mơi trường nước và sử dụng bã chè, các chất thải chè làm vật liệu hấp phụ.
Các nghiên cứu về sự hấp phụ metylen xanh và phẩm nhuộm đỏ ĐH120 trên các vật liệu hấp phụ khác nhau trước đây đã đươc nghiên cứu rộng rãi. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều dựa trên sự hấp phụ của các vật liệu đắt tiền, ít phổ biến (ví dụ: than hoạt tính, các bon nano đơn vách, TiO2…). Việc sử dụng các vật liệu đĩ làm cho chi phí sản xuất cao, một số vật liệu trong nước khơng tự sản xuất được, phải nhập khẩu dẫn đến sự phụ thuộc vào các nhà cung cấp, gây tiêu tốn ngoại tệ… Cho nên trong những năm gần đây nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tìm ra những vật liệu hấp phụ cĩ chi phí thấp tận dụng được những phụ phẩm nơng nghiệp, cơng nghiệp hoặc chất thải để loại bỏ một số hợp chất hữu cơ nĩi chung và metylen xanh và phẩm đỏ ĐH120 nĩi riêng. Những lợi thế chính của các vật liệu này bao gồm: chi phí thấp, hiệu quả cao, giảm thiểu bùn hĩa học hoặc sinh học.
1.5.1. Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metylen xanh
Kumar và các cộng sự [20] đã nghiên cứu các cơ chế hấp phụ metylen xanh của tro bay và chứng minh rằng tro bay cĩ thể được sử dụng như một vật liệu hấp phụ để loại bỏ metylen xanh từ dung dịch nước của nĩ.
Vadilvelan và các cộng sự [29] đã nghiên cứu trạng thái cân bằng, động lực học hấp phụ, cơ chế hấp phụ metylen xanh lên trấu và thấy rằng động học hấp phụ của quá trình hấp phụ này tuân theo phương trình động học bậc 2.
Nhĩm nghiên cứu của Ghosh [18] đã tiến hành chế tạo vật liệu hấp phụ từ cao lanh. Nghiên cứu này cho thấy cao lanh cĩ thể cĩ hiệu quả trong việc loại bỏ metylen xanh ở nồng độ tương đối thấp từ mơi trường nước.
Trong khi đĩ Senthikumaar và các cộng sự [27] tiến hành nghiên cứu sự hấp phụ metylen xanh lên sợi cacbon và sợi đay và nĩ được mơ tả khá tốt theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir.
Gurses và các cộng sự [15] nghiên cứu việc loại bỏ metylen xanh bằng đất sét và quan sát thấy rằng khả năng hấp phụ metylen xanh của đất sét giảm khi nhiệt độ tăng. Sự hấp phụ này cĩ thể đạt cân bằng hấp phụ sau 1 giờ.
Battacharyya và cộng sự [21] dựa trên lượng bã thải chè lớn phát sinh từ các hộ gia đình ở Bangladesh đã nghiên cứu và tiến hành đề xuất quy trình xử lí bã thải chè thành vật liệu hấp phụ. Kết quả thu được dung lượng hấp phụ cực đại đạt là 85,16 mg/g cao hơn so với khả năng hấp phụ của một số vật liệu hấp phụ được nghiên cứu gần đây. Cân bằng hấp phụ đạt được trong vịng 5 giờ cho nồng độ metylen xanh là 20-50 mg/l.
Một số tác giả cũng tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ metylen xanh trên các loại vật liệu hấp phụ khác nhau như: sợi thủy tinh, đá bọt, bề mặt thép khơng gỉ, đá trân châu, vỏ tỏi…. Kết quả thu được cho thấy khả năng hấp phụ của các vật liệu hấp phụ đối với metylen xanh cho hiệu suất khá cao.
1.5.2. Một số hướng nghiên cứu hấp phụ phẩm nhuộm đỏ ĐH120
Tác giả Bùi Thanh Hương [8] đã tiến hành nghiên cứu “phân hủy quang xúc tác phẩm nhuộm xanh hoạt tính 2 và phẩm nhuộm đỏ ĐH120 bằng TiO2 Degussa p25 và tia tử ngoại”. Nghiên cứu đã kết luận rằng TiO2 Degussa p25 và tia tử ngoại cĩ khả năng phân hủy hồn tồn các hợp chất hữu cơ cĩ cấu trúc bền vững, phức tạp và cồng kềnh như phẩm đỏ ĐH 120.
Carla Albertina Demarchi [16] và các cộng sự đã nghiên cứu về việc sử dụng chitosan-sắt (III) kết ngang với glutaraldehyde (Ch-Fe) làm vật liệu hấp phụ đối với nước thải dệt nhuộm chứa phẩm đỏ ĐH 120. Trong nghiên cứu này đã chỉ ra rằng quá trình hấp phụ của VLHP tuân theo theo mơ hình đẳng nhiệt Langumir-Freudlich và tuân theo phương trình động học bậc hai biểu kiến của Lagergren.
