Tổng hợp vật liệu ni mofrgo và nghiên cứu Ứng dụng hấp phụ chất màu methylene blue trong môi trường nước

Vật liệu biến tính khung hữu cơ kim loại nickel 2-methylimidazole phân tán trên graphene oxide dạng khử Ni-MOF/rGO đã được nhóm nghiên cứu của chúng tôitổng hợp và được chứng minh có khả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

Đà Nẵng - Năm 2024

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN HỒ HƯƠNG THẢO

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và nhóm nghiên cứu, với sự hướng dẫn của TS Vũ Thị Duyên, khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm, Đại học

Đà Nẵng

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, được các đồng tác giả cho phép sử dụng Những nội dung khóa luận có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo của khóa luận

Nguyễn Hồ Hương Thảo

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS Vũ Thị Duyên, người Cô đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm khóa luận tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm – Đại học

Đà Nẵng, đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này

Tôi xin cảm ơn quý Thầy/Cô trong bộ môn Hóa Lý và phương pháp giảng dạy, Hóa vô cơ và phân tích, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng

đã giúp đỡ tôi trong quá suốt thời gian làm khóa luận

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, những Thầy/Cô và bạn bè đã tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 2

4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc của luận văn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Sơ lược về vật liệu khung hữu cơ kim loại MOFs 4

1.2 Giới thiệu graphite, graphite oxide, graphene oxide, và graphene oxide dạng khử 7

1.2.1 Graphite 7

1.2.2 Graphite oxide 8

1.2.3 Graphene oxide 8

1.2.4 Graphene oxide dạng khử 9

1.3 Sơ lược về chất màu methylene blue (MB) 10

1.3.1 Cấu tạo, tính chất và độc tính 10

1.3.2 Ứng dụng của methylene blue 11

1.3.3 Một số phương pháp xử lý MB đã được nghiên cứu, áp dụng 12

1.4 Sơ lược về phương pháp hấp phụ 13

1.4.1 Khái niệm hấp phụ 13

1.4.2 Động học quá trình hấp phụ 14

1.4.3 Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt 15

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 17

2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 17

2.1.1 Hóa chất 17

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 17

2.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu 17

2.2.1 Tổng hợp graphite oxide (GrO) và graphene oxide dạng khử (rGO) 17

2.2.3 Tổng hợp vật liệu Ni-MOF/rGO 18

2.3 Phương pháp xác định các đặc trưng lý hóa của vật liệu 18

2.4 Phương pháp xác định nồng độ chất màu hữu cơ 18

2.4.1 Phương pháp trắc quang (UV-Vis) 18

2.4.2 Xây dựng đường chuẩn của methylene blue 20

2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình hấp phụ methylene blue của Ni-MOF/rGO 20

2.5.1 Ảnh hưởng của thời gian 20

2.5.2 Ảnh hưởng của pH 21

2.5.3 Ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu 21

2.5.4 Ảnh hưởng của nồng độ đầu chất màu 21

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22

3.1 Kết quả xác định các đặc trưng lý hóa của vật liệu 22

3.1.1 Phổ XRD 22

3.1.2 Phổ EDX 22

3.1.3 Hình ảnh SEM 23

3.2 Kết quả xác định phương trình đường chuẩn của methylene blue 24

3.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố tới quá trình hấp phụ methylene blue của vật liệu Ni-MOF/rGO 25

3.3.1 Ảnh hưởng của thời gian 25

3.3.2 Ảnh hưởng của pH 28

3.3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu 29

3.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ đầu chất màu 31

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 34

1 Kết luận 34

2 Kiến nghị 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hiệu

1.1 Số lượng MOFs được công bố mỗi năm từ 2000 đến 2020 4

3.1 Phổ XRD của các mẫu vật liệu Ni-MOF/rGO, Ni-MOF và

3.5 Đồ thị phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ MB vào thời gian 26

3.6

Đồ thị mô tả động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 của quá trình hấp phụ màu methylene blue bằng vật liệu Ni-MOF/rGO

