Nghiên cứu tận dụng vỏ quả măng cụt Để chế tạo chất hấp phụ Ứng dụng trong xử lý nước thải nhuộm

Nghiên cứu tận dụng vỏ quả măng cụt Để chế tạo chất hấp phụ Ứng dụng trong xử lý nước thải nhuộm Nghiên cứu tận dụng vỏ quả măng cụt Để chế tạo chất hấp phụ Ứng dụng trong xử lý nước thải nhuộm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

Nguyễn Thanh Thủy

NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG VỎ QUẢ MĂNG CỤT

ĐỂ CHẾ TẠO CHẤT HẤP PHỤ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHUỘM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

Nguyễn Thanh Thủy

NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG VỎ QUẢ MĂNG CỤT

ĐỂ CHẾ TẠO CHẤT HẤP PHỤ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHUỘM

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 8520320.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thị Hà

TS Lê Thị Hoàng Oanh

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Thị Hà và TS Lê Thị Hoàng Oanh đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã giảng dạy, cung cấp cho em các kiến thức chuyên môn và kỹ năng cần thiết, hữu ích Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Công nghệ môi trường, Khoa Môi trường đã hỗ trợ, giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu, thực nghiệm tại phòng thí nghiệm để hoàn thành luận văn

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè luôn đã động viên và tạo điều kiện giúp đỡ em trong việc hoàn thành đề tài luận văn này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo và những người quan tâm để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 11 năm 2022

Học viên

Nguyễn Thanh Thủy

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Ngành dệt nhuộm và nước thải nhuộm 4

1.1.1 Giới thiệu chung về ngành dệt nhuộm 4

1.1.2 Công nghệ dệt nhuộm 4

1.1.3 Phân loại và sử dụng thuốc nhuộm 6

1.1.4 Tình trạng ô nhiễm do nước thải dệt nhuộm 6

1.1.5 Ảnh hưởng của ô nhiễm nước thải nhuộm 9

1.2 Tổng quan về vật liệu hấp phụ than hoạt tính 10

1.2.1 Đặc tính của than hoạt tính 10

1.2.2 Phương pháp chế tạo than hoạt tính 11

1.2.3 Than hoạt tính chế tạo từ chất thải nông nghiệp 11

1.2.4 Công nghệ xử lý nước thải nhuộm 12

1.2.5 Ứng dụng của than hoạt tính trong xử lý nước thải nhuộm 14

1.3 Hiện trạng tận dụng vỏ quả măng cụt 17

1.3.1 Lượng vỏ quả măng cụt thải 17

1.3.3 Đặc tính vỏ quả măng cụt 18

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 22

2.2 Phương pháp nghiên cứu 22

2.2.1 Dụng cụ, thiết bị 22

2.2.2 Phương pháp chế tạo vật liệu 23

2.2.3 Phương pháp đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu 25

2.2.4 Phương pháp thực nghiệm loại bỏ màu từ nước thải nhuộm 28

2.2.5 Mô hình đẳng nhiệt và cân bằng hấp phụ 28

2.2.6 Phương pháp phân tích 31

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

3.1 Đánh giá hiệu quả chế tạo than hoạt tính 32

3.2 Kết quả phân tích đặc tính vật liệu 32

3.2.1 Kết quả đánh giá đặc tính bề mặt than - chụp SEM 32

3.2.2 Kết quả xác định diện tích bề mặt riêng (BET) 33

3.2.3 Kết quả phổ hồng ngoại (FTIR) 33

3.3 Kết quả đánh giá hiệu quả xử lý màu và khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình hấp phụ 36

3.3.1 Ảnh hưởng của pH 36

3.3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu 39

3.3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian 42

3.3.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của độ màu ban đầu trong nước thải 45

3.3.5 Nghiên cứu động học theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 46

3.3.6 Nghiên cứu động học hấp phụ theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 48

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

Kết luận 51

Kiến nghị 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 60

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Đặc tính nước thải nhuộm tại các công đoạn khác nhau 7

Bảng 1 2 Giới hạn cho phép xả thải đối với nước thải công nghiệp dệt may 8

Bảng 1 3 Kết quả phân tích thành phần nguyên tố của vỏ quả măng cụt 19

Bảng 1 4 So sánh thành phần nguyên tố của than hoạt tính từ vỏ quả măng cụt với than hoạt tính từ một số vật liệu khác 20

Bảng 3 1 Hiệu quả sản xuất than 32

Bảng 3 2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ màu của

than AC1 và than AC2 38

Bảng 3 3 Ảnh hưởng của lượng than tới khả năng hấp phụ màu 41

Bảng 3 4 Ảnh hưởng của thời gian tới khả năng hấp phụ màu 44

Bảng 3 5 Thông số tính toán cho mô hình Langmuir biễu diễn cân bằng hấp phụ màu của than AC1 và AC2 46

Bảng 3 6 Dung lượng hấp phụ cực đại và hệ số tương quan 48

Bảng 3 7 Thông số tính toán cho mô hình Freundlich biễu diễn cân bằng hấp phụ màu của than AC1 và AC2 48

Bảng 3 8 Thông số phương trình Freundlich 50

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Quy trình sản xuất và dòng thải phát sinh của ngành dệt nhuộm 5

Hình 1 2 Công nghệ xử lý nước thải nhuộm bằng phương pháp lọc kết hợp kết hợp hóa lý 13

Hình 1 3 Công nghệ xử lý nước thải nhuộm bằng phương pháp hóa lý-sinh học hiếu khí- hóa lý 14

Hình 1 4 Vỏ quả măng cụt khô 18

Hình 1 5 Quy trình tách chiết mangostin từ vỏ quả măng cụt 19

Hình 2 1 Quy trình chế tạo than AC1 từ vỏ quả măng cụt [43] 23

Hình 2 2 Quy trình chế tạo than AC2 từ vỏ quả măng cụt [43] 25

Hình 2 3 Quy trình loại bỏ độ màu trong nước thải dệt nhuộm bằng than AC1 và AC2 28

Hình 2 4 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 30

Hình 2 5 Sự phụ thuộc của Cfq vào Cf 30

Hình 3 1 Kết quả quả phân tích SEM của mẫu AC1(a) và AC2 (b) 32

Hình 3 2 Phổ hồng ngoại của than trước khi biến tính 34

Hình 3 3 Phổ hồng ngoại của than AC1 35

Hình 3 4 Phổ hồng ngoại của than AC2 36

Hình 3 5 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH tới hiệu suất hấp phụ xanh metylen của AC1 và AC2 37

Hình 3 6.Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất hấp phụ màu của AC1 và AC2 38

Hình 3 7 Ảnh hưởng của khối lượng than AC1 và AC2 đến hiệu suất

hấp phụ xanh metylen 40

Hình 3 8 Ảnh hưởng của khối lượng than AC1 và AC2 đến hiệu quả loại màu 41

Hình 3 9 Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất hấp phụ xanh metylen

của than AC1 và AC2 43

Hình 3 10 Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất hấp phụ màu của than AC1 và AC2 44

