điều chế và khảo sát ứng dụng của vật liệu hấp phụ từ vỏ sầu riêng

TÓM T ẮT Trong khóa luận này chúng tôi thực hiện các công việc sau: • Dựa vào các điều kiện tối ưu để biến tính vỏ sầu riêng thành vật liệu hấp phụ VLHP • Khảo sát ảnh hưởng của thời gia

TP H ồ Chí Minh, tháng 5 năm 2016

th ực hiện đề tài Cô đã luôn tạo điều kiện thuận lợi, đưa ra những góp ý, những lời

nh ận xét khoa học và thực tế để giúp tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp đúng thời hạn Tôi cũng xin gửi lời cám ơn chân thành đến toàn thể thầy cô đã tận tình giảng dạy tôi trong su ốt những năm tháng ngồi trên giảng đường và đặc biệt là các thầy cô trong khoa thuộc các bộ môn Hóa Lý, Hóa Vô Cơ, Hóa Phân Tích, Hóa Hữu Cơ, Hóa Nông Nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ, chỉ dạy và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành khóa luận Tôi cũng xin gửi lời tri ân đến gia đình và bạn bè, đặc biệt là Ba Mẹ tôi, những người đã luôn bên cạnh, động viên, khích lệ và là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho tôi vào những lúc tôi mệt mỏi, mất phương hướng và khó khăn nhất Tình yêu thương của

Ba M ẹ chính là động lực lớn nhất thôi thúc tôi phải

luôn cố gắng, cố gắng và cố gắng nhiều hơn nữa

Và nhân đây cũng cho tôi gửi lời cám ơn đến

th ầy Trần Bửu Đăng, giảng viên Hóa Vô cơ Thầy

đã luôn tận tình giúp đỡ, chỉ dạy và đưa ra những

l ời khuyên, những lời nhận xét đúng lúc Thầy còn

cho chúng tôi những tình cảm gần gũi, đáng quý như một người anh trong gia đình Trong quá trình thực hiện đề tài và báo cáo khóa luận khó tránh khỏi những thiếu sót vì v ốn kiến thức, kinh nghiệm bản thân còn hạn chế Vì vậy tôi xin ghi nhận những ý kiến đóng góp, những nhận xét quý báu của các thầy cô và bạn bè để khóa luận ngày càng được hoàn thiện hơn

TÓM T ẮT

Trong khóa luận này chúng tôi thực hiện các công việc sau:

• Dựa vào các điều kiện tối ưu để biến tính vỏ sầu riêng thành vật liệu hấp phụ (VLHP)

• Khảo sát ảnh hưởng của thời gian, pH và khối lượng bột vỏ sầu riêng ban đầu đến sự hấp phụ metylen xanh của VLHP

• Xác định khả năng hấp phụ đối với dung dịch metylen xanh của VLHP

Các phương pháp nghiên cứu:

• Phương pháp phổ hồng ngoại để xác định nhóm chức

• Phương pháp trắc quang để định lượng dung dịch metylen xanh

• Phương pháp BET để xác định diện tích bề mặt của VLHP

MỤC LỤC

L ỜI CẢM ƠN 1

TÓM T ẮT 2

MỤC LỤC 3

DANH M ỤC CÁC BẢNG Error! Bookmark not defined M Ở ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 10

