Tài liệu Nghiên cứu khả năng hấp phụ xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ của quặng apatit và thăm dò xử lý môi trường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐINH QUỐC HẢI NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ XANH METYLEN, METYL DA CAM, PHENOL ĐỎ CỦA QUẶNG APATIT VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Hóa Phân tích Mã số: 60.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS. Ngô Thị Mai Việt Thái Nguyên, năm 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 2016 Tác giả Đinh Quốc Hải i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 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, các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến TS. Ngô Thị Mai Việt, cô đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu để em có thể hoàn thành luận văn này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Hóa học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em trong 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 của em 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 để luận văn của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 04 năm 2016 Tác giả Đinh Quốc Hải ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan ..................................................................................................................i Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii Mục lục ........................................................................................................................ iii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ........................................................................iv Danh mục các bảng ........................................................................................................v Danh mục các hình .......................................................................................................vi MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1 NỘI DUNG ...................................................................................................................3 Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 3 1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm ....................................................................................3 1.2. Giới thiệu chung về xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ ........................5 1.2.1. Xanh metylen ..................................................................................................5 1.2.2. Metyl da cam ...................................................................................................6 1.2.3. Phenol đỏ .........................................................................................................7 1.3. Nước thải dệt nhuộm ..........................................................................................8 1.3.1.Thành phần của nước thải dệt nhuộm .............................................................. 9 1.3.2. Các chất ô nhiễm chính trong nước thải dệt nhuộm .......................................9 1.3.3. Thực trạng ô nhiễm nước thải dệt nhuộm ở nước ta .....................................10 1.3.4. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp ............................... 11 1.3.5. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm .........................11 1.3.6. Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm ............................ 12 1.4. Giới thiệu về quặng apatit của Việt Nam .........................................................13 1.4.1. Các loại hình quặng apatit tại Việt Nam .......................................................13 1.4.2. Phân loại và thành phần hóa học của quặng apatit .......................................14 1.5. Một số công trình khoa học nghiên cứu khả năng hấp phụ các chất màu hữu cơ ..14 1.6. Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ phân tử (UV – Vis) .....................17 1.6.1. Nguyên tắc ....................................................................................................17 1.6.2. Độ hấp thụ quang .......................................................................................... 17 1.6.3. Phương pháp đường chuẩn............................................................................18 1.7. Phương pháp hấp phụ .......................................................................................19 iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1.7.1. Các khái niệm ................................................................................................ 19 1.7.2. Dung lượng hấp phụ cân bằng và hiệu suất hấp phụ ....................................20 1.7.3. Bản chất của hiện tượng hấp phụ ..................................................................21 1.7.4. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học ............................................................... 21 1.7.5. Hấp phụ trong môi trường nước....................................................................21 Chương 2. THỰC NGHIỆM ....................................................................................23 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị máy móc ............................................................ 23 2.1.1. Hóa chất ........................................................................................................23 2.1.2. Dụng cụ .........................................................................................................23 2.1.3. Thiết bị máy móc .......................................................................................... 24 2.2. Chuẩn bị quặng apatit ......................................................................................24 2.3. Xác định một số đặc trưng hóa lý của vật liệu .................................................24 2.4. Xác đinh ̣ điể m đẳ ng điê ̣n của vâ ̣t liê ̣u .............................................................. 24 2.5. Nghiên cứu điều kiện tối ưu cho phép xác định xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ theo phương pháp UV – Vis...................................................................25 2.5.1. Bước sóng .....................................................................................................25 2.5.2. pH ..................................................................................................................25 2.5.3. Thời gian .......................................................................................................25 2.5.4. Chất lạ ...........................................................................................................26 2.6. Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính, xây dựng và đánh giá đường chuẩn xác định xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ theo phương pháp UV – Vis .......26 2.7. Phương pháp hấp phụ tĩnh ...............................................................................27 2.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu ................................................27 2.7.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc ...................................................27 2.7.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH ..........................................................................28 2.7.4. Khảo sát ảnh hưởng của chất lạ ....................................................................28 2.7.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu của các chất màu nghiên cứu ............29 2.8. Phương pháp hấp phụ động ..............................................................................30 2.8.1. Chuẩn bị cột hấp phụ ....................................................................................30 2.8.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ động xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ của vật liệu .........................................................................................................30 2.9. Thăm dò khả năng xử lý môi trường của vật liệu với mẫu nước thải dệt nhuộm ..31 iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .....................................32 3.1. Kết quả xác định một số đặc trưng hóa lí của vật liệu .....................................32 3.2. Kết quả xác định điểm đẳng điện của vật liệu .................................................33 3.3. Kết quả khảo sát điều kiện tối ưu cho phép xác định xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ theo phương pháp UV -Vis ........................................................34 3.3.1. Bước sóng .....................................................................................................34 3.3.2. pH ..................................................................................................................36 3.3.3. Thời gian .......................................................................................................36 3.3.4. Chất lạ ...........................................................................................................37 3.4. Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính và xây dựng đường chuẩn của xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ .............................................................. 39 3.4.1. Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ ....................................................................................................39 3.4.2. Xây dựng đường chuẩn xác định xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ ..41 3.5. Giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng của phép đo ......................................49 3.5.1. Giới hạn phát hiện .........................................................................................49 3.5.2. Giới hạn định lượng ......................................................................................50 3.5.3. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo .....................................................52 3.6. Tổng kết các điều kiện xác định xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ bằng phép đo quang ................................................................................................ 55 3.7. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ của vật liệu theo phương pháp hấp phụ tĩnh 55 3.7.1. Ảnh hưởng khối lượng vật liệu .....................................................................55 3.7.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc .................................................................57 3.7.3. Ảnh hưởng của pH ........................................................................................58 3.7.4. Ảnh hưởng của chất lạ đến khả năng hấp phụ ..............................................60 3.7.5. Ảnh hưởng của nồng độ đầu của dung dịch nghiên cứu ............................... 67 3.8. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ của vật liệu theo phương pháp hấp phụ động ..................................................... 70 3.9. Thăm dò xử lý môi trường của quặng apatit với mẫu nước thải dệt nhuộm ..... 74 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 77 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Kí hiệu viết tắt 1. AbsHIn Độ hấp thụ quang của phenol đỏ 2. AbsMB Độ hấp thụ quang của xanh metylen 3. AbsMO Độ hấp thụ quang của metyl da cam 4. BET Đo diện tích bề mặt riêng: Brunaur – Emmetle – Teller 5. SEM Kính hiển vi điện tử quét: Scanning Electron Microscopy 6. UV-Vis 7. XRD Nhiễu xạ tia X: X- ray Diffration 8. BOD Lượng oxy hòa tan mà các quá trình sinh học phân hủy chất hữu cơ sử dụng: Biochemical Oxygen Demand 9. COD Nhu cầu oxi hóa học: Chemical Oxygen Demand 10. ICP - MS 11. IR 12. LOD Limit of Detection 13. LOQ Limit of Quantity 14. HIn Phenol đỏ 15. MB Metylen xanh 16. MO Metyl da cam 17. BTNMT 18. NT1 Nước thải trước xử lý 19. NT2 Nước thải sau xử lý 20. QCVN Quy chuẩn Việt Nam 21. TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 22. VLHP Vật liệu hấp phụ 23. VNL Vật liệu nền Nội dung Phổ tử ngoại khả kiến: Ultra Violet – Visble Phổ phát xạ cao tần cảm ứng: Inductively Coupled Plasma Mass Spectrocopy Phổ hồng ngoại: Infrared Spectroscopy Bộ tài nguyên môi trường iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may ...............11 Bảng 1.2. Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm................13 Bảng 1.3. Kết quả phân tích thành phần hóa học của quặng apatit Lào Cai ...............14 Bảng 3.1. Điể m đẳ ng điê ̣n của vật liệu ...........................................................................33 Bảng 3.2. Kết quả khảo sát bước sóng tối ưu của xanh metylen .................................34 Bảng 3.3. Kết quả khảo sát bước sóng tối ưu của metyl da cam .................................34 Bảng 3.4. Kết quả khảo sát bước sóng tối ưu của phenol đỏ.......................................35 Bảng 3.5. Sự ảnh hưởng của pH đến phép xác định xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ bằng phương pháp UV - Vis ............................................................ 36 Bảng 3.6. Sự ảnh hưởng của thời gian đến phép xác định xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ bằng phương pháp UV - Vis .......................................................36 Bảng 3.7. Khảo sát ảnh hưởng của chất lạ đối với xanh metylen................................ 37 Bảng 3.8. Khảo sát ảnh hưởng của chất lạ đối với metyl da cam ................................ 38 Bảng 3.9. Khảo sát ảnh hưởng của chất lạ đối với phenol đỏ .....................................39 Bảng 3.10. Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ .............................................................................................. 40 Bảng 3.11. Các giá trị b’ của đường chuẩn xanh metylen ...........................................44 Bảng 3.12. Các giá trị tổng bình phương và phương sai của xanh metylen ................44 Bảng 3.13. Các giá trị b’ của đường chuẩn metyl da cam ...........................................46 Bảng 3.14. Các giá trị tổng bình phương và phương sai của metyl da cam ................46 Bảng 3.15. Các giá trị b’ của đường chuẩn phenol đỏ.................................................48 Bảng 3.16. Các giá trị tổng bình phương và phương sai của phenol đỏ......................48 Bảng 3.17. Kết quả khảo sát độ lệch chuẩn tín hiệu đối với xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ .............................................................................................. 52 Bảng 3.18. Kết quả xác định sai số của phương pháp với phép đo xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ ...............................................................................54 Bảng 3.19. Tổng kết các điều kiện xác định xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ bằng phép đo quang .....................................................................................55 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Bảng 3.20. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ xanh metylen vào khối lượng vật liệu ....................................................................................................56 Bảng 3.21. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ metyl da cam vào khối lượng vật liệu ....................................................................................................56 Bảng 3.22. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ phenol đỏ vào khối lượng vật liệu ....................................................................................................57 Bảng 3.23. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ của xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ vào thời gian .........................................................58 Bảng 3.24. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ xanh metylen vào pH ....59 Bảng 3.25. Sự ảnh hưởng của ion Ca 2+ đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ xanh metylen ...................................................................................................61 Bảng 3.26. Sự ảnh hưởng của metyl da cam đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ xanh metylen .....................................................................................................61 Bảng 3.27. Sự ảnh hưởng của phenol đỏ đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ xanh metylen ...................................................................................................61 Bảng 3.28. Sự ảnh hưởng của hỗn hợp metyl da cam và phenol đỏ đế dung lượng và hiệu suất hấp phụ xanh metylen ........................................................................62 Bảng 3.29. Sự ảnh hưởng của hỗn hợp metyl da cam, phenol đỏ và các ion kim loại đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ xanh metylen .........................................62 Bảng 3.30. Sự ảnh hưởng của ion kim loại đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ metyl da cam .....................................................................................................63 Bảng 3.31. Sự ảnh hưởng của xanh metylen đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ metyl da cam .....................................................................................................63 Bảng 3.32. Sự ảnh hưởng của phenol đỏ đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ metyl da cam ...............................................................................................................63 Bảng 3.33. Sự ảnh hưởng của hỗn hợp xanh metylen và phenol đỏ đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ metyl da cam ........................................................................64 Bảng 3.34. Sự ảnh hưởng của hỗn hợp hỗn hợp các chất lạ đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ metyl da cam ................................................................................64 Bảng 3.35. Sự ảnh hưởng của ion kim loại đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ phenol đỏ ...........................................................................................................65 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Bảng 3.36. Sự ảnh hưởng của xanh metylen đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ phenol đỏ ...........................................................................................................65 Bảng 3.37. Sự ảnh hưởng của metyl da cam đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ phenol đỏ ...........................................................................................................65 Bảng 3.38. Sự ảnh hưởng của hỗn hợp xanh metylen và metyl da cam đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ phenol đỏ .........................................................................66 Bảng 3.39. Sự ảnh hưởng của hỗn hợp xanh metylen, metyl da cam và ion kim loại đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ phenol đỏ ..............................................66 Bảng 3.40. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch xanh metylen đến dung lượng hấp phụ ...67 Bảng 3.41. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch metyl da cam đến dung lượng hấp phụ .....68 Bảng 3.42. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch phenol đỏ đến dung lượng hấp phụ ....69 Bảng 3.43. Thông số hấp phụ theo mô hình Langmuir của các chất màu nghiên cứu ......70 Bảng 3.44. Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ xanh metylen ...........71 Bảng 3.45. Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metyl da cam ...........72 Bảng 3.46. Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ phenol đỏ .................73 Bảng 3.47. Kết quả phân tích COD và BOD5 của mẫu nước thải ............................... 75 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Công thức cấu tạo của xanh metylen ............................................................. 5 Hình 1.2. Công thức cấu tạo cation MB+ ......................................................................5 Hình 1.3. Dạng oxy hóa và dạng khử của xanh metylen ...............................................6 Hình 1.4. Công thức cấu tạo của metyl da cam ............................................................. 6 Hình 1.5. Công thức cấu tạo của phenol đỏ ...................................................................8 Hình 1.6. Cân bằng phản ứng của phenol vàng và phenol đỏ .......................................8 Hình 3.1. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của vật liệu ...............................................32 Hình 3.2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của vật liệu ........................................................32 Hình 3.3. Phổ hồng ngoại IR của vật liệu ....................................................................33 Hình 3.4. Điể m đẳ ng điê ̣n của vật liêu ........................................................................33 Hình 3.5. Đồ thị xác định bước sóng tối ưu của xanh metylen ...................................34 Hình 3.6. Đồ thị xác định bước sóng tối ưu của metyl da cam ...................................35 Hình 3.7. Đồ thị xác định bước sóng tối ưu của phenol đỏ .........................................35 Hình 3.8. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào pH của xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ ................................................................................................ 36 Hình 3.9. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào thời gian của xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ............................................................................................ 37 Hình 3.10. Ảnh hưởng của chất lạ đến độ hấp thụ quang của xanh metylen ..................37 Hình 3.11. Ảnh hưởng của chất lạ đến độ hấp thụ quang của metyl da cam.....................38 Hình 3.12. Ảnh hưởng của chất lạ đến độ hấp thụ quang của phenol đỏ .............................. 39 Hình 3.13. Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của xanh metylen ..................40 Hình 3.14. Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của metyl da cam ..................41 Hình 3.15. Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của phenol đỏ........................41 Hình 3.16. Đồ thị đường chuẩn của xanh metylen .....................................................43 Hình 3.17. Đồ thị đường chuẩn của metyl da cam ......................................................45 Hình 3.18. Đồ thị đường chuẩn của phenol đỏ ............................................................ 47 Hình 3.19. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ xanh metylen vào khối lượng vật liệu ...56 Hình 3.20. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ metyl da cam vào khối lượng vật liệu ...56 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Hình 3.21. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ phenol đỏ vào khối lượng vật liệu ......57 Hình 3.22. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ vào thời gian .......................................................................................57 Hình 3.23. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ vào pH ....................................................................................59 Hình 3.24. Ảnh hưởng của các chất lạ đến dung lượng hấp phụ xanh metylen ..........62 Hình 3.25. Ảnh hưởng của các chất lạ đến dung lượng hấp phụ của metyl da cam ..........64 Hình 3.26. Ảnh hưởng của các chất lạ đến dung lượng hấp phụ của phenol đỏ .........66 Hình 3.27. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với xanh metylen .....................67 Hình 3.28. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với xanh metylen .............................. 68 Hình 3.29. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với metyl da cam .....................68 Hình 3.30. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với metyl da cam ............................. 69 Hình 3.31. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với phenol đỏ .......................... 69 Hình 3.32. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với phenol đỏ ....................................70 Hình 3.33. Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ xanh metylen ............71 Hình 3.34. Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metyl da cam ............72 Hình 3.35. Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ phenol đỏ..................74 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Ở nước ta, quá trình phát triển các khu công nghiệp, các khu chế xuất đã góp phần tăng trưởng kinh tế, thúc đẩy đầu tư và sản xuất công nghiệp, góp phần hình thành các khu đô thị mới, giảm khoảng cách về kinh tế giữa các vùng. Tuy nhiên, bên cạnh sự chuyển biến tích cực về kinh tế là những tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái do các khu công nghiệp gây ra. Nước thải của phần lớn nhà máy, các khu chế xuất có chứa ion kim loại nặng, các chất màu hữu cơ, các chất hoạt động bề mặt… chưa được xử lí hoặc xử lí chưa triệt để là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường nước. Ở Việt Nam, một trong những nguồn nước thải đáng chú ý nhất là nước thải dệt nhuộm. Đặc điểm nổi bật của nước thải dệt nhuộm là chứa một nồng độ cao chất màu hữu cơ bền vi sinh, những hợp chất màu là những chất ô nhiễm dễ nhận thấy nhất bởi màu sắc của chúng. Thuốc nhuộm được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như dệt may, cao su, giấy, nhựa Do tính tan cao, các thuốc nhuộm là nguồn ô nhiễm nước. Việc thải nước chứa thuốc nhuộm chưa qua xử lý vào các nguồn nước tự nhiên như sông, suối sẽ làm nhiễm độc các sinh vật sống trong nước và phá hủy cảnh quan môi trường tự nhiên. Do đó, việc tìm ra phương pháp loại bỏ chúng ra khỏi môi trường nước có ý nghĩa hết sức to lớn. Trong số nhiều phương pháp xử lý nguồn nước ô nhiễm nói chung và ô nhiễm thuốc nhuộm nói riêng, phương pháp hấp phụ được lựa chọn và đã mang lại hiệu quả cao. Chất hấp phụ có thể là các vật liệu có nguồn gốc hoàn toàn tự nhiên (các loại quặng, đá ong, cao lanh…) hoặc nguồn gốc là phụ phẩm của các ngành công nghiệp, nông nghiệp (vỏ trấu, rơm rạ, xơ dừa, than tro bay…). Quặng apatit là nguồn khoáng liệu rất phổ biến ở Việt Nam và có tính đặc hấp phụ. Cho đến nay, việc nghiên cứu khả năng hấp phụ các chất màu hữu của quặng apatit còn chưa đầy đủ. Trên cơ sở đó chúng tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu khả năng hấp phụ xanh metylen, metyl da cam, phenol đỏ của quặng apatit và thăm dò xử lý môi trường" . 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu các nội dung sau: 1. Xác định một số đặc trưng hóa lí của vật liệu (quặng apatit). 2. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu. 3. Nghiên cứu điều kiện tối ưu cho phép xác định xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ bằng phương pháp UV – Vis. 4. Khảo sát khoảng tuyến tính, xây dựng và đánh giá đường chuẩn xác định xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ theo phương pháp UV – Vis. 5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ trong môi trường nước của quặng apatit theo phương pháp tĩnh. 6. Nghiên cứu khả năng hấp phụ xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ trong môi trường nước của quặng apatit theo phương pháp động. 7. Thăm dò khả năng xử lí môi trường của vật liệu. 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn NỘI DUNG Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Sơ lược về 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 có chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử π không cố định như: > C = C <, > C = N -, - N = N -, - NO2. Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận điện tử như: - NH2, - COOH, - SO3H, - OH …đóng vai trò tăng cường màu bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử [15]. Thuốc nhuộm là tên chung của hợp chất hữu cơ có màu, rất đa dạng về màu sắc và chủng loại, chúng có khả năng nhuộm màu bằng cách bắt màu hay gắn màu trực tiếp lên vải. Sau đây là một số nhóm thuốc nhuộm thường dùng ở Việt Nam [3]. Thuốc nhuộm trực tiếp Thuốc nhuộm trực tiếp hay còn gọi là thuốc nhuộm tự bắt màu là những hợp chất màu hoà tan trong nước, có khả năng tự bắt màu vào một số vật liệu như: các tơ xenlulozơ, giấy… nhờ các lực hấp phụ trong môi trường trung tính hoặc môi trường kiềm. Tuy nhiên, khi nhuộm màu đậm thì thuốc nhuộm trực tiếp không còn hiệu suất bắt màu cao, hơn nữa trong thành phần có chứa gốc azo (- N = N -), đây là loại hợp chất hữu cơ độc hại nên hiện nay loại thuốc này không còn được khuyến khích sử dụng. Thuốc nhuộm axit Theo cấu tạo hoá học, thuốc nhuộm axit đều thuộc nhóm azo, một số là dẫn xuất của antraquinon, triarylmetan, xanten, azin và quinophtalic, một số có thể tạo phức với ion kim loại. Các thuốc nhuộm loại này thường được sử dụng để nhuộm trực tiếp các loại sợi động vật tức là các nhóm xơ sợi có tính bazơ như len, tơ tằm, sợi tổng hợp polyamit trong môi trường axit. 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Thuốc nhuộm hoạt tính 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 liên kết hoá trị với vật liệu nói chung và xơ dệt nói riêng trong quá trình nhuộm. Thuốc nhuộm bazơ Thuốc nhuộm bazơ là những hợp chất màu có cấu tạo khác nhau, hầu hết chúng là các muối clorua, oxalat hoặc muối kép của bazơ hữu cơ. Thuốc nhuộm lưu huỳnh Thuốc nhuộm lưu huỳnh là những hợp chất màu chứa nguyên tử lưu huỳnh trong phân tử thuốc nhuộm ở các dạng - S - , - S - S - , - SO - , - Sn -. Trong nhiều trường hợp, lưu huỳnh nằm trong các dị vòng như: tiazol, tiazin, tiantren và vòng azin. Thuốc nhuộm hoàn nguyên Được dùng chủ yếu để nhuộm chỉ, vải, sợi bông, lụa visco. Thuốc nhuộm hoàn nguyên phần lớn dựa trên hai họ màu indigoit và antraquinon. Các thuốc nhuộm hoàn nguyên thường không tan trong nước, kiềm nên thường phải sử dụng các chất khử để chuyển về dạng tan được (thường là dung dịch NaOH + Na2S2O3 ở 50  600C). Ở dạng tan được này, thuốc nhuộm hoàn nguyên khuyếch tán vào xơ. Thuốc nhuộm phân tán Là những chất màu không tan trong nước, phân bố đều trong nước dạng dung dịch huyền phù, thường được dùng nhuộm xơ kị nước như xơ axetat, polyamit, polyeste, polyacrilonitrin. Phân tử thuốc nhuộm có cấu tạo từ gốc azo (- N = N -) và antraquinon có chứa nhóm amin tự do hoặc đã bị thay thế (- NH2, - NHR, - NR2, - NH - CH2 - OH) nên thuốc nhuộm dễ dàng phân tán vào nước. Mức độ gắn màu của thuốc nhuộm phân tán đạt tỉ lệ cao (90  95%) nên nước thải không chứa nhiều thuốc nhuộm và mang tính axit. Thuốc nhuộm azo không tan Thuốc nhuộm azo không tan còn có tên gọi khác như thuốc nhuộm lạnh, thuốc nhuộm đá, thuốc nhuộm naptol, chúng là những hợp chất có chứa nhóm azo trong phân tử nhưng không có mặt các nhóm có tính tan như - SO3Na, -COONa nên không hoà tan trong nước. 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Thuốc nhuộm pigment Pigment là những hợp chất có màu, có đặc điểm chung là không tan trong nước do phân tử không chứa các nhóm có tính tan (- SO3H, - COOH) hoặc các nhóm này bị chuyển về dạng muối bari, canxi không tan trong nước. Thuốc nhuộm này phải được gia công đặc biệt, để khi hoà tan trong nước nóng nó phân bố trong dung dịch như một thuốc nhuộm thực sự và bắt màu lên xơ sợi theo lực hấp phụ vật lý. 1.2. Giới thiệu chung về xanh metylen, metyl da cam và phenol đỏ 1.2.1. Xanh metylen Xanh metylen là một hợp chất thơm dị vòng, có một số tên gọi khác như là tetramethylthionine chlorhydrate, methylene blue, methylthioninium chloride, glutylene, có CTPT là: C16H18N3SCl. Công thức cấu tạo của xanh metylen như sau: Hình 1.1. Công thức cấu tạo của xanh metylen Xanh metylen có phân tử gam là 319,85g/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 xanh metylen là 373,9g/mol [18]. Xanh metylen là một chất màu thuộc họ thiôzin, phân ly dưới dạng cation MB+ là C16H18N3S+: Hình 1.2. Công thức cấu tạo cation MB+ Xanh metylen 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. 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Hình 1.3. Dạng oxy hóa và dạng khử của xanh metylen Xanh metylen 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. Xanh metylen bị hấp thu rất mạnh bởi các loại đất khác nhau. Trong môi trường nước, xanh metylen 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 xanh metylen vào trong không khí, nó sẽ tồn tại cả ở dạng hơi và bụi lơ lửng. 1.2.2. Metyl da cam Công thức phân tử: C14H14N3O3SNa Công thức cấu tạo: Hình 1.4. Công thức cấu tạo của metyl da cam Khối lượng phân tử : 327,34g/mol. Tên quốc tế: Natri para - dimetylaminoazobenzensunfonat. Metyl da cam (MO) là một monoazo thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, dệt may và các ngành công nghiệp khác. Metyl da cam có thể gây các bệnh về mắt, đường hô hấp, đường tiêu hóa [3]. Metyl da cam hay còn gọi là heliantin, bột màu vàng da cam, tan trong nước không tan trong etanol. Dung dịch trong nước dùng làm chỉ thị chuẩn độ axit - bazơ, 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn có màu hồng trong môi trường axit, màu vàng da cam trong môi trường kiềm, khoảng pH chuyển màu: 3,0  4,4. Thuốc nhuộm metyl da cam thuộc loại thuốc nhuộm axít, là một chất bột tinh thể màu da cam, độc, không tan trong dung môi hữu cơ, khó tan trong nước nguội, nhưng dễ tan trong nước nóng, d = 1,28g/cm3, nhiệt độ nóng chảy trên 3000C. Nó là hợp chất màu azo do có chứa nhóm mang màu - N = N -, có tính chất lưỡng tính với hằng số axit Ka = 4.10-4. Do có cấu tạo mạch cacbon khá phức tạp và cồng kềnh, liên kết - N = N - và vòng benzen khá bền vững nên metyl da cam rất khó bị phân huỷ. Trong môi trường kiềm và trung tính, metyl da cam có màu vàng là màu của anion: + Trong môi trường axit, phân tử metyl da cam kết hợp với proton H chuyển thành cation màu đỏ: Metyl da cam thường được sử dụng để nhuộm trực tiếp các loại sợi động vật, các loại sợi có chứa nhóm bazơ như len, tơ tằm, sợi tổng hợp polyamit trong môi trường axit, ngoài ra cũng có thể nhuộm xơ sợi xenlulozơ với sự có mặt của urê. Cơ chế nhuộm màu được mô tả như sau: OH H  Metyl da cam   Cation có màu đỏ. Anion có màu vàng da cam  - + OH H  [VLN] + N3(R)3SO3Na   [VLN][N 3 H(R)3SO3Na]. [VLN][N3(R)3SO 3 ]  - + (Với VNL: Vật liệu nền). 1.2.3. Phenol đỏ Công thức phân tử: C19H14O5S. Công thức cấu tạo: 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Hình 1.5. Công thức cấu tạo của phenol đỏ Khối lượng mol: 354,38g/mol. Điểm nóng chảy > 300°C Độ tan của nó là 0,77g/L trong nước (ở nhiệt độ 100°C) và 2,9g/L trong etanol. Điều kiện lưu trữ: từ 5°C tới 30°C. Hình 1.6. Cân bằng phản ứng của phenol vàng và phenol đỏ Phenol đỏ tồn tại như một tinh thể màu đỏ, ổn định trong không khí. Nó là một axit yếu với pKa = 8,00 ở 20°C. Phenol đỏ (còn được gọi là phenolsulfonphthalein) được sử dụng như một chỉ số pH, màu sắc của nó thể hiện một sự chuyển đổi dần dần từ màu vàng sang màu đỏ trên dải pH = 6,8÷8,2. Ở pH > 8,2, phenol đỏ có màu hồng tươi (fuchsia). Phenol đỏ là tác nhân gây ô nhiễm môi trường. Khi phenol đỏ tấn công vào các tế bào chúng gây tê liệt các dây nối quan trọng trong cơ thể. Con người khi tiếp xúc với phenol đỏ trong không khí có thể bị kích ứng đường hô hấp, đau đầu, cay mắt, thậm chí gây tử vong [10]. 1.3. Nước thải dệt nhuộm Nước thải công nghiệp dệt nhuộm rất đa dạng và phức tạp. Ngoài thành phần chính là phẩm nhuộm còn có chất hoạt động bề mặt, chất điện ly, chất ngâm, chất tạo môi trường, tinh bột, chất oxy hóa và nhiều loại hóa chất hòa tan dưới dạng ion. Sự tồn tại của chúng đã làm tăng tính độc hại của nước thải dệt nhuộm trong môi trường nước. 8