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

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

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

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 3

Chương 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

Chương 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

2.4 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

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”

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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Nước 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

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:   C C ,   C N ,   N N , NO2… Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận điện tử như: NH2, COOH , SO H3 , 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 ( N  N ) 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–SO3Na 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

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–SO3Na → Ar–SO3

–

+ 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 (  N N ) 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 –NH2, –NR2… gọi là thuốc nhuộm azo-bazơ Nếu nhóm trợ màu có tính axit do các nhóm thế – OH, –COOH, –SO3H 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 (  N N ) 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: C15H15N3O2

Công thức cấu tạo:

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

Bảng 1.1 Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải

công nghiệp dệt nhuộm[8]

Nấu – tẩy trắng Nấu – tẩy trắng Tẩy trắng (nếu yêu cầu)

Các hoá chất sử dụng trong quy trình công nghệ như hồ tinh bột,

H2SO4, CH3COOH, NaOH, NaOCl, H2O2, Na2CO3, Na2SO3… các loại thuốc nhuộm, các chất trợ, chất ngấm, chất cầm màu, chất tẩy giặt Lượng hoá chất

sử dụng với từng loại vải, từng loại màu thường khác nhau và chủ yếu đi vào nước thải của từng công đoạn tương ứng [3]

1.2 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ

1.2.1 Hiện tượng hấp phụ

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí-rắn, lỏng-rắn, khí- lỏng, lỏng-lỏng) Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ

được gọi là chất hấp phụ; còn chất được 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 chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu Đó là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng Lực liên kết này yếu nên dễ bị phá vỡ

Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hoá học (không hình thành các liên kết hoá học) mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn[1], [3], [4]

1.2.1.2 Hấp phụ hoá học

Hấp phụ hoá học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hoá học với các phân tử chất bị hấp phụ Lực hấp phụ hoá học khi đó là lực liên kết hoá học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hoá trị, liên kết phối trí ) Lực liên kết này mạnh nên khó bị phá vỡ Nhiệt hấp phụ hoá học lớn,

có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol[1], [3], [4]

1.2.2 Hấp phụ trong môi trường nước

Trong nước, tương tác giữa một 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 chất bị

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 phân

tử chất tan chậm

Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH của môi trường Sự thay đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất chất bị hấp phụ (các chất có tính axit yếu, bazơ yếu hay trung tính phân li khác nhau

ở các giá trị pH khác nhau) mà còn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề mặt chất hấp phụ[1], [3], [4]

Đặc tính của chất hữu cơ trong môi trường nước

Trong môi trường nước, các chất hữu cơ có độ tan khác 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 chất hữu cơ trên 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

♦ Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các hệ mao quản - Giai đoạn khuếch tán màng

♦ Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ - Giai đoạn khuếch tán vào trong mao quản

♦ Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ - Giai đoạn hấp phụ thực sự

Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình hấp phụ[1], [3], [4]

1.2.4 Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch Các phân tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha mang Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược lại pha mang càng lớn Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng

Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ

là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ:

q = f (T,P hoặc C) (1.1)

Ở nhiệt độ không đổi (T=const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của q vào P hoặc C (q= fT (P hoặc C)) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể xây dựng trên cơ sở lý thuyết, kinh nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tuỳ thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất và kinh nghiệm xử lý số liệu thực nghiêm[1], [3], [4]

Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng được nêu ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng [5]

Brunauer-Emmett-Teller

( 1)1

hiệu a, b, k, n là các hằng số

Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của các VLHP đối với metyl đỏ trong môi trường nước theo mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên các giả thuyết:

♦ Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định ♦ Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân

♦ Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh

Phương trình đẳng nhiệt Langmuir nêu ở bảng 1.2 được xây dựng cho hệ hấp phụ rắn- khí Tuy nhiên, phương trình trên cũng có thể áp dụng cho hấp phụ trong môi trường nước Khi đó phương trình Langmuir được biểu diễn như sau:

q,q max: dung lượng hấp phụ cân bằng, dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