Abuzer Çelekli [13] và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu sự hấp phẩm đỏ ĐH 120 và phẩm nhuộm vàng 81 trên tảo Spirogyra majuscule. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng loại tảo này cĩ thể được sử dụng như một vật liệu hấp phụ cho việc sử lý nước thải ngành dệt may.
Edris Bazrafshan [19] và các cộng sự đã nghiên cứu về việc sử dụng các bon ống nano đơn vách để hấp thụ phẩm đỏ ĐH120 trong dung dịch. Kết quả chỉ ra rằng các ống nano carbon đơn vách cĩ thể được sử dụng để loại bỏ thuốc nhuộm từ dung dịch nước.
Ngồi ra một số tác giả cũng tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ phẩm đỏ ĐH120 trên các loại vật liệu hấp phụ khác nhau như: than hoa lấy từ việc đốt thân cây dừa, sợi đay…. Kết quả thu được cho thấy khả năng hấp phụ của các vật liệu hấp phụ đối với phẩm đỏ ĐH120 cho hiệu suất khá cao và đầy hứa hẹn trong việc xử lý nước thải dệt nhuộm.
1.5.3. Một số hướng nghiên cứu sử dụng bã thải chè làm vật liệu hấp phụ
Trên thế giới đã cĩ nhiều nghiên cứu về việc xử lí bã thải chè và các chất thải chè (phụ phẩm tạo ra trong quá trình trồng chè) mà hàng năm vẫn phát sinh với số lượng lớn để ứng dụng vào làm vật liệu hấp phụ với chi phí thấp và hiệu quả cao. Cịn ở Việt Nam mặc dù hàng năm cũng tạo ra một lượng rất lớn bã thải chè nhưng hầu như chưa cĩ nghiên cứu nào về vấn đề này.
Theo các nghiên cứu, từ bã thải chè, các chất thải chè cĩ thể được xử lí và dùng trực tiếp hoặc biến tính để trở thành vật liệu hấp phụ cho cả khơng những hợp chất hữu cơ như metylen xanh, metyl da cam… mà cịn cả một số ion kim loại như : Cu(II), Ni(II), Cr(III), Pb(II)…
* Sử dụng bã chè, các chất thải chè chưa biến tính
N. Nasuha và cộng sự [25] đã tiến hành nghiên cứu sự hấp phụ metylen xanh (MB) từ dung dịch nước của chất thải chè. Các thí nghiệm hấp phụ được thực hiện với điều kiện khác nhau về: các nồng độ ban đầu (50- 500mg /L), pH 3-12, khối lượng vật liệu hấp phụ ( 0,05-1g ) và nhiệt độ ( 30-50◦C) . Các kết quả ở trạng thái cân bằng được mơ tả khá tốt thao mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich. Trong đĩ sự hấp thụ được mơ tả tốt nhất theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir với dung lượng hấp phụ cực đại là 147,154 và 156mg /g ở tương ứng ở 30, 40 và 50°C. Ba mơ hình động học, động học hấp phụ bậc 1, động học hấp phụ bậc 2 và khuếch tán trong hạt đã được sử dụng để mơ tả các cơ chế hấp phụ. Kết
quả thực nghiệm cho thấy phương trình động học bậc hai là mơ hình tốt nhất mơ tả sự hấp phụ này với hệ số tương quan R > 0,99. Từ đĩ cho thấy chất thải chè cĩ tiềm năng lớn để được sử dụng như vật liệu hấp phụ hiệu quả cho việc loại bỏ metylen xanh. Nghiên cứu này xuất phát từ thực tế ở Malaysia trong khi thu hoạch chè phát sinh lượng rất lớn các phần phụ phẩm như cành, thân hay lá chè già…Ước tính hơn 10.000 tấn chất thải chè được tạo ra mỗi năm.
Ngồi ra, từ thực tế đĩ nhĩm nghiên cứu trên cũng đã nghiên cứu về khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ chế tạo từ lá chè. Trong nghiên cứu này, lá chè đã được sử dụng như một vật liệu hấp phụ mới và chi phí thấp cho các thuốc nhuộm cation (metylen xanh). Tiến hành hấp phụ ở 30°C. Các kết quả thử nghiệm được phân tích bằng các mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich. Trong đĩ, các kết quả được mơ tả tốt nhất theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và khả năng hấp phụ đơn lớp được tìm thấy là 300,052 mg/g. Kết quả cho thấy lá chè là chất thải cĩ tiềm năng được sử dụng như một vật liệu hấp phụ chi phí thấp để loại bỏ metylen xanh từ dung dịch nước của nĩ.