27

3.7

Đồ thị mô tả động học hấp phụ biểu kiến bậc 2 của quá trình hấp phụ màu methylene blue bằng vật liệu Ni-MOF/rGO

27

3.9 Đồ thị phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ chất màu

3.10 Đồ thị phụ thuộc của dung lượng hấp phụ chất màu

3.11 Đồ thị phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ chất màu

3.12 Đồ thị mô tả phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

3.13 Đồ thị mô tả phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

3.1 Thành phần nguyên tố trong mẫu vật liệu Ni-MOF/rGO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

là thách thức lớn đối với các nhà khoa học [5]

Graphene với những tính chất độc đáo như độ dẫn điện, độ bền cơ học cao, dẫn nhiệt tốt, không thấm khí, nhận được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới Các nghiên cứu về graphene thường dựa trên việc oxi hóa graphite thành graphite oxide/graphene oxide theo phương pháp Hummers Quá trình oxi hóa kèm theo bóc tách bằng siêu âm tạo ra graphene oxide, sau đó khử graphene oxide thành graphene bằng các chất khử khác nhau Nhằm tăng khả năng ứng dụng của graphene trong các lĩnh vực khác nhau, các nhà khoa học đã thực hiện biến tính graphene bằng các hợp chất vô cơ cũng như hữu cơ

Vật liệu biến tính khung hữu cơ kim loại nickel 2-methylimidazole phân tán trên graphene oxide dạng khử (Ni-MOF/rGO) đã được nhóm nghiên cứu của chúng tôitổng hợp và được chứng minh có khả năng hấp phụ tốt các chất màu hữu cơ rhodamine B và methylene blue Tuy nhiên các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng

đến quá trình hấp phụ chất màu bằng Ni-MOF/rGO chưa được nghiên cứu chi tiết

Xuất phát từ thực tế đó tôi chọn đề tài: “Tổng hợp vật liệu Ni-MOF/rGO và nghiên

cứu ứng dụng hấp phụ chất màu methylene blue trong môi trường nước”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tổng hợp được vật liệu Ni-MOF/rGO;

- Nghiên cứu hấp phụ chất màu methylene blue bằng Ni-MOF/rGO

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Tìm hiểu về vật liệu khung hữu cơ kim loại MOFs, Ni-MOF và graphene oxide dạng khử: phương pháp điều chế, đặc điểm, ứng dụng

- Tìm hiểu về chất màu methylene blue: cấu tạo, tính chất, ứng dụng, nguy cơ gây ô nhiễm môi trường,

- Tham khảo các tài liệu về các phương pháp hấp phụ chất màu, các phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu, phương pháp xác định nồng độ chất màu hữu cơ trong nước…

4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp thủy nhiệt để tổng hợp Ni-MOF/rGO

- Phương pháp xác định các đặc trưng hóa lý của vật liệu: XRD, EDX, SEM

- Phương pháp xác định nồng độ chất màu hữu cơ: phương pháp trắc quang (UV-Vis), phương pháp xây dựng đường chuẩn

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Kết quả của đề tài đóng góp thông tin về ứng dụng của vật liệu composite khung hữu cơ kim loại phân tán trên nền graphene oxide dạng khử, thông tin về quá trình hấp phụ chất màu methylene blue bằng vật liệu Ni-MOF/rGO

- Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho những nghiên cứu sau này

6 Cấu trúc của luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Sơ lược về vật liệu khung hữu cơ kim loại MOFs

Vật liệu khung hữu cơ kim loại (Metal Organic Framework, viết tắt là MOF) là một dạng vật liệu mới gồm nhiều loại vật liệu có cấu trúc tinh thể và diện tích bề mặt riêng lớn từ 1000 – 10000 m2/g, được tổng hợp lần đầu tiên vào năm 1995 bởi giáo sư Omar M.Yaghi Vật liệu MOFs không chỉ có độ xốp cao, cấu trúc dễ điều chỉnh mà còn có khả năng thích ứng, linh hoạt hơn các vật liệu xốp truyền thống Sự ra đời của loại vật liệu này là bước phát triển cho các loại vật liệu cổ điển như than hoạt tính, zeolite với các vấn đề cấu trúc không đồng nhất, kích thước lỗ xốp không đều, chi phí

và độ ổn định cao Tính đến thời điểm hiện tại từ 2005 đến nay đã có hơn 2000 cấu trúc MOFs được công bố và số lượng tăng dần theo các năm[14], [20]

