Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số thuốc nhuộm của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cây sen

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận văn nhằm mô tả quá trình hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ của VLHP theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, xác định dung lượng hấp phụ cực đại. Nghiên cứu động học hấp phụ và nhiệt động lực học quá trình hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ của VLHP. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số thuốc nhuộm của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cây sen

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THONGVANH PHONEMANY NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ THUỐC NHUỘM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ CÂY SEN LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Thái Nguyên, năm 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM –––––––––––––––––––– THONGVANH PHONEMANY NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ THUỐC NHUỘM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ CÂY SEN Ngành: Hóa phân tích Mã số: 8.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Thị Hậu Thái Nguyên, năm 2018
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 2018 Tác giả Thongvanh Phonemany
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 4 năm 2018 Tác giả Thongvanh Phonemany ii
MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan ............................................................................................................... iii Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii Danh mục các từ viết tắt .............................................................................................. iv Danh mục bảng ............................................................................................................. v Danh mục 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 tím tinh thể, metyl đỏ ............................................................ 7 1.2.1. Tím tinh thể ......................................................................................................... 7 1.2.2. Metyl đỏ .............................................................................................................. 8 1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ ...................................................................... 8 1.3.1. Các khái niệm ..................................................................................................... 8 1.3.1.1. Sự hấp phụ ....................................................................................................... 8 1.3.1.2. Giải hấp phụ ..................................................................................................... 9 1.3.1.3. Dung lượng hấp phụ cân bằng ......................................................................... 9 1.3.1.4. Hiệu suất hấp phụ .......................................................................................... 10 1.3.2. Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ ...................................................................... 10 1.3.3. Động học hấp phụ ............................................................................................. 12 1.3.4. Hấp phụ trong môi trường nước ....................................................................... 14 1.4. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng chất hữu cơ mang màu .................. 15 1.5. Giới thiệu về cây sen............................................................................................ 15 iii
1.6. Một số hướng nghiên cứu khả năng hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ ............... 16 Chương 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................... 19 2.1. Thiết bị và hóa chất.............................................................................................. 19 2.1.1. Thiết bị .............................................................................................................. 19 2.1.2. Hóa chất ............................................................................................................ 19 2.2. Chế tạo VLHP từ cây sen .................................................................................... 19 2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu ........................................................................................ 19 2.2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ ................................................................................... 20 2.3. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch tím tinh thể, metyl đỏ ........... 20 2.3.1. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch tím tinh thể......................... 20 2.3.2. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metyl đỏ ............................. 20 2.4. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của tím tinh thể và metyl đỏ ............. 21 2.4.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của tím tinh thể .............................. 21 2.4.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metyl đỏ .................................. 21 2.5. Một số đặc trưng của VLHP ................................................................................ 21 2.5.1. Diện tích bề mặt riêng (BET) ........................................................................... 21 2.5.2. Phổ hồng ngoại (IR).......................................................................................... 21 2.5.3. So sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ...................................... 21 2.5.4. Xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo được........................................... 22 2.6. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ tím tinh thể, metyl đỏ của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh ................................................................ 22 2.6.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH .............................................................................. 22 2.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng VLHP ...................................................... 23 2.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian .................................................................... 23 2.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ...................................................................... 24 2.6.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ............................................................... 25 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 26 3.1. Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch tím tinh thể, metyl đỏ 26 3.1.1. Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch tím tinh thể ............ 26 3.1.2. Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metyl đỏ ................ 27 iv
3.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của tím tinh thể và metyl đỏ 28 3.2.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của tím tinh thể ................. 28 3.2.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metyl đỏ .................................. 28 3.3. Một số đặc trưng của VLHP ................................................................................ 29 3.3.1. Diện tích bề mặt riêng (BET) ........................................................................... 29 3.3.2. Phổ hồng ngoại (IR).......................................................................................... 29 3.3.3. Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ......................... 33 3.3.4. Xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo được........................................... 33 3.4. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ tím tinh thể, metyl đỏ của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh ................................................................ 35 3.4.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH ................................................................. 35 3.4.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng .................................................... 37 3.4.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian ........................................................ 40 3.4.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ......................................................... 43 3.4.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu .................................................. 45 3.5. Động học hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ của VLHP ...................................... 47 3.5.1. Động học hấp phụ tím tinh thể của VLHP ....................................................... 47 3.5.2. Động học hấp phụ metyl đỏ của VLHP ............................................................ 50 3.6. Nhiệt động lực học hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ của VLHP ....................... 53 KẾT LUẬN ................................................................................................................ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 57 PHỤ LỤC 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 CV Crystal violet (tím tinh thể) iv
DANH MỤC BẢNG 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 ................ 7 Bảng 3.1: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch tím tinh thể ở các bước sóng khác nhau .......................................................................................... 26 Bảng 3.2: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl đỏ ở các bước sóng khác nhau ................................................................................................... 27 Bảng 3.3: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch tím tinh thể với các nồng độ khác nhau .............................................................................................. 28 Bảng 3.4: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl đỏ với các nồng độ khác nhau ................................................................................................... 28 Bảng 3.5 : Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ................. 33 Bảng 3.6: Số liệu xác định điểm đẳng điện của VLHP .............................................. 34 Bảng 3.7: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ tím tinh thể của VLHP .................................................................................................. 35 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ metyl đỏ của VLHP......................................................................................................... 36 Bảng 3.9: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến khả năng hấp phụ tím tinh thể của VLHP .................................................................................................. 38 Bảng 3.10: Sự phụ thuộc của hiệu suất và dung lượng hấp phụ metyl đỏ của VLHP vào khối lượng VLHP .................................................................... 39 Bảng 3.11. Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ tím tinh thể của VLHP vào thời gian .................................................................................. 40 Bảng 3.12: Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ metyl đỏ của VLHP vào thời gian .............................................................................................. 42 Bảng 3.13: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ tím tinh thể vào nhiệt độ ......................................................................................... 43 Bảng 3.14: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ metyl đỏ của VLHP vào nhiệt độ ............................................................................. 44 v
