Nghiên Cứu Xử Lý Xanh Methylen Bằng Vật Liệu Phụ Sepiolite

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 bấtlợi ch

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành : KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn : Th.S HÁN THỊ PHƯƠNG NGA

HÀ NỘI - 2016

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành : KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn : Th.S HÁN THỊ PHƯƠNG NGA

Địa điểm thực tập : BỘ MÔN HÓA- KHOA MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI - 2016

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài khóa luận tốt nghiệpngành Khoa học môi trường, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu từphía thầy cô, bạn bè, người thân

Với tấm lòng chân thành và sự biết ơn sâu sắc, tôi xin được gửi lời cảm

ơn đặc biệt tới Th.S Hán Thị Phương Nga, người đã chỉ bảo và giúp đỡ ân cầncho tôi trong suốt quá trình thực tập tốt nghiệp

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Bộ Môn Hóa, các thầy

cô trong khoa Môi Trường, Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam đã tạo điềukiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Và tôi xin được chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn

bè đã động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoànthành khóa luận này

Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2016

Sinh viên

i

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Nước thải dệt nhuộm 3

1.1.1 Nguồn phát sinh nước thải trong dệt nhuộm 4

1.1.2 Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm 6

1.2 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 7

1.2.1 Các khái niệm 7

1.2.2 Cân bằng hấp phụ 9

1.2.3 Động học hấp phụ 10

1.2.4 Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt 11

1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ 16

1.2.6 Hấp phụ trong môi trường nước 16

1.3 Sơ lược về thuốc nhuộm 17

1.3.1 Định nghĩa về thuốc nhuộm 17

1.3.2 Phân loại thuốc nhuộm 18

1.4 Xanh methylen 19

1.4.1 Khái quát về Xanh methylen 19

1.4.2 Một số hướng nghiên cứu hấp phụ xanh methylen 22

1.5 Vật liệu hấp phụ Sepiolite 23

1.5.1 Đặc điểm cấu tạo 23

1.5.2 Tính chất của sepiolite 27

1.5.3 Ứng dụng của sepiolite 29

1.6 Lập đường chuẩn xanh methylen bằng phương pháp đo quang 30

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU 32

2.1 Đối tượng nghiên cứu 32

2.2 Phạm vi nghiên cứu 32

2.3 Nội dung nghiên cứu 32

2.3.1 Khảo sát khả năng hấp phụ xanh methylen của sepiolite 32

2.3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của sepiolite 32

2.3.3 So sánh khả năng xử lý xanh methylen của sepiolite với than hoạt tính 32

2.4 Phương pháp nghiên cứu 32

2.4.1 Phương pháp thu thập số liệu 32

2.4.2 Phương pháp phân tích trắc quang 32

2.4.3 Phương pháp xử lý số liệu 35

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.1 Khảo sát khả năng hấp phụ xanh methylen của sepiolite 36

3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của sepiolite 36

3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian 36

3.2.3 Ảnh hưởng nồng độ xanh methylen ban đầu 39

3.3 So sánh khả năng xử lý xanh methylen của sepiolite với than hoạt tính 42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Diễn giải

VLHP : Vật liệu hấp phụ

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng 12Bảng 1.2: Số liệu xây dựng đườg chuẩn xác định nồng độ Xanh metylen 31Bảng 3.1: Các thông số hấp phụ 36Bảng 3.2: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ của VLHP 37Bảng 3.3: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến hiệu suất hấp phụ 38Bảng 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ Xanh methylen ban đầu đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ của VLHP 40Bảng 3.5: Các thông số hấp phụ của sepiolite và than hoạt tính 42

v

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Quy trình công nghệ dệt nhuộm 5