Hình 3 11 Ảnh hưởng của độ màu ban đầu tới khả năng hấp phụ của than AC1 và than AC2 45

Hình 3 12 Đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ theo mô hình Langmuir biễu diễn cân bằng hấp phụ màu của than AC 1 (a) và AC2 (b) 47

Hình 3 13 Đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ theo mô hình Freundlich biễu diễn cân bằng hấp phụ màu màu của than AC1 (a) và AC2 (b) 49

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với tốc độ phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp, quá trình đô thị hóa, ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm nước thải nói riêng đang là vấn đề rất được quan tâm Hiện nay, ngành công nghiệp dệt may là một trong những ngành công nghiệp phát triển đem lại lợi nhuận lớn cho nền kinh tế nước ta Công nghiệp dệt may phát triển thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của công nghiệp nhuộm Bên cạnh doanh thu lớn mà ngành đem lại, công nghiệp dệt may nói chung và công nghiệp nhuộm nói riêng đang thải ra môi trường một lượng chất thải khổng lồ làm ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người Tính đến năm 2018, Việt Nam có hơn 1500 doanh nghiệp dệt nhuộm với các quy mô khác nhau Mỗi năm ngành sử dụng hàng nghìn tấn thuốc nhuộm khác nhau Với thị hiếu của khách hàng ngày càng cao, đòi hỏi các cơ sở nhuộm phải sử dụng thuốc nhuộm ngày càng đa dạng và có tính bền màu cao Điều này đồng nghĩa với các thành phần hữu cơ trong thuốc nhuộm càng phức tạp và khó phân hủy Đặc biệt hiệu suất sử dụng của các loại thuốc nhuộm chỉ đạt khoảng 70÷80%, cao nhất cũng chỉ đạt 95% nên một lượng lớn các hóa chất, thuốc nhuộm sẽ bị thải ra môi trường Mỗi năm ngành dệt nhuộm thải vào môi trường khoảng 30÷40 triệu m3

nước thải Trong đó chỉ khoảng 10% lượng nước thải được xử lý trước khi thải ra môi trường Ngoài ra tỷ lệ lớn các cơ sở xử lý nước thải nhưng hệ thống xử lý chưa hợp lý nên chất lượng nước đầu ra không thỏa mãn tiêu chuẩn về BOD5, COD, độ màu

Có nhiều biện pháp đã được nghiên cứu, áp dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm, trong đó có phương pháp hấp phụ là một phương pháp ưu việt được lựa chọn do hiệu quả xử lý cao và vận hành đơn giản Các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ tự nhiên rất được quan tâm, đầu tư nghiên cứu như than hoạt tính, nhựa trao đổi ion và zeolit từ các phế phụ phẩm nông nghiệp Ưu điểm các vật liệu này là khả năng hấp phụ lớn tuy nhiên do giá thành còn cao nên các vật liệu này chưa được

sử dụng rộng rãi cho mọi đối tượng thải

Vì vậy, để tìm ra một loại vật liệu vừa có khả năng hấp phụ vừa sẵn có để sử dụng rộng rãi cho nhiều đối tượng là việc làm cần thiết Tận dụng chất thải, đặc biệt

là nguồn chất thải nông nghiệp vừa sẵn có vừa có giá thành thấp theo hướng tiếp cận ―Tài nguyên chất thải‖ là hướng đi góp phần giải quyết các vấn đề môi trường

và đem lại hiệu quả kinh tế

Cây măng cụt khá phổ biến ở các nước châu Á, đặc biệt là ở Thái Lan và Indonesia Tổng sản lượng trái cây măng cụt ở Thái Lan được báo cáo là khoảng 100.000 tấn trong năm 2008 Tại Malaysia, khoảng 29495 tấn măng cụt được tạo ra vào năm 2009 so với năm 2003 chỉ là 18747 tấn theo hệ mét Loại trái cây này đang được người trồng và xuất khẩu đánh giá cao trong thời gian gần đây Vỏ quả măng cụt chiếm 65% khối lượng quả Cần có biện pháp để xử lý lượng chất thải này để tránh gây ảnh hưởng đến môi trường Hiện nay, có rất nhiều các biện pháp để xử lý

vỏ quả măng cụt Trong vỏ quả có chứa dẫn xuất mangostin, trong đó dẫn xuất mangostin chiếm hàm lượng cao nhất, chiếm khoảng 0,02 – 0,2% trọng lượng khô Tiếp theo là β-mangostin và γ-mangostin, chiếm khoảng 0,016 – 0,07% Hiện nay tách chiết các dẫn xuất mangostin từ vỏ quả măng cụt đã và đang được các nhà khoa học quan tâm nhờ các hoạt tính sinh học đặc biệt là hoạt tính chống ung thư, nhằm mục đích tìm ra hoạt chất có nguồn gốc tự nhiên làm thuốc hỗ trợ điều trị ung thư Sau khi tách chiết, cũng có một lượng bã thải vỏ, cần có biện pháp xử lý bã thải Hàm lượng cacbon trong vở quả măng cụt cao, hàm lượng tro hợp lý cùng với hàm lượng chất vô cơ thấp trong vỏ quả măng cụt cho thấy tiềm năng sử dụng tiền chất này là tiêu chí quan trọng trong việc lựa chọn nguyên liệu sản xuất than hoạt tính

α-Với mục đích góp phần vào hướng nghiên cứu này, luận văn thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu tận dụng vỏ quả măng cụt để chế tạo chất hấp phụ ứng dụng trong

xử lý nước thải nhuộm”

Nội dung luận văn gồm:

1 Đánh giá tổng quan về chất thải vỏ quả măng cụt và nước thải ngành dệt nhuộm, biện pháp hấp phụ trong xử lý nước thải nhuộm

2 Chế tạo chất hấp phụ từ vỏ quả măng cụt và phân tích, đánh giá đặc tính của vật liệu bằng các phương pháp SEM, BET, FTIR,

3 Đánh giá hiệu quả loại bỏ màu của vật liệu và ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình hấp phụ màu trong nước thải nhuộm và như pH, khối lượng vật liệu, thời gian hấp phụ và nồng độ màu ban đầu

4 Nghiên cứu động học, xác định dung lượng hấp phụ cực đại và hiệu suất hấp phụ ở điều kiện tối ưu lựa chọn trong phạm vi nghiên cứu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Ngành dệt nhuộm và nước thải nhuộm

1.1.1 Giới thiệu chung về ngành dệt nhuộm

Dệt nhuộm là một trong những ngành công nghiệp có lịch sử phát triển lâu dài ở Việt Nam Nó bắt nguồn từ nhu cầu lấy xơ, sợi làm quần áo che thân của con người Trước thế kỷ 19, khi hầu hết quần áo được tự may tại nhà hoặc được đặt riêng theo số đo cá nhân tại các hàng may, ngành dệt nhuộm tương ứng đạt tới ngưỡng quy mô hộ gia đình, phát triển hơn là quy mô làng nghề, phường nghề với

kỹ thuật sản xuất thủ công, dụng cụ sản xuất thô sơ, nguyên liệu sản xuất có nguồn gốc từ tự nhiên [19] Lịch sử phát triển của ngành công nghiệp dệt may được xem là bắt đầu khi thành lập Nhà máy Dệt Nam Định năm 1987

