Nghiên cứu hấp phụ màu metylen xanh bằng vật liệu bã chè

Hiện nay có nhiều phƣơng pháp khác nhau đã đƣợc nghiên cứu và áp dụng để tách loại các hợp chất hữu cơ ra khỏi môi trƣờng nƣớc nhƣ các phƣơng pháp vi sinh, phƣơng pháp điện hóa, [r]

Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 19, Số 4/2014

NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ MÀU METYLEN XANH BẰNG VẬT LIỆU BÃ CHÈ

Đến tòa soạn 29 - – 2014

Đỗ Trà Hƣơng, Trần Thúy Nga

Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên

SUMMARY

ADSORPTION ATUDIES ON THE REMOVEL OF COLOR OF METHYLEN BLUE USING MATERIAL TEA WASTE

The potentiality of tea waste for the adsorptive removal of methylene blue, a cationic dye, from aqueous solution was studied Batch kinetics and isotherm studies were carried out under varying experimental conditions of contact time, initial methylene blue concentration, adsorbent dosag, pH… The nature of the possible adsorbent and methylene blue interactions was examined by the FTIR technique.The pHpzc of the

adsorbent was estimated by titration method and a value of 5,23 was obtained Anadsorption–desorption study was carried out resulting the mechanism of adsorption was reversible and ion-exchange Adsorption equilibrium of tea waste reached within h for methylene blue The extentof the dye removal increased with increasing initial dye concentration The equilibrium data in aqueoussolutions were well represented by the Langmuir isotherm model The adsorption capacity of methyleneblue onto tea waste was found to be as high as 178,57 mg/g Tea waste appears as a very prospective adsorbent for the removal of methylene blue from aqueous solution

Keywords: Adsorption; tea waste; isothermal Langmuir; methylene blue; cationic dye

1 MỞ ĐẦU

Đặc điểm bật nƣớc thải dệt nhuộm chứa nồng độ cao chất màu hữu bền vi sinh Những hợp chất màu chất ô nhiễm dễ nhận thấy màu sắc chúng Hầu hết ngành công nghiệp nhƣ dệt, giấy, in ấn…

và phá hủy cảnh quan mơi trƣờng tự nhiên Do việc tìm phƣơng pháp nhằm loại bỏ chúng khỏi môi trƣờng nƣớc có ý nghĩa to lớn Hiện có nhiều phƣơng pháp khác đƣợc nghiên cứu áp dụng để tách loại hợp chất hữu khỏi môi trƣờng nƣớc nhƣ phƣơng pháp vi sinh, phƣơng pháp điện hóa, phƣơng pháp hóa học, phƣơng pháp liên quan đến UV hay ozon, phƣơng pháp hấp phụ Trong phƣơng pháp hấp phụ đƣợc lựa chọn mang lại kết cao Ƣu điểm phƣơng pháp tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp làm vật liệu hấp phụ để xử lý nguồn nƣớc ô nhiễm Hơn nguồn nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có khơng đƣa thêm vào môi trƣờng tác nhân độc hại khác.[1-9] Bài báo trình bày kết nghiên cứu hấp phụ chất màu hữu (dùng metylen xanh làm ví dụ) mơi trƣờng nƣớc vật liệu hấp phụ chế tạo

từ bã chè

2 THỰC NGHIỆM

1 Hóa chất

Nƣớc cất hai lần, dung dịch NaOH, HCl, NaCl, metylen xanh (MB) Tất hóa chất có độ tinh khiết PA

2 Chế tạo tạo vật liệu hấp phụ bã chè (VLHP)

Bã chè đƣợc thu thập từ hộ gia đình, hàng quán đƣợc rửa với nƣớc cất nhiều lần để loại bỏ tất hạt bụi bẩn Sau đem đun sơi với nƣớc cất để loại bỏ caffein, tannin … Tiếp tục rửa lại nƣớc cất nhiều lần nƣớc rửa khơng cịn màu, đem sấy khơ 95oC 16 giờ, sau đƣợc

nghiền nát rây đến kích thƣớc 180 -300m đƣợc bảo vệ bình hút

3 Phƣơng pháp nghiên cứu

Đặc điểm bề mặt, hình thái học vật liệu hấp phụ đƣợc xác định qua phổ hồng ngoại FT-IR kính hiển vi điện tử quét SEM