Hình 1.2: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 14

Hình 1.3: Đồ thị sự phụ thuộc của Cf /q vào Cf 14

Hình 1.4: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 15

Hình 1.5: Sự phụ thuộc lgq vào lgCcb 15

Hình 1.6 Công thức hóa học của xanh methylen 20

Hình 1.7 Dạng oxy hóa và khử của Xanh methylen 20

Hình 1.8 Trạng thái tự nhiên của Sepiolite 23

Hình 1.9 Kết quả BET của vật liệu sepiolite 24

Hình 1.10 Cấu trúc của sepiolite 25

Hình 1.11 Hình ảnh không gian ba chiều của sepiolite 25

Hình 1.12 Cấu trúc sơ đồ mạch của Sepiolite 26

Hình 1.13 Hình ảnh SEM của Sepiolite 27

Hình 1.14 Cấu trúc lớp keo Sepiolite 28

Hình 1.15 Đường chuẩn xác định nồng độ Xanh metylen 31

Hình 3.1 Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ của VLHP vào thời gian 37

Hình 3.2 Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào khối lượng VLHP 39

Hình 3.3 Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ của VLHP vào nồng độ Xanh methylen ban đầu 40

Hình 3.4 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Xanh methylen 41

Hình 3.5 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với xanh methylen 41

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Ô nhiễm môi trường nước hiện nay là một vấn đề được toàn xã hội quantâm 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 Hậuquả 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 conngười, xiết chặt công tác quản lí môi trường thì việc tìm ra phương phápnhằm loại bỏ các ion kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ độc hại ra khỏi môitrường nước có ý nghĩa hết sức to lớn

Ngày nay với sự phát triển thế giới về mọi mặt, đặc biệt trong lĩnh vưccông nghiệp đã tạo ra ngày càng nhiều sản phẩm đáp ứng nhu cầu con người.Thuốc nhuộm được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: dệtmay, cao su, giấy, mỹ phẩm, y tế… Do tính tan cao, các thuốc nhuộm là tácnhân gây ô nhiễm các nguồn nước và hậu quả tổn hại đến con người, các sinhvật sống Hơn nữa, thuốc nhuộm trong nước thải rất khó loại bỏ vì chúng ổnđịnh với ánh sáng, nhiệt và tác nhân gây oxi hóa Hiện nay có nhiều phươngpháp xử lý nước thải chủ yếu là phương pháp hóa học, trong đó phương pháphấp phụ được lựa chọn và mang lại hiệu quả cao

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 độchại trong môi trường nước Sepiolite là một khoáng sét có nhiều ứng dụngtrong công nghiệp trên thế giới do những ưu điểm nổi bật như trọng lượngriêng thấp, khả năng hấp phụ cao, thành phần hóa học và độ dẫn nhiệt thấp.Sepiolite được tạo thành từ hỗn hợp của MgO-Al2O3-SiO2-H2O Với diện tích

bề mặt lớn, độ xốp cao, cấu trúc riêng biệt nên sepiolite được ứng dụng tronglĩnh vực hấp phụ và xúc tác Hơn thế nữa dạng gel của nó (dạng sepiolite-nước) có tính dẻo, điện đông và lưu biến rất đáng quan tâm nên có khả năngứng dụng làm chất hấp phụ, xúc tác trong môi trường nước

Xuất phát từ những lí do trên, chúng tôi thưc hiện đề tài: “Nghiên cứu

xử lý xanh methylen bằng vật liệu hấp phụ sepiolite”.

Mục đích nghiên cứu

Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấpphụ của sepiolite đối với xanh methylen trong môi trường nước

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 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 dệttrên thế giới ngày càng tăng cùng với gia tăng về chất lượng sản phẩm, đadạng về mẫu mã, mầu sắc của sản phẩm Chẳng hạn ở Ấn Độ, hàng năm sảnxuất khoảng 4000 triệu mét vải với lực lượng lao động của ngành xấp xỉ 95

vạn người trong 670 xí nghiệp (Trần Văn Nhân, Hồ Thị Nga, 2005).

