1.3.1. Khái quát về thuốc nhuộm [15]
Thuốc nhuộm là tên gọi chung của những hợp chất hữu cơ mang màu có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp rất đa dạng về màu sắc cũng như chủng loại. Chúng có khả năng bắt màu hay gắn màu trực tiếp. Màu sắc của thuốc nhuộm là do cấu trúc hóa học quyết định.
Trong phân tử của chúng có chứa những nhóm mang màu, đó là những nhóm nguyên tử chưa bão hòa hóa trị. Những nhóm mang màu quan trọng là:
- Nhóm ethylene : -CH=CH- - Nhóm azo : -N=N- - Nhóm azo methyl : -CH=N- - Nhóm nitrozo : -N=O - Nhóm nitro : -NO2 - Nhóm carbonyl : =C=O
Ngoài những nhóm mang màu thì thuốc nhuộm còn có nhóm trợ màu có tác dụng làm tăng màu và tăng tính bám của phẩm màu vào vật liệu là những
nhóm thế cho hoặc nhận điện tử như: -OH, -NH2, -COOH, -SO2H…
1.3.2. Phân loại thuốc nhuộm [15]
Tùy thuộc cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng, thuốc nhuộm được phân chia thành các họ, các loại khác nhau. Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất:
a. Phân loại theo cấu trúc hóa học
Đây là cách phân loại căn cứ vào những đặc điểm giống nhau trong cấu tạo hoá học của chúng đặc biệt là cấu tạo của nhóm mang màu, theo đó thuốc nhuộm có các họ khác nhau.
* Thuốc nhuộm azo: là loại thuốc nhuộm quan trọng và có lịch sử phát triển rất lâu đời, chiếm khoảng 50% tổng sản phẩm lượng thuốc nhuộm. Trong phân tử của chúng chứa một hoặc nhiều nhóm azo (-N=N-).
* Thuốc nhuộm nitro: là loại phẩm nhuộm hữu cơ thuộc dãy benzene và naphthalene có chứa ít nhất một nhóm nitro cùng với nhóm hidroxyl - OH, imino = NH, suffonic - SO3H hoặc các nhóm khác. Phẩm nhuộm nitro chủ yếu có màu vàng; dùng để nhuộm len, da, sợi acetate, polyamide, và các chất dẻo.
* Thuốc nhuộm antraquinone: trong phân tử của nó chứa một hay nhiều nhóm antraquinone hoặc các dẫn xuất của nó:
Họ thuốc nhuộm này chiếm đến 15% số lượng thuốc nhuộm tổng hợp. * Thuốc nhuộm aryl methane: là những dẫn xuất của methane, trong đó nguyên tử carbon trung tâm sẽ tham gia vào mạch liên kết của hệ thống mang màu.
diaryl methane
* Thuốc nhuộm phthalocyanine: Họ thuốc nhuộm này có độ bền màu với ánh sáng rất cao, chiếm khoảng 2% tổng số lượng thuốc nhuộm. Hệ mang màu trong phân tử của chúng là hệ liên hợp khép kín. Đặc điểm chung của họ thuốc nhuộm này là những nguyên tử H trong nhóm imin dễ dàng bị thay thế bởi ion kim loại còn các nguyên tử N khác thì tham gia tạo phức với kim loại làm màu sắc của thuốc nhuộm thay đổi.
* Thuốc nhuộm lưư huỳnh: là những gốc thuốc nhuộm có chứa nhiều nguyên tử lưu huỳnh.
