Tài liệu Nghiên cứu chế tạo vật liệu mangan đioxit cấu trúc nano bằng phương pháp thuỷ nhiệt và ứng dụng trong xử lý nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------- Nguyễn Thị Xuyến NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MANGAN ĐIOXIT CẤU TRÚC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUỶ NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------------- Nguyễn Thị Xuyến NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MANGAN ĐIOXIT CẤU TRÚC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUỶ NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC Chuyên ngành: Hoá môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trương Thanh Tú HÀ NỘI – 2015 LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp này được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Nhiệt động học và Hoá keo, Bộ môn Hóa lý, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cám ơn thầy giáo TS.Trương Thanh Tú, người đã trực tiếp giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn thạc sỹ này. Em xin chân thành cám ơn các anh, chị, em đang làm tại Phòng Thí nghiệm Nhiệt động học và Hoá keo, Phòng Thí nghiệm hóa môi trường đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Em xin chân thành cám ơn gia đình, bạn bè đã quan tâm và giúp đỡ để hoàn thành báo cáo khóa luận này. Hà Nội, ngày 02 tháng 12 năm 2015 Học viên Nguyễn Thị Xuyến CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN......................................................................................3 1.1. Ô nhiễm môi trường nước bởi các chất hữu cơ.....................................................3 1.2. Phân loại thuốc nhuộm...........................................................................................4 1.2.1. Thuốc nhuộm hòa tan trong nước...................................................................4 1.2.2. Thuốc nhuộm không tan trong nước..............................................................5 1.3. Giới thiệu một số loại thuốc nhuộm......................................................................6 1.3.1. Giới thiệu về Xanh metylen............................................................................6 1.3.2. Giới thiệu về Rhodamin B..............................................................................8 1.4. Các phương pháp xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm...........................................9 1.4.1. Phương pháp hấp phụ.....................................................................................9 1.4.2. Phương pháp sinh học...................................................................................12 1.4.3. Phương pháp oxi hóa tăng cường.................................................................13 1.5. Giới thiệu về MnO2..............................................................................................15 1.5.1. Một số dạng cấu trúc của MnO2...................................................................15 1.5.2. Ứng dụng của MnO2.....................................................................................18 1.5.3. Các phương pháp điều chế MnO2 dạng nano...............................................21 CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM..............................................................................25 2.1. Hóa chất và dụng cụ.............................................................................................25 2.1.1. Hóa chất........................................................................................................25 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị........................................................................................26 2.2. Tổng hợp vật liệu.................................................................................................27 2.2.1. Tổng hợp nano α-MnO2................................................................................27 2.2.2. Tổng hợp nano β-MnO2................................................................................28 2.2.3. Tổng hợp nano γ-MnO2................................................................................30 2.3. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng của vật liệu..........................................31 2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD).............................................................31 2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM).....................................................32 2.4. Phương pháp đo trắc quang.................................................................................34 CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...........................................................38 3.1. Kết quả tổng hợp và đặc trưng của vật liệu........................................................38 3.1.1. Vật liệu nano α-MnO2 dạng ống...................................................................38 3.1.2. Vật liệu nano β-MnO2 dạng dây...................................................................42 3.1.3. Vật liệu nano γ-MnO2 dạng dây...................................................................45 3.2. Khảo sát khả năng xử lý Xanh metylen của vật liệu nano MnO2.......................47 3.2.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu α- MnO2........................................47 3.2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu β-MnO2.........................................51 3.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu γ-MnO2.........................................55 3.3. Khả năng hấp phụ của MnO2 thương phẩm........................................................59 3.4. So sánh khả năng xử lý của vật liệu nano MnO2 với MnO2 thương phẩm.........59 3.5. Thử nghiệm khả năng hấp phụ phẩm mầu khác khác của vật liêu nano MnO2..60 KẾT LUẬN................................................................................................................. 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................64 DANH MỤC CÁC CHỮ, KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu, chữ viết tắt Mô tả AOPs Một số quá trình oxi hóa bậc cao EDX Phổ tán sắc năng lượng tia X SEM Kính hiển vi điện tử quét UV-Vis Ánh sáng vùng tử ngoại-khả kiến VLHP Vật liệu hấp phụ XRD Phổ nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Công thức cấu tạo Xanh metylen .................................................................... 6 Hình 1.2 Công thức cấu tạo của Rhodamin B .............................................................. 8 Hình 1.3 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ............................................................ 11 Hình 1.4 Đồ thị dạng tuyến tính của phương trình Langmuir ..................................... 12 Hình 1.5 Cơ chế phản ứng xúc tác Fenton .................................................................. 14 Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể của α, β, γ, δ và λ - MnO 2 .................................................. 16 Hình 1.7 Sơ đồ tổng hợp oxit theo phương pháp sol-gel ............................................. 21 Hình 1.8 Ảnh SEM nano α, β MnO2 ở các độ phóng đại khác nhau .......................... 23 Hình 1.9 Ảnh SEM nano γ, δ, λ MnO 2 ở các độ phóng đại khác nhau ....................... 24 Hình 2.1 Cấu trúc bình phản ứng thuỷ nhiệt (autoclave). (a) Phần lõi là bình Teflon chứa chất phản ứng, (b) Phần lõi Teflon được đưa vào phần vỏ thép không gỉ, (c) Cấu trúc hoàn chỉnh của bình sau khi lắp ráp ..................................................................... 26 Hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp nano α-MnO2 ....................................................................... 27 Hình 2.3 Sơ đồ tổng hợp nano β-MnO2 ....................................................................... 28 Hình 2.4 Sơ đồ tổng hợp nano γ-MnO 2 ........................................................................ 29 Hình 2.5 Sơ đồ thiết bị đo nhiễu xạ tia X ..................................................................... 30 Hình 2.6 Cấu tạo cảu kính hiển vi điện tử quét SEM .................................................... 32 Hình 2.7 Đường chuẩn Xanh metylen .......................................................................... 