Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thân cây bắp (ngô) Để xử lý màu reactive orange 16 trong nước thải dệt nhuộm

Các chất ô nhiễm chủ yêu có trong nước thải đệt nhuộm là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, màu nhuộm, các chất hoạt động bẻ mặt, các hợp chất halogen hữu cơ, muối trung tính làm tăng tổn

UY BAN NHAN DAN TP HO CHI MINH

TRUONG DAI HOC SAI GON

HUYNH NGUYEN THANH TAM

NGHIEN CUU CHE TAO THAN HOAT TINH

TU THAN CAY BAP (NGO)

DE XU LY MAU REACTIVE ORANGE 16 TRONG NUOC THAI DET NHUOM

KHOA LUAN TOT NGHIEP

NGANH: CONG NGHE KY THUAT MOI TRUONG

TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC

TP HỎ CHÍ MINH, THANG 6 NAM 2022

UY BAN NHAN DAN TP HO CHI MINH

TRUONG DAI HOC SAI GON

HUYNH NGUYEN THANH TAM

NGHIEN CUU CHE TAO THAN HOAT TINH

TU THAN CAY BAP (NGO)

DE XU LY MAU REACTIVE ORANGE 16 TRONG NUOC THAI DET NHUOM

KHOA LUAN TOT NGHIEP

NGANH: CONG NGHE KY THUAT MOI TRUONG

TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN: Th$ NGUYÊN THỊ HOA

TP HỎ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2022

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, số liệu trong đề tài hoàn toàn có nguồn gốc

rõ ràng Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào

tạo, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2022

Tác giả khóa luận

Huỳnh Nguyễn Thanh Tâm

ul

LOI CAM ON

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn đến Cô Th§ Nguyễn Thị Hoa và Cô

TS Nguyễn Thị Quỳnh Trang, giảng viên khoa Khoa học môi trường, trường Đại học

Sai Gon đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện dé tai, cam ơn cô đã

dành rất nhiều thời gian hướng dẫn và góp ý để em hoàn thành để tải này

Em cũng xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Dai hoe Sai

Gòn, các Thầy Cô Khoa Khoa học Môi trường đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu và đã tạo điều kiện để em có thể học tập và làm nghiên cứu trong suốt quá

trình thực hiện đề tải

Xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thảy tại phòng thí nghiệm của trường Đại Học Sài

Gòn đã tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình hướng dẫn, cung cấp thông tin cần thiết để

em hoàn thành khóa luận đúng nội dung và thời gian

Cuối cung em xin danh lời cảm ơn đến tat ca anh chị, bạn bè và gia đình đã nhiệt

tình giúp đỡ, động viên em trong thời gian làm khóa luận tốt nghiệp

Tuy nhiên, vì kiến thức chuyên môn còn hạn chế và bản thân còn thiếu nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên nội dung báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, em rất

mong nhận sự góp ý, chỉ bảo thêm của quý thây cô để báo cáo được hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2022

Sinh viên thực hiện

Huỳnh Nguyễn Thanh Tâm

MUC LUC

CHƯƠNG 1 TĨNG QUAN

1.1.1 Giới thiệu Chung oct en en en en en ene ete enenetienieneetee 5

1.1.2 Dac diém ctia than cay BaD ccc 2 S221 21212222121 rxe 5

1.13 Ứng dụng S2 HH HH1 22121 g ra 7

1.2 TĨNG QUAN VẺ NƯỚC THÁI DỆT NHUỘM cc-.cecccee 7 1.2.1 Sơ lược về nước thải dệt nhuộm - 52 222 221222122122212211222222.2 7 1.2.2 Giới thiệu về màu nhuộm s ©22+222122122512251021122112112211222 c2 §

1.2.3 Màu nhuộm Reactive Orange l6 nn HH HH HH HH Hà 9

1.3 TONG QUAN VE MOT SO PHUONG PHAP XU LY MAU NHUOM

1.3.1 Phuong phap o0 nrr ri iccẢăảiääậăiảÝÝ 10 1.3.2 Phuong phap sinh hoc eect eeen en et eneneneteneneneneen 13

1.4 TĨNG QUAN VẺ LÝ THUYẾT HÁP PHỤ, c-cc‹.cssc.se Í4 1.4.1 Kháiniệm SH HH H111 gu 14 1.4.2 Phân loại quá trình hấp phụ 52221 2212212112222 21c 15

1.4.3 Các dạng phương trình đẳng nhiệt hấp phụ -s- 22222 ccErzce 16

1.5.1 Sơ lược về than hoạt tính - 2:52: 22112212211221121122112122122122 19 1.5.2 Đặc điểm của than hoạt tính - 2:21 221222122122512211222122222e 21 1.5.3 Giới thiệu về quy trình chế tao than hoạt tính s-csccsszzsce 24

1.6 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 27

1.6.1 Tình hình nghiền cứu trong nƯỚC - c ccccnnnn HH 27 1.6.2 Tình hình nghiên cứu ngoải nƯỚC nn HH HH HH 28 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 HÓA CHÁT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 32

2.1.1 Hóa chất 0 0 HH HH2 H222 seu 32 2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 52 2c 2221212222212 22121 rreg 32 2.2 QUY TRINH CHUAN BI DUNG DICH MAU CHO QUA TRINH XU LY33 2.2.1 Pha dung dịch màu Reactive Orange l6 cà nhe 33 2.2.2 Kháo sát bước sóng của dung dịch màu Reactive Orange l6 33

2.2.3 Xây dựng đường chuẩn cho màu Reactive Orange 16 33

2.3 QUY TRÌNH CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH ecc ÖỐ 2.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 36 2.4.1 Kháo sát nhiệt độ và thời gian phù hợp cho quá trình than hóa 36

2.4.2 Khao sat khả năng xử ly cua than sinh hoc và than hoạt tính 37

2.4.3 Khảo sát các yếu tổ ánh hưởng đến quá trình hấp phụ 38

2.4.4 Phương pháp phân tích kính hiển vi điện tử quét SEM 38

2.5 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 39 2.5.1 Tính toán các thông số liên quan đến quá trình hấp phụ 39

2.5.2 Hiệu suất xử lý c2 H222 21212222121 xea 39

CHƯƠNG 3 KÉT QUÁ VÀ THẢO LUẬN 3.1 KHẢO SÁT NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN PHÙ HỢP CHO QUÁ TRÌNH

3.1.1 Nhiệt độ than hóa 22s 2221222112212 2e 40

3.1.2 Thời gian than hóa (c1 LH H111 HH HH He 41

3.2 KHAO SAT KHA NANG XU LY MAU NHUOM CUA THAN SINH HOC (TB) VA THAN HOẠT TÍNH (AC = TB)sesessssssssssssssssssssessssnssnssnssnssnnenseeeees 43

3.4 KHAO SAT CAC YEU TO ANH HUONG DEN QUA TRINH HAP PHU 45 3.4.1 Ảnh hưởng củapH ss- s2 222211 11212122221222 21 re 45

3.4.2 Ảnh hưởng của khối lượng than - 5s 2222 12112212211 re 46

3.4.3 Ảnh hưởng của thời gian tiếp XÚC - S22 21212122121 re 47 3.5 THỰC NGHIỆM XỬ LÝ NƯỚC THÁI DỆT NHUỘM THỰC 47

