5. Những đóng góp mới của đề tài
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
*Chất nhuộm màu Reactive Red 24
Dung dịch chất nhuộm màu Reactive Red 24 sử dụng cho thí nghiệm được tự pha bằng nước cất tại phòng thí nghiệm.
Cấu trúc chất nhuộm màu hoạt tính Reactive Red 24: Công thức căn bản của chất nhuộm Reactive Red 24 có thể viết vắn tắt là R-B-X
Trong đó:
R: Là nhóm mang màu (ChromopHoricgroup). Quyết định màu của chất nhuộm (color producing part). Nhóm này là nhóm Azo(-N=N-)
B: Là nhóm cầu nối (Brid ginggroup). Kết nối nhóm mang màu với nhóm phản ứng của chất nhuộm ( reactivegroup), có thể là nhóm -NH hoặc nhóm -NR.
X: Nhóm phản ứng của chất nhuộm (Reactivegroup). Là nhóm đặc trưng chủ yếu của chất nhuộm Reactive Red 24 tạo liên kết cộng hóa trị với xơ sợi. Có thể là: -Cl; -Br; -SH; -OCH;…
Phân tử chất nhuộm Reactive Red 24 bao gồm một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử gọi là nhóm mang màu. Sự hiện diện nó tạo ra màu sắc của chất nhuộm. Một nhóm thế có khả năng phản ứng với xơ cellulose. Chất nhuộm có độ bền giặt tốt nhất nhờ liên kết giữa chất nhuộm và cellulose là liên kết cộng hóa trị xảy ra trong quá nhuộm. Chất nhuộm thường được sử dụng để nhuộm cellulose như cotton hoặc lanh, chất nhuộm cũng có thể được áp dụng trên len và nylon. Trong trường hợp này, chúng được áp dụng trong điều kiện axit yếu. Chất nhuộm Reactive Red 24 có mức độ tận trích thấp so với các loại chất nhuộm khác bởi vì các nhóm chức năng trong chất nhuộm cũng đồng thời phản ứng với nước, xảy ra do quá trình thủy phân.Phần chất nhuộm bị thủy phân này không có liên kết với cellulose và phải bị giặt bỏ mới giải quyết được vấn đề độ bền màu.
C26H17CIN7Na3O10S3
Hình 2.1. Cấu tạo chất nhuộm Reactive Red 24 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
- Thời gian thực hiện: Từ tháng 9/2019 đến tháng 5/2020
- Giới hạn nội dung nghiên cứu: Đề tài đề cập đến khả năng xử lý thuốc nhuộm màu Reactive red 24 từ vỏ trấu bằng phương pháp hấp phụ.
- Quy mô thực hiện: Phòng thí nghiệm.
- Các thông số đánh giá: Dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ.
- Địa điểm nghiên cứu: Phòng Thí nghiệm - Khoa Tài nguyên và Môi trường - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên.
2.2. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu đặc trưng của vật liệu hấp phụ than sinh học chế tạo từ vỏ trấu. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của than sinh học
phụ than sinh học từ vỏ trấu.
+ Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý Reactive Red 24 bằng vật liệu hấp phụ than sinh học từ vỏ trấu.
+ Ảnh hưởng của nồng độ Reactive Red 24 đến hiệu quả xử lý bằng vật liệu hấp phụ than sinh học từ vỏ trấu.
- Nghiên cứu mô hình động học và mô hình đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24 bằng than sinh học chế tạo từ vỏ trấu.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Chế tạo và đánh giá đặc điểm than sinh học từ vỏ trấu
2.3.1.1. Phương pháp chế tạo than sinh học * Chuẩn bị nguyên vật liệu
- Vỏ trấu được thu gom từ cơ sở xay sát ở khu vực xã Quyết Thắng, thành phố Thái Nguyên.
- Bếp than sinh học:
Hình 2.2. Bếp than sinh học B4SS
cao 1,5 m. Bên trong ống khói có hệ thống cửa 2 cánh có thể đóng mở được để kiểm soát lượng khí thoát ra bên ngoài. Vật liệu xây bếp là gạch và xi măng chịu nhiệt. Chiều dày xung quanh lò là 20cm và xây 2 lớp, ở giữa có khoảng trống 5cm để tăng khả năng cách nhiệt, cấu trúc mái vòm giảm áp lực lên tường bếp. Hệ thống tấm chắn nhiệt bằng inox chịu nhiệt cao, có kích thước là 1,2 x 2,6 m được bố trí đặt cách ống khói 0,8 m.
