3.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu
Các thí nghiệm được thực hiện trong khoảng thời gian 4 tháng tại phòng Thử nghiệm Môi trường - Viện nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Môi trường, trường Đại
học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh.
3.2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 3.2.1. Vật liệu thí nghiệm
Mẫu nước thải dệt nhuộm được lấy tại suối Cái, phường Linh Trung, TP. Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh. Với 4 điểm lay mẫu, mỗi điểm 5 lít nước thải. Lay mau và bao quan mẫu dựa theo TCVN 6663 — 6 : 2018 hướng dan lay mẫu nước suối và sông.
Mau củi rơm được lay tại phòng thử nghiệm môi trường — Viện nghiên cứu Công
nghệ sinh học Môi trường Đại học Nông Lam TP HCM.
Bảng 3. 1 Đặc điểm thanh củi rơm
Thông số Đơn vị Giá trị
Đường kính trong mm 20 Duong kinh ngoai mm 85 — 90
Chiéu dai mm 200 — 400
Độ âm % < 10 Nhiệt lượng kcal/kg 3986 — 4100
Khối lượng tro % <17 Khối lượng riờng ứ/cm3 1.05
Hàm lượng carbon % >65 Hàm lượng lưu huỳnh % <0.01 Ham luong nito % 0.44
14
3.2.2. Phương pháp nghiên cứu
3.2.2.1. Xác định đặc điểm, cấu trúc của than sinh học từ rơm rạ
a) Phương pháp nhiệt phân trong phòng thí nghiệm
Nguyên liệu sau khi thu thập được gói kín và nung trong lò nung Carbolite ở
300 °C trong vòng 2 giờ trong điều kiện yém khí dé tạo than sinh học (Biswas và ctv, 2022).
Than được nghiền nhỏ và ray bằng sàng ray Retsch 600 Mic (Đức) dé tạo thành vật liệu hấp phụ phục vụ cho quá trình thí nghiệm.
b) Phương pháp Scanning Electron Microscope (SEM), phố hồng ngoại FTIR Đặc điểm bề mặt hình thái hoc của vat liệu được xác định qua ảnh cấu tric SEM bang may Thermo Scientific (Prisma E, USA) và phô hồng ngoại FTIR bằng máy Thermo Scientific (Nicolet iS5, USA). Mẫu than sinh học rom ra sẽ được gửi phân tích ở trường
Đại học Tài Nguyên Môi Trường TP.HCM và Đại học Bách Khoa TP.HCM.
Phương pháp Scanning Electron Microscop (SEM) Là phương pháp chụp ảnh trên
kính hién vi điện tử quét. Là một loại kính hién vi điện tử có thé tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bê mặt mẫu vật.
15
Chùm tia điện tử được tao ra từ catot qua hai tụ quay sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu.
Khi chùm tia điện tử đập vào bề mặt của mẫu nó sẽ phát ra các điện tử phát xạ thứ cấp.
Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thé gia tốc vào phan thu và biến đôi thành một tín hiệu sáng. Chúng được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khién tạo độ sáng trên màn ảnh.
Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tương ứng trên màn ảnh phụ thuộc vào số điện tử thứ cấp phát ra từ mẫu nghiên cứu và phụ thuộc vào bề mặt của mẫu nghiên cứu. Sử dụng phương pháp SEM dé có thé nghiên cứu hình dang và cau trúc bề mặt của các mẫu than sinh học từ rơm rạ. Từ những hình ảnh thu được có thể đánh giá các sản phẩm một cách
chính xác và khoa học.
Phương pháp chụp quang phố hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) là một phương pháp được áp dụng dé phân tích các vật liệu hữu cơ và vô co. Với phương pháp này, cấu trúc hóa học của vật liệu được phân tích bằng cách kiểm tra các liên kết hóa học và thành phan, các cặp liên kết cộng hóa trị và nhóm chức trong một vật liệu cũng được xác định.
