1. 2 Giới thiệu về cây sầu riêng
2.2.5. Các phương pháp phân tích tính chất vật liệu hấp phụ
- Phân tích cấu trúc, hình dạng và kích thước lỗ xốp của vật liệu bằng phương pháp kính hiển vi quét điện tử (Scanning Electron Microscope, SEM) với thiết bị Model JSM-6600 (Mỹ) tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, Số 1 Mạc Đĩnh Chi, Quận 1, Tp. Hồ Chí Minh.
- Xác định tính chất bề mặt riêng (BET) và phân bố lỗ xốp của vật liệu hấp phụ từ vỏ sầu riêng bằng phương pháp hấp phụ BET theo N2 ở 77oK. Hấp phụ BET được đo đạc
23
trên thiết bị BET-NOVA 3200e, Quantachrome Instrument Mỹ, Trung tâm MANAR, ĐH Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.
- Vật liệu hấp phụ tổng hợp từ vỏ sầu riêng thông qua quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR) được phân tích bằng máy Broker thuộc Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
24
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1. Tính chất của vật liệu
Hình thái bề mặt vỏ sầu riêng đã qua xử lý sơ bộ được quan sát qua ảnh phân tích SEM như hình 3.1. Qua phân tích hình thái bề mặt SEM, kết quả cho thấy cấu trúc bề mặt của vỏ sầu riêng thô không đều, có dạng sợi dạng sợi xếp khích nhau được xem là cấu trúc của xelulozo. Phổ FTIR được sử dụng để xác định các nhóm chức hiện diện trên bề mặt của vật liệu hấp phụ dựa trên vỏ sầu riêng thô và vỏ sầu riêng đã qua sử lý sơ bộ. Kết quả FTIR của vỏ sầu riêng thô cho thấy píc mạnh và rộng từ 3500-3200 cm-1 đặc trưng cho dao động kéo căng của nhóm O-H trong cellulozo và hemicellulozo [19]; cũng có thể là liên kết hydrogen liên phân tử và nội phân tử của các hợp chất polyme, ancol, phenol và axit cacboxylic; những píc rộng tương ứng ở 1634 cm-1 là kết quả từ liên kết C=C trong hợp chất thơm; sự hấp phụ ở 1066 cm-1 thì đặc trưng cho dao động của nhóm C-O-R hoặc C-O-H trong ester và nhóm ancol. Píc hấp phụ mạnh ở 2917 cm-1 có thể đóng góp cho dao động kéo căng của C-H và píc ở 1434 cm-1 đặc trưng cho dao động uốn của C-H. Những kết quả này chứng minh rằng các phân tử xelulozơ không bị loại bỏ trong qua trình xử lý sơ bộ, vỏ sầu riêng đã qua xử lý sơ bộ chứa nhiều nhóm –OH hơn vỏ sầu riêng thô dựa trên cường độ mạnh của píc xelulozơ, điều này cho thấy vật liệu thích hợp cho quá trình hấp phụ màu cation [10, 20, 21].