Dù công nghệ sản xuất được đầu tư, cải tiến hiện đại hơn nhưng chất thải trong quá trình sản xuất của ngành dệt nhuộm có ảnh hưởng rất lớn đến môi trường Chất thải của ngành dệt nhuộm đa dạng trải rộng từ khí thải, nước thải và chất thải rắn Bên cạnh yếu tố lưu lượng thải lớn, chất thải của ngành dệt nhuộm còn rất đặc trưng và khó phân hủy gây tác động không nhỏ tới môi trường tiếp nhận, đặc biệt là quá trình xử lý màu và nhuộm vải Theo World Bank 17 - 20% chất thải công nghiệp là từ quá trình này, đóng góp 72% chất thải độc hại vào nguồn nước, trong

đó 30% là chất thải vĩnh viễn [19] Chất thải dệt nhuộm đặc biệt là nước thải đang

là vấn đề ô nhiễm môi trường được đặc biệt quan tâm đối ngành dệt nhuộm

1.1.2 Công nghệ dệt nhuộm

Tùy theo quy mô của các nhà máy dệt nhuộm, tính chất của sợi nguyên liệu, tính chất của sợi sản phẩm, trình độ công nghệ mà công đoạn nhuộm và hoàn tất tại mỗi cơ sở, nhà máy có sự khác biệt nhiều hay ít Quy trình sản xuất và dòng thải phát sinh được trình bày ở hình 1.1

Hình 1 1 Quy trình sản xuất và dòng thải phát sinh của ngành dệt nhuộm

1.1.3 Phân loại và sử dụng thuốc nhuộm

Ngành công nghiệp sản xuất thuốc nhuộm đại diện cho một phần tương đối nhỏ trong tổng thể các ngành công nghiệp hóa chất Trong sản xuất thuốc nhuộm trên toàn thế giới là gần 800.000 tấn mỗi năm Khoảng 10-15% thuốc nhuộm tổng hợp bị mất đi trong các quá trình khác nhau của ngành dệt Có hơn 10.000 thuốc nhuộm được sử dụng trong sản xuất dệt may, gần 70% là thuốc nhuộm azo có cấu trúc phức tạp và có bản chất tổng hợp [40]

Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trong những điều kiện quy định (tính gắn màu) [1]

Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất:

Phân loại theo cấu trúc hoá học: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm antraquinon, thuốc nhuộm inđizo, thuốc nhuộm phenazin, thuốc nhuộm triarylmetan, thuốc nhuộm phtaloxiamin

Phân loại theo đặc tính áp dụng: thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lưu hoá, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ cation, thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính [1]

1.1.4 Tình trạng ô nhiễm do nước thải dệt nhuộm

Nguồn thải màu chủ yếu ra môi trường liên quan đến việc thuốc nhuộm bị cạn kiệt hoàn toàn trên sợi dệt từ quy trình nhuộm dung dịch nước và nhu cầu giảm lượng thuốc nhuộm tồn dư trong nước thải dệt nhuộm đã trở thành mối quan tâm lớn trong những năm gần đây Các ngành công nghiệp dệt may tạo ra một lượng lớn chất thải lỏng Các chất thải dệt này chứa các hợp chất hữu cơ và vô cơ Trong quá trình nhuộm, không phải tất cả thuốc nhuộm được sử dụng cho vải đều cố định trên chúng và luôn có một phần thuốc nhuộm này không dính vào vải và bị trôi ra ngoài Những thuốc nhuộm không cố định này được tìm thấy ở nồng độ cao trong nước thải dệt nhuộm Lượng nước tiêu thụ và thải ra cũng khác nhau tùy thuộc vào loại vải được sản xuất Hầu hết 0,08 - 0,15 m3 nước được sử dụng để sản xuất 1 kg vải Ước tính có khoảng 1.000 - 3.000 m3 nước thoát ra sau khi xử lý khoảng 12 - 20 tấn hàng dệt mỗi ngày Gần 200000 tấn thuốc nhuộm từ ngành dệt may bị thất thoát ra môi trường thông qua đường nước thải hằng năm [35] Những dòng nước thải này

chứa nhiều thuốc nhuộm và hóa chất, một số không thể phân hủy sinh học và gây ung thư và là mối đe dọa lớn đối với sức khỏe và môi trường Cụ thể thành phần của nước thải nhuộm được thể hiện tại bảng 1.1

Bảng 1 1 Đặc tính nước thải nhuộm tại các công đoạn khác nhau

đề về sự ô nhiễm môi trường dưới sự tác động của ngành công nghiệp dệt nhuộm đã gia tăng trong nhiều năm qua Các quá trình tẩy nhuộm có tỷ lệ mất mát chất tẩy nhuộm lên đến 50% Nguyên nhân của việc mất mát chất tẩy, nhuộm là do các chất này không bám dính hết vào sợi vải, số phẩm nhuộm này sẽ đi theo đường nước thải

ra ngoài Vì vậy, việc xử lý nước thải dệt nhuộm là vấn đề đã và đang rất được quan tâm nghiên cứu

Dưới đây là so sánh một số thông số chính trong quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với nước thải dệt nhuộm của Việt Nam và Ấn Độ

Bảng 1 2 Giới hạn cho phép xả thải đối với nước thải công nghiệp dệt may

Cơ sở đang hoạt động

Cơ sở đang hoạt động

Trong đó:

- Cột A quy định giá trị giới hạn của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt

- Cột B quy định giá trị giới hạn của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt

Như vậy, nước thải công nghiệp nói chung và nước thải ngành dệt nhuộm nói riêng, để đạt tiêu chuẩn cho phép thải ra môi trường sinh thái cần tuân thủ nghiêm ngặt khâu xử lý các hóa chất gây ô nhiễm môi trường có mặt trong nước thải

1.1.5 Ảnh hưởng của ô nhiễm nước thải nhuộm

Nước thải dệt nhuộm có độ kiềm cao làm tăng pH của nước Khi pH > 9 sẽ gây độc hại đối với thủy tinh, gây ăn mòn các công trình thoát nước và hệ thống xử

lý nước thải

Muối trung tính làm tăng hàm lượng tổng chất rắn, lượng thải lớn gây độc hại đối với đời sống thủy sinh do làm tăng áp suất thẩm thấu, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi của tế bào

Hồ tinh bột biến tính làm tăng BOD, COD của nguồn nước, gây tác động xấu đối với đời sống thủy sinh do làm giảm oxi hòa tan trong nguồn nước

Độ màu cao do lượng thuốc nhuộm còn thừa đi vào nước thải gây màu cho dòng tiếp nhận, ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của các loài thủy sinh, ảnh hưởng xấu tới cảnh quan

