Nghiên cứu loại bỏ phẩm màu Reactive Red 261 bằng phương pháp hấp phụ sử dụng than hoạt tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Huyền Thanh NGHIÊN CỨU LOẠI BỎ PHẨM MÀU REACTIVE RED 261 BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ K

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Lê Huyền Thanh

NGHIÊN CỨU LOẠI BỎ PHẨM MÀU REACTIVE RED 261 BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Lê Huyền Thanh

NGHIÊN CỨU LOẠI BỎ PHẨM MÀU REACTIVE RED 261 BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH

Chuyên ngành: Hóa Môi Trường

Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Đào Sỹ Đức PGS TS Đỗ Quang Trung

ỜI Ả ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, em đã hoàn thành luận văn của

mình với đề tài: “N n cứu loại bỏ phẩm màu Reative Red 261 bằn p ƣơn pháp hấp phụ sử dụng than hoạt tính” Để hoàn thành bản luận văn này, ngoài sự

nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu của bản thân, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học

Quốc gia Hà Nội

Với l ng iết n s u sắc, em xin g i lời cảm n ch n thành tới các thầy giáo,

TS Đào Sỹ Đức và PGS.TS Đỗ Quang Trung, những người đã giao đề tài và nhiệt

t nh giúp đỡ, truyền đạt cho em những iến thức qu u trong qu tr nh thực hiện

luận văn

Em xin ch n thành cảm n c c thầy, cô trong Bộ môn Công nghệ Hóa học đã tạo điều iện, tận t nh ch ảo và hướng ẫn em trong suốt thời gian làm thực nghiệm tại Bộ môn

Em xin cảm n c c ph ng th nghiệm trong Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN đã tạo điều iện giúp đỡ em trong qu tr nh thực hiện luận văn

in ch n thành cảm n c c ạn học viên, sinh viên tham gia nghiên cứu tại

Bộ môn Công nghệ Hóa học đã giúp đỡ tôi trong qu tr nh t m tài liệu và làm thực nghiệm

Hà Nội, ngày 10 th ng 12 năm 2016

Học viên

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠ SĨ Nghiên cứu loại bỏ phẩm màu Reactive Red 261 bằn p ƣơn p áp ấp phụ

sử dụng than hoạt tính

Lê Huyền Thanh

Với tiêu đề “Nghiên cứu loại bỏ phẩm màu Reactive Red 261 bằng phương

pháp hấp phụ sử dụng than hoạt tính”, luận văn này tập trung vào khảo sát, nghiên

cứu, t m điều kiện tối ưu để hấp phụ phẩm màu Reactive Red 261 (RR261) bằng than hoạt t nh đã qua s dụng nhằm đạt hiệu quả hấp phụ cao, tính toán các thông số động học của quá trình hấp phụ Các thông số động học là c sở quan trọng để nghiên cứu, tính toán, thiết kế các thiết bị hấp phụ trong thực tế x l nước thải Luận văn được chia làm ba chư ng:

(i) Chư ng 1: Tổng quan

(ii) Chư ng 2: Thực nghiệm

(iii) Chư ng 3: Các kết quả và thảo luận

Chư ng 1 tập trung nêu các thông tin chung về nước thải dệt nhuộm, ảnh hưởng của nó đến môi trường sinh th i và đời sống con người Chư ng này cũng trình bày ngắn gọn về c c phư ng ph p thường được s dụng trong x l nước thải dệt nhuộm C sở khoa học của việc lựa chọn nội dung nghiên cứu trong Luận văn cũng được tr nh ày trong Chư ng 1

Chư ng 2 mô tả chi tiết về vật liệu, c c điều kiện thực nghiệm, c c phư ng pháp nghiên cứu và ph n t ch được s dụng trong quá trình thực hiện Luận văn Các kết quả nghiên cứu được trình bày và thảo luận trong Chư ng 3 Các kết quả thực nghiệm cho thấy các yếu tố pH, nhiệt độ, hàm lượng than có ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả x lí phẩm màu C c điều kiện tối nhằm loại bỏ phẩm màu RR261 đã được tối ưu ằng phần mềm Modde 5.0 Ở c c điều kiện tối ưu, gần như toàn bộ phẩm màu RR261 trong mẫu nước đã được loại bỏ, các thông số động học