1.1 Gi ới thiệu về cây sầu riêng 10

1.1.1 Tên gọi 10

1.1.2 Hình thái học 10

1.1.3 Phân bố 13

1.1.4 Giá trị dinh dưỡng 13

1.1.5 Yêu cầu điều kiện ngoại cảnh 14

1.2 V ỏ quả sầu riêng 14

1.2.1 Công dụng của vỏ quả sầu riêng 14

1.2.2 Thành phần hóa học của vỏ sầu riêng 15

1.3 Tình hình d ệt nhuộm ở Việt Nam 19

1.4 Hấp phụ 23

1.4.1 Hiện tượng hấp phụ 23

1.4.2 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ theo Freundlich 23

1.4.3 Metylen xanh 24

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 25

2.1 M ục đích nghiên cứu 25

2.2 N ội dung nghiên cứu 25

2.3 Phương pháp nghiên cứu 26

2.3.1 Phương pháp phân tích trắc quang 26

2.4 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất 30

2.4.1 Dụng cụ, thiết bị 30

2.4.2 Hóa chất 30

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 31

3.1 Ch ế tạo VLHP từ vỏ sầu riêng 31

3.2 X ử lý nguyên liệu với tác chất 31

3.2.1 Tác ch ất kiềm 32

3.2.2 Tác chất axit 33

3.3 T ẩy trắng bột xenlulozơ thô 35

3.4 Ph ổ IR của nguyên liệu đầu, bột vỏ sầu riêng sau khi biến tính với NaOH và H 2 SO 4 37

3.5 Di ện tích bề mặt của VLHP 39

3.6 Đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh 39

3.6.1 Chuẩn bị dung dịch thí nghiệm 39

3.6.2 Dựng đường chuẩn để xác định nồng độ metylen xanh 40

3.7 Kh ả năng hấp phụ của VLHP 41

3.7.1 Ảnh hưởng của thời gian đến cân bằng hấp phụ 41

3.7.2 Ảnh hưởng của pH đến cân bằng hấp phụ 45

3.7.3 Ảnh hưởng của lượng bột vỏ sầu riêng đến cân bằng hấp phụ 48

3.8 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 51

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

4.1 K ết luận 53

4.2 Ki ến nghị 53

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 54

Tài li ệu tiếng Việt 54

PH Ụ LỤC 58

DANH M ỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Qu ả sầu riêng 10

Hình 1.2 Lá quả sầu riêng 11

Hình 1.3 Hoa qu ả sầu riêng 11

Hình 1.4 Gai qu ả sầu riêng 12

Hình 1.5 Ph ần thịt quả sầu riêng 12

Hình 1.6 V ỏ quả sầu riêng 14

Hình 1.7 C ấu trúc trong thành tế bào 15

Hình 1.8 C ấu trúc của xenlulozơ 16

Hình 1.9 C ấu trúc của hemixenlulozơ 16

Hình 1.10 C ấu trúc của lignin 18

Hình 1.11 Các d ạng cấu trúc điển hình của lignin 19

Hình 1.12 Ngành d ệt nhuộm ở Việt Nam 20

Hình 1.13 Nước thải từ ngành dệt nhuộm 21

Hình 1.14 Cá ch ết do ô nhiễm nước thải dệt nhuộm 22

Hình 1.15 Công th ức của metylen xanh 24

Hình 2.1 D ạng đường chuẩn rong phân tích trắc quang 27

Hình 3.1 V ỏ quả sầu riêng sau khi sấy khô hoàn toàn 31

Hình 3.4 Phổ IR của mẫu bột sầu riêng chưa biến tính 37

Hình 3.5 Ph ổ IR của mẫu bột sầu riêng biến tính với NaOH 38

Hình 3.6 Ph ổ IR của mẫu bột sầu riêng biến tính với H 2 SO 4 39

Hình 3.7 Đường chuẩn xác định nồng độ của metylen xanh 41

Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa thời gian và hiệu suất hấp phụ 42

Hình 3.9 Đồ thị biễu diễn mối quan hệ giữa pH và hiệu suất hấp phụ 46

Hình 3.10 Đồ thị biễu diễn mối liên hệ giữa khối lượng bột vỏ sầu riêng sử dụng và hi ệu suất hấp phụ 49

Hình 3.11 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 53

DANH M ỤC CÁC BẢNG

B ảng 1.1 Đặc trưng ô nhiễm của nước thải dệt nhuộm 22

Bảng 3.1 Hiệu suất quá trình loại lignin bằng NaOH 33

B ảng 3.2 Hiệu suất quá trình loại lignin bằng H 2 SO 4 34

B ảng 3.3 Tổng %lignin bị tách sau tẩy trắng của mẫu biến tính với NaOH 36

B ảng 3.4 Tổng %lignin bị tách sau khi tẩy trắng của mẫu biến tính với H 2 SO 4 36

B ảng 3.5 Kết quả giá trị mật độ quang của dung dịch chuẩn 41

B ảng 3.6 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ 43

B ảng 3.7 Phân tích phương sai một yếu tố thời gian 44

B ảng 3.8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH 45

B ảng 3.9 Phân tích phương sai một yếu tố pH 47

B ảng 3.10 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng VLHP 48

B ảng 3.11 Phân tích phương sai một yếu tố lượng VLHP 51

Bảng 3.12 Tổng kết các điều kiện hấp phụ metylen xanh 52

B ảng 3.13 Bảng số liệu dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 52

M Ở ĐẦU

Một trong những vấn đề nóng bỏng đặt ra cho các nước đang phát triển trong đó

có Việt Nam là cải thiện tình trạng ô nhiễm môi trường từ các chất độc hại do nền công nghiệp tạo ra Điển hình như các ngành công nghiệp cao su, hóa chất, công nghiệp thực phẩm, thuốc bảo vệ thực vật, y dược, luyện kim, xi mạ, giấy, đặc biệt là ngành dệt nhuộm, ngành đang phát triển mạnh mẽ và chiếm kim ngạch xuất khẩu cao của Việt Nam

Các loại thuốc nhuộm được đặc biệt quan tâm vì chúng thường là nguồn sinh ra các kim loại, muối và màu trong nước thải Tuy nhiên, hầu hết các nhà máy, xí nghiệp dệt nhuộm ở nước ta đều chưa có hệ thống xử lý nước thải mà đang có xu hướng thải trực tiếp ra sông, suối, ao, hồ,… Loại nước thải này có độ kiềm cao, độ màu lớn và chứa nhiều hóa chất độc hại đối với các loài thủy sinh

Nước thải dệt nhuộm, đặc biệt nước thải từ một số công đoạn như nhuộm, nấu, có

độ ô nhiễm rất cao (chỉ số COD và độ màu cao gấp hàng chục lần so với tiêu chuẩn nước thải cho phép), chứa nhiều hợp chất hữu cơ mang màu, có cấu trúc bền, khó phân hủy sinh học và có độc tính cao đối với người và động, thực vật Vì vậy, ô nhiễm nước thải trong ngành công nghiệp dệt nhuộm là một vấn đề cần quan tâm giải quyết, nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và cải thiện môi trường sinh thái