+Trong vùng nồng độ cao: b C >> 1 thì cb qq max mô tả vùng hấp phụ bão hòa

Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳng nhiệt biểu diễn là một đoạn cong Để xác định các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt Langmuir, đưa phương trình (1.2) về dạng phương trình đường thẳng:

Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của C cb

q vào C sẽ xác định được các cb

hằng số: b, q max trong phương trình Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và

đồ thị sự phụ thuộc của C cb

q vào C có dạng như hình 1.1 và 1.2 cb

m m

m

ON



1.3 Giới thiệu về phương pháp phân tích trắc quang

Phương pháp trắc quang là phương pháp phân tích được sử dụng phổ

biến nhất trong các phương pháp phân tích hóa lý Bằng phương pháp này có

thể định lượng nhanh chóng với độ nhạy và độ chính xác cao Thực tế phương

pháp này có khả năng sử dụng vô hạn để xác định hầu hết các nguyên tố trong

bảng hệ thống tuần hoàn (trừ các khí trơ), các hợp chất vô cơ cũng như các

hợp chất hữu cơ Các công trình khoa học đăng trên các tạp chí thì phương

pháp trắc quang chiếm khoảng 40% tổng số các công trình được công bố

Phương pháp phân tích trắc quang được phát triển mạnh vì nó đơn giản, đáng

ON

tin cậy và được sử dụng nhiều trong kiểm tra sản xuất hoá học, luyện kim và trong nghiên cứu hoá địa, hoá sinh, môi trường và nhiều lĩnh vực khác [2]

Ở đây chúng tôi chỉ đề cập vài nét của phương pháp trắc quang nhằm làm sáng tỏ hơn những vấn đề sẽ trình bày trong phần thực nghiệm

1.3.1 Cơ sở của phương pháp phân tích trắc quang

Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích trắc quang là muốn xác định một cấu tử X nào đó, chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó và suy ra hàm lượng chất cần xác định X

Cơ sở của phương pháp là định luật hấp thụ ánh sáng Lambert-Beer Biểu thức của định luật:

Io, I lần lượt là cường độ của ánh sáng đi vào và ra khỏi dung dịch

L là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua

,

sự có mặt của các ion lạ) nên đồ thị trên không có dạng đường thẳng với mọi giá trị của nồng độ Do vậy biểu thức 1.3 có dạng:

( x)b

λ

A = k.ε.L C (1.5) Trong đó:

A = K.C (1.6) Phương trình (1.5) là cơ sở để định lượng các chất theo phép đo phổ hấp thụ quang phân tử UV-Vis (phương pháp trắc quang) Trong phân tích người ta chỉ sử dụng vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C, vùng tuyến tính này rộng hay hẹp phụ thuộc vào bản chất hấp thụ quang của mỗi chất và các điều kiện thực nghiệm [2], [4]

1.3.2 Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang

Có nhiều phương pháp khác nhau để định lượng một chất bằng phương pháp trắc quang Từ các phương pháp đơn giản không cần máy móc như: phương pháp dãy chuẩn nhìn màu, phương pháp chuẩn độ so sánh màu, phương pháp cân bằng màu bằng mắt… các phương pháp này đơn giản, không cần máy móc đo phổ nhưng chỉ xác định được nồng độ gần đúng của chất cần định lượng, nó thích hợp cho việc kiểm tra ngưỡng cho phép của các chất nào đó xem có đạt hay không Các phương pháp phải sử dụng máy quang phổ như: phương pháp đường chuẩn, phương pháp dãy tiêu chuẩn, phương pháp chuẩn độ trắc quang, phương pháp cân bằng, phương pháp thêm, phương pháp vi sai,… Tùy theo từng điều kiện và đối tượng phân tích cụ thể

mà ta chọn phương pháp thích hợp Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp đường chuẩn để định lượng metyl đỏ

