+ 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.
TỔNG QUAN
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 riờng là 1,31 g/cm 3 [4] Xơ gũn cú đường kớnh 20–43 àm với độ dày thành 1–3 àm 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 117 o , và với dầu diesel là 13 o Một nghiên cứu khác cũng đã báo cáo rằng góc tiếp xúc của xơ gòn với nước, ethanol và hexan lần lượt là 120 o ,
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 10 o đến 30 o 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 = 15 o và 2θ = 22 o , 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 o C [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 o C, là do sự bay hơi của phân tử nước Sau đó, trọng lượng tiếp tục giảm khoảng 10% ở nhiệt độ từ 100–230 o C, 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 o C [13] Hơn nữa, sự mất ẩm góp phần làm giảm 5% trọng lượng ở nhiệt độ từ 20–78 o C 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 o C [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.
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]
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.
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 o C 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 o C 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 o C, 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/cm 2 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].
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 đó đặt mức ụ nhiễm tối đa đối với Hg, Cd và Cu lần lượt là 0,03 àg/L, 5,0 àg/L và 1,3 mg/L Hàm lượng Pb tối đa trong nước uống được WHO quy định là 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
Kết luận tổng quan
Qua quá trình nghiên cứu tổng quan có thể rút ra những kết luận quan trọng như sau:
(i) Chì và thuốc nhuộm MB gây ra những nguy hại đáng kể cho môi trường và sức khỏe con người, cần phải loại bỏ ra khỏi nguồn nước thải trước khi thải ra môi trường tự nhiên
(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 Pb 2+ 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 Pb 2+ 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 Pb 2+ 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 Pb 2+ 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
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
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
STT Nguyên liệu Xuất xứ Thông số
+ Chiều dài trung bình nửa trên (UHML): 20,57 mm
+ Chỉ số độ đều chiều dài (UNF): 84,7 % + Chỉ số xơ ngắn (SFI): 7,8 %
+ Độ bền kéo đứt (STR): 19,5 (G/tex) + Tỷ lệ giãn đứt (ELG): 2,5 %
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
STT Tên hóa chất Độ tinh khiết Xuất xứ
1 Pb(NO3)2 99% Xilong Scientific Co., Ltd,
3 NaClO2 80% Xilong Scientific Co., Ltd,
4 NaOH 96% Xilong Scientific Co., Ltd,
STT Tên hóa chất Độ tinh khiết Xuất xứ
5 HCl 37% Xilong Scientific Co., Ltd,
6 NaCl 99% Xilong Scientific Co., Ltd,
7 Nước cất Cất 2 lần Việt Nam
3.1.2 Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm
Bảng 3.3 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
STT Tên thiết bị/dụng cụ Đặc tính kỹ thuật Xuất xứ Hình ảnh
1 Máy chải thô thí nghiệm
+ Khối lượng trung bình: 4kg/hour
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
+ Hiển thị thời gian, nhiệt độ bằng đồng hồ điện tử
Bộ môn kỹ thuật dệt may
3 Máy gia nhiệt và khuấy từ
+ Tốc độ khuấy lên đến
+ Nhiệt độ từ nhiệt độ phòng tới 370 ℃
+ Đường kính đĩa gia nhiệt: 155mm
Bộ môn kỹ thuật dệt may
+ Thời gian ổn định: 3 giây
Bộ môn kỹ thuật dệt may
STT Tên thiết bị/dụng cụ Đặc tính kỹ thuật Xuất xứ Hình ảnh
Bộ môn kỹ thuật dệt may
+ Tốc độ quay: 0-5000 vòng/phút
+ Đặt tại Viện y tế công cộng
7 Máy quang phổ UV-VIS,
- Độ rộng khe phổ: 2 nm
+ Mỹ + Đặt tại Viện y tế công cộng
Quá trình xử lý hóa học xơ gòn bằng NaClO 2
Chuẩn bị mẫu, dung dịch thí nghiệm: xơ gòn đã loại tạp, pha dung dịch NaClO2 1%
Dụng cụ thí nghiệm: tủ sấy, cân điện tử, máy khuấy từ, cốc thủy tinh 250ml, nhiệt kế thủy ngân, ống đong, đũa thủy tinh
Tiến hành thí nghiệm: tiến hành thí nghiệm theo sơ đồ Hình 3.1 [77]
Hình 3.1 Sơ đồ quy trình xử lý xơ gòn bằng NaClO2
Xơ gòn thô sau quá trình phân tách được sấy bằng tủ sấy ở 80 o C cho đến khi khối lượng xơ không thay đổi (khoảng 30 phút), cân khối lượng xơ gòn 3 g/mẫu Sau đó, xơ gòn được xử lý bằng oxit NaClO2 ở nhiệt độ 70 o C, trong 60 phút, với nồng độ dung dịch NaClO2 là 1,0% Dung tỉ được chọn là 1:100 (g/ml) Quá trình xử lý xơ
Xơ gòn chưa xử lý
Sấy 80 o C, 30 phút, cân mẫu 3 g/mẫu
Ngâm xơ trong dd NaClO2
1.0% Điều chỉnh pH dung dịch là 4,5 bằng axit CH3COOH
Rữa sạch, ngâm nước cất 15 phút
Xơ gòn đã xử lý gòn được khuấy liên tục trên máy khuấy từ VelpAre với tốc độ 200 vòng/phút, để đảm bảo hóa chất và xơ gòn không bị lắng đọng Sau khi xử lý, xơ gòn được rửa sạch bằng nước cất để loại bỏ NaClO2 dư trên xơ gòn Sau cùng, sấy xơ ở 80 o C trong 30 phút để xơ khô hoàn toàn, và đóng gói bảo quản xơ chuẩn bị cho các giai đoạn xử lý tiếp theo Đánh giá kết quả: Xơ gòn sau khi xử lý NaClO2 ở 70 o C, trong 60 phút, với nồng độ 1.0%, sẽ được phân tích bằng máy chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM để quan sát những biến đổi trên bề mặt và cấu trúc lumen rỗng của xơ gòn Ảnh SEM được chụp trên máy ZEISS (Hình 3.2) tại Viện Công Nghệ Sinh Học TPHCM
Hình 3.2 Máy chụp ảnh SEM hãng ZEISS.