Md. Tamez Uddin và cộng sự [22] dựa trên lượng bã chè lớn phát sinh từ các hộ gia đình ở Bangladesh đã nghiên cứu và tiến hành đề xuất quy trình xử lí bã thải chè thành vật liệu hấp phụ. Kết quả thu được dung lượng hấp phụ cực đại đạt là 85,16 mg/g cao hơn so với khả năng hấp phụ của một số vật liệu hấp phụ được nghiên cứu gần đây. Và cân bằng hấp phụ đạt được trong vịng 5 giờ cho nồng độ metylen xanh là 20-50 mg/l.
N. Dizadji và cộng sự [23] đã tiến hành nghiên cứu sự hấp phụ đồng và crom bởi bã chè trong các dung dịch nước của nĩ tại các giá trị khác nhau của pH. Trong các thí nghiệm sự hấp phụ tốt nhất xảy ra trong dung dịch nước nitrat đồng ngậm nước ở khoảng pH 5-6. Tương tự như vậy hấp phụ tối đa trong dung dịch kali cromat là ở pH 2-3. Tính được dung lượng hấp phụ cực đại của Cu(II) là 60 mg/g (II) ở pH = 5, dung lượng hấp phụ cực đại của Cr(VI) là khoảng 19 mg/g ở pH = 2. Các dữ liệu thu được ở trạng thái cân bằng mơ tả theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt
Langmuir và Freundlich. Kết quả cũng cho thấy sự hấp phụ này tuân theo động học hấp phụ bậc 2 với R > 0,99 cho Cu(II) và Cr (VI).
* Sử dụng bã chè biến tính
Tác giả Xiaoping Yang[30] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ của bã chè biến tính bằng kiềm như một vật liệu hấp phụ mới để loại bỏ Pb (II) từ dung dịch nước. Nghiên cứu so sánh cho thấy tỷ lệ loại bỏ Pb (II) trên bã chè biến tính bằng kiềm cao hơn đáng kể so với trên bã chè chưa biến tính. Nghiên cứu cho thấy rằng pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hấp phụ Pb (II) và pH tối ưu là khoảng 4,5. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 90 phút, quá trình hấp phụ tuân theo phương trình động học hấp phụ bậc 2. Từ mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir xác định được dung lượng hấp phụ cực đại là 64,10 mg/g ở 25°C.
Tác giả P. Panneerselvam[24] đã nghiên cứu việc loại bỏ ion Ni (II) từ dung dịch nước bởi bã chè biến tính bằng Fe3O4. Những yếu tố ảnh hưởng tới sự hấp phụ chẳng hạn như thời gian tiếp xúc, pH, nồng độ, khối lượng vật liệu hấp phụ và nhiệt độ đã đuợc nghiên cứu. Giá trị của hằng số tốc độ đã được tìm thấy là 1,90 x 10-2 min-1 tại nồng độ Ni (II) là 100 mg/l và ở 303 K. Hiệu suất hấp phụ giảm từ 99% xuỗng cịn 87% khi tăng nồng độ Ni (II) trong dung dịch từ 50 đến 100 mg/l . Nghiên cứu cũng cho thấy hiệu suất hấp thụ Ni (II) tăng khi tăng nhiệt độ từ 303- 323K và dung lượng hấp phụ cực đại là 38,3 mg/g.
Tác giả Jasmin Shah [26] và các cộng sự đã nghiên cứu sự hấp phụ Ni (II) của vật liệu lá chè biến tính bằng formandehide. Các dữ liệu thu được ở trạng thái cân bằng mơ tả theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và tính được dung lượng hấp phụ cực đại giá trị qmax=120,5 mg/g. Quá trình hấp phụ này tuân theo động học hấp phụ bậc hai biểu kiến của Lagergren. Qua nghiên cứu nhiệt động lực học cũng chỉ ra rằng quá trình trên là quá trình tỏa nhiệt tự diễn biến. Kết quả cho thấy lá chè thải cĩ khả năng được sử dụng như một chất hấp phụ với chi phí thấp để loại bỏ Ni (II) từ dung dịch nước .
Ngồi ra, người ta cịn cĩ thể sử dụng bã chè làm nguồn nguyên liệu sản xuất than hoạt tính để tăng hiệu quả hấp phụ [28].
1.6. Giới thiệu về phương pháp phân tích trắc quang: 1.6.1. Nguyên tắc 1.6.1. Nguyên tắc
Chuyển cấu tử cần phân tích về hợp chất màu cĩ khả năng hấp thụ ánh sáng bằng một thuốc thử thích hợp. Dựa vào khả năng hấp thụ ánh sáng của hợp chất màu sẽ xác định được hàm lượng (nồng độ) cấu tử cần phân tích.