Bảng 3.15: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ tím tinh thể của VLHP vào nồng độ đầu ................................................................ 45 Bảng 3.16: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ metyl đỏ của VLHP vào nồng độ đầu ...................................................................... 46 Bảng 3.17: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir ................................. 47 Bảng 3.18: Số liệu khảo sát động học hấp phụ tím tinh thể của VLHP ..................... 48 Bảng 3.19: Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 đối với tím tinh thể ................. 50 Bảng 3.20: Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 đối với tím tinh thể .................. 50 Bảng 3.21: Số liệu khảo sát động học hấp phụ tím metyl đỏ của VLHP ................... 51 Bảng 3.22: Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 đối với metyl đỏ ..................... 53 Bảng 3.23: Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 đối với metyl đỏ ...................... 53 Bảng 3.24: Kết quả tính KC tại các nhiệt độ khác nhau .............................................. 54 Bảng 3.25: Các thông số nhiệt động đối với quá trình hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ ..................................................................................................... 55 vi
DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lg(qe – qt) vào t ..................................... 13 Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của tím tinh thể vào bước sóng............................................................................................ 26 Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của metyl đỏ vào bước sóng .................................................................................................. 27 Hình 3.3: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ tím tinh thể .................................... 28 Hình 3.4: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metyl đỏ ........................................ 29 Hình 3.5: Phổ hồng ngoại (IR) của nguyên liệu ......................................................... 31 Hình 3.6: Phổ hồng ngoại (IR) của VLHP biến tính bằng anđehit fomic .................. 32 Hình 3.7: Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ................... 33 Hình 3.8: Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP ................................................ 34 Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tím tinh thể của VLHP vào pH ............................................................................................ 35 Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp thụ metyl đỏ vào pH của VLHP ............................................................................................ 37 Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ tím tinh thể vào khối lượng VLHP ...................................................................................... 38 Hình 3.12: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl đỏ của VLHP vào khối lượng VLHP .................................................................... 39 Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tím tinh thể của VLHP vào thời gian ............................................................................ 41 Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ metyl đỏ vào thời gian ..................................................................................................... 42 Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tím tinh thể vào nhiệt độ ............................................................................................... 43 Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ metyl đỏ vào nhiệt độ ...................................................................................................... 44 Hình 3.17: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với tím tinh thể ..... 45 vi
Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của tím tinh thể ............ 45 Hình 3.19: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với metyl đỏ ......... 46 Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của metyl đỏ ................ 46 Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn phương trình giả động học bậc 1 đối với tím tinh thể ... 49 Hình 3.22: Đồ thị biểu diễn phương trình giả động học bậc 2 đối với tím tinh thể ... 49 Hình 3.23: Đồ thị biểu diễn phương trình giả động học bậc 1 đối với metyl đỏ ........ 52 Hình 3.24: Đồ thị biểu diễn phương trình giả động học bậc 2 đối với metyl đỏ ........ 52 Hình 3.25: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnKC vào 1/T của tím tinh thể và metyl đỏ ..................................................................................................... 54 vii