Hàm lượng ô nhiễm các chất hữu cơ cao sẽ làm giảm oxi hòa tan trong nước, ngăn cản sự khuếch tán của oxi vào môi trường, gây nguy hại cho hoạt động của thuỷ sinh vật Mặt khác, một số các hoá chất chứa kim loại như Crôm, nhân thơm, các phần chứa độc tố không những có thể tiêu diệt thuỷ sinh vật mà còn gây hại trực tiếp đến dân cư ở khu vực lân cận, gây ra một số bệnh nguy hiểm như ung thư

Thuốc nhuộm tổng hợp có từ lâu và ngày càng được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp dệt may, giấy, cao su, mỹ phẩm do dễ sử dụng, giá thành rẻ, màu sắc đa dạng so với màu tự nhiên Tuy nhiên, hầu hết các thuốc nhuộm sử dụng trong ngành công nghiệp dệt may đều có độ độc tính cho môi trường sống trong nước Mặt khác, các chất hoạt động bề mặt và các hợp chất liên quan, chẳng hạn như bột giặt, các chất nhũ hóa, các chất phân tán được sử dụng trong hầu hết các công đoạn của mỗi quy trình gia công và cũng có thể là một trong những nguồn quan trọng tạo độc tính cho môi trường nước [2]

Ngành công nghiệp dệt nhuộm nước ta đang phát triển rất đa dạng với quy

mô khác nhau và đã thải ra ngoài môi trường một lượng lớn nước thải gây ô nhiễm cao Nước thải dệt nhuộm thường có độ màu rất cao Việc sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm và các sản phẩm của chúng gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái thủy sinh Cụ thể đối với con người gây ra các bệnh về da, đường hô hấp, ung thư…, đối với hệ sinh thái thủy sinh có thể phá hủy hoặc ức chế khả năng sinh sống của vi sinh vật [5]

Nước thải từ các ngành công nghiệp có chứa thuốc nhuộm hoạt tính gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng vì sự hiện diện của thuốc nhuộm trong nước rất dễ nhìn thấy và ảnh hưởng đến độ trong suốt và thẩm mỹ của chúng ngay cả khi nồng

độ thuốc nhuộm thấp [39] Nước thải ô nhiễm màu gây ra các triệu chứng ở mũi [31]; viêm mũi và viêm da hen suyễn; viêm da tiếp xúc dị ứng [35], gây đột biến [43], độc tính trên gen, khả năng gây ung thư và khả năng gây quái thai [28, 68]

1.2 Tổng quan về vật liệu hấp phụ than hoạt tính

1.2.1 Đặc tính của than hoạt tính

Than hoạt tính là một chất gồm chủ yếu là nguyên tố cacbon ở dạng vô định, một phần nữa có dạng tinh thể vụn grafit Ngoài carbon thì phần còn lại thường là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loại kiềm và vụn cát [12]

Than hoạt tính có diện tích bề mặt ngoài rất lớn nên được ứng dụng như một chất lý tưởng để lọc hút nhiều loại hóa chất Diện tích bề mặt của than hoạt tính nếu tính ra đơn vị khối lượng thì là từ 500 đến 2500 m2/g

Các lỗ xốp trong than hoạt tính có bán kính hiệu dụng từ vài chục anstron tới hàng chục nghìn anstron (Å) Về mặt cấu tạo, nó có cấu tạo kiểu tổ ong gồm một hệ

lỗ xốp mao quản thông nhau và thông với môi trường bên ngoài với cấu trúc không gian ba chiều Có thể chia kích thước lỗ xốp thành ba loại sau:

Dạng vi mao quản, bán kính hiệu dụng cỡ 10 Å, có bề mặt riêng lớn nhất (350-1000 m2/gam) và chiếm phần chủ yếu trong than hoạt tính

Dạng mao quản trung gian có bán kính hiệu dụng trong khoảng 100 đến 250Å, bề mặt riêng không lớn lắm, khoảng 100 m2/gam Dạng mao quản lớn có bán kính hiệu dụng khoảng 1.000 đến 10.000 Å; dạng này có bề mặt riêng rất nhỏ, không quá 2

m2/gam

1.2.2 Phương pháp chế tạo than hoạt tính

Quá trình sản xuất than hoạt tính gồm hai giai đoạn chính: than hoá và hoạt hoá than Để tăng cường khả năng hấp phụ của than, có thể hoạt hóa than bằng hơi nước, khí CO2, muối (như kẽm clorua,…), axit (H2SO4 đặc, ), kiềm,… [43]

Trong quá trình đó, xảy ra các phản ứng, ví dụ khi dùng CO2:

C + CO2 → CO (1.1) Khi dùng hơi nước:

C + H2O → CO + H2 (1.2)Các phản ứng trên (đốt cháy một phần than đá) đã tạo nên độ xốp với bề mặt chứa các nhóm chức hoạt động và rất lớn, từ 600 đến 1700m2/g Như vậy, quy trình chung để sản xuất than hoạt tính là: từ nguyên liệu ban đầu, qua quá trình hoạt hóa

để làm tăng hoạt tính hấp phụ của than Còn từng bước xử lý với các điều kiện nhiệt

độ, áp suất, xúc tác… cụ thể như thế nào để tạo ra sản phẩm than hoạt tính phù hợp với mục đích sử dụng và kinh doanh là bí mật công nghệ của từng nhà sản xuất

Quá trình hoạt hóa tạo nên những lỗ nhỏ li ti làm cho than có khả năng hấp phụ và giữ các tạp chất tốt hơn rất nhiều so với than ban đầu Từ các nguyên liệu có diện tích bề mặt khoảng 10 - 15m2/g, sau quá trình hoạt hóa, than đạt diện tích bề mặt lớn hơn cả ngàn lần, trung bình 700 - 1.200m2

/g

Than hoạt tính có khả năng hấp thụ tốt đối với các chất không phân cực như chất hữu cơ; hấp phụ yếu các chất phân cực như nước, khí amoniac… Khả năng hấp phụ của than hoạt tính tùy thuộc vào kết cấu, kích thước, mật độ khe hổng, diện tích tiếp xúc của than, tính chất của các loại tạp chất cần loại bỏ và cả công nghệ của các nhà sản xuất Cấu trúc xốp và độ hoạt động phụ thuộc loại nguyên liệu và chế độ hoạt hoá Do đó than có nhiều loại với phạm vi sử dụng rất khác nhau Nhìn chung loại giàu mao quản nhỏ (phần bề mặt ứng với mao quản nhỏ nhiều) sử dụng tốt cho hấp thụ khí, kém hiệu quả khi dùng hấp phụ các chất hữu cơ

1.2.3 Than hoạt tính chế tạo từ chất thải nông nghiệp

Trước đây, than hoạt tính được sản xuất bằng cách sử dụng tiền chất như gỗ

tự nhiên, than đá và bã dầu mỏ Tuy nhiên, nhu cầu cao về than hoạt tính và giá cả

cạnh tranh của vật liệu này cùng với chi phí tái tạo vật liệu này cao đã buộc phải nghiên cứu về việc sử dụng các chất thải khác nhau [32]

