khối lượng màng lọc đến quá trình hấp phụ MB của màng lọc 34 Hình 3.11 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ Pb2+ của màng lọc 36 Hình 3.12 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ MB của màng lọc 36 Hình 3.13 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ Pb2+ của màng lọc 38 Hình 3.14 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ MB của màng lọc 39

Hình 3.15 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Pb2+ của màng lọc 40 Hình 3.16 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ MB của màng lọc 40 Hình 3.17 Sơ đồ nghiên cứu quá trình giải hấp và tái sử dụng màng lọc trong quá trình hấp phụ ion Pb2+ 42 Hình 3.18 Sơ đồ nghiên cứu quá trình giải hấp và tái sử dụng màng lọc trong quá trình hấp phụ MB 42 Hình 4.1 Ảnh SEM của a) xơ gòn thô và b) sau khi xử lý NaClO2 46 Hình 4.2 Ảnh SEM của màng lọc từ xơ gòn đã xử lý NaClO2 và xơ PP với tỷ lệ OG/PP là 70/30 47 Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của ∆pH và pHi 48 Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ của màng lọc vào khối lượng màng lọc 53 Hình 4.5 Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của màng lọc vào khối lượng màng lọc 55 Hình 4.6 Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của màng lọc vào nhiệt độ hấp phụ 57 Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnKcb vào 1/T của Pb2+ và MB 58 Hình 4.8 Đồ thị biểu diện sự phụ thuộc của Ccb/Qcb vào Ccb của của màng lọc đối với Pb2+ và MB 60 Hình 4.9 Đồ thị biểu diện sự phụ thuộc của lnQcb vào lnCcb của của màng lọc đối với Pb2+ và MB 61 Hình 4.10 Đồ thị đường đẳng nhiệt Langmuir của màng lọc đối với Pb2+ và MB 61 Hình 4.11 Đồ thị biểu diễn phương trình động học bậc 1 của hệ thống màng lọc đối với Pb2+ và MB 65

Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn phương trình động học bậc 2 của hệ thống màng lọc đối với Pb2+ và MB 66 Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào chu kỳ hấp phụ, chu kỳ giải hấp của hệ thống màng lọc đối với Pb2+ và MB 67

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Nguyên liệu xơ thí nghiệm 21 Bảng 3.2 Hóa chất thí nghiệm 21 Bảng 3.3 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 22 Bảng 4.1 So sánh hai giá trị trung bình của pH trước và pH sau thí nghiệm về điểm đẳng điện của màng lọc 49 Bảng 4.2 Đánh giá mối tương quan giữa pH dung dịch hấp phụ và dung lượng hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb2+ 50 Bảng 4.3 Đánh giá mối tương quan giữa pH dung dịch hấp phụ và dung lượng hấp phụ của màng lọc đối với thuốc nhuộm MB 51 Bảng 4.4 Đánh giá mối tương quan giữa độ xốp màng lọc và dung lượng hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb2+và MB 52 Bảng 4.5 So sánh hai giá trị trung bình của dung lượng hấp phụ của màng lọc đối với Pb2+ và MB khi khối lượng màng lọc thay đổi 54 Bảng 4.6 So sánh hai giá trị trung bình của dung lượng hấp phụ của màng lọc đối với Pb2+ và MB khi nhiệt độ thí nghiệm thay đổi 56 Bảng 4.7 Kết quả tính Kcb của quá trình hấp phụ ion Pb2+ của màng lọc tại các nhiệt độ khác nhau 57 Bảng 4.8 Kết quả tính Kcb của quá trình hấp phụ thuốc nhuộm MB của màng lọc tại các nhiệt độ khác nhau 57 Bảng 4.9 Kết quả tính các thông số nhiệt động đối với quá trình hấp phụ Pb2+ của màng lọc 58 Bảng 4.10 Kết quả tính các thông số nhiệt động đối với quá trình hấp phụ MB của màng lọc 59 Bảng 4.11 Số liệu thực nghiệm quá trình khảo sát cân bằng hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb2+ 59

Bảng 4.12 Số liệu thực nghiệm quá trình khảo sát cân bằng hấp phụ của màng lọc đối với ion MB 60 Bảng 4.13 Các tham số và hệ số tương quan (R2) của mô hình Langmuir và Freundlich trong quá trình hấp phụ ion Pb2+ và MB của màng lọc 62 Bảng 4.14 Số liệu thực nghiệm quá trình động học hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb2+ 63 Bảng 4.15 Số liệu thực nghiệm quá trình động học hấp phụ của màng lọc đối với MB 64 Bảng 4.16 So sánh hai giá trị trung bình của dung lượng hấp phụ của màng lọc đối với Pb2+ và MB khi thời gian thí nghiệm thay đổi 65 Bảng 4.17 Các tham số và hệ số tương quan trong quá trình động học hấp phụ của màng lọc đối với Pb2+ và MB 66

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

2 OG Xơ gòn đã được tiền xử lý bằng oxit NaClO2

7 FTIR Quảng phổ hồng ngoại Fourier

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Vấn đề ô nhiễm ion kim loại nặng và ô nhiễm thuốc nhuộm do quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa đã gây ra những nguy hại đáng kể cho cả môi trường và sức khỏe con người Con người tiếp xúc lâu dài với các ion kim loại nặng Pb2+ ở nồng độ cao sẽ gây ra một số lo ngại về sức khỏe như tổn thương hệ tuần hoàn, hệ miễn dịch và sinh sản, suy gan, tiểu đường, kích ứng niêm mạc, suy thận, và kích thích hệ thần kinh trung ương Thuốc nhuộm cation methylene blue (MB) là chất gây ung thư, gây quái thai và gây đột biến gen, tất cả đều nguy hiểm cho sức khỏe Do đó, việc loại bỏ các ion kim loại nặng và thuốc nhuộm ra khỏi nguồn nước thải trước khi thải ra môi trường là điều khẩn thiết Nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển để loại bỏ kim loại nặng và thuốc nhuộm khỏi hệ thống nước Các phương pháp này bao gồm màng lọc, kết tủa hóa học, xử lý sinh học, trao đổi ion, phân hủy quang xúc tác và hấp phụ Phương pháp hấp phụ được ưa chuộng hơn các phương pháp khác do tính linh hoạt trong thiết kế và khả năng tái tạo chất hấp phụ Gần đây, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã quan tâm đến khả năng xử lý ion kim loại nặng và thuốc nhuộm của xơ gòn như một chất hấp phụ vì cấu trúc vi ống rỗng của nó Tuy nhiên những nghiên cứu này chỉ tập trung khai thác khả năng hấp phụ của xơ gòn đơn lẻ, và đây là một khuyết điểm lớn vì nếu đưa vào áp dụng thực tế sẽ gây khó khăn trong việc thu hồi – tái sử dụng xơ gòn Đây cũng là lý do chính để em thực hiện đề tài “Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng và thuốc nhuộm methyl blue từ màng lọc tạo từ xơ gòn”

