Nghiên cứu hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính trong nước thải ngành dệt nhuộm bằng chitosan khâu mạch bức xạ có nguồn gốc từ vỏ tôm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Đặng Lê Minh Trí NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ THUỐC NHUỘM DRIMAREN RED CL5B TRONG NƯỚC THẢI NGÀNH DỆT NHUỘM BẰNG CHITOSAN KHÂU MẠCH BỨC XẠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Đặng Lê Minh Trí NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ THUỐC NHUỘM DRIMAREN RED CL5B TRONG NƯỚC THẢI NGÀNH DỆT NHUỘM BẰNG CHITOSAN KHÂU MẠCH BỨC XẠ Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 60 42 30 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trần Minh Quỳnh Hà Nội - 2012 MỤC LỤC Tran g MỤC LỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ĐẶT VẤN ĐỀ 01 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 04 SỰ PHÁT TRIỂN NGÀNH TÔM VÀ HỆ LỤY Ô NHIỄM TỪ VỎ TÔM 04 CHITIN, CHITOSAN VÀ CÁC ỨNG DỤNG 2.1 Nguồn gốc, công thức cấu trúc chitosan 2.2 Tính chất hóa học khả ứng dụng chitin/chitosan dẫn xu 2.3 Quy trình sản xuất chitin/chitosan 2.3.1 Quá trình loại bỏ protein 2.3.2 Quá trình khử khống 2.3.3 Quá trình khử màu 2.3.4 Deacetyl chitin sản xuất chitosan 2.4 Ứng dụng chitosan xử lý làm môi trường 2.5 Ứng dụng xử lý nước thải ngành dệt CÔNG NGHỆ BỨC XẠ VÀ ỨNG DỤNG CHIẾU XẠ KHÂU MẠCH LÀM BỀN VẬT LIỆU 3.1 Các q trình hóa xạ 3.2 Khâu mạch chitosan xử lý chiếu xạ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM 4.1 Phân loại thuốc nhuộm 4.2 Thuốc nhuộm hoạt tính 4.3 Tác hại nước thải dệt nhuộm lên hệ sinh thái phương pháp loại bỏ thuốc nhuộm khỏi nước thải XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ 5.1 Hiện tượng hấp phụ 5.1.1 Hấp phụ vật lý 5.1.2 Hấp phụ hoá học 5.2 Hấp phụ chất hữu môi trường nước 5.3 Động học hấp phụ 5.4 Cân hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 5.5 Nghiên cứu giải hấp phụ CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NGUYÊN VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT 1.1 Nguyên vật liệu, hóa chất 1.2 Thiết bị, dụng cụ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 2.1 Phương pháp điều chế chitosan từ vỏ tôm 2.2 Các phương pháp xác định đặc tính chitosan 2.2.1 Xác định khối lượng phân tử trung bình chitosan 2.2.2 Xác định độ deacetyl chitosan thu 2.3 Tạo hạt chitosan khâu mạch ion (chitosan bead) 2.4 Tạo hạt chitosan khâu mạch bền xử lý chiếu xạ 2.4.1 Phương pháp xử lý chiếu xạ 2.4.2 Xác định đặc trưng hạt khâu mạch 2.5 Đánh giá khả hấp phụ hạt chitosan khâu mạch 2.5.1 Chuẩn bị nước thải mẫu chứa thuốc nhuộm hoạt tính 2.5.2 Khả hấp phụ hạt chitosan khâu mạch D 2.5.3 Khảo sát khả giải hấp phụ 2.5.4 Xác định độ màu nước thải sau trình hấp phụ màu 2.5.5 Ảnh hưởng yếu tố môi trường tới khả năn chitosan 2.5.6 Hình ảnh hiển vi điện tử hạt chitosan trước sau qu CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN ĐIỀU CHẾ CHITOSAN TỪ VỎ TÔM 34 1.1 Hình thái sản phẩm chitosan thu 