Ngày nay, ở các nước tiên tiến, các sản phẩm dệt may chủ yếu được nhậpkhẩu từ các nước đang và chậm phát triển Với các quốc gia đang phát triển

do nguyên vật liệu và nhân công rẻ nên ngành dệt nhuộm là ngành có khảnăng đem lại lợi nhuận lớn nhờ xuất khẩu các sản phẩm dệt may Đó là nhữngyếu tố khách quan thuận lợi giúp cho công nghiệp dệt nhuộm ở các nước đó

có điều kiện cạnh tranh trên thị trường quốc tế Tuy nhiên, do điều kiện lịch

sử và hoàn cảnh kinh tế, các cơ sở của ngành dệt nhuộm sử dụng các thiết bị

và dây chuyền công nghệ với mức độ hiện đại khác nhau Các cơ sở mới xâydựng đã lựa chọn những dây chuyền công nghệ hiện đại với những hiết bị có

độ tự động hóa và độ chính xác cao, trong khí đó nhiều cơ sở khác vẫn tiếptục sử dụng các thiết bị cũ kỹ, lạc hậu, gây ảnh hưởng tới điều kiện làm việc

và chất lượng sản phẩm cũng như môi trường

Ở Việt Nam, công nghiệp dệt may đang trên đà phát triển mạnh và đemlại nhiều lợi nhuận trong thu nhập kinh tế

Tuy nhiên, do đặc thù ngành công nghiệp dệt may là một trong nhữngngành công nghiệp có mức độ ô nhiễm môi trường trầm trọng, đặc biệt là ônhiễm nước thải Cho dù cải tiến trang thiết bị hiện đại, các hóa chất nhuộmđược thay đổi và cải tiến, nguyên nhân ô nhiễm cơ bản không thể thay đổiđược đó là ngành dệt may sử dụng các hóa chất mang màu làm nguyên liệuchính trong công đoạn nhuộm và hàng loạt các hóa chất khác Cải tiến trangthiết bị cũng đem lại những giảm thiểu ô nhiễm môi trường đáng kể Cho đến

nay, toàn ngành dệt may của Việt Nam đã đổi mới thiết bị đạt 7% Tuy nhiên,

tỷ lệ này vẫn còn thấp hơn so với các nước trong khu vực (20 - 25%) Thiết bịcòn lại ngành dệt hư mòn nặng nề, nhiều thiết bị quá cũ kỹ, ngành không có

đủ phụ tùng thay thế, khôi phục các tính năng công nghệ Đây cũng là mộtnguyên nhân làm gia tăng chất thải, cần được khảo sát kỹ và nghiên cứu các

phương pháp xử lý kịp thời (Trần Ngọc Phú, 2004).

1.1.1 Nguồn phát sinh nước thải trong dệt nhuộm

Tùy từng đặc thù công nghệ và sản phẩm của mỗi cơ sở sản xuất khácnhau mà quy trình sản xuất áp dụng có thể thay đổi cho phù hợp Dây chuyềncông nghệ sản xuất dệt nhuộm tổng quát được thể hiện trong hình 1.1, baogồm các bước sau:

Kéo sợi, chải

Hồ sợi

Dệt vải

Dũ hồ

Nấu

Giặt trung hòa

Nguyên liệu đầu vào

Tinh bột, phụ gia, hơi

Hình 1.1 Quy trình công nghệ dệt nhuộm ( Trần Ngọc Phú, 2004)

Nguồn nước thải phát sinh trong công nghệ dệt nhuộm là từ các côngđoạn hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất, trong đó lượng nước thảichủ yếu do quá trình giặt sau mỗi công đoạn Nhu cầu sử dụng nước trong nhàmáy dệt nhuộm rất lớn và thay đổi theo mặt hàng khác nhau Nhu cầu sử dụngnước cho 1 mét vải nằm trong phạm vi từ 12 đến 65 lít và thải ra từ 10 đến 40lít Vấn đề ô nhiễm chủ yếu trong ngành dệt nhuộm là ô nhiễm nguồn nước

(Trần Văn Nhân, Hồ Thị Nga, 2005; Đặng Xuân Việt, 2007).