Hấp phụ là một trong những phương pháp hóa lý phổ biến và hiệu quả để khử màu nhuộm Có nhiều loại hấp phụ khác nhau được biết đến trong ứng dụng này như than hoạt tính, zeolite, tro than, chitin và chitosan, Một trong số chất hấp phụ được dùng nhiều nhất là than hoạt tính bởi nó có dung lượng hấp phụ hữu cơ cao Tuy nhiên, than hoạt tính có giá thành cao và không tái sinh được Xuất phát từ các quan điểm này, các chất hấp phụ giá rẻ hơn từ chất thải thiên nhiên, vật liệu sinh học, phế liệu công-nông nghiệp như bã mía, vỏ lạc, lõi ngô, xơ dừa, vỏ trấu, vỏ sầu riêng, vỏ chuối, rơm, được

đề xuất và triển khai ứng dụng trong việc loại bỏ phẩm nhuộm và các kim loại nặng trong nước Ưu điểm của các chất hấp phụ này đi từ các nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, quy trình đơn giản, không thêm bất cứ một tác nhân độc hại nào vào môi trường và vỏ

sầu riêng là một trong những phế phẩm nông nghiệp có giá trị cao nhất Chính vì các lý

do trên chúng tôi chọn đề tài khóa luận tốt nghiệp là “Điều chế và khảo sát ứng dụng

của vật liệu hấp phụ từ vỏ sầu riêng” Ứng dụng được khảo sát là khả năng hấp phụ

metylen xanh từ vật liệu điều chế được

Tên khoa học: Durio zibethinus Murray, thuộc họ Gạo Bombacaceae bao gồm 30

loài Durio zibethinus là loài duy nhất có sẵn trong thị trường quốc tế [16, 21]

Sầu riêng có nguồn gốc từ Đông Nam Á Tên "sầu riêng" xuất phát từ Malay, từ

"Duri", có nghĩa là "cái gai" [21]

1.1.2 Hình thái h ọc

Cây sầu riêng có thể cao đến 45 mét [20]

Lá sầu riêng là loại lá đơn hơi rũ, lá mọc so le, đối xứng hình elip, dài từ 8-20 cm, rộng từ 2,5-7,5 cm Mặt lá phía trên thường có màu xanh đậm, phẳng và bóng láng, còn mặt lá phía dưới hơi vảy, có màu nâu nhạt óng ánh [21].

Hình 1.2 Lá quả sầu riêng

Hoa sầu riêng có mùi thơm mạnh và có mật hoa Hoa có chiều dài khoảng 50-70

mm và mỗi cụm mọc thành chùm từ 1-45 hoa Các cụm hoa mọc trên các cành chính và nhỏ hơn, hoặc có thể mọc trực tiếp trên thân cây Thông thường chỉ có từ 1-2 quả sầu riêng phát triển từ mỗi chùm hoa

Hình 1.3 Hoa quả sầu riêng

Hoa sầu riêng là loài lưỡng tính, có cả nhụy và nhị trong cùng một hoa Tuy nhiên,

sự tự thụ phấn hiếm khi xảy ra vì nhụy và nhị không xuất hiện cùng một lúc, hoa thụ phấn được chủ yếu là nhờ dơi

Giai đoạn 3-4 tuần thời tiết khô hạn là điều kiện cần thiết để kích thích hoa phát triển Thời gian là một tháng kể từ khi có chồi hoa đến khi hoa nở Mỗi hoa có 5 đài và

Cuống quả sầu riêng thường rũ xuống Chiều rộng và chiều dài của quả từ khoảng 175-200 mm và đôi khi có thể dài tới 400 mm [20] Sầu riêng có thể có trái sau khi trồng 4 tới 5 năm Quả hình thành trong khoảng từ 85-150 ngày sau khi hoa thụ phấn Quả có hình trứng hay hình trứng thuôn dài, gần hình tròn với kích thước trung bình Trọng lượng quả thường dao động từ 2-5 kg và cũng có thể nặng đến 8 kg Quả có thể mọc trên thân cây hay cành cây Bên ngoài có lớp vỏ cứng, dày với gai chóp nhọn có thể dài tới 20 mm, gai quả từ màu xanh đến màu vàng nâu [17, 18]

Hình 1.4 Gai quả sầu riêng

Phần thịt quả bắt đầu hình thành 4 tuần sau khi hoa thụ phấn, bắt đầu như một tấm vải trắng sau đó bao bọc toàn bộ hạt Phần thịt quả với mùi đặc trưng tùy cảm nhận mà mùi có thể là thơm hay khó chịu Mùi mạnh này có thể được phát hiện trong vòng bán kính nửa dặm [18]