Quá trình tạo màng lọc từ xơ gòn và xơ polypropylene bằng phương pháp trải khô-ép nhiệt
Xơ gòn kém trong việc liên kết giữa các xơ với nhau nên khi tạo màng xơ phải pha trộn với xơ khác Xơ được chọn để tăng khả năng kết dính màng xơ là xơ polypropylene (PP) Nghiên cứu tiến hành phối trộn xơ gòn / xơ PP theo tỷ lệ 70/30
Xơ gòn được dùng là loại đã xử lý bằng NaClO2 1,0%, ở 70 o C, trong 60 phút [45]
Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: Xơ gòn đã xử lý NaClO2 1%, 70 o C, 1 giờ; xơ polypropylene
Thiết bị thí nghiệm: Máy chải thô thí nghiệm, máy ép nhiệt, tủ sấy, cân điện tử Tiến hành thí nghiệm: Các bước thực hiện theo sơ đồ Hình 3.3
Hỗn hợp gòn đã xử lý NaClO2 được phối trộn với xơ PP theo tỷ lệ OG/PP định trước là 70/30 (g/g), sau đó được cấp vào máy chải thô thí nghiệm Máy chải thô thực hiện hai nhiệm vụ, thứ nhất là trộn hỗn hợp xơ và thứ hai là tạo màng xơ Hỗn hợp xơ được chải 3 lần để đảm bảo xơ được trộn đều và màng xơ tạo ra đạt chất lượng tốt nhất Tiếp theo, màng xơ được cấp vào máy ép nhiệt để tạo màng thấm dầu Ba thông số quan trọng trong quá trình ép nhiệt đó là lực ép, nhiệt độ ép và thời gian ép Thông số lực ép được điều chỉnh bằng cách vặn trục ốc phía trên thân máy, lực ép có thể thay đổi từ 0-300 N và trong nghiên cứu này lực ép cố định ở khoảng 200 N Nhiệt độ ép nhiệt được chọn là 170 °C cao hơn nhiệt độ nóng chảy của xơ PP một ít Thông số thời gian ép nhiệt ở 60 giây [45]
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
Cấp vào máy chải thô 160g hỗn hợp xơ gòn/ xơ PP tỷ lệ 70/30(g/g) Ép nhiệt với thông số lực ép 200 N, 170 oC, thời gian thay đổi ở 60 giây
Quá trình xác định điểm đẳng điện của màng lọc
Việc xác định điểm đẳng điện (pHz) được thực hiện để khảo sát điện tích bề mặt của màng lọc [78, 79]
Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: Màng lọc, NaCl, HCl NaOH
Thiết bị thí nghiệm: Máy đo pH Total Meter, tủ sấy, cân điện tử
Tiến hành thí nghiệm: Quy trình xác định điểm đẳng điện của màng lọc được thể hiện trên sơ đồ Hình 3.4
Hình 3.4 Sơ đồ quy trình xác định điểm đẳng điện của màng lọc Để xác định pHz, ta chuẩn bị dung dịch natri clorua (NaCl) 0,1 mol/L và điều chỉnh độ pH ban đầu (pHi) trong khoảng từ 2,0 đến 12,0 bằng dung dịch axit clohidric và natri hydroxit pha loãng Sau đó, cho 100 mL dung dịch natri clorua 0,1 mol/L vào Điều chỉnh độ pH ban đầu (pHi) từ 2,0 đến 12,0 bằng dung dịch HCl và NaOH pha loãng
Chuẩn bị dung dịch NaCl
Cho 100 mL NaCl 0,1 mol/L vào bình nón 250 mL và thêm 0,2 g màng lọc vào dung dịch
Các bình được giữ yên 48 giờ, lấy màng ra và xác định lại pH (pHf) của các dung dịch
Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của delta pH vào pHi bình nón 250 mL và thêm 0,2 g màng lọc vào dung dịch Các bình này được giữ yên và lưu giữ trong 48 giờ, sau đó lọc lấy màng ra khỏi dung dịch và xác định lại pH (pHf) của các dung dịch Các giá trị pH được đo bằng máy Total Meter, mã EZ-9901
Sự chênh lệch pH giữa pH ban đầu (pHi) và pH cân bằng (pHf) là ∆pH = pHi – pHf
Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của ∆pH vào pHi điểm giao nhau của đường cong với tọa độ mà tại đó giá trị pH = 0 cho ta điểm đẳng điện cần xác định [22]
Quá trình ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ của màng lọc
Hình 3.5 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Pb 2+ của màng lọc.
Quá trình hấp phụ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi pH của môi trường Sự thay đổi pH của môi trường dẫn đến sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp phụ, các nhóm
Cho vào bình tam giác 250 ml, chứa 100 mL Pb 2+ nồng độ 101,12 mg/L
Sấy màng lọc ở 80 o C, 30 phút, cân 0,6 g Điều chỉnh pH dung dịch ở 3,0, 3,5, 4,0, 4,5, 5,0, 5,5, 6,0 bằng HCl và NaOH
Khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 200 vòng/phút, trong 180 phút,
Lấy màng lọc ra và xác định nồng độ Pb 2+ sau quá trình hấp phụ của các dung dịch chức bề mặt, thế oxy hóa khử, dạng tồn tại của hợp chất đó Vì vậy, pH luôn là yếu tố đầu tiên và quan trọng ảnh hưởng tới tất cả các quá trình xử lý nước hiện nay Việc xác định được khoảng pH nhất định cho một quá trình nào đó để đạt hiệu quả cao nhất là không thể thiếu được [21, 22] Trong nghiên cứu của Qiu và công sự đã báo cáo rằng không có Pb(OH)2, Pb(OH) 3 − , Pb2OH 3+ , Pb3(OH) 4 2+ và Pb4(OH) 4 4+ tồn tại trong dung dịch axit trong khoảng pH từ 2,85–6,01 [80, 81] Trong nghiên cứu này, để tránh sự hình thành kết tủa, trong các thí nghiệm về khả năng hấp phụ của Pb 2+ thì pH được kiểm soát trong khoảng 3,0–6,0 Đối với methylene blue khoảng pH thí nghiệm sẽ từ 2-10
Hình 3.6 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ MB của màng lọc
Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: Màng lọc, HCl NaOH
Cho vào bình tam giác 250 ml, chứa 100 mL MBnồng độ 302,09 mg/L
Sấy màng lọc ở 80 o C, 30 phút, cân 0,4 g Điều chỉnh pH dung dịch ở 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0, 10,0 bằng HCl và NaOH
Khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 200 vòng/phút, trong 350 phút,
Lấy màng lọc ra và xác định nồng độ MB sau quá trình hấp phụ của các dung dịch
Thiết bị thí nghiệm: Máy đo pH Total Meter, tủ sấy, cân điện tử
Tiến hành thí nghiệm: Quy trình khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ ion Pb 2+ và thuốc nhuộm methylene blue tương ứng được thể hiện trên sơ đồ Hình 3.5 và Hình 3.6.
Quá trình thử nghiệm ảnh hưởng của độ xốp màng xơ đến khả năng hấp phụ của màng lọc
Khi cấp hỗn hợp xơ vào máy chải thô với khối lượng xơ khác nhau thì khối lượng màng xơ thu được sẽ khác nhau Do đó với cùng điều kiện ép nhiệt (cùng lực ép, cùng nhiệt độ ép, cùng thời gian ép) thì màng lọc sẽ có độ xốp khác nhau Độ xốp là một trong những yếu tố quan trọng quyết định khả năng hấp phụ của màng lọc Trong nghiên cứu này sẽ thử nghiệm với lượng xơ cấp vào máy chải thô thay đổi từ 110-190 gam, bước nhảy 10 gam [45] Độ xốp của màng lọc biểu thị bằng phần trăm giữa thể tích lỗ rỗng trong màng trên tổng thể tích của màng xơ Tính độ xốp màng xơ theo công thức (3.1) [82]
𝛄 x ) Trong đó: P (%): độ xốp của màng lọc γ m (g/cm 3 ): khối lượng riêng của màng γ 𝑚 = mm / b (𝑉ớ𝑖: mm là khối lượng màng (g/m 2 ) và b là độ dày màng (mm)) γ x (g/cm 3 ): khối lượng riêng của xơ
Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: xơ gòn đã xử lý NaClO2 1%, 70 o C, 1 giờ Xơ polypropylene
Thiết bị thí nghiệm: Máy chải thô, máy ép nhiệt, cân điện tử, tủ sấy, thước panme, thước kẹp, kéo
Tiến hành thí nghiệm: Các bước thực hiện theo sơ đồ Hình 3.7
+ Tạo màng lọc với khối lượng xơ cấp vào máy chải thô thay đổi ở 110 g, 120 g, 130 g, 140 g, 150 g, 160 g, 170 g, 180 g và 190 g: Trộn hỗn hợp xơ gòn, xơ polypropylene
(3.1) theo tỷ lệ OG/PP là 70/30 Sau đó, cấp hỗn hợp xơ vào máy chải thô thí nghiệm lần lượt với các khối lượng là 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180 và 190 gam Liên kết màng xơ trên máy ép nhiệt với thông số ép nhiệt là lực ép 200 N, nhiệt độ ép 170 oC, thời gian ép 60 giây [45]
Hình 3.7 Sơ đồ quy trình tạo màng lọc từ xơ gòn và xơ polypropylene với độ xốp màng khác nhau
+ Xác định khối lượng màng lọc mm (g/m 2 ): Cắt màng xơ kích thước 80x50 mm ± 2 mm Tiếp theo, sấy màng xơ ở 80°C trong vòng 30 phút Sau đó, cân khối lượng màng (g/m 2 ) trên cân điện tử Ohaus
+ Xác định độ dày màng lọc b (mm): Màng hấp phụ sau khi cân khối lượng sẽ dùng thước panme để đo bề dày màng (mm) như trên Hình 3.8
+ Tính khối lượng riêng của màng lọc γ 𝑚 = mm / b (g/cm 3 )
+ Xác định khối lượng riêng hỗn hợp xơ ứng với tỷ lệ pha trộn OG/PP là 70/30:
Ta có: γ x (g/cm 3 ) = γ gòn *0,7 + γ PP *0,3
Xác định khối lượng màng lọc mm (g/m 2 )
Xác định độ dày màng lọc b (mm) bằng thước panme
Tạo màng lọc với khối lượng xơ cấp vào máy chải thô lần lượt là 110, 120, 130, 140, 150,160, 170, 180 và 190 g
Xác định khối lượng riêng của màng lọc và khối lượng riêng của hỗn hợp xơ
Trong đó: γ gòn = 1,471 g/cm 3 là khối lượng riêng của xơ gòn [83] γ PP = 0,900 g/cm 3 là khối lượng riêng của xơ polypropylene [84]
Hình 3.8 Đo chiều dày màng lọc bằng thước panme
Sau khi xác định độ xốp của các màng lọc Luận văn sẽ tiến hành thử nghiệm khả năng hấp phụ ion Pb 2+ và thuốc nhuộm MB, để đánh giá ảnh hưởng của độ xốp đến khả năng hấp phụ của màng lọc trên máy Quang phổ phát xạ Plasma ICP-OES Perkin Elmer Optima 8300 và máy Quang phổ UV-VIS, 190-1000nm SP-UV1100 DLAB.
Quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng màng lọc đến quá trình hấp phụ của màng lọc
Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: màng lọc có tỷ lệ OG/PP là 70/30, độ xốp là 0,96
Thiết bị thí nghiệm: Cân Ohaus, thước kẹp, kéo, tủ sấy, máy khuấy từ
Tiến hành thí nghiệm: Quy trình khảo sát ảnh hưởng của khối lượng màng lọc đến quá trình hấp phụ Pb 2+ và MB của màng lọc được thể hiện trên sơ đồ Hình 3.9 và Hình 3.10
Hình 3.9 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của khối lượng màng lọc đến quá trình hấp phụ Pb 2+ của màng lọc.
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
Cho vào bình tam giác 250 ml, chứa 100 mL Pb 2+ nồng độ 101,12 mg/L với pH=6
Khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 200 vòng/phút, ở 30 o C, trong 180 phút
Sấy màng lọc ở 80 o C, 30 phút, cân 0,1, 0,2, 0,3, 0,4,
Lấy màng lọc ra và xác định nồng độ Pb 2+ sau quá trình hấp phụ
Cho vào bình tam giác 250 ml, chứa 100 mL MB
Khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 200 vòng/phút, ở 30 o C, trong 350 phút
Sấy màng lọc ở 80 o C, 30 phút, cân 0,1, 0,2, 0,3, 0,4,
Lấy màng lọc ra và xác định nồng độ MB sau quá trình hấp phụ Đầu tiên, ta chuẩn bị các bình tam giác có dung tích 250 mL, cho vào mỗi bình 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8 gam màng lọc và 100 mL dung dịch Pb 2+ có nồng độ đầu là 101,12 mg/L và các dung dịch được giữ ổn định ở pH = 6,0 Tiếp theo, hỗn hợp được khuấy đều trên máy khuấy trong các thời gian 180 phút và ở nhiệt độ phòng (~ 30 o C) với tốc độ khuấy 200 vòng/phút Sau đó, ta xác định lại nồng độ Pb 2+ sau quá trình hấp phụ bằng máy quang phổ phát xạ Plasma ICP-OES Perkin Elmer Optima 8300
Tương tự đối với MB, ta chuẩn bị các bình tam giác có dung tích 250 ml Tiếp theo, ta cho vào mỗi bình 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8 gam màng lọc và 100 mL dung dịch MB có nồng độ đầu là 302,09 mg/L và giữ ổn định pH dung dịch ở 6,0 Sau đó, hỗn hợp được khuấy đều trên máy khuấy trong các thời gian 350 phút và ở nhiệt độ phòng (~ 30 o C) với tốc độ khuấy 200 vòng/phút Sau cùng, ta xác định lại nồng độ MB sau quá trình hấp phụ bằng máy quang phổ UV-VIS, 190-1000 nm SP-UV1100 DLAB.
Quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ của màng lọc
Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: màng lọc có tỷ lệ OG/PP là 70/30, độ xốp là 0,96
Thiết bị thí nghiệm: Cân Ohaus, thước kẹp, kéo, tủ sấy, máy khuấy từ
Tiến hành thí nghiệm: Quy trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ Pb 2+ và MB của màng lọc tương ứng được thể hiện trên sơ đồ Hình 3.11 và Hình 3.12 [21, 22, 85]
Ta chuẩn bị các bình tam giác có dung tích 250 mL, cho vào mỗi bình 0,6 gam màng lọc và 100 mL dung dịch Pb 2+ có nồng độ đầu là 101,12 mg/L Các dung dịch được giữ ổn định ở pH = 6,0 Sau đó, dung dịch được khuấy đều trên máy khuấy trong các thời gian 180 phút và ở nhiệt độ 30 o C, 40 o C, 50 o C, 60 o C, 70 o C, 80 o C,
90 o C với tốc độ khuấy 200 vòng/phút Cuối cùng, ta xác định lại nồng độ Pb 2+ sau quá trình hấp phụ bằng máy máy quang phổ phát xạ Plasma ICP-OES Perkin Elmer Optima 8300
Hình 3.11 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ Pb 2+ của màng lọc
Hình 3.12 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ MB của màng lọc.
Cho vào bình tam giác 250 ml, chứa 100 mL Pb 2+ nồng độ 101,12 mg/L với pH=6
Khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 200 vòng/phút, ở 30 o C, 40 o C, 50 o C, 60 o C, 70 o C ,80 o C, 90 o C, trong 180 phút Sấy màng lọc ở 80 o C, 30 phút, cân 0,6 gam
Lấy màng lọc ra và xác định nồng độ Pb 2+ sau quá trình hấp phụ
Cho vào bình tam giác 250 ml, chứa 100 mL MB nồng độ 302,09 mg/L với pH=6
Khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 200 vòng/phút, ở 30 o C, 40 o C, 50 o C, 60 o C, 70 o C ,80 o C, 90 o C, trong 350 phút Sấy màng lọc ở 80 o C, 30 phút, cân 0,4 gam
Lấy màng lọc ra và xác định nồng độ MB sau quá trình hấp phụ
Tương tự đối với MB, ta chuẩn bị các bình tam giác có dung tích 250 mL TiẾP theo, ta cho vào mỗi bình 0,4 gam màng lọc và 100 mL dung dịch MB có nồng độ đầu là 302,09 mg/L Các dung dịch được giữ ổn định ở pH = 6,0 và được khuấy đều trên máy khuấy trong các thời gian 350 phút và ở nhiệt độ 30 o C, 40 o C, 50 o C,
60 o C, 70 o C, 80 o C, 90 o C với tốc độ khuấy 200 vòng/phút Sau đó, ta xác định lại nồng độ MB sau quá trình hấp phụ bằng máy quang phổ UV-VIS, 190-1000nm SP- UV1100 DLAB
Ngoài ra, để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sự hấp phụ của
Pb 2+ và MB của màng lọc, cần nghiên cứu quá trình nhiệt động học hấp phụ Các biến thiên thông số năng lượng tự do Gibbs (G°) cũng như entropy (S°) và enthalpy (H°) của hệ thống có thể được tính bằng các phương trình sau: [86]
𝑅𝑇 trong đó: G o là sự thay đổi năng lượng Gibbs tự do (kJ/mol), Kcb là hằng số cân bằng Langmuir, R là hằng số khí phổ quát có giá trị 8,31451 J/mol.K, H o là sự thay đổi enthalpy (kJ/mol ), S o là sự thay đổi entropy (J/mol.K) và T là nhiệt độ dung dịch (K).