Hình 1.1 Số lượng MOFs được công bố mỗi năm từ 2000 đến 2020

Về cấu trúc, vật liệu MOFs được xây dựng bao gồm 2 thành phần chính là

phần vô cơ và các liên kết hữu cơ

+ Phần vô cơ – kim loại trong kết cấu vật liệu MOFs: Còn được gọi là đơn vị thứ cấp – secondary building units, viết tắt là SBUs là phần bao gồm các phi kim điển hình là oxygen, nitrogen và các ion kim loại như kim loại chuyển tiếp, kim loại nhóm chính, kiềm Cụ thể là Cu, Co, Zn, Fe…[8]

+ Phần liên kết hữu cơ trong kết cấu vật liệu MOFs: Thường là carboxylate,

phosphonate, pyridyl, imidazolate hoặc các nhóm chức azolate khác Nhiệm vụ của các liên kết hữu cơ là thanh chống các ion kim loại và là cầu nối trong cấu trúc của MOFs vì được hình thành trước Theo nghiên cứu, cấu trúc của MOFs sẽ được quyết định bởi phần vô cơ cùng kích thước, hình dạng các cầu nối Trong đó hình dạng của khung vật liệu MOFs được quyết định phần lớn bởi độ dài liên kết [8]

Hình 1.2 Sự hình thành cấu trúc vật liệu MOFs

Tính chất của vật liệu MOFs:

+ Độ ổn định nhiệt của MOFs: Vật liệu MOFs không bền về nhiệt so với zeolite

và dễ bị phá hủy ở nhiệt độ cao trên 500 C hoặc thậm chí ở nhiệt độ thấp trong chân không Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định nhiệt của MOFs là vị trí, bản chất nhóm chức, độ cứng kim loại, sự có mặt của các dung môi… đều tác động đáng kể đến nhiệt độ phân hủy Nguyên nhân chính gây ra sự mất ổn định nhiệt trong hầu hết các vật liệu MOFs là sự đứt gãy liên kết giữa nút – linker kèm theo quá trình đốt cháy linker [15]

+ Độ bền hóa học: Là yếu tố đảm bảo vật liệu có khả năng năng chống lại tác động của môi trường: nước, độ ẩm, tác nhân oxi hóa… nhắm tránh cấu trúc của vật liệu bị phá hủy Phương pháp xác định dùng nhiễu xạ bột (còn gọi là phân tán tia X) của MOFs trước và sau khi ngâm trong một dung môi nhất định (ví dụ: nước, dung môi hữu cơ) để quan sát các thay đổi trong cấu trúc và tính chất của MOFs sau khi tiếp xúc với dung môi[16]

+ Độ bền trong nước: Đa số vật liệu MOFs thông thường sẽ không ổn định trong nước do sự tác động vào nút kim loại liên kết phối trí, kết quả làm sụp đổ khung cấu trúc Phương pháp để tăng độ ổn định của vật liệu MOFs trong nước là tăng độ mạnh liên kết giữa các phần vô cơ và liên kết hữu cơ Ví dụ một số vật liệu MOFs ổn

định trong nước: Chromium-based MIL 101, zeolitic imidazolate framework (ZIFs), meta azolate frameworks (MAFs)…[17], [18], [19]

+ Độ ổn định acid/base: Hầu như các vật liệu MOFs đều kém bền trong môi trường acid/base và các loại môi trường hóa chất do liên kết phối trí yếu Tuy nhiên, hiện nay các nhà nghiên cứu để cải thiện độ bền trong acid/base của vật liệu MOFs cần

sử dụng các phương pháp như: kết hợp các kim loại hóa trị cao và carboxylate để tạo nên MOFs có khả năng chống lại sự tấn công của H+ giúp cho vật liệu bền trong môi trường acid hoặc kết hợp kim loại hóa trị thấp và azolate để tạo ra MOFs bền trong môi trường kiềm [11]