34 1.2 Khối lượng trung bình sản phẩm chitosan 35 1.3 Độ deacetyl hóa sản phẩm chitosan 36 TẠO HẠT CHITOSAN KHÂU MẠCH ION 37 2.1 Ảnh hưởng hàm lượng chitosan đến khả tạo hạt 37 2.2 Ảnh hưởng nồng độ chất khâu mạch sTPP đến hình dáng kích thước hạt 39 TẠO HẠT CHITOSAN KHÂU MẠCH BỀN BẰNG XỬ LÝ CHIẾU XẠ 41 3.1 Ảnh hưởng TAIC đến hạt chitosan khâu mạch 41 3.2 Ảnh hưởng liều chiếu xạ tới hạt chitosan khâu mạch 42 3.3 Đặc trưng hạt chitosan khâu mạch xạ 44 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA HẠT CHITOSAN KHÂU MẠCH BỨC XẠ ĐỐI VỚI DRIMAREN RED CL-5B 4.1 Xây dựng đường chuẩn hàm lượng Drimaren Red CL-5B 4.2 Ảnh hưởng điều kiện thực nghiệm đến khả hấp phụ hạt c khâu mạch Drimaren Red CL-5B 4.2.1 Ảnh hưởng lượng chất hấp phụ 4.2.2 Ảnh hưởng pH môi trường 4.2.3 Ảnh hưởng thời gian hấp phụ 4.2.4 Xác định ảnh hưởng nhiệt độ 4.3 Khả hấp phụ hạt chitosan khâu mạch điều kiện tối ưu 4.4 Nghiên cứu khả giải hấp phụ CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG V KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC CÁC CHỮ VIẾ T TẮT BOD COD DA Nhu cầu oxy sinh hoá DD Nhu cầu oxy hố học IR Độ acetyl hóa (Degree of acetylation) NLNTVN Độ deacetyl hóa (Degree of deacetylation) sTPP Hồng ngoại (Infrared) TAIC Năng lượng nguyên tử Việt Nam TNHT Sodium tripolyphosphate (Na5P3O10) TCVN Tryallyl isocyanurate VLHP Thuốc nhuộm hoạt tính Tiêu chuẩn Việt Nam Vật liệu hấp phụ DANH MỤC CÁC BẢNG Tran g Bảng Tổn thất thuốc nhuộm nhuộm loại xơ sợi 15 Bảng Một số mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng 22 Bảng Ảnh hưởng nồng độ dung dịch đến độ nhớt tương đối chitosan 36 Bảng Các giá trị độ nhớt dung dịch chitosan có nồng độ khác .36 Bảng Kích thước hạt chitosan khâu mạch ion theo hàm lượng chất khâu mạch 41 Bảng Ảnh hưởng chất khâu mạch đến hình dạng bên ngồi hạt khâu mạch 42 Bảng Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Drimaren Red 47 Bảng Ảnh hưởng lượng chất hấp phụ đến độ màu TNHH sau xử lý .48 Bảng Ảnh hưởng pH đến độ màu TNHH sau xử lý 50 Bảng 10 Ảnh hưởng thời gian hấp phụ đến độ màu TNHH sau xử lý 53 Bảng 11 Ảnh hưởng nhiệt độ hấp phụ đến độ màu TNHH sau xử lý 55 Bảng 12 Giá trị C thông số ô nhiễm nước thải công nghiệp .75 DANH MỤC CÁC HÌNH Tran g Hình Chế biến tôm vỏ tôm thải từ công nghiệp chế biến tơm .04 Hình Thành phần hóa học vỏ tơm 05 Hình Cấu trúc phân tử chitin, chitosan cellulose 06 Hình Quy trình điều chế chitosan từ vỏ giáp xác 08 Hình Hệ chiếu xạ sử dụng nguồn chiếu xạ Co-60 12 Hình Cấu tạo hóa học số loại TNHTchứa sunfon 16 Hình Các mơ hình Langmuir hấp phụ giải hấp phụ 22 Hình Cấu trúc thuốc nhuộm Drimaren Red CL-5B 23 Hình Điều chế chitosan từ vỏ tôm 25 Hình 10 Bố trí bảng nguồn buồng chiếu xạ 31 Hình 11 Chitosan thu sau a) 15; b) 30; c) 45 d) 60 phút khử màu dung dịch KMnO4 34 Hình 12 Đồ thị phụ thuộc độ nhớt giới hạn độ nhớt cố hữu dung dịch chitosan theo nồng độ 36 Hình 13 Phổ hồng ngoại chitosan thu 37 Hình 14 Hình thái hạt chitosan khâu mạch ion tạo