Quá trình đẳng nhiệt hấp phụ của màng lọc
Một trong những thông số chủ yếu đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu là xác định mối quan hệ giữa dung lượng hấp phụ và nồng độ chất bị hấp phụ trong điều kiện cân bằng, ở nhiệt độ không đổi
Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: màng lọc có tỷ lệ OG/PP là 70/30, độ xốp là 0,96
Thiết bị thí nghiệm: Cân Ohaus, tủ sấy, máy khuấy từ
Tiến hành thí nghiệm: Quy trình nghiên cứu quá trình đẳng nhiệt hấp phụ ion Pb 2+ và thuốc nhuộm MB của màng lọc tương ứng được thể hiện trên sơ đồ Hình 3.13 và Hình 3.14 [21, 22]
Trước tiên, ta chuẩn bị các bình tam giác có dung tích 250 mL, cho vào mỗi bình 0.6 gam màng lọc và 100 mL dung dịch Pb 2+ có nồng độ đầu là 50,12; 75,34; 101,12; 125,34; 151,11; 174,78; 200,89; 224,97; 251,03; 276,13; 301,21 mg/L Các dung dịch được giữ ổn định ở pH = 6,0 Tiếp tục, ta khuấy đều dung dịch trên máy khuấy trong các thời gian 180 phút và ở nhiệt độ phòng (~ 30 o C) với tốc độ khuấy
200 vòng/phút Sau đó, ta xác định lại nồng độ Pb 2+ sau quá trình hấp phụ bằng máy quang phổ phát xạ Plasma ICP-OES Perkin Elmer Optima 8300
Hình 3.13 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ Pb 2+ của màng lọc
Tương tự đối với thuốc nhuộm MB, ta chuẩn bị các bình tam giác có dung tích
250 mL, cho vào mỗi bình 0,4 gam màng lọc và 100 mL dung dịch MB có nồng độ đầu là 101,13; 150,89; 200,12; 251,34; 302,09; 349,79; 400,14; 450,41; 499,54; 550,23; 600,74 mg/L Các dung dịch được giữ ổn định ở pH = 6,0 và được khuấy đều trên máy khuấy trong các thời gian 350 phút và ở nhiệt độ phòng (~ 30 o C) với tốc độ khuấy 200 vòng/phút Khi kết thúc ta xác định lại nồng độ MB sau quá trình hấp phụ bằng máy quang phổ UV-VIS, 190-1000nm SP-UV1100 DLAB
Cho vào bình tam giác 250 ml, chứa 100 mL MB nồng độ 50,12; 75,34; 101,12; 125,34; 151,11;
Khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 200 vòng/phút, ở 30 o C, trong 180 phút Sấy màng lọc ở 80 o C, 30 phút, cân 0,6 gam
Lấy màng lọc ra và xác định nồng độ Pb 2+ sau quá trình hấp phụ
Hình 3.14 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ MB của màng lọc.
Quá trình động học hấp phụ của màng lọc
Hiệu quả sử dụng chất hấp phụ phụ thuộc vào tốc độ hấp phụ của chất tan từ pha lỏng vào pha rắn, được đánh giá qua hiệu suất hấp phụ khi tiến hành trong những khoảng thời gian khác nhau Từ đó xác định được thời gian tiếp xúc giới hạn và thời gian tiếp xúc tối ưu Giả sử quá trình hấp phụ của màng lọc xảy ra theo phương trình động học biểu kiến Lagergren [21, 22], tiến hành thí nghiệm với một nồng độ ban đầu nhất định và thời gian khác nhau Sau đó, ta biểu diễn sự phụ thuộc của ln(Q cb –
Qt) và t/Qt vào thời gian t để tìm ra giá trị Qcb
Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: màng lọc có tỷ lệ OG/PP là 70/30, độ xốp là 0,96
Thiết bị thí nghiệm: Cân Ohaus, tủ sấy, máy khuấy từ
Tiến hành thí nghiệm: Quy trình khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ ion Pb 2+ và thuốc nhuộm MB của màng lọc tương ứng được thể hiện trên sơ đồ Hình 3.15 và Hình 3.16 [21, 22]
Cho vào bình tam giác 250 ml, chứa 100 mL MBnồng độ 101,13; 150,89; 200,12; 251,34; 302,09; 349,79; 400,14; 450,41; 499,54; 550,23; 600,74 mg/L, với pH=6
Khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 200 vòng/phút, ở 30 o C, trong 350 phút Sấy màng lọc ở 80 o C, 30 phút, cân 0.4 gam
Lấy màng lọc ra và xác định nồng độ MB sau quá trình hấp phụ
Hình 3.15 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Pb 2+ của màng lọc
Hình 3.16 Sơ đồ quy trình khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ MB của màng lọc.
Cho vào bình tam giác 250 ml, chứa 100 mL MB nồng độ 101,12 mg/L, với pH=6
Khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 200 vòng/phút, ở 30 oC, trong 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120,
130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200 phút Sấy màng lọc ở 80 o C, 30 phút, cân 0,6 gam
Lấy màng lọc ra và xác định nồng độ Pb 2+ sau quá trình hấp phụ
Cho vào bình tam giác 250 ml, chứa 100 mL MB nồng độ 302,09 mg/L, với pH=6
Khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 200 vòng/phút, ở 30 oC, trong 10, 30, 50, 70, 90, 110, 130, 150, 170, 190, 210,
230, 250, 270, 290, 310, 330, 350, 370, 390 phút Sấy màng lọc ở 80 o C, 30 phút, cân 0,4 gam
Lấy màng lọc ra và xác định nồng độ MB sau quá trình hấp phụ
Ta cho vào mỗi bình 0,6 g màng lọc và 100 mL dung dịch Pb 2+ có nồng độ đầu là 101,12 mg/L vào các bình tam giác có dung tích 250 mL Các dung dịch được giữ ổn định ở pH = 6,0 và được khuấy đều trên máy khuấy trong các thời gian 10, 20,
30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200 phút và ở nhiệt độ phòng (~ 30 o C) với tốc độ khuấy 200 vòng/phút Sau đó ta xác định lại nồng độ Pb 2+ sau quá trình hấp phụ bằng máy quang phổ phát xạ Plasma ICP-OES Perkin Elmer Optima 8300
Tương tự đối với thuốc nhuộm MB, ta chuẩn bị các bình tam giác có dung tích
250 mL, cho vào mỗi bình 0,4 g màng lọc và 100 mL dung dịch MB có nồng độ đầu là 302,09 mg/L Các dung dịch được giữ ổn định ở pH = 6,0 Sau đó ta khuấy đều dung dịch trên máy khuấy trong các thời gian 10, 30, 50, 70, 90, 110, 130, 150, 170,
190, 210, 230, 250, 270, 290, 310, 330, 350, 370, 390 phút và ở nhiệt độ phòng (~ 30 oC) với tốc độ khuấy 200 vòng/phút Cuối cùng, ta xác định lại nồng độ MB sau quá trình hấp phụ bằng máy quang phổ UV-VIS, 190-1000 nm SP-UV1100 DLAB.
Quá trình tái sử dụng của màng lọc
Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: màng lọc có tỷ lệ OG/PP là 70/30, độ xốp là 0,96
Thiết bị thí nghiệm: Cân Ohaus, tủ sấy, máy khuấy từ
Tiến hành thí nghiệm: Quy trình nghiên cứu quá trình giải hấp và tái sử dụng màng lọc trong quá trình hấp phụ ion Pb 2+ và thuốc nhuộm MB được thể hiện tương ứng trên Hình 3.17 và Hình 3.18 [21, 22]
Sau khi hấp phụ các ion Pb 2+ , màng lọc được rửa kỹ bằng nước cất và sau đó được thêm vào 100 mL dung dịch axit clohydric HCl có độ pH xấp xỉ 3,0 Sau khi lắc trong 3 giờ, xác định lại nồng độ ion Pb 2+ trong dung dịch, và màng lọc được rửa nhiều lần và làm khô ở nhiệt độ phòng để tái sử dụng [21]
Tương tự đối với thuốc nhuộm MB, sau khi hấp phụ MB màng lọc được rửa kỹ bằng nước cất và sau đó được thêm vào 100 mL dung dịch axit clohydric HCl có độ pH xấp xỉ 2,0 Tiếp theo ta lắc hỗn hợp trong 3 giờ và xác định lại nồng độ MB trong dung dịch Màng lọc được rửa nhiều lần và làm khô ở nhiệt độ phòng để tái sử dụng [22]
Hình 3.17 Sơ đồ nghiên cứu quá trình giải hấp và tái sử dụng màng lọc trong quá trình hấp phụ ion Pb 2+
Hình 3.18 Sơ đồ nghiên cứu quá trình giải hấp và tái sử dụng màng lọc trong quá trình hấp phụ MB.
