Tài liệu Nghiên cứu tổng hợp màng composite trên nền pva

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------- HOÀNG NGỌC BÍCH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MÀNG COMPOSITE TRÊN NỀN PVA/AGAR/MALTODEXTRINE VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ CHẤT MÀU HỮU CƠ Chuyên ngành: kỹ thuật môi trường Mã số: 8520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2021 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS. Nguyễn Duy Trinh (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ hướng dẫn khoa học2 : PGS. TS. Bùi Xuân Thành (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS. Huỳnh Đại Phú (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS. TS. Mai Tuấn Anh (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM ngày 23 tháng 01 năm 2021 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. PGS. TS. Nguyễn Phước Dân 2. PGS. TS. Mai Tuấn Anh 3. PGS. TS. Huỳnh Đại Phú 4. TS. Võ Thanh Hằng 5. TS. Nguyễn Thái Anh Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Hoàng Ngọc Bích Ngày, tháng, năm sinh : 05-08-1995 Chuyên ngành : Kỹ Thuật Môi Trường I.TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu MSHV :1870274 Nơi sinh : TP. Hồ Chí Minh Mã số : 8520320 tổng hợp màng Composite dựa trên nền PVA/Agar/Maltodextrin và ứng dụng xử lý chất màu hữu cơ. II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Nghiên cứu quy trình tổng hợp màng PVA/Agar/Maltodextrin (PAM) bằng phương pháp đổ màng.  Phân tích đánh giá các đặc tính cấu trúc như : SEM, XRD, ATR-FTIR, TGA, tính cơ lý, độ trương, độ hoà tan của màng, độ ẩm và góc tiếp xúc.  Đánh giá khả năng hấp phụ của màng PAM đối với chất màu hữu cơ như : MB, CV, CR, MO.  Đánh giá khả năng hấp phụ với màng PAM ở các tỷ lệ : PAM 20:40:40, PAM 40:30:30, PAM 60:20:20, PAM 80:10:10.  Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của màng như : thời gian, pH dung dịch, nhiệt độ, nồng độ màu.  Đánh giá mô hình động học hấp phụ và đẳng nhiệt hấp phụ tương ứng với phương trình phi tuyến tính.  Nghiên cứu ảnh hưởng của MMT lên tính chất của màng PAM, màng PAM-MMT được tổng hợp bằng phương pháp đổ màng.  Màng PAM-MMT được phân tích đánh giá các đặc tính cấu trúc như : SEM, XRD, ATR-FTIR, TGA, DSC, tính cơ lý, độ trương, độ hoà tan, độ ẩm của màng, góc tiếp xúc.  Đánh giá khả năng hấp phụ màng đối với màng PAM-MMT-0%, PAM-MMT-5%, PAM-MMT-10%, PAM-MMT-20%, PAM-MMT-30%.  Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của màng như : thời gian, pH dung dịch, nhiệt độ, nồng độ màu.  Đánh giá mô hình động học hấp phụ và đẳng nhiệt hấp phụ tương ứng với phương trình phi tuyến tính.  Đánh giá quá trình rửa và tái sử dụng màng. III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 24/02/2020 IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/12/2020 V.CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên)  Cán bộ hướng dẫn 1: TS. Nguyễn Duy Trinh  Cán bộ hướng dẫn 2: PGS. TS. Bùi Xuân Thành CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) Cán bộ hƣớng dẫn 1 Cán bộ hƣớng dẫn 2 Nguyễn Duy Trinh Bùi Xuân Thành Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20.... CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƢỞNG KHOA….……… (Họ tên và chữ ký) I Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin trân trọng cảm ơn thầy TS. Nguyễn Duy Trinh và thầy PGS. TS. Bùi Xuân Thành không những hỗ trợ về vật chất mà còn định hướng đề tài, tận tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho em trong thời gian thực hiện các nội dung của đề tài. Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc thầy cô Khoa Môi Trường và Tài Nguyên trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho em những kinh nghiệm quý báu, đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập. Em cũng xin chân thành cảm ơn chị Nguyễn Thị Thương cùng các đồng nghiệp trong phòng thí nghiệm Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng thuộc Viện Kỹ Thuật Công Nghệ Cao, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành, đã quan tâm, động viên và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Lời sau cùng, con xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn ủng hộ, động viên và tiếp sức cho con trong cả vật chất cũng như tinh thần đó là sức mạnh lớn nhất giúp con vượt qua những lúc khó khăn và bế tắc trong thời gian làm đề tài. Trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn, em đã có những trải nghiệm thú vị và học hỏi được nhiều kiến thức bổ ích cho bản thân. Do kinh nghiệm và kiến thức của bản thân còn hạn chế, Các kết quả