Diện tích bề mặt riêng vật liệu bã chè đƣợc xác định theo phƣơng pháp BET Xác định nồng độ trƣớc sau hấp phụ metylen xanh (MB) phƣơng pháp đo quang

4 Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm

* Nghiên cứu khả hấp phụ MB của VLHP

- Thể tích metylen xanh 30 ml với nồng độ pH xác định (dung dung dịch HNO3 loãng dung dịch NaOH để

điều chỉnh pH)

- Lƣợng vật liệu hấp phụ 0,05 g - Các thí nghiệm đƣợc tiến hành nhiệt độ phòng

(25 ± 1OC), hỗn hợp hấp phụ đƣợc lắc máy lắc với tốc độ 200 vòng/phút + Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ + Khảo sát ảnh hƣởng pH

+ Khảo sát ảnh hƣởng khối lƣợng vật liệu

+ Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ (250C, 350C, 450C, 550C)

+ Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ đầu đến hấp phụ MB VLHP

- Dung lƣợng hấp phụ tính theo cơng thức:

m V cb C C

q( 0 )

Trong đó: V thể tích dung dịch (l) m khối lƣợng chất hấp phụ (g), C0

nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l), Ccb

- Dung lƣợng hấp phụ cực đại đƣợc xác định theo phƣơng trình hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính:

cb

cb

max max

C 1

.C

q q q b

Trong đó: qmax dung lƣợng hấp phụ cực đại

(mg/g),

b số Langmuir

* Nghiên cứu hấp phụ MB VLHP

Cân 0,05g VLHP vào 12 eclen có dung tích 100ml, đánh số thứ tự từ - 12; cho tiếp vào eclen 30ml dung dịch MB có nồng độ 23,66 mg/l (đã đƣợc xác định xác nồng độ ) có pH = 8,50, lắc 120 phút, nhiệt độ phòng ( ~ 25oC ) với tốc độ lắc 200 vịng/phút Sau lấy mẫu, tiến hành li tâm xác định lại nồng độ MB Với 11 mẫu lại, dùng dung dịch NaOH 0,1M HCl 0,1M để điều chỉnh pH dung dịch đến giá trị tƣơng ứng 8,50; 8,10; 7,50; 6,50; 6,0; 5,50; 4,50; 4,00; 3,20; 2,30; 1,50 Sau tiến hành lắc 120 phút, nhiệt độ phòng (~25o

C ) với tốc độ lắc 200 vòng/phút Lấy mẫu li tâm xác định lại nồng độ MB sau hấp phu

6 Thuốc nhuộm metylen xanh (MB)

Metylen xanh (MB) chất màu thuộc họ thiôzin, phân ly dƣới dạng cation MB+ C16H18N3S+:

S N

(H3C)2N N(CH3)2

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Kết khảo sát đặc điểm bề mặt của (VLHP)

Hình 1: Phổ FT – IR VLHP Phân tích quang phổ hồng ngoại VLHP (hình 1) cho thấy vân phổ rộng 3413,42cm-1, đại diện cho nhóm -OH Vân phổ tần số 2925,79 cm-1

cho thấy hấp thụ nhóm C-H no Tại tần số 1731,35 cm-1 có vân phổ gán cho nhóm cacbonyl C=O (cacboxylic) Dải hấp thụ có tần số từ 1657,12 cm-1

tƣơng ứng với hấp thụ nhóm C=O kéo dài liên hợp với NH Các vân phổ quan sát thấy 1534, 35cm-1