36 Hình 3.1 Phổ XRD của tinh thể α-MnO2 ...................................................................... 37 Hình 3.2 Cấu trúc tinh thể α-MnO 2 ............................................................................... 38 Hình 3.3 Hình thái cấu trúc nano của α- MnO2 .......................................................... 39 Hình 3.4 Phổ XRD của tinh thể β-MnO 2 ...................................................................... 41 Hình 3.5 Cấu trúc tinh thể β-MnO2 .............................................................................. 42 Hình 3.6 Hình thái cấu trúc nano của β- MnO 2 ........................................................... 43 Hình 3.7 Phổ XRD của tinh thể γ-MnO2 ...................................................................... 44 Hình 3.8 Hình thái cấu trúc nano của γ- MnO 2 ........................................................... 45 Hình 3.9 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian của α- MnO2 .............................................. 46 Hình 3.10 Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ ban đầu ...................................................... 47 Hình 3.11: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir α- MnO2 ......................................... 48 Hình 3.12 Đồ thị dạng tuyến tính của phương trình Langmuir đối với α- MnO 2 ......... 48 Hình 3.13 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian của β-MnO 2 ............................................. 50 Hình 3.14 Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của β-MnO 2 ................................. 51 Hình 3.15 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của β-MnO 2 .................................... 52 Hình 3.16 Đồ thị dạng tuyến tính của phương trình Langmuir đối với β-MnO 2 .......... 52 Hình 3.17 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian của γ-MnO 2 .............................................. 54 Hình 3.18 Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của γ-MnO 2 ................................. 55 Hình 3.15: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir γ-MnO 2 ........................................... 55 Hình 3.16 Đồ thị dạng tuyến tính của phương trình Langmuir đối với γ-MnO 2 .......... 56 Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn dung lượng hấp phụ theo thời gian của 4 loại VLHP ....... 57 Hình 3.22 Ảnh hưởng của thời gian tới dung lượng hấp phụ Rhodamin B .................. 60 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số loại thuốc nhuộm hòa tan trong nước ................................................ 4 Bảng 1.2 Một số loại thuốc nhuộm không tan trong nước............................................. 5 Bảng 1.3 Một số đặc điểm của Xanh metylen ............................................................... 7 Bảng 1.4 Cấu trúc tinh thể của MnO 2 .......................................................................... 15 Bảng 2.1 Danh mục hóa chất ....................................................................................... 25 Bảng 2.2 Danh mục dụng cụ, thiết bị ........................................................................... 26 Bảng 2.3 Số liệu dựng đường chuẩn xác định nồng độ Xanh metylen ........................ 36 Bảng 3.1 Một số đỉnh đặc trưng của tinh thể α- MnO 2 ................................................. 38 Bảng 3.2 Một số đỉnh đặc trưng của tinh thể β-MnO 2. ................................................. 41 Bảng 3.3 Một số đỉnh đặc trưng của tinh thể γ-MnO2. ................................................ 44 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của α- MnO 2 .................... 46 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của α- MnO 2 ............................................ 47 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của β-MnO 2 ..................... 49 Bảng 3.7 Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của β-MnO 2 ............................................. 50 Bảng 3.8 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của γ-MnO2 ..................... 53 Bảng 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của γ-MnO2 ............................................. 