25
Hình 3. 1. Kết quả SEM (A) và FT-IR của vỏ sầu riêng đã qua xử lý
3.2. Hiệu quả hấp phụ của vỏ sầu riêng đã qua xử lý đối với màu cation và màu anion anion
Hình 3.2 cho thấy sự ảnh hưởng của nồng độ màu ban đầu (50-400 ppm) trên khả năng loại bỏ màu MB, VL và CR sử dụng chất hấp phụ là vỏ sầu riêng đã được xử lý với NaOH và iso-propanol. Đối với màu MB và màu VL, hiệu suất loại bỏ đạt cao nhất ở 50 ppm và giảm nhanh khi tăng nồng độ lên 400 ppm trong khi đó hiệu quả loại bỏ màu CR đạt gia trị cao nhất ở 100 ppm và giảm nhẹ đến 400 ppm. Có thể thấy từ hình 3.2A rằng VLHP cho hiệu quả loại bỏ màu cation cao hơn màu anion. Điều này được giải thích rằng sự hiện diện của những nhóm -OH trên bề mặt của vật liệu làm cho bề mặt vật liệu hấp phụ tích điện âm, dẫn đến tăng khả năng hấp phụ tốt hơn đối với màu hữu cơ tích điện dương dựa trên lực tương tác tĩnh điện [22]. Vì vậy, khi tăng nồng độ màu ban đầu thì khả năng hấp phụ màu MB và VL cũng tăng dựa trên tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ [23]; cụ thể, khả năng hấp phụ của vỏ sầu riêng đã qua xử lý đối với màu MB là 23.84; 43.17; 74.12; 102.59 mg/g và đối với màu VL là 20.93; 42.06; 84.90; 155.41 mg/g tương ứng với nồng độ ban đầu 50, 100, 200, và 400 ppm. Đối với màu tích điện âm, CR, khả năng hấp phụ là: 1.74; 11.37; 14.37; 16.67 mg/g tương ứng vói nồng độ ban đầu từ 5- 400ppm. Những kết quả này cho thấy, VLHP từ vỏ sầu riêng thô đã qua xử lý sơ bộ với
26
NaOH và iso-propanol thích hợp với khả năng hấp phụ màu cation, và hai màu MB và VL sẽ được sử dụng trong nghiên hấp phụ cột nhồi.
Hình 3. 2. Hiệu suất hấp phụ và khảng năng hấp phụ của vỏ sầu riêng thô đã qua xử lý sơ bộ đối với màu congo red, crystal violet và metylen blue
3.3. Ảnh hưởng của các thông số lên quá trình hấp phụ cột
3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ màu ban đầu
Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ màu MB và VL với các giá trị nồng độ 200ppm, 400ppm và 600ppm ở chiều cao cột 4cm và tốc độ 10 ml/phút. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ màu CR ở nồng độ 200 ppm, 400 ppm, 600 ppm được cho trong hình 3.4 và bảng 3.1; có thể thấy khả năng hấp phụ đối với màu MB và VL tăng khi tăng nồng độ đầu. Thời gian đột phá (tb) giảm từ 200 phút đến 60 phút đối với màu MB và từ 360 phút đến 180 phút đối với màu VL khi nồng độ đầu tăng 200 ppm – 600 ppm. Điều này có thể được giải thích ở nồng độ dòng chảy thấp, sự truyền khối cũng thấp hơn dựa trên hệ số khuếch tán và hệ số truyền khối giảm; vì vậy, thời gian hấp phụ dài hơn [10, 24].
27
Hình 3. 3. Ảnh hưởng của nồng độ màu ban đầu lên khả năng hấp phụ màu MB và VL thông qua cột nhồi
Với nồng độ MB và VL tăng (200-600 ppm), lượng hấp phụ cân bằng là 196.60 đến 235.80 mg/g đối với MB và từ 356.44 đến 524.23 mg/g đối với VL (Bảng 1). Khả năng hấp phụ tăng khi tăng nồng độ ban đầu là vì số phân tử màu tương tác với bề mặt vật liệu tăng dẫn đến tăng khả năng hấp phụ [20, 25]. Giá trị R2 cao ở 0,9193 – 0.9719 cho thấy sự phù hợp của các giá trị thực nghiệm với mô hình Thomas trong hấp phụ màu MB và VL ở các nồng độ màu 200 - 600ppm.