Phương pháp đường chuẩn: Từ phương trình cơ sở A = k.(Cx)b về nguyên tắc, để xây dựng một đường chuẩn phục vụ cho việc định lượng một chất trước hết phải pha chế một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ chất hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng nồng độ tuyến tính (b = 1) Tiến hành đo độ hấp thụ quang A của dãy dung dịch chuẩn đó Từ các giá trị độ hấp thụ quang A đo được dựng đồ thị A = f(C)

Sau khi có đường chuẩn, pha chế các dung dịch cần xác định trong điều kiện giống như khi xây dựng đường chuẩn Đo độ hấp thụ quang A của chúng với điều kiện đo như khi xây dựng đường chuẩn (cùng dung dịch so sánh, cùng cuvet, cùng bước sóng) được các giá trị Ax Áp các giá trị Ax đo được vào đường chuẩn sẽ tìm được các giá trị nồng độ Cx tương ứng [2]

1.4 Giới thiệu về VLHP bã mía

Theo thống kê trên thế giới, khoảng 200 quốc gia và vùng lãnh thổ trồng mía và sản lượng đạt 1324,6 triệu tấn Còn ở Việt Nam niên vụ 2009-

2010, diện tích mía nguyên liệu vào khoảng 290 000 ha trong đó diện tích tập trung của các nhà máy đường là 221 816 ha với sản lượng đạt 16 triệu tấn

Theo tính toán của các nhà khoa học, việc chế biến 10 triệu tấn mía

để làm đường sinh ra một lượng phế thải khổng lồ: 2,5 triệu tấn bã mía Trước đây 80% lượng bã mía này đuợc sử dụng để đốt lò hơi trong các nhà máy sản xuất đuờng Bã mía cũng có thể được dùng làm bột giấy, ép thành ván dùng trong kiến trúc, cao hơn là làm furfural là nguyên liệu cho ngành sợi tổng hợp Trong tương lai khi mà rừng ngày càng giảm, nguồn nguyên liệu làm bột giấy

từ cây rừng giảm đi thì bã mía là nguyên liệu quan trọng để thay thế [9]

Bã mía chiếm khoảng 25 – 30% trọng lượng mía đem ép Trong bã mía trung bình chứa 49% là nước, 48% là xơ (trong đó 45 – 55% xenlulozơ),

2,5% chất hòa tan (đường) [7] Tuỳ theo loại mía và đặc điểm nơi trồng mía

mà các thành phần hoá học có trong bã mía có thể biến đổi Hàm lượng phần trăm các thành phần hoá học chính của bã mía được chỉ ra trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Thành phần hoá học của bã mía [7]

Chất hoà tan khác (tro, sáp, protein…) 5 ÷3

Xenlulozơ: Xenlulozơ là polisaccarit do các mắt xích α-glucozơ [C6H7O2(OH)3]n nối với nhau bằng liên kết 1,4-glicozit Phân tử khối của xenlulozơ rất lớn, khoảng từ 10000 – 150000u

Hemixenlulozơ: Về cơ bản, hemixenlulozơ là polisaccarit giống như

xenlulozơ, nhưng có số lượng mắt xích nhỏ hơn Hemixenlulozơ thường bao gồm nhiều loại mắt xích và có chứa các nhóm thế axetyl và metyl

Lignin: Lignin là loại polyme được tạo bởi các mắt xích phenylpropan

Lignin giữ vai trò là chất kết nối giữa xenlulozơ và hemixenlulozơ[7]

1.5 Một số hướng nghiên cứu sử dụng bã mía làm VLHP xử lý môi trường

Với thành phần chính là xenlulozo và hemixenlulozo, bã mía có thể biến tính để trở thành vật liệu hấp phụ tốt Trên thế giới đã có một số nhà khoa học nghiên cứu biến tính bã mía để làm vật liệu hấp phụ xử lý môi trường