Hình 1.5 Phần thịt quả sầu riêng

Phần ăn được của quả chỉ chiếm khoảng 15-30 % Do vậy sẽ có tới 70-85 % quả bị thải bỏ nếu không được xử lý đúng cách điều này có thể sẽ trở thành một vấn nạn môi trường [14]

Sầu riêng từ cây ở độ tuổi 50, 60 năm và nhiều hơn nữa có chất lượng cao hơn về hương vị, mùi thơm, và kết cấu quả [18]

1.1.3 Phân b ố

Sầu riêng là loài cây nhiệt đới chủ yếu được trồng ở Sri Lanka, miền Nam Ấn Độ, Nam Miến Điện, Thái Lan, Campuchia, Việt Nam, Malaysia, Indonesia, Borneo, Mindanao (Philippines) và New Guinea Thái Lan là nước sản xuất thương mại lớn nhất (sản xuất 927194 tấn vào năm 1999, với khoảng 137649 ha trồng), tiếp theo là Indonesia và bán đảo Malaysia Quả được đánh giá cao tại các thị trường Đông Nam Á [18, 28]

Ở nước ta sầu riêng được trồng đầu tiên tại Tân Quy (Biên Hòa) sau đó bắt đầu lan rộng ra những vùng Đông Nam Bộ, Đồng bằng Sông Cửu Long và Tây Nguyên [32]

1.1.4 Giá tr ị dinh dưỡng

Trái sầu riêng có chứa rất nhiều chất dinh dưỡng Phân tích trong 100 gam múi có: nước (64,10 gam), năng lượng (153 kcal), protein (2,70 gam), kali (70 mg), natri (40 mg), cacbon hiđrat (27,90 gam), canxi (40 mg), lân (44 mg), sắt (1,90 mg), vitanmin C (23,30 mg) [33], Vitamin B1 (0,10 mg), Vitamin B2 (0,13 mg), Niacin (0 mg), Caroten (150μg ), Fibre (0,90 g), Retinol (25 μg ) [28]

Quả sầu riêng có nhiều chất bổ nên dùng để phục hồi sức khỏe cho người mới ốm dậy rất tốt, có tính tráng dương, lọc máu và trừ giun sán,… [23]

Những người có huyết áp cao hoặc phụ nữ mang thai được khuyên không nên ăn sầu riêng [18]

1.1.5 Yêu cầu điều kiện ngoại cảnh

Sầu riêng là cây nhiệt đới điển hình, sinh trưởng và phát triển tốt nhất trong đất màu mỡ, độ ẩm dồi dào, đất sâu với chất hữu cơ dồi dào, có khả năng thoát nước tốt, gần nguồn nước tưới và độ pH từ 6-7 như đất sét, đất đỏ bazan, đá granit,… [18, 28] Lượng mưa yêu cầu hàng năm từ 1500 đến 3000 mm mưa cũng phân bố đều quanh năm, mùa khô không quá 3 tháng, đặc biệt là không mưa khi trái già-chín tốt nhất

là trong vòng 16° bắc và phía nam của đường xích đạo [18]

Nhiệt độ: 25 -30oC phân bố đều và nên có đủ ánh sáng mặt trời để cây phát triển mạnh [28]

1.2 V ỏ quả sầu riêng

Là phần bỏ đi từ quả sầu riêng Trong một quả sầu riêng phần vỏ quả chiếm tới 85% khối lượng quả [14]

70-Hình 1.6 Vỏ quả sầu riêng

1.2.1 Công d ụng của vỏ quả sầu riêng

Vỏ quả sầu riêng tuy là phần bỏ đi của quả nhưng lại có rất nhiều công dụng đáng kinh ngạc:

- Ch ữa bệnh: Theo Đông y, vỏ quả sầu riêng có vị đắng, tính ấm, có tác dụng ích

khí tiêu thực, cầm mồ hôi, làm ấm phổi để chữa ho, thường được dùng làm thuốc bổ

khí, chữa đầy bụng, khó tiêu, ho do hàn, cảm sốt Ngày dùng 15-20 gam lá và rễ, thái nhỏ nấu nước uống [16, 18]

- Trong phân tích x ử lý nước thải: Cũng được ứng dụng rất nhiều trong việc chiết

tách làm vật liệu hấp phụ: hấp phụ các kim loại nặng [5, 7, 13] hay vỏ sầu riêng nếu được bổ sung các axit béo cũng có thể giữ lại hiệu quả ban đầu của nó, để hấp phụ dầu tràn trong nước [20, 22]

1.2.2 Thành ph ần hóa học của vỏ sầu riêng

Trong vỏ quả sầu riêng có ba thành phần cơ bản là xenlulozơ (30,92%); hemixenlulozơ (17,99%) và lignin (7,69%) [14]

Hình 1.7 C ấu trúc trong thành tế bào 1.2.2.1 Xenlulozơ

Xenlulozơ: Là một polime hợp thành từ các mắc xích β-glucozơ nối với nhau bởi các liên kết β-1,4-glicozit, phân tử xenlulozơ không phân nhánh, không xoắn

