Tài liệu Nghiên cứu khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của vật liệu hấp phụ chế tạo từ đài sen

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THÙY LINH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH, METYL DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ ĐÀI SEN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thái Nguyên - 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THÙY LINH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH, METYL DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ ĐÀI SEN Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Thị Hậu Thái Nguyên - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, tháng 4 năm 2017 Tác giả Nguyễn Thùy Linh Xác nhận Xác nhận của khoa chuyên môn của giáo viên hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan TS. Vũ Thị Hậu i LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ, chuyên ngành hóa phân tích, khoa hóa học – Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, em đã nhận được sự ủng hộ, giúp đỡ của các thầy cô giáo, bạn bè và gia đình. Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Vũ Thị Hậu, cô giáo trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa hóa học, khoa sau Đại học, và Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu.. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh, ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 04 năm 2017 Tác giả Nguyễn Thùy Linh ii MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan ..................................................................................................................i Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii Mục lục ........................................................................................................................ iii Danh mục các từ viết tắt ...............................................................................................iv Danh mục bảng biểu ......................................................................................................v Danh mục các hình .......................................................................................................vi MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1 Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 3 1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm .........................................................................................3 1.1.1. Định nghĩa và phân loại thuốc nhuộm .................................................................3 1.1.2. Tình trạng ô nhiễm do nước thải dệt nhuộm ở nước ta .......................................4 1.1.3. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp ......................................5 1.1.4. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm ................................ 5 1.1.5. Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm ...................................6 1.2. Giới thiệu chung về metylen xanh, metyl da cam ..................................................7 1.2.1. Metylen xanh .......................................................................................................7 1.2.2. Metyl da cam .......................................................................................................8 1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ .......................................................................9 1.3.1. Các khái niệm ......................................................................................................9 1.3.2. Quá trình hấp phụ động trên cột ........................................................................11 1.3.3. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ.......................................................12 1.3.4. Hấp phụ trong môi trường nước .......................................................................16 1.4. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng chất hữu cơ mang màu ..................17 1.4.1. Phương pháp trắc quang ....................................................................................17 1.4.2. Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang ..................................19 1.5. Giới thiệu về cây sen, đài sen ở Việt Nam .......................................................... 19 1.6. Một số hướng nghiên cứu khả năng hấp phụ của metylen xanh và metyl da cam và sử dụng cây sen làm VLHP ...............................................................................21 1.6.1. Một số hướng nghiên cứu khả năng hấp phụ của metylen xanh và metyl da cam .......................................................................................................................... 21 iii 1.6.2. Một số hướng nghiên cứu sử dụng cây sen làm VLHP .....................................23 1.7. Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu .............................................24 1.7.1. Phương pháp phổ hồng ngoại IR .......................................................................24 1.7.