Thêm vào 100 mL dung dịch axit HCl có độ pH xấp xỉ 3,0
Sau khi lắc trong 3 giờ, xác định lại nồng độ Pb 2+ trong dung dịch Màng lọc được rửa nhiều lần bằng nước cất và làm khô ở nhiệt độ phòng
Sau khi hấp phụ các ion Pb 2+ , màng lọc được rửa kỹ bằng nước cất
Thêm vào 100 mL dung dịch axit HCl pH xấp xỉ 2
Sau khi lắc trong 3 giờ, xác định lại nồng độ MB trong dung dịch Màng lọc được rửa nhiều lần bằng nước cất và làm khô ở nhiệt độ phòng Sau khi hấp phụ MB, màng lọc được rửa kỹ bằng nước cất
Phân tích thống kê kết quả thực nghiệm
Các kết quả trong nghiên cứu sẽ được chứng minh dưới dạng giả thuyết thống kê với khoảng tin cậy P = 95% Và do số lượng mẫu thí nghiệm nhỏ (n=5) nên luận văn dùng phương pháp so sánh hai trị trung bình (T-test) để chứng minh:
+ Có sự khác biệt pH dung dịch trước và sau thí nghiệm nghiên cứu điểm đẳng điện của màng lọc,
+ Có sự khác biệt dung lượng hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb 2+ và thuốc nhuộm MB khi khối lượng màng lọc thay đổi
+ Có sự khác biệt dung lượng hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb 2+ và thuốc nhuộm MB khi nhiệt độ thí nghiệm thay đổi
+ Không có sự khác biệt dung lượng hấp phụ bảo hòa của màng lọc đối với ion Pb 2+ và thuốc nhuộm MB khi thời gian hấp phụ thay đổi
Bên cạnh đó, phương pháp kiểm tra tương quan tuyến tính cũng được áp dụng để xem xét:
+ Sự tương quan của pH dung dịch và khả năng hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb 2+ và thuốc nhuộm MB
+ Sự tương quan của độ xốp và khả năng hấp phụ của màng lọc đối với ion
Pb 2+ và thuốc nhuộm MB
3.12.1 Phương pháp so sánh hai trị trung bình bằng chuẩn Student
Chuẩn Student được dùng để kiểm định sự sai khác giữa hai trị trung bình X và Y với S X 2 vàS Y 2 tương ứng là phương sai mẫu của X và Y với mức ý nghĩa α Trong thực nghiệm này mức ý nghĩa α =(1-P) = 0,05 Hai cỡ mẫu có cỡ mẫu nX = nY = n 5
Tính tm theo công thức (3.4) t m 2 2
Tra tk = t , f trong excel sử dụng hàm TINV(α,f), với α = 0,05, f là bậc tự do và nhận giá trị theo hai tình huống Khi hai phương sai đồng nhất f được tính theo công thức (3.5), khi hai phương sai không đồng nhất f được tính theo công thức (3.6)
Và việc kiểm tra tính đồng nhất của hai phương sai được kiểm định theo chuẩn Fisher f = n X + n Y -2
So sánh tm và tk Nếu tm < tk thì sự sai khác giữaXvà Y mang tính ngẫu nhiên Nếu tm > tk thì sự sai khác giữaX và Y mang tính hệ thống
Chuẩn Fisher: Trong hai phương sai đem kiểm định, xếp S X 2 >S Y 2 , đặt tỷ số
F được tính toán trong excel bằng hàm FINV(α,v1, v2), trong đó α=0.05, và v1, v2 là bậc tự do tương ứng với hai bộ mẫu Trong nghiên cứu này v1= v2=4
So sánh Fm với Fk Nếu Fm < Fk thì hai phương sai đồng nhất Nếu Fm > Fk thì hai phương sai không đồng nhất
3.12.2 Phương pháp xét sự tương quan giữa X và Y bằng hệ số tương quan Pearson, r
Hệ số tương quan r được tính theo công thức (3.7) cov( , ) x y r x y
+ Sx và Sy là độ lệch chuẩn của mẫu tương ứng với đại lượng X và Y
+ x, ylà các giá trị trung bình tương ứng với đại lượng X và Y + x i và y i là các giá trị thứ i tương ứng với đại lượng X và Y Đặc điểm của hệ số tương quan mẫu r:
+ Nếu |r| = 1 thì X và Y có quan hệ tuyến tính
+ Nếu |r| = 0 thì giữa X và Y không có tương quan tuyến tính + Nếu r > 0 thì X và Y có tương quan thuận
+ Nếu r < 0 thì X và Y có tương quan nghịch
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Đánh giá quá trình xử lý hóa học xơ gòn bằng NaClO 2
Hình 4.1 Ảnh SEM của a) xơ gòn thô và b) sau khi xử lý NaClO2
Hình 4.1 trình bày vi ảnh SEM của xơ gòn trước (Hình 4.1a) và sau khi xử lý bằng NaClO2 (Hình 4.1b) Có thể thấy xơ gòn sau quá trình xử lý vẫn giữ được cấu a) b) trúc ống rỗng như xơ gòn thô Hơn nữa, bề mặt xơ gòn trở nên thô ráp hơn, đây là địa hình thuận lợi cho việc tiếp xúc giữa xơ gòn và chất bị hấp phụ Có thể giải thích rằng, trong điều kiện bazo, NaClO2 tạo ra -ClO2 giúp khử lớp sáp bao bọc bên ngoài xơ gòn và góp phần vào quá trình oxy hóa lignin, dẫn đến lignin bị phân hủy và hình thành nhiều vị trí vô định hình hơn, đó là các vị trí hấp phụ [22].
Đánh giá quá trình tạo màng lọc từ xơ gòn và xơ polypropylene bằng phương pháp chải khô - ép nhiệt
Với tỷ lệ pha trộn hỗn hợp xơ gòn đã qua xử lý NaClO2 và xơ polypropylene là 70/30, máy chải tạo ra màng xơ đều, mịn Kết quả chứng minh rằng xơ gòn sau khi xử lý bằng NaClO2 đã cải thiện được khả năng kết dính giữa các xơ gòn với nhau, do đó đã làm tăng khả năng tạo màng của xơ gòn trên máy chải thô thí nghiệm Điều này phù hợp với nghiên cứu trước đây [45]
Hình 4.2 Ảnh SEM của màng lọc từ xơ gòn đã xử lý NaClO2 và xơ PP với tỷ lệ OG/PP là
Trong giai đoạn ép nhiệt, màng xơ được ép với các thông số là lực ép 200 N, nhiệt độ ép 170 °C, và thời gian ép nhiệt 60 giây Các thông số này được ghi nhận là phù hợp để xơ polypropylene có thể nóng chải và liên kết màng xơ [45] Có thể quan sát rõ hơn thông qua ảnh SEM của màng lọc trên Hình 4.2, xơ PP đóng vai trò là khung xương liên kết mạng lưới xơ gòn lại với nhau trong suốt quá trình tạo màng xơ trên máy chải thô thí nghiệm, cũng như trong quá trình liên kết nhiệt trên máy ép nhiệt.
Đánh giá quá trình xác định điểm đẳng điện (điểm không điện tích) của màng lọc
Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của ∆pH và pHi
Dựa vào đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của ∆pH và pHi ở Hình 4.3 nhận thấy rằng sự chênh lệch ∆pH tại khoảng pH = 2 là nhỏ nhất, nên ta sẽ chọn khoảng pH này để chứng minh có sự sai khác giữa pH dung dịch trước (pHi ) và sau (pHf) quá trình thí nghiệm xác định điểm đẳng điện của màng lọc Với giả thuyết như sau:
H0: à1 = à2 khụng cú sự khỏc nhau giữa pHi và pHf.
H1: à1 ≠ à2 Cú sự khỏc nhau giữa pHi và pHf.
Kết quả của quá trình kiểm tra giả thuyết thống kê được thể hiện trên Bảng 4.1, và sự khác nhau giữa pHi và pHf trong quá trình thí nghiệm xác định điểm đẳng điện của màng lọc được ghi nhận là đáng kể
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
Trung bình 2,00 2,04 Độ lệch chuẩn: S 0,0000 0,0089
Fk>Fm => 2 phương sai đồng nhất => f = n1 + n2 -2 = 8 t k 2,3060 t m >t k => hai giá trị trung bình sai khác nhau rất đáng kể
Cũng từ đồ thị Hình 4.3 cho ta kết quả điểm đẳng điện của màng lọc là pHz 5,67 Kết quả này có nghĩa là khi pH < 5,67 thì bề mặt màng lọc tích điện tích dương, và khi pH > 5,67 thì bề mặt màng lọc sẽ tích điện tích âm.