54 Bảng 3.10 Khả năng hấp phụ của mangan dioxit thương phẩm .................................. 57 Bảng 3.11 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Rhodamin B .................... 58 MỞ ĐẦU Việt Nam đang trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, nền kinh tế đang trên đà đi lên phát triển một cách mạnh mẽ, hàng trăm khu công nghiệp mới nổi lên, nhiều làng nghề truyền thống được khôi phục. Tuy nhiên, mặt trái của sự phát triển chính là vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là môi trường nước xung quanh khu vực xả thải của các nhà máy, làng nghề. Trong nước thải công nghiệp, làng nghề thành phần khó xử lý nhất là các chất hữu cơ bởi những chất này rất bền vững và khó phân hủy sinh học. Các loại hợp chất hữu cơ này sẽ là mối nguy hại đến sức khỏe của con người, chẳng hạn như: Rhodamin B, Xanh Methylen, Phenol đỏ,…Đã có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải được nghiên cứu và áp dụng như: hấp phụ, keo tụ,…những phương pháp này không xử lý triệt để được các hợp chất hữu cơ mà chỉ chuyển chúng sang dạng khác đòi hỏi phải tiếp tục xử lý để tránh ô nhiễm thứ cấp [2] . Mangan đioxit có nhiều cấu trúc khác nhau như α, β, γ hay -MnO2 và được sử dụng trong các thiết bị tích lũy năng lượng như pin liti-ion, pin liti-oxy và siêu điện dung và cũng được ứng dụng làm xúc tác và xử lý môi trường. Mangan dioxit có ưu điểm là điện dung riêng cao, giá thành điều chế thấp; đồng thời mangan là một nguyên tố tương đối phổ biến và không gây độc hại lớn cho môi trường. Phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm ở Việt Nam, tuy vậy cũng chưa có nhiều nghiên cứu sử dụng quá trình thủy nhiệt để điều chế vật liệu mangan đioxit cấu trúc nano ở Việt Nam. Phương pháp thủy nhiệt từ các tiền chất đơn giản như, kết hợp với các điều kiện tối ưu nồng độ chất phản ứng, pH, nhiệt độ, hay áp suất,… cho phép điều chế nano MnO 2 có cấu trúc và hình thái xác định. Vật liệu MnO 2 điều chế được sẽ được khảo sát khả năng ứng dụng trong xử lý nước như làm chất hấp phụ hay xúc tác oxi hóa các chất hữu cơ. Trên cơ sở đó chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài luận văn “Nghiên cứu chế tạo vật liệu 1 mangan dioxit có cấu trúc nano bằng phương pháp thủy nhiệt và ứng dụng trong xử lý nước” với mục tiêu cụ thể như sau: - Nghiên cứu tổng hợp cấu trúc nano của MnO 2 dạng α, β, γ với hình thái cấu trúc đồng nhất dạng dây hoặc dạng ống bằng phương pháp thuỷ nhiệt. - Nghiên cứu đặc trưng hình thái cấu trúc của các vật liệu nano MnO 2 bằng các phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM). - Nghiên cứu khả năng hấp phụ phẩm màu hữu cơ của vật liệu nano đối với dung dụng Xanh metylen trong nước bằng phương pháp đo trắc quang trong vùng tử ngoại-khả kiến (UV-Vis). - So sánh khả năng hấp phụ của ba dạng vật liệu MnO 2 đã điều chế được với các dạng MnO2 thương phẩm. 2 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1. Ô nhiễm môi trường nước bởi các chất hữu cơ Các chất hữu cơ là nguyên nhân quan trọng gây ô nhiễm nguồn nước. Hàng năm trên thế giới sản xuất khoảng 60 triệu tấn các hợp chất hữu cơ, các chất đó được dùng làm nhiên liệu, nguyên liệu để sản xuất các chất cần thiết cho cuộc sống [2] Trong quá trình sản xuất và tiêu thụ lượng hợp chất hữu cơ khổng lồ đó, một lượng lớn chất thải hữu cơ và dư lượng các chất hữu cơ bị đưa vào môi trường. Các chất hữu cơ thường là chất độc, khá bền, đặc biệt là các hiđrocacbon thơm, các hợp chất chứa dị tố O, S, N…, các hợp chất cơ Clo. Chúng gây ô nhiễm nặng cho nguồn nước, làm giảm lượng oxi tan vào nước (DO), làm tăng chỉ số nhu cầu oxi hóa sinh học (BOD) và chỉ số nhu cầu oxi hóa hóa học (COD). Hiện nay có trên 10.000 loại thuốc bảo vệ thực vật khác nhau [4], bao gồm: thuốc trừ sâu dùng để diệt côn trùng sâu bọ phá hoại mùa màng, thuốc diệt nấm dùng để tiêu diệt các loại vi khuẩn, thuốc diệt cỏ dùng để tiêu diệt cỏ dại và các thực vật không mong muốn, thuốc diệt rong tảo có hại thuốc trừ loại gặm nhấm… Sự lạm dụng quá mức các thuốc bảo vệ thực vật làm tăng dư lượng các hóa chất này trong đất, nước nông nghiệp, qua sự rửa trôi sẽ gây ô nhiễm nguồn nước. Trong nước thải từ các nhà