28
Bảng 3. 1. Các thông số của mô hình Thomas dưới nồng độ màu ban đầu khác nhau sử dụng phân tích hồi qui tuyến tính
Các thông số Thomas Nồng độ màu ban đầu (ppm) R2 Kth (ml/min.mg) qo(mg/g) Tb (min) (Ct/Co < 0.05) Methylene Blue (MB) 200 0.9322 0.1460 196.60 200 400 0.9690 0.0995 225.11 120 600 0.9193 0.0738 235.80 < 60 Crystal Violet (VL) 200 0.9528 0.0720 356.44 360 400 0.9719 0.0540 445.10 260 600 0.9142 0.0572 527.64 180
3.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy
Tốc độ dòng chảy là yếu tố cần thiết cho quá trình hấp phụ cột nhồi và tiếp xúc trực tiếp với vật liệu trong cột ảnh hưởng đến thời gian và đường cong sóng hấp phụ. Khi tốc độ dòng chảy nhanh thì cột hấp phụ đạt đến trạng thái bão hòa càng sớm dẫn đến thời gian hấp phụ màu càng ngắn. Sự phụ thuộc của Ct/Co vào thời gian cùng với tốc độ dòng chảy và đường cong sóng hấp phụ dựa trên mô hình Thomas được trình bày trong hình 3.4 và bảng 3.2. Đường cong đột phá đối với cả hai loại màu được thực hiện ở tốc độ 5- 20 ml/phút, nồng độ màu ban đầu ở 200 mg/L và chiều cao cột nhồi là 4 cm. Từ hình 3.4 chot hấy ở tốc độ dòng chảy cao, cột chứa vật liệu hấp phụ đạt trạng thái bão hòa sớm hơn so với ở tốc độ thấp.
29
Hình 3. 4. Ảnh hưởng của tốc độ chảy lên khả năng hấp phụ màu MB và VL thông qua cột nhồi
Sự phù hợp của mô hình Thomas ở các tốc độ dòng chảy khác nhau cho giá trị R2 (0.932-0.976) đối với màu MB và R2 (0.8684-0.9648) đối với VL; điều này cho thấy khả năng hấp phụ của vỏ sầu riêng đã qua xử lý với NaOH và iso-propanol đối với màu MB phù hợp tốt với mô hình Thomas ở các tốc độ dòng chảy 5, 10, 20 ml/phút, trong khi đối với màu VL, khả năng hấp phụ của vật liệu này chỉ phù hợp tốt với mô hình Thomas khi ở tốc độ dòng thấp. Với tốc độ dòng chảy 5, 10, 20 ml/phút thì tương ứng với thời gian đột phá đối với hấp phụ màu MB là 280, 240, 80 phút và đối với màu VL tương ứng 440, 360, 120 ml/phút. Như vậy, kết quả cho thấy tốc độ chảy càng thấp thì thời gian đột phá (Tb) càng lớn, điều này là bởi vì ở tốc độ chảy thấp thì thời gian tương tác giữa vật liệu càng nhiều [24]. Theo đó, khả năng hấp phụ đối với màu MB và VL được tính toán từ mô hình Thomas tăng khi tăng tốc độ dòng chảy, điều này ngụ ý rằng tốc độ dòng chảy càng cao thì cho phép nhiều phân tử màu với những nhóm chức hoạt tính tương tác một cách hiệu quả với những vị trí hoạt tính trên bề mặt vật liệu hấp phụ [23]. Khả năng hấp phụ cao nhất đạt 201.95 mg/g đối với MB và 500.83 mg/g ở tốc độ 20 ml/phút và nồng độ màu ban đầu là 200ppm.
