Nghiên cứu khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của vật liệu hấp phụ chế tạo từ đài sen

Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm như vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phongphú, dễ điều chế, chi phí thấp, thân thiện với môi trường, đặc biệt

ĐẠI HỌC THÁINGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ

PHẠM

NGUYỄN THÙY LINH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH, METYL

DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ

CHẾ TẠO TỪ ĐÀI SEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Thái Nguyên 2017

-ĐẠI HỌC THÁINGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ

PHẠM

NGUYỄN THÙY LINH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH, METYL

DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ

CHẾ TẠO TỪ ĐÀI SEN

Chuyên ngành: Hóa phân

-2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu,kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bốtrong bất cứ công trình nào khác Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu tráchnhiệm

Thái Nguyên, tháng 4 năm

2017

Tác giả

Nguyễn Thùy Linh

Xác nhận của khoa chuyên

môn

PGS.TS Nguyễn Thị Hiền

Lan

Xác nhận của giáo viên hướng

dẫn

TS Vũ Thị Hậu

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ,chuyên ngành hóa phân tích, khoa hóa học – Trường Đại học Sư phạm –Đại học Thái Nguyên, em đã nhận được sự ủng hộ, giúp đỡ của các thầy côgiáo, bạn bè và gia đình

Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Vũ Thị Hậu, côgiáo trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em hoànthành luận văn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa hóa học, khoasau Đại học, và Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học TháiNguyên đã giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luônbên cạnh, ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để

em có thể hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năngnghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể cònnhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầygiáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đếnvấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 04

năm 2017

Tác giả

Nguyễn Thùy Linh

1.6.2 Một số hướng nghiên cứu sử dụng cây sen làm VLHP

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1.2 Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metyl da cam 34

3.2 Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh, metyl

3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP 47

3.4.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

sóng khác nhau

34Bảng 3.3: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh với các

Bảng 3.11: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ của

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

vào bước sóng

33Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của metyl da cam

vào bước sóng

34Hình 3.3 Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh

Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh

vào nhiệt độ

51Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam

vào nhiệt độ

51Hình 3.19 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với metylen xanh 53

Hình 3.20 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của metylen xanh 53

Hình 3.21 Đường đẳng nhiệt Langmuir của VLHP đối với metyl da

metyl da cam

58

MỞ ĐẦU

Môi trường là nhân tố có ảnh hưởng quyết định đến sự tồn tại và pháttriển của mỗi con người, mỗi quốc gia trên thế giới, chính vì vậy bảo vệmôi trường và đảm bảo phát triển bền vững là vấn đề có tính sống còn củamỗi quốc gia Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nềncông nghiệp, các nhà máy khu chế xuất ngày càng tăng Mỗi năm nhữngnhà máy, khu chế xuất này thải ra một lượng nước thải lớn gây ô nhiễmmôi trường Nước ta là nước có ngành công nghiệp dệt nhuộm phát triển vìvậy hàng năm nước thải của ngành công nhiệp này chiếm một lượngđáng kể Lượng nước thải này chứa nhiều chất hữu cơ mang màu độc hạinếu không được xử lý, loại bỏ sẽ xâm nhập vào cơ thể tích tụ gây hại nghiêmtrọng đến sức khỏe con người, phá hủy cảnh quan môi trường tự nhiên

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp khác nhau để loại bỏ các chấthữu cơ mang màu ra khỏi môi trường nước như: thẩm thấu ngược, lọc nano,kết tủa hoặc hấp phụ, Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp

có nhiều ưu điểm như vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phongphú, dễ điều chế, chi phí thấp, thân thiện với môi trường, đặc biệt khônglàm nguồn nước ô nhiễm thêm Chính vì vậy đây là vấn đề đã và đangđược nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu Trong lĩnh vực xử lý môitrường, ta có thể sử dụng vật liệu tự nhiên (đá ong, quặng sắt, đất bazan…)hay vật liệu chế tạo từ xơ dừa, vỏ trấu, bã mía, bã chè… những loại vật liệunày đều có giá thành rẻ, thân thiện với môi trường và dễ kiếm tìm trong đờisống

Cây sen là loài cây quen thuộc được trồng phổ biến ở các ao hồ vàrất có ý nghĩa đối với người dân Việt Nam Không chỉ vậy các bộ phận củacây sen từ hạt, lá cho đến củ đều có lợi ích kinh tế cao như: nhụy sen dùng

để ướp trà, lá sen để chữa bệnh, hạt sen dùng làm thực phẩm… Tuy nhiên,hiện nay ở Việt Nam sau khi thu hoạch hạt sen thì đài sen bị thải bỏ,không được sử dụng vào mục đích nào Đài sen có đặc tính nhẹ và xốp cókhả năng biến tính thành vật liệu hấp phụ tốt

Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của vật liệu hấp phụ chế tạo từ đài sen”