Hình 1.8 Cấu trúc của xenlulozơ

Hemixenlulozơ: Về cơ bản, hemixenlulozơ là polisaccarit phức tạp giống như xenlulozơ, nhưng có số lượng mắt xích nhỏ hơn nên khối lượng phân tử nhỏ hơn xenlulozơ Hemixenlulozơ thường bao gồm nhiều loại mắt xích khác nhau và có chứa các nhóm thế khác như axetyl và metyl Vai trò của hemixenlulozơ là để kết nối các sợi lignin và sợi xenlulozơ, [10]

Hình 1.9 Cấu trúc của hemixenlulozơ

- Tính ch ất vật lý:

Xenlulozơ là chất rắn hình sợi, màu trắng, không mùi, không vị Có tính bền vững

cơ học cao, chịu được nhiệt độ đến 200oC mà không bị phân hủy Tỷ trọng lúc khô là 1,45; khi khô xenlulozơ không tan trong nước và các dung môi hữu cơ nhưng tan trong dung dịch Schweizer (dung dịch Cu(OH)2 tan trong amoniac NH3), axit vô cơ mạnh

+ Ph ản ứng với axit vô cơ:

Đun nóng xenlulozơ trong hỗn hợp axit nitric đặc và axit sunfuric đặc thu được xenlulozơtrinitrat

H+, t0

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6

[C6H7O2(OH)3]n + 3nHNO3đặc [C6H7O2(ONO2)3]n + 3nH2O

H2SO4đặc, t0

Hình 1.10 Cấu trúc của lignin

Lignin có khả năng mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ và bị hòa tan trong một số hợp chất hóa học Trong gỗ, bản thân lignin có màu trắng

Đơn vị cấu trúc cơ bản là phenylpropan Từ đơn vị cơ bản là phenylpropan, các cấu trúc điển hình được đề nghị là Syringylpropan (S), Parahydroxylphenylpropan (P)

và Guaicylpropan (G) [10, 36]

Sử dụng xenlulozơ từ vỏ quả sầu riêng thực chất là quá trình loại bỏ lignin

Để loại bỏ lignin từ vỏ quả sầu riêng, ta thực hiện quá trình nấu với tác chất nấu thích hợp Tác chất nấu có tác dụng thúc đẩy quá trình nấu và làm cho việc tách xenlulozơ diễn ra dễ dàng với hiệu suất cao hơn

Để tách xenlulozơ thì trong thực tế người ta sử dụng rất nhiều tác chất nấu khác nhau Trong khóa luận này chúng tôi sử dụng tác chất nấu là NaOH và H2SO4 do cho hiệu suất loại lignin cao [5, 8] và sau đó chúng tôi tiến hành so sánh hiệu quả của hai phương pháp

1.3 Tình hình d ệt nhuộm ở Việt Nam

Dệt nhuộm ở nước ta là ngành công nghiệp có mạng lưới sản xuất rộng lớn với nhiều mặt hàng, nhiều chủng loại và có tốc độ tăng trưởng kinh tế rất cao [19]

Hình 1.12 Ngành dệt nhuộm ở Việt Nam

Tuy nhiên, đây chỉ là điều kiện cần cho sự phát triển Để ngành dệt nhuộm thực sự phát triển thì chúng ta phải giải quyết vấn đề nước thải một cách triệt để [40] Với các chuyên gia ngành môi trường thì dệt nhuộm là ngành có mức độ gây ô nhiễm cao nhất trong tất cả các ngành công nghiệp hiện nay [30]

Trong quá trình sản xuất có rất nhiều hóa chất độc hại được sử dụng để sản xuất tạo màu như: phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chất điện ly, chất ngậm, chất tạo môi trường, tinh bột, men, chất ôxy hoá,

Các chất gây ô nhiễm trong nước thải ngành dệt nhuộm nếu không được xử lý triệt

để sẽ gây hậu quả rất nghiêm trọng đến nguồn tiếp nhận Cụ thể:

+ Độ kiềm cao (pH>9) sẽ gây ăn mòn các hệ thống xử lý nước thải

+ Muối trung tính làm tăng hàm lượng tổng chất rắn, gây hại cho đời sống thủy sinh do tăng áp suất thẩm thấu

+ Hàm lượng BOD, COD tăng, dẫn tới giảm oxy hòa tan trong nước gây ảnh hưởng tới đời sống thủy sinh

+ Thấm vào đất, tồn tại lâu dài và ảnh hưởng tới nguồn nước ngầm và bên cạnh đó còn ảnh hưởng đến đời sống của con người [27, 30]

Ngoài ra, nước thải dệt nhuộm thường có độ màu rất lớn và thay đổi thường xuyên tùy loại thuốc nhuộm nên cần phải được xử lý triệt để trước khi thải ra, tránh gây

ô nhiễm môi trường [24]

Hình 1.13 Nước thải từ ngành dệt nhuộm

Do đặc thù của công nghệ, nước thải dệt nhuộm chứa tổng hàm lượng chất rắn

TS, chất rắn lơ lửng, độ màu, BOD, COD cao nên chọn phương pháp xử lý thích hợp phải dựa vào nhiều yếu tố như: lượng nước thải, đặc tính nước thải, tiêu chuẩn thải, xử

lý tập trung hay cục bộ

Về nguyên lý xử lý, nước thải dệt nhuộm có thể áp dụng các phương pháp: phương pháp cơ học, phương pháp hóa học, phương pháp hóa-lý, phương pháp sinh học [27]