1.2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu qúa trình hấp phụ ion kim loại nặng Pb2+ và thuốc nhuộm methylene blue bằng màng hấp phụ tạo từ xơ gòn đã qua xử lý NaClO2 và xơ polypropylene Luận văn tiến hành tạo màng lọc từ xơ gòn đã tiền xử lý và xơ polypropylene bằng phương pháp chải khô ép nhiệt và nghiên cứu các yếu tố ảnh

hưởng khả năng hấp phụ ion kim loại Pb2+ và thuốc nhuộm MB của màng lọc để đánh giá mức độ phù hợp của màng lọc với chức năng làm vật liệu hấp phụ

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

+ Điều kiện xử lý hóa học xơ gòn: hóa chất (NaClO2), nồng độ xử lý, nhiệt độ xử lý và thời gian xử lý

+ Thông số kỹ thuật tạo màng hấp phụ bằng phương pháp chải khô ép nhiệt: lượng xơ cấp vào máy chải, nhiệt độ, thời gian ép nhiệt

+ Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của màng: pH dung dịch hấp phụ, độ xốp màng hấp phụ, khối lượng màng hấp phụ, nhiệt độ hấp phụ, nhiệt động học hấp phụ, đường đẳng nhiệt hấp phụ, động học hấp phụ, và khả năng tái sử dụng của màng hấp phụ

Phạm vi nghiên cứu:

Đề tài thực hiện tạo màng lọc hấp phụ và đánh giá khả năng hấp phụ của màng hấp phụ đối với ion kim loại nặng Pb2+, thuốc nhuộm methylene blue với các điều kiện thí nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm Thời gian thực hiện đề tài từ 05/9/2022 đến 18/12/2022

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Đề tài là một ứng dụng thực tế của xơ gòn trong vấn đề xử lý chất thải ngành dệt may Màng hấp thụ tạo ra có khả năng hấp thụ ion kim loại nặng Pb2+ và thuốc nhuộm methylene blue trong nước thải ngành dệt nhuộm Đồng thời, nghiên cứu có ưu điểm lớn so với các nghiên cứu về xơ gòn độc lập trước đây, đó là khả năng thu hồi và tái sử dụng xơ gòn dễ dàng, thuận lợi hơn, giúp nâng cao khả năng thương mại hóa sản phẩm trong thời gian tới

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Xơ gòn

2.1.1 Nguồn gốc, cấu trúc và tính chất của xơ gòn

Xơ gòn là xơ tự nhiên chứa cellulose, hemicellulose, lignin, pectin và sáp, tên tiếng Anh là Kapok hoặc Ceiba pentandra L Xơ gòn được cấu tạo bởi hai lớp, cụ thể là các vi xơ cellulose và trục xơ, xơ có hình trụ, màu từ vàng đến nâu, nhẹ [1], có nhiều trong tự nhiên, dễ phân hủy Xơ gòn được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp dệt may làm màng không dệt, làm ruột cho đồ chơi, tấm trải giường, vải bọc và túi ngủ Do đặc tính hấp phụ dầu, xơ gòn cũng được sử dụng làm vật liệu vệ sinh chất bôi trơn cơ học Một số thiết bị an toàn dưới nước như thiết bị bảo hộ cứu sinh cũng được làm bằng xơ gòn vì đặc tính nổi của xơ [2]

Xơ trong mỗi quả gòn nặng 12–15 g và mỗi xơ dài 10–35 mm [3] Khối lượng riêng là 1,31 g/cm3 [4] Xơ gòn có đường kính 20–43 µm với độ dày thành 1–3 µm Ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM cho thấy xơ gòn có hình dạng ống rỗng mịn với lumen lớn và bề mặt nhẵn do sự hiện diện của lớp sáp dày Độ nhám bề mặt của xơ gòn nằm trong khoảng từ 140 đến 155 nm [5] Lim và Huang [6] đã nghiên cứu khả năng thấm ướt của xơ gòn với nước và dầu diesel Kết quả của họ cho thấy góc tiếp xúc của xơ gòn với nước là 117o, và với dầu diesel là 13o Một nghiên cứu khác cũng đã báo cáo rằng góc tiếp xúc của xơ gòn với nước, ethanol và hexan lần lượt là 120o, 12o và 13o [7]

Xơ gòn chứa cellulose, hemicellulose, lignin và pectin với lượng chất vô cơ thấp Kết quả quang phổ điện tử ảnh tia X (XPS) cho thấy xơ chủ yếu bao gồm C (cacbon) và O (oxy) với các cực đại tương ứng khoảng ~ 285 eV và ~ 530 eV [8] Song et al [9] báo cáo rằng C cũng được liên kết với các liên kết C = C / C-C (284,31 eV) và C-O (285,13 eV) Ngoài carbon và oxy, Yang et al [10] và Cao và cộng sự [11] đã xác định được đỉnh (400 eV) giữa C và O là N (nitơ) XPS là một cách tiếp cận đặc tính hữu ích, với giả thuyết sự hấp phụ chủ yếu dựa trên sự tương tác giữa chất hấp phụ và các vị trí liên kết được tìm thấy trên bề mặt xơ gòn Các thông số cần

thiết để xơ gòn hấp phụ thành công có thể được điều chỉnh và thay đổi bằng cách biết thành phần hóa học [12]

Các mẫu nhiễu xạ tia X (XRD) cung cấp cấu trúc tinh thể của xơ gòn, trong đó các đỉnh nằm trong khoảng từ 10o đến 30o là do lignin, cellulose vô định hình và hemicellulose [11] Chỉ số độ kết tinh của xơ dao động từ 20–40%, tùy thuộc vào các sửa đổi bề mặt được thực hiện Xơ gòn tự nhiên có hai đỉnh 2θ = 15o và 2θ = 22o, tương ứng với sự có mặt của lignin và cellulose [13] Những yếu tố này giúp xác định các khu vực vô định hình Những vùng vô định hình này được biết là có liên quan đến các vị trí hấp phụ, vì nó chứa nhiều các nhóm chức [14]