Các nguyên liệu thường được dùng để sản xuất than hoạt tính là các cây thuộc họ tre, và gáo dừa ưu điểm của các nguyên liệu này là nguyên liệu đã chứa

hệ thống mao quản lớn có kích thước nằm trong khoảng 10 - 50µm Nhưng nhược điểm là giá thành sản phẩm cao nên không phù hợp để xử lý nước thải

Hiện nay, để xử lý nước thải thường quan tâm đến chất thải được dùng như một nguồn ―tài nguyên chất thải‖, đặc biệt các phế phẩm nông nghiệp để chế tạo các than hoạt tính vừa giải quyết vấn đề môi trường, vừa đem lại hiệu quả kinh tế Trong số các chất thải đã được các nhà nghiên cứu nghiên cứu rộng rãi [32] Bao gồm xơ dừa, trấu, sợi đay, bã mía có thành phần chủ yếu là cellulose (xơ dừa, sợi đay, bã mía) và bán cellulose (hemicellulose, trấu) Đây đều là các nguồn nguyên liệu sẵn có và rẻ tiền Suzuki và cộng sự, 2014 nêu quan điểm tích cực rằng than hoạt tính được chế biến từ các phụ phẩm nông nghiệp có thể đạt được với chi phí hợp lý là 20 đôla Mỹ/kg và có thể so sánh với than hoạt tính thương mại

Các loại than hoạt tính được chế tạo từ các phế phẩm nông nghiệp trên cũng lại hiệu quả xử lý tương đối tốt Than hoạt tính từ vỏ điều có diện tích bề mặt (Sbm)

là 1871 m2/g để xử lý xanh metylen tại pH 4,4 đạt dung lượng hấp phụ cực đại (qmax) là 476 mg/g; than hoạt tính từ vỏ dứa có Sbm¬ là 914,67 m2/g để xử lý xanh metylen tại pH 7 đạt qmax là 288 mg/g; than hoạt tính từ chất thải thủy sản có Sbm¬

là 1867 m2/g để xử lý xanh metylen tại pH 11 đạt qmax là 184 mg/g [42]; than hoạt tính từ bã đậu nành có Sbm¬ là 605,7 m2/g để xử lý xanh metylen tại pH 8 đạt qmax là 166,67 mg/g [16]; khả năng loại bỏ thuốc nhuộm hoạt tính màu đỏ của than hoạt tính từ sợi đay đạt 200 mg/g, ngang bằng với than hoạt tính từ hoa dừa là 181,9 mg/g được tìm thấy ở các giá trị pH thấp [64]; than hoạt tính từ mùn cưa mây có

Sbm 1037,18 m2/g cho hiệu quả xử lý thuốc nhuộm phân tán màu cam 30 (DO30) đạt qmax là 133 mg/g [22]

1.2.4 Công nghệ xử lý nước thải nhuộm

Do đặc thù của công nghệ, nước thải dệt nhuộm chứa tổng hàm lượng chất rắn (TS), chất rắn lơ lửng, độ màu, BOD, COD cao Các chất ô nhiễm trong nước thải diệt nhuộm thường có đặc tính rất bền với điều kiện môi trường và khó phân huỷ sinh học Hơn nữa thuốc nhuộm sử dụng trong thực tế rất đa dạng về chủng

loại, có bản chất hoá học rất khác nhau Vì vậy, phương pháp xử lý thích hợp được lựa chọn dựa vào nhiều yếu tố như lượng nước thải, đặc tính nước thải, tiêu chuẩn thải, xử lý tập trung hay cục bộ Về nguyên lý xử lý chung, nước thải dệt nhuộm có thể áp dụng các phương pháp: pháp xử lý cơ học, hóa lý (trung hòa, keo tụ - tạo bông, tuyển nổi, hấp phụ, oxy hóa khử), sinh học

Hình 1 2 Công nghệ xử lý nước thải nhuộm bằng phương pháp lọc kết hợp kết hợp hóa lý

Hình 1 3 Công nghệ xử lý nước thải nhuộm bằng phương pháp hóa lý-sinh học hiếu khí-

hóa lý

1.2.5 Ứng dụng của than hoạt tính trong xử lý nước thải nhuộm

Việc sử dụng than hoạt tính trong xử lý nước thải nhuộm là rất phổ biến do

có cấu trúc xốp và bản thân xung quanh mạng tinh thể của than hoạt tính có một lực hút rất mạnh, do đó than hoạt tính có khả năng hấp phụ đặc biệt đối với các chất có gốc hữu cơ

Đã từ lâu xơ dừa cacbon hóa được sử dụng làm chất hấp phụ để xử lý nước thải công nghiệp nhuộm đã được nghiên cứu với việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng

gồm thời gian khuấy trộn, liều lượng chất hấp phụ và pH và cho thấy có hiệu quả tương tự như than hoạt tính thương mại [56].

Trong nghiên cứu của Đào Minh Trung, 2019 than cốc được điều chế từ vỏ Mắc-ca và biến tính bằng H2O2 đã được sử dụng để xử lý màu Methylene Blue Với

tỷ lệ H2O2 : than = 10:1, hiệu quả hấp phụ Methylene Blue đạt 266,26 mg/g sau 48h ngâm lắc Hiệu suất xử lý màu Methylene Blue cao nhất là 93,26% với độ màu ban đầu 474,67 Pt-Co tại các điều kiện tối ưu tương ứng pH = 8,5, lượng chất hấp phụ 1 g/L và thời gian xử lý 60 phút

Rajeshwarisivaraj và cộng sự, 2001 đã chế tạo than hoạt tính từ vỏ sắn phế thải và sử dụng để loại bỏ thuốc nhuộm và các ion kim loại khỏi dung dịch nước Đặc biệt, vật liệu ngâm tẩm H3PO4 hiệu quả hơn so với vật liệu xử lý nhiệt [58] Trong nhiều nghiên cứu, phế phụ phẩm nông nghiệp được tận dụng trong chế tạo than và biến tính để tăng hiệu quả xử lý màu của thuốc nhuộm [27, 62] Các nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ và pH đến hiệu quả xử lý màu cho thấy khoảng thời gian tối ưu để các loại thuốc nhuộm khác nhau đạt trạng thái cân bằng với các chất hấp phụ than khác nhau có nguồn gốc từ chất thải nông nghiệp là

từ 1 đến 4-5 giờ; pH 8-10 [25] Tuy nhiên, trong nghiên cứu sử dụng chất thải vỏ dứa (Ananas comoscus), một loại phế thải nông nghiệp với chi phí thấp, làm chất hấp phụ để loại bỏ Safranin-O trong nước, pH axit lại cho hiệu quả hấp phụ cao hơn Hấp phụ cực đại đạt sau 90 phút ở 29°C và phù hợp với mô hình Freundlich và Langmuir [51]