Đánh giá ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ của màng lọc
Trước tiên, luận văn sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để đánh giá mối quan hệ tuyến tính giữa pH dung dịch và dung lượng hấp phụ của màng lọc Gọi X là giá trị pH của dung dịch và Y, Z lần lượt là dung lượng hấp phụ ion Pb 2+ và thuốc nhuộm MB của màng lọc Theo Bảng 4.2 và Bảng 4.3, hệ số tương quan r giữa X và
Y là 0,963, và giữa X với Z là 0,837 Các giá trị r đều lớn hơn 0, ngụ ý rằng có một mối quan hệ tương quan thuận giữa pH dung dịch và khả năng hấp phụ của màng lọc Đối với ion Pb 2+ , dung lượng hấp phụ tăng nhanh ở khoảng pH từ 3-5 và sau đó tăng dần đều ở khoảng pH 5-6 Đối với thuốc nhuộm methylene blue dung lượng hấp phụ hiệu quả diễn ra ở khoảng pH là 4–10, khi khoảng pH dung dịch là 2-4 thì dung lượng hấp phụ tăng đột biến Kết quả này có thể giải thích như sau, khi pH < pHz = 5,67 thì bề mặt màng lọc tích điện tích dương, các ion H + dư sẽ cạnh tranh với
Pb 2+ và nhóm cation trên thuốc nhuộm MB tại các vị trí hấp phụ, dẫn đến xơ gòn trên màng lọc sẽ tạo phức với H + thay vì liên kết với Pb 2+ và nhóm cation của MB nên tỷ lệ hấp phụ Pb 2+ và MB thấp hơn [81, 87] Khi pH tăng lên, cụ thể ở pH > pHz = 5,67 thì nhóm OH - kết hợp với H + được giải phóng từ xơ gòn tăng lên, và nhiều Pb 2+ , MB hơn có thể liên kết với các vị trí hấp phụ trên xơ gòn
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 Pb 2+
Hơn nữa từ Bảng 4.2 ta thấy được khi pH dưới 4,5, dung lượng hấp phụ ion
Pb 2+ của màng lọc giảm đột ngột Ở pH là 4,5, dung lượng hấp thụ đối với ion Pb 2+ là 9,12 mg/g Tuy nhiên, khi pH được điều chỉnh về 4,0 thì dung lượng hấp phụ chỉ còn 2,67 mg/g Tương tự, khi phân tích Bảng 4.3 đối với quá trình hấp phụ MB, ở pH
= 4,0 dung lượng hấp phụ MB của màng lọc là 59,39 mg/g Nhưng khi pH được điều chỉnh về 3,0 dung lượng hấp thụ MB của màng lọc giảm đáng kể xuống còn 36,25 mg/g Từ đó có thể suy ra rằng, ở ngưỡng pH = 4,5 thì sự cạnh tranh giữa H + và các ion Pb 2+ , và ở ngưỡng pH = 4,0 thì sự cạnh tranh giữa H + và các nhóm cation thuốc nhuộm MB được tối đa hóa trong quá trình hấp phụ Quan sát này có thể được sử dụng để khử các ion Pb 2+ và thuốc nhuộm MB ra khỏi màng lọc khi nghiên cứu quá trình tái sử dụng màng lọc
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
Đánh giá ảnh hưởng của độ xốp màng lọc đến quá trình hấp phụ của màng lọc
Bảng 4.4 trình bày khả năng hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb 2+ và thuốc nhuộm MB khi giá trị độ xốp của màng lọc thay đổi Nhận thấy khi độ xốp màng lọc tăng lên thì khả năng hấp phụ của màng lọc cũng tăng theo Phương pháp hồi quy tuyến tính được sử dụng để đánh giá kết quả này Gọi X là độ xốp của màng lọc và
Y, Z lần lượt là dung lượng hấp phụ ion Pb 2+ và thuốc nhuộm MB của màng lọc
Kết quả hệ số tương quan r giữa X và Y là 0,934, giữa X với Z là 0,933 Có thể thấy, các giá trị r đều lớn hơn 0, ngụ ý rằng kết quả giữa độ xốp và khả năng hấp phụ ion Pb 2+ và MB của màng lọc có mối quan hệ tương quan thuận là chính xác Ở độ xốp 0,96 thì khả năng hấp phụ của màng lọc cao nhất với 15,54 mg/g và 68,13 mg/g tương ứng với ion Pb 2+ và MB Có thể lí giải như sau, khi độ xốp tăng thì dẫn đến diện tích tiếp xúc và lực liên kết Vanderwaal giữa mạng lưới xơ gòn trong màng lọc và ion Pb 2+ , nhóm cation của MB tăng lên Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây khi thử nghiệm về vật liệu hấp phụ rằng vật liệu hấp phụ có chứa các lỗ nhỏ sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển chất lỏng vào màng và tạo điều kiện cho sự lưu giữ chất bị hấp phụ sau khi hấp phụ
Ngoài ra, từ Bảng 4.4 cũng cho thấy độ dày màng lọc xấp xỉ bằng 5 mm khi cấp vào máy chải thô thí nghiệm lượng xơ từ 150 g đến 190 g Giá trị độ xốp cao nhất là 0,96 tương ứng với lượng xơ cấp vào máy chải thô từ 150 đến 160 g Các giá trị độ xốp cao hơn vẫn chưa khảo sát được trong nghiên cứu này
Bảng 4.4 Đánh giá mối tương quan giữa độ xốp màng lọc và dung lượng hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb 2+ và MB
Lượng xơ cấp vào máy chải
Khối lượng màng lọc (g/m 2 ) Độ dày màng lọc (mm) Độ xốp X (%)
Đánh giá ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp thụ đến quá trình hấp phụ của màng lọc
Từ Hình 4.4 đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ của màng lọc vào khối lượng màng lọc cho thấy khi khối lượng màng lọc tăng thì hiệu suất hấp phụ tăng Khi khối lượng màng lọc tăng từ 0,1 gam lên 0,8 gam hiệu suất hấp phụ của màng lọc tăng từ 14,81% lên 91,84% và từ 22,73% lên 93,19% tương ứng với ion
Pb 2+ và thuốc nhuộm MB Giá trị này hợp lý vì khi tăng khối lượng màng lọc số lượng vị trí trung tâm hấp phụ trong màng lọc sẽ tăng lên, dẫn đến lượng ion Pb 2+ và MB trong cùng một thể tích và trong cùng nồng độ ban đầu sẽ được hấp phụ hiệu quả hơn
Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ của màng lọc vào khối lượng màng lọc.