Các chất gây ô nhiễm chính trong nước thải của công nghiệp dệt nhuộmbao gồm:

Nước thải

- Các tạp chất tách ra từ vải sợi như dầu mỡ, các hợp chất chứa nitơ,pectin, các chất bụi bẩn dính vào sợi (trung bình chiếm 6% khối lượng xơ sợi).

- 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, cácchất trợ, chất ngấm, chất cầm màu, chất tẩy giặt Lượng hoá chất sử dụng với từngloại vải, từng loại màu thường khác nhau và chủ yếu đi vào nước thải của từng

công đoạn tương ứng (Trần Văn Nhân, Ngô Thị Ngọc, 2002).

1.1.2 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 trongdệt may, giấy, cao su, nhựa, da, mỹ phẩm, dược phẩm và các ngành côngnghiệp 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 rộngrãi thuốc nhuộm và các sản phẩm của chúng gây ra ô nhiễm nguồn nước ảnhhưởng 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 bấtlợi cho sự hô hấp, sinh trưởng của các loại thuỷ sinh vật Như vậy nó tác độngxấu đến khả năng phân giải của vi sinh đối với các chất hữu cơ trong nướcthải Đối với cá và các loại thủy sinh: các thử nghiệm trên cá của hơn 3000thuốc nhuộm nằm trong tất cả các nhóm từ không độc, độc vừa, rất độc đếncực 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 (E.

García-Romero M Suarez Sepiolite–palygorskite, 2013; LU Hai-jun, 2006).

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 cóthể 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 (E

García-Romero M Suarez Sepiolite–palygorskite, 2013).

1.2 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ

Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý nước thải: Phương pháp cơ học,phương pháp xử lý sinh học, phương pháp hóa lý, phương pháp hấp phụ vàphương pháp hóa học Trong đó phương pháp hấp phụ là một phương pháp

xử lý đang được chú ý nhiều trong thời gian gần đây, do nhiều đặc điểm ưuviệt của nó Vật liệu hấp phụ có thể chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên

và các phụ phẩm nông, công nghiệp sẵn có và dễ kiếm, quy trình xử lý đơngiản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp và quá trình xử lý không

đưa thêm vào môi trường những tác nhân độc hại (Lê Văn Cát, 1999; Trần

Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế, 1998).

Với điều kiện như nhau, tốc độ của quá trình thuận nghịch tương ứng tỷ

lệ với nồng độ chất bẩn trong dung dịch và trên bề mặt chất hấp phụ Khinồng độ chất bẩn trong dung dịch ở giá trị cao nhất thì tốc độ hấp phụ cũnglớn nhất Khi nồng độ chất hấp phụ trên bề mặt tăng lên thì số phân tử (đã bị

hấp phụ) sẽ di chuyển trở lại dung dịch cũng ngày càng nhiều hơn (Trần Văn

Nhân, Ngô Thị Ngọc, 2002).

Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt Ngược với sự hấp phụ là quá trình đi rakhỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ gọi là quá trình giải hấp

Tùy theo bản chất lực tương tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp

phụ người ta phân biệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học (Lê Văn Cát,

1999; Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế, 1998).

1.2.1.1 Hấp phụ vật lý

Định nghĩa: Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander

Walls giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả baloại lực: cảm ứng, định hướng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ Vìvậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao

Đặc điểm: Phân tử bị hấp phụ không chỉ tương tác với một nguyên tử mà

với nhiều nguyên tử trên bề mặt Do vậy, phân tử hấp phụ có thể hình thànhmột hoặc nhiều lớp phân tử trên bề mặt chất hấp phụ

Hấp phụ vật lý không có tính chọn lọc Quá trình hấp phụ vật lý là mộtquá trình thuận nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấpphụ Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2÷6 kcal/mol Sự hấp phụvật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học của bề mặt, không có sự biến đổi cấu

trúc của các phân tử chất hấp phụ và bị hấp phụ (Lê Văn Cát, 1999; Trần Văn

Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế, 1998).

1.2.1.2 Hấp phụ hóa học

Định nghĩa: Hấp phụ hóa học được gây ra bởi các liên kết hóa học (liên kết

cộng hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí…) Trong hấp phụ hóa học có sự traođổi electron giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Cấu trúc electron phân tử cácchất tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình thành liên kếthóa học Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol

Đặc điểm: Chất bị hấp phụ chỉ hình thành một lớp đơn phân tử hấp phụ,

giữa chúng hình thành hợp chất bề mặt Hấp phụ hóa học đòi hỏi phải có áilực hóa học giữa bề mặt chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, do đó mang tính đặcthù rõ rệt Đây không phải là một quá trình thuận nghịch

Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ làtương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt Trong nhiều quá trình hấp phụxảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Ở vùng nhiệt độ thấp

thường xảy ra hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm,

khả năng hấp phụ hóa học tăng lên (Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu,

Nguyễn Văn Tuế, 1998).

1.2.2 Cân bằng hấp phụ

Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch Các phần tử chất bị hấpphụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược phamang Theo thời gian lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụcàng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn Đến mộtthời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ (quá trình thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ(quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng

Đối với một hệ hấp phụ xác định, dung lượng hấp phụ là một hàm củanhiệt độ và áp suất hoặc nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích

Dung lượng hấp phụ cân bằng:

Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên mộtđơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng dưới các điều kiện nồng

độ và nhiệt độ cho trước

Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:

(1.3)

Trong đó:

q: dung lượng hấp phụ (mg/g)

V: thể tích dung dịch (ml)

m: khối lượng chất hấp phụ (g)

Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)

Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)

Trong quá trình hấp phụ, các phần tử bị hấp phụ không bị hấp phụ đồngthời, bởi vì các phần tử chất bị hấp phụ phải khuếch tán từ dung dịch đến bềmặt ngoài chất hấp phụ và sau đó khuếch tán vào sâu bên trong hạt của chất

hấp phụ (Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế, 1998).

Hiệu suất hấp phụ:

Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng

độ dung dịch ban đầu:

H= 100% (1.4)

Trong đó:

H: Hiệu suất hấp phụ (%)

Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)

Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l) (Trần Văn

Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế, 1998).

1.2.3 Động học hấp phụ

Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặtcủa chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt cácgiai đoạn kế tiếp nhau:

♦ Các chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt chất hấp phụ- Giai đoạnkhuếch tán trong dung dịch

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

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

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

Quá trình hấp phụ có thể được coi là một phản ứng nối tiếp, trong đó mỗiphản ứng nhỏ là một giai đoạn của quá trình Khi đó, giai đoạn có tốc độchậm nhất đóng vai trò quyết định đến tốc độ của cả quá trình Trong các quátrình động học hấp phụ, người ta thừa nhận: giai đoạn khuếch tán trong vàngoài có tốc độ chậm nhất Do đó các giai đoạn này đóng vai trò quyết địnhđến toàn bộ quá trình động học hấp phụ Dung lượng hấp phụ phụ thuộc vàocác giai đoạn này và sẽ thay đổi theo thời gian cho đến khi quá trình đạt trạng

thái cân bằng (Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế, 1998).

Tốc độ hấp phụ v là biến thiên nồng độ chất bị hấp phụ theo thời gian:

q : dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g)

qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

1.2.4 Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt

Khi nhiệt độ không đổi, đường biểu diễn q = fT (P hoặc C) được gọi làđường đẳng nhiệt hấp phụ

Đường đẳng nhiệt hấp phụ là đường mô tả sự phụ thuộc của dung lượnghấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tạithời điểm đó ở một nhiệt độ không đổi

Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thìđường hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình đẳng nhiệt hấpphụ như: phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir…

(Lê Văn Cát, 1999; Lê Văn Cát, 2002; Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế, 1998).

Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng nhất áp dụng cho

Freundlich Vật lý và hóa họcShlygin-Frumkin-

(Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuệ, 1998)

Trong các phương trình trên:

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir: là phương trình mô tả cân bằnghấp phụ đầu tiên được thiết lập bằng lý thuyết Phương trình Langmuir đượcxây dựng dựa trên các giả thuyết:

- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt của chất hấp phụ tại nhữngtrung 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 cáctiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểuphân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir nêu ở bảng 1.1 được xâydựng cho hệ hấp phụ rắn – khí Tuy nhiên, phương trình trên cũng có thể ápdụng cho hấp phụ trong môi trường nước Khi đó có thể biểu diễn phươngtrình Langmuir như sau:

Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:

+ Trong vùng nồng độ nhỏ: b.Ccb << 1 thì q= qmax.b.Ccb mô tả vùnghấp phụ tuyến tính

+ Trong vùng nồng độ cao: b.Ccb >> 1 thì q= qmax mô tả vùng hấp phụbão hòa

Để xác định các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt hấp phụLangmuir có thể sử dụng phương pháp đồ thị bằng cách chuyển phương trìnhtrên thành phương trình đường thẳng có dạng:

tan  = => qmax = , ON=

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng đơn giản, chophép giải thích khá thỏa đáng các số liệu thực nghiệm Phương trìnhLangmuir được đặc trưng bằng tham số RL

RL = 1/(1+b.C0) (1.7)0< RL< 1 thì sự hấp phụ là thuận lợi, RL> 1 thì sự hấp phụ là không thuận lợi

và RL = 1 là sự hấp phụ tuến tính

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry là phương trình đơn giản mô

tả sự tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn vànồng độ hoặc áp suất của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry có dạng:

a = K.p hay q = K.Ccb (1.8)Trong đó:

a : là lượng chất bị hấp phụ( mol/g)

K: hằng số hấp phụ Henry

p : áp suất (mm Hg)

Ccb: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l)

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là phương trình thực nghiệm mô

tả sự hấp phụ khí hoặc chất tan lên vật hấp phụ rắn trong phạm vi một lớp (Lê

Văn Cát, 1999; Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế, 1998).

Phương trình này được biểu diễn bằng một hàm số mũ:

q= k.Ccb1/n (1.9)Trong đó:

k: Hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố khác n: Hằng số chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn lớn hơn 1

Phương trình Freundlich phản ánh khá tốt số liệu thực nghiệm cho vùng banđầu và vùng giữa của đường đẳng nhiệt hấp phụ, tức là ở vùng nồng độ thấpcủa chất bị hấp phụ

Để xác định các hằng số, đưa phương trình trên về dạng đường thẳng:

Hình 1.5: Sự phụ thuộc lgq

vào lgC cb

1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

Có ba yếu tố chính ảnh hưởng đến sự hấp phụ của các chất lên bề mặt chấtrắn, đó là:

Nồng độ của chất tan trong chất lỏng( hoặc áp suất đối với chất khí) Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi tăng nhiệt độ, sự hấp phụ trong dung dịchgiảm nhưng thường ở mức độ ít

Quá trình hấp phụ cạnh tranh đối với các chất bị hấp phụ

Ngoài ra, còn một vài yếu tố khác như sự thay đổi diện tích bề mặt của chất

hấp phụ và sự thay đổi pH của dung dịch (Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu,

Nguyễn Văn Tuế, 1998).