dung dịch sTPP 38 Hình 15 Cơ chế tương tác chitosan với sTPP mơi trường có nước 39 Hình 16 Kích thước hạt chitosan thu 40 Hình 17 Các hạt chitosan khâu mạch xạ tạo với liều chiếu xạ khác 42 Hình 18 Ảnh hiển vi điện tử quét a) hạt chitosan khâu mạch ion, b) hạt khâu mạch xạ 20 kGy c) 40 kGy: độ phóng đại khác 43 Hình 19 Phần trăm tạo gel độ trương nước hạt chitosan khâu mạch theo liều chiếu xạ 44 Hình 20 Phổ hấp thụ dung dịch chứa Drimaren Red CL-5B với hàm lượng khác 45 Hình 21 Đường chuẩn xác định nồng độ Drimaren Red CL-5B 46 Hình 22 Ảnh hưởng lượng chất hấp phụ 48 Hình 23 Ảnh hưởng pH tới khả hấp phụ thuốc nhuộm 50 Hình 24 Ảnh hưởng thời gian 52 Hình 25 Ảnh hưởng nhiệt độ 54 Hình 26 Phổ hấp phụ dung dịch CL-5B 0,2 g/L trước sau hấp phụ CH3 điều kiện tối ưu 55 Hinh 27 Phổ hấp phụ dung dịch CL-5B 0,2 g/L sau hấp phụ CH3 120 điều kiện tối ưu 56 Hình 28 Ảnh hiển vi điện tử quét hạt chitosan CH3 sau hấp phụ thành công thuốc nhuộm (tại độ phóng đại khác nhau) 56 Hình 29 Các chu kỳ hấp thụ - giải hấp phụ CL-5B 57 ĐẶT VẤN ĐỀ Chitin polysaccharide tìm thấy phổ biến tự nhiên, đứng thứ hai sau cellulose, tập trung nhiều vỏ lồi giáp xác tơm, cua xương ngồi động vật gồm san hơ, sứa, mai mực Chitosan sản phẩm deacetyl hóa (DD) chitin với mức DD khác Giống chitin, chitosan có số tính chất đáng quan tâm phân hủy sinh học, tương hợp sinh học đặc biệt không độc người môi trường Song khác với chitin, hịa tan tốt dung dịch axit loãng, giúp dễ dàng áp dụng Điều làm cho trở thành vật liệu tiềm ứng dụng nhiều ngành khác từ nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, đến y tế môi trường Trong năm gần đây, với việc tìm ứng dụng chitin, chitosan dẫn xuất, việc sản xuất tiêu thụ sản phẩm nguồn gốc chitin, chitosan không ngừng gia tăng Điều giúp hạn chế ô nhiễm từ ngành công nghiệp thực phẩm, chất thải từ vỏ tơm, cua, mai mực tận dụng để sản xuất chitosan, trình khả thi mặt kinh tế nêu tận dụng lượng protein caroteniods Bên cạnh việc hạn chế ô nhiễm từ vỏ động vật giáp xác, lĩnh vực môi trường, chitosan cịn tận dụng làm vật liệu hấp phụ để loại bỏ kim loại nặng hợp chất ô nhiễm hữu khác nhờ có mặt nhóm chức linh động amino hydroxyl mạch phân tử Mặc dù, cơng nghiệp dệt liên tục đổi để hạn chế việc sử dụng nước giảm thiểu tác động môi trường, lượng nước thải lớn so với ngành công nghiệp khác, ngành dệt may gây nhiều vấn đề nghiêm trọng nguồn nước, đặc biệt quốc gia phát triển Việt Nam [ 6] Nước thải ngành dệt chứa nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau, song nhà nghiên cứu rằng, chất nhuộm nguồn gây nhiễm nguồn nước Đa phần chất nhuộm hợp chất hữu độc hại, gần không phân hủy sinh học Sau vào môi trường, chúng tồn tài lâu phân hủy phần thành tác nhân gây đột biến sinh vật thủy sinh, gây ung thư PHỤ LỤC BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 1.1 Xác định ảnh hưởng lượng chất hấp phụ đến khả hấp phụ hạt chitosan Mẫu Thuốc Các điều kiện Nguyên liệu ảnhhưởng Cácđiềukiệ n H ạt chitosan nhuộm