Độ bền nhiệt của xơ có thể được đánh giá bằng cách sử dụng phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) Trong quá trình hấp thụ hóa học, nơi các liên kết được hình thành, việc tăng nhiệt độ sẽ làm tăng tốc độ của các phản ứng hóa học Sự tăng nhiệt độ cũng sẽ làm thay đổi tính chất hóa học của chất hấp phụ và vị trí hấp phụ Hấp phụ lớn hơn ở nhiệt độ cao hơn cũng có thể ngụ ý rằng quá trình hấp phụ hóa học là thu nhiệt [15] Sự phân hủy nhiệt đo được đối với xơ gòn trong môi trường trơ là mất khoảng 83% trọng lượng xảy ra trong phạm vi 250–900 oC [11] Wang và cộng sự [13] đã nghiên cứu sự phân hủy nhiệt của xơ bằng cách sử dụng phép đo nhiệt trọng lượng dẫn xuất (DTG) và TGA, trong đó sự giảm nhẹ trọng lượng được quan sát thấy dưới 100 oC, là do sự bay hơi của phân tử nước Sau đó, trọng lượng tiếp tục giảm khoảng 10% ở nhiệt độ từ 100–230 oC, do sự phân hủy hemicellulose [16] Kết quả của sự phân hủy cellulose và sự sắp xếp lại các đại phân tử trong xơ dẫn đến giảm trọng lượng 63%, được quan sát thấy ở 230–770 oC [13] Hơn nữa, sự mất ẩm góp phần làm giảm 5% trọng lượng ở nhiệt độ từ 20–78 oC Trọng lượng của xơ giảm xuống 77% ở 235–405

oC do cellulose và lignin bị phân hủy, chỉ còn lại 11% trọng lượng ban đầu khi ở nhiệt độ 800 oC [17]

Kết quả hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) của xơ gòn thô cho thấy các nhóm chức năng khác nhau có trong xơ Dải ở 3404 cm-1 được liên kết với hydroxyl từ sáp thực vật, axit béo và nước [18, 19] Các thành phần cellulose CH2 và CH3 được tìm thấy ở dải 2917 cm-1 [18, 20] C = O (kéo dài cacbonyl) được xác định ở 1740 cm-1

và 1374 cm-1 liên quan đến sự có mặt của hemicellulose [17, 18] C=C thơm cũng được quan sát thấy ở các đỉnh từ 1595 cm-1 đến 1425 cm-1, điều này cho thấy sự hiện diện của lignin [17, 18] Tính kỵ nước của xơ gòn là do sự hiện diện của hemicellulose và lignin Việc loại bỏ các nhóm này là rất quan trọng trong quá trình hấp phụ vì nó ngăn không cho dung dịch nước tiếp xúc với bề mặt xơ [12]

2.1.2 Khả năng hấp phụ ion kim loại của xơ gòn thô

Hiệu suất hấp phụ của xơ gòn thô để loại bỏ chì và thủy ngân đã được báo cáo trong nghiên cứu của Wang và cộng sự [21] và Yang và cộng sự [10] Khả năng hấp phụ của xơ gòn thô chưa qua xử lý là 4,70 mg/g và 39,9 mg/g tương ứng để loại bỏ Pb và Hg Ở đỉnh 2917 cm-1 của -CH2 và -CH3 phản ánh sự có mặt của sáp thực vật, điều này ngụ ý tính kỵ nước tự nhiên của xơ gòn thô Người ta cũng quan sát thấy trong các giai đoạn thử nghiệm rằng xơ gòn thô vẫn nổi trên bề mặt của dung dịch trong quá trình hấp phụ Tuy nhiên, do lượng hydroxyl dồi dào trong xơ, nên xơ vẫn có thể thu giữ các ion kim loại trên bề mặt xơ Dung lượng hấp phụ của xơ gòn thô chưa được xử lý có thể được sử dụng làm cơ sở để so sánh về hiệu suất hấp phụ với xơ gòn đã được xử lý và sửa đổi bề mặt

2.2 Các phương pháp xử lý hóa học xơ gòn

Xơ gòn có đặc tính kỵ nước do có lớp sáp trên bề mặt [22], do đó hạn chế khả năng loại bỏ thuốc nhuộm và ion kim loại nặng của xơ [23] Để cải thiện khả năng thấm ướt và khả năng hấp phụ của xơ, cần phải sửa đổi bề mặt và xử lý sơ bộ xơ Vì các quá trình hấp phụ xảy ra trong dung dịch nước nên bề mặt ưa nước là mong muốn trong quá trình loại bỏ kim loại nặng và thuốc nhuộm [24] Ngoài ra, cấu trúc bề mặt của xơ cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ, kim loại nặng và thuốc nhuộm sẽ dễ dàng bám vào các bề mặt thô ráp do diện tích bề mặt tiếp xúc cao hơn và nhiều không gian trống hơn (vị trí liên kết) để hấp phụ Tiền xử lý hóa học xơ gòn từ các nghiên cứu trước đây bao gồm xử lý axit/kiềm [21], xử lý oxy hóa [25]

2.2.1 Tiền xử lý xơ gòn bằng axit/kiềm

Tiền xử lý bằng axit và kiềm sẽ cải thiện địa hình bề mặt, và khả năng phản ứng của xơ gòn bằng cách phân hủy hemicellulose, pectin, dầu tự nhiên và lignin trong xơ [20, 26, 27] Axit sunfuric, hydrochloric, nitric, hoặc acetic ở dạng pha loãng hoặc cô đặc có thể được sử dụng để xử lý sơ bộ xơ [28] Tiền xử lý bằng kiềm trên xơ gòn bao gồm natri hydroxit, hoặc kali hydroxit Abdullah và cộng sự [29] đã báo cáo xơ gòn được tiền xử lý bằng HCl và NaOH để loại bỏ sáp, lignin và tạp chất Phổ FTIR của xơ gòn đã xử lý cho kết quả dải 3410 cm-1 rộng hơn so với xơ gòn thô, cho thấy quá trình khử sáp thực vật trong xơ gòn đã diễn ra Bên cạnh đó cường độ ở các dải 1740 cm-1 và 1245 cm-1 giảm dần, thể hiện rằng các nhóm cacboxylic (dầu và axit béo) có trong xơ đã được loại bỏ thông qua quá trình kiềm hóa [20] Trong nghiên cứu của Sartika và cộng sự cũng kết luận rằng tiền xử lý bằng kiềm và axit làm giảm hemicellulose và lignin trong xơ gòn [30]