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược về thuốc nhuộm

1.1.1 Định nghĩa và phân loại 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 kếtvào vật liệu 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 nổibật của các loại thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phânhủy Màu sắc của thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học Một cáchchung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợmàu

Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệelectron π không cố định như: > C = C <, > C = N -, - N = N -, - NO2, …Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận electron như: - NH2,

Phân loại theo cấu trúc hoá học: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm

antraquinon, thuốc nhuộm inđizo, thuốc nhuộm phenazin, thuốc nhuộmtriarylmetan, thuốc nhuộm phtaloxiamin

Phân loại theo đặc tính áp dụng: thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc

nhuộm lưu hoá, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm phân tán, thuốcnhuộm bazơ cation, thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính [20]

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 đềtài

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: Là loại thuốc nhuộm anion có dạng tổng quátAr─SO3Na Khi hoà tan trong nước nó phân ly cho về dạng anion thuốcnhuộm 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 képcủa bazơ hữu cơ chúng dễ tan trong nước cho cation mang màu Trongcác màu thuốc nhuộm bazơ, các lớp hoá học được phân bố: azo (43%),triazylmetan (11%), arycydin (7%), antraquinon (5%) và các loại khác.Thuốc nhuộm axit: Là muối của axit mạnh và bazơ mạnh chúng tan trong nước

phân ly thành ion:

số làng nghề như: Vạn Phúc, Dương Nội (Hà Đông – Hà Nội), nhu cầu oxyhoá học (COD) trong các công đoạn tẩy, nhuộm đo được từ 380 ÷890mg/L, cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 3 ÷ 8 lần, độ màu đo được là750Pt - Co, cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần Các vấn đề về sự ônhiễm môi trường dưới sự tác động của ngành công nghiệp dệt nhuộm đãgia tăng trong nhiều năm qua Các quá trình tẩy nhuộm có tỷ lệ mất mátchất tẩy nhuộm lên đến 50% Nguyên nhân của việc mất mát chất tẩy,nhuộm là do các chất này không bám dính

hết vào sợi vải, số phẩm nhuộm này sẽ đi theo đường nước thải ra ngoài Vì vậy, việc xử lý nước thải dệt nhuộm là vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu.

1.1.3 Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may được trình bày trong bảng 1.1 [18]

Bảng 1.1: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may

Giới hạn theo TCVN 2008

- Cột B quy định giá trị giới hạn của các thông số ô nhiễm trong nướcthải công nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nướcsinh hoạt

Như vậy, nước thải công nghiệp nói chung và nước thải ngành dệtnhuộm nói riêng, để đạt tiêu chuẩn cho phép thải ra môi trường sinh tháicần tuân thủ nghiêm ngặt khâu xử lý các hóa chất gây ô nhiễm môi trường

có mặt trong nước thải

1.1.4 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 nhiềutrong các ngành công nghiệp dệt may, giấy, cao su, mỹ phẩm do dễ sửdụng, giá thành rẻ, màu sắc đa dạng so với màu tự nhiên Tuy nhiên,

h ầu hết các thuốc nhuộm sử dụng trong ngành công nghiệp dệt mayđều có độ độc tính cho môi trường sống

trong nước Mặt khác, các chất hoạt động bề mặt và các hợp chất liênquan, chẳng hạn như bột giặt, các chất nhũ hóa, các chất phân tán được

sử dụng trong hầu hết các công đoạn của mỗi quy trình gia công vàcũng có thể là một trong những nguồn quan trọng tạo độc tính cho môitrường nước [3]

Ngành công nghiệp dệt nhuộm nước ta đang phát triển rất đa dạng vớiquy mô khác nhau và đã thải ra ngoài môi trường một lượng lớn nước thảigây ô nhiễm cao Nước thải dệt nhuộm thường có độ màu rất cao Việc sửdụng rộng rãi thuốc nhuộm và các sản phẩm của chúng gây ô nhiễm nguồnnước mặt, nước ngầm, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh tháithủy sinh Cụ thể đối với con người gây ra các bệnh về da, đường hô hấp,ung thư…, đối với hệ sinh thái thủy sinh có thể phá hủy hoặc ức chế khảnăng sinh sống của vi sinh vật [2]

1.1.5 Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp

dệt nhuộm

Trong nhiều thập kỷ qua, ngành công nghiệp dệt nhuộm luôn có vịtrí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Với các doanh nghiệp nhànước, doanh nghiệp tư nhân, dự án liên doanh và các nhà máy có vốn đầu

tư 100% nước ngoài cùng rất nhiều tổ hợp tư nhân nhỏ, vừa và lớn đanghoạt động trong lĩnh vực sợi, dệt, nhuộm nhằm phấn đấu đạt chỉ tiêu hơnhai tỷ mét vải vào năm 2020 cho thấy quy mô và định hướng phát triểnlớn mạnh của ngành công nghiệp này Tuy nhiên, trong số các nhà máychỉ có nhà máy lớn có xây dựng hệ thống xử lý nước thải còn lại hầu nhưchưa có hệ thống xử lý vẫn còn xả trực tiếp ra môi trường Loại nướcthải dệt nhuộm có độ kiềm hoặc độ axit cao, màu đậm, có nhiều chất hữu