Thuốc Nguyên liệu Mẫu Drimaren Red CL-5B (g/l) Nước cất (ml) CH1 (g/l) CH2 (g/l) CH3 (g/l) CH4 (g/l) pH Nhiệt độ Thờ i gian ảnhhưởng Cácđiềukiệ n Hạt chitosan nhuộ m Thuố c ảnh hưởng Các điều kiệ n Hạt chitosan nhuộm Thuốc 1.2 Xác định ảnh hưởng pH môi trường Mẫu Nguyên liệu Nguyên liệu 1.3 Xác định ảnh hưởng thời gian hấp phụ Mẫu ảnhhưởng Cácđiềukiệ n Hạt chitosan Thuốc nhuộm Nguyên liệu Các điều kiện Thuốc Nguyên liệu Mẫu Drimaren Red CL-5B (g/l) Nước cất (ml) CH1 (g/l) CH2 (g/l) CH3 (g/l) CH4 (g/l) pH Nhiệt độ Thời gian (giờ) ảnh hưởng Các điều kiệ n Hạt chitosan nhuộm Thuốc 1.4 Xác định ảnh hưởng nhiệt độ Mẫu Nguyên liệu Các điều kiệ n Hạt chitosan Thuốc Thuốc Hạt chitosan n Các điều kiệ HÌNH ẢNH 2.1 Hạt chitosan khâu mạch ion Hình 30 Quá trình tạo hạt máy lắc Hình 31 Hạt chitosan tạo dung dịch Hình 32 Các loại hạt chitosan khâu mạch ion thu sau trình tạo hạt dung dịch sTPP Hình 33 Hạt chitosan tạo từ dung dịch sTTP 2% 2.2 Hạt chitosan khâu mạch bền xử lý chiếu xạ Hình 34 Hạt chitosan đóng vào túi PE trước đem chiếu xạ Hình 35 Liều kế dùng để xác định giá trị liều hấp thụ Hình 36 Buồng chiếu xạ hệ thống chuyển hàng vào Hình 37 Hạt chitosan trước sau chiếu xạ 60 kGy Khả hấp phụ hạt chitosan khâu mạch xạ Drimaren red CL-5B Hình 38 Thuốc nhuộm Drimaren Red CL-5B Hình 39 Bình phản ứng gắn ống sinh hàn hồi lưu để thủy phân thuốc nhuộm Hình 40 Hạt chitosan sau sau hấp phụ thành công thuốc nhuộm Drimaren CL-5B Hình 41 Mẫu nước thu sau trình hấp phụ hạt chitosan a) Mẫu chuẩn mẫu hấp phụ sau 12h b) Mẫu hấp phụ sau 24h mẫu chuẩn c) Mẫu hấp phụ sau 48h mẫu hấp phụ sau 72h d) Mẫu chuẩn mẫu hấp phụ sau 120h Hình 42 Dung dịch thuốc nhuộm chuẩn (đã thủy phân) dung dịch thuốc nhuộm thu sau chu kỳ hấp phụ - giải hấp phụ thứ 3 QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA VỀ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Dựa theo tiêu chuẩn: QCVN 40:2011/BTNMT ban hành theo thông tư số 47/2011/TT-BTNMT ngày 28 tháng 12 năm 2011 Bộ trưởng Bộ Tài nguyên Môi trường Bảng 12 Giá trị C thông số ô nhiễm nước thải công nghiệp Cột A bảng 12 quy định giá trị C thông số ô nhiễm nước thải công nghiệp xả vào nguồn nước dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt Cột B bảng 12 quy định giá trị C thông số ô nhiễm nước thải công nghiệp xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt ... Red CL5B nƣớc thải ngành dệt nhuộm chitosan khâu mạch xạ? ?? Nghiên cứu nhằm điều chế chitosan có mức DD khoảng 70% từ vỏ tơm phịng thí nghiêm, từ tạo hạt chitosan khâu mạch xạ với có mặt triallyl... hạt khâu mạch 2.5 Đánh giá khả hấp phụ hạt chitosan khâu mạch 2.5.1 Chuẩn bị nước thải mẫu chứa thuốc nhuộm hoạt tính 2.5.2 Khả hấp phụ hạt chitosan khâu mạch D 2.5.3 Khảo sát khả giải hấp. .. TỰ NHIÊN - Đặng Lê Minh Trí NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ THUỐC NHUỘM DRIMAREN RED CL5B TRONG NƯỚC THẢI NGÀNH DỆT NHUỘM BẰNG CHITOSAN KHÂU MẠCH BỨC XẠ Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 60