Tuy nhiên khi phân tích đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của màng lọc vào khối lượng màng lọc trên Hình 4.5 thì khi tăng khối lượng màng lọc dung lượng hấp phụ ion Pb 2+ và MB của màng lọc giảm Với bước nhảy là 0,1 gam, đầu tiên đề tài tiến hành chứng minh có sự sai khác về dung lượng hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb 2+ và MB khi khối lượng màng lọc là 0,1 gam và 0,2 gam Với giả thuyết H0 là à1 = à2 khụng cú sự khỏc nhau về dung lượng hấp phụ của màng lọc khi khối lượng màng lọc là 0,1 gam và 0,2 gam, và H1 là à1 ≠ à2 cú sự khỏc nhau về dung lượng hấp phụ của màng lọc khi khối lượng màng lọc là 0,1 gam và 0,2 gam
Kết quả trên Bảng 4.5 cho thấy giả thuyết H1 đúng, tức là việc lựa chọn bước nhảy 0,1 gam trong nghiên cứu là chính xác
Bảng 4.5 So sánh hai giá trị trung bình của dung lượng hấp phụ của màng lọc đối với Pb 2+ và MB khi khối lượng màng lọc thay đổi
Dung lượng hấp phụ Q cb mg/g
Trung bình 15,93 15,88 68,67 68,53 Độ lệch chuẩn S 0,0071 0,0100 0,0084 0,0114
Fk>Fm => 2 phương sai đồng nhất => f = n1 + n2 -2 = 8 t k 2,3060 2,3060 t m >t k => hai giá trị trung bình sai khác nhau rất đáng kể Đối với ion Pb 2+ khi tăng khối lượng màng lọc từ 0,1 gam đến 0,6 gam thì dung lượng hấp phụ giảm ít từ 15,93 mg/g xuống 15,41 mg/g, nhưng khi chuyển mức khối lượng lên 0,7 gam và 0,8 gam thì dung lượng giảm mạnh xuống còn 13,25 mg/g và 11,62 mg/g tương ứng Tương tự đối với MB, khi tăng khối lượng màng lọc từ 0,1 gam đến 0,4 gam thì dung lượng hấp phụ giảm ít từ 68,67 mg/g xuống 67,93 mg/g, nhưng từ khối lượng 0,5 gam thì dung lượng giảm mạnh và chỉ còn 35,19 mg/g ở 0,8 gam Có thể lí giải điều này như sau, khi khối lượng màng lọc tăng lượng ion Pb 2+ và
MB trong dung dịch ban đầu sẽ chia sẽ đều cho tất cả các đơn vị hấp phụ này, lúc đầu khi khối lượng màng lọc tăng ít lượng Pb 2+ và MB trong dung dịch đầu vẫn còn đủ nên dung lượng hấp phụ giảm ít và đều Thế nhưng khi khối lượng màng lọc tăng nhiều thì dung lượng hấp phụ bắt đầu giảm mạnh do nồng độ Pb 2+ và MB trong dung dịch không đủ, bắt đầu xuất hiện cạnh tranh giữa các vị trí hấp phụ Thông qua kết quả này có thể chọn khối lượng màng lọc phù hợp nhất cho các thí nghiệm nghiên cứu là 0,6 gam đối với ion Pb 2+ và 0,4 gam đối với thuốc nhuộm MB
Hình 4.5 Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của màng lọc vào khối lượng màng lọc.
Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ của màng lọc
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb 2+ và MB, đầu tiên một giả thuyết thống kê được sử dụng để chỉ ra sự khác biệt giữa khả năng hấp phụ ion Pb 2+ và MB của màng lọc khi xử lý ở các nhiệt độ khỏc nhau Với H0 là à1 = à2 khụng cú sự khỏc biệt về khả năng hấp phụ ion Pb 2+ và MB của màng lọc khi xử lý ở 30 °C và 40 °C Và H1 là à1 ≠ à2 cú sự khỏc biệt về khả năng hấp phụ ion Pb 2+ và MB của màng lọc khi xử lý ở 30 °C và 40 °C Bảng 4.6 cho thấy tm > tk nên giả thuyết H0 bị bác bỏ Do đó có thể kết luận đã có sự thay đổi về khả năng hấp phụ ion Pb 2+ và MB của màng lọc khi nhiệt độ xử lý khác nhau
Hình 4.6 biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ ion Pb 2+ và MB của màng lọc vào nhiệt độ, trong khoảng nhiệt độ nghiên cứu từ 30 o C – 70 o C (±1 o C) khi tăng nhiệt độ thì dung lượng hấp phụ của màng lọc tăng, chứng tỏ sự hấp phụ
Pb 2+ và thuốc nhuộm MB của màng lọc là quá trình thu nhiệt Vì vậy, khi tăng nhiệt độ, cân bằng hấp phụ chuyển dịch theo chiều thuận tức làm giảm nồng độ chất bị hấp
Pb(II)MB phụ trong dung dịch, dẫn đến làm tăng dung lượng hấp phụ của màng lọc Điều này cũng cho thấy sự hấp phụ Pb 2+ và MB trên màng lọc là hấp phụ hóa học Tuy nhiên ở khoảng nhiệt độ 80-90 o C thì dung lượng hấp phụ của màng lọc giảm Có thể giải thích rằng, khi ở nhiệt độ cao, trong môi trường axit thì quá trình thủy phân xơ gòn bắt đầu xảy ra, H + sẽ phá hủy một số liên kết hydro, đồng thời loại bỏ một phần hemicellulose và cellulose của xơ gòn
Bảng 4.6 So sánh hai giá trị trung bình của dung lượng hấp phụ của màng lọc đối với Pb 2+ và MB khi nhiệt độ thí nghiệm thay đổi
Dung lượng hấp phụ Q cb mg/g
Trung bình 15,57 15,64 68,17 68,25 Độ lệch chuẩn S 0,0114 0,0122 0,0167 0,0207
Fk>Fm => 2 phương sai đồng nhất => f = n1 + n2 -2 = 8 t k 2,3060 2,3060 t m >t k => hai giá trị trung bình sai khác nhau rất đáng kể Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sự hấp phụ ion Pb 2+ và MB của màng lọc được thể hiện rõ hơn thông qua kết quả của quá trình nhiệt động học hấp phụ Từ kết quả Hình 4.7 và Bảng 4.7, Bảng 4.8 kết hợp với công thức 3.2 và công thức 3.3 tính toán được các thông số năng lượng tự do Gibbs (G°), entropy (S°), và enthalpy (H°) của hệ hấp phụ, và được thể hiện cụ thể trên Bảng 4.9 và Bảng 4.10 tương ứng với ion Pb 2+ và thuốc nhuộm MB
Hình 4.6 Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của màng lọc vào nhiệt độ hấp phụ
Bảng 4.7 Kết quả tính Kcb của quá trình hấp phụ ion Pb 2+ của màng lọc tại các nhiệt độ khác nhau
(mg/L) T (K) 1/T (1/K) C cb (mg/L) Q cb (mg/g) lnK cb
Bảng 4.8 Kết quả tính Kcb của quá trình hấp phụ thuốc nhuộm MB của màng lọc tại các nhiệt độ khác nhau.