FTIR là một phương pháp khá phổ biến, phân tích khá nhanh và độ chính xác tốt.
nguôn sáng
1
detecto
Hình 3. 2 Mô hình hoạt động của phé kế hồng ngoại biến đổi Fourier.
Nguồn sáng đi qua giao thoa kế Michelson gồm gương phẳng di động MI, một gương có định M2 và một tắm kính phân tách ánh sáng S. Ánh sáng từ nguồn chiếu vào tam kính S tách làm hai phan bằng nhau. một phần chiếu vào gương M1 và một phan khác chiếu vào gương M2, sau đó phản xạ trở lại qua kính S, một nửa trở về nguồn, còn một nửa chiếu qua mẫu đi đến detectơ. Do gương MI đi động làm cho đoạn đường của tia
16
sáng đi đến gương MI rồi quay trở lại có độ dài lớn hơn đoạn đường tia sáng đi đến gương M2 tồi quay trở lại và được gọi là sự trễ. Do sự trễ này đã làm ánh sáng sau khi qua giao thoa kế biến đối từ tần số cao xuống tần số thấp. Sau đó ánh sáng qua mau bị hap thụ một phan rồi đi đến detectơ, nhờ kỹ thuật biến đổi Fourier nhận được một phô hồng ngoại.
3.2.2.2. Khảo sát ảnh hưởng đến khả năng xử lý màu khi thay đổi các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ
Mô tả thí nghiệm: Lấy 30 mL dung dịch chứa xanh metylen có nồng độ biết trước, cho vào bình tam giác 100 mL đã rửa sạch và sây khô, sau đó thêm vật liệu hấp phụ, tiến hành lắc đều hỗn hợp bằng máy lắc Stuart Scientific (Orbital Incubator SI50, Anh) tốc độ 200 vòng/phút, lọc hỗn hợp qua giấy lọc và ly tâm bằng máy ly tâm Hettich (Zentrifugen Universal 32, Mỹ) với tốc độ 3000 vòng/ phút trong 5 phút dé lắng hoàn toàn phan than mịn hòa tan trong dung dịch. Dem xác định hàm lượng xanh metylen bằng phương pháp UV-VIS với bước sóng 1 = 660 nm. Cổ định giá trị pH = 6 tạo điều kiện thuận lợi cho sự hấp phụ cation MB", sử dụng dung dịch HCI 0,1 M và dung dịch NaOH 0,1 M dé điều chỉnh pH ( Nguyễn Phi Hồ và Huynh Phương Thảo, 2020 ). Các yếu tô ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ được khảo sát bao gồm:
a) Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ đến khả năng hấp phụ MB Cân lần lượt 0,2 g; 0,4 g: 0,6 g; 0,8 g; 1 g; 1,2 g vật liệu hấp phụ cho vào bình tam giác ( dung tích V = 100 mL ) chứa 30 mL dung dịch xanh methylene nồng độ 30 mg/L.
Lắc đều hỗn hợp bằng máy lắc Stuart Scientific tốc độ 200 vòng/phút trong 60 phút. Lọc hỗn hợp qua giấy lọc và ly tam bằng máy ly tâm Hettich (Zentrifugen Universal 32, Mỹ) với tốc độ 3000 vòng/ phút trong 5 phút. Lấy phần dung dịch phía trên xác định nồng độ MB còn lại trong dung dich sau hap phụ bằng phương pháp UV-Vis. Mỗi giá trị khối lượng VLHP làm 3 lần thí nghiệm và lấy giá trị trung bình.
b) Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đung dịch MB ban đầu đến khả năng hấp phụ MB Cân 0,§ g vật liệu hấp phụ cho vào bình tam giác ( dung tích V = 100 mL ) chứa 30 mL các dung dịch xanh methylene nồng độ 20 mg/L, 30 mg/L, 40 mg/L, 60 mg/L, 70 mg/L, 80 mg/L. Lắc đều hỗn hợp bằng máy lac Stuart Scientific tốc độ 200 vòng/phút trong 60 phút. Lọc hỗn hợp qua giấy lọc và ly tam bằng máy ly tâm Hettich (Zentrifugen Universal 32, Mỹ) với tốc độ 3000 vòng/ phút trong 5 phút. Lấy phần dung dịch phía trên xác định nồng độ MB còn lại trong dung dịch sau hấp phụ bằng phương pháp UV- Vis. Mỗi giá trị nồng độ làm 3 lần thí nghiệm và lay giá trị trung bình.