cơ, vô cơ gây độc cho quần thể sinh vật và ảnh hưởng sức khoẻ cộng đồng

Ở các ngành công nghiệp dệt may, nước thải thường có độ pH trungbình từ 9-11, chỉ số nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD), nhu cầu ôxy hoá học(COD) có thể lên đến 700mg/1 và 2.500mg/1, hàm lượng chất rắn lơ lửng cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép Hàm lượng nước thải của các ngànhnày có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần, H2S vượt 4,2 lần, hàm lượngNH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề cácnguồn nước bề mặt trong vùng dân cư Do đó vấn đề ô nhiễm chủ yếu trong

ngành dệt nhuộm là ô nhiễm nguồn nước.

Nguồn nước thải phát sinh trong công nghiệp dệt nhuộm từ các côngđoạn hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất Trong đó, lượng nướcthải chủ yếu do quá trình giặt sau mỗi công đoạn.

Bảng 1.2: Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm [16]

Sản xuất vải sợi

bông

Sản xuất vải sợi

pha (tổng hợp/bông,

Sản xuất vải, sợi len và

pha (tổng

100%)

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

1.2 Giới thiệu chung về metylen xanh, metyl da cam

1.2.1 Metylen xanh

Metylen xanh là một hợp chất thơm dị vòng, có một số tên gọi khácnhư: tetramethylthionine chlorhydrate, methylene blue,methylthioninium chloride, glutylene, có công thức phân tử là:C16H18N3SCl [4]

Công thức cấu tạo của metylen xanh như sau:

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của xanh

điều kiện tự

nhiên, khối lượng phân tử của metylen xanh là 373,9 g/mol [17]

Metylen xanh là một chất màu thuộc họ thiozin, phân ly dưới dạng cation

3 1

Hình 1.3 Dạng oxy hóa và dạng khử của xanh

metylen

Metylen xanh là một loại thuốc nhuộm bazơ cation, là hóa chất được

sử dụng rộng rãi trong các ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ, sản xuất mực

in Metylen xanh bị hấp thụ rất mạnh bởi các loại đất khác nhau Trong môitrường nước, metylen xanh bị hấp thu vào vật chất lơ lửng và bùn đáy ao

và không có khả năng bay hơi ra ngoài môi trường nước ở bề mặt nước.Nếu thải metylen xanh vào trong không khí, nó sẽ tồn tại cả ở dạng hơi vàbụi lơ lửng [20]

1.2.2 Metyl da cam

Metyl da cam là một chất bột tinh thể màu da cam, không tan trongdung môi hữu cơ, khó tan trong nước nguội nhưng dễ tan trong nước nóng.Metyl da cam là một monoazo thường được sử dụng trong phòng thínghiệm, dệt may và các ngành công nghiệp khác Metyl da cam có thể

xâm nhập vào cơ thể qua đường ăn uống, chuyển hóa thành các amin thơmbằng vi sinh đường ruột và thậm chí có thể dẫn tới ung thư

đường ruột Dung dịch trong nước dùng làm chỉ thị chuẩn độ axit bazơ, có màu hồng trong môi trường axit, màu vàng da cam trong môitrường kiềm, khoảng pH chuyển màu là 3,1 - 4,4 [17].

-Công thức phân tử: C 14 H 14 N 3 O 3 SNa

Công thức cấu

tạo:

NaO3S N N N

CH3CH3Metyl da cam: là chất hữu cơ có tính chất lưỡng tính với hằng số axit Ka= 4.10-4

Trong môi trường kiềm và trung tính, nó có màu vàng là màu của anion:

H3CNH3C N N SO3

Trong môi trường axit, anion này kết hợp với proton (H  ) chuyển thành cation

màu đỏ:

H3CNH3C

Tu theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấpphụ, người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học Hấp phụ vật lýgây ra bởi lực Vander aals giữa phần tử chất bị hấp phụ và bề mặt chấthấp phụ, liên kết này yếu,

dễ bị phá vỡ Hấp phụ hoá học gây ra bởi lực liên kết hoá học giữa bề mặt chất hấp phụ và phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này bền, khó bị phá vỡ.

Trong thực tế, sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hoáhọc chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không r rệt Một số trườnghợp tồn tại cả quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học Ở vùng nhiệt độthấp xảy ra quá trình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật

lý giảm và khả năng hấp phụ hoá học tăng lên [10]

1 1 2 i i h h

Giải hấp phụ là quá trình chất bị hấp phụ ra khỏi lớp bề mặt chất hấpphụ Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quátrình hấp phụ

Đối với hấp phụ vật lý để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác độngthông qua các yếu tố sau:

- Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ

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

độ dung dịch ban đầu