C 0 (mg/L) T (K) 1/T (1/K) C cb (mg/L) Q cb (mg/g) lnK cb
Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnKcb vào 1/T của Pb 2+ và MB
Kết quả cho thấy, trong tất cả các phạm vi nhiệt độ được nghiên cứu, sự hấp phụ Pb 2+ và MB dẫn đến các giá trị âm của ∆G o , ngụ ý rằng quá trình hấp phụ là tự phát và tính tự phát tăng khi nhiệt độ tăng Hơn nữa, sự hấp phụ là thu nhiệt, dựa trên các giá trị dương của ∆H o Giá trị ∆S o dương chứng tỏ quá trình hấp phụ chuyển sang trạng thái hỗn loạn cao hơn, có thể do sự phân bố lại năng lượng giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ trong quá trình hấp phụ Trước khi hấp phụ, hệ thống bao gồm nhiều chất hấp phụ có trật tự hơn gần bề mặt của các vi ống rỗng xơ gòn trong màng lọc Giá trị dương của ∆S° cho thấy rằng tính ngẫu nhiên sẽ tăng lên ở giao diện tiếp xúc giữa pha lỏng và pha rắn của dung dịch trong quá trình hấp phụ [88] Có cả hai giá trị dương cho ∆H o và ∆S° biểu thị rằng sự hấp phụ của hệ thống xảy ra một cách tự phát ở nhiệt độ bình thường và nhiệt độ cao [66]
Bảng 4.9 Kết quả tính các thông số nhiệt động đối với quá trình hấp phụ Pb 2+ của màng lọc
T(K) ∆G o (kJ/mol) ∆H o (kJ/mol) ∆S o (kJ/mol)
Pb(II)MBLinear (Pb(II))Linear (MB)
Bảng 4.10 Kết quả tính các thông số nhiệt động đối với quá trình hấp phụ MB của màng lọc
T(K) ∆G o (kJ/mol) ∆H o (kJ/mol) ∆S o (kJ/mol)
Đánh giá quá trình đẳng nhiệt hấp phụ của màng lọc
Số liệu thực nghiệm quá trình khảo sát cân bằng hấp phụ của màng lọc theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và mô hình đẳng nhiệt Freundlich được thể hiện trên Bảng 4.11 và Bảng 4.12 tương ứng với ion Pb 2+ và MB Từ các số liệu này tiến hành vẽ đồ thị Hình 4.8 biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/Qcb vào Ccb và Hình 4.9 biểu diễn sự phụ thuộc của lnQcb vào lnCcb
Bảng 4.11 Số liệu thực nghiệm quá trình khảo sát cân bằng hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb 2+
(mg/L) Q cb (mg/g) C cb /Q cb
Bảng 4.12 Số liệu thực nghiệm quá trình khảo sát cân bằng hấp phụ của màng lọc đối với ion MB
C o (mg/L) C cb (mg/L) Q cb (mg/g) C cb /Q cb
Hình 4.8 Đồ thị biểu diện sự phụ thuộc của Ccb/Qcb vào Ccb của của màng lọc đối với Pb 2+ và MB y = 0.0446x + 1.3719 R² = 0.9958 y = 0.0101x + 0.1935 R² = 0.9979
Pb(II)MBLinear (Pb(II))Linear (MB)
Hình 4.9 Đồ thị biểu diện sự phụ thuộc của lnQcb vào lnCcb của của màng lọc đối với Pb 2+ và MB
Hình 4.10 Đồ thị đường đẳng nhiệt Langmuir của màng lọc đối với Pb 2+ và MB
Hình 4.10 biểu diễn đường đẳng nhiệt hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb 2+ và MB Các tham số và hệ số tương quan (R 2 ) của mô hình Langmuir và Freundlich được trình bày trong Bảng 4.13 Từ các hệ số tương quan (R 2 ) cho thấy mô hình Langmuir phù hợp với dữ liệu thí nghiệm hơn so với mô hình Freundlich tại nhiệt độ không đổi Lý do là lý thuyết Langmuir dựa trên giả thiết rằng sự hấp phụ các ion kim loại và thuốc nhuộm cation MB xảy ra trên một bề mặt đồng nhất bởi sự hấp phụ y = 0.3913x + 1.0133 R² = 0.8875 y = 0.3304x + 2.8478 R² = 0.934
Pb(II) MB Linear (Pb(II)) Linear (MB)
Pb(II)MB đơn lớp Mỗi tiểu phân chất bị hấp phụ liên kết với bề mặt của chất hấp phụ tại những trung tâm xác định và 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
Bảng 4.13 Các tham số và hệ số tương quan (R 2 ) của mô hình Langmuir và Freundlich trong quá trình hấp phụ ion Pb 2+ và MB của màng lọc Đường đẳng nhiệt
Langmuir Qmax (mg/g) 22,42 99,01 kL (ml/mg) 0,033 0,052
Giá trị Qmax được tính toán với mô hình Langmuir là 22,42 mg/g và 99,01 mg/g tương ứng với ion Pb 2+ và MB Kết quả này phù hợp với khả năng hấp phụ bão hòa thực tế của màng lọc, đồng thời cũng chứng tỏ rằng hấp phụ đơn lớp là ưu thế Ngoài ra, xơ gòn bị oxy hóa bởi NaClO2 đã loại bỏ lignin, do đó tạo ra một ma trận hấp phụ rộng hơn, và đã cải thiện khả năng hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb 2+ và MB [89]
Đánh giá quá trình động học hấp phụ của màng lọc
Số liệu thực nghiệm quá trình nghiên cứu động học hấp phụ của màng lọc được thể hiện trên Bảng 4.14 và Bảng 4.15 lần lượt đối với ion Pb 2+ và MB Nhận thấy khi thời gian hấp phụ tăng thì dung lượng hấp phụ của màng lọc cũng tăng cho đến khi bão hòa, lúc này dung lượng hấp phụ của màng lọc sẽ không đổi theo thời gian với cùng điều kiện thí nghiệm Thời gian hấp phụ bão hòa của màng lọc được ghi nhận là 190 phút đối với ion Pb 2+ và 370 phút đối với thuốc nhuộm MB Bởi vì khi chứng minh bằng giả thuyết thống kê trình bày ở Bảng 4.16 thì không có sự sai khác dung lượng hấp phụ ion Pb 2+ của màng lọc khi thời gian hấp phụ là 190 phút và
200 phút Tương tự, sự khác biệt về dung lượng hấp phụ MB là không đáng kể khi thời gian hấp phụ là 370 phút và 390 phút
Từ các số liệu này tiến hành vẽ đồ thị Hình 4.11 biểu diễn phương trình động học biểu kiến bậc 1và Hình 4.12 biểu diễn phương trình động học biểu kiến bậc 2 trong quá trình hấp phụ ion Pb 2+ và MB của màng lọc Sau đó kết hợp với các công thức 2.4 và công thức 2.5 tính toán được các tham số động học hấp phụ bậc 1, bậc 2 và hệ số tương quan (R 2 ) Kết quả được thể hiện trong Bảng 4.17
Bảng 4.14 Số liệu thực nghiệm quá trình động học hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb 2+
Bảng 4.15 Số liệu thực nghiệm quá trình động học hấp phụ của màng lọc đối với MB
Có thể thấy quá trình hấp phụ Pb 2+ và MB của màng lọc tuân theo phương trình động học biểu kiến bậc 2 của Lagergren Phương trình động học bậc nhất biểu kiến bậc 1 cho kết quả hệ số tin cậy R 2 chưa cao, tương ứng đối với Pb 2+ và MB là 0,9712 và 0,9651 Phương trình động học biểu kiến bậc 2 kiến cho kết quả hệ số tin cậy R 2 cao, hệ số tin cậy của Pb 2+ là 0,9959 và của MB là 0,9998 Có nghĩa là quá trình hấp phụ của màng lọc đối với ion Pb 2+ và MB là sự hấp thụ hóa học được thực hiện bởi liên kết cộng hóa trị và liên kết ion thông qua sự trao đổi điện tử và lực cộng hóa trị khi chất hấp phụ và chất bị hấp phụ chia sẻ điện tử với nhau
Bảng 4.16 So sánh hai giá trị trung bình của dung lượng hấp phụ của màng lọc đối với
Pb 2+ và MB khi thời gian thí nghiệm thay đổi.
Dung lượng hấp phụ mg/g
Trung bình 15,59 15,60 68,28 68,29 Độ lệch chuẩn S 0,0055 0,0084 0,0045 0,0071
Fk>Fm => 2 phương sai đồng nhất => f = n1 + n2 -2 = 8 t k 2,3060 2,3060 t m hai giá trị trung bình sai khác nhau không đáng kể
Hình 4.11 Đồ thị biểu diễn phương trình động học bậc 1 của hệ thống màng lọc đối với
Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn phương trình động học bậc 2 của hệ thống màng lọc đối với
Bảng 4.17 Các tham số và hệ số tương quan trong quá trình động học hấp phụ của màng lọc đối với Pb 2+ và MB
(mg/g) Động học biểu kiến bậc 1 Động học biểu kiến bậc 2
Đánh giá quá trình tái sử dụng của màng lọc
Hình 4.13 trình bày hiệu quả hấp phụ và giải hấp các ion Pb 2+ và MB của màng lọc Sau năm chu kỳ hấp phụ - giải hấp, sự mất mát dung lượng hấp phụ qua các chu kỳ là tương đối ít, ở chu kỳ thứ năm khả năng hấp phụ của màng lọc đối với MB và ion Pb 2+ tương ứng chỉ giảm 9,13% và 11,48% so với chu kỳ đầu tiên Hơn nữa, ta nhận thấy khả năng giải hấp của màng lọc rất cao với hiệu suất giải hấp trên 90% đối với MB và trên 73% đối với ion Pb 2+ Kết quả này chỉ ra rằng màng lọc là chất hấp y = 0.0503x + 2.7657 R² = 0.9959 y = 0.0143x + 0.138 R² = 0.9998
Linear (Pb(II)) Linear (MB) phụ hiệu quả để loại bỏ ion Pb 2+ và MB Vì ngoài khả năng hấp phụ cao, tốc độ hấp phụ nhanh, màng lọc còn thể hiện khả năng tái sử dụng cao
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 Pb 2+ và MB
Giải hấp phụ Pb(II) 12.10 11.67 11.20 10.72 10.15
Du ng lượn g hấp th ụ/g iải hấp ( m g/g )
Chu kỳ hấp phụ / giải hấp phụHấp phụ Pb(II) Giải hấp phụ Pb(II) Hấp phụ MB Giải hấp phụ MB