máy, xưởng sản xuất như dệt may, in ấn, sơn,… cũng chứa nhiều chất hữu cơ khó phân hủy. Căn cứ vào nhu cầu toàn thế giới ước tính có hơn 100.000 tấn thuốc nhuộm đã được thương mại hóa và hơn 70 triệu tấn thuốc nhuộm được sản xuất hàng năm [11] . Trong quá trình nhuộm thì có đến 12-15% tổng lượng thuốc nhuộm thất thoát theo nước thải nhuộm [2] . Nước thải của ngành công nghiệp này thường có độ màu cao làm cản trở sự hấp thụ bức xạ mặt trời, ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của các loại thuỷ sinh, bất lợi cho hô hấp và sinh trưởng của quần thể vi sinh vật và các vi sinh vật có ích trong nước. Hơn thế nữa, những hợp chất 3 hữu cơ này thường bền, rất khó bị phân hủy tự nhiên và có độc tính cao. Theo quy định của EU hiện nay, thuốc nhuộm được tổng hợp dựa trên Benzidine, 3, 3’ – dimethoxybenzidine và 3, 3’ – dimethylbenzidine đã được xếp vào nhóm các chất gây ung thư [11] . Vì thế sự ô nhiễm nguồn nước bởi các loại chất hữu cơ này không chỉ phá hủy hệ sinh thái thủy sinh mà còn gây nguy hiểm đến con người. Vậy nên việc nghiên cứu để tìm ra phương pháp loại bỏ các hợp chất hữu cơ này là hết sức cần thiết và cấp bách. 1.2. Phân loại thuốc nhuộm 1.2.1. Thuốc nhuộm hòa tan trong nước Đặc điểm chung của loại thuốc nhuộm này là chúng hòa tan được trong nước. Dưới đây là một số nhóm thường gặp [11] . Bảng 1.1 Một số loại thuốc nhuộm hòa tan trong nước Thuốc nhuộm trực tiêp Thuốc nhuộm hoạt tính Định nghĩa 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 phụ trong môi trường trung tính hoặc kiềm. 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. 4 Công thức tổng quát Ar- SO3Na S–R–T–X Trong đó: Trong đó: Ar : gốc hữu cơ mang màu của S: là nhóm làm cho thuốc nhuộm có thuốc nhuộm tính tan. R: là phần mang màu, thường là các hợp chất Azo (-N=N), atraquinon, axit chứa kim loại.. Thuốc nhuộm trực tiêp Thuốc nhuộm hoạt tính T: là gốc mang nhóm phản ứng. X: là nguyên tử hay nhóm phản ứng Tính Các chất này hòa tan trong nước Có độ bền màu cao với giặt, ma sát chất cơ dễ dàng ở nhiệt độ 50 ºC – 60 ºC, và nhiều chỉ tiêu lý hóa khác (nhiệt bản với hàm lượng 20 - 40 (g/l), độ, ánh sáng…). lượng màu trực tiếp lưu giữ trên Hầu hết thuốc nhuộm hoạt tính tan tốt trong nước và bắt màu vào vật liệu đạt vải vật liệu đạt từ 80-90%. đến 60- 65%, trong môi trường kiềm Có đủ các gam màu từ vàng tới yếu. Loại thuốc nhuộm này khi thải đen, màu của chúng tươi, được vào môi trường có khả năng tạo thành sử dụng để nhuộm hoặc in hoa các amin thơm được xem là tác nhân chủ yếu cho các vật liệu từ gây ung thư. xenlulo như vải bông, đay…[2] 1.2.2. Thuốc nhuộm không tan trong nước Đặc điểm của loại thuốc nhuộm này là không tan trong nước, hoặc lúc đầu tan tạm thời nhưng sau khi bắt màu vào tơ sợi thì chuyển sang dạng không tan. Một số nhóm thường gặp được đề cập trong bảng 1.2 [2] . Bảng 1.2 Một số loại thuốc nhuộm không tan trong nước 5 Thuốc nhuộm hoàn nguyên Định Là những hợp chất màu hữu nghĩa cơ không hòa tan trong nước, tuy có cấu tạo hóa học và màu sắc khác nhau nhưng chúng có chung một tính chất. Thuốc nhuộm phân tán Là những hợp chất màu không tan trong nước do trong phân tử không chứa nhóm tạo tính tan –SO3Na, -COONa, có kích thước phân tử nhỏ, khối lượng phân tử không lớn, cấu tạo không phức tạp Thuốc nhuộm hoàn nguyên Thuốc nhuộm phân tán Công Tất cả các thuốc nhuộm hoàn thức nguyên đều chưa nhóm xeton tổng quát trong phân tử. CTTQ: R=C=O Trong đó, R có thể là gốc Aryl. Alkyl, hydroxyl… Tính Thuốc nhuộm có màu sắc đa Có thể hình thành phức kim loại với ion chất dạng, tươi ánh, độ bền màu kim loại nặng làm thay đổi màu sắc cơ cao do phân tử có chứa nhiều thuốc nhuộm. Biến màu cũng có thể xảy bản nhân thơm. ra với thuốc nhuộm phân tán gốc azo do tiếp xúc các chất có tính khử. Trong điều kiện không thuận lợi, thuốc nhuộm phân tán azo có thể bị phân hủy thành amin màu vàng hoặc không màu. 1.3. Giới thiệu một số loại thuốc nhuộm 1.3.1. Giới thiệu về Xanh metylen Xanh metylen có tên quốc tế là metylen blue, là hợp chất thơm dị vòng, được tổng hợp ra cách đây hơn 120 năm, công thức hóa học là C16H18N3SCl [5] . 