TOM TAT Thân cây bắp được sử dụng để chế tạo than hoạt tính và dùng làm vật liệu hấp

phụ mảu nhuộm RO16 Nhiệt độ và thời gian phù hợp cho quá trình than hóa 1a 400°C

và nung trong 90 phút Cầu trúc và hình thái vật liệu xác định qua phương pháp hiển

vi điện tử quét (SEM) cho thấy bê mặt than hoạt tính thô ráp, xốp và có nhiều lễ rỗng hình ống nên khá năng hấp phụ hiệu qua cao Các yếu tô ảnh hưởng đến quá trình hấp

phụ màu nhuộm RO1ó6 được các kết quả tối ưu ở pH 10, khối lượng than 0,1 g và thời gian tiếp xúc là 60 phút Kết quả xử lý màu nhuộm RO16 trong nước thải đệt nhuộm

thực đạt 68,34% với dung lượng hấp phụ là 278,7 mg/g

vill

DANH MUC CAC TU VIET TAT

Abs (Absorbance) : Độ hấp thu quang

AC—TB : Than hoat tinh tử thân bap

AOPs (Advance oxidation processes) : Phương pháp oxy hóa nâng cao BOD (Biochemical oxygen demand) : Nhu cầu oxy sinh học COD (Chemical oxygen demand) : Nhu cầu oxy hóa học GAC (Granular activated carbon) : Than hoạt tính dạng hạt PAC (Powdered activated carbon) : Than hoạt tính dạng bột ROIl6 : Reactive Orange l6

SEM (Scanning Electron Microscope) : Kính hiền vi điện tử quét

DANH MUC BANG

1 | Bang 1.1 Cac loai mang loc 12

2 | Bang 1.2 Bốn giai đoạn của quá trình nhiệt phân/ than hóa 25

3 | Báng 2.1 Đường chuẩn của Reactive Orange 16 34

Ạ Bảng 3.1 Kết quả kháo sát khả năng xử lý nước thái đệt nhuộm thực cua than hoat tinh 48

DANH MUC HINH

1 | Hình I.1 Đặc tính câu trúc thân cay bap 6

2 | Hinh 1.2 Câu trúc hóa học của màu nhuộm Reactive Azo 9

3 | Hình 1.3 Cấu trúc hóa học của màu nhuộm Reactive Orange l6 10

4 | Hinh 1.4 Duong hap phu dang nhiét Langmuir 18

5 | Hinh 1.5 Sy phu thuéc Ce/ge vao Ce 18

6 | Hinh 1.6 Cau tric 16 x6p cua than hoạt tinh 21

7 | Hình 2.1 Bước sóng của màu nhuộm Reactive Orange l6 33

8 | Hinh 2.2 Duong chuan cua Reactive Orange 16 34

9 | Hinh 2.3 Quy trình chế tạo than hoạt tính từ thân cây bắp 35

10 | Hình 2.4 Điều kiện thí nghiệm than hóa 37

1 Hình 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ than hóa đên dung lượng hâp phụ 40

cua than sinh hoc

D Hình 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ than hóa đến hiệu suất xử lý của 4

than sinh hoc

B Hình 3.3 Ảnh hưởng của thời gian than hóa đến dung lượng hấp phụ 1

cua than sinh hoc

lá Hình 3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ than hóa đến hiệu suất xử lý của 4

17 | Hình 3.7 Ảnh chụp SEM của than hoạt tính 44

18 Hinh 3.8 Anh hưởng của pH dén qua trinh hap phy mau nhuộm Reactive Orange 16 45

Hình 3.9 Ảnh hưởng của khối lượng than đến quá trình hấp phụ

20 Hình 3.10 Anh hưởng của thời gian tiếp xúc dén qua trinh hap phụ

màu nhuộm Reactive Orange l6 47

MO DAU

1 DAT VAN DE

Công nghiệp hóa, hiện đại hóa góp phần nâng cao cuộc sống vật chat tinh than của con người nhưng cũng tác động đến toàn bộ môi trường tự nhiên của hành tỉnh

chúng ta Việc phát triển quá nhanh sẽ dẫn đến hệ lụy là cạn kiệt các nguồn tải nguyên,

giảm sút chất lượng môi trường sống và ảnh hưởng đến cuộc sống, sức khỏe con

người và cả hệ sinh thái

Việt Nam là một đất nước với nền kinh tế chính là phát triển nông nghiệp thì một

trong những vấn đề mà chúng ta đang phải đối mặt đó là lượng chất thải phát thái ra môi trường ngày càng nhiều Trong đó, chất thái rắn nông nghiệp là một trong những vấn để cần được quan tâm Chất thái rắn nông nghiệp thông thường là chất thai rắn phát sinh từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp như: trồng trọt (thực vật chết, tỉa cành, làm cỏ, ), thu hoạch nông sản (rơm, rạ, trầu, cám, lõi bắp, thân bắp), bao bì đựng phân

bón, thuốc bảo vệ thực vật, các chất thải ra từ chăn nuôi, giết mé động vật, chế biến

sữa, chế biến thuỷ sản, [44] Sau mỗi vụ mùa, phụ phẩm từ cây trồng chính phát sinh

với khối lượng lớn Năm 2019, phụ phâm từ một số loại cây trồng chính phát sinh trên

cá nước ước tính khoảng 94.715.000 tấn, trong đó phụ phẩm từ cây ngô như thân — 1a phát sinh với 9.615,2 tắn, lõi ngô phát sinh với 1.285,2 tân Chỉ một phân phụ phẩm tử

cây trồng được tái chế, tái sử dụng, phần còn lại bị đốt bỏ ngoài ruộng, gây hiện tượng khói mủ cục bộ cho vùng lân cận sau thu hoạch mỗi mùa vụ [45] Do đó, việc tận dụng

nguồn phụ phẩm nông nghiệp này là một trong những vấn đẻ cấp thiết dé giảm thiểu lượng chất thải rắn nông nghiệp thông thường Một trong những ứng dụng của phụ phẩm nông nghiệp đang được quan tâm và nghiên cứu là quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ từ phụ phẩm nông nghiệp trong xử lý môi trường với giá thành rẻ, quy trình chế tạo đơn giản, không đưa thêm tác nhân độc hại vào môi trường mang lại một phương hướng tiềm năng và ý nghĩa cho môi trường ở Việt Nam

Ngành dệt là một trong những ngành mũi nhọn của Việt Nam với kim ngạch xuất khẩu đứng thứ hai cả nước Năm 2019, giá trị xuất khâu của ngành đóng góp tới 16% tong GDP [57] Ngành đệt là ngành công nghiệp có đây chuyển công nghệ phức

tạp, áp dụng nhiều loại hình công nghệ khác nhau Sử dụng các nguồn nguyên liệu, hóa chất khác nhau và cũng sản xuất ra nhiều mặt hàng có mẫu mã, màu sắc, chủng loại khác nhau Do vậy, ngoài đóng góp to lớn vào nền kinh tế của đất nước, ngành dệt cũng góp phần không ít vào các tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái Đặc

biệt là nước thải ngành đệt nhuộm là mối quan tâm đáng chú ý nhất “Nước thái đệt

nhuộm là sự tổng hợp nước thải phát sinh từ tất cá các công đoạn hồ sợi, nau, tay trắng, làm bóng sợi, nhuộm ïn và hoàn tất” - GS.TS Nguyễn Văn Phước, nguyên Viện trưởng Viện Môi trường và Tải nguyên - Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh cho biết trong bản mô tá sáng chế về hệ thống xử lý nước thái dệt nhuộm được Cục Sở hữu trí tuệ cấp vào năm 2019 Các chất ô nhiễm chủ yêu có trong nước thải đệt nhuộm là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, màu nhuộm, các chất hoạt động bẻ mặt, các hợp chất halogen hữu cơ, muối trung tính làm tăng tổng hàm lượng chất rắn Nước thải này có nhiệt độ cao (thấp nhất là 40°C) và giá trị độ pH cũng cao do lượng kiềm trong nước thải lớn [58]