trong luận văn có thể vẫn còn nhiều thiếu xót và chưa được hoàn thiện. Em rất mong sẽ nhận được những ý kiến đóng góp của hội đồng nghiệm thu để luận văn được hoàn thiện và có chất lượng tốt hơn nữa. TP. Hồ Chí Minh, ngày …. tháng …. năm …. Tác giả luận văn Hoàng Ngọc Bích HVTH: Hoàng Ngọc Bích II Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong nghiên cứu này, màng PVA/Agar/Maltodextrin (PAM) được tổng hợp bằng cách đúc trên khuôn cố định. PAM đã loại bỏ hiệu quả thuốc nhuộm MB khỏi dung dịch nước. Các kết quả thu được từ phân tích SEM và FTIR minh họa sự hiện diện của liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl bề mặt của màng PAM. Hơn nữa, việc đánh giá TGA, tính chất cơ học, độ trương nở, độ hòa tan, độ ẩm, góc tiếp xúc đã được xác nhận đủ độ ổn định nhiệt, tính chất cơ học và tính toàn vẹn trong nước. Sự hấp phụ của màng PAM 20:40:40 bị ảnh hưởng mạnh bởi thời gian tiếp xúc 180 phút, pH dung dịch = 6 và nồng độ thuốc nhuộm ban đầu là 200 mg/L. Mô hình động học giả bậc hai và Temkin phù hợp với động học hấp phụ và đẳng nhiệt hấp phụ của màng PAM 20:40:40. Dung lượng hấp phụ tối đa được ghi nhận là 27,84 mg/g dựa trên mô hình Langmuir. Những kết quả này được cải thiện khi màng PAM được bổ sung thêm MMT. Kết quả thu được từ các phân tích SEM, FTIR và XRD đã minh họa sự xuất hiện của MMT trong polyme nền. Các tính chất cơ học, độ trương nở, độ hòa tan, độ ẩm và góc tiếp xúc được xác nhận hoàn toàn ổn định, tính chất cơ học và tính toàn vẹn trong nước. Khả năng hấp phụ của màng PAMMMT-20% bị ảnh hưởng mạnh bởi thời gian tiếp xúc 180 phút, pH của dung dịch = 8 và nồng độ thuốc nhuộm ban đầu là 200 mg/L. Mô hình động học giả bậc hai và Temkin phù hợp với động học hấp phụ và đẳng nhiệt của màng PAM-MMT-20%. Dung lượng hấp phụ tối đa được ghi nhận là 53,48 mg/g dựa trên mô hình Langmuir. Quá trình rửa và quá trình tái sử dụng cho thấy màng PAM-MMT-20% thích hợp với dung môi cồn pha nước với tỷ lệ % thể tích cồn và nước (40% cồn : 60% nước). Số lần tái sử dụng hiệu quả được ghi nhận là 8 lần cho thấy màng PAM-MMT-20% là vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong thực tế. HVTH: Hoàng Ngọc Bích III Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành ABSTRACT In the research, the PVA/Agar/Maltodextrin (PAM) membrane was synthesized by casting on fixed mold. PAM has effectively removed the MB dye from the aqueous solution. The results obtained from SEM and FTIR analyzes illustrate the presence of hydrogen bonding between the surface hydroxyl groups of the PAM membrane. Furthermore, the evaluation of TGA, mechanical properties, swelling, solubility, moisture, the contact angle were confirmed adequate thermal stability, mechanical properties and water integrity. The adsorption of PAM 20:40:40 membrane was strongly influenced by 180 minutes exposure time, solution pH = 6, and the initial dye concentration of 200 mg/L. The Pseudo-secondorder and Temkin models match the adsorption and isothermal kinetics of the PAM membrane 20:40:40. The maximum adsorption capacity was recorded at 27.84 mg/g based on the Langmuir model. These results were improved when the PAM membrane added with MMT. The result obtained from SEM, FTIR and XRD analyzes has illustrated the appearance of MMT in the matrix polymer. The mechanical properties, swelling, solubility, moisture and contact angle were confirmed complete stability, mechanical properties and integrity in water. The adsorption capacity of the PAM-MMT-20% membrane was strongly influenced by the 180-minute exposure time, the solution pH = 8, and the initial dye concentration of 200 mg/L. The Pseudo-second-order and Temkin models match the adsorption and isothermal kinetics of the PAM-MMT-20% membrane. The maximum adsorption capacity was recorded at 53.48 mg/g based on the Langmuir model. The washing process and the reusing process showed that PAM-MMT-20% membrane was suitable with the solvent (alcohol and water) at the rate of 40% alcohol : 60% water (v/v). The number of times of reuse 8 times shows that PAM-MMT-20% membrane is a potential material for practical application. HVTH: Hoàng Ngọc Bích IV Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Duy Trinh và PGS. TS. Bùi Xuân Thành. Công trình nghiên cứu của tôi không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các nội dung nghiên cứu, số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực, chưa từng được công bố trên bất kỳ hình thức nào. Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng các thông tin, số liệu dựa trên các tài liệu thực tế của các tác giả khác được thu thập phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được trích dẫn, chú thích nguồn gốc và được ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Nếu có bất kỳ phát hiện nào về sự gian lận trong luận văn, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung luận văn của mình trƣớc Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh và hội đồng bảo vệ luận văn tốt nghiệp. Trường đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh sẽ không liên quan đến những vi phạm về tác quyền hay bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có). TP. Hồ Chí Minh, Ngày …. tháng …. năm …. Tác giả luận văn Hoàng Ngọc Bích HVTH: Hoàng Ngọc Bích V Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................................................... 1 1.1. Phương Pháp Xử Lý Nước Thải Dệt Nhuộm ............................................................................ 1 1.2. Màu Công Nghiệp.................................................................................................................... 5 1.2.1. Khái Niệm ......................................................................................................................... 5 1.2.2. Thuốc Nhuộm Hoạt Tính .................................................................................................. 5 1.2.3. Thuốc Nhuộm Trực Tiếp................................................................................................... 6 1.2.4. Thuốc Nhuộm Hoàn Nguyên ............................................................................................ 6 1.2.5. Thuốc Nhuộm Phân Tán ................................................................................................... 7 1.2.6. Thuốc Nhuộm Lưu Huỳnh ................................................................................................ 7 1.2.7. Thuốc Nhuộm Bazơ (Cation) ............................................................................................ 7 1.2.8. Thuốc Nhuộm Axit (Anion) ............................................................................................... 7 1.2.9. Ảnh Hưởng Của Thuốc Nhuộm Đến Môi Trường............................................................. 8 1.3. Màng Composite ..................................................................................................................... 9 1.3.1. Khái Niệm Màng Composite............................................................................................. 9 1.3.2. Polymer Nền..................................................................................................................... 9 1.3.3. Chất Độn........................................................................................................................... 9 1.3.4. Ưu điểm ......................................................................................................................... 10 1.3.5. Nhược điểm ................................................................................................................... 10 1.3.6. Ứng dụng ........................................................................................................................ 10 1.4. Vật Liệu PVA .......................................................................................................................... 11 1.4.1. Khái Niệm ....................................................................................................................... 11 1.4.2. Tính Chất Của PVA.......................................................................................................... 12 1.4.3. Ứng Dụng Của PVA ......................................................................................................... 13 1.5. Vật Liệu Maltodextrin ........................................................................................................... 16 1.5.1. Khái Niệm ....................................................................................................................... 16 1.5.2. Tính Chất Của Maltodextrin ........................................................................................... 17 1.5.3. Ứng Dụng Của Maltodextrin .......................................................................................... 18 1.6. Vật Liệu Agar ......................................................................................................................... 18 1.6.1. Khái Niệm ....................................................................................................................... 18 1.6.2. Tính Chất Của Agar ......................................................................................................... 19 1.6.3. Ứng Dụng Của Agar ........................................................................................................ 20 1.7. Vật liệu khoáng sét Momorillonite (MMT) ........................................................................... 23 1.7.1. Khái Niệm ....................................................................................................................... 23 HVTH: Hoàng Ngọc Bích VI Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành 1.7.2. Tính Chất Của MMT........................................................................................................ 24 1.7.3. Ứng Dụng Của MMT ....................................................................................................... 26 1.8. Tình Hình Nghiên Cứu ........................................................................................................... 27 1.8.1. Tình Hình Nghiên Cứu Trên Thế Giới ............................................................................. 27 1.8.2. Tình Hình Nghiên Cứu Trong Nước ................................................................................ 29 1.9. Mục Tiêu Và Nội Dung Nghiên Cứu....................................................................................... 30 1.9.1. Mục Tiêu......................................................................................................................... 30 1.9.2. Nội Dung Nghiên Cứu..................................................................................................... 30 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................................................. 32 2.1. Phương Pháp Tổng Hợp Màng .............................................................................................. 32 2.1.1. Tổng hợp màng PAM...................................................................................................... 32 2.1.2. Tổng hợp màng PAM-MMT............................................................................................ 33 2.2. Đánh Giá Khả Năng Hấp Phụ Của Màng ................................................................................ 33 2.3. Đánh Giá Quá Trình Rửa Và Khả Năng Tái Sử Dụng .............................................................. 35 2.4. Mô Hình Đẳng Nhiệt Hấp Phụ ............................................................................................... 35 2.4.1. Đẳng Nhiệt Hấp Phụ Langmuir ....................................................................................... 35 2.4.2. Đẳng Nhiệt Hấp Phụ Freundlich ..................................................................................... 36 2.4.3. Đẳng Nhiệt Hấp Phụ Temkin .......................................................................................... 37 2.4.4. Đẳng Nhiệt Hấp Phụ Dubinin – Radushkevich ............................................................... 37 2.5. Mô Hình Động Học Hấp Phụ ................................................................................................. 38 2.5.1. Động Học Hấp Phụ Giả Bậc 1.......................................................................................... 38 2.5.2. Động Học Hấp Phụ Giả Bậc 2.......................................................................................... 39 2.5.3. Động Học Bangham ........................................................................................................ 39 2.5.4. Động Học Evlovich .......................................................................................................... 40 2.6. Phương Pháp Phân Tích ........................................................................................................ 40 2.6.1. Tính Cơ Lý ....................................................................................................................... 40 2.6.2. Phân Tích Hình Thái Bề Mặt (SEM)................................................................................. 41 2.6.3. Phương Pháp Nhiễm Xạ Ronghen (XRD) ........................................................................ 41 2.6.4. Phổ Hồng Ngoại Phản Xạ Toàn Phần Tắt Dần (ATR-FTIR) .............................................. 41 2.6.5. Phương Pháp Phổ Hấp Thụ Tử Ngoại Và Khả Kiến (Uv-Vis) ........................................... 41 2.6.6. Phân Tích Nhiệt Trọng Lượng Vi Sai (TGA) ..................................................................... 41 2.6.7. Phương Pháp Đánh Giá Độ Tan, Độ Ẩm và Độ Trương Của Màng................................. 42 2.6.8. Phân Tích Contac Angle .................................................................................................. 42 2.6.9. Xác định điểm pH có điện tích bằng không (pHpzc) ...................................................... 43 HVTH: Hoàng Ngọc Bích VII Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành 2.6.10. Đánh giá sai số.............................................................................................................. 44 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN................................................................................................ 45 3.1. Tính chất hóa lý và khả năng hấp phụ màu của Màng PAM ................................................. 45 3.1.1. Bề mặt, cấu trúc và tính chất cơ lý của màng PAM........................................................ 45 3.1.2. Khả Năng Hấp Phụ Màu Hữu Cơ Của Màng Composite PAM ........................................ 53 3.1.3. Nghiên Cứu Động Học Hấp Phụ ..................................................................................... 58 3.1.4. Nghiên Cứu Đẳng Nhiệt Hấp Phụ ................................................................................... 59 3.2. Tính chất và khả năng hấp phụ màu của Màng PAM-MMT .................................................. 61 3.2.1. Bề mặt, cấu trúc và tính chất của màng ......................................................................... 61 3.2.2. Khả Năng Hấp Phụ Của Màng PAM-MMT ...................................................................... 68 3.2.3. Nghiên Cứu Động Học Hấp Phụ ..................................................................................... 71 3.2.4. Nghiên Cứu Đẳng Nhiệt Hấp Phụ ................................................................................... 73 3.3. Đánh giá độ bền của màng PAM-MMT ................................................................................. 74 3.3.1. Ảnh Hưởng Của Dung Môi ............................................................................................. 74 3.3.2. Số Lần Tái Sử Dụng ......................................................................................................... 76 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................. 78 4.1. Kết Luận................................................................................................................................. 78 4.2. Kiến Nghị ............................................................................................................................... 79 HVTH: Hoàng Ngọc Bích VIII Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành DANH MỤC HÌNH, BẢNG BIỂU Hình 1.1: Các phương pháp loại bỏ thuốc nhuộm màu [6] ................................................. 1 Hình 1.2: Thuốc nhuộm tổng hợp thường sử dụng trong các ngành công nghiệp.[9] ........ 5 Hình 1.3: Cấu trúc phân tử của màu MB (A), CV (B), MO (C), CR (D).[10] ................... 8 Hình 1.4: Cấu trúc của PVA [14] ...................................................................................... 11 Hình 1.5: phương trình tổng hợp PVA [12] ...................................................................... 11 Hình 1.6: Cấu trúc của Matodextrin [21] .......................................................................... 17 Hình 1.7: Cấu trúc của agar [27] ....................................................................................... 19 Hình 1.8: Cấu trúc không gian mạng lưới của MMT [34] ............................................... 24 Hình 1.9: Mạng tứ diện SiO4 [35] ..................................................................................... 24 Hình 1.10: Mạng bát diện MeO6 (Me =Al,Mg) [35] ........................................................ 24 Hình 2.1: Quy trình tổng hợp màng PAM ........................................................................ 33 Hình 2.2: Quy trình tổng hợp màng PAM-MMT ............................................................. 33 Hình 2.3: Quy trình đánh giá khả năng hấp phụ ............................................................... 34 Hình 2.4: Góc tiếp xúc [56]............................................................................................... 43 Hình 3.1: Ảnh SEM bề mặt và mặt cắt ngang của Màng PVA (A,a), PA (B,b), PM (C,c), PAM (80:20) (D,d), PAM (60:40) (E,e), PAM (40:60) (F,f), PAM (20:80) (G,g). ................................................................................................................................. 46 Hình 3.2: FTIR của màng PVA (a), PA (b), PM (c), PAM 20:40:40 (d), PAM 40:30:30 (e), PAM 60:20:20 (f) và PAM 80:10:10 (g). .................................................... 47 Hình 3.3: Giản đồ XRD của màng PVA, PA, PM, PAM 20:40:40, PAM 40:30:30, PAM 60:20:20 và PAM 80:10:10. .................................................................................... 48 Hình 3.4: TGA and DTG của màng PVA, PA, PM, PAM 20:40:40, PAM 40:30:30, PAM 60:20:20 và PAM 80:10:10. .................................................................................... 49 Hình 3.5: góc tiếp xúc của màng PVA, PA, PM, PAM 20:40:40, PAM 40:30:30, PAM 60:20:20 và PAM 80:10:10. .................................................................................... 53 Hình 3.6: Hấp phụ chọn lọc của màng PAM .................................................................... 54 Hình 3.7: Khả năng hấp phụ của màng PAM 20:40:40, PAM 40:30:30, PAM 60:20:20 và PAM 80:10:10. .............................................................................................. 55 HVTH: Hoàng Ngọc Bích IX Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành Hình 3.8: Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ ..................................................................... 56 Hình 3.9: Giá trị pHpzc (A), ảnh hưởng của pH dung dịch (B) ......................................... 57 Hình 3.10: ảnh hưởng của nồng độ MB ............................................................................ 58 Hình 3.11: Mô hình động học hấp phụ của màng PAM 20:40:40 .................................... 59 Hình 3.12: mô hình đẳng nhiệt hấp phụ của màng PAM 20:40:40 .................................. 60 Hình 3.13: Ảnh SEM của Màng PAM-MMT-0% (A, a), PAM-MMT-5% (B, b), PAM-MMT-10% (C, c), PAM-MMT-20% (D, d) và PAM-MMT-30% (E, e)................ 62 Hình 3.14: Ảnh FTIR của màng PAM-MMT-0% (a), PAM-MMT-5% (b), PAMMMT-10% (c), PAM-MMT-20% (d) và PAM-MMT-30% (e). ....................................... 64 Hình 3.15: Giản đồ XRD của Màng PAM-MMT-0%, PAM-MMT-5%, PAMMMT-10%, PAM-MMT-20% và PAM-MMT-30%. .............................................. 65 Hình 3.16: Góc tiếp xúc của màng PAM-MMT-0%, PAM-MMT-5%, PAM-MMT10%, PAM-MMT-20% và PAM-MMT-30%. .................................................................. 68 Hình 3.17: Ảnh hưởng của tỷ lệ MMT ............................................................................. 69 Hình 3.18: Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ ................................................................... 69 Hình 3.19: Giá trị pHpzc (A), ảnh hưởng của pH dung dịch (B) ....................................... 70 Hình 3.20: Ảnh hưởng của nồng độ MB ........................................................................... 71 Hình 3.21: Động học hấp phụ của màng PAM-MMT-20% ............................................. 72 Hình 3.22: Đẳng nhiệt hấp phụ của màng PAM-MMT-20% ........................................... 74 Hình 3.23: ảnh hưởng của dung môi rửa màng................................................................. 75 Hình 3.24: Tỷ lệ dung môi cồn:nước ................................................................................ 76 Hình 3.25: Khả năng tái sử dụng của màng ...................................................................... 77 Bảng 1.1: Ưu và Nhược điểm của một số phương pháp xử lý các hợp chất hữu cơ có màu.[2,6,7] ..................................................................................................................2 Bảng 3.1: tính chất cơ lý của màng PVA, PA, PM, PAM 20:40:40, PAM 40:30:30, PAM 60:20:20 và PAM 80:10:10. ............................................................................51 Bảng 3.2: độ tan, độ trương, độ ẩm của màng PVA, PM, PA, PAM 20:40:40, PAM 40:30:30, PAM 60:20:20 và PAM 80:10:10. ............................................................52 HVTH: Hoàng Ngọc Bích X Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành Bảng 3.3: Các thông số động học cho sự hấp phụ của MB trên màng PAM 20:40:40 ...................................................................................................................................59 Bảng 3.4: Các thông số đẳng nhiệt cho sự hấp phụ của MB trên màng PAM 20:40:40 .....................................................................................................................60 Bảng 3.5: Tính cơ lý của màng PAM-MMT-0%, PAM-MMT-5%, PAM-MMT10%, PAM-MMT-20% và PAM-MMT-30%. ..........................................................66 Bảng 3.6: Giá trị độ ẩm, độ tan, độ trương của màng PAM-MMT-0%, PAM-MMT5%, PAM-MMT-10%, PAM-MMT-20% và PAM-MMT-30%. ..............................67 Bảng 3.7: Thông số động học cho sự hấp phụ của MB trên màng PAM-MMT-20% ...................................................................................................................................72 Bảng 3.8: Các thông số đẳng nhiệt cho sự hấp phụ của MB trên màng PAM-MMT20%............................................................................................................................74 HVTH: Hoàng Ngọc Bích XI Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT MMT PA PAM PAM 20:40:40 PAM 40:30:30 PAM 60:20:20 PAM 80:10:10 PAM-MMT PAM-MMT-0% PAM-MMT-10% PAM-MMT-20% PAM-MMT-30% PAM-MMT-5% PM PVA MB CV CR MO SEM XRD ATR-FTIR Uv-Vis TGA pHpzc TEM SD RSD MSRE SSE CHÚ THÍCH Montmorillonite hay còn gọi là khoáng sét Poly-vinyl alcohol kết hợp với Agar Màng PVA kết hợp Agar và maltodextrin Màng PAM với tỷ lệ 20% PVA :40% Agar :40% Maltodextrin Màng PAM với tỷ lệ 40% PVA :30% Agar :30% Maltodextrin Màng PAM với tỷ lệ 60% PVA :20% Agar :20% Maltodextrin Màng PAM với tỷ lệ 80% PVA :10% Agar :10% Maltodextrin Màng PAM kết hợp với MMT Màng PAM với tỷ lệ 20% PVA :40% Agar :40% Maltodextrin Màng PAM kết hợp với MMT với tỷ lệ 10% Màng PAM kết hợp với MMT với tỷ lệ 20% Màng PAM kết hợp với MMT với tỷ lệ 30% Màng PAM kết hợp với MMT với tỷ lệ 5% Poly-vinyl alcohol kết hợp với Maltodextrin Poly-vinyl alcohol Methylene Blue Crystal Violet Congo Red Methyl Organe Scanning Electron Microscope X-ray Powder Diffraction Attenuated Total Reflection – Fourier Transform Infrared Spectroscopy Ultraviolet–visible spectroscopy Thermal Gravimetric Analysis PH of Point Zero Charge Transmission Electron Microscope Standard Deviation Relative Standard Deviation Mean Square Relative Error Sum Square Error HVTH: Hoàng Ngọc Bích XII Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các ngành công nghiệp như công nghiệp sơn, dệt, in, hoá dầu...phát triển rất mạnh mẽ, đã tác động tích cực đến sự phát triển kinh tế xã hội. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích mà nó mang lại thì những tác hại mà các ngành công nghiệp này gây ra với môi trường là rất đáng lo ngại. Ở Việt Nam đang tồn tại một thực trạng là nước thải công nghiệp ở hầu hết các cơ sở sản xuất mới chỉ được xử lý sơ bộ, thậm chí thải trực tiếp ra môi trường dẫn đến môi trường nước (kể cả nước mặt và nước ngầm) ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Thành phần nước thải công nghiệp của các cơ sở như: dệt may, cao su, giấy và mỹ phẩm,… chủ yếu là các chất màu, thuốc nhuộm hoạt tính, các ion kim loại nặng, các chất hữu cơ. Trong đó các chất màu thuốc nhuộm do có tính tan cao nên chúng là tác nhân chính gây ô nhiễm các nguồn nước và ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và các sinh vật sống. Nguy hiểm hơn nữa là thuốc nhuộm trong nước thải rất khó phân hủy vì chúng có độ bền cao với ánh sáng, nhiệt và các tác nhân gây oxi hoá. Vì vậy, bên cạnh việc nâng cao ý thức bảo vệ môi trường của con người, siết chặt công tác quản lý môi trường thì việc tìm ra phương pháp nhằm loại bỏ các ion kim loại nặng, các hợp chất màu hữu cơ, thuốc nhuộm hoạt tính độc hại ra khỏi môi trường nước có ý nghĩa hết sức to lớn. Trong những năm gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu và sử dụng các phương pháp khác nhau nhằm xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải. Tuy nhiên, các phương pháp xử lý nước thải truyền thống như: phương pháp cơ học, phương pháp sinh học và phương pháp hóa lý đều không xử lý được hoặc xử lý không triệt để các chất ô nhiễm này. Để có thể xử lý triệt để các chất ô nhiễm này thì các nghiên cứu gần đây cho thấy các vật liệu hấp phụ, và vật liệu quang xúc tác là các vật liệu tiềm năng trong việc xử lý các chất màu hữu cơ có trong nước thải. Nhưng điểm yếu của vật liệu hấp phụ là khả năng phân tán khiến cho vật liệu khó thu hồi và tái sử dụng được vật liệu. Ngoài ra, trên thế giới hiện đang đề cao các vấn đề môi trường, các sản phẩm cũng phải thân thiện với môi trường. Để khắc phục điểm yếu này thì màng hấp phụ trên nền PVA được xem xét để sử dụng và cải thiện chất lượng nước sau khi xử lý, với các đặc trưng về cấu trúc màng được sử dụng HVTH: Hoàng Ngọc Bích XIII Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành như một tấm chắn, dùng để ngăn cản các chất tồn tại trong nước. Tuy có những công dụng tốt và thực tế nhưng màng vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong đời sống do giá thành và chi phí vận hành cao. Ngoài ra việc xử lý màng sau quá trình sử dụng cũng là một vấn đề đang được các nhà nghiên cứu quan tâm. Theo sự nghiên cứu và tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước, dựa vào khả năng hấp phụ chọn lọc và tính thân thiện với môi trường mà đề tài : “Nghiên cứu tổng hợp màng Composite dựa trên nền PVA/ Agar/Maltodextrin và ứng dụng xử lý chất màu hữu cơ” đã được thực hiện. HVTH: Hoàng Ngọc Bích 1 Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Phương Pháp Xử Lý Nước Thải Dệt Nhuộm Trong vòng vài năm trở lại đây con người nhận thức rõ ràng hơn về những tác động đối với môi trường và sức khoẻ con người của các loại thuốc nhuộm màu, do vậy việc phát triển các phương pháp nhằm xử lý tình trạng ô nhiễm môi trường cũng như chủ động xử lý nước thải của các nhà máy có sử dụng thuốc nhuộm là nhu cầu tất yếu và bắt buộc. Có rất nhiều phương pháp đã được sử dụng có hiệu quả trong việc loại màu thuốc nhuộm, được chia thành 3 nhóm lớn là các phương pháp sinh học, hoá học và vật lý. Các phương pháp vật lý và hoá học bao gồm hấp phụ, quang xúc tác, phân huỷ quang xúc tác hấp phụ, ozone hoá, đông tụ, điện đông tụ các phương pháp điện hoá, phương pháp tách màng, phương pháp siêu âm, oxi hoá không khí ướt đã ứng dụng thành công trong việc xử lý các chất màu khác nhau [1– 5]. Hình 1.1: Các phương pháp loại bỏ thuốc nhuộm màu [6] Một vài phương pháp vẫn còn có giá thành cao và có thể sinh ra các chất phụ độc hại. Các phương pháp xử lý sinh học để loại màu thuốc nhuộm dựa vào các hệ HVTH: Hoàng Ngọc Bích 2 Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành thống xử lý kỵ khí và hiếu khí. Mặc dù các phương pháp sinh học được đánh giá là các phương pháp kinh tế nhất khi so sánh với các phương pháp hoá lý khác, tuy nhiên khả năng ứng dụng của chúng lại bị hạn chế về kỹ thuật như thời gian xử lý dài và thường không hiệu quả khi xử lý các chất nhuộm màu có cấu trúc polymer cao phân tử bền vững. Hơn nữa, thành phần các chất màu trong nước thải thường gây độc cho quần xã hoặc quần thể vi sinh vật sử dụng trong bùn. Trong Bảng 1.1 thống kê các ưu điểm và nhược điểm của một số phương pháp hiện nay đang sử dụng trong công nghệ loại bỏ thuốc nhuộm. Bảng 1.1: Ưu và Nhược điểm của một số phương pháp xử lý các hợp chất hữu cơ có màu.[2,6,7] PHƢƠNG ƢU ĐIỂM PHÁP NHƢỢC ĐIỂM Là nguyên nhân dẫn đến các ô nhiễm khác từ các phản ứng phụ và tạo ra Công nghệ đơn giản, kinh tế. hàm lượng bùn quá lớn. Giá thành Ozon hoá Không thay đổi về thể tích ozone cao, chỉ một lượng ozone có thể xử lý được chuyển hoá vì tốc độ truyền khối lượng rất chậm, chỉ số bán thời gian ngắn (20 phút) Không tạo ra lượng bùn lớn, Quang hoá tốc độ xử lý nhanh và hiệu Hình hành các sản phẩm phụ, giá thành quả hấp phụ các chất màu năng lượng cao tốt Giá thành kinh tế, có thể Tốc độ xử lý chậm, cần thiết lập điều thực hiện được ở tất cả các kiện môi trường tối ưu, đòi hỏi các điều quy mô kiện giàu dinh dưỡng để duy trì Hấp phụ Khả năng hấp phụ cao và Giá thành vận hành cao, do vậy khó có lên không có sự phân huỷ hoá thể mở rộng quy trình ở quy mô lớn; cacbon học. Có khả năng thực hiện Không hiệu quả đối với một số loại Phân huỷ sinh học HVTH: Hoàng Ngọc Bích 3 Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: TS. Nguyễn Duy Trinh PGS.TS. Bùi Xuân Thành hoạt ở mô hình có dòng chảy lớn, thuốc nhuộm có độ phân tán cao tính chất lượng nước sau xử lý tốt mà không tồn dư bùn cũng như các cặn chứa. Không cần bổ sung các chất hoá học, dễ dàng vận hành Điện hoá và khả năng loại bỏ chất Giá thành điện cao mùa cao, sản phẩm cuối cùng không độc hại Trao đổi ion Không thất thoát các chất hấp phụ, có hiệu quả loại màu tốt Thân thiện với môi trường, Lọc màng có khả năng loại bỏ hầu hết các loại màu, chất lượng nước thải tốt Oxi hoá Giá thành cao, không hiệu quả đối với thuốc nhuộm có độ phân tán cao. Không hiệu quả trong các hệ thống cột hoặc dòng chảy hấp phụ Tạo ra nhiều bùn; Cần áp suất lớn nên giá thành cao, không phù hợp khi xử lý ở quy mô lớn Quá trình diễn ra nhanh và Tổng hợp một số sản phẩm rất độc như hiệu quả cao hợp chất organochlorine Không chuyển các chất độc hại từ pha này sang pha khác, đồng thời cũng không Oxi hoá tạo ra một lượng lớn bùn nâng thải độc hại. Chỉ một lượng cao nhỏ hoá chất bị tiêu hao và (AOPs) có hiệu quả cao đối với các loại màu bền vững. Những chất hữu cơ thường bị oxi hoá đến sản phẩm CO2 HVTH: Hoàng Ngọc Bích Giá thành vận hành cao. Hiệu quả xử lý chưa tương xứng với thành phần đa dạng của nước thải dệt nhuộm