+ Độ ổn định cơ học: Vật liệu MOFs có kích thước lỗ lớn, độ xốp cao nên độ

ổn định cơ học yếu trong điều kiện áp suất cao, chịu tải trọng lớn Nhất là dễ biến dạng khi áp suất bên ngoài mạnh, thậm chí là thay đổi hình dạng, biến đổi pha, sụp đổ lỗ xốp… [11]

Về ứng dụng, hiện nay, vật liệu MOFs được ứng dụng rộng rãi và phổ biến

trong rất nhiều lĩnh vực, dưới đây là một số ứng dụng điển hình nhất [17]:

+ Hấp phụ chất hữu cơ, kim loại nặng giúp loại bỏ các chất độc ra khỏi môi trường nhờ cấu trúc mao quản và độ xốp đặc trưng Đặc biệt là trong hệ thống nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, vật liệu MOFs được ưu tiên sử dụng

+ Trong phân tách hóa học nhờ diện tích bề mặt riêng lớn, các lỗ xốp có cấu trúc trật tự và kích thước có thể thay đổi trong khoảng rộng, nhóm chức hóa học đa dạng trên bề mặt bên trong lỗ xốp và bên ngoài, có độ bền nhiệt chấp nhận được

+ Trong kỹ thuật y sinh, điển hình là trong lĩnh vực dẫn truyền thuốc nhờ đặc tính không đọc, phân hủy sinh học tốt

+ Trong kỹ thuật xúc tác, vật liệu MOFs được sử dụng để làm chất xúc tác hoặc biến tính cho các phản ứng hóa học

UiO-66-NH2 được tổng hợp trên nền vi hạt silica đã cho thấy khả năng hấp phụ đặc biệt cao đối với ion dicromate (137 mg/g), methylene blue (1275 mg/g) và methyl orange (909 mg/g) với độ ổn định cao và khả năng tái sử dụng trong nhiều chu kỳ [13]

Cu-MOF-1 là một loại vật liệu MOF được hình thành bằng cách sử dụng copper

là cụm kim loại và các liên kết hữu cơ Cấu trúc của nó tạo ra các lỗ rỗng có thể bắt và tách các phân tử khác nhau, nên có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng từ xử lý nước đến lưu trữ và phát triển thuốc Trong y học, Cu-MOF-1 có khả năng tương thích sinh

học đã được sử dụng để lưu trữ và giải phóng procainamide HCl Đây là một loại thuốc chống loạn nhịp tim được sử dụng phổ biến trong y học [9], [12]

Ni-MOF là một loại vật liệu MOF được hình thành bằng cách sử dụng nickel và các dẫn xuất của nó như là cụm kim loại và các liên kết hữu cơ Nó có diện tích bề mặt

cụ thể cực cao, kích thước lỗ rộng và ổn định nhiệt hóa/ hóa học/ nước tốt, điều này khiến nó được sử dụng rộng rãi trong việc vận chuyển thuốc, lưu trữ và tách khí, xúc tác…

1.2 Giới thiệu graphite, graphite oxide, graphene oxide, và graphene oxide dạng khử

1.2.1 Graphite

Graphite là một trong những dạng thù hình ổn định nhất và phổ biến nhất của carbon, có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt với mật độ 2,09 - 2,23 g/cm3 Edward G Acheson đã tổng hợp graphite lần đầu tiên trong một thí nghiệm ở nhiệt độ cao trên carborundum Ông phát hiện ra rằng ở khoảng 4150C, silicon trong carborundum bị bay hơi, để lại carbon ở dạng graphite Acheson đã được cấp bằng sáng chế cho việc sản xuất graphite vào năm 1896 và việc sản xuất thương mại bắt đầu vào năm 1897 và