Ngoài ra, còn các họ thuốc nhuộm khác ít phổ biến hơn như: thuốc nhuộm nitrozo, polymethyl, arylamine, azomethyl....
b. Phân loại theo đặc tính áp dụng
Đây là cách phân loại các loại thuốc nhuộm thương mại đã được thống nhất trên toàn thế giới, trong đó mỗi thuốc nhuộm được chỉ dẫn về cấu tạo hóa học, đặc điểm về màu sắc và phạm vi sử dụng. Theo đặc tính áp dụng, người ta quan tâm nhiều nhất đến thuốc nhuộm sử dụng cho xơ sợi cellullose (bông, visco...), đó là các thuốc nhuộm hoàn nguyên, lưu hóa, hoạt tính và trực tiếp. Sau đó là các thuốc nhuộm cho xơ sợi tổng hợp, len, tơ tằm như: thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm base (cation), thuốc nhuộm axit.
* Thuốc nhuộm hoàn nguyên, bao gồm:
- Thuốc nhuộm hoàn nguyên không tan: là nhóm thuốc nhuộm không tan trong nước và chứa nhóm ketone trong phân tử và có dạng tổng quát: R=C=O. Trong quá trình nhuộm xảy ra sự biến đổi từ dạng layco axit không tan trong nước nhưng tan trong kiềm tạo thành layco base:
[H] R=C=O
[O] R=C-OH R=C-ONa
[NaOH] [H2O]
Hợp chất này bắt màu mạnh vào xơ, sau đó khi rửa sạch kiềm thì nó lại trở về dạng layco acid và bị oxi không khí oxi hóa về dạng nguyên thủy.
- Thuốc nhuộm hoàn nguyên tan: là muối ester sulfonate của hợp chất layco acid của thuốc nhuộm hoàn nguyên không tan, R≡C-O-SO3Na. Nó dễ bị thủy phân trong môi trường acid và bị oxi hóa về dạng không tan ban đầu.
* Thuốc nhuộm lưu hóa: là loại thuốc nhuộm chứa nhóm disulfua đặc trưng (D-S-S-D, D- nhóm mang màu thuốc nhuộm) có thể chuyển về dạng tan (layco: D-S-) qua quá trình khử.
* Thuốc nhuộm trực tiếp: là loại thuốc nhuộm tự bắt màu, chúng là những hợp chất màu tự hòa tan trong nước và có khả năng tự bắt màu với các vật liệu một cách trực tiếp nhờ các lực hấp thụ trong môi trường trung tính hoặc kiềm. Hầu hết chúng thuộc nhóm azo, một số ít là dẫn xuất của dioxazin và ftaloxianin, nhưng dạng tổng quát chung được biểu diễn:
Ar-SO3Na : Với Ar là gốc hữu cơ mang màu của thuốc nhuộm.
* Thuốc nhuộm phân tán: đây là loại thuốc nhuộm có khả năng hòa tan rất thấp trong nước do trong phân tử không chứa nhóm tạo tính tan –SO3Na, - COONa...Thuốc nhuộm phân tán dùng để nhuộm các loại xơ sợi tổng hợp kị nước. Xét về mặt hóa học có đến 59% thuốc nhuộm phân tán thuộc cấu trúc azo, 32% thuộc cấu trúc antraquinon, còn lại thuộc các lớp hóa học khác. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
* Thuốc nhuộm base – cation:
Các thuốc nhuộm base trước đây dùng để nhuộm tơ tằm, là các muối clorua, oxalat hoặc muối kép của base hữu cơ. Chúng dễ tan trong nước cho cation mang màu. Các thuốc nhuộm base biến tính - phân tử được đặc trưng bởi một điện tích dương không định vị - gọi là thuốc nhuộm cation, dùng để nhuộm xơ acrylic. Trong các màu thuốc nhuộm base, các lớp hóa học được phân bố: azo (43%), metyl(17%), triazylmetan (11%), arcridine (7%), antraquinon (5%) và các loại khác.
* Thuốc nhuộm acid: các loại thuốc nhuộm acid có đặc điểm chung là hoà tan tốt trong nước và chúng bắt màu vào vật liệu trong môi trường acid, còn bản thân thuốc nhuộm thì có phản ứng trung tính. Loại thuốc nhuộm này có gam màu rất rộng, màu thuần sắc và tươi.