Màu nhuộm tổn tại trong nước thải dệt nhuộm là vấn đề được quan tâm hiện

nay Màu nhuộm tổng hợp có thể gây độc cho con người bằng cách gây dị ứng và mãn cảm với da hoặc phổi Do đó việc tìm ra các giải pháp xử lý màu nhuộm trong nước thải là vấn đề cấp thiết đối với môi trường Việt Nam Reactive orange 16 là một

mảu nhuộm thuộc nhóm azo, là màu nhuộm khó phân hủy sinh học và được sử dụng

nhiều trong ngành công nghiệp đệt nhuộm Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau đề xử lý màu nhuộm đã được nghiên cứu Trong đó, phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính là một phương pháp có triển vọng và hiệu quả trong xử lý màu nhuộm

do hiệu quả xử lý cao, xử ly không chọn lọc vả quy trình đơn giản

Chính vì những lý do trên, em đã lựa chọn đề tài: * Nghiên cứu chế tạo than

hoạt tính từ thân cây bắp (ngô) để xử lý màu Reactive Orange 16 trong nước thải

dệt nhuộm”

2 MUC TIEU NGHIEN CUU

4 Muc tiéu chung

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thân cây bắp (ngô) để xử lý màu Reactive

Orange 16 trong nước thải dệt nhuộm

& Mục tiêu cụ thể

-_ Chế tạo than hoạt tính từ thân của cây bắp

- Khao sat kha năng xử lý màu nhuộm Reactive Orange 16 trong nước thải đệt

nhuộm

3 ĐÓI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

4 Đối tượng nghiên cứu

- Than hoạt tính được chế tạo tử thân cây bắp

- Mau nhuém Reactive Orange 16 trong nước thải dệt nhuộm

3+ Phạm vi nghiên cứu

Được thực hiện trong Phòng thí nghiệm của Truong Dai hoc Sai Gon

- Chế tạo than hoạt tính từ thân của cây bắp

- Khao sat kha năng xử lý màu nhuộm Reactive Orange 16 trong nước thải đệt

nhuộm

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

-_ Chế tạo than hoạt tính từ thân cây bắp

- Khao sat cac yéu t6 anh hưởng đến quá trình hấp phụ độ màu từ than hoạt tính chế tạo từ thân cây bắp

- Khao sat kha nang hap phy cua vat liệu trong quá trình xử lý độ máu trong

nước thải

5 PHUONG PHAP NGHIEN CUU

4 Tổng quan tài liệu

- Tổng quan về cây bắp

- Tổng quan nước thải dệt nhuộm

- Tổng quan về một số phương pháp xử lý màu nhuộm trong nước thái dệt

nhuộm

- Tổng quan về lý thuyết hấp phụ

- Tổng quan về than hoạt tính

- Tình hình nghiên cứu trong và ngoải nước

4 Phuong pháp hiễn vi điện tử quét SEM

Phân tích hình thái bề mặt và hình đạng của vật liệu

- - Góp phần tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp, hạn chế ô nhiễm môi trường

- Đóng góp vào việc xử lý nước thải đệt nhuộm bằng than hoạt tính -_ Tiếp cận hướng nghiên cứu mới: Sử dụng phụ phẩm - thân cây bắp - đề chế tạo than hoạt tính trong xử lý môi trường; không gây ra ánh hưởng thứ cấp đồng thời thân thiện với môi trường

CHUONG 1

TONG QUAN

1.1 TONG QUAN VE CAY BAP

1.1.1 Giới thiệu chung

Cay bap (Zea mays L.) thuéc Gidi (regnum): Plantae; Ho (familia): Poaceae; Loai (species): Z mays; B6 (ordo): Poales; là cây lương thực quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu, góp phân nuôi sống gần 1/3 dân số trên toàn thế giới, trong đó các nước ở Trung Mỹ, Nam Mỹ và Châu Phi bắp được dùng làm lương thực chính Cây bắp không chỉ làm lương thực mà còn là nguồn thức ăn cho gia súc, gia cằm, nguồn nguyên liệu cho ngành công nghiệp lương thực - thực phẩm - được phẩm - công nghiệp nhẹ Ngoài ra, bắp còn là nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học được quan tâm phát triển trong giai đoạn hiện nay khi mà nguồn năng lượng dầu mỏ, than

đá đang dần cạn kiệt Ở Việt Nam, cây bắp là cây lương thực đứng thứ hai sau lúa gạo Diện tích, năng suất, sản lượng bắp tăng theo từng năm, từ hơn 200 ngàn ha với

năng suất 10 tạ/ha năm 1960, đến năm 2017 diện tích đã đạt 1,1 triệu ha với năng suất 46,5 ta/ha [49]

Với sản lượng bắp lớn cùng nhu cầu xuất khẩu va tiêu thụ ngày càng tăng làm phát thái ra môi trường một lượng lớn phụ phẩm từ cây bắp như thân cây bắp, lõi bắp Theo Báo cáo Hiện trạng Môi trường Quốc gia — Giai đoạn 2016 — 2020, phụ

phẩm từ cây bắp như thân — lá phát sinh với 9.615,2 tắn, lõi bắp phát sinh với 1.285,2 tấn chỉ đứng sau phụ phẩm từ cây lúa và cây mía [45] Với lượng phụ phẩm lớn như

vậy nêu không tận dụng và giải quyết sẽ gây ra ô nhiễm môi trường

1.1.2 Đặc điểm của thân cây bắp

Cây bắp thuộc loài cỏ thân gỗ Đường kính thân cây bắp trưởng thành khoáng

20 - 35 mm, chiều cao khoảng 1,8 m — 3,0 m [47] Thân cây bắp, một trong những

loại phế liệu nông nghiệp được biết đến nhiều nhất, dồi dào và sẵn có trên toàn thé

giới, được biết đến là rất giàu cellulose [35]

Hình 1.1 Đặc tinh cau trúc thân cây bắp [47]

Thân cây bắp là nguyên liệu thô không đồng nhất và bao gồm khoảng 40%

cellulose, 18% lignin, 12% pentosan, 3,5% hac in, sap va chất béo được chiết xuất bằng

hỗn hợp cồn — benzen, 12% chất chiết xuất bằng nước nóng: 25% chất chiết bang dung dịch kiềm 1% Ngoàải ra, tùy thuộc vào các hoạt động trồng trợt, chúng có thể nhận được hàm lượng tro đủ cao (phổ biến nhất là lên đến 10%) [18] Hơn nữa, thân cây bắp

có cầu trúc mạng lưới vĩ mô, độ ổn định cơ học tốt và nhiều nhóm chức khác nhau

(hydroxyl, cacboxyl, cacbonyl) [29] Trên thực tế, các nhóm hydroxyl (-OH) trong cellulose 1a thanh phan chinh cua thân bắp, có khả năng hấp phụ nhất định, nhưng khá năng hấp phụ của nhóm hydroxyl (-OH) trong cellulose nói chung thấp hơn đo các nhóm -OH tham gia vào liên kết hydro liên phân tử của cellulose Do đó, các thân cắp hiếm khi được sử dụng để hấp phụ trực tiếp Tuy nhiên, khá năng phản ứng hóa học cua cac nhém hydroxyl (-OH) 6 C — 6, C — 2 và C — 3 trong cellulose là một nhóm

chức năng quan trọng khác của thân bắp Sự biến đổi hóa học có thể được thực hiện để

phá hủy các liên kết hydro nảy, làm cho các nhóm -OH ở C - 6, C - 2 và C — 3 trở nên

dé phản ứng hơn đề gắn các nhóm chức khác đề có đặc tính hấp phụ tốt hơn [35]