Kích thước thùng chứa liệu 1300 x 2800 x 1300 mm. Khung thùng nạp liệu được thiết kế bằng thép chịu nhiệt lưới inox bao xung quanh có độ dày 4mm. Thùng chứa liệu có bánh xe để di chuyển trong quá trình nạp liệu và lấy than.
Cửa bếp 2 lớp có kích thước 1500 x 1350 mm. Lớp bên ngoài là thép có độ dày 2mm. Lớp bên trong làm bằng inox chịu nhiệt. Ở giữa là lớp vải amiang có khả năng cách nhiệt tốt. Xung quanh mép cửa lò dán 2 lớp vải amiang đảm bảo lò được kín, ở phía trên có cửa nhỏ dùng để quan sát quá trình cháy bên trong lò.
Bếp có hệ thống tủ điều khiển (có hệ thống giám sát nhiệt độ, đồng hồ đo nhiệt, rơle tự động, các loại công tắc điều khiển bơm nước và quạt khí khi vận hành). Bếp có hệ thống cấp khí gồm 6 ống cấp khí (2 ống phía dưới, 2 ống phía trên tấm chắn nhiệt và 2 ống ở dưới tấm chắn nhiệt). Tại các ống khí có van đóng mở, sử dụng quạt khí có công suất lớn 3500 m3/h, tốc độ quay 1500 vòng/phút. Hệ thống phun sương xung quanh bếp được tuần hoàn gồm 8 đầu phun. Mỗi đầu phun có hệ thống van đóng mở. Nước được phun dưới dạng sương bằng bơm cao áp đảm bảo áp lực nước 40 psi và lưu lượng nước 1.000 lít/giờ.
* Quy trình sản xuất than thành phẩm bằng bếp than sinh học
Hình 2.3. Sơ đồ quy trình vận hành lò đốt than sinh học B4SS
Nhiệt cung cấp cho lò là từ quá trình đốt cháy nhiên liệu (củi, rơm rạ). Vỏ trấu sau khi thu gom được sấy khô ở 700C trong 24h. Vỏ trấu được nhiệt phân bằng lò đốt than sinh học yếm khí theo dạng mẻ. Dùng 500g vỏ trấu nhồi chặt vào 2 hộp bằng sắt có lỗ thoát khí và đặt vào trong bếp than sinh học.
Quá trình nhiệt phân trong điều kiện thiếu không khí trong 2giờ; nhiệt độ được duy trì là 4000C và được kiểm soát bằng máy đo nhiệt độ tiếp xúc kiểu K. Nguyên liệu vỏ trấu chuyển thành than sinh học (biochar) vỏ trấu. Sau đó, để cho nhiệt độ bếp và hộp chứa than sinh học giảm đến nhiệt độ không khí thì lấy mẫu than ra. Than sinh học từ vỏ trấu được nghiền và rây với kích thước nhỏ hơn 0,5 mm và bảo quản để sử dụng cho các thí nghiệm.
2.3.1.2. Đánh giá các đặc điểm hấp phụ của than sinh học từ vỏ trấu
Nghiên cứu cấu trúc và diện tích bề mặt của than sinh học qua phân tích SEM (Scanning Electron Microscope).
- Cấu trúc bề mặt: Nghiên cứu cấu trúc của than sinh học qua phân tích SEM (Scanning Electron Microscope).
- Diện tích bề mặt riêng và phân bố đường kính mao quản (BET/BJH): Đo diện tích bề mặt riêng theo phương pháp của BET (Brunauer – Emmett – Teller) và BJH (Barrett – Joyner – Halenda) để xác định diện tích bề mặt hấp phụ và giải hấp phụ khí N2 ở 77,35K bằng máy đo diện tích bề mặt riêng BET (Quantachrome Instrument, Autosorb – iQ – MP, Mỹ) và thiết bị phân tích hóa hấp thụ Autochem (Micromeritics Instrument, Autochem II 2920, Mỹ).
2.3.2. Bố trí các thí nghiệm nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của than sinh học từ vỏ trấu để xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24 phụ của than sinh học từ vỏ trấu để xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24
Các thí nghiệm trên mẫu nước thải chứa chất nhuộm màu Reactive Red 24 nhân tạo được thực hiện tại phòng thí nghiệm.
2.3.2.1. Hóa chất và dụng cụ sử dụng
- Các loại hóa chất sử dụng cho thí nghiệm gồm: Nước cất hai lần, chất nhuộm màu Reactive Red 24, HNO3, H2SO4, NaOH,…
Tất cả hóa chất đều có độ tinh khiết.