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .......................................................... 25 Chương 2. THỰC NGHIỆM ....................................................................................26 2.1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất ................................................................................26 2.1.1. Thiết bị và dụng cụ ............................................................................................ 26 2.1.2. Hóa chất .............................................................................................................26 2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ .......................................................................................27 2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu .........................................................................................27 2.2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ ....................................................................................27 2.3. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh, metyl da cam.......27 2.3.1. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh ......................27 2.3.2. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metyl da cam ......................28 2.4. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ............................................................ 28 2.4.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metylen xanh ............................ 28 2.4.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metyl da cam ............................ 28 2.5. Một số đặc trưng của VLHP .................................................................................28 2.5.1. Khảo sát đặc điểm bề mặt của VLHP ................................................................ 28 2.5.2. Phổ hồng ngoại IR ............................................................................................. 28 2.5.3. So sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP .......................................29 2.5.4. Xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo được............................................29 2.6. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh ...........................................29 2.6.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH ...............................................................................29 2.6.2. Ảnh hưởng của khối lượng ................................................................................30 2.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP ...............30 2.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................31 2.6.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ................................................................ 31 2.7. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ động .........................................31 2.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metylen xanh của VLHP theo phương pháp hấp phụ động................................................................ 31 iv Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 33 3.1. Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh, metyl da cam ................................................................................................................33 3.1.1. Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh ..........33 3.1.2. Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metyl da cam ..........34 3.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh, metyl da cam ......35 3.2.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metylen xanh ...............35 3.2.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metyl da cam ............................ 35 3.3. Kết quả một số đặc trưng của VLHP ....................................................................36 3.3.1. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM).........................................................................36 3.3.2. Phổ hồng ngoại (IR) ........................................................................................... 37 3.3.3. Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP .......................... 40 3.3.4. Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo được ............................... 40 3.4. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh .................................42 3.4.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH ..................................................................42 3.4.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng VLHP/thể tích dung dịch (nồng độ đầu xác định) ......................................................................................................................44 3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP ...............47 3.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................50 3.4.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ................................................................ 