Công nghiệp dệt nhuộm sử dụng một lượng nước khá lớn phục vụ cho các công đoạn sản xuất đồng thời xả ra một lượng nước thải bình quân 12-300 m3/tấn vải

Trong đó, nguồn ô nhiễm chính là từ nước thải công đoạn dệt nhuộm và nấu tẩy Nước thải giặt có pH từ 9-12, hàm lượng chất hữu cơ cao (có thể lên đến 500 mg/l), độ màu trên dưới 800 Pt-Co, hàm lượng SS có thể bằng 1500 mg/l [19]

Bảng 1.1 Đặc trưng ô nhiễm của nước thải dệt nhuộm

Hình 1.14 Cá chết do ô nhiễm nước thải dệt nhuộm

1.4 Hấp phụ

1.4.1 Hi ện tượng hấp phụ

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách giữa các pha (lỏng – rắn, khí – rắn, khí – lỏng) Chất mà trên bề mặt của nó xảy ra sự hấp phụ gọi là chất hấp phụ, chất được tích lũy trên bề mặt đó gọi là chất bị hấp phụ Sự hấp phụ phụ thuộc vào bản chất chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, vào nhiệt độ, vào nồng độ dung dịch (nếu sự hấp phụ xảy ra trong pha lỏng) hoặc áp suất (nếu sự hấp phụ xảy ra trong pha khí) Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, người ta phân biệt hấp phụ

vật lý và hấp phụ hóa học

Hấp phụ vật lý: Trong hấp phụ vật lý, các phân tử bị hấp phụ liên kết với các tiểu

phân (nguyên tử, ion, phân tử) ở bề mặt chất hấp phụ bởi lực liên kết Van der Waals yếu Lực đó bao gồm các lực hút như lực tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và định hướng Sự hấp phụ vật lý luôn là một quá trình thuận nghịch, nhiệt hấp phụ vào khoảng vài chục

kJ/mol

H ấp phụ hóa học: Trong hấp phụ hóa học, lực tương tác giữa các tiểu phân là lực

liên kết hóa học (liên kết ion, cộng hóa trị, phối trí) Nhiệt hấp phụ của quá trình khoảng vài trăm kJ/mol

Trong thực tế, sự hấp phụ vật lý và hóa học chỉ mang tính chất tương đối, vì ranh giới giữa chúng không thật rõ ràng Trong một số trường hợp xảy ra đồng thời cả hai quá trình hấp phụ, các chất bị hấp phụ trên bề mặt do các lực vật lý và sau đó liên kết với chất hấp phụ bởi các lực hóa học [6]

1.4.2 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ theo Freundlich

Nếu gọi Co là nồng độ ban đầu và Ce là nồng độ ở trạng thái cân bằng, V là thể tích dung dịch và m là khối lượng chất hấp phụ, ta xác định dung lượng hấp phụ qua công thức sau:

Đơn vị của qe là mg/g

Freundlich đưa ra phư ơng trình kinh nghiệm như sau:

𝑞𝑞𝑒𝑒 = 𝑘𝑘𝐹𝐹 𝐶𝐶𝑒𝑒1/𝑛𝑛Trong đó kF và n là các hằng số đặc trưng cho quá trình hấp phụ Tuy là một phương trình kinh nghiệm nhưng phương trình Freundlich được sử dụng hiệu quả để mô

tả cân bằng hấp phụ trong môi trường nước [6]

Hình 1.15 Công thức của metylen xanh

Metylen xanh (tên IUPAC là 3,7-bis(đimetylamino)phenothiazin-5-ium clorua) ở

điều kiện thường có dạng bột màu xanh thẫm

Metylen xanh có chức năng quan trọng trong lĩnh vực y tế và được sử dụng với lượng lớn như dùng để sát trùng nhẹ, diệt khuẩn, nhuộm màu cho các mô Ngoài ra, trong công nghiệp dệt may cũng sử dụng metylen xanh như một chất màu, phẩm nhuộm [1, 14]

Do đó, nước thải từ các nhà máy này ít nhiều đều có chứa các chất màu hữu cơ, gây ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh vật và gây ô nhiễm môi trường cho người dân [1]

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM

2.1 M ục đích nghiên cứu

 Chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ sầu riêng

 Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh của vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ sầu riêng

2.2 N ội dung nghiên cứu

Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu các vấn đề:

 Khảo sát ảnh hưởng của tác chất nấu đến hiệu suất loại lignin trong vỏ sầu riêng theo các điều kiện tối ưu về: tác chất sử dụng, lượng tác chất, lượng nguyên liệu, thời gian thủy nhiệt và nhiệt độ

 Phân tích thành phần, cấu trúc vật liệu hấp phụ điều chế được từ vỏ sầu riêng bằng phương pháp IR