mở ra cánh cửa cho nhiều ứng dụng mới của vật liệu này

Hình 1.3 Cấu trúc của graphite

Với kiến trúc lưới phức tạp, graphite hiển thị tính chất lớp đặc biệt Mỗi nguyên

tử carbon trong lớp liên kết với ba nguyên tử carbon khác, tạo ra các vòng sáu cạnh

liên kết với nhau thành một lớp vô tận Điều này tạo ra một mạng lưới mạnh mẽ và linh hoạt, cho phép các lớp graphite trượt qua nhau và tách ra dễ dàng dưới tác động của lực Độ dài của liên kết C–C trong các lớp là 0,142 nm, hơi lớn hơn so với liên kết C–C trong vòng benzene (0,139 nm) Liên kết p trong graphite không định xứ trong toàn lớp tinh thể, do đó graphite dẫn nhiệt và dẫn điện rất hiệu quả Khoảng cách giữa các lớp là 0,340 nm, và các lớp trong tinh thể graphite liên kết với nhau bằng lực Van der Waals, khiến cho graphite trở nên mềm mại và linh hoạt, có thể trượt qua nhau và tách ra khi có lực tác dụng Tính chất đặc biệt này không chỉ tạo điều kiện cho việc sử dụng graphite trong nhiều ứng dụng công nghiệp mà còn mở ra cánh cửa cho nghiên cứu và phát triển vật liệu mới dựa trên tính linh hoạt và đa dạng của nó [10]

1.2.2 Graphite oxide

Graphite oxide (GrO) về cơ bản, đó là các tấm carbon hai chiều gấp nếp có nhiều nhóm chức chứa oxygen trên bề mặt và ở các biên xung quanh với độ dày khoảng 1 nm và kích thước hai chiều thay đổi từ vài nanomet đến vài micromet GrO không chỉ là một vật liệu có tính chất đặc biệt mà còn mang lại ý nghĩa qua trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ

Trong thế kỷ XIX, các nhà khoa học như Brodie và Hofmannn đã tiên phong trong việc nghiên cứu về GrO và quá trình tổng hợp của nó, quá trình này đã được xây dựng và cải tiến nhiều lần với các chất oxi hóa khác nhau như KMnO4, H2SO4 đặc và

H3PO4 Những hợp chất thu được khác nhau một ít về thành phần hóa học tùy theo phương pháp sử dụng

Tuy nhiên, mặc dù đã được biết đến từ lâu, nhưng chỉ trong thời gian gần đây, đặc biệt là trong thế kỉ XXI, GrO mới bắt đầu thu hút sự quan tâm đáng kể từ cộng đồng nghiên cứu khoa học, nhờ vào tiềm năng của nó trong các ứng dụng từ vật liệu composite đến điện tử và xử lý nước [2]

Hình 1.4 Cấu trúc của GO theo Lerf - Klinowski

GO thu được bằng cách xử lý than chì với chất oxi hóa mạnh theo các phương pháp: Brodie (KClO3 trong HNO3), Staudenmaier (KClO3, NaClO3 trong H2SO4 và HNO3) và Hummers (KMnO4 và NaNO3 trong H2SO4) Nhờ có thêm các nhóm chức chứa oxygen trên đã làm tăng lên rất nhiều khả năng phản ứng của GO, đồng thời làm tăng khoảng cách giữa các lớp GO và tăng tính ưa nước của nó Do đó, GO được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như: công nghệ vật liệu, công nghệ màng để sản xuất nhiên liệu sinh học, lĩnh vực y tế, công nghệ sinh học và trong xử lý môi trường

GO sở hữu những ưu điểm nổi bật như: diện tích bề mặt riêng lớn, tính ái nước cao và có tính tương thích sinh học nên GO là vật liệu tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải với vai trò như là chất hấp phụ [6]

1.2.4 Graphene oxide dạng khử

Graphene oxide dạng khử được tạo ra thông qua quá trình oxi hóa khử từ GO thông thường Trong cấu trúc của nó, các nhóm chức oxy đã bị loại bỏ hoặc giảm đi, tạo ra một vật liệu với tính chất gần giống với graphene