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Đôi nét về nước thải ngành ệt nhuộm 2

1.1.1 Nguồn ph t sinh 3

1.1.2 Đặc điểm 4

1.2 C c loại phẩm nhuộm hay ùng 4

1.2.1 Phẩm nhuộm ph n t n 4

1.2.2 Phẩm nhuộm cation 5

1.2.3 Phẩm nhuộm azo và c c sản phẩm trung gian 6

1.3 Ảnh hưởng của nước thải ngành công nghiệp ệt nhuộm đến môi trường sinh th i và đời sống con người 8

1.4 C c phư ng ph p x l nước thải ngành ệt nhuộm 9

1.4.1 Phư ng ph p hóa học 9

1.4.2 Phư ng ph p sinh học 14

1.4.3 Phư ng ph p eo tụ 18

1.4.4 Phư ng ph p hấp phụ trong x l nước thải ệt nhuộm 19

1.5 Một số nghiên cứu x l nước thải ệt nhuộm ằng phư ng ph p hấp phụ 26

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 299

2.1 Đối tượng nghiên cứu 29

2.2 Mục đ ch nghiên cứu 29

2.3 Hóa chất, ụng cụ, thiết ị 29

2.3.1 Hóa chất 30

2.3.2 Dụng cụ và thiết ị 30

2.4 Phư ng ph p ph n t ch s ụng trong qu tr nh nghiên cứu 31

2.4.1 Phư ng ph p ph n t ch trắc quang 31

2.4.2 Phư ng ph p ph n t ch định t nh 31

2.4.3 Ph n t ch định lượng 32

2.4.4 c định nồng độ phẩm nhuộm 32

2.4.5 pH 33

2.4.6 Phổ hồng ngoại 33

2.4.7 Ảnh hiển vi điện t quét 33

2.4.8 Phư ng ph p x c định iện t ch ề mặt riêng 33

2.4.9 S ụng phần mềm Mo e 5.0 để tối ưu hóa thực nghiệm 34

2.5 Qui tr nh th nghiệm 35

2.5.1 Loại ỏ phẩm màu RR261 35

2.5.2 Phư ng ph p x c định thông số động học của phản ứng ph n hủy màu phẩm nhuộm 35

2.5.3 c định ung lượng hấp phụ của than hoạt t nh 36

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 c định c c t nh chất ề mặt của vật liệu hấp phụ 38

3.2 c định ước sóng hấp thụ cực đại của phẩm nhuộm RR261 40

3.3 y ựng đường chuẩn iểu iễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang ABS vào nồng độ phẩm nhuộm 41

3.4 Khảo s t ảnh hưởng của pH 42

3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng than hoạt t nh 44

3.6 Khảo s t ảnh hưởng của nhiệt độ 45

3.7 Khảo s t ảnh hưởng của nồng độ phẩm đầu 47

3.8 Tối ưu c c thông số ằng phần mềm Mo e 5.0 49

3.9 Khảo s t động học của qu tr nh hấp phụ 53

3.9.1 c định tốc độ hấp phụ phẩm RR261 và năng lượng hoạt hóa 53

3.9.2 c định năng lượng hoạt hóa E 55

3.9.3 Đường đẳng nhiệt hấp phụ và ung lượng hấp phụ của than hoạt t nh 56

3.10 Đ nh gi hả năng t i sinh của than hoạt t nh 60

KẾT LUẬN 63

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC 70

DANH M ỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các chất gây ô nhiễm và đặc tính của nước thải ngành dệt nhuộm 3