Nghiên cứu của Wang et al [21], đã so sánh khả năng hấp phụ ion chì giữa xơ

gòn thô và xơ gòn đã qua xử lý NaOH Ở điều kiện hấp phụ là pH 6,0, nhiệt độ phòng và nồng độ chì ban đầu là 80 mg/L Khả năng hấp phụ chì trong dung dịch nước của xơ gòn thô là 4,70 mg/g Đây là một giá trị thấp đáng kể khi so sánh với xơ gòn được xử lý bằng axit/kiềm, có giá trị là 23,4 mg/g Khả năng hấp phụ chì thấp khi sử dụng xơ gòn thô, có thể liên quan đến sự tồn tại của sáp thực vật, làm cho xơ kỵ nước [32] Việc áp dụng xử lý axit / kiềm sẽ loại bỏ sáp thực vật, để lộ ra các nhóm chức ưa nước như hydroxyl, có liên quan trực tiếp đến việc loại bỏ các ion kim loại nặng [21] Hơn nữa, sự thay đổi về đặc tính bề mặt làm tăng diện tích bề mặt của xơ, từ đó xơ

có khả năng giữ lại nhiều ion hơn

2.2.2 Tiền xử lý xơ gòn bằng quá trình oxy hóa

Tiền xử lý xơ gòn thông qua quá trình oxy hóa có thể sử dụng các chất oxy hóa như ozon, peroxit hoặc dung dịch gốc clo để phân hủy lignin và nhũ hóa hemicellulose [31-34] Xơ gòn trở nên xốp và bề mặt xơ thô ráp hơn khi loại bỏ lignin và biến đổi polysaccharid [35] Phương pháp này cũng biến tính thấm ướt của xơ gòn từ kỵ nước sang ưa nước [36]

Trong nghiên cứu của Wang et al., xơ gòn được xử lý bằng hỗn hợp NaClO2

và axit axetic, hình thái bề mặt của xơ được xử lý biểu hiện bề mặt thô ráp hơn, cho thấy rằng lớp sáp bề mặt đã được loại bỏ [37] Nghiên cứu được ứng dụng loại bỏ ion thủy ngân khỏi hệ thống nước

Nghiên cứu của Liu và cộng sự [22] cho thấy rằng bề mặt của xơ gòn được xử lý bằng natri clorit (NaClO2) chuyển từ kỵ nước sang ưa nước và được ứng dụng trong quá trình hấp phụ thuốc nhuộm methylene blue Điều này là do NaClO2 tạo ra clodioxide và gây ra quá trình oxy hóa lignin Phổ FTIR cho thấy đỉnh 3397 cm-1 của nhóm -OH rộng hơn sau khi xử lý, có nghĩa là các liên kết lignin đã bị phá vỡ Các đỉnh của lignin bắt đầu biến mất ở 1592 cm-1, 1504 cm-1 và 1463 cm-1 Ở đỉnh 831 cm-1, lignin của xơ gòn bị phá vỡ hoàn toàn mang đến cho xơ gòn đã qua xử lý đặc tính ưa nước rất tốt [22, 36]

Wolok và cộng sự [38] đã thực hiện tiền xử lý xơ gòn bằng cách sử dụng natri hypochlorite (NaClO) và NaClO2 để loại bỏ sáp, dầu tự nhiên, pectin, lignin và hemicellulose Đặc tính ưa nước của xơ tăng lên Kết quả FTIR của xơ gòn cho thấy sự giảm cường độ ở đỉnh 1239 cm-1, 1041 cm-1 và 898 cm-1 cho thấy sự suy giảm lignin, polysaccharide và cellulose Dựa trên phân tích SEM, địa hình và diện tích bề mặt của xơ gòn sau khi tiền xử lý trở nên nhăn nheo và thô ráp Ngoài ra, quá trình xử lý oxy hóa làm mất đi lignin, pectin, sáp và dầu tự nhiên bao phủ bề mặt dẫn đến việc cải thiện tính thấm ướt và tính chất cơ học của xơ gòn [27, 39]

Trong nghiên cứu của Yi Liu và cộng sự, khả năng hấp phụ methylene blue của xơ gòn được tiền xử lý NaClO2 là 110,13 mg/g Kết quả FTIR cho thấy đỉnh ở 831 cm-1 xác nhận sự biến mất hoàn toàn của thành phần lignin của xơ gòn Kết quả là, nước và bề mặt xơ gòn đã qua xử lý có thể tiếp xúc hoàn toàn Trong dung dịch axit, methylên blue là một chất nhuộm cation có ái lực mạnh với bề mặt xơ, do đó khả năng hấp phụ của xơ tăng mạnh khi được xử lý bằng NaClO2 [22]

Kết luận:

Tính thấm ướt, đặc tính bám dính và tính tương hợp sinh học của xơ gòn kém, cần phải sửa đổi trước khi ứng dụng [40] Xơ gòn được tiền xử lý sẽ thay đổi các tính năng bề mặt và các đặc tính nội tại của nó [23], để cải thiện chất lượng hấp phụ của xơ gòn đối với chất bị hấp phụ [41] Có thể tiến hành tiền xử lý xơ gòn bằng nhiều phương pháp hóa học khác nhau như sử dụng axit, bazơ, hoặc oxit Tuy nhiên, mỗi

phương pháp điều có nhược điểm nhất định Khi tiền xử lý bằng axit sẽ dễ hình thành

các sản phẩm phụ, tăng sự thủy phân xơ gòn ở điều kiện thích hợp, và chi phí cao [42] Xử lý sơ bộ bằng bazơ là một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhưng dễ thay đổi cấu trúc cellulose của xơ [43] Xử lý trước bằng quá trình oxy hóa tạo ra các hóa chất hữu cơ chứa Clo tuy nhiên đây là một cách tiếp cận nhanh hơn và hiệu quả nhất trong các phương án

2.3 Phương pháp tạo màng hấp phụ từ hỗn hợp xơ gòn, xơ polypropylene

Bề mặt xơ gòn nhẵn mịn nên khả năng liên kết giữa các xơ gòn với nhau rất kém và hầu như việc sử dụng 100% xơ gòn để tạo màng không dệt là điều chưa thể Trong những năm gần đây, để giải quyết vấn đề trên các nhà khoa học đã nghiên cứu phối trộn xơ gòn với các loại xơ có khả năng kết dính cao hơn, ví dụ như xơ cotton, xơ polypropylene, xơ bông sữa (milkweed), xơ cây tầm ma Và hai phương pháp chính dùng để liên kết hỗn hợp xơ lại với nhau đó là phương pháp liên kết nhiệt và phương pháp liên kết xuyên kim