 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ

 Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ

 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu

- Chế tạo VLHP từ vỏ sầu riêng theo sơ đồ sau:

Vỏ sầu riêng

tươi

Cắt nhỏ, rửa sạch

Sấy khô, nghiền

Xử lý NaOH/

H2SO4

Rửa sạch bằng nước cất

Sấy khô,

bảo quản

Tẩy trắng

- Khảo sát sự ảnh hưởng của 3 yếu tố: thời gian, pH, khối lượng bột vỏ sầu riêng ban đầu đến khả năng hấp phụ của VLHP

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp phân tích trắc quang

2.3.1.1 Cơ sở của phương pháp phân tích trắc quang

Phân tích trắc quang là tên gọi chung của các phương pháp phân tích quang học dựa trên sự tương tác chọn lọc giữa chất cần xác định với năng lượng bức xạ thuộc vùng

tử ngoại, khả kiến hoặc hồng ngoại

Phổ UV-VIS là phổ electron, ứng với mỗi electron chuyển mức năng lượng ta sẽ thu được vân phổ Phương pháp trắc quang xác định nồng độ các chất thông qua độ hấp phụ ánh sáng của dung dịch Sự hấp phụ ánh sáng tuân theo định luật Bouguer-Lambert-Beer:

𝐼𝐼 = 𝐼𝐼𝑜𝑜 10−𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀Trong đó:

 I là cường độ dòng sáng sau khi chiếu qua dung dịch

 Io là cường độ dòng sáng ban đầu

 ε là hệ số hấp phụ phân tử gam (cm2/mol), là đại lượng xác định, phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ, vào bước sóng λ của bức xạ đơn sắc và vào nhiệt độ

 l là chiều dày lớp dung dịch hay chiều dài cuvet (cm)

 C là nồng độ dung dịch (mol/l)

Khi đo UV – VIS, ta thu được giá trị mật độ quang A

𝐴𝐴 = 𝑙𝑙𝑙𝑙𝐼𝐼𝐼𝐼 = 𝜀𝜀𝑙𝑙𝐶𝐶0Giá trị A được xác định bằng máy trắc quang, sau đó đựa vào phương trình trên để suy ra nồng độ chất cần xác định [2]

Trong đề tài này, chúng tôi tiến hành đo trắc quang xác định nồng độ trên máy

V-630 UV-Vis Spectrophotometer tại phòng Phân tích trung tâm 1 của khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm TP.HCM

2.3.1.2 Phương pháp đường chuẩn trong phân tích trắc quang

Khi phân tích hàng loạt mẫu, để rút ngắn thời gian chuẩn bị và thời gian tính toán kết quả, ta dùng phương pháp đường chuẩn

Trước hết phải pha chế một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ chất chuẩn tăng dần Thêm lượng thuốc thử, điều chỉnh pH, dung môi, muối vào cả dãy dung dịch với lượng như nhau Đem đo độ hấp thụ quang của cả dãy dung dịch rồi lập đồ thị A = f(C) gọi là đường chuẩn [3]

Hình 2.1 D ạng đường chuẩn trong phân tích trắc quang

2.3.2 Phương pháp phổ hồng ngoại

Phương pháp phổ hồng ngoại là một chuyên đề khá rộng trong các phương pháp phổ ứng dụng trong hóa học Trong luận văn này, chúng tôi chỉ trình bày một số nội dung của phương pháp phổ này nhằm phục vụ cho việc biện luận các kết quả thực nghiệm ở chương sau

C

Cx

Ax

A

được (chất lỏng, dung dịch, bột nhão, bột khô, phim, sợi, khí và các bề mặt,…) Phổ kế

IR đã có từ những năm 1940-1950 và hiện nay phổ kế IR do gắn với máy tính nên đã cải thiện đáng kể chất lượng phổ IR và giảm bớt thời gian đo mẫu

Phổ IR là một kĩ thuật dựa vào sự dao động và quay của các nguyên tử trong phân

tử Nói chung, phổ IR nhận được bằng cách cho tia bức xạ IR đi qua mẫu và xác định phần tia tới bị hấp thụ với năng lượng xác định Năng lượng tại pic bất kì trong phổ hấp thụ xuất hiện tương ứng với tần số dao động của một phần của phân tử mẫu [9]

2.3.2.1 Sự hấp phụ bức xạ IR

Khi phân tử hấp thụ các bức xạ IR, chúng bị kích thích và chuyển lên mức năng lượng cao hơn Sự hấp thụ này được lượng tử hóa: phân tử chỉ hấp thụ các tần số (năng lượng) được lựa chọn của bức xạ IR, do đó mỗi loại dao động trong phân tử hấp thụ ở một tần số xác định Bức xạ IR được chia thành 3 vùng: vùng IR xa (400-50 cm-1

); vùng

IR trung bình (4000-400 cm-1) và vùng IR gần (12500-4000 cm-1) Trong phân tích hữu

cơ thì IR trung bình là vùng IR quan trọng nhất [9]

