- Thành phần nước thải phụ thuộc vào: đặc tính của vật liệu nhuộm, bản chất của thuốc nhuộm; các chất phụ trợ và các hóa chất khác được sử dụng.. - Độ màu cao do dư lượng thuốc nhuộm tro
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA- ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
KHOA MÔI TRƯỜNG
BÀI TIỂU LUẬN
CHUYỂN KHỐI TRONG KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
Đề Tài : VẬT LIỆU NANOCOMPOSITES TRÊN CÁC ỐNG NANOCARBON ĐA VÁCH ĐƯỢC SỬA ĐỔI NHẰM LOẠI BỎ
THUỐC NHUỘM CATION KHỎI NƯỚC
GVHD: PGS.TS Lê Phước Cường
Nhóm Thực Hiện:
Nguyễn Thị Ngọc Ánh 117210018
Lưu Thị Mỹ Duyên 117210020
Hồ Thị Hồng 117210021
Nguyễn Thị Thùy Ngân 117210025
Võ Trần Ngọc Quý 117210090
Đà Nẵng, tháng 9 năm 2022
Trang 2PHỤ LỤC
1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2
1.1 Thực trạng 2
1.2 Mục tiêu 3
1.2.1 Vật liệu 3
1.2.2 Phương pháp .…………….3
1.2.3 Chức năng hóa MWCNTs với các hạt nano vật liệu tổng hợp ……… … … …4
1.2.4 Đặc điểm của các oxit kim loại đã điều chế, các hạt nano vật liệu tổng hợp và các MWCNT biến tính 4
1.2.5 Kiểm tra thí nghiệm hấp phụ ……… ……….5
2 NỘI DUNG 5
2.1 Đặc điểm của hạt nano……… ………6
2.1.1 Nghiên cứu quang phổ hồng ngoại FOURIER………6
2.1.2 Nghiên cứu nhiễu tia xạ X……… 7
2.1.3 Nghiên cứu hiển vi điện tử quét phát xạ trường và hồ sơ EDX……… 8
2.2 Hấp phụ Nito ở nhiệt độ thấp trên vật liệu nano oxit kim loại 11
2.3 Xác định thông số tối ưu để loại bỏ MB……….13
2.3.1 So sánh các chất hấp phụ……… 13
2.3.2 Ảnh hưởng của các thông số: thời gian, liều lượng, nhiệt độ đến việc loại bỏ MB
…….……… 13
2.3.3 Cơ chế của MB trên MWCNTs được biến đổi bằng oxit kim loại….………… 16
3 KẾT LUẬN……… … 16
4 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18
Trang 31 ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 Thực trạng.
Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp dệt nhuộm đã góp một phần rất lớn vào sự phát triển kinh tế chung của cả nước Ngành công nghiệp dệt nhuộm không những đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước mà còn thu được giá trị kinh tế lớn nhờ xuất khẩu Bên cạnh đó, ngành dệt nhuộm còn giải quyết việc làm cho một lực lượng lớn lao động
Tuy nhiên, hầu hết các nhà máy, xí nghiệp dệt nhuộm ở nước ta đều chưa có hệ thống xử lý nước thải mà đang có xu hướng thải trực tiếp ra sông, suối, ao, hồ,… loại nước thải này có độ kiềm cao, độ màu lớn, nhiều hóa chất độc hại đối với loài thủy sinh
Nguồn nước thải phát sinh trong công nghiệp dệt nhuộm là từ các công đoạn hồ sợi, rũ hồ, nấu tẩy, nhuộm và hoàn tất Nguồn gốc phát sinh các chất ô nhiễm trong nước thải bao gồm:
- Các tạp chất tách ra từ vải sợi như: dầu mỡ; các tạp chất chứa Nitơ; các chất bụi bẩn dính vào sợi (chiếm 6% khối lượng xơ)
- Hóa chất sử dụng: hồ tinh bột, ;; NaOH; NaOCl; ; ; ;…các loại thuốc nhuộm; các chất trơ; chất ngấm; chất cầm màu; chất tẩy giặt
- Thành phần nước thải phụ thuộc vào: đặc tính của vật liệu nhuộm, bản chất của thuốc nhuộm; các chất phụ trợ và các hóa chất khác được sử dụng Các loại thuốc nhuộm được đặc biệt quan tâm vì chúng thường là nguồn sinh ra các kim loại; muối và màu trong nước thải Các chất hồ vải với lượng BOD; COD cao và các chất hoạt động bề mặt là nguyên nhân chính gây ra tính độc cho thuỷ sinh của nước thải dệt nhuộm Có thể tóm tắt những ảnh hưởng do các chất ô nhiễm trong nước thải ngành dệt nhuộm tới nguồn tiếp nhận như sau:
- Độ kiềm cao làm tăng pH của nước; nếu pH >9 sẽ gây độc hại cho các loài thủy sinh
- Muối trung tính làm tăng tổng hàm lượng chất rắn Nếu lượng nước thải lớn
sẽ gây độc hại cho các loài thủy sinh do tăng áp suất thẩm thấu; ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của tế bào
- Hồ tinh bột biến tính làm tăng BOD; COD của nguồn nước gây tác hại đối với đời sống thuỷ sinh do làm giảm oxy hòa tan trong nước
- Độ màu cao do dư lượng thuốc nhuộm trong nước thải gây màu cho nguồn tiếp nhận, ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của các loài thuỷ sinh; ảnh hưởng tới cảnh quan Các chất độc nặng như sunfit kim loại nặng, các hợp chất halogen hữu cơ (AOX) có khả năng tích tụ trong cơ thể sinh vật với hàm lượng tăng dần theo chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái nguồn nước; gây
ra một số bệnh mãn tính đối với người và động vật
- Hàm lượng ô nhiễm các chất hữu cơ cao sẽ làm giảm oxy hòa tan trong nước; ảnh hưởng đến sự sống các loài thuỷ sinh
Trang 4Thuốc nhuộm thường không phân hủy sinh học và ổn định với ánh sáng và nhiệt Do sự hiện diện của thuốc nhuộm trong nước thải, chúng trở nên độc hại và khá khó chịu Tốc độ quang hợp của cây thủy sinh đã bị ảnh hưởng rất nhiều do sự cản trở trong việc truyền ánh sáng mặt trời là gây ra bởi nồng độ thuốc nhuộm cao trong nước Metylen xanh lam( MB) và metylen da cam là loại thuốc nhuộm phổ biến nhất ở quy mô công nghiệp Việc tiếp xúc lâu dài với thuốc nhuộm có thể dẫn đến các vấn đề huyết thanh ở người như bệnh tim Cân bằng nội môi và đột biến di truyền giữa các loài thủy sản cũng được gây ra bởi sự tích tụ thuốc nhuộm lâu dài
1.2 Mục tiêu.
1.2.1 Vật liệu.
Amoni metavanadate (, 99,99%, Sigma Aldrich Co.); Axit nitric (, 99,8%,‐ Merck Chemicals Co.); CTAB (, 99%, Merck Chemicals Co.); Ethanol (99,7%, Sigma Aldrich Co.); Cerium (IV) sulfat tetra hydrat ( 99%, Merck Chemicals‐ Co.); Urê (, Merck Chemicals Co.); Dimethyl sulfoxide (DMSO, 99,7%, Merck Chemicals Co.); Natri hydroxit (NaOH, 99%, VWR Chemicals Co.); Axit sulfuric (, 99,6%, VWR Chem icals Co.); Axit clohydric (HCl, 99,8%, VWR Chemicals Co.); Tita nium tetraclorua (, 99,8%, Sigma Aldrich Co.); MWCNTs được điều‐ chế thương mại, 6 TNNF, Times Nano China, được sản xuất bằng kỹ thuật lắng‐ ‐ đọng hơi hóa học, đã được sử dụng cho nghiên cứu này
1.2.2 Phương pháp.
nano được điều chế bằng cách sử dụng bazơ hồi lưu phương pháp thủy nhiệt
sử dụng , EtOH, , và nước cất (DW) Đầu tiên, 0,10 g cùng với 0,10 g , được thêm vào 100 mL hỗn hợp nước - etanol (07:03) Axit nitric được thêm vào từ từ trong điều kiện khuấy liên tục cho đến khi thu được 2,5 pH Sau khi hỗn hợp axit được trộn lại trong khoảng 6 giờ Các kết tủa được rửa nhiều lần bằng DW và sau
đó bằng (etanol) Các chất kết tủa được làm khô ở 90 ° C trong tủ sấy trong khoảng
60 phút để thu được các hạt nano vanadia được đặt tên là mẫu đã chuẩn bị và mẫu được ủ ở 500 ° C) Các phương trình 1–3 cho thấy:
2 + 2 + (1)
(2)
+ (3)
nano được điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt dựa trên nồi hấp, sử dụng , kali hidroxit( KOH), etanol và nước cất 5 mL được đo thành một bình tròn trong bể nước lạnh và 75 mL etanol được thêm vào trong khi khuấy trong khi phản ứng ổn định và 25 mL nước được thêm vào khi khuấy Thêm 3,0g (KOH) vào dung dịch cho đến khi pH trở thành 1,50 Dung dịch kết quả được giữ ở khoảng 200 ° C trong
9 giờ trong nồi hấp và sau đó được ủ ở 500 ° C
Trang 5+ 4HCl+ (4)
+ (5)
Xeri đioxit cũng được điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt dựa trên nồi hấp
sử dụng , , và nước cất Đầu tiên, 2,34g xeri sulfat tetrahydrat (), 2,10g , và 1,39g được thêm vào trong 50 mL DW và khuấy trong khoảng 30 phút Hỗn hợp thu được được đặt trong nồi hấp 50 mL và giữ ở 200 ° C trong khoảng 12 giờ Sau khi nhiệt độ trở nên gần bằng nhiệt độ phòng, được rửa nhiều lần bằng nước cất và ly tâm Các kết tủa được rửa bằng - OH và được làm khô ở khoảng 90°C trong 60 phút và sau đó được ủ ở khoảng 500°C Phương trình 6–8 cho thấy các phản ứng hóa học để điều chế kích thước nano xeri đioxit
+ + (6)
+ + + (7)
+ (8)
Hỗn hợp : và : được điều chế bằng cách trộn và các oxit kim loại , hoặc theo
tỷ lệ số mol 3: 1, trong khi hỗn hợp : : được điều chế bằng cách trộn , và theo tỷ
lệ số mol 3 : 0,5: 0,5 trong etanol bằng cách khuấy trong 6 giờ, sau đó hỗn hợp được ủ trong 2 giờ ở 500°C trong lò
1.2.3 Chức năng hóa MWCNTs với các hạt nano vật liệu tổng hợp
Các axit mạnh ( và ,) MWCNTs được sử dụng để hóa chức năng Quá trình này dẫn đến sự hình thành các nhóm cacboxylat và hydroxyl trên MWCNTs Dung dịch axit đậm đặc được thêm vào cốc cùng với 3,0 g MWCNTs và đặt siêu âm trong 30 phút Sau khi hỗn hợp sonication được hồi lưu trong một bình cầu đáy tròn trong 4h Quá trình hư cấu hóa trên bề mặt của MWCNTs được thực hiện với các oxit kim loại và hỗn hợp kim loại Đầu tiên, 2,0% trọng lượng các hạt nano oxit kim loại (, , ) và vật liệu tổng hợp của chúng được trộn với 1,0g MWCNTs trong 70 mL Hỗn hợp thu được được khuấy ở khoảng 40°C trong 4 giờ, sau đó được đưa vào siêu âm trong 30 phút Sau khi hỗn hợp này được hồi lưu ở khoảng 90°C và được chuyển lên men trong nồi hấp ở 200°C trong 4 giờ Sản phẩm thu được rửa sạch và làm khô trong tủ sấy ở 85°C
1.2.4 Đặc điểm của các oxit kim loại đã điều chế, các hạt nano vật liệu tổng hợp và các MWCNT biến tính.
Các chất tổng hợp vanadi pentoxit, titan điôxít và xeri điôxít kích thước nano đã được điều chế, vật liệu tổng hợp : , : , : : và MWCNTs biến đổi được đặc trưng về mặt phân tích Nhiễu xạ tia X (XRD) sử dụng Phòng thí nghiệm X 6000‐
Trang 6SHIMADZU, Nhật Bản, được sử dụng để xác định cấu trúc hóa học của các hạt nano FESEM bằng cách sử dụng TESCAN Mira3, được sản xuất tại Cộng hòa Séc
để nghiên cứu hình thái học của hạt nano Rung động của các nhóm chức năng trong vật liệu tổng hợp nano được nghiên cứu bằng cách sử dụng EDX SEM‐ (INSPECT S50, manufac được thực hiện ở Hà Lan) và FTIR (Perkin Elmer, sản xuất tại Hoa Kỳ) Diện tích bề mặt và thể tích lỗ được nghiên cứu bằng cách sử dụng BET (ASAP 2000)
1.2.5 Kiểm tra thí nghiệm hấp phụ.
Dung dịch xanh metylen (MB) trong nước có ngưỡng hấp thụ tối đa là 6.252 *
M / L, được đo bằng cách sử dụng máy quang phổ UV / Visible( Quang phổ tử ngoại khả kiến) trong khoảng bước sóng 400– 700 nm Độ hấp thụ cực đại của thuốc nhuộm được tìm thấy là λmax = 665 nm (Hình 1a) Các nồng độ khác nhau của xanh methylen theo % trọng lượng (04, 08, 12 16, 18 và 20 mg / L) được chuẩn bị bằng cách sử dụng dung dịch gốc để phân tích tia UV Đồ thị độ hấp thụ của MB với hàm số nồng độ của nó có thể được nhìn thấy trong Hình 1b
Hình 1
Dung dịch gốc MB cho thí nghiệm hấp phụ được chuẩn bị và pha loãng bằng
DW Thí nghiệm hấp phụ được thực hiện qua chế độ mẻ Độ pH được điều chỉnh từ
6 đến 7 bằng cách sử dụng dung dịch HCl 0,1 N và NaOH 0,1 N 20 mL dung dịch
MB được sử dụng cho mỗi lần thử nghiệm và 4,5 mg oxit kim loại / MWCNT được thêm vào dung dịch Hiệu quả hấp phụ được nghiên cứu theo chức năng của tốc độ trộn, liều lượng chất hấp phụ, thời gian tiếp xúc và nhiệt độ Sau thí nghiệm hấp phụ, chất hấp phụ được thu gom và ly tâm với tốc độ 5000 vòng / phút trong khoảng 10’ Máy quang phổ UV-Visible được sử dụng để xác định nồng độ của thuốc nhuộm trong dung dịch nổi phía trên Giá trị λmax cho MB được sử dụng để
đo độ hấp phụ cân bằng Phần trăm loại bỏ được tính toán bằng cách sử dụng các giá trị của hai nồng độ tương ứng, tức là:
Phần trăm loại bỏ( %) = [ ]
Trang 7Ở đó:
= nồng độ hấp phụ MB, mg/L
= nồng độ cuối cùng của dung dịch MB, mg/L
Lượng MB hấp thụ ở trạng thái cân bằng được tính toán bằng phương trình sau: = ( - ) x
Ở đó:
= tổng độ hấp phụ của MB
V = tổng thể tích dung dịch MB, L
W = khối lượng chất hấp phụ được sử dụng g
Thử nghiệm được thực hiện 3 lần trong cùng một điều kiện để tính toán các giá trị trung bình, được báo cáo tại đây
2 NỘI DUNG
2.1 Đặc điểm của hạt nano.
2.1.1 Nghiên cứu quang phổ hồng ngoại FOURIER
FTIR Phổ FTIR của thuốc nano ở 90 ° C được giải thích trong SI (Hình 1) Phổ FTIR của bột nano và được thể hiện trong Hình 2 và giải thích chi tiết của chúng được trình bày trong SI Các chất chính của vật liệu tổng hợp : và : : có thể được nhìn thấy trong Hình 2 ở khoảng 1020, 808 và 580 phân biệt khi kéo dài V =
O, dao động đối xứng của V O V và dao động không đối xứng của dải V O V.‐ ‐ ‐ ‐ Nguyên tử oxy được điều phối tạo ra một đỉnh hấp thụ kéo dài vào khoảng 4 Sự hiện diện của trong : : thể hiện dải dao động yếu ở 520 là do dao động kéo dài của Ti O.‐
Hình 2
Trang 82.1.2 Nghiên cứu nhiễu tia xạ X.
Bản ghi XRD được thực hiện cho tất cả các mẫu hạt nano , , và các vật liệu nano của chúng được hiển thị trong SI (Hình 2) Các bản ghi XRD cho MWCNT thô, oxy hóa, , và cho MWCNT biến tính oxit hỗn hợp cũng đã được thực hiện Tất cả các số liệu và giải thích cũng có sẵn trong SI
Bản ghi XRD cho và các vật liệu tổng hợp MWCNT của chúng được trình bày trong Hình 3a Bản ghi XRD cho thấy các lớp graphene được bảo quản trong MWCNTs sau khi xử lý axit và thay thế ôxít kim loại Các các cực đại nhiễu xạ đối với các ôxít kim loại trong MWCNT đã sửa đổi có mặt ở (0 0 2), (1 0 0) và (1 0 1) của graphene, được lập chỉ mục trong JCPDS
Pha tinh thể chính của các lớp graphene MWCNTs được ghi lại cho tất cả các chế phẩm hỗn hợp oxit : : / MWCNTs Sự xuất hiện của các tinh thể oxit riêng lẻ cũng có thể được nhìn thấy (Hình 3b) Pha tinh thể chính của các lớp graphene MWCNTs được ghi lại cho tất cả các chế phẩm hỗn hợp oxit : : / MWCNTs
Hình 3
2.1.3 Nghiên cứu hiển vi điện tử quét phát xạ trường và
hồ sơ EDX.
Hình 4a hiển thị ảnh SEM với độ phóng đại 200 nm của Có thể quan sát thấy các hạt xuất hiện ở dạng các bông nano Hình ảnh còn lại cho tất cả các oxit kim loại kích thước nano , và MWCNTs mod ified được hiển thị trong SI (Hình 3 và 5) Hình 4b đại diện cho hình ảnh FESEM của composite (: ) Rõ ràng là xeri điôxít kích thước nano được nạp trên bề mặt của các mảnh vảy nano vanadi pentoxit Theo kết quả EDX, tỷ lệ : khi điều chế gần với tỷ lệ lý thuyết 3: 1 Kết quả hình EDX cho thấy trong SI (Hình 4)
Trang 9Hình 4.
Hồ sơ SEM đối với các MWCNT được cải tiến bằng oxit kim loại và kích thước của ống / ống phân chia được thể hiện trong Hình 4c và d Rõ ràng là không
có sự thay đổi đáng kể nào trong MWCNTs xảy ra trong quá trình biến đổi nhiệt Theo kết quả EDX, khoảng 5% trọng lượng oxit kim loại được tải vào MWCNTs (Bảng 1) Lượng hỗn hợp các oxit nanocompozit được sửa đổi MWCNTs khác nhau và thay đổi từ 0: 4 đến 5% trọng lượng đối với các oxit riêng lẻ (Bảng 1), nó tóm tắt kết quả EDX về thành phần bề mặt của các oxit đơn và (các) oxit kim loại hỗn hợp MWCNTs được sửa đổi (Hình 5) Kết quả đã chứng minh sự hiện diện của các hạt nano oxit kim loại trên MWCNTs Kết quả EDX ủng hộ quan điểm rằng thành phần thực của mẫu gần với thành phần được tính toán
Trang 10Bảng 1.
Hình 5
Trang 112.2 Hấp phụ Nito ở nhiệt độ thấp trên vật liệu nano oxit kim loại.
Các mẫu oxit kim loại 0,5–1,0g được nung ở 500°C và hút chân không ở nhiệt độ 160° C, sau đó được sử dụng để hấp phụ bazơ nitơ có diện tích bề mặt và thể tích lỗ tương đối cao (69 / g) trong số các oxit kim loại nguyên chất được điều chế (Bảng 2) có diện tích bề mặt thấp nhất, 3/ g và nó là thành phần chính của hỗn hợp nano oxit kim loại hỗn hợp (: : là 1,02: 0,32: 0,29) Diện tích bề mặt hỗn hợp các oxit kim loại phụ thuộc vào khối lượng của các oxit cũng như tương tác của các oxit tạo thành
Bảng 2
Sự gia tăng thêm diện tích bề mặt đã được quan sát thấy sau sự lắng đọng của các oxit kim loại trên MWCNTs (Bảng 3) Bảng 3 cho thấy các giá trị đánh giá hình thái đối với MWCNTs gốc tươi, xử lý axit, , , Sự hao hụt khối lượng mẫu có thể được quan sát thấy trong quá trình thải khí trước khi thực hiện phân tích BET
Từ tất cả các MWCNT, tổn thất khối lượng cao nhất được quan sát thấy ở các chất
bị ôxy hóa và : / MWCNT là khoảng 7,9 % trọng lượng (Bảng 3) Sự mất khối lượng này là do sự hiện diện của hơi ẩm hoặc axit ngưng tụ Xử lý axit MWCNTs với 3: 1 dẫn đến các vị trí bị đào thải trên bề mặt gây chia tách các ống Việc chia nhỏ làm tăng khối lượng cuối cùng của các MWCNT đã được sửa đổi (Bảng 3)
Xử lý axit MWCNTs dẫn đến sự hình thành các func có tính axit nhóm tional như nhóm cacboxyl và hydroxyl có khả năng chặn các lỗ chân lông nhỏ) Điều này cũng có thể làm giảm giá trị SBET từ 156 xuống 140 / g Tổng kích thước lỗ phân
bố cũng có thể được thực hiện (Hình 6)