Phương pháp liên kết nhiệt: Phương pháp này được trình bày trong nghiên cứu

của Gengasamy và cộng sự (2011) Việc tạo màng không dệt thực hiện qua hai bước Trong bước đầu, hỗn hợp xơ được xử lý bằng máy chải thô để tạo thành màng xơ Trong bước thứ hai, màng xơ được liên kết chặt chẽ nhờ tác dụng nhiệt và áp suất nén Nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt được duy trì ở 200 oC và 36 giây Áp suất thay đổi ở 10, 20, 30, 40 và 50 bar Nghiên cứu đã thành công trong việc tạo màng thấm dầu từ xơ gòn, xơ bông sữa và xơ polypropylene [44] Trong nghiên cứu của Truong Van Dat và cộng sự (2022), cũng tiến hành tạo màng bằng phương pháp này từ xơ gòn đã tiền xử lý HCl và xơ polypropylene với điều kiện ép nhiệt là 60 giây, 170 oC và lực ép là 200 N [45] Trong một nghiên cứu khác, ở bước đầu tiên khi tạo màng

xơ thì không dùng máy chải thô mà dùng phương pháp thổi khí nén, màng xơ tạo ra đều và đẹp hơn Sau đó màng xơ được xử lý nhiệt ở 180 oC, dưới áp suất 6 bar trong 20 phút để liên kết hỗn hợp xơ lại với nhau Nghiên cứu này áp dụng trên hỗn hợp xơ gòn, xơ bông sữa, xơ cotton và xơ polypropylene [46]

Phương pháp xuyên kim: Trong phương pháp liên kết màng xơ bằng xuyên

kim, bước tạo màng xơ thực hiện theo quy trình phức tạp hơn, đầu tiên dùng máy xé kiện để mở các kiện xơ và trộn đều sơ bộ, sau đó cấp đều đặn hỗn hợp xơ vào máy chải thô để tạo màng xơ Màng xơ sẽ được xếp chéo, xếp chồng lên nhau để đạt được độ bền và độ dày mong muốn Tiếp theo, màng xơ được liên kết chặt chẽ bằng phương pháp xuyên kim, với mật độ xuyên kim là 50 kim/cm2 và độ sâu xuyên kim là 5 mm Nghiên cứu đã sản xuất màng không dệt thấm dầu với tỷ lệ xơ gòn/xơ popypropylene là 80/20 [47]

2.4 Hiện trạng ô nhiễm ion kim loại nặng và thuốc nhuộm

Ô nhiễm ion kim loại nặng và thuốc nhuộm do quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa đã gây ra những nguy cơ đáng kể đối với môi trường và sức khỏe con người Các ngành công nghiệp thải ra chất thải chưa được xử lý có chứa cả chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ Các chất này bao gồm từ muối kim loại đến hóa chất hữu cơ tổng hợp Một lượng lớn nước thải bị ô nhiễm kim loại nặng chứa một lượng đáng kể Hg, Cu, Cd, Pb và Zn được tạo ra bởi nước thải thử nghiệm công nghiệp thải ra từ các ngành công nghiệp hợp kim, nhà máy phân bón, sản xuất pin, luyện kim, bột màu sơn, nhà máy chế biến chất bán dẫn và nhà máy mạ điện Việc con người tiếp xúc lâu dài với nồng độ cao Hg, Cu, Pb, Cd và Zn được biết là gây ra một số lo ngại về sức khỏe bao gồm tổn thương lớn đối với hệ tuần hoàn, hệ miễn dịch và sinh sản, suy gan, tiểu đường, kích ứng niêm mạc, suy thận và kích thích hệ thần kinh trung ương Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ đã quy định lượng hấp thụ tối đa hàng ngày lần lượt là 0,004, 0,001, 0,0001 và 0,04 mg/kg Pb, Cd, Hg và Cu Trong nước uống, US EPA đã đặt mức ô nhiễm tối đa đối với Hg, Cd và Cu lần lượt là 0,03 µg/L, 5,0 µg/L và 1,3 mg/L Hàm lượng Pb tối đa trong nước uống được WHO quy định là <10 ppb Do đó, điều quan trọng là phải loại bỏ Hg, Cu, Pb, Cd và Zn khỏi nước thải trước khi

thải vào bất kỳ vùng nước nào Thuốc nhuộm được phân loại là các chất hóa học tổng hợp hoặc tự nhiên được sử dụng để tạo màu cho nhiều chất nền như sáp, da, lông thú, nhựa, mỹ phẩm, dầu mỡ và vật liệu dệt Do cấu trúc phân tử lớn và phức tạp, các phân tử thuốc nhuộm tồn tại trong nước trong một thời gian dài, chống lại sự phân hủy bởi các cơ chế tự nhiên như tương tác của vi sinh vật và ánh sáng mặt trời Những chất thải có màu này hạn chế lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào các vùng nước bị ảnh hưởng, làm giảm hoạt động quang hợp của hệ thực vật thủy sinh và do đó, ảnh hưởng đến nguồn thức ăn tổng thể của hệ sinh thái thủy sinh Thuốc nhuộm cation như methylene orange và methylene blue là chất gây ung thư, gây quái thai và gây đột biến, tất cả đều nguy hiểm cho sức khỏe Tiếp xúc với methylene orange và methylene blue có thể gây ra các bệnh nghiêm trọng và các bệnh như kích ứng da, khó thở, viêm da, bỏng mắt và tiêu chảy Thuốc nhuộm được sử dụng rộng rãi trong ngành dệt may và là nguyên nhân chính tạo ra nước thải có màu với nồng độ nhu cầu oxy hóa học cao Các ngành công nghiệp in ấn và dệt may cũng sản xuất thuốc nhuộm anion bao gồm Orange G và Orange II được coi là gây quái thai và gây ung thư trong tự nhiên Việc nuốt phải thuốc nhuộm ở nồng độ cao có nhiều tác hại đối với sức khỏe con người như dị ứng, hen suyễn, suy hệ sinh sản, não, gan và thận Việc thải ra các loại nước thải có nồng độ COD cao sẽ dẫn đến tình trạng yếm khí và làm cạn kiệt oxy trong các thủy vực Cơ quan Bảo vệ Môi trường Đài Loan đã đặt mức COD gây ô nhiễm tối đa là 100 mg/L Trong khi đó, Bộ Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên Philippines đã đưa ra tiêu chuẩn COD lần lượt là 30 đến 60 mg/L đối với các vùng nước ngọt và nước biển

Sau đây luận văn sẽ trình bày chi tiết hơn hai tác nhân gây ô nhiễm nhiều nhất trong ngành dệt nhuộm đó là ion kim loại nặng Pb2+ và thuốc nhuộm methylene blue