tƣơng ứng với nhóm amin bậc hai Sự hấp thụ nhóm CH3 đối xứng đƣợc vân

phổ 1374,46cm-1 Vân phổ quan sát thấy

ở 1060,41cm-1

gán cho hấp thụ nhóm C –O Do đó, nói loại nhóm chức có khả tham gia hấp phụ phẩm nhuộm [2,4]

b

Hình 2: Ảnh SEM VLHP: a, trước hấp phụ metylen xanh; b, sau hấp phụ

metylen xanh

Kết chụp ảnh SEM VLHP trƣớc sau hấp phụ đƣợc hình cho thấy bề mặt VLHP trƣớc hấp phụ metylen xanh, có hình dạng ống, xốp Sau hấp phụ bề mặt VLHP mịn, không xốp Điều chứng tỏ metylen xanh hấp phụ bề mặt VLHP Diện tích bề mặt riêng VLHP đƣợc xác định theo phƣơng pháp BET 0,3394 m2/g

3.2 Khảo sát ảnh hƣởng pH

Hình 3: Đồ thị ảnh hưởng pH đến quá trình hấp phụ MB VLHP Từ kết đƣợc hình ta thấy pH tăng hiệu suất hấp phụ dung lƣợng hấp phụ tăng Trong khoảng pH từ 2,51 † 5,83, tăng pH dung lƣợng hấp phụ VLHP tăng nhanh,

phụ VLHP tăng chậm khoảng pH từ 9,17 † 10,14 hiệu suất hấp phụ dung lƣợng hấp phụ giảm Điều giải thích nhƣ sau: giá trị pH < pHpzc bề mặt VLHP tích điện dƣơng có

sự hấp phụ ion H+ Đồng thời nhóm amin

(NH) có VLHP nhận H+

mang điện tích dƣơng theo phƣơng trình sau:

Vì vậy, xuất lực đẩy thuốc nhuộm cation bề mặt chất hấp phụ Ngoài ra, pH thấp nồng độ H+

lớn xảy hấp phụ cạnh tranh với thuốc nhuộm cation tích điện dƣơng trung tâm hấp phụ Do đó, giá trị pH thấp, hiệu xuất hấp phụ thấp Ở giá trị pH > pHpzc bề mặt VLHP tích

điện âm hấp phụ OH-, mặt khác

nhóm cacboxylic (-COOH) có VLHP tham gia phản ứng theo phƣơng trình sau:

  



COOH TWCOO H TW

O H TWCOO OH

COOH

TW   

 

Trong đó: TW VLHP

Xuất lực hút tĩnh điện VLHP mang điện tích âm thuốc nhuộm mang điện tích dƣơng Nên giá trị pH lớn, hiệu xuất hấp phụ lớn Do vậy, lựa chọn pH hấp phụ tốt dung dịch MB khoảng pH =8 Giá trị đƣợc sử dụng cho thí nghiệm

3.3 Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ Kết đƣợc hình

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

0 10 12

pH

H

(

%

Hình 4: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ MB vào nhiệt độ Ta thấy tăng nhiệt độ hiệu suất hấp phụ giảm Điều giải thích nhƣ sau: Do hấp phụ trình tỏa nhiệt tăng nhiệt độ, cân hấp phụ chuyển dịch theo chiều nghịch tức làm tăng nồng độ chất bị hấp phụ dung dịch dẫn đến làm giảm hiệu suất dung lƣợng hấp phụ trình hấp phụ

3.4 Khảo sát dung lƣợng hấp phụ

Kêt khảo sát cân hấp phụ theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir VLHP đƣợc thể hình cho thấy mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir mô tả tốt hấp phụ VLHP MB xác định đƣợc dung lƣợng hấp phụ cực đại qmax=