Bảng 2.1.Một số đặc trưng cơ bản của phẩm nhuộm RR261 29

Bảng 2.2 Danh mục các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 31

Bảng 3.1 Tương quan giữa nồng độ RR261 với độ hấp thụ quang 41

Bảng 3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng than hoạt tính 44

Bảng 3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 46

Bảng 3.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ phẩm ban đầu 48

Bảng 3.5 Các thông số được lựa chọn 49

Bảng 3.6 Bảng giá trị tối ưu 51

Bảng 3.7 Hiệu suất xử lý RR261 theo thời gian 52

Bảng 3.8 Kết quả khảo sát động học 53

Bảng 3.9 Bảng giá trị động học 55

Bảng 3.10 Kết quả xác định năng lượng hoạt hóa 55

Bảng 3.11 Kết quả nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 57

Bảng 3.12 Kết quả nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 58

Bảng 3.13 Kết quả các hằng số động học dạng đẳng nhiệt 58

Bảng 3.14 Kết quả giải hấp bằng nhiệt 61

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 23

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của C f /q vào C f 23

Hình 1.3 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freunchlich 24

Hình 1.4 Sự phụ thuộc của lgq vào lgC f 24

Hình 2.1 Công thức cấu tạo của phẩm nhuộm RR261 29

Hình 3.1 Đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ BET của N 2 trên than hoạt tính 38

Hình 3.2 Hình ảnh chụp SEM của than hoạt tính 39

Hình 3.3 Phổ IR của than hoạt tính 39

Hình 3.4 Phổ UV-Vis của phẩm nhuộm RR261 40

Hình 3.5 Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang ABS vào nồng độ phẩm nhuộm 42

Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH 43

Hình 3.7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng than hoạt tính 45

Hình 3.8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 46

Hình 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ phẩm ban đầu tới hiệu quả hấp thụ 48

Hình 3.10 Mối tương quan về hiệu suất giữa dự báo và thực nghiệm 51

Hình 3.11 Sự thay đổi của phổ UV-Vis tại điều kiện tối ưu 52

Hình 3.12 Sự phụ thuộc của ln(C o /C t ) vào thời gian t 54

Hình 3.13 Sự phụ thuộc của (1/C t -1/C o ) vào thời gian t 54

Hình 3.14 Đồ thị xác định năng lượng hoạt hóa E 56

Hình 3.15 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (dạng tuyến tính) 57

Hình 3.16 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich (dạng tuyến tính) 58

Hình 3.17 Hình ảnh SEM của than hoạt tính sau khi hấp phụ 59

Hình 3.18 Phổ IR của than hoạt tính sau khi đã hấp phụ 60

Hình 3.19 Đồ thị đánh giá khả năng tái sử dụng của than hoạt tính 61

BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa

BET Brunauner Emmett Teller X c định iện t ch ề mặt riêng

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi điện t quét

TOC Total Organic Carbon Tổng hàm lượng chất rắn

LỜI MỞ ĐẦU

Dệt may là một trong số những ngành công nghiệp mũi nhọn của Việt Nam

Đ y là ngành có gi trị kim ngạch xuất khẩu cao Theo thống kê năm 2015, với 273

tỷ USD kim ngạch xuất khẩu, dệt may Việt Nam tiếp tục duy trì t lệ đóng góp 15% tổng kim ngạch xuất khẩu cả nước, s dụng trên 2,5 triệu lao động công nghiệp Việt Nam là nước có qui mô dệt may xuất khẩu đứng thứ tư trên thế giới sau Trung Quốc, Ấn Độ và Bangladesh, cung ứng trên 4% tổng hàng hóa dệt may tiêu thụ trên toàn thế giới Thu nhập trung nh năm của công nhân dệt may cả nước đã đạt trên

50 triệu VNĐ/người/năm (thu nhập cao gấp 8-10 lần nông dân trồng lúa trong điều kiện được mùa), được tham gia bảo hiểm xã hội, bảo hiểm y tế…