17
c) Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ MB
Cân 0,8 g vật liệu hấp phụ cho vào bình tam giác ( dung tích V = 100 mL ) chứa 30 mL dung dịch xanh methylene nồng độ 30 mg/L. Lắc đều hỗn hợp bằng máy lắc Stuart Scientific tốc độ 200 vòng/phút trong các khoảng thời gian khác nhau lần lượt là:
15 phút, 30 phút, 45 phút, 60 phút, 75 phút, 90 phút. Lọc hỗn hợp qua giấy lọc và ly tâm bằng máy ly tâm Hettich (Zentrifugen Universal 32, Mỹ) với tốc độ 3000 vòng/ phút trong 5 phút. Lấy phần dung dịch phía trên xác định nồng độ MB còn lại trong dung dịch sau hap phụ bằng phương pháp UV-Vis. Mỗi giá trị thời gian làm 3 lần thí nghiệm và lay giá trị trung bình.
d) Phương pháp phân tích kha năng hap thụ màu xanh Methylene
Phương pháp UV - Vis là phương pháp phân tích được sử dụng phô biến nhất trong các phương pháp phân tích hóa lý. Bằng phương pháp này có thể định lượng nhanh chóng với độ nhạy và độ chính xác cao. Thực tế phương pháp này có khả năng sử dụng vô hạn dé xác định hầu hết các nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn (trừ các khí trơ), các hợp chất vô cơ cũng như các hợp chất hữu cơ. Phương pháp UV - Vis được phát triển mạnh vì nó đơn giản, đáng tin cậy và được sử dụng nhiều trong kiểm tra sản xuất hoá học, luyện kim và trong nghiên cứu hoá địa, hoá sinh, môi trường và nhiều lĩnh vực khác. Nguyên tắc chung của phương pháp này là muốn xác định một cấu tử X nao đó, chuyên nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó và suy ra hàm lượng chất cần xác định X.
Có nhiều phương pháp khác nhau dé định lượng một chất bằng phương pháp UV- Vis. Từ các phương pháp đơn giản không cần máy móc như: phương pháp dãy chuẩn nhìn màu, phương pháp chuẩn độ so sánh màu, phương pháp cân bằng màu bằng mắt các phương pháp này đơn giản, không cần máy móc đo phổ nhưng chỉ xác định được nồng độ gần đúng của chất cần định lượng, nó thích hợp cho việc kiểm tra ngưỡng cho phép của các chất nào đó xem có đạt hay không. Các phương pháp phải sử dụng máy quang phổ như: phương pháp đường chuẩn, phương pháp dãy tiêu chuẩn, phương pháp chuẩn độ trắc quang, phương pháp cân bằng, phương pháp thêm, phương pháp vi sai.
Tùy theo từng điều kiện và đối tượng phân tích cụ thể mà ta chọn phương pháp thích hợp. Trong đề tài này, phương pháp đường chuẩn sau đó so màu quang điện bằng máy quang phé UV — Vis ( Model: T80+, Anh) đã được sử dụng đề định lượng xanh metylen.