1.1.3 Ung dung

Phụ phẩm nông nghiệp từ thân cây bắp là nguồn nguyên liệu phong phú đề chế biến thức ăn chăn nuôi Nhờ phát triển công nghệ chế biến, thân cây bắp còn được ứng đụng trong nhiều mục đích công nghiệp như năng lượng tái tạo sinh học (ví đụ ethanol để sản xuất xăng sinh học), vật liệu mới Thân cây bắp còn được ép đùng

để tổng hợp nhiên liệu làm khí gas tự nhiên, tông hợp nhiên liệu lỏng, sản xuất nguồn

vật liệu nano — cacbon thân thiện với kinh tế, làm sợi sinh học dùng trong bê tông nhựa, làm axit c1trie, (một axit hữu co yếu, một chất bảo quản tự nhiên và cũng được

sử dụng để bổ sung vị chua cho thực phâm hay các loại nước ngọt), [47] Thân

bắp thường được sử dụng để làm thức ăn thô xanh, làm chất độn chuồng, hoặc đốt

trực tiếp Nhưng việc đốt rác thân cây bắp không chỉ gây lãng phí lớn tài nguyên sinh khối mà còn gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng [35]

1.2 TONG QUAN VE NUOC THAI DET NHUOM

1.2.1 Sơ lược về nước thải dệt nhuộm

Nước thải đệt nhuộm là sự tổng hợp nước thái phat sinh từ tất cả các công đoạn

hé soi, nau tay, tay trang, làm bóng sợi, nhuộm 1n và hoàn tất Theo phân tích của các chuyên gia, trung bình, một nhà máy dệt nhuộm sử dụng một lượng nước đáng kê, trong đó, lượng nước được sử dụng trong các công đoạn sản xuất chiếm 72.3%, chủ

yếu là trong công đoạn nhuộm và hoàn tất sản phâm [27] Về tác động môi trường

của nước thải dệt nhuộm, ngành dệt may được ước tính sử dụng nhiều nước hơn bắt

kỳ ngành nảo khác trên toàn cầu và hầu như tất cá nước thải thải ra đều bị ô nhiễm nặng Các nhà máy dệt cỡ trung bình tiêu thụ khoảng 200L nước cho mỗi kg vải được

xử lý mỗi ngày [39] Nước thái đệt nhuộm chứa các loại màu nhuộm có tính biến đổi

cao có cấu trúc đa dạng bao gồm màu nhuộm bazơ, axit, phản ứng, azo, phức kim loại và điazo Các đặc tính điển hình của nước thải dệt nhuộm bao gồm nhiệt độ cao,

khoảng pH rộng, nhu cau oxy hoa hoc (COD), nhu cau oxy sinh hoc (BOD), kim loai

nang va nhiéu loai chat gay 6 nhiễm như màu nhuộm, muối, chất hoạt động bề mặt,

chất rắn hòa tan và chat ran lơ lửng [39]

phần khó xử lý nhất, đặc biệt là màu nhuộm azo không tan — loại màu nhuộm được

sử dụng phổ biến nhất hiện nay, chiếm 60 — 70% thị phần Thông thường, các chất

mảu có trong màu nhuộm không bám dính hết vào sợi vải trong quá trình nhuộm mà bao giờ cũng còn lại một lượng dư nhất định tổn tại trong nước thải Lượng màu

nhuộm đư sau công đoạn nhuộm có thê lên đến 50% tổng lượng màu nhuộm được sử

dụng ban đầu [54] Day chính là nguyên nhân làm cho nước thải dệt nhuộm có độ mau cao, vả nông độ chât ô nhiêm lớn

1.2.2 Giới thiệu về màu nhuộm

Cac hop chat hap thụ năng lượng điện từ trong phạm vi nhìn thấy được (~ 350

— 700 nm) là những chất có màu và những hợp chất có màu này chủ yếu được gọi là

mau nhuộm [26] Theo báo cáo tiêu thy mau nhuộm thế giới năm 2017, các nước

châu Á đang sử dụng ~75% tổng lượng màu nhuộm tông hợp được sản xuất, trong

đó Trung Quốc và Ân Độ là hai nước tiêu thụ hàng đầu Người ta ước tính rằng hơn 10.000 loại màu nhuộm và chất màu đang được tiêu hủy trong môi trường với sản lượng hàng năm của chúng là hơn 7 x 10° tấn [6] Các ngành công nghiệp dệt nhuộm

sử dụng rộng rãi màu nhuộm chủ yếu do khả năng liên kết với các sợi đệt của chúng thông qua hình thức liên kết cộng hóa trị Hơn nữa, màu nhuộm là những chất gây ô

nhiễm không chỉ độc hại mà còn có thể làm thay đổi mảu sắc của nước thải [39] Sự

tồn tại của màu nhuộm, ngay cá ở nông độ thấp cũng làm giám độ trong của nước và

do đó, làm giảm quá trình quang hợp và gây ra sự phân hủy ky khí trong nước [6] Màu nhuộm có thê có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp Đặc điểm nổi bật

của các loại màu nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy Màu sắc của màu nhuộm có được là do cấu trúc hóa học: một cách chung nhất, cầu trúc mảu nhuộm

bao gồm nhóm mang mảu và nhóm trợ màu [54]:

- Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử z không cổ định như: - C =€ -,-C=NÑ-,-NÑ=N -,- NO¿

- SO:H, - OH đóng vai trò tăng cường màu của nhóm mang màu bằng cách dịch

chuyển năng lượng của hệ điện tử

Màu nhuộm azo là loại màu nhuộm được sử dụng nhiều nhất và chiếm hơn 60% tông số mảu nhuộm Khoảng 70% tất cả các loại màu nhuộm được sử dụng trong công nghiệp là màu nhuộm azo [4] Hầu hết các màu nhuộm azo được sử dụng để

nhuộm các chất nền khác nhau chủ yếu ở dạng hợp chất mono — azo, có đơn vị cầu trúc chung là nhóm mang mảu azo (- N =N -) thường được liên kết bởi hai hệ phân

tử thơm vả ngành công nghiệp dệt may được coi là ngành tiêu thụ màu nhuộm azo lớn nhất Các phân tử màu nhuộm có cấu trúc đị vòng có sự dịch chuyên sắc tổ rõ rệt

va chúng không chỉ được sử dụng như mục đích tạo màu mả còn được sử dụng rộng

rãi cho các ứng dụng điều trị khác nhau như thuốc sát trùng, kháng khuẩn, chống tiêu đường, chống ung thư, chất chống oxy hóa, giảm đau, chống viêm Ngoài mục đích nhuộm và điều trị, các hợp chất azo còn tham gia vào một loạt các phản ứng sinh học

như ức chế tổng hop DNA, RNA va protein, chat sinh ung thư và cố định nitơ Màu

nhuộm azo cũng được ứng dụng trong việc tây sợi dệt, nghiên cứu y sinh và tổng hợp

hữu cơ tiên tiễn [26]

Nhóm hỏa tan trong nước

| Auxochrome ~~ 8O;CH,CH,0SO,Na

NaO,SOH,CH,CO,S— ~~, = > fy

| | OH NH,

Nhóm mang màu NaO,S“.À“ 4 'SOạNa, bo

Bộ khung `— Nhóm hòa tan trong nước

Hình 1.2 Cấu trúc hóa học của màu nhuém Reactive Azo [4]