52 3.5. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ động .........................................54 3.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metylen xanh của VLHP theo phương pháp hấp phụ động................................................................ 54 3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ động................................................................ 57 KẾT LUẬN .................................................................................................................59 TÀI LIỆUTHAM KHẢO .......................................................................................... 60 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Nội dung 1 BET Brunauer-Emmet-Teller 2 SEM Hiển vi điện tử quét 3 VLHP Vật liệu hấp phụ 4 IR Phổ hồng ngoại: Infrared Spectroscopy 5 MB Metylen xanh 6 Abs Độ hấp thụ quang iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may .................5 Bảng 1.2: Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm [16] ..........7 Bảng 3.1: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh ở các bước sóng khác nhau ........................................................................................... 33 Bảng 3.2: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl da cam ở các bước sóng khác nhau ........................................................................................... 34 Bảng 3.3: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh với các nồng độ khác nhau ......................................................................................35 Bảng 3.4: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl da cam với các nồng độ khác nhau ......................................................................................35 Bảng 3.5 : Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ..................40 Bảng 3.6: Số liệu xác định điểm đẳng điện của VLHP ...............................................41 Bảng 3.7: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của VLHP ...................................................................42 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng VLHP/thể tích dung dịch (nồng độ đầu xác định) đến khả năng hấp phụmetylen xanh, metyl da cam của VLHP ......45 Bảng 3.9. Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của VLHP vào thời gian .................................................................48 Bảng 3.10: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam vào nhiệt độ ................................................................ 50 Bảng 3.11: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ của VLHP vào nồng độ đầu ..............................................................................52 Bảng 3.12: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir ..................................54 Bảng 3.13: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metylen xanh ...........55 Bảng 3.14: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metyl da cam ...........57 v DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Công thức cấu tạo của xanh metylen ............................................................. 7 Hình 1.2. Công thức cấu tạo cation MB+ ......................................................................8 Hình 1.3. Dạng oxy hóa và dạng khử của xanh metylen ...............................................8 Hình 1.4. Mô hình cột hấp phụ ....................................................................................11 Hình 1.5. Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ trên cột hấp phụ theo thời gian......................................................................................12 Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của metylen xanh vào bước sóng ........................................................................................... 33 Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của metyl da cam vào bước sóng ........................................................................................... 34 Hình 3.3. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh ..................................35 Hình 3.4. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metyl da cam ..................................36 Hình 3.5. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của nguyên liệu ........................................36 Hình 3.6. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của VLHP ................................................36 Hình 3.7. Phổ hồng ngoại (IR) của nguyên liệu .......................................................... 38 Hình 3.8. Phổ hồng ngoại (IR) của VLHP...................................................................39 Hình 3.9. Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ....................40 Hình 3.10. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP ...............................................41 Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào pH .....................................................................................43 Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp thụ metyl da cam vào pH của VLHP .....................................................................................43 Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào tỷ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch ........................................46 Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam của VLHP vào tỷ lệ khối lượng VLHP/thể tích dung dịch .......................46 Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào thời gian ............................................................................49 vi Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam vào thời gian .............................................................................................. 49 Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào nhiệt độ ............................................................................................... 51 Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam vào nhiệt độ ............................................................................................... 51 Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với metylen xanh .....53 Hình 3.20. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của metylen xanh ..........53 Hình 3.21. Đường đẳng nhiệt Langmuir của VLHP đối với metyl da cam.................53 Hình 3.22. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của metyl da cam ..........53 Hình 3.23. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metylen xanh ............................................................................................. 56 Hình 3.24. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metyl da cam ............................................................................................. 58 vii MỞ ĐẦU Môi trường là nhân tố có ảnh hưởng quyết định đến sự tồn tại và phát triển của mỗi con người, mỗi quốc gia trên thế giới, chính vì vậy bảo vệ môi trường và đảm bảo phát triển bền vững là vấn đề có tính sống còn của mỗi quốc gia. Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền công nghiệp, các nhà máy khu chế xuất ngày càng tăng. Mỗi năm những nhà máy, khu chế xuất này thải ra một lượng nước thải lớn gây ô nhiễm môi trường. Nước ta là nước có ngành công nghiệp dệt nhuộm phát triển vì vậy hàng năm nước thải của ngành công nhiệp này chiếm một lượng đáng kể. Lượng nước thải này chứa nhiều chất hữu cơ mang màu độc hại nếu không được xử lý, loại bỏ sẽ xâm nhập vào cơ thể tích tụ gây hại nghiêm trọng đến sức khỏe con người, phá hủy cảnh quan môi trường tự nhiên. Hiện nay, có rất nhiều phương pháp khác nhau để loại bỏ các chất hữu cơ mang màu ra khỏi môi trường nước như: thẩm thấu ngược, lọc nano, kết tủa hoặc hấp phụ,... Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm như vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, chi phí thấp, thân thiện với môi trường, đặc biệt không làm nguồn nước ô nhiễm thêm. Chính vì vậy đây là vấn đề đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu. Trong lĩnh vực xử lý môi trường, ta có thể sử dụng vật liệu tự nhiên (đá ong, quặng sắt, đất bazan…) hay vật liệu chế tạo từ xơ dừa, vỏ trấu, bã mía, bã chè… những loại vật liệu này đều có giá thành rẻ, thân thiện với môi trường và dễ kiếm tìm trong đời sống. Cây sen là loài cây quen thuộc được trồng phổ biến ở các ao hồ và rất có ý nghĩa đối với người dân Việt Nam. Không chỉ vậy các bộ phận của cây sen từ hạt, lá cho đến củ đều có lợi ích kinh tế cao như: nhụy sen dùng để ướp trà, lá sen để chữa bệnh, hạt sen dùng làm thực phẩm… Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam sau khi thu hoạch hạt sen thì đài sen bị thải bỏ, không được sử dụng vào mục đích nào. Đài sen có đặc tính nhẹ và xốp có khả năng biến tính thành vật liệu hấp phụ tốt. Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của vật liệu hấp phụ chế tạo từ đài sen” Trong đề tài chúng tôi lần lượt tập trung nghiên cứu các nội dung sau: - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ đài sen. 1 - Khảo sát một số đặc trưng vật lí của VLHP bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), phương pháp phổ hồng ngoại (IR). - Khảo sát khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của vật liệu hấp phụ chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh, hấp phụ động. Bố cục của luận văn này gồm: - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Thực nghiệm - Chương 3: Kết quả và thảo luận - Kết luận - Tài liệu tham khảo 2 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm 1.1.1. Định nghĩa và phân loại thuốc nhuộm Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trong những điều kiện quy định (tính gắn màu). Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp. Hiện nay, con người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp. Đặc điểm nổi bật của các loại thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy. Màu sắc của thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học. Một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu. Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ electron π không cố định như: > C = C <, > C = N -, - N = N -, - NO2, … Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận electron như: - NH2, - COOH, - SO3H, - OH, … đóng vai trò tăng cường của nhóm mang màu bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ electron [20]. Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hoá học, màu sắc, phạm vi sử dụng. Tùy thuộc cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng được phân loại thành các họ, các loại khác nhau. Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất: Phân loại theo cấu trúc hoá học: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm antraquinon, thuốc nhuộm inđizo, thuốc nhuộm phenazin, thuốc nhuộm triarylmetan, thuốc nhuộm phtaloxiamin. Phân loại theo đặc tính áp dụng: thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lưu hoá, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ cation, thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính [20]. Ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến một số loại thuốc nhuộm nhằm làm sáng tỏ hơn về loại thuốc nhuộm sử dụng trong phần thực nghiệm của đề tài. 3 Thuốc nhuộm azo: Nhóm mang màu là nhóm azo (- N = N -) phân tử thuốc nhuộm có một nhóm azo (monoazo) hay nhiều nhóm azo (điazo, triazo, polyazo). Thuốc nhuộm trực tiếp: Là loại thuốc nhuộm anion có dạng tổng quát Ar─SO3Na. Khi hoà tan trong nước nó phân ly cho về dạng anion thuốc nhuộm và bắt màu vào sợi. Trong tổng số thuốc nhuộm trực tiếp thì có 92% thuốc nhuộm azo. Thuốc nhuộm bazơ cation: Các thuốc nhuộm bazơ dễ nhuộm tơ tằm, bông cầm màu bằng tananh. Là các muối clorua, oxalat hoặc muối kép của bazơ hữu cơ chúng dễ tan trong nước cho cation mang màu. Trong các màu thuốc nhuộm bazơ, các lớp hoá học được phân bố: azo (43%), triazylmetan (11%), arycydin (7%), antraquinon (5%) và các loại khác. Thuốc nhuộm axit: Là muối của axit mạnh và bazơ mạnh chúng tan trong nước phân ly thành ion: Ar  SO3 Na → Ar  SO3 + Na  Anion mang màu, thuốc nhuộm tạo liên kết ion với tâm tích điện dương của vật liệu. Thuốc nhuộm axit có khả năng tự nhuộm màu tơ sợi protein (len, tơ tằm, polyamit) trong môi trường axit. Xét về cấu tạo hoá học có 79% thuốc nhuộm axit azo, 10% là antraquion, 5% là triarylmetan và 6% là lớp hoá học khác [20]. 1.1.2. Tình trạng ô nhiễm do nước thải dệt nhuộm ở nước ta Hiện nay, sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp ở các làng nghề đạt được những thành tựu đáng kể nhưng do công nghệ lạc hậu, quy mô nhỏ lẻ nên chưa xử lý được chất thải sau quá trình sản xuất dẫn đến ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng. Tại một số làng nghề như: Vạn Phúc, Dương Nội (Hà Đông – Hà Nội), nhu cầu oxy hoá học (COD) trong các công đoạn tẩy, nhuộm đo được từ 380 ÷ 890mg/L, cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 3 ÷ 8 lần, độ màu đo được là 750Pt - Co, cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Các vấn đề về sự ô nhiễm môi trường dưới sự tác động của ngành công nghiệp dệt nhuộm đã gia tăng trong nhiều năm qua. Các quá trình tẩy nhuộm có tỷ lệ mất mát chất tẩy nhuộm lên đến 50%. Nguyên nhân của việc mất mát chất tẩy, nhuộm là do các chất này không bám dính 4 hết vào sợi vải, số phẩm nhuộm này sẽ đi theo đường nước thải ra ngoài. Vì vậy, việc xử lý nước thải dệt nhuộm là vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu. 1.1.3. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may được trình bày trong bảng 1.1 [18]. Bảng 1.1: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may Giới hạn theo TCVN 2008 Thông số TT Đơn vị A B 1 Độ màu Pt - Co 50 150 2 Độ pH - 6-9 5,5 - 9 3 BOD5 (ở 20oC) mg/L 30 50 4 COD mg/L 75 150 Trong đó: - Cột A quy định giá trị giới hạn của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. - Cột B quy định giá trị giới hạn của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Như vậy, nước thải công nghiệp nói chung và nước thải ngành dệt nhuộm nói riêng, để đạt tiêu chuẩn cho phép thải ra môi trường sinh thái cần tuân thủ nghiêm ngặt khâu xử lý các hóa chất gây ô nhiễm môi trường có mặt trong nước thải. 1.1.4. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm Thuốc nhuộm tổng hợp có từ lâu và ngày càng được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp dệt may, giấy, cao su, mỹ phẩm.... do dễ sử dụng, giá thành rẻ, màu sắc đa dạng so với màu tự nhiên. Tuy nhiên, hầu hết các thuốc nhuộm sử dụng trong ngành công nghiệp dệt may đều có độ độc tính cho môi trường sống 5 trong nước. Mặt khác, các chất hoạt động bề mặt và các hợp chất liên quan, chẳng hạn như bột giặt, các chất nhũ hóa, các chất phân tán được sử dụng trong hầu hết các công đoạn của mỗi quy trình gia công và cũng có thể là một trong những nguồn quan trọng tạo độc tính cho môi trường nước [3]. Ngành công nghiệp dệt nhuộm nước ta đang phát triển rất đa dạng với quy mô khác nhau và đã thải ra ngoài môi trường một lượng lớn nước thải gây ô nhiễm cao. Nước thải dệt nhuộm thường có độ màu rất cao. Việc sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm và các sản phẩm của chúng gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái thủy sinh. Cụ thể đối với con người gây ra các bệnh về da, đường hô hấp, ung thư…, đối với hệ sinh thái thủy sinh có thể phá hủy hoặc ức chế khả năng sinh sống của vi sinh vật [2]. 1.1.5. Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm Trong nhiều thập kỷ qua, ngành công nghiệp dệt nhuộm luôn có vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Với các doanh nghiệp nhà nước, doanh nghiệp tư nhân, dự án liên doanh và các nhà máy có vốn đầu tư 100% nước ngoài cùng rất nhiều tổ hợp tư nhân nhỏ, vừa và lớn đang hoạt động trong lĩnh vực sợi, dệt, nhuộm nhằm phấn đấu đạt chỉ tiêu hơn hai tỷ mét vải vào năm 2020 cho thấy quy mô và định hướng phát triển lớn mạnh của ngành công nghiệp này. Tuy nhiên, trong số các nhà máy chỉ có nhà máy lớn có xây dựng hệ thống xử lý nước thải còn lại hầu như chưa có hệ thống xử lý vẫn còn xả trực tiếp ra môi trường. Loại nước thải dệt nhuộm có độ kiềm hoặc độ axit cao, màu đậm, có nhiều chất hữu cơ, vô cơ gây độc cho quần thể sinh vật và ảnh hưởng sức khoẻ cộng đồng. Ở các ngành công nghiệp dệt may, nước thải thường có độ pH trung bình từ 9-11, chỉ số nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD), nhu cầu ôxy hoá học (COD) có thể lên đến 700mg/1 và 2.500mg/1, hàm lượng chất rắn lơ lửng... cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép. Hàm lượng nước thải của các ngành này có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần, H2S vượt 4,2 lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nước bề mặt trong vùng dân cư. Do đó vấn đề ô nhiễm chủ yếu trong ngành dệt nhuộm là ô nhiễm nguồn nước. 6 Nguồn nước thải phát sinh trong công nghiệp dệt nhuộm từ các công đoạn hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất. Trong đó, lượng nước thải chủ yếu do quá trình giặt sau mỗi công đoạn. Bảng 1.2: Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm [16] Sản xuất vải sợi bông Sản xuất vải sợi pha Sản xuất vải, sợi len và pha (tổng hợp/bông, visco) (tổng hợp/len) Giũ hồ Giũ hồ Giặt Giặt Giặt Cacbon hóa (với len 100%) Làm bóng Làm bóng Định hình ướt Nấu – tẩy trắng Nấu – tẩy trắng Tẩy trắng (nếu yêu cầu) Nhuộm Nhuộm Nhuộm In hoa In hoa In hoa 1.2. Giới thiệu chung về metylen xanh, metyl da cam 1.2.1. Metylen xanh Metylen xanh là một hợp chất thơm dị vòng, có một số tên gọi khác như: tetramethylthionine chlorhydrate, methylene blue, methylthioninium chloride, glutylene, có công thức phân tử là: C16H18N3SCl [4]. Công thức cấu tạo của metylen xanh như sau: Hình 1.1. Công thức cấu tạo của xanh metylen Metylen xanh có phân tử khối là 319,85 g/mol. Nhiệt độ nóng chảy là: 100 110°C. Khi tồn tại dưới dạng ngậm nước (C16H18N3SCl.3H2O) trong điều kiện tự nhiên, khối lượng phân tử của metylen xanh là 373,9 g/mol [17]. 7 Metylen xanh là một chất màu thuộc họ thiozin, phân ly dưới dạng cation MB+ là C16H18N3S+: Hình 1.2. Công thức cấu tạo cation MB+ Metylen xanh có thể bị oxy hóa hoặc bị khử và mỗi phân tử bị oxy hóa và bị khử khoảng 100 lần/giây. Quá trình này làm tăng tiêu thụ oxy của tế bào. Hình 1.3. Dạng oxy hóa và dạng khử của xanh metylen Metylen xanh là một loại thuốc nhuộm bazơ cation, là hóa chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ, sản xuất mực in. Metylen xanh bị hấp thụ rất mạnh bởi các loại đất khác nhau. Trong môi trường nước, metylen xanh bị hấp thu vào vật chất lơ lửng và bùn đáy ao và không có khả năng bay hơi ra ngoài môi trường nước ở bề mặt nước. Nếu thải metylen xanh vào trong không khí, nó sẽ tồn tại cả ở dạng hơi và bụi lơ lửng [20]. 1.2.2. Metyl da cam Metyl da cam là một chất bột tinh thể màu da cam, không tan trong dung môi hữu cơ, khó tan trong nước nguội nhưng dễ tan trong nước nóng. Metyl da cam là một monoazo thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, dệt may và các ngành công nghiệp khác. Metyl da cam có thể xâm nhập vào cơ thể qua đường ăn uống, chuyển hóa thành các amin thơm bằng vi sinh đường ruột và thậm chí có thể dẫn tới ung thư 8 đường ruột. Dung dịch trong nước dùng làm chỉ thị chuẩn độ axit - bazơ, có màu hồng trong môi trường axit, màu vàng da cam trong môi trường kiềm, khoảng pH chuyển màu là 3,1 - 4,4 [17]. Công thức phân tử: C 14 H 14 N 3 O 3 SNa Công thức cấu tạo: CH3 NaO3S N N N CH3 Metyl da cam: là chất hữu cơ có tính chất lưỡng tính với hằng số axit Ka= 4.10-4. Trong môi trường kiềm và trung tính, nó có màu vàng là màu của anion: H3C N N N SO3 H3C Trong môi trường axit, anion này kết hợp với proton (H  ) chuyển thành cation màu đỏ: H3C N N H N SO3H H3C 1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 1.3.1. Các khái niệm 1. 1 1 h h Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí-rắn, lỏng-rắn, khí-lỏng, lỏng-lỏng). Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Tu theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học. Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Vander aals giữa phần tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ, liên kết này yếu, 9