30
Bảng 3. 2. Các thông số của mô hình Thomas dưới tốc độ chảy khác nhau sử dụng phân tích hồi quy tuyến tính
Các thông số Thomas Tốc độ dòng chảy (ml/min) R2 Kth (ml/min.mg) qo (mg/g) Tb (min) (Ct/Co < 0.05) Methylene Blue (MB) 5 0.9762 0.1275 110.96 280 10 0.9320 0.1460 196.60 240 20 0.9450 0.1195 201.95 80 Crystal Violet (VL) 5 0.9648 0.0555 216.55 440 10 0.9528 0.0072 356.44 360 20 0.8684 0.0670 500.83 < 120
3.3.3. Ảnh hưởng của chiều cao cột nhồi
Nghiên cứu để tìm ra sự ảnh hưởng của chiều cao cột nhồi, dung dịch màu MB và VL sẽ đi qua cột với chiều cao khác nhau 2cm, 4cm, 6cm với tốc độ dòng chảy là 10ml/phút và nồng độ ban đầu là 200mg/l. Đồ thị của Ct/Co theo thời gian phù hợp với đường cong đột phá được xây dựng dựa trên mô hình Thomas được cho trong hình 3.5. Kết quả cho thấy thời gian đột phá (tb) dài hơn khi tăng chiều cao cột (Ct/Co <0.05) bởi vì chất lỏng màu có thời gian cư ngụ dài hơn để khuếch tán sâu trên bề mặt của vật liệu [10, 26]. Cụ thể, các giá trị tb là 100, 260, 320 phút đối với MB và giá trị này đối với VL là 220, 360, 460 phút ở chiều cao cột nhồi 2 - 6 cm. Các thông số được tính từ phương trình Thomas được liệt kê trong bảng 3.3.
31
Hình 3. 5. Ảnh hưởng của chiều cao cột nhồi lên khả năng hấp phụ màu MB và VL Giá trị R2 (0.9090 – 0.9820) cao đối với cả hai loại màu MB và VL tương ứng với chiều cao cột 2cm, 4cm, 6cm cho thấy sự phù hợp của mô hình Thomas đối với dữ liệu thực nghiệm. Ngoài ra, thời gian đột phá cũng tăng khi tăng chiều cao cột nhồi, kết quả từ việc tăng khả năng hấp phụ. Khả năng hấp phụ tối đa được tính từ mô hình Thomas là 242.09 mg/g và 417.17 mg/g tương ứng đối với màu MB và VL.
Bảng 3. 3. Các thông số của mô hình Thomas dưới các chiều cao của cột khác nhau sử dụng phân tích hồi qui tuyến tính
Các thông số Thomas Chiều cao cột nhồi (cm) R2 Kth (ml/min.mg) qo(mg/g) Tb (min) (Ct/Co < 0.05) Methylene Blue (MB) 2 0.9090 0.1485 166.15 100 4 0.9320 0.1460 196.60 < 260 6 0.9820 0.1150 242.09 320 Crystal Violet (VL) 2 0.9030 0.1000 303.32 220 4 0.9530 0.0720 356.44 360 6 0.956 0.0720 417.17 < 460
32
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1. Kết luận
Qua các kết quả phân tích FTIR, SEM cho thấy vỏ sầu riêng thô đã qua xử lý với NaOH và iso-propanol có nhiều nhóm chức –OH trên bề mặt. Vì vậy, khả năng hấp phụ của vật liệu này đối với màu cation (MB và VL) cao hơn màu anion (CR) khi thực hiện các thí nghiệm hấp phụ tĩnh ở nồng độ màu từ 50-400 ppm. Ngoài ra, vật liệu vỏ sầu riêng thô đã qua xử lý sơ bộ cho hiệu quả hấp phụ tốt đối với màu MB và VL thông qua cột nhồi, đạt hiệu quả 100% ở nồng độ MB và VL ban đầu 200 ppm – 600 ppm. Hiệu suất loại bỏ màu và thời gian đột phá bị ảnh hưởng rất lớn bởi các yếu tố như nồng độ màu ban đầu, tốc độ dòng chảy và chiều cao cột nhồi. Trong nghiên cứu này, mô hình Thomas được áp dụng để tính toán và tìm ra các điều kiện tối ưu cho cơ chế hấp phụ màu MB và VL. Kết quả cho thấy khả năng hấp phụ màu MB của vật liệu phù hợp với mô hình Thomas hơn màu VL. Như vậy, các kết quả thu được từ nghiên cứu này cho thấy sử dụng vật liệu hấp phụ từ vỏ sầu riêng thô chỉ qua sử lý sơ bộ là một giải pháp tiềm năng với chi phí thấp, ứng dụng thực tế xử lý màu dệt nhuộm độc hại trong môi trường nước.