18
Xây dựng đường chuẩn bằng cách chuẩn bị các dung dịch Xanh Methylene có nồng độ lần lượt : 2 mg/L, 5 mg/L, 10 mg/L, 15 mg/L, 20 mg/L. Sau đó so mau ở bước sóng 4 = 660 nm. Mẫu sau hap phu bang than sinh hoc, do ở bước sóng À = 660 nm, dựa vào đường chuẩn dé xác định nồng độ xanh Methylene sau khi hap phụ. Lưu ý mẫu xanh Methylene đối chứng sử dụng là mẫu đã lọc qua giấy loc để loại bỏ yếu tố gây nên sai số (sự hấp phụ của giấy lọc với Xanh Methylene).
e) Phương pháp xử lý số liệu
Từ thí nghiệm, dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ sẽ được tính theo công
thức trong nghiên cứu cua Kastner va ctv (2015), Pei va ctv (2018)
Co—Ci) x V
Dung lượng hap phụ: q = ` (mg/g) œ) Hiệu xuất hap phụ: H =“ x 100 (%) 2)
0
Trong đó:
V là thé tích dung dich (1)
m là khối lượng vật liệu hap phụ (g) Co là nồng độ dung dich ban đầu (mg/l) C¡ là nồng độ dung dich sau hap phụ (mg/l)
q là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g) 3.2.2.3. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ
a) _ Mô hình dang nhiệt Langmuir
Phương trình Langmuir được xây dựng với giả thiết rằng trên bề mặt chất hap phụ tồn tại các trung tâm hấp phụ. Các trung tâm này tương đương với nhau về năng lượng và phân bố đồng đều trên bề mặt chất hấp phụ. Vì vậy, không có lực tương tác ngang giữa các phân tử bị hấp phụ với nhau. Do các trung tâm tương đương nhau về mặt năng lượng nên chúng có khả năng hấp phụ như nhau (Lê Thanh Hưng, 2008). Mỗi trung tâm hoạt động chỉ hấp phụ được một phần tử chất bị hấp phụ. Trong trạng thái bị hấp phụ, các phân tử trên bề mặt chất rắn không tương tác với nhau, hấp phụ chỉ tạo ra đơn lớp phân tử.
19
Phương trình phi tuyến tính của mô hình đăng nhiệt Langmuir được đưa ra bởi
công thức sau (Langmuir I, 1918) :
qe — Imax X KL X Ce 1+K,xCe
Phương trình dang nhiệt hap phụ Langmuir dạng tuyến tinh (Langmuir I, 1918)
¢ 1 1
Be Bg fg i Ve Imax Imax * K,,
Trong do:
Ce: Nồng độ dung dich hap phụ. (mg/L).
Qe : Dung lượng hap phụ (mg/g).
(lượng chat bị hap phu/1 don vị chat hap phụ).
max: Dung lượng hap phụ tối đa của chất hấp phụ (mg/g).
(lượng chat bị hấp phu/1 đơn vi chat hấp phụ).
KL: Hang số cân bằng hấp phụ (L/mg).
b) Mô hình đẳng nhiệt Freundlich
Mô hình đẳng nhiệt Freundlich (Freundlich,1906) là một phương trình thực nghiệm dựa trên sự hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất của vật liệu với các giả định: Sự phân bố nhiệt hấp phụ và ái lực của chất bị hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất là không đồng đều. Sự hấp phụ không lý tưởng và thuận nghịch, không bị hạn chế bởi sự hình thành đơn lớp. Tỷ lệ chất bị hấp phụ trên một khối lượng chất hấp phụ không phải là hằng số ở các dung dịch có nồng độ khác nhau. Các tâm hấp phụ có năng lượng không giống nhau. Lượng hấp phụ là tổng số củasự hấp phụ trên tất cả các tâm hấp phụ (mỗi tâm hấp phụ có năng lượng liên kết), trong đó, các tâm hấp phụ liên kết mạnh hơn được chiếm đầu tiên.
20
Phương trình phi tuyến tính của mô hình đẳng nhiệt Freundlich được biểu diễn theo công thức sau (Freundlich H, 1926) :
q,= K,ixC a
Dé xác định các hang số trong phương trình dang nhiệt hap phụ, ta dua phương trình về dạng sau (Freundlich H, 1926) :
Ing, = x nC, + InK,
Trong do:
C, (mg/L): Nong độ tại thoi điểm cân bằng.