2.4.1 Kim loại chì (Pb)

Chì là một kim loại nặng, được ký hiệu là Pb Chì trong nước thải ngành dệt nhuộm có nguồn gốc từ các loại thuốc nhuộm như thuốc nhuộm axit phức kim loại, thuốc nhuộm phân tán chứa kim loại và thuốc nhuộm trực tiếp chứa kim loại Bên cạnh các kim loại nặng khác như Crom, Zn, Hg, …cùng tồn tại trong nước thải dệt

nhuộm thì Pb là phổ biến và là chất độc, chất ức chế enzyme, có thể tích tụ trong xương, não, thận và cơ [48] Khi bị nhiễm vào cơ thể người, 90% chì gắn vào các hồng cầu, lắng đọng trong xương dưới dạng chì phosphate và được chuyển hóa tương tự như con đường chuyển hóa canxi Chì có tác dụng ức chế enzyme porphobilinogen synthase và ferrochelatase gây thiếu máu hồng cầu Ở mức độ thấp hơn, chì tác động tương tự như canxi, gây cản trở sự dẫn truyền thần kinh, là một trong số các nguyên nhân cản trở nhận thức

Tiếp xúc lâu dài với Pb ở nồng độ cao như hít hay nuốt phải sẽ ảnh hưởng đến tất cả các hệ thống cơ quan của cơ thể như hệ thần kinh, nội tiết, tuần hoàn, tiêu hóa, tiết niệu, sinh sản, phát triển và xương khớp Ngay cả ở các nồng độ thấp, chì cũng có thể gây ra những tổn thương không biểu hiện các triệu chứng lâm sàng Ở trẻ sơ sinh, chì có thể gây suy giảm vĩnh viễn nhận thức, rối loạn hành vi và chậm phát triển Sự phơi nhiễm với chì có thể gây suy nhược, thiếu máu, buồn nôn, giảm cân, mệt mỏi, đau đầu, đau dạ dày, suy thận, hệ thần kinh, rối loạn chức năng sinh sản Chì có thể được truyền từ mẹ sang thai nhi và có thể gây sẩy thai hoặc đẻ non [49]

Theo Cục An toàn nghề nghiệp và sức khỏe Hoa Kỳ (Occupational Safety and Health Administration), giới hạn mức độ chì cho phép tiếp xúc ở nơi làm việc là 0,005 mg/m3 trong 8 giờ/ngày Ở mức độ chì 100 mg/m3, chì gây nguy hiểm cho sức khỏe và sự sống ngay lập tức [50]

Các phương pháp xử lý Chì bao gồm kết tủa hóa học [51], trao đổi ion [52], hấp thụ sinh học [53], phục hồi điện phân, tách màng [54], hấp phụ khoáng chất [55], và hấp phụ than hoạt tính [56] Tất cả những công nghệ này đều có những ưu điểm và hạn chế riêng Các nghiên cứu gần đây về việc sử dụng xơ gòn làm chất hấp phụ đã cho thấy mức độ hấp phụ ion kim loại được nâng cao [57]

2.4.2 Thuốc nhuộm methyl blue

Thuốc nhuộm methylene blue (MB), có công thức hóa học là C16H18CIN3S.3H2O, là đại diện của thuốc nhuộm cation, thường được sử dụng trong nhuộm dệt vì có độ bền liên kết cao đối với các bề mặt rắn MB có thể tạo màu cho

nhiều chất nền như da, lông thú, chất dẻo, mỹ phẩm, mỡ bôi trơn và vật liệu dệt [58] Do cấu trúc phân tử lớn và phức tạp nên các phân tử thuốc nhuộm tồn tại trong nước một thời gian dài, chống lại được sự phân hủy do các cơ chế tự nhiên như tương tác của vi sinh vật và ánh sáng mặt trời [59]

Thuốc nhuộm cation MB là chất gây ung thư, gây quái thai và gây đột biến gen, tất cả đều nguy hiểm cho sức khỏe Tiếp xúc MB có thể gây ra các bệnh nặng và bệnh tật như kích ứng da, khó thở, viêm da, bỏng mắt và tiêu chảy Thuốc nhuộm được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp dệt và là nguyên nhân chính trong sản xuất nước thải có màu với nồng độ nhu cầu oxy hóa học (COD) cao Việc uống phải thuốc nhuộm ở nồng độ cao có nhiều tác hại đối với sức khỏe con người như dị ứng, hen suyễn, suy giảm hệ thống sinh sản, não, gan và thận [60] Việc thải ra nước thải có nồng độ COD cao sẽ dẫn đến tình trạng yếm khí và làm cạn kiệt oxy Cơ quan Bảo vệ Môi trường Đài Loan đã đặt mức ô nhiễm tối đa của COD là 100 mg/L Bộ Tài nguyên và Môi trường Philippines đã đưa ra tiêu chuẩn COD ở mức 30 đến 60 mg/L trong các thủy vực nước ngọt và nước biển [61]

Một số kỹ thuật đã được phát triển để xử lý thuốc nhuộm như phân hủy vi sinh vật, oxy hóa hóa học, tách màng, tích tụ sinh học, xử lý điện hóa, hấp phụ và thẩm thấu ngược, và trong số các kỹ thuật này, hấp phụ thường được ưa chuộng hơn do dễ xử lý, hiệu quả cao, năng lượng đầu vào thấp và sự sẵn có của các chất hấp phụ khác nhau [62]

Chất hấp phụ được sử dụng phổ biến nhất để loại bỏ thuốc nhuộm là than hoạt tính, nhưng khả năng tái sinh thấp và chi phí cao Hiện nay, việc loại bỏ thuốc nhuộm bằng cách sử dụng các chất hấp phụ có sẵn được nghiên cứu rất nhiều, chẳng hạn như cát [63], sepiolit [64], vỏ cam, vỏ chuối [65] và chất thải vỏ quả hồ trăn [66] Tuy nhiên, khả năng hấp phụ bị hạn chế và khó tái sử dụng Do đó, các chất hấp phụ mới với các ưu điểm vượt trội như kinh tế, tái sử dụng đơn giản dễ dàng, sẵn có đã được phát triển để loại bỏ thuốc nhuộm Xơ gòn là một loại xơ cellulose tự nhiên có khả năng hấp thụ tốt, nhiều nghiên cứu về xơ gòn đã báo cáo về công dụng làm chất hấp thụ MB và mang lại hiệu quả cao

2.5 Phương pháp hấp phụ

Nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển để loại bỏ kim loại nặng và thuốc nhuộm khỏi hệ thống nước thải Các phương pháp này bao gồm lọc màng, đông tụ hóa học và tạo bông, xử lý sinh học, trao đổi ion, phân hủy quang xúc tác và hấp phụ Hầu hết các phương pháp này đều có chi phí tài chính cao, chi phí vận hành cao và yêu cầu thiết lập phức tạp [67] Hấp phụ được ưa chuộng hơn các phương pháp khác do tính linh hoạt trong thiết kế, và khả năng tái tạo chất hấp phụ cao [68] Các ưu điểm khác của phương pháp hấp phụ bao gồm hoạt động đơn giản, mang lại hiệu quả tương đối cao và khả năng loại bỏ đa dạng các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ, ngay cả ở mức cực thấp [69]

