1.2. Giới thiệu về thuốc nhuộm mang điện Rhodamine B
1.2.5. Các phương pháp xử lý thuốc nhuộm RhB
Keo tụ (coagulation/flocculation) là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi để loại bỏ thuốc nhuộm từ nước thải công nghiệp vì nó hiệu quả và vận hành đơn giản [39]. Nguyên lý của phương pháp là sử dụng hóa chất/vật liệu nhằm ổn định các hạt lơ lửng trong dung dịch (thay đổi trạng thái vật lý của các chất rắn hòa tan và các hạt lơ lửng) thúc đẩy quá trình sa lắng. Ưu điểm chính của phương pháp này là loại bỏ các phân tử thuốc nhuộm khỏi nước thải, và không phân hủy thuốc nhuộm, nên không dẫn đến việc sản sinh ra các chất gây ô nhiễm thứ cấp.
Hơn nữa, quá trình này có thể được sử dụng trong quy mô lớn, khả năng hoạt động tương đối cao, hiệu quả và chi phí thấp. Một hạn chế của kỹ thuật này là một số thuốc nhuộm phân tử nhỏ và cation có thể không được loại bỏ một cách hiệu quả.
Một hạn chế khác liên quan đến kỹ thuật này là tạo ra lượng bùn nhiều trong quá trình keo tụ.
Các chất keo tụ phổ biến nhất đã được sử dụng để xử lý nước và nước thải là các muối nhôm và sắt, như phèn, sắt clorua và sắt sunfat. Gần đây, việc sử dụng các muối sắt và nhôm kết hợp với polyme đã được phát triển nhanh chóng và được áp dụng rộng rãi, để xử lý nước và nước thải. Trong đó, polyaluminium chloride (PAC) là một trong những loại điển hình và đã được áp dụng rộng rãi nhất.
Sanja Papic và cộng sự [46] đã nghiên cứu một quy trình xử lý thuốc nhuộm Đỏ và Xanh bằng cách kết hợp chất keo tụ Al(III) và chất hấp phụ Cacbon hoạt tính.
Kết quả của quy trình xử lý là đã loại bỏ gần như toàn bộ (99,9%) cả hai thuốc nhuộm từ nước thải.
1.2.5.2. Màng lọc (Membrane)
Nhiều nghiên cứu đã phát triển các công nghệ xử lý khác với công nghệ màng. Damodar và cộng sự [22] chế tạo xúc tác màng (MPR) bằng cách tích hợp màng polytetrafluoroethylene (PTFE) mới với hệ thống phản ứng xúc tác quang TiO2/UV, cho thấy hiệu quả cao trong việc loại bỏ thuốc nhuộm trong nước thải nhuộm màu đen (RB5).
Màng cacbon, như màng vô cơ xốp mới, thể hiện tiềm năng lớn trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Nhìn chung, màng cacbon có thể được sản xuất bằng cacbon hóa các vật liệu tiền chất carbonace, chẳng hạn như cellulose, polyimide, poly (vinylidene chloride), và phenol formaldehyde,… trong khí trơ hoặc chân không [32]. Ngoài ra, màng cacbon từ than không chỉ thể hiện hiệu suất tách đáng kể, mà còn có độ dẫn điện tốt, có thể kết hợp tách màng và sự giảm điện thế cho xử lý nước thải. Ý tưởng này là công cụ rất hữu ích để xử lý nước thải RhB. Ở đây, màng cacbon từ than được sử dụng không chỉ như màng lọc mà còn là cực âm để xử lý nước thải RhB khi dùng điện trường ngoài.
1.2.5.3. Phương pháp phân hủy quang xúc tác
Phương pháp phân hủy quang học (Photodegradation) sử dụng tác nhân ánh sáng nhằm mục đích phân hủy chất ô nhiễm với sự góp mặt của một số chất xúc tác, điển hình là TiO2. Quá trình này tạo ra các gốc tự do có tính oxy hóa rất mạnh, có khả năng oxy hóa các chất hữu cơ khó bị phân hủy như thuốc nhuộm hay các hóa chất bảo vệ thực vật. Phương pháp phân hủy quang học có nhiều ưu điểm như là sử dụng nguồn năng lượng sạch, có sẵn và gần như vô tận là năng lượng mặt trời; sử dụng các chất xúc tác thân thiện với môi trường, phản ứng có thể diễn ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thường. Đặc biệt, phương pháp này có thể phân hủy các chất hữu cơ mà không tạo ra các nguồn ô nhiễm thứ cấp. Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này chính là giá thành các chất xúc tác khá cao và phân hủy các chất không chọn lọc. Một số nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phân hủy
quang học để xử lý RhB.
Hai tác giả Patrick Wilhelm và Dietmar Stephan [65] đã sử dụng phương pháp phân hủy quang học để xử lý RhB trong nước, xúc tác sử dụng là hạt nano SiO2 phủ TiO2. Kết quả thí nghiệm cho thấy, RhB trong 100 mL dung dịch RhB 10-5 mol/L được xử lý hoàn toàn sau 4 giờ chiếu sáng với cường độ 550 W/m2 (tương đương cường độ mặt trời vào buổi trưa ở xích đạo), lượng xúc tác sử dụng là 1,5.10-3 % SiO2 phủ TiO2.
Ruellas và cộng sự [54] sử dụng phương pháp phân hủy quang học để xử lý RhB với xúc tác là hạt bán dẫn ZnO. Sau sáu lần tái sử dụng vật liệu hiệu suất xử lý RhB vẫn đạt khoảng 89%.
1.2.5.4. Phương pháp oxi hóa điện hóa
Phương pháp oxi hóa điện hóa (electrochemical oxidation hoặc electro- oxidation) là một trong những biện pháp phổ biến để xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước thải trong đó có thuốc nhuộm màu. Phương pháp oxi điện hóa có ứng dụng trong xử lý nước thải nhờ 2 cơ chế oxi hóa chính:
- Xảy ra phản ứng oxi hóa trực tiếp trên bề mặt anot (hoặc chuyển electron trực tiếp sang anot). Quá trình này có hiệu quả xử lý kém.
- Trong quá trình điện hóa xảy ra phản ứng oxi hóa gián tiếp trong dung dịch thông qua gốc oxi hóa mạnh như OH*. Quá trình này có hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm với hiệu suất cao.
Tại Việt Nam đã có rất nhiều công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp oxi hóa điện hóa xử lý thuốc nhuộm trong nước, nước thải. Tác giả Bùi Quang Cư và cộng sự [2] đã nghiên cứu phương pháp điện hóa xử lý thuốc nhuộm Da cam II trong nước. Các tác giả đã sử dụng điện cực trong bình inox, với 3 cặp điện cực (3 anot, 3 catot). Sau 20 phút điện phân ở hiệu điện thế 10V, chỉ số COD của thuốc nhuộm giảm chỉ còn 50%, phương pháp tạo ra sản phẩm là các axit hữu cơ đơn giản, có thể phân hủy tiếp bằng hệ vi sinh vật ngoài tự nhiên.
Tác giả Nguyễn Thị Lan Phương và cộng sự [4] áp dụng thành công kỹ thuật phương pháp oxi hóa điện hóa với điện cực anot bằng thép 304 để loại bỏ ba loại
thuốc nhuộm Vàng 145, Đỏ 198 và Xanh 21, đồng thời khảo sát các điều kiện tối ưu cho phản ứng điện hóa. Kết quả cho thấy với các điều kiện tối ưu bao gồm pH = 6, nền điện ly NaCl 0,25 g/l, mật độ dòng điện 30 mA/cm2, nhiệt độ 25oC và thời gian xử lý 6 phút, các nhóm azo và vòng thơm của thuốc nhuộm đã bị phân hủy thành các hợp chất ít độc, các thuốc nhuộm bị mất màu.
1.2.5.5. Phương pháp hấp phụ
Trong các phương pháp xử lý RhB, hấp phụ là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất do có những ưu điểm như quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp, chi phí thấp và vật liệu hấp phụ có thể chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên, các phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp sẵn có và dễ kiếm, quá trình xử lý không đưa thêm vào môi trường các hóa chất độc hại.
Hiện nay, các nhà khoa học trong nước và thế giới đang hướng tới nghiên cứu các vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có nguồn gốc từ thiên nhiên, phổ biến và hiệu quả cao trong việc xử lý thuốc nhuộm trong nước.
Ahmed và cộng sự [21] đã nghiên cứu thành công quy trình tổng hợp vật liệu phụ từ vỏ dừa để hấp phụ loại bỏ xanh metylene (MB), RhB và amoni trong nước.
Hiệu suất xử lý MB, RhB và Amoni lần lượt là 100%, 75% và 52%.
Jasmin Shah và cộng sự [58] nghiên cứu hấp phụ thuốc nhuộm RhB từ dung dịch nước bằng cách sử dụng vật liệu hấp phụ từ vỏ quả óc chó được xử lý bằng các phương pháp khác nhau. Các yếu tố ảnh hưởng như pH, lượng vật liệu hấp phụ, thời gian hấp phụ, nồng độ thuốc nhuộm ban đầu và nhiệt độ tới khả năng hấp phụ RhB đã được nghiên cứu. Quá trình hấp phụ phụ thuộc nhiều vào pH và sự hấp phụ tối đa đạt được ở pH 3,0. Kết quả tính toán từ đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, dung lượng hấp phụ tối đa là 2,292 mg/g.
Các ống nano poly (cyclotriphosphazene-co-4,40-sulfonyldipheno) (PZS) được đánh giá là chất hấp phụ hiệu quả xử lý RhB. Sự hấp phụ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nồng độ RhB ban đầu và lượng vật liệu hấp phụ. Ảnh hưởng của pH của dung dịch ban đầu chỉ ra rằng sự hấp phụ có thể tiến hành trong cả môi trường trung tính và axit. Dung lượng hấp thụ cực đại ở 250C có thể đạt tới 35,58 mg/g với thời
gian hấp phụ là 60 phút. Dữ liệu động học được mô tả tốt hơn bằng mô hình giả bậc hai với hệ số tương quan (R2 = 0,9981), và quá trình hấp phụ tuân theo mô hình nội khối Weber, cho thấy quá trình hấp phụ có thể được chia thành hai giai đoạn. Kết quả cũng cho thấy trạng thái cân bằng hấp phụ tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir và nghiên cứu cho thấy các ống nano PZS là chất hấp phụ hiệu quả để loại bỏ RhB khỏi dung dịch nước [63].
1.3. Tổng quan về hấp phụ