1.2.3 Màu nhuộm Reactive Orange 16

Reactive Orange 16 (RO16) la m6t loại màu nhuộm anion, thuộc lớp màu

nhuộm azo có gốc điazenyl (-[[2(sulphonatooxy)ethyl]phenyl) gắn ở vị trí 2 của

naphtalen đa thế Nó là một hợp chất azo, một sulfone và một muối natri hữu cơ Nó

10

chứa một remazole cam - 3R (2-) Nó có thể được phân hủy sinh học bằng men

Consorttum Spp Màu nhuộm ROI6 thuộc nhóm màu nhuộm viny]sulfone vả nó được

sử dụng để nhuộm sợi xenlulo

Tên thông thuong: Remazol Brilliant Orange 3R

Tén IUPAC: 6 — acetamido — 4 — hydroxy—3-[[4-(2 sulfonatooxyethylsulfonyl) phenyl] diazenylJnaphthalene-2-sulfonate

Khối lượng phân tử: 617,54 g/mol

Công thức hóa hoc: C2oH 17N3Na201183

Công thức cấu tạo:

Hình 1.3 Cấu trúc hóa học của màu nhuộm Reactive Orange 16 [20]

1.3 TONG QUAN VE MOT SO PHUONG PHAP XU LY MAU NHUOM TRONG NƯỚC THÁI DỆT NHUỘM

Xử lý độ màu nước thái dệt nhuộm có rất nhiều phương pháp bao gồm cá sinh học và hóa ly Phương pháp sinh học là nhờ các vị sinh vật và phương pháp hóa lý là

sử dụng các hóa chất và tính chất vật lý nhằm oxy hóa các chất hữu có khó phân hủy trong nước thải

1.3.1 Phương pháp hóa lý

1.3.1.1 Keo tụ - tạo bông

Trong kỹ thuật xử lý này, các chất keo tụ được thêm vào trong điều kiện trộn

mạnh Sau đó, điện tích của các hạt phân tán mịn bị giảm đi, hoặc chúng bị trung hòa

vì sự hiện điện của chất keo tụ Sau đó, các chất keo tụ được trộn nhẹ nhảng để tập hợp các hạt mịn lại với nhau vả chúng tạo thành các hạt lớn hon Cuối cùng, các hạt

lớn được loại bỏ bằng cách lắng cặn [25] Quá trình keo tụ - tạo bông cũng được sử

11

dụng hiệu quả trong việc xử ly nước thải dệt nhuộm Hầu hết, các chất keo tụ vô cơ,

chang hạn như nhôm sunfat Alz(SO¿)s, nhôm clorua AlzC]: và sắt sunfat Fez(SO¿)a

được sử dụng trong quá trình này Tuy nhiên, sử dụng chất keo tụ vô cơ có một số

nhược điểm như nồng độ nhôm tồn đư cao, có thê gây phát triển bệnh Alzheimer và

chứng sa sút trí tuệ do tuổi gia [8]

1.3.1.2 Trao đổi ion

Trao đổi ion đã được chú ý trong vai nam gan day, chủ yếu là đo hiệu quá cao, chi phí thấp và các tính năng hấp dẫn khiến nó trở nên hấp dẫn đối với các ứng dụng

như lọc nước, loại bỏ kim loại nặng và xử lý nước thải đệt nhuộm [25] Trao đổi ion

là sự trao đổi thuận nghịch của các ion gitra chất rắn (vật liệu trao đổi 10n) vả chất

lỏng mà trong đó không có sự thay đổi trong cấu trúc của chất rắn [§] Cơ chế loại bỏ

mảu nhuộm dựa trên việc sử dụng các tương tác mạnh hiện có giữa các nhóm chức

có trên nhựa trao đổi ion và màu nhuộm Trong quá trình này, việc đạt được hiệu qua

phân tách là kết quả của việc hình thành các liên kết bền vững giữa các hạt nhựa trao

đổi ion và các chất hòa tan [25] Màu nhuộm được sử dụng trong ngành dệt nhuộm

hiện nay được tạo thành tử chromophore (nhóm mang mảu) và auxochrome, được

xác định là các nhóm anion điển hình Do đó, nhựa trao đổi anion có sẵn trên thi trường có thê được sử dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm [8]

1.3.1.3 Màng lọc

Một trong những công nghệ xử lý tiên tiến để loại bỏ màu, COD và độ mặn từ

nước thải là lọc màng Trong công nghệ này, nước thải đi qua màng có các lỗ nhỏ và các chất hòa tan lớn hơn các lỗ này sẽ bị giữ lại phía sau nó [25] Ưu điểm chính của quá trình màng là không sử dụng hóa chất Mặt khác, quá trình màng cũng có những nhược điểm, chủ yêu là hiện tượng bám bắn [§]

12

Bang 1.1 Cac loai mang loc [8]

Qua Kich Áp suất Tínhthấm Loại màng Ung dung

trình thước lỗ (bar) — (L/mẺˆ.h.bar)

màng màng

(nm)

Viloe 50-5000 01-2 >50 Mang x6p Tách chất rắn

lơ lửng Siêu lọc 2-2009 1-§ 10 — 50 Mang x6p Cô đặc, phân

tách và xử lý

các đại phân

tử trong dung

dịch

Lọc nano 1-2 5 —20 1,4 - 20 Mang Phan tach cac

khôngxốp chất hòa tan

trong dung

dịch

Tham 10 — 100 0,05 — 1,4 Mang Cô đặc các

ngược dung địch trong dung

dịch

1.3.1.4 Phương pháp oxy hóa nâng cao (AOPSs)

Các quá trình oxy hóa nâng cao là những quá trình phân hủy oxy hóa dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl 'OH được tạo ra ngay trong quá trình xử lý Gốc hydroxyl được xem là tác nhân oxy hóa mạnh có khả năng oxy hóa tất cá các hợp chất hữu cơ dù là loại khó phân hủy sinh học nhất, biến chúng thành các hợp chất vô

cơ như: CO, HO và các axit vô cơ [54] Các công nghệ khác nhau như ozơn hóa,

Fenton, quang — Fenton, xúc tác quang, oxy hóa điện hóa, siêu âm, plasma và các quá

13

trình dựa trên ta UV đã được nghiên cứu là công nghệ độc lập hoặc kết hợp để xử ly

xử ly nước thải dệt nhuộm [25]

Cơ chế của quá trình oxy hóa nâng cao gồm 3 bước [32]:

- Bước 1: Tạo các chất oxy hóa mạnh như: *OH, HO?', O¿”

- Bước 2: Các chất oxy hóa nảy phản ứng với các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải chuyên chúng thành các hợp chất đễ phân hủy sinh học

- Bước 3: Quá trình oxy hóa các chất trung gian dễ phân hủy sinh học này dẫn

đến quá trình khoáng hóa hoàn toản ra CO›, HaO và muối vô cơ

Đặc điểm nỗi bật của gốc «OH là phán ứng với tất cả các chất khác nhau đề oxy hóa và phân hủy chúng trong khi các tác nhân oxy hóa khác không thê xảy ra với tắt

cá mọi chất và không thê xảy ra triệt để Đặc tính của các gốc tự do là trung hòa về điện Mặt khác, các gốc này không tổn tại sẵn trong môi trường như những tác nhân oxy hóa thông thường, mà được sản sinh ngay trong quá trình phản ứng, có thời gian sống rất ngắn, khoảng vài nghìn giây nhưng liên tục được sinh ra trong suốt quá trình

phản ứng [53]

1.3.2 Phương pháp sinh học

Mặc dù nước thái đệt nhuộm là nước thải công nghiệp ô nhiễm mạnh nhưng cũng có một phần hàm lượng chất hữu cơ có thê phân hủy sinh học Do đó các quá

trình sinh học hiếu khí, ky khí, thiếu khí và sự kết hợp của chúng cũng đã được ứng

dụng hiệu quả trong xử lý nước thải dệt nhuộm [8] Phương pháp này có những ưu điểm đáng kế do sử dụng các nhóm vi sinh vật khác nhau và khá năng phân hủy các chất ô nhiễm khác nhau có trong nước thái Có hai quá trình chính của quá trình khử

mau mau nhuộm: (¡) hấp phụ trên sinh khối vi sinh vật, và (¡ï) phân hủy sinh học màu

nhuộm bởi các tế bào vi sinh vật, tức là chất xúc tác sinh học [25] Trong phương

pháp sinh học, các vị sinh vật tự thích nghi với màu nhuộm và các chủng mới có khả

năng phân hủy màu nhuộm phát triển tự nhiên ngoài nhu cầu sống sót, sau đó chuyên