Q. (mg/g): Lượng chat bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng vật liệu hấp phụ.
K,: Hằng số Freundlich dé chỉ khả năng hấp phụ tương đối của các vật liệu hấp phụ.
n: Là số mũ trong phương trình Freundlich, đặc trưng cho tính không đồng nhất về năng lượng của bề mặt hấp phụ.
Khi giá trị n < 1 thì có thé dự đoán mô hình không thích hợp dé mô tả quá trình hap phụ. Nếu giá trị n> 1 có thé dự đoán rằng mô hình thích hợp dé mô ta quá trình hap phụ ở khoảng nồng độ nghiên cứu. Khi n = 1, quá trình hấp phụ là không thuận nghịch. Dựa vào mô hình Freundlich có thể đánh giá cường độ hấp phụ của chất bị hấpphụ trên bề mặt chất hấp thụ. Nếu giá trị n càng lớn thì chất bị hấp phụ càng tươngtác mạnh với chất hap phụ. khả năng hấp phụ tang (Jamil Anwar va ctv, 2010). Mô hình Freundlich chỉ phù hợp cho mô tả quá trình hấp phụ ở khoảng nồng độ hẹp.
3.2.2.4. Khảo sát hiệu quả xử lý chất màu hữu cơ xanh Methylene (MB) trong nước thải thực tế
a) Phuong pháp lay mẫu nước thải
Lấy mẫu và bảo quản mẫu dựa theo TCVN 6663 - 6 : 2018 hướng dẫn lấy mẫu nước suối và sông. Mẫu được lấy tại khu vực suối cái — phường Linh Trung — TP. Thủ Đức — TP. Hồ Chi Minh. Lay 4 mẫu đơn tại 4 điểm với thé tích mỗi mẫu 5 Lit. Tron các mẫu đơn tạo thành mẫu hỗn hợp mang tính đại diện.
21
Bảng 3. 2 Tọa độ của các điểm lấy mẫu
STT Kí hiệu Tọa độ
1 ĐI 10°51°57.5°7N 106°46°55.4''E
2 D2 10°51°55.0°7N 106°47°59.0°*E
3 D3 10951°47.9°*N 106°47°05.0”E
4 D4 10°51°36.9"’N 106°47°09.9”E
b) M6 ta thi nghiém
Mau được lọc qua giấy lọc để loại bỏ chất rắn lơ lửng. Do độ màu ban đầu của mẫu nước thải trước khi tiễn hành thí nghiệm bằng máy quang phổ Uv — Vis. Thêm 30 mL mẫu nước thải vào bình tam giác 50 mL chứa các khối lượng than sinh học khác nhau: 0,2 g; 0,4 g; 0,6 g để khảo sát khả năng hấp phụ màu. Lắc đều hỗn hợp bang máy lắc Stuart Scientific tốc độ 200 vòng/phút trong 60 phút. Lọc hỗn hợp qua giấy lọc và ly tâm bằng máy ly tâm Hettich (Zentrifugen Universal 32, Mỹ) với tốc độ 3000 vòng/
phút trong 5 phút sau đó hút phan dung dịch phía trên tiếp tục đo độ màu dé xác định nồng độ sau khi xử lý.
c) Phương pháp xác định khả năng hấp phụ màu mẫu nước thải.
Tiến hành quét phố của mẫu nước thải trước và sau khi xử lý bằng các mẫu than sinh học bằng máy quang phô UV — Vis ( Model: T80+ ) với bước sóng 660 nm. Tính dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ bằng công thức (1), (2). Tính toán và nhận xét hiệu quả xử lý màu xanh nước thải dệt nhuộm thực tế của than sinh học từ rơm rạ.
3.3. Xử lý số liệu
Tất cả các kết quả thử nghiệm, đồ thị sử dụng trong bài báo cáo được vẽ, tính toán bằng phần mềm Microsoft Excel và phân tích ANOVA 1 yếu tô bang phần mềm Minitab. 16.
22