2.5.1 Các khái niệm về hấp phụ

Hấp phụ là một quá trình bề mặt phổ biến trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ Hiện tượng này xảy ra khi dung dịch chứa chất tan gặp cấu trúc bề mặt, lúc này lực hút giữa các phân tử làm cho chất tan lắng đọng hoặc tập trung trên bề mặt chất rắn [68] Theo nghiên cứu của Kobya và cộng sự [70], các yếu tố chính ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hấp phụ là độ xốp, diện tích bề mặt chất hấp phụ, trọng lượng chất hấp phụ, nhiệt độ, nồng độ chất tan ban đầu, pH và cơ chế hấp phụ Chất hấp phụ sinh học và chất hấp phụ sinh học thương mại là hai loại chất hấp phụ được sử dụng để loại bỏ hiệu quả các ion kim loại nặng và thuốc nhuộm Khi so sánh với chất hấp phụ thương mại, chất hấp phụ sinh học sẽ có lợi thế hơn về chi phí vì được làm từ vật liệu sinh học có sẵn [68]

Hấp phụ được chia làm hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực tương tác Vanderwaals giữa phần tử chất bị hấp phụ và chất hấp phụ, lực liên kết này yếu dễ bị phá vỡ và quá trình hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch Hấp phụ hóa học gây ra bởi các lực liên kết hóa học giữa phần tử chất bị hấp phụ với phần tử chất hấp phụ, lực liên kết này bền, khó bị phá vỡ Thế nhưng trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối Trong một số hệ thống, sự hấp phụ xảy ra đồng thời cả hai quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [71, 72]

2.5.2 Dung lượng hấp phụ cân bằng

Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định về nồng độ ban đầu và nhiệt độ cho trước

Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức: [21, 22]

Qcb = (Co− Ccb ).VmTrong đó:

Qcb: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g) V: thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (L) m: Khối lượng chất hấp phụ (g)

Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L)

Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/L)

2.5.3 Hiệu suất hấp phụ

Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu Trong quá trình hấp phụ tĩnh thì hiệu suất hấp phụ được tính theo công thức: [71]

H(%) = Co− Ct

Ct .100% Trong đó:

H: Hiệu suất hấp phụ (%)

Co: Nồng độ đầu của ion kim loại (mg/L)

Ct: Nồng độ ion kim loại đo tại thời điểm t (mg/L)

2.5.4 Các mô hình của quá trình hấp phụ

Nghiên cứu động học hấp phụ kim loại nặng và thuốc nhuộm của xơ gòn là điều cần thiết để lựa chọn các điều kiện hấp phụ phù hợp nhất Các ion kim loại nặng (2.1)

(2.2)

là chất tan tích điện và có tính chất ưa nước, trong khi thuốc nhuộm là các hợp chất hữu cơ có thể là cation, anion hoặc trung tính Do đó, mô hình biểu kiến bậc 2 và mô hình đẳng nhiệt Langmuir đã được trang bị và áp dụng cho quá trình hấp phụ Mô hình biểu kiến bậc hai có hiệu suất đáng tin cậy trong việc minh họa dữ liệu động học của vật liệu tổng hợp xơ gòn Về mặt điều kiện, các mô hình động học này giả định tất cả các mẫu đều có bề mặt đồng nhất và hiện tượng hấp phụ đơn lớp phát sinh trên bề mặt của hỗn hợp xơ gòn Mô hình đẳng nhiệt Langmuir giả định tổ hợp xơ gòn, nơi xảy ra quá trình hấp phụ, có các vị trí liên kết với các mức năng lượng giống hệt nhau và các vị trí cục bộ xác định Nếu dữ liệu động học phù hợp với mô hình giả bậc hai, điều đó ngụ ý rằng quá trình hấp phụ là loại hấp phụ hóa học, theo đó bề mặt của chất hấp phụ sẽ tạo ra liên kết cộng hóa trị mạnh với chất bị hấp phụ Ngoài ra, sự hấp thụ hóa học có entanpi cao xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau Trong quá trình hấp phụ hóa học, chất hấp phụ có ái lực cao với chất hấp phụ, có thể là một loại ion kim loại nặng hoặc các phân tử thuốc nhuộm, bị ràng buộc bởi các quá trình động học phức tạp Kết quả của nghiên cứu đẳng nhiệt cho thấy mô hình Langmuir mô tả tốt nhất hệ thống hấp phụ [73-76]

Động học hấp phụ

Đối với hệ hấp phụ lỏng- rắn, quá trình động học hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn chính sau: Giai đoạn khuếch tán của các chất bị hấp phụ từ pha lỏng tới bề mặt chất hấp phụ và giai đoạn hấp phụ các phần tử bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định toàn bộ quá trình động học hấp phụ Với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá trình khuếch tán thường chậm và đóng vai trò quyết định [71]

Tốc độ hấp phụ v là biến thiên nồng độ chất bị hấp phụ theo thời gian và tốc độ hấp phụ này phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo thời gian: [21, 22, 71]

v = dx

dt = 𝛽(Co – Ccb) = k(Qmax – Qt) Trong đó:

(2.3)

x: nồng độ chất bị hấp phụ (mg/l) t: thời gian (giây)

ln(Qcb – Qt) = lnQcb - 𝑘12.303t Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng:

Qcb, Qt là dung lượng hấp phụ tại thời gian đạt cân bằng và tại thời gian t (mg/g)

k1, k2 là hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất (thời gian-1) và bậc hai (g.mg-1 thời gian-1) biểu kiến

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich

(2.4)

(2.5)

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là phương trình thực nghiệm mô tả sự hấp phụ xảy ra trong phạm vi một lớp Phương trình này được biểu diễn bằng một hàm số mũ: [71]

Qcb = kF.C1/n

Trong đó:

kF: hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố khác n: hằng số chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn lớn hơn 1

Qcb: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)

Phương trình Freundlich phản ánh khá tốt số liệu thực nghiệm cho vùng đầu và vùng giữa của đường hấp phụ đẳng nhiệt Để xác định các hằng số kF và n ta đưa phương trình trên về dạng đường thẳng Sau đó vẽ đồ thị phụ thuộc giữa lnQcb và lnCcb

lnQcb = lnkF + 1𝑛lnCcb

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir là phương trình mô tả cân bằng hấp phụ đầu tiên được thiết lập bằng lý thuyết Phương trình Langmuir được thiết lập trên cơ sở các giả thuyết sau [21, 22, 71]:

+ Mỗi tiểu phân chất bị hấp phụ liên kết với bề mặt của chất hấp phụ tại những trung tâm xác định

+ Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các trung tâm là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh

+ Các phân tử được hấp phụ đơn lớp trên bề mặt chất hấp phụ

Phương trình đẳng nhiệt Langmuir được xây dựng cho hệ hấp phụ rắn–lỏng Khi đó phương trình Langmuir có dạng:

(2.6)

(2.7)

(2.8)

Qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:

+ Trong vùng nồng độ nhỏ kL.Ccb << 1 thì Qcb = Qmax kL.Ccb mô tả vùng hấp phụ tuyến tính

+ Trong vùng nồng độ lớn kL.Ccb >> 1 thì Qcb = Qmax kL.Ccb mô tả vùng hấp phụ bão hòa

+ Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳng nhiệt biểu diễn là một đường cong

Để xác định các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, có thể sử dụng phương pháp đồ thị bằng cách đưa phương trình về dạng đường thẳng, và tiến hành xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của Ccb /Qcb vào Ccb sẽ xác định được các hằng số kL, Qmax trong phương trình

(ii) Nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển để loại bỏ kim loại nặng chì và thuốc nhuộm MB khỏi hệ thống nước thải Phương pháp được sử dụng phổ (2.9)

biến hiện nay là phương pháp hấp phụ Tiêu biểu có thể kể đến là chất hấp phụ sinh học xơ gòn

(iii) Xơ gòn thô có lớp sáp kị nước bao bọc bên ngoài và chứa nhiều lignin, hemicenlulo nên khả năng hấp phụ đối với ion kim loại và thuốc nhuộm kém Thế nhưng nhiều nghiên cứu đã chứng minh khả năng hấp phụ của xơ gòn tăng vượt trội sau khi được tiền xử lý hóa học Tiêu biểu là xử lý bằng oxit NaClO2

(iv) Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion kim loại Pb2+ và thuốc nhuộm MB của màng hấp phụ: Ph dung dịch, độ xốp màng hấp phụ, khối lượng màng hấp phụ, nhiệt độ hấp phụ, động học hấp phụ, đường đẳng nhiệt hấp phụ, nhiệt động học hấp phụ, và khả năng tái sử dụng của màng hấp phụ

(v) Những vấn đề chưa được các nghiên cứu trước đây thảo luận như điểm đẳng điện (điểm không điện tích), diện tích bề mặt hấp phụ của xơ gòn Ngoài ra, các nghiên cứu này chỉ tập trung khai thác khả năng hấp phụ ion kim loại nặng và thuốc nhuộm của xơ gòn đơn lẻ, và đây là một khuyết điểm lớn vì nếu đưa vào áp dụng thực tế sẽ gây khó khăn trong tái sử dụng xơ gòn Trong khi việc tạo màng hấp phụ không dệt từ xơ gòn và xơ polypropylene theo phương pháp trải khô – ép nhiệt hoàn toàn thực hiện được

Xuất phát từ những vấn đề bất cập còn tồn tại trong các nghiên cứu trước đây về quá trình hấp phụ ion kim loại nặng và thuốc nhuộm MB trên xơ gòn đã trình bày ở trên Luận văn sẽ tiến hành nghiên cứu quá trình hấp phụ ion kim loại Pb2+ và thuốc nhuộm methylene blue (MB) trên màng lọc tạo từ xơ gòn đã tiền xử lý bằng NaClO2

và xơ polypropylene Ngoài việc thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả công bố trước đây, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề mới như: (i) quá trình tạo màng lọc trên máy chải thô thí nghiệm từ xơ gòn đã tiền xử lý NaClO2 và xơ PP; (ii) điểm đẳng điện (điểm không điện tích) của màng lọc, và (iii) đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion kim loại Pb2+ và thuốc nhuộm MB của màng lọc: Ph dung dịch, độ xốp màng hấp phụ, khối lượng màng hấp phụ, nhiệt độ hấp phụ, động học hấp phụ, đường đẳng nhiệt hấp phụ, nhiệt động học hấp phụ, và khả năng tái sử dụng của màng hấp phụ Kết quả thu được sẽ được đánh giá để kết luận xem màng lọc tạo

từ xơ gòn đã tiền xử lý và xơ polypropylene có thích hợp trong ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion kim loại Pb2+ và thuốc nhuộm MB hay không Ngoài ra, các kết quả trong nghiên cứu sẽ được chứng minh dưới dạng giả thuyết thống kê với khoảng tin cậy P = 95%

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.1 Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị, dụng cụ thí nghiệm 3.1.1 Nguyên liệu và hóa chất thí nghiệm

Bảng 3.1 Nguyên liệu xơ thí nghiệm

+ Độ hồi ẩm (MOIST): 7,8 %

2 Xơ polypropylene Trung Quốc + Chiều dài: 30 ± 2 mm + Độ mảnh: 6,0 ±0,5 Dtex + Độ bền: 5,5 ± 0,5 G/den

Bảng 3.2 Hóa chất thí nghiệm

Trung quốc

2 Methylene blue trihydrate

98,5% Xilong Scientific Co., Ltd, Trung quốc

Trung quốc

STT Tên hóa chất Độ tinh khiết Xuất xứ

Đặc tính kỹ thuật Xuất xứ Hình ảnh

1 Máy chải thô thí nghiệm (Laboratory carding

machine)

+ Tốc độ cấp: 10 -15 m/min

+ Khối lượng trung bình: 4kg/hour + Bề rộng làm việc: 500 mm (25”)

+ Ý + Đặt tại BM Kỹ thuật dệt may

STT Tên thiết bị/dụng cụ

Đặc tính kỹ thuật Xuất xứ Hình ảnh

2 Máy ép nhiệt + Lực ép: 0-300N + Nhiệt độ ép: 0-399 oC + Hiển thị thời gian, nhiệt độ bằng đồng hồ điện tử

+ Kích thước: 40×60 cm

+ Việt Nam + Đặt tại Bộ môn kỹ thuật dệt may

3 Máy gia nhiệt và khuấy từ Velp Are

+ Tốc độ khuấy lên đến 1200 vòng/ phút + Nhiệt độ từ nhiệt độ phòng tới 370 ℃ + Đường kính đĩa gia nhiệt: 155mm

+Kích thước (WxHxD): 165x115x280mm

+ EU + Đặt tại Bộ môn kỹ thuật dệt may

4 Cân điện tử Ohaus

+ Khả năng cân: 210 g + CCX: 0,001 g

+ Thời gian ổn định: 3 giây

+ Kích thước đĩa cân 90 mm

+ Trung Quốc + Đặt tại Bộ môn kỹ thuật dệt may