Đi đôi với sự tăng trưởng nhanh, ph t triển mạnh th một trong những vấn đề của ngành ệt may hiện nay là lượng nước thải chưa qua x l hoặc chưa được x l triệt để đang trở thành một trở ngại lớn Lượng nước thải này đang trở thành một trong những nguồn ô nhiễm ch nh Công nghiệp ệt thải vào môi trường nhiều loại hóa chất, trong đó đ ng quan t m là c c loại phẩm nhuộm, đặc iệt là c c loại phẩm màu azo và c c sản phẩm ph n hủy từ chúng, đ y đều là những hợp chất độc, thường có ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường, sinh th i và sức hỏe con người Việc nghiên cứu x l , loại ỏ c c loại phẩm màu hữu c nói chung, phẩm màu azo nói riêng ra hỏi c c nguồn thải ệt nhuộm có nghĩa cực ỳ quan trọng, hông ch với c c đ n vị sản xuất mà với toàn xã hội C c phư ng ph p x l nước thải ệt nhuộm rất phong phú, mỗi phư ng ph p có những ưu, nhược điểm riêng Với mục tiêu t m hiểu ỹ h n về hả năng hấp phụ phẩm màu hữu c của than hoạt t nh,

Luận văn Nghiên cứu lại bỏ phẩm màu Reactive Red 261 bằng phương pháp hấp phụ sử dụng than hoạt tính tập trung hảo s t c c điều iện ảnh hưởng, tối ưu hóa

c c thông số ảnh hưởng tới qu tr nh hấp phụ, và x c định c c thông số động học

đăng trưng của qu tr nh hấp phụ phẩm màu trên than hoạt t nh

TỔNG QUAN

HƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1 Đô nét về nước t ả n àn dệt n uộm

1.1.1 Nguồn phát sinh

Nguồn nước thải phát sinh trong công nghệ dệt nhuộm là từ c c công đoạn

hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất [1] Các chất gây ô nhiễm chính trong nước thải dệt nhuộm gồm:

- Các tạp chất tách ra từ vải sợi như ầu, mỡ, các hợp chất chứa nit , pectin, các chất bụi bẩn dính vào sợi (65% khối lượng x sợi);

- Các hóa chất s dụng trong quy trình công nghệ như hồ tinh bột, H2SO4,

CH3COOH, NaOH, NaOCl, H2O2, Na2CO3, Na2SO3 , hay các loại phẩm nhuộm, các chất trợ, chất ngấm, chất cầm màu Lượng hóa chất s dụng đối với từng loại vải, từng loại màu thường khác nhau và chủ yếu đi vào nước thải từng công đoạn

tư ng ứng Mức độ ô nhiễm của nước thải dệt nhuộm nói chung phụ thuộc rất nhiều vào loại và liều lượng hóa chất s dụng, c cấu mặt hàng sản xuất (tẩy trắng, nhuộm, in hoa…), m y móc, thiết bị s dụng… Theo thành phần các chất thải trong nước thải, có thể nhận thấy rằng nước thải công nghiệp dệt nhuộm có ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến sinh hoạt của người sản xuất

- Đặc trưng quan trọng nhất của nước thải từ c c c sở dệt nhuộm là sự dao động rất lớn cả về lưu lượng và tải lượng các chất ô nhiễm, thay đổi theo mùa, theo

mặt hàng sản xuất và chất lượng sản phẩm Bảng 1.1 thể hiện thành phần và đặc

tính của nước thải dệt nhuộm qua một số công đoạn[1]

Với những đặc điểm và t nh chất trên, nước thải ệt nhuộm hông ch làm ô nhiễm nước mặt ở những ao, hồ, sông, nước ngầm trong hu vực mà c n có thể làm gia tăng ng chảy mặt của nguồn nước tiếp nhận

TỔNG QUAN

Bảng 1.1 Các chất gây ô nhiễm và đặc tính của nước thải ngành dệt nhuộm

qua các công đoạn

STT Công đoạn Chất ô nhiễm trong nước thải Đặc t nh của nước thải

1 Hồ sợi, giũ hồ

Tinh ột, glucoz , cac onyl metyl, xenluloz , poli vinylancol, nhựa, chất éo và s p

BOD cao (chiếm 34-50% tổng sản lượng BOD)