Trong môi trường acid, chúng liên kết vào vật liệu bằng liên kết ion theo phương trình tổng quát như sau:
Ar-SO3Na + Ari-NH3+Cl- = Ar-SO3-H3N+ -Ari+NaCl Với Ar : kí hiệu gốc thuốc nhuộm
Ari: kí hiệu cho vật liệu in hoa
* Thuốc nhuộm hoạt tính: là những hợp chất màu mà trong phân tử của chúng có chứa các nhóm nguyên tử có thể thực hiện mối liên kết cộng hóa trị với vật liệu nói chung nhờ vậy nên độ bền màu cao.
Dạng tổng quát của thuốc nhuộm hoạt tính: S – R – T – Y, trong đó:
+ S: nhóm cho thuốc nhuộm độ hòa tan cần thiết (-SO3Na, -COONa, -SO2CH3).
+ R : nhóm mang màu của thuốc nhuộm.
+ Y: nhóm nguyên tử phản ứng, trong điều kiện nhuộm nó tách khỏi phân tử thuốc nhuộm, tạo khả năng cho thuốc nhuộm phản ứng với xơ sợi (- Cl, -SO2, -SO3H, -CH=CH2,...).
+ T: nhóm mang nguyên tử hay nhóm nguyên tử phản ứng, thực hiện liên kết giữa thuốc nhuộm và xơ sợi.
Thuốc nhuộm hoạt tính là loại thuốc nhuộm duy nhất có liên kết cộng hóa trị với xơ sợi tạo độ bền màu giặt và độ bền màu ướt rất cao nên thuốc nhuộm hoạt tính là một trong những thuốc nhuộm được phát triển mạnh mẽ nhất trong thời gian qua đồng thời là lớp thuốc nhuộm quan trọng nhất để nhuộm vải sợi bông và thành phần bông trong vải sợi pha.
nhuộm, khi tiếp xúc với vật liệu nhuộm (xơ sợi), thuốc nhuộm hoạt tính không chỉ tham gia vào phản ứng với vật liệu mà còn bị thủy phân.
Ví dụ:
Thuốc nhuộm sulfatoetylsulfon Thuốc nhuộm Vinylsulfon (dạng hoạt hóa của thuốc nhuộm gốc)
Thuốc nhuộm Xơ sợi được nhuộm Thuốc nhuộm thủy phân Vinylsulfon (X là O-Cellullose) (X là OH)
Do tham gia vào phản ứng thủy phân nên phản ứng giữa thuốc nhuộm và xơ sợi không đạt hiệu suất 100%. Để đạt độ bền màu giặt và độ bền màu tối ưu, hàng nhuộm được giặt hoàn toàn để loại bỏ phần thuốc nhuộm dư và phần thuốc nhuộm thủy phân. Vì thế, mức độ tổn thất đối với thuốc nhuộm hoạt tính cỡ 10÷50%, lớn nhất trong các loại thuốc nhuộm. Hơn nữa, màu thuốc nhuộm thủy phân giống màu thuốc nhuộm gốc nên nó gây ra vấn đề màu nước thải và ô nhiễm nước thải.
1.3.3. Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm và tác hại của nó
a. Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm [11]
Thành phần nước dệt nhuộm thải phụ thuộc vào: đặc tính của vật liệu nhuộm, bản chất của thuốc nhuộm, các chất phụ trợ và các hóa chất khác được sử dụng. Nguồn nước thải bao gồm từ các công đoạn chuẩn bị sợi,
chuẩn bị vải, nhuộm và hoàn tất. Nhìn chung nước thải dệt nhuộm rất đa dạng và phức tạp. Các chất ô nhiễm chủ yếu có trong nước thải là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, thuốc nhuộm, các chất hoạt động bề mặt, các hợp chất halogen hữu cơ, muối trung tính làm tăng tổng hàm lượng chất rắn và pH của nước thải cao do lượng kiềm trong nước thải lớn. Trong số các chất ô nhiễm có trong nước thải dệt nhuộm, thuốc nhuộm là thành phần khó xử lý nhất, đặc biệt là thuốc nhuộm azo không tan – loại thuốc nhuộm được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, chiếm 60-70% thị phần. Thông thường, các chất màu có trong thuốc nhuộm không bám dính hết vào sợi vải trong quá trình nhuộm mà bao giờ cũng còn lại một lượng dư nhất định tồn tại trong nước thải. Lượng thuốc nhuộm dư sau công đoạn nhuộm có thể lên đến 50% tổng lượng thuốc nhuộm được sử dụng ban đầu. Đây chính là nguyên nhân làm cho nước thải dệt nhuộm có độ màu cao, và nồng độ chất ô nhiễm lớn. Khi đi vào dòng thải chúng không dễ dàng được phân hủy bởi vi sinh và các phương pháp xử lý thông thường.
b.Tác hại của việc ô nhiễm thuốc nhuộm [11]
Nước thải dệt nhuộm gây ô nhiễm cho nguồn xả chủ yếu do độ đục, độ màu, lượng chất hữu cơ và pH cao. Nước thải dệt nhuộm thường có màu rất đậm. Màu đậm của nước thải cản trở sự hấp thụ oxy và ánh sáng mặt trời, gây bất lợi cho sự hô hấp, sinh trưởng của các loài thủy sinh vật. Nó tác động xấu đến khả năng phân giải của vi sinh đối với các chất hữu cơ trong nước thải. Các nghiên cứu cho thấy khả năng phân giải trực tiếp thuốc nhuộm hoạt tính bằng vi sinh rất thấp.
Các thuốc nhuộm hữu cơ nói chung được xếp loại từ ít độc đến không độc đối với con người. Tuy nhiên một số cho kích thích nhẹđối với da, mắt.
Tác hại gây ung thư và nghi ngờ gây ung thư: chỉ có một số màu azo, chủ yếu là thuốc nhuộm benzidin, có tác hại gây ung thư, chúng vẫn được tìm thấy trên thị trường do giá thành rẻ và hiệu quả nhuộm màu cao.
Mức độđộc hại với cá và các loài thủy sinh: các thử nghiệm trên cá của hơn 3000 thuốc nhuộm được sử dụng thông thường cho thấy có khoảng 37% thuốc nhuộm gây độc vừa đến độc cho cá và thủy sinh, chỉ 2% thuốc nhuộm ở mức độ rất độc và cực độc cho cá và thủy sinh.
1.4. GIỚI THIỆU VỀ RHODAMIN B 1.4.1. Công thức cấu tạo [20],[28] 1.4.1. Công thức cấu tạo [20],[28]
Rhodamin B là một thành phần của phẩm màu công nghiệp. Công thức phân tử : C28H31ClN2O3.
Phân tử khối : 479.02g/mol. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Công thức cấu tạo của Rhodamin B:
Hình 1.7. Công thức cấu tạo của rhodamin B
1.4.2. Tính chất [3]
a. Tính chất vật lý
Rhodamin B là những tinh thể màu tối có ánh xanh hay ở dạng bột màu nâu đỏ.
Nhiệt độ nóng chảy khoảng từ 210 oC đến 211oC
methanol, ethanol, nước (khoảng 50g/l). Độ hoà tan trong 100 gam dung môi: nước 0,78 gam (26oC), rượu etylic 1,74 gam.
b.Tính chất sinh học
Rhodamin B gây độc cấp và mãn tính. Qua tiếp xúc, nó gây dị ứng hoặc làm mẩn ngứa da, mắt,... Qua đường hô hấp, nó gây ho, ngứa cổ, khó thở, đau ngực. Qua đường tiêu hóa, nó gây nôn mửa, có hại cho gan và thận. Nếu tích tụ dần trong cơ thể nó gây nhiều tác hại đối với gan, thận, hệ sinh sản, hệ thần kinh cũng như có thể gây ung thư. Thực nghiệm trên chuột cho thấy Rhodamin B gây ung thư với liều lượng 89,5mg/kg qua đường uống hoặc tiêm vào tĩnh mạch, khi Rhodamin B đi vào cơ thể có thể chuyển hóa thành amin thơm tương ứng có phần độc hại hơn loại Rhodamin B thường, gây ung thư và phát triển khối u dạ dày, tại đây Rhodamin B và dẫn xuất của nó sẽ tác động mạnh mẽ đến các quá trình sinh hóa của tế bào gây ung thư gan, vì gan là cơ quan nội tạng đầu tiên lọc chất Rhodamin B. Một số thực nghiệm khác cho thấy Rhodamin B tác động phá vỡ cấu trúc ADN và nhiễm sắc thể khi đưa vào nuôi cấy tế bào.
c. Ứng dụng [28]
Rhodamin B thường được sử dụng để xác định tốc độ và hướng của dòng chảy vận chuyển.
Được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghệ sinh học như kính hiển vi huỳnh quang, quang phổ huỳnh quang.
Nó cũng được trộn vào thuốc diệt cỏ. Ngoài ra Rhodamin B còn được sử dụng để tạo màu và nhuộm màu trong công nghiệp sợi, nhuộm màu trong phòng thí nghiệm, để xét nghiệm tế bào do tính bền màu .
Rhodamin B được sử dụng trong sinh học như là một thuốc nhuộm huỳnh quang. Tận dụng đặc tính phát quang của Rhodamin B, người ta dùng chúng để giúp kiểm soát lượng thuốc bảo vệ thực vật phun lên cây ớt, cây lấy
dầu. Ủy ban Gia vị còn khuyến cáo không đựng các túi cói nhuộm màu do nghi ngại chất nhuộm có thể thấm vào sản phẩm. Ngoài ra, không chỉ với ớt bột hay các chất gia vị nói chung, chất tạo màu Rhodamin B có nguy cơ xuất hiện trong hầu hết các sản phẩm lương thực, thực phẩm đi từ cây trồng có dùng phân bón hóa học.
1.5. PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Phương pháp hấp phụđược dùng rộng rãi để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ hoà tan sau khi xử lý sinh học cũng như xử lý cục bộ khi trong nước thải có chứa một hàm lượng rất nhỏ các chất đó.
1.5.1. Khái niệm và bản chất của quá trình hấp phụ [9]
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách pha làm giảm sức căng bề mặt của chất hấp phụ. Bề mặt phân chia pha có thể là lỏng – rắn, khí – lỏng, khí – rắn. Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ, chất được tích lũy trên bề mặt là chất bị hấp phụ.
Trong trường hợp tổng quát, quá trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn: • Di chuyển các chất cần hấp phụ từ nước thải tới bề mặt hạt hấp phụ. • Thực hiện quá trình hấp phụ.
• Di chuyển chất ô nhiễm vào bên trong hạt hấp phụ (vùng khuếch tán trong). Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Dựa trên bản chất lực hấp phụ có thể phân hấp phụ thành 2 loại là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
Hấp phụ vật lý: là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực hấp phụ có bản chất vật lí và không hình thành liên kết hóa học, được thể hiện bởi các lực liên kết yếu như liên kết Van Der Waals, lực tương tác tĩnh điện... Hấp phụ vật lý xảy ra ở nhiệt độ thấp, khoảng dưới 20 kJ/mol. Do đó quá trình này là quá trình thuận nghịch.
học. Hấp phụ hóa học thường xảy ra ở nhiệt độ cao với tốc độ hấp phụ chậm. Nhiệt hấp phụ hóa học khoảng 80-400 kJ/mol, do đó quá trình này là quá trình