1.6.2. Độ hấp thụ quang (A)
Cơ sở của phương pháp phân tích trắc quang là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer-Lambert-Beer. Biểu thức của định luật về độ hấp thụ quang (A) được tính theo cơng thức: LC I I A log O (1.26) Trong đĩ: A là độ hấp thụ (mật độ quang)
Io là cường độ của ánh sáng đi vào dung dịch I là cường độ ánh sáng đi ra khỏi dung dịch L là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua.
C là nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch
ε là hệ số hấp thụ mol phân tử, nĩ phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ ánh sáng và bước sĩng của ánh sáng tới (ε= f(λ)).
Như vậy, độ hấp thụ quang A là một hàm của các đại lượng: bước sĩng, bề dày của dung dịch và nồng độ của chất hấp thụ ánh sáng.
A = f(λ,L,C) (1.27)
Do đĩ nếu đo A tại một bước sĩng λ nhất định với cuvet cĩ bề dày L xác định thì đường biểu diễn A = f(C) phải cĩ dạng y = ax là một đường thẳng. Tuy nhiên do những yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch (bước sĩng của ánh sáng tới, sự pha lỗng dung dịch, nồng độ H +, sự cĩ mặt của các ion lạ) nên đồ thị trên khơng cĩ dạng đường thẳng với mọi giá trị của nồng độ. Do vậy biểu thức (1.16) cĩ dạng:
A kL(Cx)b
(1.28) Trong đĩ:
Cx: nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch. K : hằng số thực nghiệm.
b : hằng số cĩ giá trị 0 < b 1. Nĩ là một hệ số gắn liền với nồng độ Cx
Khi Cx nhỏ thì b =1, khi Cx lớn thì b < 1.
Đối với một chất phân tích trong một dung mơi xác định và trong một cuvet cĩ bề dày xác định thì ε = const và L = const. Đặt K = k.ε.L ta cĩ:
b
KC
A (1.29)
Phương trình (1.19) là cơ sở để định lượng các chất theo phương pháp phổ hấp thụ quang phân tử UV -Vis (phương pháp trắc quang). Trong phân tích người ta chỉ sử dụng vùng phổ nồng độ tuyến tính giữa A và C, vùng tuyến tính này rộng hay hẹp phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ quang của mỗi chất và điều kiện thực nghiệm [4], [7].
1.6.3. Phương pháp đường chuẩn
Để xác định nồng độ của các nguyên tố trong mẫu phân tích theo phương pháp đo phổ hấp thụ phân tử, ta cĩ thể tiến hành theo phương pháp đường chuẩn.
Cơ sở của phương pháp: Dựa trên sự phụ thuộc tuyến tính của độ hấp thụ quang A vào nồng độ của cấu tử cần xác định trong mẫu A KCb.
Tiến hành:
+ Pha chế một dãy dung dịch chuẩn cĩ nồng độ hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng nồng độ tuyến tính (b=1).
+ Đo độ hấp thụ quang A của các dung dịch chuẩn.
+ Xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang A vào nồng độ của cấu tử cần nghiên cứu (phụ thuộc tuyến tính) A = f(C). Đồ thị này được gọi là đường chuẩn. Đường chuẩn cĩ dạng là đường thẳng đi qua gốc tọa độ.
+ Pha chế các dung dịch phân tích với điều kiện như xây dựng đường chuẩn và đem đo độ hấp thụ quang A với điều kiện như xây dựng đường chuẩn (cùng dung dịch so sánh, cùng cuvet, cùng bước sĩng). Dựa vào các giá trị độ hấp thụ quang A này và đường chuẩn tìm được nồng độ Cx [4].
1.7. Một số phương pháp nghiên cứu sản phẩm 1.7.1. Phương pháp phổ Hồng ngoại (IR) 1.7.1. Phương pháp phổ Hồng ngoại (IR)
Phân tích phổ hồng ngoại để xác định được vị trí của vân phổ và cường độ, hình dạng vân phổ. Phổ hồng ngoại thường được ghi dưới dạng đường cong sự phụ thuộc của phần trăm truyền qua (100I0/I) hoặc độ hấp thụ vào số sĩng (cm-1). Sự hấp thụ của các nhĩm nguyên tử được thể hiện bởi những vân phổ ứng với các đỉnh phổ ở các số sĩng xác định gọi là tần số.
Phổ hồng ngoại cĩ vai trị hết sức quan trọng trong việc phân tích cấu trúc phân tử. Dựa vào tần số cường độ để xác định sự tồn tại của các nhĩm liên kết trong phân tử. Sư chuyển dịch của tần số đặc trưng và thay cường độ phản ánh sự tương tác giữa các nhĩm liên kết cạnh nhau trong phân tử. Hầu hết các nhĩm nguyên tử trong hợp chất hữu cơ hấp thu ở vùng 4000 - 650cm-1. Vùng phổ từ 4000 – 1500 cm-1 được gọi là vùng nhĩm chức vì chứa hầu hết các vân hấp thụ của các nhĩm