Luận văn: Nghiên cứu khả năng hấp phụ metyl đỏ trong dung dịch nước của các vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mĩa và thử nghiệm xử lý môi trường

Luận văn: Nghiên cứu khả năng hấp phụ metyl đỏ trong dung dịch nước của các vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mĩa và thử nghiệm xử lý môi trường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ THANH TÚ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYL ĐỎ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC CỦA CÁC VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Thái Nguyên, 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ THANH TÚ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYL ĐỎ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC CỦA CÁC VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Hoá phân tích Mã số: 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ HỮU THIỀNG Thái Nguyên, 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU . 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 5 1.1. Nước thải dệt nhuộm . . 5 1.1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm . 5 1.1.2. Thuốc nhuộm azo. 7 1.1.3. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm . 8 1.1.4. Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm . 8 1.2. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ. 9 1.2.1. Hiện tượng hấp phụ. . 9 1.2.2. Hấp phụ trong môi trường nước. . 10 1.2.3. Động học hấp phụ. 11 1.2.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 12 1.3. Giới thiệu về phương pháp phân tích trắc quang. . 15 1.3.1. Cơ sở của phương pháp phân tích trắc quang 16 1.3.2. Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang . 17 1.4. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ (VLHP) bã mía . 18 1.5. Một số hướng nghiên cứu sử dụng bã mía làm VLHP xử lý môi trường 19 Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ . 22 2.1. Hóa chất và thiết bị 22 2.1.1. Hoá chất . 22 2.1.2. Thiết bị . 23 2.2. Chế tạo và khảo sát một số đặc trưng cấu trúc của các VLHP . 23 2.2.1. Chế tạo các VLHP từ bã mía . 23 2.2.2. Một số đặc trưng cấu trúc của các VLHP 24 2.3. Định lượng metyl đỏ 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 2.4. Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và các VLHP 29 2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của các VLHP 30 2.5.1. Ảnh hưởng của pH 30 2.5.2. Ảnh hưởng của thời gian . 32 2.5.3. Ảnh hưởng của khối lượng các VLHP 36 2.5.4. Ảnh hưởng của kích thước các VLHP . 39 2.5.5. Ảnh hưởng của nồng độ metyl đỏ ban đầu 40 2.5.6. So sánh khả năng hấp phụ của VLHP 2 với than hoạt tính 44 2.6. Xử lý thử 3 mẫu nước thải chứa metyl đỏ 45 KẾT LUẬN . 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trường nước hiện nay là một vấn đề được toàn xã hội quan tâm. Ở Việt Nam đang tồn tại một thực trạng đó là nước thải ở hầu hết các cơ sở sản xuất chỉ được xử lí sơ bộ thậm chí thải trực tiếp ra môi trường. Hậu quả là môi trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Vì vậy, bên cạnh việc nâng cao ý thức của con người, xiết chặt công tác quản lí môi trường thì việc tìm ra phương pháp nhằm loại bỏ các ion kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ độc hại ra khỏi môi trường nước có ý nghĩa hết sức to lớn. Thuốc nhuộm được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: dệt may, cao su, giấy, mỹ phẩm…Do tính tan cao, các thuốc nhuộm là tác nhân gây ô nhiễm các nguồn nước và hậu quả là tổn hại đến con người và các sinh vật sống. Hơn nữa, thuốc nhuộm trong nước thải rất khó loại bỏ vì chúng ổn định với ánh sáng, nhiệt và các tác nhân gây oxy hoá. Trong số nhiều phương pháp được nghiên cứu để tách loại các phẩm màu trong môi trường nước, phương pháp hấp phụ được lựa chọn và đã mang lại hiệu quả cao. Ưu điểm của phương pháp này là đi từ nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có, qui trình đơn giản và không đưa thêm vào môi trường những tác nhân độc hại. Hiện nay, có rất nhiều