Đối với các ứng dụng như lưu trữ năng lượng ở quy mô lớn/công nghiệp, graphene oxide khử là một lựa chọn tốt Chủ yếu là do, rất dễ sản xuất hợp chất này ở quy mô lớn hơn là sản xuất graphene

Có một số cách để chúng ta có thể khử graphene oxide để thu được graphene oxide khử Trong số đó, các kỹ thuật quan trọng là phương pháp nhiệt, hóa học hoặc điện hóa Sử dụng các phương pháp hóa học có một lợi thế lớn vì khi đó chúng ta có thể mở rộng quy mô sản xuất theo ý muốn Tuy nhiên, hầu hết các trường hợp, sản phẩm từ phương pháp hóa học có đặc tính điện và diện tích bề mặt thấp hơn tiêu chuẩn

Sử dụng trong các nghiên cứu về graphene, sản xuất pin, ứng dụng y sinh, trong sản xuất siêu tụ điện [2]

1.3 Sơ lược về chất màu methylene blue (MB)

1.3.1 Cấu tạo, tính chất và độc tính

• Cấu tạo

Methylene blue là chất tạo màu cation thuộc họ phenothiazines, được sử dụng khá phổ biến trong công nghệ dệt nhuộm, làm chất chỉ thị và thuốc trong y học Đây là một chất khó phân hủy khi thải ra môi trường nước, gây mất vẻ đẹp mĩ quan, ảnh hưởng xấu đến quá trình sản xuất và sinh học [3]

Công thức phân tử: C16H18ClN3S.3H2O

Công thức cấu tạo của methylene blue:

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của methylene blue

MB được điều chế bởi hai nhà hóa học người Đức là Heinrich Caro và Paul Ehrlich vào năm 1876 Methylene blue có cấu tạo gồm hai thành phần là nhóm thiazine và nhóm trợ màu (N(CH3)2) do đó mà nó được xếp vào loại thuốc nhuộm

• Tính chất

Methylene blue là một chất tinh thể màu xanh lục, có ánh kim, tan nhiều trong nước, ethanol Trong hóa học phân tích, methylene blue được sử dụng như một chất chỉ thị với thế oxi hóa khử tiêu chuẩn là 0,01V Dung dịch của chất này có màu xanh khi trong một môi trường oxi hóa, nhưng sẽ mất màu và chuyển sang không màu nếu tiếp xúc với một chất khử [3]

Hình 1.6 Bột methyle ne blue

• Độc tính

Mặc dù không được liệt vào các nhóm hóa chất gây độc cao, nhưng methylene blue có thể gây tổn thương tạm thời da và mắt trên con người và động vật Methylene blue là một chất có hoạt tính sinh học và nếu được tiêm không phù hợp, nó có thể dẫn đến một số biến chứng sức khỏe, bao gồm cả rối loạn tiêu hóa Nếu dùng một lượng lớn methylene blue có thể gây thiếu máu và một số triệu chứng ở đường tiêu hóa khi uống hoặc tiêm tĩnh mạch liều cao Thường gặp: thiếu máu, tan máu Ngoài ra, người bệnh có thể thấy buồn nôn, nôn, đau bụng, chóng mặt, đau đầu, sốt, hạ huyết áp, đau vùng trước tim, kích ứng bàng quang, da có màu xanh

Methylene blue là một chất gây ức chế MAO (monoamine oxidase) như furazolidone (Furoxone), isocarboxazid (Marplan), phenelzine (Nardil),… cực mạnh

và trong con người nó gây ra serotonin có khả năng gây tử vong Đã có một số trường hợp tử vong ở người do độc tính serotonin Những phụ nữ có thai và cho con bú, người bệnh có chức năng thận yếu nên thận trọng khi dùng methylene blue bởi vì dùng methylene blue kéo dài có thể dẫn đến thiếu máu do tăng phá huỷ hồng cầu và gây tan máu đặc biệt ở trẻ nhỏ và người bệnh thiếu glucose [3]