- Các thiết bị sử dụng được liệt kê ở bảng 2.1 sau:
Bảng 2.1.Các dụng cụ, thiết bị thí nghiệm sử dụng trong nghiên cứu
STT Thiết bị, dụng cụ Mục đích sử dụng
1 Tủ sấy Sấy hóa chất dụng cụ 2 Cân điện tử 5 số BOECO BLL 31 Pha hóa chất
3 Máy đo pH: PHS-3C Xác định pH
4 Máy UV-VIS 2900 Hitachi Xác định bước sóng đặc trưng, dải màu của các chất nhuộm
7 Cuvet thạch anh Xác dịnh độ màu 8 Ống đong 500ml, buret, pipet Phân tích
9 Bình tam giác Thí nghiệm 2.3.2.2. Các nội dung tiến hành thí nghiệm
a. Thí nghiệm 1: Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý Reactive Red 24 bằng vật liệu hấp phụ than sinh học (Biochar) từ vỏ trấu
Mục tiêu: Tìm giá trị pH tối ưu cho quá trình xử lý chất nhuộm màu RR24
Trình tự thí nghiệm:
1. Pha nồng độ dung dịch thuốc nhuộm Reactive Red 24với nồng độ ban đầu 150 mg/l với thể tích đủ cho thí nghiệm lặp 3 lần.
2. Lấy lần lượt 100 ml dung dịch Reactive Red 24 nồng độ 150 mg/l và chỉnh pH = 2, tương tự 100 ml dung dịch được chỉnh pH = 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10.
3. Tiến hành thí nghiệm hấp phụ
- Cân 0,05g biochar vỏ trấu trên cho vào các bình tam giác dung tích 50ml. - Hút lần lượt 25 ml dung dịch thuốc nhuộm Reactive Red 24 với nồng độ ban đầu 150 mg/l và giá trị pH đã điều chỉnh ở trên cho vào mỗi bình tam giác đã chứa biochar từ vỏ trấu và ghi kí hiệu các bình thí nghiệm theo giá trị pH = 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 và 10. Mỗi thí nghiệm ảnh hưởng của pH được lặp lại 3 lần.
- Sau đó đặt các bình tam giác chứa dụng dịch Reactive Red 24và Biochar đã chuẩn bị trên máy lắc và lắc với thời gian 60 phút với tốc độ lắc là 120 vòng/phút. Sau đó, hỗn hợp dung dịch Reactive Red 24và Biochar được lọc bằng giấy lọc để tách riêng dụng dịch sau hấp phụ và biochar.
- Nồng độ Reactive Red 24 trong dung dịch trước và sau hấp phụ được xác định bằng phương pháp trắc quang, so màu trên máy UV-Vis. Dựa vào đường chuẩn đã xây dựng để tính toán nồng độ Reactive Red 24.
b. Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu quả xử lý Reactive Red 24 bằng vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu
Mục tiêu: Tìm thời gian hấp phụ thích hợp cho quá trình xử lý chất nhuộm
màu Reactive Red 24. Sử dụng kết quả để tính toán các tham số mô hình động học hấp phụ.
Trình tự thí nghiệm:
1. Pha nồng độ dung dịch chất nhuộm màu Reactive Red 24 với nồng độ ban đầu 150 mg/l với thể tích đủ cho thí nghiệm lặp 3 lần.
2. Tiến hành điều chỉnh pH của dung dịch bằng giá trị tối ưu đã xác định được ở nội dung thí nghiệm (a).
3. Tiến hành thí nghiệm hấp phụ:
- Cân 0,05 g than biochar từ vỏ trấu trên cho vào bình tam giác 50 ml. - Sau đó lấy 25 ml dung dịch Reactive Red 24 với nồng độ ban đầu 150 mg/l đã chỉnh pH vào các bình tam giác đã cân vật liệu hấp phụ Biochar. Sau đó ghi ký hiệu theo các mốc thời gian hấp phụ 5 – 120 phút. Các bình tam giác chứa hỗn hợp dung dịch Reactive Red 24 và than được đặt trên máy lắc. Các mẫu được lắc với tốc độ 120 vòng/phút với thời gian hấp phụ đã xác định trước. Sau thời gian lắc đã xác định, các bình được lấy ra, lọc và phân tích nồng độ Reactive Red 24 trước và sau thí nghiệm để đánh giá hiệu quả hấp phụ.
- Nồng độ của Reactive Red 24 cũng được phân tích theo phương pháp đã trình bày ở phần thí nghiệm (a).
c. Thí nghiệm 3: Ảnh hưởng của nồng độ Reactive Red 24 đến hiệu quả xử lý bằng vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu
Mục tiêu: Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ Reactive Red 24 đến quá trình
1. Pha nồng độ dung dịch chất nhuộm Reactive Red 24 với nồng độ ban đầu 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350 và 400 mg/l. Pha với lượng đủ dùng cho thí nghiệm lặp 3 lần.