1.2.6 Hấp phụ trong môi trường nước

Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phứctạp 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 sẽxảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bềmặt 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 bịhấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kịnước của các chất bị hấp phụ trong môi trường nước

So với hấp phụ trong pha khí, sự hấp phụ trong môi trường nướcthường 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 củacác phân tử chất tan chậm

Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH củamôi trường Sự thay đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất chất bịhấp 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 (Lê Văn Cát, 2002; Trần Văn Nhân, Hồ Thị Nga, 2005;

Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế, 1998).

 Đặc tính của chất hữu cơ trong môi trường nước:

Trong môi trường nước, các chất hữu cơ có độ tan khác nhau Khảnăng hấp phụ trên VLHP đối với các chất hữu cơ có độ tan cao sẽ yếu hơn vớicác chất hữu cơ có độ tan thấp hơn Như vậy, từ độ tan của chất hữu cơ trongnước 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 yếutheo cơ chế hấp phụ vật lý Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụthuộc vào: pH của dung dịch, lượng chất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ…

(Đặng Trần Phòng, Trần Hiếu Nhuệ, 2005).

1.3 Sơ lược về thuốc nhuộm

1.3.1 Định nghĩa về thuốc nhuộm

Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phầnnhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vậtliệu dệt trong những điều kiện quy định (tính gắn màu)

Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp Hiệnnay con người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp Đặc điểm nổi bậtcủa các loại thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy Màusắc của thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học: một cách chung nhất,cấu 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 π không cố định như: > C = C <, > C =N - , - N = N - , - NO2 … Nhómtrợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận điện tử như: - NH2, -COOH,-

SO3H, -OH… đóng vai trò tăng cường màu của nhóm mang màu bằng cách

dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử (Đặng Trần Phòng, Trần Hiếu Nhuệ,

2005).

1.3.2 Phân 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:

Phân loại theo cấu trúc hoá học: Đây là cách phân loại dựa theo cấutrúc của nhóm mang màu, bao gồm thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộmantraquinon, thuốc nhuộm triarylmetan, thuốc nhuộm phtaloxiamin

Phân loại theo đặc tính áp dụng gồm có: Đây là cách phân loại thuốcnhuộm thương mại đã được thống nhất trên toàn cầu Theo đặc tính áp dụngngười ta quan tâm nhiều nhất đến thuốc nhuộm sử dụng cho tơ sợi xenlulo, đó

là các loại thuốc nhuộm: 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 (Cao Hữu Trượng, Hoàng Thị Lĩnh,

1995).

Ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến một số loại thuốc nhuộm nhằm làmsáng tỏ hơn về loại thuốc nhuộm sử dụng trong phần thực nghiệm của đề tài

Thuốc nhuộm azo: Nhóm mang màu là nhóm azo (- N=N-) phân tử thuốc

nhuộm có một nhóm azo (monoazo) hay nhiều nhóm azo (điazo, triazo,polyazo)

Thuốc nhuộm trực tiếp: Còn gọi là thuốc nhuộm tự bắt màu là những

hợp chất màu hoà tan trong nước, có khả năng bắt màu vào một số vật liệunhư các sợi xenlulo, giấy, tơ tằm và sợi polyamit một các trực tiếp nhờ cáclực hấp phụ trong môi trường trung tính hoặc kiềm Trong tổng số thuốcnhuộm trực tiếp thì có 92% thuốc nhuộm azo, một số ít là dẫn xuất dioazin vàflatoxianim, tất cả được sản xuất dưới dạng muối natri của axit sunforic hoặccacbonyl hữu cơ, một vài trường hợp được sản xuất dưới dạng muối amoni vakali nên được viết dưới dạng tổng quát là:

Ar-SO3-Na (Ar: gốc hữu cơ mang màu thuốc nhuộm)

Thuốc nhuộm trực tiếp chỉ có hiệu suất bắt màu cao 90% khi nhuộmmàu nhạt ở nồng độ thấp, còn đối với những màu đậm, lượng thuốc nhuộm bịthải ra tương đối lớn