1.3.2 Ứng dụng của methylene blue

• Ứng dụng

- Sử dụng trong công nghiệp

Trong các loại thuốc nhuộm, thuốc nhuộm cation, bao gồm cả methylene blue đều được sử dụng trong sản xuất sơn và nhuộm len Methylene blue cũng được sử dụng trong vi sinh, phẫu thuật, chuẩn đoán bệnh và như chất gây ức chế quá trình oxi hóa của chất thải hữu cơ Nhiều thuốc nhuộm được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau chẳng hạn như dệt may, giấy, cao su, nhựa, thực phẩm và dược phẩm [3]

- Sử dụng trong y học

Methylene blue là loại thuốc giải độc, sát khuẩn nhẹ có các dạng dùng như viên nén, thuốc tiêm, dung dịch dùng ngoài 1% hoặc dung dịch milian (gồm methylene blue, tím gentian, ethanol, nước cất…)

Methylene blue được dùng trong điều trị methemoglobin - huyết do thuốc hoặc không rõ nguyên nhân, điều trị ngộ độc cyanid và điều trị triệu chứng methemoglobin

- huyết với liều tiêm tĩnh mạch cho người lớn và trẻ em là: 1 - 2 mg/kg, tiêm chậm trong vài phút

Methylene blue cũng có tác dụng sát khuẩn nhẹ và nhuộm màu các mô Methylene blue có một số ứng dụng đáng chú ý trong y học lâm sàng như để điều trị nhiễm virut ngoài da như herpes simplex, điều trị chốc lở, viêm da mủ, sát khuẩn đường niệu sinh dục và làm thuốc nhuộm các mô trong một số thao tác chẩn đoán (nhuộm vi khuẩn…) Ngoài ra, nó còn được xem như là thuốc giải độc cyanid, nitroprusiat và các chất gây ethemoglobin huyết Methylene blue là một loại thuốc thường an toàn nếu sử dụng hợp lí liều lượng và cách dùng [3]

1.3.3 Một số phương pháp xử lý MB đã được nghiên cứu, áp dụng

Do đặc thù công nghệ, nước thải dệt nhuộm có các chỉ số TS (là lượng khô tính bằng mg của phần còn lại sau khi làm bay hơi 1 lít mẫu nước trên nồi cách thủy rồi sấy khô ở 105°C cho tới khi khối lượng không đổi (mg/L), TSS (là tổng lượng vật chất hữu cơ và vô cơ lơ lửng (phù sa, mùn bã hữu cơ, tảo) lơ lửng trong nước), độ màu, COD và BOD cao, bên cạnh đó phải kể đến một số lượng đáng kể các kim loại nặng độc hại như Cr, Cu, Co, Zn… ở các công đoạn khác nhau Chính vì thế cần phân luồng dòng thải theo tính chất và mức độ gây ô nhiễm: dòng ô nhiễm nặng như dịch nhuộm, dịch hồ, nước giặt đầu, dòng ô nhiễm vừa như nước giặt ở các giai đoạn trung gian, dòng ô nhiễm ít như nước giặt cuối …để có biện pháp xử lý phù hợp Trong thực tế để đạt được hiệu quả xử lý cũng như kinh tế, người ta không dùng đơn lẻ mà kết hợp các phương pháp xử lý hóa lý, hóa học, sinh học, nhằm tạo nên một quy trình xử lý hoàn chỉnh Trên thế giới có nhiều loại hình công nghệ để xử lý methylene blue đang được

áp dụng là: quang xúc tác, phân hủy điện hóa, màng trao đổi cation, phương pháp keo

tụ, phương pháp oxi hóa tăng cường và phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ được xem là phương pháp ưu việt nhất Sử dụng phương pháp này có thể xử lý triệt để, loại bỏ hầu hết các chất vô cơ và hữu cơ, màu sắc, mùi

vị, không để lại ô nhiễm phụ sau xử lý, thu gom và kiểm soát được hoàn toàn chất thải Tuy nhiên, điều này cũng còn phụ thuộc vào khả năng chất hấp phụ sử dụng và kinh phí cho phép [1]