Nhóm nghiên cứu ở viện hóa học, viện khoa học và công nghệ Ấn Độ

Cr (VI) trong dung dịch nước Kết quả thu được cho thấy bã mía biến tính bằng axit xitric có thể hấp phụ gần như hoàn toàn Cr (VI) với hiệu 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 xuất qui trình xử lý bã mía thành VLHP để tách loại màu trong dung dịch keo bằng phương pháp hấp phụ Nghiên cứu này cho thấy đây là một phương pháp có hiệu quả để loại bỏ màu trong nước thải và có những điểm vượt trội so với những phương pháp khác vì quá trình xử lý không để lại cặn và hoàn toàn loại bỏ được màu ra khỏi nước thải thậm chí cả dung dịch loãng [13]

Các tác giả [14] đã tiến hành nghiên cứu và so sánh khả năng tách loại các thuốc nhuộm axit trong dung dịch nước của các loại VLHP như: than bã mía, than vỏ lạc, than lá chè… Kết quả thu được cho thấy các VLHP đều có khả năng hấp phụ các thuốc nhuộm axit với hiệu suất khá cao

Riêng đối với metyl đỏ còn có thể sử dụng các VLHP chế tạo từ các phụ phẩm nông công nghiệp khác có thành phần hóa học chủ yếu giống như

bã mía để tách loại ra khỏi dung dịch nước Nhóm nghiên cứu ở trường đại học Karpagam (Ấn Độ) đã nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ hạt na, các kết quả thu được cho thấy đây có thể là một lựa chọn hấp dẫn cho quá trình tách loại phẩm nhuộm trong dung dịch loãng Kết quả thử nghiệm được trên nước thải nhuộm mô phỏng cho thấy hiệu suất hấp phụ của VLHP này là khá tốt (82,82%) [16] Hay như các công trình khoa học của nhóm nghiên cứu

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 bã mía bằng fomanđehit và axit sunfuric [9]

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ 2.1 HOÁ CHẤT VÀ THIẾT BỊ

2.1.2 Thiết bị

Máy quang phổ hấp thụ phân tử UV mini 1240 hãng Shimadzu (Nhật Bản) Máy quang phổ hồng ngoại IR Prestige 21 hãng Shimadzu (Nhật Bản) Máy đo pH Preisa 600 (Thụy Sỹ)

Máy khuấy IKA Labortechnik

Máy nghiền thông dụng

Tủ sấy, cân điện tử bốn số…

Các loại pipet, buret, bình tam giác, cốc, bình định mức, chén sứ…

2.2 Chế tạo và khảo sát một số đặc trƣng cấu trúc của các VLHP

2.2.1 Chế tạo các VLHP từ bã mía

2.2.1.1 Chuẩn bị nguyên liệu

Bã mía sau khi rửa sạch được cắt nhỏ, cho vào nước cất đun sôi trong

30 phút để loại bỏ đường hòa tan sau đó sấy khô ở 80oC trong 24 giờ Bã mía

khô được nghiền thành bột mịn (nguyên liệu đầu)[9]

2.2.1.2 Chế tạo các vật liệu hấp phụ

a VLHP 1: Cân một lượng xác định nguyên liệu rồi trộn với dung dịch

fomanđehit 1% theo tỉ lệ 1: 5 (nguyên liệu: fomanđehit; khối lượng (mg) : thể tích (ml)), sau đó đem sấy ở 50oC trong 4 giờ Lọc thu lấy nguyên liệu, rửa sạch bằng nước cất hai lần để loại bỏ fomanđêhit dư và sấy ở 80o

C cho đến khô thu được VLHP 1[9]

b VLHP 2: Cân một lượng xác định nguyên liệu, trộn đều với H2SO4

đặc theo tỉ lệ 1:1 (nguyên liệu : axit sunfuric; khối lượng (mg) : thể tích (ml)), sau đó đem sấy ở 150oC trong 24 giờ Nguyên liệu sau khi sấy được rửa sạch bằng nước cất hai lần và ngâm trong dung dịch NaHCO3 1% trong

24 giờ để loại bỏ axit dư Lọc lấy bã rắn và tiếp tục sấy ở 150oC cho đến khô rồi đem nghiền nhỏ thu được VLHP 2 (dạng than)

a Nguyên liệu

b VLHP 1

Hình 2.1 Ảnh SEM của nguyên liệu (a) và VLHP 1(b)