MỞ ĐẦU Nước sạch và vệ sinh môi trường là hai yếu tố đặc biệt quan trọng tác động trực tiếp đến sức khỏe của cộng đồng, tạo nên cơ sở vật chất để phát triển kinh tế, văn hoá, xã hội, là phương tiện sinh sống và phát triển bền vững của con người. Tuy nhiên trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền công nghiệp, quá trình đô thị hóa với tốc độ chóng mặt kéo theo đó là sự thiếu ý thức của con người trong vấn đề bảo vệ môi trường, nhất là môi trường nước. Mỗi năm những nhà máy, khu chế xuất, khu công nghiệp... thải ra một lượng lớn nước thải gây ô nhiễm môi trường. Việt Nam là đất nước có ngành công nghiệp dệt nhuộm phát triển vì vậy hàng năm nước thải của ngành công nhiệp này cũng chiếm một lượng đáng kể trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường. Lượng nước thải này chứa nhiều các chất hữu cơ mang màu độc hại do vậy nếu không được xử lý, loại bỏ các chất độc có trong nước, chúng sẽ xâm nhập vào cơ thể tích tụ lâu ngày ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, phá hủy cảnh quan môi trường tự nhiên, làm mất cân bằng hệ sinh thái. Trước thực trạng nguồn nước mặt và nước ngầm ngày càng bị ô nhiễm và cạn kiệt, nếu không có các chính sách về việc bảo vệ và sử dụng nước hợp lý thì trong tương lai nước sạch sẽ trở thành nguồn tài nguyên cực khan hiếm. 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 vượt trội như vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ chế tạo, chi phí thấp, thân thiện với môi trường, đặc biệt không làm nguồn nước bị ô nhiễm thêm. Chính vì vậy đây là vấn đề đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm, nghiên cứu. Đối với lĩnh vực xử lý môi trường, ta có thể sử dụng vật liệu tự nhiên (đá ong, quặng sắt, bentonit…) hay vật liệu chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp như xơ dừa, vỏ lạc, bã mía, bã chè, lõi ngô… 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 1
bệnh, hạt sen dùng làm thực phẩm… Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam sau khi thu hoạch hạt sen thì các bộ phận của cây sen bị thải bỏ, không được sử dụng vào mục đích nào. Cây 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 một số thuốc nhuộm của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cây sen” Trong đề tài chúng tôi lần lượt tập trung nghiên cứu các nội dung sau: - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ cây sen. - Khảo sát một số đặc trưng hóa lí của VLHP bằng phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), phương pháp phổ hồng ngoại (IR). - Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ phụ tím tinh thể, metyl đỏ của vật liệu hấp phụ chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh. - Mô tả quá trình hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ của VLHP theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, xác định dung lượng hấp phụ cực đại. - Nghiên cứu động học hấp phụ và nhiệt động lực học quá trình hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ của VLHP. 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 [12]. 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 [12]. 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. 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). 3
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 [12]. 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 oxi 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 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. 4
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 [11]. Bảng 1.1: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may Giới hạn theo TCVN 2015 TT Thông số 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 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. 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. 5
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 [6]. 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 oxi sinh hoá (BOD), nhu cầu oxi hoá học (COD) có thể lên đến 700mg/L và 2.500mg/L, hàm lượng chất rắn lơ lửng... cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép. Hàm lượng nước thải của các ngành này có chứa xianua (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. 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. 6
Bảng 1.2: Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm [10] Sản xuất vải sợi pha Sản xuất vải, sợi len và pha Sản xuất vải sợi bông (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 tím tinh thể, metyl đỏ 1.2.1. Tím tinh thể Tím tinh thể hay tím gentian là thuốc nhuộm triarylmethan. Loại thuốc nhuộm này được dùng để nhuộm mô và dùng trong phương pháp Gram để phân loại vi khuẩn. Tím tinh thể có tính kháng khuẩn, kháng nấm và anthelmintic, từng được coi là chất sát trùng hàng đầu. Tác dụng y học của chất này đã được thay thế bởi các loại thuốc mới, mặc dù nó vẫn nằm trong danh sách của Tổ chức Y tế thế giới. Công thức phân tử : C25N3H30Cl. Công thức cấu tạo: Khối lượng phân tử: 407,979 g/mol; Nhiệt độ nóng chảy: 205 °C. Khi hòa tan trong nước, tím tinh thể có màu tím-lam. Màu của thuốc nhuộm phụ thuộc vào độ axit của dung dịch. Ở pH = 1,0 thuốc nhuộm có màu xanh lá cây trong khi với dung dịch siêu axit, thuốc nhuộm có màu vàng. 7
Màu sắc khác nhau của thuốc nhuộm là do phân tử thuốc nhuộm thay đổi trạng thái khác nhau. Ở dạng màu vàng, cả ba nguyên tử nitơ có điện tích dương trong đó 2 nguyên tử nhận proton, trong khi ở dạng có màu xanh lá cây, thuốc nhuộm có 2 nguyên tử nitơ thay đổi điện tích. Ở pH trung tính, cả hai proton nhận thêm chuyển vào dung dịch, chỉ còn lại một trong các nguyên tử nitơ mang điện tích dương. pK a khi mất 2 proton vào khoảng 1,15 và 1,8 [33]. 1.2.2. Metyl đỏ Metyl đỏ là chất bột màu đỏ, ít tan trong nước, độ tan xấp xỉ 0,1 g/L, tan nhiều trong cồn. Metyl đỏ thuộc loại thuốc nhuộm axit do có một nhóm –COOH và chứa một liên kết –N=N– trong phân tử. Công thức phân tử : C15H15N3O2 Công thức cấu tạo: Khối lượng phân tử: 327,34 g/mol. Trong công nghiệp metyl đỏ thường được sử dụng để nhuộm các loại sợi động vật, các loại sợi có chứa nhóm bazơ như len, tơ tằm, sợi tổng hợp polyamit trong môi trường axit, cơ chế nhuộm màu như sau:   Cation cã mµu ®á  H Metyl ®á  OH  Anion cã mµu vµng Metyl đỏ có tính độc, nếu nhiễm độc metyl đỏ có thể gây ra các bệnh về da, mắt, đường hô hấp, đường tiêu hoá [7]. 1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 1.3.1. Các khái niệm 1.3.1.1. Sự hấp phụ 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. 8