Trong nghiên cứu của Hameed, B H và cộng sự, 2009 chất thải từ thân dứa (PS) được sử dụng để khử thuốc nhuộm cơ bản (xanh methylene, MB) trong nước Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc, nồng độ ban đầu của xanh metylen và pH đối với

sự hấp phụ thuốc nhuộm đã được khảo sát cùng với việc xem xét các đường đẳng nhiệt và động học hấp phụ theo mô hình Langmuir và Freundlich Dung lượng hấp phụ đơn lớp là 119,05 mg/g và rất phù hợp với đẳng nhiệt Langmuir

Liu và cộng sự, 2018đã sử dụng phương pháp chế tạo chất hấp phụ sinh học độc đáo, hiệu quả và chi phí thấp với cấu trúc ba chiều (3D) để loại bỏ xanh metylen (MB) khỏi dung dịch nước Lõi rơm ngô (CSC) và graphene oxide (GO) được sử dụng làm nguyên liệu ban đầu Ở pH kiềm 12, 25o

C và nồng độ xanh metylen 1000 mg/L, dung lượng hấp phụ cực đại đạt 414,03 mg/g

Vỏ quả Bengal gram (SP) được sử dụng để khử màu đỏ Congo (CR) trong nước thải Vật liệu được nghiên cứu bằng máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier và SEM Nghiên cứu này cũng xem xét tác động của liều lượng chất hấp thụ sinh học, nồng độ thuốc nhuộm, nhiệt độ, pH dung dịch và thời gian tiếp xúc đối với quá trình hấp phụ Độ pH cao nhất để hấp thụ sinh học CR hiệu quả được tìm thấy là khoảng 8,0 Động học cân bằng hấp phụ theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir

và Freundlich đã được áp dụng Kết quả thu được cho thấy khả năng hấp phụ đơn lớp tối đa là 22,22 mg/g ở 35˚C Tuy nhiên, khả năng hấp phụ cực đại này thấp hơn nhiều so với nghiên cứu của Liu và cộng sự, 2018 và Sivarama Krishna, L., và cộng

sự, 2014 Lý do có thể do quá trình hấp phụ tiến hành ở nhiệt độ cao hơn

Vỏ hạt điều (CNS) được nghiên cứu chế tạo chất hấp phụ sử dụng để loại bỏ thuốc nhuộm xanh metylen (MB) từ dung dịch nước Ảnh hưởng của pH, liều lượng chất hấp phụ, nồng độ thuốc nhuộm ban đầu và thời gian đã được khảo sát Sau 63 phút, quá trình hấp phụ MB đã hoàn toàn Ngoài ra, các giá trị thử nghiệm được xác định cũng rất phù hợp với các giá trị dự đoán của mô hình [61]

Chùm quả rỗng thu được từ cây cọ dầu được sử dụng làm chất hấp phụ để khử màu từ nước thải cao su thiên nhiên Ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ,

pH, tốc độ lắc và thời gian tiếp xúc được khảo sát Kết quả cho thấy ở liều lượng 3,5

g chất hấp phụ, pH 7, tốc độ lắc 150 vòng/phút và thời gian tiếp xúc 120 phút, khả năng loại bỏ màu tối đa (87,1%) Đường đẳng nhiệt Langmuir (R2

= 0,9913) giải thích sự hấp phụ màu tốt hơn một chút so với đường đẳng nhiệt Freundlich (R2 = 0,9805) và theo cơ chế đơn lớp [34]

Trong một số nghiên cứu khác Kadirvelu, K., và cộng sự, 2003; Nguyễn Thị

Hà và cộng sự, 2008; Lata, H., và cộng sự., 2007, việc loại bỏ kim loại nặng và thuốc nhuộm khỏi dung dịch nước được thực hiện bằng cách sử dụng than hoạt tính được điều chế từ chất thải rắn nông nghiệp như vỏ bông lụa, mùn cưa cây dừa, chất thải cao lương, lõi ngô và cùi chuối

Trong y tế (Carbo medicinalis – than dược): để tẩy trùng và các độc tố sau khi bị ngộ độc thức ăn Trong công nghiệp hóa học: làm chất xúc tác và chất tải cho các chất xúc tác khác Trong kỹ thuật, than hoạt tính là một thành phần lọc khí (trong đầu lọc thuốc lá, miếng hoạt tính trong khẩu trang), tấm khử mùi trong tủ lạnh và máy điều hòa nhiệt độ Trong xử lý nước (hoặc lọc nước trong gia đình):

để tẩy các chất bẩn

Than hoạt tính được sử dụng để hấp phụ các hơi chất hữu cơ, chất độc, lọc

xử lý nước sinh hoạt và nước thải, xử lý làm sạch môi trường, khử mùi, khử tia đất

và các tác nhân gây ảnh hưởng có hại đến sức khỏe con người, chống ô nhiễm môi trường sống Đem lại một môi trường sống trong sạch cho con người

Các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, công nghiệp hóa dầu, sản xuất dược phẩm, khai khoáng, nông nghiệp, bảo quản, hàng không vũ trụ, lĩnh vực quân sự đều cần phải sử dụng than hoạt tính với khối lượng rất lớn

1.3 Hiện trạng tận dụng vỏ quả măng cụt

Cây măng cụt khá phổ biến ở các nước châu Á, đặc biệt là ở Thái Lan và Indonesia Ví dụ, tổng sản lượng trái cây măng cụt ở Thái Lan được báo cáo là khoảng 100.000 tấn trong năm 2008 Tại Malaysia, khoảng 29495 tấn măng cụt được tạo ra vào năm 2009 so với năm 2003 chỉ là 18747 tấn theo hệ mét Loại trái cây này đang được người trồng và xuất khẩu đánh giá cao trong thời gian gần đây [50] Ở Việt Nam, măng cụt được trồng chủ yếu ở Đồng bằng sông Cửu Long và Đông Nam Bộ

Quả măng cụt được thị trường trong và ngoài nước ưa chuộng Thái Lan là nước sản xuất măng cụt lớn nhất thế giới khoảng 240.000 tấn/năm, với sản lượng xuất khẩu là 15.000 tấn/năm trong năm 2006 [33] Malaysia, Việt Nam và Indonesia cũng là nhà sản xuất lớn Ở các nước phương Tây, măng cụt được coi là một trái cây nhiệt đới thơm ngon và được ưa thích Gần đây, các nước Trung Mỹ cũng đang đẩy mạnh trồng măng cụt và xuất khẩu sang châu Âu Măng cụt cũng được trồng ở Hawaii, chủ yếu tiêu thụ tại thị trường địa phương Quả có sự biến đổi và thời gian bảo quản sau thu hoạch tốt, và tạo điều kiện thuận lợi cho xuất khẩu

1.3.1 Lượng vỏ quả măng cụt thải

Khi sử dụng quả măng cụt thì một lượng lớn vỏ quả măng cụt bị thải ra ngoài môi trường Dưới đây là hình ảnh chất thải vỏ quả măng cụt:

Hình 1 4 Vỏ quả măng cụt khô

Lượng vỏ quả chiếm 65% khối lượng quả [48] và lượng tiêu thụ quả măng cụt ngày càng lớn thì sẽ thải ra môi trường một lượng chất thải vỏ cũng rất lớn Phải

có những biện pháp xử lý lượng chất thải này để tránh gây ảnh hưởng đến môi trường Hiện nay, có rất nhiều các biện pháp để xử lý vỏ quả măng cụt

Vỏ quả măng cụt được chế biến thành các loại thức uống thơm ngon như trà hay các sản phẩm làm đẹp cho da hay trị mụn trứng cá như mặt nạ, đặc biệt trong vỏ quả chứa rất nhiều dẫn xuất đặc biệt là dẫn xuất mangostin có ứng dụng trong cả y học dân gian lẫn hiện đại: trị tiêu chảy, kiết lỵ, chữa đau bụng, làm khô vết thương, chống nhiễm trùng da, trị nám mụn trứng cá và hỗ trợ, phòng ngừa ung thư

1.3.2 Đặc tính vỏ quả măng cụt

Thành phần chính của vỏ quả được xác định là các dẫn xuất xanthones Các chất trong xanthones gồm: mangostin (α- mangostin, β- mangostin, γ- mangostin), iso mangostin, gartanin, normangostin, tamin, trioxyxanthon, pyranoxanthon, dihydroxy methyl butenyl xanthon, trihydrroxy methyl, butenyl xanthon, pyrano xanthenon Những garcinon A, B, C, D, E; mangostinon; garcimangoson A, B, C; gartanin; egonol; epicatechin; procyanidin từ măng cụt nguồn gốc Việt Nam, benzophenon glucosid với hàm lượng ít Trong các hoạt chất xanthone Trong đó dẫn xuất α-mangostin chiếm hàm lượng cao nhất, chiếm khoảng 0,02 – 0,2% trọng lượng khô Tiếp theo là β-mangostin và γ-mangostin, chiếm khoảng 0,016 – 0,07% Hiện nay các dẫn xuất mangostin từ vỏ quả măng cụt đã và đang được các nhà khoa học quan tâm nhờ các hoạt tính sinh học đặc biệt là hoạt tính chống ung thư, nhằm mục đích tìm ra hoạt chất có nguồn gốc tự nhiên làm thuốc hỗ trợ điều trị ung thư

Quy trình tách chiết mangostin từ vỏ quả măng cụt được trình bày ở hình 1.5:

Vỏ của quả có đặc điểm cứng lại khi tiếp xúc với không khí khiến nó trở thành nguyên liệu thay thế cho sản xuất than hoạt tính Dưới đây là kết quả phân tích vỏ quả măng cụt:

Bảng 1 3 Kết quả phân tích thành phần nguyên tố của vỏ quả măng cụt

Cô cách thủy ở nhiệt độ 79℃

Sấy chân không ở 50℃, trong 2h

Bảng 1 4 So sánh thành phần nguyên tố của than hoạt tính từ vỏ quả măng cụt với than

bố lỗ xốp trong than hoạt tính đƣợc chế tạo Ngoài ra, sự phát triển độ xốp trong

than hoạt tính chủ yếu phụ thuộc vào bản chất của tiền chất cùng với phương pháp được sử dụng để chế tạo than hoạt tính Nghiên cứu của Ncibi, 2008 chỉ ra rằng sự

có mặt của hàm lượng lignin cao có nguồn gốc từ tiền chất thô được xem là tiền chất có khả năng sản xuất than hoạt tính Ngoài ra, độ cứng của vỏ măng cụt sau khi tiếp xúc với không khí cho thấy sự phù hợp của tiền chất trong sản xuất than hoạt tính dạng hạt [32]

Theo một số nghiên cứu, than hoạt tính từ vỏ quả măng cụt đã được chế tạo dùng để xử lý xanh metylen trong nước đạt qmax là 230 mg/g [54] Loại bỏ Cu (II) khỏi nước bằng than hoạt tính từ vỏ quả măng cụt cũng đã được nghiên cứu cho

qmax đạt 21,74mg/g [30] Nghiên cứu của Anitha và cộng sự (2020) cũng đã nghiên cứu loại bỏ được Hg (II) trong nước với qmax đạt 49,75 mg/g bằng than hoạt tính từ

vỏ quả măng cụt [24]

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

 Vỏ quả măng cụt khô

 Bã vỏ quả măng cụt sau khi chiết xuất mangostin

 Nước thải tự chế chứa xanh metylen nồng độ 50mg/L

 Nước thải nhuộm thực tế: Mẫu nước thải thực tế chứa thuốc nhuộm phân tán (màu hồng tím) lấy tại công ty dệt nhuộm Huy Phát có địa chỉ tại Phường

Dương Nội – Quận Hà Đông, Hà Nội

- Phạm vi nghiên cứu: quy mô phòng thí nghiệm

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Cân phân tích điện tử 4 số AND GH-200, Nhật Bản;

Máy lắc tròn New Brunswick Scientific;

Lò nung Nabertherm 24 lít cửa nâng, xuất xứ Đức;

Máy đo pH;

Máy quang phổ Hach để bàn DR3900;

- Hóa chất

Axit sunfuric H2SO4 98% tinh khiết;

Muối kẽm clorua ZnCl2 tinh khiết;

Axit clohidric HCl 3M

Axit clohidric 0,1M;

Natri hydroxit NaOH 0,1M

2.2.2 Phương pháp chế tạo vật liệu

Trong nghiên cứu này tham khảo theo phương pháp chế tạo than hoạt tính từ

vỏ quả măng cụt trong điều kiện yếm khí Quy trình chế tạo than hoạt tính này có

ưu điểm không sử dụng khí trơ, tiết kiệm tối đa chi phí sản xuất Quy trình chế tạo than từ vỏ và bã sau khi tách chiết từ vỏ quả măng cụt được trình bày trong sơ đồ hình 2.1 và 2.2 dưới đây:

Vỏ khô kích thước 1mm

Hỗn hợp vỏ và ZnCl2

Nung yếm khí trong 1h ở 6000C

Than hoạt tính (AC1)

Rửa bằng HCl 3M;

Rửa bằng nước cất tới pH 7;