4.2. Kiến nghị
Qua các kết quả trên cho thấy vỏ sầu riêng thô là phế phụ phẩm sẵn có, dễ tìm trong tự nhiên và có khả năng xử lý nước thải màu MB và VL với hiệu suất rất cao. Vì vậy, nhóm nghiên cứu sẽ định hướng mở rộng ứng dụng loại vật liệu hấp phụ này trong xử lý kim loại nặng, hấp phụ dung môi, hấp phụ dầu...
Chủ nhiệm đề tài
33
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Dương Mạnh Tuấn, Thiết kế hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm công ty alliance-one khu công nghiệp giao long tỉnh bến tre. Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật môi trường, Đại học Bách khoa TPHCM., 2008.
2. Trịnh Xuân Lai, Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải, . Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội,, 2008.
3. Vũ Thùy Dương and Võ Thành Danh, Hiệu quả sản xuất sầu riêng tại tỉnh tiền giang,.
Tạp chí Khoa học,, 2011. 20: p. 237-247.
4. Trần Thế Tục and Chu Doãn Thành, Cây sầu riêng Việt Nam,. Nhà xuất bản Nông nghiệp,, 2005.
5. Lưu Thị Huế, Nghiên cứu khả năng xử lý cr6+ trong nước bằng vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ sầu riêng,. Khóa luận tốt nghiệp ngành kỹ thuật môi trường, Đại học Dân lập Hải Phòng,, 2015.
6. Trần Thị Liên, Nghiên cứu khả năng xử lý fe3+ trong nước bằng vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ sầu riêng,. Khóa luận tốt nghiệp ngành kỹ thuật môi trường, Đại học Dân lập Hải Phòng,, 2015.
7. Phạm Thị Thanh Huyền, Điều chế và khảo sát ứng dụng của vật liệu hấp phụ từ vỏ sầu riêng,. Khóa luận tốt nghiệp ngành sư phạm hóa học, Đại học sư phạm TP. Hồ Chí Minh,, 2016.
8. Marković, S., et al., Application of raw peach shell particles for removal of methylene blue. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2015. 3(2): p. 716-724.
9. Odysseas, K., Fixed-bed-column Studies for Methylene Blue Removal and Recovery by Untreated Coffee Residues. Journal of Environmental Science and Engineering B, 2016. 5(9).
10. El Messaoudi, N., et al., Biosorption of Congo red in a fixed-bed column from aqueous solution using jujube shell: Experimental and mathematical modeling. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2016. 4(4): p. 3848-3855.
34
11. Afroze, S., T.K. Sen, and H.M. Ang, Adsorption performance of continuous fixed bed column for the removal of methylene blue (MB) dye using Eucalyptus sheathiana bark biomass. Research on Chemical Intermediates, 2016. 42(3): p. 2343-2364.
12. Pathania, D., S. Sharma, and P. Singh, Removal of methylene blue by adsorption onto activated carbon developed from Ficus carica bast. Arabian Journal of Chemistry, 2017. 10(Supplement 1): p. S1445-S1451.
13. Nguyễn Thị Hà and Hồ Thị Hoà, Nghiên cứu hấp phụ màu/xử lý COD trong nước thải nhuộm bằng cacbon hoạt hóa chế tạo từ bụi bông,. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ,, 2008. 24: p. 16-22.
14. Dương Thị Bích Ngọc, Nguyễn Thị Mai Lương, and Nguyễn Thị Thành, Nghiên cứu khả năng hấp phụ thuốc nhuộm methylen xanh của vật liệu hấp phụ chế tạo từ lõi ngô và vỏ ngô,. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Lâm nghiệp,, 2013. 2: p. 77-81.
15. Nguyễn Trần Thiên Lý and Trần Thị Thu Hà, Nghiên cứu khả năng xử lý màu nước thải dệt nhuộm của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía,. Bài báo nghiên cứu khoa