đổi một số màu nhuộm thành dạng ít độc hơn Cơ chế phân hủy sinh học đối với màu

14

nhuộm bền dựa trên hoạt d6ng cua cac enzym nhu laccase, lignin peroxidase, NADH-

DCIP reductase, tyrosinase, hexane oxidase and aminopyrine N-demethylase [14]

Vị khuẩn, tảo, nắm và men là một số vi sinh vật có tiềm năng biến đổi phân tử mảu nhuộm thành các dang ít có hại hơn Các thành phần của thành tế bảo (tức là lipid va polysaccharid di thé), được coi là đặc tính của v1 sinh vật, bao gồm các nhóm

chức năng khác nhau (hydroxyl, amino, phosphate, carboxyl va các nhóm tích điện

khác) tạo ra lực hút giữa thành tế bào và màu nhuộm azo có trong nước thải [2Š]

Nhiều phương pháp xử lý màu nhuộm đã được nghiên cứu và chứng minh, trong

đó phương pháp hấp phụ đã nổi lên như một trong những kỹ thuật loại bỏ màu nhuộm

được ưa chuộng vì khả năng đặc biệt của nó để loại bỏ hầu hết các loại màu nhuộm

Quá trình hấp phụ cung cấp một giái pháp thay thế tốt để xử lý nước bị ô nhiễm, đặc biệt nêu chất hấp phụ tiết kiệm và không yêu cầu thêm bước tiền xử lý trước khi áp dụng Nhược điểm của phương pháp này là chi phí chất hấp phụ cao, nhưng với việc phát hiện ra chất hấp phụ có hiệu quả tương đương nhưng chỉ phí rẻ, phương pháp

này đã trở thành một cách loại bỏ màu nhuộm kinh tế trên toàn thế giới [9]

1.4 TONG QUAN VE LY THUYET HAP PHU

1.4.1 Khái niệm

Hấp phụ là một hiện tượng bề mặt và nó là quá trình phân tách hỗn hợp ở quy

mô phòng thí nghiệm và quy mô công nghiệp, có thể được giải thích là sự gia tăng nồng độ của một thành phan cy thé tai bề mặt phân cách giữa hai pha [28]

- Chất hấp phụ: Thuật ngữ chất hấp phụ thường dùng để chỉ chất rắn có diện tích bề mặt riêng lớn, có độ xốp cao, có kích thước hạt đồng đều/ đa dạng, cầu trúc lỗ đồng nhất/ không đồng nhất và kích thước phân tử khác nhau đề nhanh chóng hap phụ các chất [12], là chất mà trên bề mặt xảy ra sự hấp phụ [50]

- Chất bị hấp phụ: Các phân tử tập trung ở bề mặt hoạt động của chất hấp phụ

được gọi là chất bị hấp phụ Theo quan điểm của hấp phụ, các chất này ở thê khí hoặc pha lỏng là mục tiêu cần được loại bỏ khỏi phan lớn của hệ thống và bị giữ lại trên

chất hấp phụ [12].

15

1.4.2 Phân loại quá trình hấp phụ

Hiện tượng hấp phụ được phân loại là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Có

sự khác biệt giữa hấp phụ vật lý (dựa trên lực liên phân tử yếu như lực Van đer

Waals) và hấp phụ hóa học (bao gồm việc tạo ra các liên kết hóa học mạnh mẽ giữa

chất bị hấp phụ và các nhóm chức năng trên bề mặt chat hap phy) [12]

1.4.2.1 Hấp phụ vật lý

Trong hấp phụ vật lý, sự liên kết và tích tụ của các chất xảy ra thông qua lực hút

nhu lye Van der Waals Loai hap phy nay con duoc goi 1a hap phy Van der Waals, được coi là quá trình hấp phụ thuận nghịch do liên kết yếu gây ra bởi tương tác Van der Waals Hấp phụ vật lý bao gồm tương tác Van der Waals và lực hút tĩnh điện

Lực Van der Waals luén tén tại, trong khi lực tĩnh điện chỉ quan trọng trong các cấu trúc không trung tính hoặc 1on như zeolit hoặc khung kim loại - hữu cơ [12] Nói một

cách khác, trong hap phụ vật lý các phân tử của chat bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà chỉ bị ngưng

tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt bằng lực liên kết phân tử yếu

(lực Vanđer waals) và liên kết hiđro Sự hấp phụ vật lý luôn luôn thuận nghịch Nhiệt hấp phụ thường nhỏ Hấp phụ vật lý thường thấy nhiều trong hấp phụ đa lớp [50]

4 Dặc điểm của quá trình hấp phụ vật lý [50]:

- Lực hấp phụ là lực Van der Waals

- - Quá trình là thuận nghịch, nghĩa là cùng với sự hấp phụ còn có sự giái hấp phụ

- Entanpy hap phy tir 8 — 12 kJ/mol

- Nang lượng hoạt hóa: E = 0

-_ Có thê hấp phụ đơn lớp hay đa lớp

-_ Quá trình hấp phụ xảy ra ở nhiệt độ thấp

16

chia sẻ cac electron, dan dén liên kết hóa học rất mạnh giữa chúng Phản ứng hóa học,

bao gồm liên kết cộng hóa trị, ion va lién kết hydro, xảy ra trên bề mặt của chất hấp phụ và được coI là hấp phu Langmuir [12] Sy hap phụ hóa học luôn luôn bat thuận

nghịch Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thê đạt tới giá trị 800kJ/mol [50]

4 Dặc điểm của quá trình hấp phụ hóa học [50]:

- Lực hấp phụ là lực hóa học

- Qua trình là bất thuận nghịch

- Entanpy hap phy tir 40 — 800 kJ/mol

- Năng lượng hoạt hóa thường nhỏ

- Chi la hap phu don lop

- Qua trinh hap phy xay ra ở nhiệt độ cao

- C6 tinh chon loc

Một quá trình hap phụ có bán chất vật ly hoặc hóa học tùy thuộc vào bán chất của

chất bị hấp phụ, chất hap phy va dung môi Sự phân biệt hấp phụ vật lý hay hóa học

không có ranh giới rõ rệt Trong thực tế, các loại hấp phụ trên đều xảy ra đồng thời nhưng tủy theo điều kiện thực tế mà loại này hay loại kia chiếm ưu thế hơn [50] Ở

vùng nhiệt độ thấp thường xảy ra hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm, khả năng hấp phụ hóa học tăng lên [46]

1.4.3 Các dạng phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

1.4.3.1 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Đường đăng nhiệt Langmuir (1918) là một trong những mô hình hấp phụ đơn giản

nhất Mô hình này giá định độ phủ đơn lớp, năng lượng liên kết không đổi giữa bề mặt

chất hap phy va chat bi hap phụ, và không có tương tác giữa các chất bị hấp phụ [15] Langmuir đưa ra những giá định để thiết lập thuyết hấp phụ như sau [48]:

- Lye gay nén sự hap phụ là lực hóa học, lực của những hóa trị thừa Do đó,

thực chất quá trình hấp phụ là một quá trình hóa học

- Quá trình hấp phụ xáy ra tại những trung tâm hấp phụ Những trung tâm hấp

phụ có thé 1a những đỉnh, cạnh, chỗ lỗi lõm hoặc cũng có thê là những chỗ bị rạn nứt

nữa cho nên lớp hấp phụ là lớp đơn phân tử

- Langmuir khéng tinh đến lực tác dụng tương hỗ giữa các phân tử bị hấp phụ,

có nghĩa là sự tồn tại của phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ không ánh hướng đến sự hấp phụ tièp theo của những phân tử khác

-_ Những phân từ của chất bị hấp phụ được giữ lại ở trung tâm hấp phụ trong một thời sian Sau đó bị bật ra ngoài nhường chỗ cho các phân tử khác Thời gian tồn

tại của phân từ chất bị hấp phụ trên bề mặt phụ thuộc vào nhiệt độ Ở nhiệt độ thấp thi các phân tử bị giữ lại lâu hơn, còn ở nhiệt độ cao thì thời gian đó ngắn Ở nhiệt độ

quá cao thì thời gian tổn tại chỉ bằng một phần triệu giây

Phương trinh hap phy dang nhiét Langmuir c6 dang [15]:

Trong do:

+ qe: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g);

+ qmax: Dung luong hap phy cue dai (mg/g);

+ Ce: Néng d6 cua chat bi hap phy tai thời diém can bang (mg/L);

+ Ki: Hang sé Langmuir (1/mg)

Phuong trinh Langmuir chi ra hai tinh chat dac trung cua hé [46]:

+ Trong ving néng d6 nho Ki.Ce << 1 thi qe = qmax.Ki.Ce mé ta vùng hấp phụ

tuyén tinh

+ Trong vung nong d6 lon Kr.C >> 1 thi qe = qmax.Ki.Ce mé ta ving hap phu

bao hoa

Khi nồng độ chất hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳng nhiệt

biểu diễn là một đoạn cong

hang s6 gmax, Kitrong phuong trinh

Từ giá trị qua„ ta sẽ tính được hăng số K

1.4.3.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich

Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich mô tá quá trình hấp phụ thuận nghịch

và không lý tưởng Không giống như mô hình đẳng nhiệt Langmuir, mô hình

Freundlich không bị giới hạn đối với sự hình thành đơn lớp, trong đó có thé ap đụng

nó cho sự hấp phụ đa lớp [2]

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich có dạng [12]:

de = Kp cl (15)

19

Trong do:

+ qe: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g);

+ Kp: Hang số hap phy Freundlich;

+ C;: Nông độ của chat bi hap phụ tại thời điểm cân bằng (mg/1);

+n! Hang số, luôn lớn hơn 1

Nếu C = 1 don vi, q = Kz hay Kz chính là đung lượng hấp phụ tại C = 1, vay Kr

đại lượng có thể dùng để đặc trưng cho khá năng hấp phụ của hệ, giá trị KF lớn đồng

nghĩa với hệ có khả năng hấp phụ cao Hệ số 1/n < 1 (tương ứng với n > 1) là bậc mũ

cua C luôn nhỏ hơn 1, nó đặc trưng định tính cho bản chất lực tương tác của hệ, nếu l/n nhỏ (n lớn) thì hấp phụ thiên về dạng hóa học và ngược lại, nếu l/n lớn (n nhỏ)

thi ban chất lực hấp phụ thiên về dạng vật lý, lực hấp phụ yếu Vì 1/n luôn nhỏ hơn 1 nên đường biểu điễn của phương trình (1.5) là một nhánh của đường parabol, và được

gọi là duong hap phy dang nhiét Freundlich [5 1]

Đường đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ Freundlich cho thấy rằng năng lượng hấp phụ mở rộng theo cấp số nhân với các vị trí hấp phụ Mô hình này, không giống

như mô hình Langmuir, không xác định khá năng hấp phụ tối đa và do đó, chỉ áp

dụng được ở nồng độ thấp đến trung bình Trong mô hình này, giá định rằng các vị

trí đầu tiên được lấp đầy với độ bền mạnh hơn và độ bền của liên kết giảm khi tỷ lệ

lấp đầy của vị trí tăng lên [12]

Đề xác định các hằng số, đưa phương trình (1.5) về dạng đường thẳng:

1

In q¿ =lnKpg + n1 C, (1.6)

Với hệ hấp phụ lỏng — rắn, n có giá trị năm trong khoảng tử 1 — 10 thê hiện sự

thích hợp của mô hình [12] Như vậy, n cũng là một trong các giá trị đánh giá được

sự phủ hợp của mô hình với thực nghiệm

1.5 TONG QUAN VE THAN HOAT TINH

1.5.1 Sơ lược về than hoạt tính

Than hoạt tính được định nghĩa rộng là bao gồm nhiều loại vật liệu gốc cacbon

vô định hình được chế tạo theo cách mà chúng có độ xốp cao và điện tích bề mặt mở

20

rộng Hơn nữa, tat ca các tạp chất không phải cacbon được loại bỏ và bề mặt được oxy hóa [10] Than hoạt tính được chế tạo từ các nguồn chứa cacbon trong tự nhiên

như: gỗ, tre nứa, gáo dừa, than bùn, than, nhựa đường và các vật liệu khác chứa

xenlulozơ Các nguyên liệu chứa cacbon có thê chuyên thành than hoạt tính bằng

phương pháp cacbon hóa, nhiệt hóa, hoạt hóa hóa học , sản phẩm thu được sẽ có sự

khác nhau phụ thuộc vào bán chất của nguyên liệu được sử dụng, bán chất của tác nhân hoạt hóa và điều kiện hoạt hóa Trong quá trình hoạt hóa hầu hết các nguyên tố khác trong nguyên liệu tạo thành sản phâm khí và bay hơi bởi nhiệt phân hủy nguyên liệu ban đầu Các nguyên tử cacbon sẽ nhóm lại với nhau thành các lớp vòng thơm liên kết với nhau một cách ngẫu nhiên Sự sắp xếp của các lớp vòng thơm này không tuân theo qui luật do đó đề lại các chỗ trống giữa các lớp [56] Than hoạt tính có điện

tích bề mặt hấp phụ cao (500 — 1500 m”/g), trong khi thể tích lỗ trong khoảng 0,7 đến

1,8 cm/g Than hoạt tính được sử dụng chủ yếu ở dạng than hoạt tính dạng bột (PAC)

hoặc than hoạt tính dạng hạt (GAC) [10]

Thành phần chính của than hoạt tính là nguyên tổ cacbon ở đạng vô định hình, hàm lượng khoảng 85 — 95% Ngoài ra than hoạt tính còn chứa các nguyên tô khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh và oxi Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá

trình khác [50] Than hoạt tính là một chất hấp phụ có nhiều ưu điểm vượt trội so với

các chất hấp phụ khác như zeolit, silica và polyme Than hoạt tính rẻ tiền, ổn định

trong môi trường axit và bazơ, sức bền cơ học cao, không nở ra hoặc co rút lại khi có

sự thay đổi pH và có khá năng tái sinh Khá năng hấp phụ cực đại của than hoạt tính phụ thuộc vào cấu trúc ban đầu của nguyên liệu thô và quy trình tạo ra nó [56] Trên thực tế đến 80% tổng lượng than hoạt tính dùng để hấp phụ các chat trong

pha lỏng Tính đến năm 2014, tại Mĩ lượng than hoạt tính được sản xuất ước tính là khoảng 1,1 triệu tấn tăng 10% so với nhu cầu dự kiến [33] Điều này chứng tỏ sự phổ

biến cũng như tiềm năng sử dụng than hoạt tính là rất lớn Tuy nhiên, đã có nhiều nghiên cứu nhằm biến đổi bề mặt than hoạt tính về mặt cấu trúc hay tạo ra các nhóm