178,57 mg/g số b = 0,096

Hình 5: Sự phụ thuộc Ccb /q vào Ccb

đối với hấp phụ MB

3.5 Nghiên cứu giải hấp phụ

Hình 6: Đồ thị thể trình giải hấp phụ MB VLHP

Nghiên cứu giải hấp cho thấy giảm pH hiệu suất hấp phụ giảm Nồng độ cân metylen xanh pH 8,50 0,86 mg/l Nồng độ metylen xanh sau giải hấp tăng 0,86 – 22,86 mg/l làm giảm pH từ 8,50 – 1,5 Điều đƣợc giải thích nhƣ sau: Ở pH thấp, proton nhiều, xảy hấp phụ canh tranh cation MB+ nên đẩy cation MB+ khỏi bề mặt VLHP

4 KẾT LUẬN

1 Đã chế tạo thành công vật liệu hấp phụ từ bã chè

2 Đã xác định đƣợc đặc điểm bề mặt, số nhóm chức VLHP qua ảnh hiển vi điện tử quét phổ hồng ngoại Khảo sát đƣợc số yếu tố ảnh hƣởng đến khả hấp phụ metylen xanh VLHP theo phƣơng pháp hấp phụ tĩnh cho kết quả:

+ pH hấp phụ tốt metylen xanh

+ Khi tăng nhiệt độ từ 250

C - 550C hiệu suất hấp phụ metylen xanh giảm Quá trình hấp phụ metylen xanh đƣợc thực chế trao đổi ion

5 Quá trình hấp phụ metylen xanh VLHP tuân theo phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir xác định 93

94 95 96 97

295 300 305 310 315 320 325 330

T(K)

H

(

%

)

y = 0,0056x + 0,0585 R2

= 0,9991

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

0 20 40 60 80 100 120 140

Ccb(mg/l)

C

cb

/q

(g/

l)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 10 12

giải hấp Hấp phụ

H

(

%

)

đƣợc dung lƣợng hấp phụ cực đại metylen xanh qmax= 178,57 mg/g,

hằng số b= 0,096

Nhƣ việc sử dụng VLHP bã chè để hấp phụ MB cho kết tốt Các kết thu đƣợc sở cho định hƣớng nghiên cứu nhằm ứng dụng VLHP việc xử lý nguồn nƣớc bị ô nhiễm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 K.G Bhattacharyya, A Sharma, “Kinetics and thermodynamics of methylene blue adsorption on Neem (Azadirachta indica) leaf powder”, Dyes Pigments, 65, pp 51–59 (2005)

2 Md Tamez Uddin, Md Akhtarul Islam, Shaheen Mahmud, Md Rukanuzzaman, “Adsorptive removal of methylene blue by tea waste” Journal of Hazardous Materials, 164, pp 53–60 (2009)

3 N Dizadji; N Abootalebi Anaraki, “Adsorption of chromium and copper in aqueous solutions using tea residue” Int J Environ Sci Tech., (3), pp 631-638 (2011)

4 P Panneerselvam, Norhashimah Morad, Kah Aik Tan, “Magnetic nanoparticle (Fe3O4) impregnated onto

tea waste for the removal of nickel(II) from aqueous solution”, Journal of

Hazardous Materials 186, pp 160–168 (2011)

5] R N Nasuha, B.H Hameed, Azam T Mohd Din, “Rejected tea as a potential low-cost adsorbent for the removal of methylene blue” Journal of Hazardous Materials, 175, pp 126–132 (2010) S Senthilkumaar, P.R Varadarajan, K Porkodi, C.V Subbhuraam, “Adsorptionof methylene blue onto jute fiber carbon: kinetics and equilibrium studies”, J.Colloid Interf Sci 284, pp 78–82 (2005)

7 T Celal Durana, Duygu Ozdesa, Ali Gundogdub, Mustafa Imamogluc, Hasan Basri Senturk, “Tea-industry waste activated carbon, as a novel adsorbent, for separation, preconcentration and speciation of chromium” Analytica Chimica Acta 688, pp 75–83 (2011)

8 V Vadivelan, K.V Kumar, “Equilibrium, kinetics, mechanism, and process designfor the sorption of methylene blue onto rice hush”, J Colloid Interf Sci 286, pp 90–100 (2005)