chất hấp phụ rẻ tiền, dễ kiếm (như: bã mía, vỏ lạc, lõi ngô, vỏ dừa, rơm, bèo tây, chuối sợi…) được sử dụng để loại bỏ các chất gây độc hại trong môi trường nước. Bã mía (phụ phẩm của ngành công nghiệp mía đường) đang được đánh giá là tiềm năng để chế tạo các vật liệu hấp phụ (VLHP) để xử lí ô nhiễm môi trường. Xuất phát từ những lí do trên, trong luận văn này chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ metyl đỏ trong dung dịch nước của các vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía và thử nghiệm xử lý môi trường”. Với mục đích đó, trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu các nội dung sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 1. Chế tạo các VLHP từ bã mía. 2. Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của các VLHP chế tạo từ bã mía đối với metyl đỏ trong môi trường nước 3. Thử xử lí một số mẫu nước thải chứa metyl đỏ bằng các VLHP chế tạo được. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Nƣớc thải dệt nhuộm Ngành dệt nhuộm là một trong những ngành quan trọng và có từ lâu đời vì nó gắn liền với nhu cầu cơ bản của loài người là may mặc. Sản lượng dệt trên thế giới ngày càng tăng cùng với gia tăng về chất lượng sản phẩm, đa dạng về mẫu mã, mầu sắc của sản phẩm. Chẳng hạn ở Ấn Độ, hàng năm sản xuất khoảng 4000 triệu mét vải với lực lượng lao động của ngành xấp xỉ 95 vạn người trong 670 xí nghiệp. Ở Việt Nam, ngành công nghiệp dệt may đang trở thành một trong những ngành mũi nhọn trong các ngành công nghiệp, mục tiêu của ngành là đến năm 2010 sản xuất 1 tỷ mét vải [3]. Nguồn nước thải phát sinh trong công nghệ dệt nhuộm là từ các công đoạn hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất, trong đó lượng nước thải chủ yếu do quá trình giặt sau mỗi công đoạn. Nhu cầu sử dụng nước trong nhà máy dệt nhuộm rất lớn và thay đổi theo mặt hàng khác nhau. Nhu cầu sử dụng nước cho 1 mét vải nằm trong phạm vi từ 12 đến 65 lít và thải ra từ 10 đến 40 lít. Vấn đề ô nhiễm chủ yếu trong ngành dệt nhuộm là ô nhiễm nguồn nước [3], [8]. 1.1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trong những điều kiện quy định (tính gắn màu). Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp. Hiện nay con người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp. Đặc điểm nổi bật của các loại thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy. Màu sắc của thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học: một cách chung nhất, cấu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu. Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử  không cố định như: CC   , CN   , NN   , 2 NO … Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận điện tử như: 2 NH , OOCH , 3 SO H , OH … đóng vai trò tăng cường màu của nhóm mang màu bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử [5]. - Khái quát về một số loại thuốc nhuộm Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hoá học, màu sắc, phạm vi sử dụng. Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất: 1. Phân loại theo cấu trúc hoá học gồm có: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm antraquinon, thuốc nhuộm triarylmetan, thuốc nhuộm phtaloxiamin [8]. 2. Phân loại theo đặc tính áp dụng gồm có: thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lưu hoá, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ cation, thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính [8]. Ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến một số loại thuốc nhuộm nhằm làm sáng tỏ hơn về loại thuốc nhuộm sử dụng trong phần thực nghiệm của luận văn. ● Thuốc nhuộm azo: nhóm mang màu là nhóm azo ( NN   ) phân tử thuốc nhuộm có một nhóm azo (monoazo) hay nhiều nhóm azo (diazo, triazo, polyazo). ● Thuốc nhuộm trực tiếp: Là loại thuốc nhuộm anion có dạng tổng quát Ar–SO 3 Na. Khi hoà tan trong nước nó phân ly cho về dạng anion thuốc nhuộm và bắt màu vào sợi. Trong tổng số thuốc nhuộm trực tiếp thì có 92% thuốc nhuộm azo. ● Thuốc nhuộm bazơ cation: Các thuốc nhuộm bazơ dễ nhuộm tơ tằm, bông cầm màu bằng tananh. Là các muối clorua, oxalat hoặc muối kép của bazơ hữu cơ chúng dễ tan trong nước cho cation mang màu. Trong các màu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 thuốc nhuộm bazơ, các lớp hoá học được phân bố: azo (43%), metin (17%), triazylmetan (11%), arycydin (7%), antriquinon (5%) và các loại khác. ● Thuốc nhuộm axit: Là muối của axit mạnh và bazơ mạnh chúng tan trong nước phân ly thành ion: Ar–SO 3 Na → Ar–SO 3 – + Na + , anion mang màu thuốc nhuộm tạo liên kết ion với tâm tĩnh điện dương của vật liệu. Thuốc nhuộm axit có khả năng tự nhuộm màu xơ sợi protein (len, tơ tằm, polyamit) trong môi trường axit. Xét về cấu tạo hoá học có 79% thuốc nhuộm axit azo, 10% là antraquinon, 5% là triarylmetan và 6% là lớp hoá học khác. 1.1.2. Thuốc nhuộm azo Thuốc nhuộm azo chứa nhóm azo ( NN   ) trong phân tử và các nhóm trợ màu tuỳ theo đặc tính của nhóm trợ màu. Nếu nhóm trợ màu mang tính bazơ có các nhóm đẩy electron mạnh như –NH 2 , –NR 2 … gọi là thuốc nhuộm azo-bazơ. Nếu nhóm trợ màu có tính axit do các nhóm thế – OH, – COOH, –SO 3 H gọi là thuốc nhuộm azo-axit. Đây là họ thuốc nhuộm quan trọng nhất và có số lượng lớn nhất chiếm khoảng 60-70% số lượng các thuốc nhuộm tổng hợp [5], [6]. Phần lớn thuốc nhuộm được sử dụng là thuốc nhuộm azo. Đây là phẩm nhuộm có màu sắc tươi sáng do sự hiện diện của một hoặc một vài nhóm azo ()NN tạo hệ liên hợp với cấu trúc nhân thơm. Metyl đỏ là một monoazo thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, dệt may và các ngành công nghiệp khác. Metyl đỏ có thể gây các bệnh về mắt, da, đường hô hấp, đường tiêu hóa [9]. Công thức phân tử: C 15 H 15 N 3 O 2 Công thức cấu tạo: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 1.1.3. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm. Thuốc nhuộm tổng hợp có từ lâu và ngày càng được sử dụng nhiều trong dệt may, giấy, cao su, nhựa, da, mỹ phẩm, dược phẩm và các ngành công nghiệp thực phẩm. Vì thuốc nhuộm có đặc điểm: sử dụng dễ dàng, giá thành rẻ, ổn định và đa dạng so với màu sắc tự nhiên. Tuy nhiên việc sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm và các sản phẩm của chúng gây ra ô nhiễm nguồn nước ảnh hưởng tới con người và môi trường. Khi đi vào nguồn nước nhận như sông, hồ…Với một nồng độ rất nhỏ của thuốc nhuộm đã cho cảm giác về màu sắc. Màu đậm của nước thải cản trở sự hấp thụ oxy và ánh sáng mặt trời, gây bất lợi cho sự hô hấp, sinh trưởng của các loại thuỷ sinh vật. Như vậy nó tác động xấu đến khả năng phân giải của vi sinh đối với các chất hữu cơ trong nước thải. Đối với cá và các loại thủy sinh: các thử nghiệm trên cá của hơn 3000 thuốc nhuộm nằm trong tất cả các nhóm từ không độc, độc vừa, rất độc đến cực độc. Trong đó có khoảng 37% thuốc nhuộm gây độc cho cá và thủy sinh, chỉ 2% thuốc nhuộm ở mức độ rất độc và cực độc cho cá và thủy sinh [10], [16]. Đối với con người có thể gây ra các bệnh về da, đường hô hấp, phổi. Ngoài ra, một số thuốc nhuộm hoặc chất chuyển hoá của chúng rất độc hại có thể gây ung thư (như thuốc nhuộm Benzidin, Sudan). Các nhà sản xuất châu Âu đã ngừng sản suất loại này, nhưng trên thực tế chúng vẫn được tìm thấy trên thị trường do giá thành rẻ và hiệu quả nhuộm màu cao [10]. 1.1.4. Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm Quá trình xử lý hóa học vật liệu gồm xử lý ướt và xử lý khô. Xử lý ướt gồm: xử lý trước, tẩy trắng, làm bóng nhuộm, in hoa. Công đoạn xử lý ướt sử dụng nhiều nước, nói chung để xử lý hoàn tất 1kg hàng dệt cần 50  300lít nước tùy chủng loại vật liệu và máy móc thiết bị. Hầu hết lượng nước này cỡ 88,4% sẽ thải ra ngoài, 11,6% lượng nước bay hơi trong quá trình gia công. [...]... Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 http://www.lrc-tnu.edu.vn hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của các chất bị hấp phụ trong môi trường nước So với hấp phụ trong pha khí, sự hấp phụ trong môi trường nước thường có tốc độ chậm hơn nhiều Đó là do tương tác giữa chất bị hấp phụ với dung môi nước và với bề mặt chất hấp phụ làm cho quá trình khuếch tán của các. .. Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 http://www.lrc-tnu.edu.vn trường đại học Sains (Malaysia) sử dụng xơ chuối để tách loại metyl đỏ từ dung dịch nước [10] và nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính chế tạo từ dưa chuột để hấp phụ động học thuốc nhuộm cation trong môi trường nước của nhóm tác giả [15] Với mục đích sử dụng VLHP hấp phụ metyl đỏ trong dung dịch nước, trong luận văn này chúng tôi tiến hành xử lý. .. VLHP phụ thuộc vào: pH của dung dịch, lượng chất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ [5] 1.2.3 Động học hấp phụ Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt của chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai đoạn kế tiếp nhau: ♦ Các chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt chất hấp phụ - Giai đoạn khuếch tán trong dung dịch Số hóa bởi Trung tâm Học liệu. .. chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức tạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác: nước, chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó Tính chọn lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của. .. nhận thấy khả năng hấp phụ của hai loại VLHP tốt hơn nguyên liệu Cụ thể: hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ của VLHP 1 cao hơn gần 2 lần, của VLHP 2 cao hơn gần 3 lần so với nguyên liệu 2.5 Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của các VLHP 2.5.1 Ảnh hưởng của pH Chuẩn bị các cốc thủy tinh dung tích 250ml có đánh số thứ tự, mỗi cốc chứa 0,4g các VLHP và 100ml dung dịch metyl đỏ nồng... tích luỹ trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Tuỳ theo bản chất của lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học [1], [3], [4] 1.2.1.1 Hấp phụ vật lý Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion ) ở bề mặt phân... 248,27mg/l Dùng dung dịch NaOH 0,01M và HCl 0,01M để điều chỉnh pH của các dung dịch đến các giá trị tương ứng là 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Khuấy các dung dịch với tốc độ 160 vòng/phút trong 120 phút, ở nhiệt độ phòng (27±10C) Lọc bỏ bã rắn, xác định nồng độ metyl đỏ còn lại trong mỗi dung dịch sau hấp phụ Tính dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ của các VLHP đối với metyl đỏ theo công thức (2.1) và (2.2)... nhau Khả năng hấp phụ trên VLHP đối với các chất hữu cơ có độ tan cao sẽ yếu hơn với các chất hữu cơ có độ tan thấp hơn Như vậy, từ độ tan của chất hữu cơ trong nước có thể dự đoán khả năng hấp phụ chúng trên VLHP Phần lớn các chất hữu cơ tồn tại trong nước dạng phân tử trung hoà, ít bị phân cực Do đó quá trình hấp phụ trên VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơ chế hấp phụ vật lý Khả năng hấp phụ các. .. đỏ: Từ dung dịch metyl đỏ gốc nồng độ 500 mg/l chuẩn bị các dung dịch có nồng độ: 50, 100, 150, 200, 250mg/l, mẫu trắng không chứa metyl đỏ Dùng dung dịch NaOH 0,01M và HCl 0,01M để điều chỉnh môi trường của các dung dịch đến pH=7,0 Đem đo độ hấp thụ quang của các dung dịch tại bước sóng =617nm dùng cuvet 1cm [9] Từ số liệu thực nghiệm xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metyl đỏ Bảng 2.1 Số liệu. .. suất hấp phụ là 98% ở pH=2, tốc độ lắc 50 vòng/phút và nồng độ 2000ppm [12] Một số nhà nghiên cứu ở Brazil [11] đã chế tạo các VLHP từ bã mía qua xử lý bằng anhydrit succinic để hấp phụ các ion Cu2+, Cd2+, Pb2+ trong dung dịch nước Dung lượng hấp phụ cực đại đối với Cu2+, Cd2+, Pb2+ lần lượt là 62mg/g, 106mg/g và 122mg/g Nhóm nghiên cứu ở trường đại học Putra (Malaysia) đã tiến hành nghiên cứu và đề . NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYL ĐỎ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC CỦA CÁC VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG . khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của các VLHP chế tạo từ bã mía đối với metyl đỏ trong môi trường nước 3. Thử xử lí