2 Nấu, tẩy

NaOH, chất s p, ầu, mỡ, sođa, silicat natri, x , sợi vụn

Độ iềm cao, màu tối, chiếm 30% tổng BOD

3 Tẩy trắng

H2O2, hợp chất chứa clo, NaOH,

AO , axit…

Độ iềm cao, BOD chiếm 5% tổng BOD

thấp (<1% tổng BOD)

C c loại phẩm nhuộm, CH3COOH (axit axetic) và c c muối im loại

Độ màu rất cao, BOD cao (chiếm 6% tổng BOD), TS cao

Chất màu, tinh ột, ầu, đất sét, muối im loại, axit…

Độ màu rất cao, BOD cao và ầu mỡ

7 Hoàn thiện Vệt tinh ầu, mỡ động vật, muối

Kiềm nhẹ, BOD thấp lượng nhỏ

1.1.2 Đặc đ ểm

Ở Việt Nam, ngành dệt nhuộm hiện có khoảng 60 công ty nhà nước có quy mô lớn, hàng trăm công ty tư nh n với quy mô khác nhau, không kể đến các làng nghề

và con số đó c n tiếp tục tăng lên Sự phát triển nhanh và mạnh của c c c sở sản xuất các mặt hàng dệt may, cùng với đặc thù của một ngành sản xuất phức tạp, s dụng nhiều hóa chất, nước, nguyên liệu là nguyên nhân khiến lượng nước thải trong

TỔNG QUAN

15000 tấn/năm [29] Về thành phần, ngoài những hợp chất có khả năng ph n hủy sinh học, điều đặc biệt đ ng quan t m là c c thành phần không hoặc khó phân hủy sinh học như polyvinylaxetat, các chất tẩy trắng và đặc biệt là các loại thuốc nhuộm Trong quá trình dệt nhuộm, lượng nước và hóa chất được s dụng là khá lớn cho từng công đoạn h c nhau Để sản xuất 1m vải cần dùng từ 12-60 lit nước và thải ra từ 10-40 lit nước thải [4] Nước thải dệt nhuộm được quan tâm nhiều o độc tính và màu sắc của thuốc nhuộm, chúng mang c c đặc điểm sau:

- Lượng nước thải thường lớn (khoảng 50 – 300 m3 nước cho 1 tấn hàng dệt), chủ yếu từ công đoạn dệt nhuộm và nấu tẩy

- Nước thải chứa hỗn hợp phức tạp các chất ư thừa (phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chất tạo môi trường, tinh bột, men, chất oxi hóa) ưới dạng các ion, các kim loại nặng, các tạp chất tách ra từ x sợi

- Nước thải tẩy giặt có pH ao động từ 9 – 12, hàm lượng chất hữu c cao (COD có thể lên tới 1000 – 3000 mg/L) Độ màu của nước thải khá lớn ở những giai đoạn tẩy an đầu, có thể lên tới 10000 Pt – Co, hàm lượng cặn l l ng đạt giá trị 2000 mg/L

- Nước thải nhuộm thường đa ạng và không ổn định Hiệu quả hấp phụ thuốc nhuộm của vải ch đạt 60 – 70%, phần phẩm nhuộm thừa ở dạng nguyên thủy hoặc bị phân hủy ở một dạng khác nên nước có độ màu rất cao, COD thay đổi trong khoảng 80 - 18000 mg/L Các phẩm nhuộm hoàn nguyên, hoạt t nh thường thải trực tiếp vào môi trường, lượng phẩm nhuộm ư thừa lớn dẫn đến gia tăng chất hữu c và độ màu

- Mức độ ô nhiễm của nước thải dệt nhuộm phụ thuộc rất lớn vào loại và lượng hóa chất s dụng, vào kết cấu mặt hàng sản xuất (tẩy trắng, nhuộm, in hoa…), vào t lệ s dụng sợi tổng hợp, vào loại hình công nghệ sản xuất (gián đoạn, liên tục hay bán liên tục), vào đặc tính máy móc, thiết bị s dụng…

1.2 ác loạ p ẩm n uộm ay dùn

1.2.1 P ẩm n uộm p ân tán

Phẩm nhuộm ph n t n có thể nhuộm tất cả c c x sợi tổng hợp và xenlulo