6 Hình 1.1 Công thức cấu tạo Xanh metylen Bảng 1.3 Một số đặc điểm của Xanh metylen Tính chất vật lý Xanh metylen là hợp chất có màu xanh đậm và ổn định ở nhiệt độ phòng. Dạng dung dịch 1% có pH từ 3-4,5. Xanh Metylen nguyên chất 100% dạng bột hoặc tinh thể. Tan tốt trong nước và một số các dung môi hữu cơ. Dung dịch nước hấp thụ cực đại với ánh sáng có λ = 664 nm. Độc tính Tác động đường hô hấp: gây khó thở khi tiếp xúc trực tiếp, tổn thương vĩnh viễn mắt của con người và động vật, làm mất cảm giác, buồn nôn, ra mồ hôi, rối loạn tâm thần. Tác động tới môi trường: Xanh Metylen chứa N +, Nitơ và lưu huỳnh trong dị vòng nên có khả năng kháng khuẩn tốt do đó nó khó bị phân hủy bởi các vi sinh vật. 7 Chất này thường lắng đọng trong bùn đáy ao và không có khả năng bay hơi nên gây ảnh hưởng lớn tới đời sống của các sinh vật. Ứng dụng của Xanh metylen Xanh Metylen là một hóa chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ; sản suất mực in và được sử dụng trong y học. Trong thủy sản, xanh metylen được sử dụng vào giữa thế kỉ 19 trong việc điều trị các bệnh về vi khuẩn, nấm và kí sinh trùng. Ngoài ra, xanh metylen cũng được cho là hiệu quả trong việc chữa bệnh máu nâu do Methemoglobin quá nhiều trong máu, trị các bệnh về máu [24] . 1.3.2. Giới thiệu về Rhodamin B Rhodamin B là một thành phần của phẩm màu công nghiệp. Công thức phân tử: C28H31ClN2O3. Phân tử khối: 479,02 g/mol. Hình 1.2 Công thức cấu tạo của Rhodamin B 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 0C đến 211 0C. Rhodamine B là thuốc nhuộm lưỡng 8 tính, độc hại, tan tốt trong methanol, ethanol, nước (khoảng 50 g/l). Độ hoà tan trong 100 gam dung môi: nước 0,78 gam (26 0C), ethanol 1,74 gam. Dung dịch nước và ethanol có màu đỏ ánh xanh nhạt phát huỳnh quang màu đỏ mạnh, đặc biệt rõ trong các dung dịch loãng. Dung dịch nước hấp thụ cực đại với ánh sáng có λ = 553 nm. 1.4. Các phương pháp xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm 1.4.1. Phương pháp hấp phụ Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách pha. Đây là phương pháp tách chất trong đó các cấu tử xác định từ hỗn hợp lỏng hoặc khí được hấp phụ trên bề mặt chất rắn xốp. Phương pháp hấp phụ là một phương pháp tách trực tiếp các cấu tử tan trong nước, được ứng dụng rỗng rãi trong kỹ thuật xử lý nước thải nhờ có các ưu điểm: Có khả năng làm sạch nước ở mức độ cao, đáp ứng nhiều cấp độ về chất lượng. phức tạp. Qui trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị Tuy nhiên phương pháp này cũng có một số nhược điểm như sau: - Không thể sử dụng đối với nguồn thải có tải trọng ô nhiễm cao. - Chuyển chất ô nhiễm từ pha này sang pha khác, tạo ra một lượng thải sau khi hấp phụ, không xử lý triệt để được ô nhiễm [3] . Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha mang. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng. 1.4.1.1. Một số khái niệm 9 * Dung lượng hấp phụ: Dung lượng hấp phụ là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức: q= (1.1) Trong đó: - q: Dung lượng hấp phụ (mg/g) - V: Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l) - m: Khối lượng chất hấp phụ (g) - C0: Nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l) - Ccb: Nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l) * Hiệu suất hấp phụ: Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu H= x 100 (1.2) 1.4.1.2. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên các giả thuyết như sau: - Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định. - Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân. - Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh. Phương trình Langmuir có thể áp dụng được cho quá trình hấp phụ trong môi trường nước. Khi đó có thể biểu diễn phương trình Langmuir như sau: 10 q= q (1.3) Trong đó: - Ccb là nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng. - q, qmax lần lượt là dung lượng hấp phụ và dung lượng hấp phụ cực đại. - k là hằng số Langmuir. Phương trình chứa hai thông số là qmax và hằng số k. Dung lượng hấp phụ cực đại qmax có một giá trị xác định tương ứng với số tâm hấp phụ, còn hằng số k phụ thuộc cặp tương tác giữa chất hấp phụ, chất bị hấp phụ và nhiệt độ. Từ các số liệu thực nghiệm có thể xác định qmax và hằng số k bằng phương pháp tối ưu hay phương pháp đồ thị. 11