Sấy khô ở 105 0C

Bước 1: Vỏ quả măng cụt được cho vào sấy khô ở nhiệt độ 50 - 60°C Sau đó vỏ

được nghiền với kích thước 1mm

Bước 2: Vỏ sau khi nghiền được trộn với ZnCl2 tỷ lệ 1:4 (g/g) Tia nước cất với tỷ

lệ 1:1 để hỗn hợp thành dạng bùn sệt

ZnCl2 có nhiệt độ nóng chảy thấp 283–293 °C cho phép tiếp xúc tốt hơn với

bề mặt cacbon ở nhiệt độ nung trên 500°C ZnCl2 gây ra hiệu ứng điện phân gọi là

hiệu ứng trương nở trong cấu trúc phân tử cellulose Sự trương nở gây ra sự phá vỡ

liên kết bên trong phân tử cellulose, làm tăng diện tích bề mặt

Bước 3: Cho hỗn hợp đã trộn trên lên máy khuấy từ, khuấy trong 6h Sau đó đem đi

Bước 6: Than sau khi nung được nghiền nhỏ và rây ở kích nước 0.5mm

Bước 7: Dùng axit HCl 3M rửa liên tục nhằm loại bỏ tạp chất trong than

Bước 8: Sau khi rửa bằng axit, rửa lại bằng nước cất đến trung tính pH = 7

Rửa axit và nước cất để giúp loại bỏ tro trên bề mặt vật liệu sau quá trình

cacbon hóa, ZnCl2 dư, axit và ion Cl- Quá trình rửa có vai trò quan trọng trong việc

tăng điên tích bề mặt, và tạo thành điện tích bề mặt dương của than thành phẩm

Điều này có ý nghĩa quan trọng trong quá trình hấp phụ các anion có trong nước

thải

Bước 9: Sấy khô than đã rửa trong tủ sấy ở 105°C đến khối lượng không đổi thu

được than hoạt tính

Quy trình chế tạo than AC2: Vỏ khô kích thước 1mm được ngâm với

C2H5OH 96% ở 60°C trong 8h thải bã vỏ quả măng cụt sau khi thu được dịch chiết

mangostin Sau đó bã được thực hiện như các bước chế tạo than của AC1

2.2.3 Phương pháp đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu

Mẫu than AC1 và AC2 được phân tích đặc điểm bề mặt bằng phương pháp

hiển vi điện tử quét SEM với độ phóng đại 250 và 1500 lần

Nung yếm khí trong 1h ở 6000C Than

Than hoạt tính (AC2)

Vỏ khô kích thước 1mm

Hỗn hợp vỏ và ZnCl2

Hình 2 2 Quy trình chế tạo than AC2 từ vỏ quả măng cụt [43]

Diện tích bề mặt riêng của mẫu than AC1 và AC2 được xác định theo

phương pháp BET

Các nhóm chức bề mặt của mẫu than AC1 và AC2 được xác định bằng phương pháp phổ hồng ngoại FTIR

 Các phép đo SEM, BET và FTIR được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm vật liệu tiên tiến ứng dụng trong Phát triển xanh, 816T5, 334 Nguyễn Trãi,

Thanh Xuân, Hà Nội

Khảo sát ảnh hưởng của pH

 Nước thải tự chế chứa xanh metylen nồng độ 50mg/L

Điều chỉnh pH mẫu nước chứa xanh metylen có nồng độ 50mg/L từ pH 5,0 – 9,0 bằng dung dịch HCl 0,1M hoặc NaOH 0,1M Tiếp theo cho 0,1 gam than AC1

và AC2 vào mỗi bình đựng 50 mL dung dịch xanh metylen Tiến hành lắc các mẫu bằng máy lắc trong 60 phút với tốc độ 150 vòng/phút Sau đó lấy 25mL dung dịch ở mỗi bình, lọc và đem đo quang tại bước sóng 664nm để xác định nồng độ xanh metylen còn lại trong dung dịch

 Nước thải nhuộm thực tế

Điều chỉnh pH mẫu nước thải nhuộm từ pH 5,0 – 9,0 bằng dung dịch HCl 0,1M hoặc NaOH 0,1M Tiếp theo cho 0,25 gam than vào mỗi bình đựng 25 mL nước thải nhuộm Tiến hành lắc các mẫu bằng máy lắc trong 180 phút với tốc độ

150 vòng/phút Sau đó lấy 15mL dung dịch ở mỗi bình, lọc bằng giấy lọc băng xanh kích thước lỗ lọc 80µm và đem đo độ màu tại bước sóng 455nm để xác định độ màu của nước thải nhuộm trước và sau khi hấp phụ còn lại trong dung dịch

Khảo sát ảnh hưởng của lượng vật liệu

 Nước thải tự chế chứa xanh metylen nồng độ 50mg/L

Điều chỉnh mẫu nước chứa xanh metylen có nồng độ 50mg/L về pH tối ưu bằng dung dịch HCl 0,1M hoặc NaOH 0,1M Thêm 0,1 đến 0,75g than AC1 và AC2 vào mỗi bình đựng 100 mL dung dịch xanh metylen Tiến hành lắc các mẫu bằng máy lắc trong 60 phút với tốc độ 150 vòng/phút Sau đó lấy 25mL dung dịch ở

mỗi bình, lọc và đem đo quang tại bước sóng 664nm để xác định nồng độ xanh metylen còn lại trong dung dịch

 Nước thải nhuộm thực tế

Điều chỉnh pH của nước thải về pH tối ưu bằng dung dịch HCl 0,1M hoặc NaOH 0,1M Thêm 0,1 đến 1g than AC1 và AC2 vào mỗi bình đựng 25 mL dung dịch nước thải nhuộm Lắc các bình trên máy lắc trong 180 phút, tốc độ 150 vòng/phút Sau đó lấy 15mL dung dịch ở mỗi bình, lọc bằng giấy lọc băng xanh kích thước lỗ lọc 80µm, và đem đo độ màu tại bước sóng 455nm để xác định độ màu còn lại trong dung dịch

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ

 Nước thải tự chế chứa xanh metylen nồng độ 50mg/L

Điều chỉnh mẫu nước từ xanh metylen có nồng độ 50mg/L về pH tối ưu bằng dung dịch HCl 0,1M hoặc NaOH 0,1M Thêm lượng than tối ưu vào mỗi bình đựng 100mL dung dịch xanh metylen Tiến hành lắc các mẫu bằng máy lắc trong 15; 30;

45, 60 và 90 phút Sau các khoảng thời gian trên lấy 25mL dung dịch ở mỗi bình, lọc và đem đo quang tại bước sóng 664nm để xác định nồng độ xanh metylen còn lại trong dung dịch

 Nước thải nhuộm thực tế

Điều chỉnh pH của nước thải nhuộm về pH tối ưu bằng dung dịch HCl 0,1M hoặc NaOH 0,1M Thêm lượng than tối ưu vào mỗi bình đựng 25 mL dung dịch nước thải nhuộm Tiến hành lắc các mẫu bằng máy lắc trong 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7;

8 với tốc độ 150 vòng/phút Sau các khoảng thời gian trên lấy 15mL dung dịch ở mỗi bình, lọc bằng giấy lọc băng xanh kích thước lỗ lọc 80µm, đem đo độ màu tại bước sóng 455nm để xác định nồng độ màu còn lại trong dung dịch

 Ảnh hưởng của độ màu ban đầu

Khảo sát ảnh hưởng của độ màu trong khoảng 10-100% độ màu ban đầu (bằng cách pha loãng nước thải ban đầu) đến quá trình hấp phụ màu của than AC1

và AC2 trong nước thải nhuộm ở điều kiện tối ưu Tiến hành lắc các mẫu bằng máy lắc trong thời gian tối ưu với tốc độ 150 vòng/phút Sau các khoảng thời gian trên lấy 15mL dung dịch ở mỗi bình, lọc bằng giấy lọc băng xanh kích thước lỗ lọc