2. Tiến hành điều chỉnh pH của dung dịch bằng giá trị tối ưu đã xác định được ở nội dung thí nghiệm (a).
3. Tiến hành thí nghiệm hấp phụ
- Cân 0,05g than trên cho vào từng bình tam giác có dung tích 50ml.
- Sau đó lấy 25 ml dung dịch thuốc nhuộm Reactive Red 24 với các nồng độ ban đầu đã pha là 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350 và 400 mg/l vào các bình tam giác đã chứa than biochar. Sau đó ghi kí hiệu các mẫu.
- Các mẫu chứa hỗn hợp dung dịch Reactive Red 24 và than được đặt trên máy lắc. Lắc các mẫu trong thời gian tối ưu đã xác định được ở nội dung thí nghiệm (b) với tốc độ lắc 120 vòng/phút. Sau thời gian lắc kết thúc thì lấy bình tam giác chứa mẫu ra lọc bằng giấy lọc. Phần dung dịch sau hấp phụ được sử dụng để xác định nồng độ Reactive Red 24 bằng phương pháp trắc quang như đã trình bày ở nội dung thí nghiệm (a).
2.3.2.3. Các phương pháp phân tích
- Độ màu được xác định bằng phương pháp trắc quang (TCVN6185:2008). Độ màu được đo trên máy UV-VIS 2900 Hitachi tại Phòng Thí nghiệm Khoa Tài nguyên và Môi trường - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên.
- Điểm điện tích không (pHPZC) được xác định bằng máy đo pH (Hanna,
Romani) theo phương pháp đo thế điện cực thuỷ tinh.
Thí nghiệm xác định sơ bộ điểm điện tích không trong dung dịch muối KCl: Lấy 25ml dung dịch KCl 0,1M đã pha vào 7 cốc, điều chỉnh giá trị pH bằng dung dịch HCl 0,1M hoặc dung dịch NaOH 0,1M để được các giá trị pHi = 2, 4, 6, 7, 8, 10 và 12. Đổ các dung dịch đã chuẩn pHi ở trên vào các bình tam giác đã chứa chất hấp phụ là than bùn (0,5g than bùn), đậy kín, cho lên máy lắc trong 48 giờ. Để lắng, lọc sạch huyền phù bằng giấy lọc, đo lại các giá trị pH gọi là pHf. Xác
định được: ΔpH = pHf - pHi.
Làm tương tự với dung dịch KCl 0,01M. Thí nghiệm xác định chính xác điểm điện tích không trong dung dịch muối KCl tương tự thí nghiệm xác định sơ bộ, nhưng khoảng pH được chia nhỏ hơn.
Xác định cấu trúc vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét SEM, model JSM- 6408 LV, hãng JEOL, Nhật Bản tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.3.3. Phương pháp phân tích, tổng hợp và xử lý số liệu
Các số liệu đo được trong quá trình thực nghiệm được xử lý bằng phần mềm SPSS, hệ thống hóa bằng phần mềm Excel và thể hiện bằng biểu đồ.
2.3.4. Đánh giá và biểu diễn số liệu
- Hiệu suất độ màu được tính toán theo công thức:
Trong đó:
+ C0 và Ct là nồng độ Reactive Red 24 ban đầu và sau hấp phụ + H(%) là hiệu suất xử lý.
- Dung lượng hấp phụ của vật liệu than được tính theo công thức:
Trong đó:
+ qt (mg/g) : Dung lượng hấp phụ
+ V (ml) : Thể tích dung dịch phản ứng
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc điểm của than sinh học từ vỏ trấu
Than sinh học sau khi đốt có màu đen bóng, có tỷ trọng nhỏ, độ xốp cao. Bộ khung carbon vẫn giữ được cấu trúc vật liệu như ban đầu. Cấu trúc phân tử than có trạng thái xốp và có diện tích bề mặt không lớn. Các lỗ rỗng đường kính rất nhỏ được hình thành trong quá trình nhiệt phân tạo nên các hệ thống mao quản.
- Thể tích lỗ rỗng của than sinh học vỏ trấu là 0,010329 cm3/g;
- Diện tích bề mặt riêng của than sinh học từ vỏ trấu là 4,0072 m2/g; - Điểm điện tích không (PZC) của than sinh học vỏ trấu là pHPZC= 7,67. Phân tích SEM về hình thái về bề mặt của than sinh học từ vỏ trấu được hiện thị qua hình 3.1.