21

chức năng mới nhằm tăng cường khả năng hấp phụ cũng như tăng tính hấp phụ có

chọn lọc hơn của than hoạt tính

1.5.2 Đặc điểm của than hoạt tính

1.5.2.1 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính

Than hoạt tính có sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tỉnh thê và liên kết ngang bền giữa chúng nên làm cho than hoạt tính có cấu trúc lỗ xốp khá phát triển [24] Cau trúc bề mặt xốp được tạo ra trong quá trình than hóa và phát triển hơn trong quá trình hoạt hóa tạo ra khoảng trống giữa các tính thể Quá trình hoạt hóa làm tăng thê tích

và làm rộng đường kính lỗ xốp [56] Sự hoạt hóa cũng loại bỏ cacbon không ở trong

cầu trúc, làm lộ ra các tỉnh thê hoạt động dưới sự tác động của các tác nhân hoạt hóa

dẫn đến phát triển cấu trúc lỗ xốp Trong giai đoạn sau của phản ứng, sự mở rộng của các lỗ rỗng hiện có và sự hình thành các lỗ rỗng lớn hơn bằng cách đốt cháy các vách ngăn giữa các lễ liền kề cũng điễn ra Điều này làm tăng độ xốp chuyến tiếp và độ xốp vĩ mô, dẫn đến giảm thé tích lỗ xốp nhỏ [24] Câu trúc xốp của than được thể hiện thông qua các thông số: diện tích bề mặt (S,), thể tích lỗ mao quản Các thông

số này còn được tính riêng theo từng kích cỡ hạt Dựa vào kích thước hạt người ta chia làm 3 loại: lễ bé hay còn gọi micropore (d < 2 nm), lỗ trung bình hay còn gọi mesopore (2 nm < d < 50 nm) và lỗ lớn hay còn gọi macropore (d > 50 nm) Trong

đó các lỗ xốp mieropore quyết định phần lớn điện tích bề mặt than hoạt tính, phần còn lại là các lỗ xốp mesopore và maeropore [50]

Macropore (> 50nm)

Mesopore (2~50nm) Micropore (0.7~2nm)

Hình 1.6 Cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính [17]

22

Lỗ xốp nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ hơn

2 nm Sự hấp phụ trong các lỗ xốp này xảy ra theo cơ chế lấp đây thê tích lỗ, và không xảy ra sự ngưng tụ mao quán Năng lượng hấp phụ trong các lỗ xốp này lớn hơn rất nhiều so với lỗ xốp trung bình hay bề mặt không xốp vì sự chồng chéo của lực hấp phụ từ các vách đối điện nhau của vi mao quản Chúng có thê tích lễ xốp từ 0,15 — 0,7 cm/g Diện tích bề mặt riêng của lễ xốp nhỏ chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của than hoạt tính Cấu trúc lễ xốp nhỏ của than hoạt tính được xác định rõ hơn bằng

hấp phụ khí, hơi và phương pháp nhiễu xạ tia X [24]

Lỗ xốp trung bình (Mesopore) hay còn gọi là lỗ xốp trung chuyên có bán kính

hiệu đụng từ 2 đến 50 nm, thể tích của chúng thường từ 0,1 đến 0,2 cmỶ/g Diện tích

bề mặt của lỗ xốp này chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than Tuy nhiên, bằng phương pháp đặc biệt người ta có thể tạo ra than hoạt tính có lỗ xốp trung bình

lớn hơn, thể tích của lỗ xốp trung bình đạt được từ 0,2 - 0,65 cmỶ⁄g và diện tích bề

mặt của chúng đạt tới 200 m”/g Các lỗ xốp này đặc trưng bằng sự ngưng tụ mao quán

của chất hấp phụ với sự tạo thành một khối đàn hồi của chất lỏng bị hấp phụ [24]

Lỗ xốp lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ của than hoạt tính bởi vì chúng có điện tích bề mặt rất nhỏ và không vượt quá 0,5 m'/g Chúng có bán kính hiệu dụng lớn hơn 50 nm vả thường trong khoảng 500 — 2000 nm

với thể tích lỗ xốp từ 0,2 — 0,4 cm3/g Chúng hoạt động như một kênh vận chuyển

cho chất bị hấp phụ vảo trong lỗ xốp nhỏ và lỗ xốp trung bình [24]

Mỗi loại lỗ xốp trong than hoạt tính thể hiện một vai trò nhất định trong quá

trình hấp phụ Lỗ xốp nhỏ chiếm diện tích bé mat va thê tích lớn nhất trong than hoạt tính đo đó đóng vai trò quan trọng nhất trong khá năng hấp phụ của than hoạt tính

Lỗ xốp nhỏ được lấp đây ở điều kiện áp suất hơi tương đối thấp trước khi bắt đầu ngưng tụ mao quán Lỗ xốp trung bình được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối cao với

sự xây ra ngưng tụ mao quản Lỗ xốp lớn có thể tạo điều kiện cho phân tử chất bị hấp

phụ đi chuyển nhanh tới lỗ xốp nhỏ hơn [56].

23

1.5.2.2 Cấu trúc hóa học của bề mặt than hoạt tính

Bề mặt than hoạt tính thường chứa các phức chất của oxy khác nhau Các phức chất này phát sinh từ nguyên liệu thô cũng như từ quá trình hấp thụ oxy hóa học trong

quá trình hoạt hóa Phức chất của oxy trên bề mặt than hoạt tính tồn tại chủ yếu ở

dạng bốn oxit bề mặt có tính axit khác nhau, đó là nhóm cacboxylie mạnh, cacboxylic yếu, phenolie và nhóm cacbonyl Ngoài ra, còn có các nhóm cơ bản như ete mạch

vòng Sự hiện diện của các oxIt bề mặt tạo thêm bán chất phân cực cho than hoạt tính

Xử lý nhiệt cacbon trong môi trường khí trơ hoặc chân không có thê loại bỏ các nhóm

oxit bề mặt này [10]

Các nghiên cứu nhiễu xạ tia X chỉ ra rằng các nguyên tử hoặc các phân tử khác loại được liên kết với cạnh hoặc góc của các vòng thơm hoặc với các nguyên tử cacbon ở các vị trí rỗng làm tăng các nhóm hợp chất cacbon - oxi, cacbon - hydro,

cacbon - nitơ, cacbon - lưu huỳnh, cacbon - halogen trên bề mặt, chúng được biết đến

như là các nhóm bẻ mặt Các nguyên tử khác nhau này có thể sát nhập trong lớp than tao ra hệ thống các câu trúc vòng khác loại Do các cạnh này chứa các tâm hấp phụ chính, sự có mặt của các hợp chất bề mặt hay các loại phân tử làm biến đổi đặc tính

bề mặt và đặc điểm của than hoạt tính [24]

Các nhóm chức bề mặt đóng một vai trò quan trọng trong quá trình hap phy các phân tử hữu cơ khác nhau Ví dụ, các hợp chất thơm có thê được hấp phụ tại oxy

cacbonyl trên bề mặt cacbon theo cơ chế tạo phức chất cho — nhận Oxy cacbonyl

đóng vai trò là chất cho điện tử, trong khi vòng thơm của chất tan hoạt động như chất nhận điện tử Sự hấp phụ cũng xảy ra bằng liên kết hydro của các proton phenolie với các nhóm chức bề mặt và bằng cách tạo phức với các vòng của các mặt phẳng vi tinh

thể Than hoạt tính có thể chứa một lượng lớn khoáng chất, chủ yếu là các ion canxi,

sunfat và photphat Các nhóm nảy cũng như các nhóm chức bề mặt hữu cơ có tính axit hoặc bazơ ảnh hưởng đến tính chất bề mặt than hoạt tính [10]