2.3.2.2 S ử dụng phổ IR

Do mỗi dạng liên kết có tần số dao động khác nhau và do hai dạng liên kết như nhau trong hai hợp chất khác nhau, ở môi trường xung quanh cũng có khác nhau, nên không có hai phân tử với cấu trúc khác nhau có các hấp thụ IR (hay phổ IR) giống nhau Mặc dù một vài tần số hấp thụ trong hai trường hợp có thể giống nhau, nhưng không có trường hợp nào mà phổ IR của hai phân tử khác nhau lại đồng nhất được Bằng cách so sánh phổ IR của hai hợp chất ta có thể xác định chúng có giống nhau hay không Nếu phổ của chúng trùng nhau về các pic, nhất là trong vùng 1500-650 cm-1, được gọi là vùng “vân ngón tay”, thì trong hầu hết các trường hợp hai chất là đồng nhất

Các hấp thụ của mỗi dạng liên kết (N-H, C-H, O-H, C-X, C=O, C-O, C-C, C=C, C≡C, C≡N,…) chỉ xuất hiện trong vùng nhỏ của phổ IR Mỗi vùng phổ IR có thể xác định cho mỗi dạng liên kết, ngoài vùng này, hấp thụ thường thuộc về dạng liên kết khác Chẳng hạn, hấp thụ bất kỳ trong vùng 3000 ± 150 cm-1 luôn thuộc về liên kết C-H trong

khi hấp thụ trong vùng 1715-1750 cm-1 là do sự có mặt của liên kết C=O (nhóm cacbonyl),…

Cường độ hấp thụ IR được biểu diễn theo tung độ của phổ IR, trong đó sử dụng

độ truyền qua (% T) hoặc độ hấp thụ (A) [9]

Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng phương pháp phổ IR với mục đích xác nhận sự có mặt của nhóm cacbonyl (C=O), trong vùng hấp thụ khoảng 1715-1750 cm-1

2.3.3 Phương pháp BET dùng xác định diện tích bề mặt

Phương pháp BET (Brunauer-Emmett-Teller) là một trong những phương pháp

dùng để xác định diện tích bề mặt phổ biến hiện nay Phương pháp này được hoạt động theo nguyên lý sử dụng quá trình hấp phụ-giải hấp phụ vật lý khí nitơ ở nhiệt độ nitơ lỏng 77K

Phương trình BET tổng quát như sau:

𝑃𝑃𝑉𝑉(𝑃𝑃𝑜𝑜− 𝑃𝑃) =

 Po là áp suất hơi bão hòa

 P/Po: Áp suất tương đối

 So là diện tích bề mặt của 1 cm3

khí N2 cần để hình thành đơn lớp

 W là khối lượng mẫu [6]

Trong đề tài này, chúng tôi tiến hành đo BET tại Trung tâm Manar Việt Nam, Đại học Quốc gia TP.HCM

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

3.1 Chế tạo VLHP từ vỏ sầu riêng

Trong đề tài này chúng tôi sử dụng sầu riêng Cái Mơn – Bến Tre, loại sầu riêng nổi tiếng trong và ngoài nước với cơm vàng, hạt lép và có hương thơm ngào ngạt Vỏ quả sầu riêng được rửa sạch, cắt nhỏ và sấy khô ở 55oC đến khối lượng không đổi

Hình 3.1 Vỏ sầu riêng sau khi sấy khô hoàn toàn

Vỏ sầu riêng khô được nghiền thành bột mịn (nguyên liệu đầu)

Từ 1 kg vỏ tươi thu được 266 gam bột khô

3.2 Xử lý nguyên liệu với tác chất

Ảnh hưởng của tác chất lên vỏ sầu riêng được xác định dựa vào %lignin bị tách khỏi vỏ sau khi nấu

Cách xác định %lignin bị tách: vỏ sầu riêng sau khi nấu với tác chất được rửa cho đến khi hết tác chất (thử bằng giấy pH), sấy khô, cân, xác định khối lượng giảm so với

Trong đó: mo là khối lượng bột vỏ sầu riêng ban đầu

m là khối lượng bột vỏ sầu riêng sau khi nấu

Trong vỏ sầu riêng, thành phần lignin chiếm 7,69% [14] nên %lignin bị loại sẽ được tính theo công thức:

%lignin bị loại = 100x/7,69mo (%)

3.2.1 Tác ch ất kiềm

Cho vào 6 lọ thủy tinh mỗi lọ 10 gam bột vỏ sầu riêng khô, cho thêm vào mỗi lọ 5 gam NaOH khan (ứng với tỉ lệ bột vỏ sầu riêng / lượng NaOH sử dụng là 2), cho thêm vào đó 200 ml nước cất Dùng đũa thủy tinh khuấy đều để thu được hỗn hợp đồng nhất Đem lọ thủy tinh đặt vào bếp điều nhiệt và tiến hành gia nhiệt ở 90oC trong 16 giờ Quá trình nấu có thể liên tục hay gián đoạn [8]

Hình 3.2 B ột vỏ sầu riêng sau khi nấu với tác chất NaOH

Sau khi xử lý bột vỏ sầu riêng với tác chất NaOH ta thu được kết quả như sau: