Với ý tưởng biến rác thải thành nguồn nguyên liệu cho chế tạo vật liệu đã nhận thấy rác thải nhựa PET có tiềm năng cho việc tạo ra vật liệu cacbon hoạt tính cho ứng dụng hấp phụ.. Và với
TỔNG QUAN
Vấn đề rác thải nhựa và các giải pháp xử lý phổ biến hiện nay
Thực trạng về rác thải nhựa và các tác hại của rác thải nhựa a Trên thế giới
Hiện nay, môi trường toàn cầu đang đối mặt với nhiều mối nguy hại, dẫn đến sự suy giảm chất lượng sinh thái Ô nhiễm rác thải nhựa là một trong những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường.
Trong hơn 50 năm qua, sản xuất nhựa đã trở thành một phần không thể thiếu trong nền kinh tế toàn cầu Sự gia tăng sản xuất và tiêu thụ nhựa đang diễn ra với tốc độ đáng báo động, đi kèm với sự gia tăng dân số và tăng trưởng kinh tế Theo báo cáo của Chương trình Môi trường Liên Hiệp Quốc (UNEP), từ năm 1950 đến 2017, tổng khối lượng nhựa sản xuất hàng năm đã tăng từ 1,7 triệu tấn lên 370 triệu tấn, và đến năm 2020, tổng lượng nhựa được sản xuất đã đạt 9,2 tỷ tấn.
Hình 1.1 Biểu đồ thể hiện sản xuất nhựa trên thế giới năm 1950-2017 (Nguồn: Chương trình Môi trường Liên Hiệp Quốc (UNEP))
Hầu hết các loại nhựa được sản xuất hàng loạt với giá thành rẻ, dẫn đến việc chúng dễ bị loại bỏ sau thời gian sử dụng ngắn Hệ quả là lượng rác thải nhựa ngày càng gia tăng, với khoảng 8-11 triệu tấn nhựa bị thải ra mỗi năm Trong số đó, 79% được xử lý bằng phương pháp chôn lấp, chỉ 9% được tái chế toàn cầu, còn lại tích tụ trong môi trường tự nhiên.
Trong ngành sản xuất đồ dùng nhựa, vỏ chai nhựa là sản phẩm phổ biến, đặc biệt trong ngành đồ uống đóng chai Các chai này chủ yếu được làm từ nhựa Polyethylene Terephthalate (PET) dùng một lần, dẫn đến việc tạo ra một lượng lớn rác thải nhựa hàng năm.
^ңŶ džƵ ҤƚŶ Ś ӌ Ă ƚƌ ġŶ ƚ Ś ұ Őŝ Ӏ ŝ; ƚƌŝҵƵ ƚҤŶ Ϳ
Nhựa PET và các loại nhựa khác cần hàng trăm đến hàng nghìn năm để phân hủy, gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Những mảnh nhựa nhỏ bị cuốn theo nước vào sông, hồ và biển, trong khi hạt nhựa li ti phân tán trong không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái Hàng triệu động vật chết mỗi năm do rác thải nhựa, dẫn đến tình trạng ô nhiễm trắng tại các khu du lịch, làm giảm chất lượng không gian nghỉ ngơi Rác thải nhựa cũng gây hại cho đất, ngăn cản sự phát triển của cây trồng và vi sinh vật có lợi Vì vậy, việc tìm kiếm giải pháp xử lý rác thải nhựa là vấn đề cấp bách tại Việt Nam.
Kể từ những năm 60, vật dụng làm từ tre, nứa và sợi tự nhiên đã dần bị thay thế bởi nhựa, dẫn đến việc nhựa trở nên phổ biến trong mọi hoạt động của người Việt Nam Theo khảo sát của cơ quan môi trường, trung bình mỗi người Việt Nam tiêu thụ khoảng 35kg nhựa mỗi năm, và báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường cho biết đến năm 2019, khoảng 2,5 triệu tấn rác thải nhựa đã được thải ra môi trường Con số này chỉ là khảo sát từ những năm trước, và chắc chắn đã tăng lên đáng kể trong thời gian gần đây.
Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, Việt Nam đang phải đối mặt với thách thức lớn về rác thải nhựa, gây ô nhiễm và suy thoái môi trường Rác thải nhựa bao gồm các sản phẩm nhựa đã qua sử dụng như LDPE, HDPE, PP, PS, PVC và PET, rất khó phân hủy trong môi trường tự nhiên.
Polyethylene Terephthalate (PET) là loại nhựa phổ biến trong ngành sản xuất đồ uống tại Việt Nam, với sản lượng lớn, dễ tìm và giá thành thấp Tuy nhiên, điều này dẫn đến việc hàng năm phát sinh một lượng lớn rác thải nhựa PET, chiếm tới 40% tổng lượng rác thải nhựa Rác thải này không chỉ gây hại cho môi trường đất mà còn đổ ra Biển Đông, ước tính từ 0,28-0,73 triệu tấn mỗi năm, xếp thứ 4 trên thế giới Theo Viện Nghiên cứu biển và hải đảo Việt Nam, 80% rác thải nhựa trên biển có nguồn gốc từ PET.
3 nguồn từ các hoạt động trên đất liền, 112 cửa biển của nước ta hiện chính là nơi diễn ra quá trình vận chuyển rác thải nhựa ra đại dương.”
Hình 1.2 Hiện trạng một bãi thu gom rác thải nhựa ở Việt Nam
Ô nhiễm rác thải nhựa đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng tại Việt Nam, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người Nhựa, với tính chất khó phân hủy, tồn tại hàng trăm năm, gây ô nhiễm đất, làm giảm độ phì nhiêu và chất dinh dưỡng Hệ quả là diện tích đất trồng trọt và rừng bị thu hẹp, trong khi rác thải nhựa xả ra môi trường nước đã gây chết nhiều loài thủy sản và thực vật biển Phương pháp xử lý rác thải nhựa hiện tại như chôn lấp và đốt không chỉ gây ô nhiễm đất, nước, không khí mà còn ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người Do đó, cần thiết phải tìm kiếm các giải pháp bền vững để bảo vệ môi trường sống và sức khỏe cộng đồng.
Các giải pháp xử lý rác thải nhựa
Rác thải nhựa là một vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, với báo cáo của Chương trình Môi trường Liên Hiệp Quốc (UNEP) chỉ ra rằng từ năm 1950 đến 2015, khoảng 6,3 tỷ tấn rác thải nhựa đã được thải ra Trong số đó, chỉ 9% được tái chế, 12% được xử lý bằng cách đốt, trong khi 79% còn lại bị chôn lấp hoặc tích tụ trong môi trường tự nhiên.
Chôn lấp và đốt rác thải nhựa vẫn là hai phương pháp phổ biến tại Việt Nam và nhiều quốc gia khác Mặc dù cả hai phương pháp này đều ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và có thể tác động lâu dài đến cuộc sống con người, chúng vẫn được coi là giải pháp tối ưu cho những quốc gia chưa phát triển công nghệ tái chế tiên tiến Lý do là vì chúng giúp tiết kiệm thời gian, nguồn lực và chi phí.
Hình 1.3 Hố chôn lấp rác thải ở Việt Nam
Việc chôn lấp rác thải nhựa hiện đang ở ngưỡng cảnh báo và bị nghiêm cấm do sự tích tụ khó phân hủy của nhựa thải, gây ảnh hưởng lớn đến môi trường đất và nước ngầm Phương pháp đốt rác thải nhựa chỉ phù hợp với các nước phát triển có công nghệ tiên tiến, cho phép tận dụng nguồn nhiệt từ quá trình đốt và xử lý hiệu quả các khí độc thải ra môi trường.
Hình 1.4 Cảnh đốt rác thải nhựa tự phát ở nước ta
Vấn đề tái sinh rác thải nhựa đang thu hút sự chú ý lớn nhằm chuyển đổi chất thải nhựa thành nguồn năng lượng và sản phẩm giá trị, mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường tốt nhất Tuy nhiên, sau 40 năm từ khi các giải pháp xử lý đầu tiên được đề xuất, chỉ có 14% nhựa từ bao bì được thu gom và chỉ 2% được tái chế thành vật liệu chất lượng tương tự Do đó, việc phát triển công nghệ xử lý và tái sinh nhựa trở thành một nhu cầu cấp thiết.
Các nhà máy xử lý và tái sinh nhựa hiện nay chủ yếu áp dụng phương pháp xử lý và tái sinh cơ học Quy trình này bao gồm việc thu gom nhựa, loại bỏ tạp chất, rửa sạch, đun nóng chảy, tạo hạt và sản xuất các sản phẩm nhựa mới Tại châu Âu, hiện có hơn 5 triệu tấn rác nhựa được xử lý mỗi năm.
Khoảng 50.000 tấn nhựa thải được tái sinh thông qua phương pháp hóa học, trong khi phương pháp cơ học chiếm ưu thế hơn Hệ thống tái chế nhựa hiện nay phức tạp hơn so với các phương pháp truyền thống, bao gồm việc thu gom riêng biệt và xử lý tạp chất như kim loại và giấy, dẫn đến chi phí cao Chẳng hạn, tại một nhà máy tái chế nhựa ở Phần Lan, chỉ 40-60% tổng lượng rác thải nhựa được thu gom có thể được đưa vào lò tạo hạt Nhiều thách thức kỹ thuật và kinh tế đang cản trở sự phát triển của tái chế nhựa, đặc biệt là khi xử lý các sản phẩm nhựa phức tạp như vật liệu nhiều lớp và các chất phụ gia như chất chống cháy và phthalate.
Tiềm năng của nhựa thải cho việc chế tạo cacbon hoạt tính
Tìm hiểu về cacbon hoạt tính
Đặc điểm của cacbon hoạt tính a Thành phần của cacbon hoạt tính
Cacbon hoạt tính chủ yếu bao gồm 85-95% cacbon, bên cạnh đó còn chứa các nguyên tố như hydro, nitơ, lưu huỳnh và oxi, có nguồn gốc từ nguyên liệu ban đầu hoặc liên kết mới trong quá trình hoạt hóa Dưới đây là phân tích thành phần của một số loại cacbon hoạt tính.
Bảng 1.2 Thành phần của một số loại cacbon hoạt tính
Cacbon hoạt tính gáo dừa 91,6-92,5 0,2-0,3 4,6-5,2 0,09-0,1
Hình 1.6 Cacbon hoạt tính b Đặc tính của cacbon hoạt tính
Cacbon hoạt tính có đặc tính khác nhau tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu và điều kiện chế tạo Hai đặc tính quan trọng quyết định khả năng hấp phụ của vật liệu này là cấu trúc mao quản và đặc trưng hóa học trên bề mặt.
Cấu trúc mao quản của cacbon hoạt tính hình thành trong quá trình than hóa và được phát triển thêm trong quá trình hoạt hóa Khi các tạp chất trong nguyên liệu chế tạo được giải phóng, các khe rãnh và vết nứt (mao quản) bắt đầu xuất hiện giữa các vi tinh thể Hệ thống mao quản này phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu và phương pháp chế tạo Giai đoạn hoạt hóa không chỉ loại bỏ các dạng cacbon vô định hình mà còn giúp các vi tinh thể tương tác tốt hơn với các chất hoạt hóa, dẫn đến việc hình thành cấu trúc vi mao quản Sau đó, các mao quản được mở rộng, tạo thành các mao quản trung bình và lớn với kích thước lỗ từ khoảng 10^-10 đến 10^-8 m.
Theo IUPAC, các mao quản trong cacbon hoạt tính được chia thành 3 loại theo kích thước của chúng:
Hình 1.7 Cấu trúc mao quản của cacbon hoạt tính
- Mao quản micro (mao quản nhỏ): những mao quản có bán kính nhỏ hơn
1 nm, chiếm khoảng 95% tổng diện tích bề mặt, đóng vai trò hấp phụ chủ yếu cho cacbon hoạt tính
- Mao quản meso (mao quản trung): những mao quản có bán kính từ 1-25 nm (chiếm khoảng 5% tổng diện tích bề mặt)
- Mao quản macro (mao lớn): những mao quản có bán kình trên 25 nm (chiếm 1 phần rất nhỏ trong tổng diện tích bề mặt)
Mao quản có kích thước trung bình và lớn đóng vai trò quan trọng trong việc tạo điều kiện cho các phân tử chất bị hấp phụ di chuyển nhanh chóng tới các lỗ mao quản nhỏ Bề mặt của cacbon hoạt tính có những đặc trưng hóa học đặc biệt, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ và tương tác với các chất khác.
Cacbon không chỉ là thành phần chính mà còn chứa các nguyên tố khác, bao gồm oxit bề mặt và nhóm chức bề mặt Sự hiện diện của các nguyên tố này phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu và điều kiện sản xuất Khả năng hấp phụ của cacbon hoạt tính được xác định không chỉ bởi cấu trúc xốp mà còn bởi các đặc trưng hóa học trên bề mặt vật liệu.
Các nhóm chức trên bề mặt của cacbon hoạt tính thể hiện tính axit hoặc bazo, với nhóm cacboxyl, lacton, hydroxyl đặc trưng cho tính axit, trong khi nhóm amin, pyron, chromen đặc trưng cho tính bazo Nhóm cacboxyl, với tính axit, làm tăng độ phân cực của bề mặt cacbon hoạt tính, từ đó tăng cường ái lực với nước nhờ vào khả năng tạo liên kết hydro.
Hình 1.8 Các nhóm chức thường có trên bề mặt của cacbon hoạt tính c Phân loại cacbon hoạt tính
Phân loại theo Misec (phân loại theo hình dạng bề ngoài):
- Cacbon hoạt tính dạng bột: thường dùng để lọc mùi, tẩy màu, lọc một số chất béo hòa tan trong nước
Cacbon hoạt tính dạng hạt là những hạt than nhỏ, có kích thước lớn hơn so với than dạng bột và sở hữu cấu trúc bền vững hơn Loại cacbon này thường được sử dụng trong các hệ thống lọc nước.
Cacbon hoạt tính dạng khối có cấu trúc bền vững hơn so với hai loại trước, mang lại hiệu suất cao cho hệ thống lọc nước và được ứng dụng rộng rãi trong ngành lọc nước.
Hình 1.9 Các dạng thương mại của cacbon hoạt tính
Phân loại theo Meclenbua (phân theo mục đích sử dụng):
- Cacbon hoạt tính tẩy màu: loại này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, dùng để tẩy màu dung dịch rất hiệu quả và an toàn
Cacbon hoạt tính y tế có độ sạch cao hơn so với than tẩy màu, và nó có khả năng hấp phụ hiệu quả các chất tan dạng keo phân tán trong dịch dạ dày và ruột.
- Cacbon hoạt tính hấp phụ
- Cacbon hoạt tính xúc tác: loại này có độ xốp lớn dùng làm chất xúc tác trong tổng hợp nhiều chất vô cơ và hữu cơ
- Than khí: hấp phụ chọn lọc khí và hơi có ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp để làm sạch
Phân loại theo Dubinin (phân loại dựa theo cấu trúc xộp):
- Cacbon hoạt tính hấp phụ khí: loại này có cấu trúc xốp nhỏ loại I Dùng để hấp phụ khí, hơi và các chất dễ bay hơi
Cacbon hoạt tính thu hồi có cấu trúc hỗn tạp, được sử dụng để hấp phụ các dung môi công nghiệp, giúp thu hồi và tái sử dụng trong quy trình sản xuất.
- Cacbon hoạt tính tẩy màu: loại này có cấu trúc loại II Dùng để tẩy màu trong dung dịch lỏng d Ứng dụng
Cacbon hoạt tính có nhiều dạng sản phẩm thương mại như bột, hạt, viên, tấm và ống, phù hợp với từng nhu cầu sử dụng khác nhau Sản phẩm này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhờ vào nguồn nguyên liệu phong phú và quy mô sản xuất ngày càng mở rộng tại Việt Nam Cacbon hoạt tính đang ngày càng được ưa chuộng và ứng dụng đa dạng trong các ngành công nghiệp.
Trong sản xuất công nghiệp:
Cacbon hoạt tính đóng vai trò quan trọng trong quá trình tinh chế dung dịch mạ điện, giúp loại bỏ tạp chất hữu cơ không mong muốn Những tạp chất này thường được thêm vào để cải thiện tính bám dính, độ sáng và độ nhẵn của sản phẩm Việc sử dụng cacbon hoạt tính không chỉ làm sạch dung dịch mạ mà còn nâng cao hiệu suất mạ, đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Cacbon hoạt tính được dùng để làm chất độn trong ngành công nghiệp sản xuất cao su, sản xuất lốp xe, đầu lọc thuốc lá
Trong xứ lý môi trường:
Cacbon hoạt tính có tác dụng loại bỏ những chất gây ô nhiễm môi trường nước, không khí,…
- Lọc nước: nước uống, nước ngầm…
- Làm sạch không khí: hấp phụ các chất độc và có mùi trong không khí, khử các loại khí chứa lưu huỳnh,…
- Xử lý nước thải trong sản xuất công nghiệp
- Giữ các chất hữu cơ trong màu vẽ, lọc khô, xăng…không bị bay hơi
Hiện nay, trong nhiệm vụ quân đội, việc sử dụng vũ khí đi kèm với trang bị mặt nạ phòng độc là rất quan trọng Mặt nạ này được trang bị các hộp lọc hơi khí độc, trong đó nguyên liệu chính được sử dụng là cacbon hoạt tính.
- Cacbon hoạt tính ở dạng viên sử dụng cho các bệnh về đường tiêu hóa như tiêu chảy, đầy hơi…
- Cũng sử dụng để giảm tình trạng ngứa liên quan đến liệu pháp chạy thận
- Trong chế biến dược phẩm, cacbon hoạt tính dùng để tẩy màu, hấp phụ làm sạch thuốc trước lúc cô cạn kết tinh
Trong công nghiệp hóa mĩ phẩm:
Sản phẩm chứa cacbon hoạt tính dạng bột mịn như dầu gội đầu, sữa tắm và kem rửa mặt có khả năng hấp thụ bã nhờn và làm sạch sâu trong lỗ chân lông, giúp mang lại làn da khỏe mạnh và tươi sáng.
Nguyên liệu sản xuất cacbon hoạt tính
Nguyên liệu sản xuất cacbon hoạt tính chủ yếu là những loại có hàm lượng cacbon cao và ít tạp chất vô cơ Các nguồn nguyên liệu phổ biến cho quá trình này bao gồm gỗ, than, và các chất hữu cơ khác.
Nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật:
Thuốc nhuộm xanh methylene
Xanh Methylene hay còn gọi là Methylen Blue, đây là một hợp chất hữu cơ dị vòng có công thức phân tử là C16H18ClN3S
Xanh methylene là một loại thuốc và thuốc nhuộm, chủ yếu được sử dụng để điều trị Methemoglobinemia, đặc biệt khi mức methemoglobin vượt quá 30% hoặc sau khi điều trị bằng oxy nhưng vẫn có triệu chứng Ngoài ra, xanh methylene từng được áp dụng trong điều trị ngộ độc cyanide và viêm nhiễm đường tiểu, nhưng hiện nay không còn được sử dụng cho các mục đích này Việc sử dụng lâu dài thuốc này qua đường tiêm tĩnh mạch có thể dẫn đến việc thay đổi màu sắc của mồ hôi và nước tiểu do sự đào thải các chất thải của cơ thể.
Hình 1.12 Công thức cấu tạo của xanh methylene
Nghiên cứu cho thấy xanh methylene có thể gây hại cho thai nhi, nhưng việc không sử dụng xanh methylene để điều trị methemoglobin ở mẹ bầu lại có thể gây ra những nguy cơ nghiêm trọng hơn.
Xanh methylene là một loại chất nhuộm thuộc họ thiozin, được sử dụng để nhuộm sợi thần kinh và nhiễm sắc thể nhằm xác định tiền ung thư Trong dung dịch, chất này phân li thành ion MB + hay C16H18N3S +.
Xanh methylene là một hợp chất có màu xanh nước biển đậm đặc trưng và có độ bền cao ở nhiệt độ phòng Dung dịch xanh methylene 1% có pH dao động từ 3 đến 4,5 Hình thức của xanh methylene nguyên chất có thể là bột hoặc tinh thể.
Methylene xanh có chỉ số COD và BOD cao, phụ thuộc vào nồng độ của nó trong nước Để loại bỏ methylene xanh, hai phương pháp phổ biến được sử dụng là phương pháp vật lý và phương pháp hóa học Phương pháp vật lý chủ yếu là hấp phụ, trong khi phương pháp hóa học thường áp dụng xúc tác quang hóa.
Hình 1.13 Xanh methylene dạng bột
Xanh methylene là một hợp chất có đặc tính chống oxy hóa, nhưng khi phân hủy, nó có thể sinh ra các khí độc hại như SO2, H2S, Cl2 và CO Trong hóa học phân tích, xanh methylene được sử dụng làm chất chỉ thị trong môi trường có chất oxy hóa, thể hiện bằng màu xanh, và sẽ mất màu khi tiếp xúc với các chất khử, trở lại trạng thái dung dịch trong suốt Để điều chế xanh methylene, người ta thực hiện quá trình oxy hóa dimethyl-4-phenylenediamine với sự có mặt của Na2S2O3.
Xanh methylene, khi không được sử dụng đúng cách, có thể gây ra thiếu máu và các triệu chứng tiêu hóa Thuốc này chỉ nên dùng trong thời gian ngắn, vì sử dụng lâu dài có thể làm da chuyển sang màu xanh và gây tổn thương hệ thần kinh, dẫn đến chóng mặt, đau đầu và sốt Những người bị suy thận cần thận trọng khi sử dụng Hiện chưa có nghiên cứu về việc xanh methylene có thể tiết ra trong sữa mẹ, vì vậy, để đảm bảo an toàn, mẹ đang điều trị với thuốc này nên tạm ngừng cho con bú.
Xanh methylene, một hợp chất dị vòng chứa lưu huỳnh và nito, khó phân hủy trong môi trường do tính chất kháng khuẩn của nó, gây cản trở cho vi sinh vật Chất này thường hiện diện trong các vũng bùn dưới đáy ao và không bay hơi, ảnh hưởng lớn đến đời sống sinh vật xung quanh Ngoài ra, xanh methylene còn được phát hiện trong nhiều loại đất, cho thấy khả năng hấp thụ mạnh của nó Khi thải ra môi trường nước, nó có thể bám vào các chất cặn lơ lửng, gây tác động xấu đến sinh vật thủy sinh Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ số tích lũy sinh học cho thấy xanh methylene không tồn đọng trong cơ thể các loài thủy sinh với chỉ số BCF = 1,5.
Xanh methylene có thể tồn tại trong không khí dưới dạng hơi và bụi lơ lửng Khi tiếp xúc với tác nhân oxy hóa OH, hợp chất này sẽ bị phân hủy qua phản ứng quang hóa với thời gian nửa phản ứng khoảng 2 giờ Các hạt lơ lửng có thể được xử lý bằng phương pháp vật lý Trong ngư nghiệp, xanh methylene được sử dụng để điều trị các bệnh do ký sinh trùng, nhưng cần liều lượng vừa phải vì nó có thể gây độc hại cho cá không vảy Ngoài ra, do tính chất chống oxy hóa, không nên kết hợp xanh methylene với các chất oxy hóa hoặc kiềm để tránh các phản ứng không mong muốn.
Xanh methylene, mặc dù không phải là hợp chất độc hại cao, nhưng có thể gây tổn thương tạm thời khi tiếp xúc với mắt và da Hợp chất này có khả năng hòa tan trong nước, do đó có thể rửa sạch da bằng nước trong một khoảng thời gian nhất định Ngoài ra, một số tác dụng phụ không mong muốn như khó thở, buồn nôn và chóng mặt đã được ghi nhận liên quan đến hóa chất này.
Xanh methylene có nhiều ứng dụng trong y học, công nghiệp và sinh học Trong y học, nó được sử dụng để điều trị bệnh đậu mùa, xử lý hội chứng tràn dịch màng sau phẫu thuật tim và điều trị các bệnh về da như vảy nến nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng Trong công nghiệp, xanh methylene là chất nhuộm phổ biến cho gỗ, vải và mực in Trong lĩnh vực hóa học, nó hoạt động như một chất chỉ thị để phát hiện oxi Ngoài ra, trong sinh học, xanh methylene được dùng làm thuốc nhuộm tạm thời để kiểm tra RNA hoặc DNA và xác định vi khuẩn trong mẫu nấm Đối với nuôi cá, hóa chất này giúp điều trị nấm gây hại mà vẫn an toàn cho trứng cá.
Thuốc nhuộm là chất hóa học quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp như may, dệt, da, cao su, giấy, nhựa, mỹ phẩm và dược phẩm Với giá thành rẻ và đa dạng màu sắc, thuốc nhuộm đã trở thành lựa chọn phổ biến Ngành công nghiệp dệt nhuộm đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế của Việt Nam Tuy nhiên, nguồn thải từ ngành này gây ô nhiễm nước, ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người Do đó, cần có biện pháp khắc phục và xử lý kịp thời để đảm bảo sự phát triển bền vững cho ngành dệt nhuộm và các ngành liên quan.
Ô nhiễm nước thải từ ngành dệt nhuộm đã gia tăng đáng kể trong những năm gần đây, với việc chỉ một nồng độ nhỏ hóa chất cũng có thể tạo ra màu sắc rõ rệt Theo phóng sự của HANOITV (3/4/2020), nghề dệt nhuộm tiêu tốn nhiều nước và chứa nhiều loại hóa chất độc hại Thành phần ô nhiễm trong nước thải bao gồm tạp chất tự nhiên, chất bẩn, dầu, sáp, hợp chất chứa nitơ, và các hóa chất như NaOH, H3PO4, HCl Khoảng 10-30% lượng thuốc nhuộm và hóa chất sử dụng bị thải ra cùng nước thải, dẫn đến độ màu cao gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình quang hợp của hệ sinh thái.
21 loài thủy sinh đang bị ảnh hưởng tiêu cực bởi ô nhiễm môi trường, đặc biệt là hàm lượng chất hữu cơ cao làm giảm oxy hòa tan trong nước, đe dọa sự sống của chúng Ngành dệt nhuộm không chỉ gây ô nhiễm nguồn nước mà còn phát tán khí thải độc hại như hơi, bụi bông, Cl, SO2, CO, CO2 và NOx, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của công nhân và cộng đồng xung quanh Hầu hết các loại phẩm nhuộm đều có độc tính, trong đó thuốc nhuộm azo là nhóm lớn nhất, chiếm khoảng 65% tổng số thuốc nhuộm được sử dụng trong ngành này, với một số loại có khả năng gây ung thư.
Hình 1.14 Làng nghề dệt nhuộm tại Việt Nam
Việc xử lý các loại thuốc nhuộm hữu cơ là rất quan trọng để bảo vệ môi trường nước, đồng thời đảm bảo sức khỏe cho con người và các sinh vật sống xung quanh.
Trong đề tài nghiên cứu này sẽ hướng đến việc ứng dụng cacbon hoạt tính đã chế tạo để hấp phụ loại bỏ chất màu xanh methylene khỏi nước
Hình 1.15 Nước thải ngành dệt nhuộm
Hấp phụ
Hấp phụ là hiện tượng tích lũy chất trên bề mặt của vật liệu xốp, xảy ra nhờ vào lực tương tác giữa phân tử chất bị hấp phụ và chất hấp phụ.
- Chất hấp phụ: chất có bề mặt mà trên đó xảy ra sự hấp phụ
- Chất bị hấp phụ: chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ
Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt 2 loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với tiểu phân trên bề mặt phân chia pha thông qua lực liên kết Van Der Waals yếu Sự hấp phụ này là kết quả của nhiều loại lực hút khác nhau, bao gồm lực tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng Trong quá trình hấp phụ, chất bị hấp phụ được giữ lại trên bề mặt mà không có sự thay đổi hóa học nào xảy ra.
Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ tạo thành các hợp chất hóa học mới và bền trên bề mặt phân chia pha Những hợp chất này có độ bền cao, khó bị giải phóng khỏi bề mặt Lực liên kết hình thành chủ yếu là các liên kết hóa học như liên kết ion, liên kết cộng hóa trị và liên kết cho – nhận, với độ bền cao hơn so với lực Van Der Waals Nhiệt hấp phụ sinh ra trong quá trình này cũng lớn, có thể đạt tới 800 kJ/mol.
Hấp phụ trong môi trường nước là quá trình phức tạp, thường được ứng dụng trong xử lý nước bằng cacbon hoạt tính Trong hệ thống này, có ít nhất ba thành phần tương tác: nước, chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, dẫn đến sự cạnh tranh giữa nước và chất bị hấp phụ Thông thường, nồng độ chất bị hấp phụ trong nước rất thấp, khiến các phân tử nước chiếm ưu thế trên bề mặt chất hấp phụ Để quá trình hấp phụ diễn ra hiệu quả, tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ cần mạnh hơn để đẩy các phân tử nước ra khỏi bề mặt.
Hấp phụ trong môi trường nước diễn ra qua cơ chế phức tạp do nhiều yếu tố kết hợp Hầu hết các chất hữu cơ trong nước tồn tại dưới dạng phân tử trung hòa và ít bị phân cực, vì vậy quá trình hấp phụ chủ yếu diễn ra theo cơ chế hấp phụ vật lý Khả năng hấp phụ chịu ảnh hưởng bởi pH của dung dịch, lượng chất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ và thời gian hấp phụ.
Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ chủ yếu diễn ra trên bề mặt của chất hấp phụ, bao gồm ba giai đoạn liên tiếp trong quá trình chuyển chất.
Hình 1.16 Cơ chế hấp phụ
- Giai đoạn (1) là giai đoạn khuếch tán trong dung dịch: Các chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt chất hấp phụ
- Giai đoạn (2) khuếch tán theo các mao quản đến bề mặt
- Giai đoạn (3) tương tác hấp phụ: Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ
- Giai đoạn (4) khuếch tán chất bị hấp phụ từ mao quản ra bề mặt
- Giai đoạn (5): khuếch tán ra màng biên
Giai đoạn (2), (3) và (4) phụ thuộc vào tính chất và cấu trúc của chất hấp phụ, trong khi giai đoạn (1) và (5) lại chịu ảnh hưởng từ các tính chất vật lý và thủy động lực của chất lỏng.
Trong quá trình hấp phụ, giai đoạn có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định toàn bộ quá trình này Đối với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá trình khuếch tán thường diễn ra chậm và đóng vai trò chủ yếu.
Các đường đẳng nhiệt hấp phụ
Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên mỗi đơn vị khối lượng của chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng, với nồng độ và nhiệt độ đã xác định Công thức tính dung lượng hấp phụ cân bằng được thể hiện qua biểu thức ݍ = ି Ǥ ܸ.
Trong đó: q: dung lượng hấp phụ (mg/g)
Co: nồng độ dung dịch ban đầu (ppm)
C: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (ppm) V: thể tích dung dịch (l) Để sử dụng thực tế quá trình hấp phụ, khả năng hấp phụ của một chất hấp phụ có ý nghĩa quyết định và được xác định bằng thực nghiệm thông qua dung lượng hấp phụ cân bằng ở một nhiệt độ nhất định như là một hàm số của nồng độ hoặc áp suất cân bằng tương ứng Đồ thị mô tả quan hệ ấy gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ a Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt chất hấp phụ tại những trung tâm xác định
- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ 1 tiểu phân
- Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có thể áp dụng cho hấp phụ trong môi trường nước, được biểu diễn dưới dạng: \( q = \frac{q_{max} \cdot b \cdot p}{1 + b \cdot p} \) Trong phương trình này, \( q \) là dung lượng hấp phụ cân bằng, \( q_{max} \) là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g), \( \theta \) là độ che phủ và \( b \) là hằng số Langmuir.
Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng (ppm)
Từ phương trình Langmuir, nhận thấy có 2 tính chất đặc trưng:
-Trong vùng nồng độ nhỏ: b.Ccb > 1, q = qmax mô tả hiện tượng hấp phụ bão hòa Để xác định các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt Langmuir, cần biến đổi phương trình (1.2) thành dạng phương trình đường thẳng: 1/q = (1/qmax) * (1/p) + (1/(K*qmax)) (1) Bên cạnh đó, mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich cũng được áp dụng để nghiên cứu quá trình hấp phụ.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là một phương trình thực nghiệm quan trọng, mô tả quá trình hấp phụ xảy ra trong một lớp Nó đặc biệt hữu ích trong việc diễn giải sự hấp phụ trong dung dịch nước loãng Phương trình có dạng: ݍ = ݇Ǥ ܥ ଵ ሺͳǤͶሻ.
Phương trình đường thẳng được biểu diễn dưới dạng: ݍ = ݇ + 1 ܥ Trong đó, k là hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố khác, còn n là hằng số luôn lớn hơn 1 và cũng phụ thuộc vào nhiệt độ.
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich mô tả chính xác dữ liệu thực nghiệm trong vùng nồng độ thấp của chất hấp phụ, đặc biệt là ở các vùng ban đầu và giữa của đường hấp phụ Bên cạnh đó, mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Tempkin cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích quá trình hấp phụ.
THỰC NGHIỆM
Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ
Trong nghiên cứu này, nguyên liệu chính được sử dụng là nhựa PET từ các chai nước khoáng Sau khi thu gom, nhựa PET sẽ được rửa sạch, sấy khô và cắt nhỏ thành các mảnh có kích thước từ 1 đến 3mm.
Hình 2.1 Vở chai nhựa PET
Bảng 2.1 Danh mục các hóa chất sử dụng
STT Hóa chất Trạng thái
Dụng cụ và thiết bị sử dụng
- Lò nung ống Tube Furnace 21100
- Máy đo quang UV-Vis
- Cốc thuỷ tinh dung tích 50ml, 100ml, 250ml
- Ống đong 10ml, 50ml, 100ml
- Pipet các loại 2ml, 5ml, 10ml, 20ml
- Bình định mức 25ml, 250ml, 500ml
- Lọ đựng mẫu dung tích 15ml
Chế tạo cacbon hoạt tính từ nhựa thải PET theo phương pháp hoạt hóa vật lý
Giai đoạn 1: Giai đoạn than hóa
Nhựa PET được cắt nhỏ cỡ 1-3mm sau đó được rửa sạch, sấy khô đem đi nung than hóa Cân 8g nhựa PET cho vào thuyền sứ
Hình 2.2 Quy trình than hóa nhựa PET
Hình 2.3 Nhựa PET trước than hóa
Sau khi đưa thuyền sứ vào lò nung có thổi khí CO2, quá trình than hóa diễn ra dưới điều kiện nhiệt độ và thời gian xác định Sau khi hoàn tất quá trình nung, mẫu than hóa được lấy ra, làm nguội đến nhiệt độ phòng và sau đó được cân.
Hình 2.4 Nhựa PET sau than hóa
Giai đoạn 2: Giai đoạn hoạt hóa vật lý:
Hình 2.5 Sơ đồ giai đoạn hoạt hóa theo phương pháp vật lý để chế tạo cacbon hoạt tính
Sản phẩm sau khi than hóa sẽ được nung hoạt hóa trong lò ống với thời gian và nhiệt độ cụ thể Sau quá trình nung, cacbon hoạt tính được làm nguội và sau đó nghiền mịn.
Hình 2.6 Cacbon hoạt tính tạo thành sau khi hoạt hóa bằng phương pháp vật lý
Chế tạo cacbon hoạt tính từ nhựa thải PET theo phương pháp hoạt hóa hóa học
Nhựa PET được xử lý bằng cách cắt nhỏ thành từng mảnh có kích thước từ 1-3mm, sau đó rửa sạch và sấy khô Tiếp theo, nhựa được ngâm tẩm với H3PO4 theo tỉ lệ khối lượng cụ thể trong 3 ngày Cuối cùng, mẫu nhựa được sấy khô ở nhiệt độ 105°C trong 12 giờ.
Hình 2.7 Nhựa PET đã ngâm tẩm H 3 PO 4
Mẫu nguyên liệu được nung trong lò nung ống với khí CO2 ở các nhiệt độ và thời gian khác nhau để xác định điều kiện tối ưu cho việc chế tạo than hoạt tính Sau khi nung, các mẫu được rửa bằng dung dịch NaOH 5% và nước cất cho đến khi nước rửa đạt độ pH trung tính Tiếp theo, mẫu cacbon hoạt tính được sấy khô ở nhiệt độ 105°C cho đến khi khối lượng ổn định Cuối cùng, sản phẩm sau khi sấy khô được nghiền mịn để thu được cacbon hoạt tính dạng bột.
Trong quá trình chế tạo than hoạt tính cần khảo sát 3 yếu tố:
Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ PET và H3PO4 cho thấy nhựa PET được ngâm tẩm với H3PO4 theo các tỉ lệ khối lượng 1:0,75; 1:1; 1:2; 1:3; và 1:4 trong thời gian 3 ngày.
- Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung: các mẫu than hoạt tính được nung ở các nhiệt độ khác nhau: 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 o C trong thời gian 10 phút
Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đối với các mẫu than hoạt tính cho thấy rằng các mẫu này được nung trong các khoảng thời gian khác nhau: 5, 10, 15, 20 và 25 phút, tại nhiệt độ tối ưu đã được lựa chọn.
Xác định chỉ số iod của cacbon hoạt tính
Chỉ số iod là thước đo quan trọng phản ánh diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ của cacbon hoạt tính Chỉ số này được xác định bằng lượng iod hấp phụ trên mỗi đơn vị trọng lượng khô của cacbon hoạt tính, tính bằng milligram trên gram (mg/g).
Hình 2.8 Quy trình chế tạo cacbon hoạt tính từ rác thải nhựa PET theo phương pháp hoạt hóa hóa học
Chỉ số IoT của các mẫu carbon hoạt tính được xác định thông qua quá trình hấp phụ I2 Sau khi tiến hành hấp phụ, nồng độ dung dịch I2 còn lại được đo lường, từ đó tính toán được lượng I2 đã hấp phụ trên từng mẫu carbon hoạt tính.
Tiến hành cụ thể: Cân 0,1g cacbon hoạt tính và thêm vào 20ml dung dịch
Chuẩn bị dung dịch I2 0,025M và khuấy đều trong 15 phút Sau đó, lọc qua giấy lọc và tiến hành chuẩn độ bằng dung dịch Na2S2O3 0,05M cho đến khi dung dịch chuyển sang màu vàng nhạt Tiếp theo, thêm vài giọt dung dịch hồ tinh bột và tiếp tục quá trình chuẩn độ.
Chuẩn độ Na2S2O3 0,05M được thực hiện cho đến khi xuất hiện một giọt dung dịch không màu Ghi lại thể tích dung dịch Na2S2O3 0,05M đã sử dụng Phép chuẩn độ này được lặp lại 3 lần để tính toán giá trị trung bình Kết quả được tính theo công thức: ܳ = (ܥ 1 * ܸ 1 - ܥ 2 * ܸ 2) / ܯ ூ మ ݉ ௧.
Để tính toán chỉ số iod của mẫu than hoạt tính, cần xác định thể tích Na2S2O3 thu được sau quá trình chuẩn độ và tính giá trị trung bình Chỉ số iod được tính theo công thức cụ thể, phản ánh khả năng hấp thụ iod của than hoạt tính.
C1: nồng độ ban đầu của dung dịch (mol/l)
V1: thể tích ban đầu của dung dịch (ml)
C2: nồng độ iot sau khi hấp phụ của dung dịch (mol/l)
V2: thể tích dung dịch sau khi hấp phụ (ml)
MI2: khối lượng phân tử của iot (M = 254 g/mol)
Nghiên cứu khả năng hấp phụ xanh metylene của cacbon hoạt tính đã chế tạo
Ảnh hưởng của pH dung dịch đến khả năng hấp phụ MB của cacbon hoạt tính đã chế tạo
Chuẩn bị một số cốc thuỷ tinh có đánh số thứ tự và cho vào mỗi cốc 10mg than hoạt tính nghiền nhỏ cùng 10ml dung dịch MB với nồng độ xác định Thay đổi pH của dung dịch bằng cách thêm NaOH 5% và HCl 5% vào từng cốc Sử dụng máy khuấy từ để khuấy đều dung dịch với tốc độ không đổi ở nhiệt độ phòng Sau khi khuấy, lọc bỏ cacbon hoạt tính và giữ lại dung dịch để đo quang bằng máy UV-Vis.
Dựa trên phương trình đường chuẩn đã thiết lập, chúng ta có thể xác định nồng độ MB còn lại trong dung dịch, từ đó đánh giá hiệu suất hấp phụ của cacbon hoạt tính bằng công thức sau:
Nồng độ MB ban đầu (ppm) và nồng độ MB sau khi hấp phụ (ppm) là hai yếu tố quan trọng để tính toán hiệu suất hấp phụ (%) của cacbon hoạt tính Ảnh hưởng của khối lượng cacbon hoạt tính đến khả năng hấp phụ MB cho thấy mối liên hệ trực tiếp giữa lượng cacbon và hiệu quả xử lý.
Lượng carbon hoạt tính trong mỗi thí nghiệm khác nhau, nhưng điều kiện pH vẫn được giữ nguyên như trong khảo sát trước Các bước thực hiện tương tự như mục 2.5.1 Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến khả năng hấp phụ màu methylene blue (MB) của carbon hoạt tính.
Thời gian hấp phụ trong mỗi thí nghiệm có sự khác biệt, trong khi pH và khối lượng cacbon hoạt tính được giữ cố định theo khảo sát trước Các bước thực hiện tương tự như mục 2.5.1, nhằm đánh giá ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ màu methylene blue (MB) của cacbon hoạt tính.
Dung dịch MB được áp dụng với các nồng độ khác nhau, trong khi giữ ổn định các điều kiện như pH, khối lượng cacbon hoạt tính và thời gian hấp phụ đã được xác định trong khảo sát trước đó Các bước thực hiện tương tự như đã nêu trong mục 2.5.1.
Các phương pháp phân tích vật liệu
Phương pháp nhiễu xạ tia X
Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X là công cụ quan trọng trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, đồng thời cũng được ứng dụng để xác định động học của quá trình chuyển pha và kích thước hạt.
Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là kỹ thuật phân tích cấu trúc của các chất rắn, bao gồm kiểu tinh thể, kích thước hạt, ô mạng cơ sở và độ đặc khít Phương pháp này dựa vào hiện tượng nhiễu xạ của chùm tia X khi chiếu lên các mặt tinh thể của chất rắn tại một góc nhất định Nhờ vào tính chất tuần hoàn, các mặt tinh thể cách nhau một khoảng d, từ đó cho phép xây dựng các phương trình liên quan.
Từ đó người ta xây dựng được các phương trình:
2d.sin θ = n λ Trong đó: d: khoảng cách giữa 2 mặt phẳng tinh thể song song θ: góc giữa chùm tia tới và mặt phẳng phản xạ λ: bước sóng của tia X
Hình 2.9 Phương pháp nhiễu xạ tia X
Kích thước hạt tinh thể có thể được xác định thông qua phương trình Scherrer, được biểu diễn như sau: dnm = 0,9 λ/[βl.cos θ] Trong đó, λ là độ dài bước sóng của bức xạ, βl là độ bán rộng của vạch nhiễu xạ, và θ là góc Bragg.
Trong nghiên cứu này, mẫu cacbon hoạt tính được phân tích bằng máy nhiễu xạ tia X của hãng Panalatycal tại Đại học Khoa học Tự nhiên, thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội, cho thấy giản đồ XRD đặc trưng của vật liệu.
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM
Phương pháp SEM, hay còn gọi là hiển vi điện tử, được sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt vật liệu Phương pháp này hoạt động bằng cách chiếu chùm tia điện tử lên bề mặt mẫu vật và thu lại chùm tia phản xạ Qua việc phân tích các chùm tia phản xạ, ta có thể thu thập thông tin về hình ảnh bề mặt của mẫu nghiên cứu với độ phân giải cao Chùm điện tử được tạo ra từ catot sẽ đi qua hai tụ quang và tập trung lại tại bề mặt mẫu cần nghiên cứu.
Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét SEM
Các chùm tia trong nghiên cứu gặp vật cản trên bề mặt mẫu, phản xạ lại và được thu vào máy thu, chuyển đổi thành tín hiệu qua thiết bị đo Mỗi điểm trên mẫu tạo ra một điểm sáng trên màn hình, với độ sáng phụ thuộc vào lượng điện tử thứ cấp phát xạ trở lại Quá trình này bảo toàn mẫu khảo sát và không quá phức tạp, cho ra hình ảnh 3 chiều rõ nét, khiến SEM trở thành một trong những phương pháp phổ biến nhất để ghi lại thông tin hình ảnh về vật liệu Ảnh SEM được chụp bằng hiển vi điện tử quét của hãng HORIBA, Nhật Bản, tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam.
Phương pháp đo phổ hồng ngoại IR
Phương pháp đo phổ hồng ngoại là công cụ phổ biến trong ngành hóa học, giúp xác định định tính các chất có trong dung dịch, thực hiện phân tích định lượng và nghiên cứu cấu trúc phân tử.
Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) dựa trên sự hấp phụ bức xạ hồng ngoại của vật chất, cho phép xác định các dao động đặc trưng của liên kết hóa học giữa các nguyên tử Với độ nhạy cao, phương pháp này có thể phát hiện chất phân tích ở nồng độ rất thấp, ngay cả khi mẫu chỉ dày khoảng 50nm Được sử dụng chủ yếu để xác định định tính các chất hữu cơ, phương pháp IR giới hạn trong các liên kết C – H, N – H, O – H và S – H Thông qua tần số đặc trưng và cường độ píc trong phổ hồng ngoại, người ta có thể phán đoán về sự hiện diện của các nhóm chức và liên kết trong phân tử, từ đó xác định cấu trúc của chất nghiên cứu.
Trong quá trình nghiên cứu, than hoạt tính được chế tạo sẽ được phân tích bằng máy đo IR Perkin model Spectrum Two, được đặt tại Khoa Hóa-Lý Kỹ thuật của Học viện.
Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng BET
Phương pháp phân tích này được sử dụng rộng rãi để xác định bề mặt riêng của các chất hấp phụ rắn Nguyên tắc của phương pháp dựa vào một phương trình cụ thể, giúp xác định các thông số cần thiết trong quá trình phân tích.
V: thể tích chất bị hấp phụ tính cho một gam chất rắn
Vm: thể tích chất hấp phụ cần thiết để tạo một lớp đơn phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt một gam chất ở áp suất cân bằng P
C: hằng số BET = θ: phần bề mặt bị hấp phụ Phương pháp BET nói chung có thể áp dụng để xác định bề mặt riêng của tất cả chất rắn, với điều kiện là áp suất tương đối nằm trong khoảng 0,05 – 0,3 và hằng số C > 1
Trong nghiên cứu này, diện tích bề mặt riêng của vật liệu được xác định bằng BET trên máy Tristar 3000V 6.07A đặt tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
Phương pháp đo quang UV-Vis
Phương pháp phổ hấp phụ phân tử UV-Vis (Ultra Violet Visible) sử dụng sự hấp phụ có chọn lọc các bước sóng của phân tử hoặc ion để nghiên cứu Để xác định một cấu tử, cần chuyển đổi nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy, từ đó tính toán hàm lượng cần xác định Qua các dung dịch chuẩn, máy UV-Vis ghi nhận độ hấp phụ quang A và xây dựng đường chuẩn dạng A = aC + b Khi thay đổi nồng độ dung dịch chuẩn, hệ số a và b được tính toán Đường chuẩn tuyến tính chỉ giữ tính chất này đến một điểm nhất định, do đó, dung dịch ngoài đường chuẩn không có ý nghĩa Phương pháp này chỉ khảo sát trong vùng bước sóng 200nm – 800nm, theo định luật Lambert-Beer với phương trình: A = εlc.
A: độ hấp thụ quang l: độ dày cuvet C: nồng độ chất phân tích
Cường độ ánh sáng đi vào và ra khỏi dung dịch ảnh hưởng đến độ hấp thụ quang A, phụ thuộc vào bước sóng chiếu tới và nồng độ chất hấp thụ Khi đo A tại một bước sóng xác định với cuvet có bề dày cố định, A chỉ phụ thuộc vào nồng độ chất phân tích.
Định luật Lambert-Beer mô tả mối quan hệ giữa sự hấp thụ ánh sáng và nồng độ của dung dịch, nhưng không phải lúc nào cũng thể hiện dưới dạng đường thẳng y = ax Các yếu tố như bước sóng ánh sáng, sai số trong quá trình đo lường, và sự hiện diện của các ion lạ có thể làm biến đổi đồ thị, khiến nó không phải là một đường thẳng với mọi giá trị nồng độ.
A = k.ߝ L.(ܥ ௫ ሻ , trong đó ܥ ௫ đại diện cho nồng độ chất phân tích Hằng số k là một giá trị thực nghiệm, trong khi b là hằng số có giá trị từ 0 đến 1 Đối với chất phân tích trong dung môi xác định và cuvet có bề dày cố định, ߝ và l đều là hằng số Khi đặt K = k.ߝ.l, ta có thể biểu diễn mối quan hệ này một cách rõ ràng.