Luận văn Thạc sĩ Quản lý Tài nguyên và Môi trường: Nghiên cứu sử dụng vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24 trong môi trường nước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ MAI LINH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ

TỪ VỎ TRẤU XỬ LÝ CHẤT NHUỘM MÀU

REACTIVE RED 24 TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

Thái Nguyên - 2020

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ MAI LINH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ

TỪ VỎ TRẤU XỬ LÝ CHẤT NHUỘM MÀU

REACTIVE RED 24 TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Chuyên ngành: Quản lý Tài Nguyên và Môi trường Mã số: 885 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Đặng Văn Minh

2. PGS.TS. Nguyễn Văn Đăng

Thái Nguyên - 2020

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Thị Mai Linh xin cam đoan luận văn này, công trình nghiên

cứu“Nghiên cứu sử dụng vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu xử lý chất nhuộm màu

Reactive Red 24 trong môi trường nước’’ là do cá nhân tôi thực hiện dưới sự hướng

dẫn khoa học của GS.TS. Đặng Văn Minh và PGS.TS. Nguyễn Văn Đăng, không

sao chép các công trình nghiên cứu của người khác.Số liệu và kết quả của luận văn

chưa từng được công bố ở bất kỳ một công trình khoa học nào khác.

Các thông tin thứ cấp sử dụng trong luận văn là có nguồn gốc rõ ràng, được

trích dẫn đầy đủ, trung thực và đúng quy cách.

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận văn.

Tác giả

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Nguyễn Thị Mai Linh

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS.

Đặng Văn Minh (Đại học Thái Nguyên) và PGS.TS. Nguyễn Văn Đăng (Đại học

Khoa học) đã định hướng cho tôi hướng nghiên cứu và hướng dẫn khoa học trong

suốt quá trình thực hiện luận văn này trong khuôn khổ của đề tài “Nghiên cứu chế

tạo vật liệu hấp phụ - xúc tác dạng màng và sợi cấu trúc nano trên cơ sở nano

kim loại hoặc oxit kim loại phân tán trên phế phụ phẩm nông - công nghiệp biến

tính bằng các phương pháp tổng hợp hóa lý, ứng dụng trong xử lý nước thải”

do PGS.TS. Nguyễn Văn Đăng chù trì.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Tài nguyên &

Môi trường, đặc biệt là TS. Văn Hữu Tập đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt

thời gian học tập cũng như nghiên cứu tại trường.

Sau cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã

luôn động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận luận

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

văn này.

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii

MỤC LỤC ............................................................................................................ iii

CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................................... v

DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................... vi

DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. vii

MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1

1. Lý do lựa chọn đề tài nghiên cứu ...................................................................... 1

2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................... 2

3. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................................. 2

4. Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu ........................................................... 2

5. Những đóng góp mới của đề tài ........................................................................ 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................. 4

1.1. Nước thải dệt nhuộm và đặc điểm của nước thải dệt nhuộm ......................... 4

1.1.1. Nguồn gốc phát sinh nước thải dệt nhuộm .................................................. 4

1.1.2. Đặc tính nước thải dệt nhuộm....................................................................... 6

1.1.3. Đặc trưng của chất nhuộm màu trong dệt nhuộm ....................................... 8

1.2. Một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm ......................................... 15

1.2.1. Phương pháp trung hòa, điều chỉnh pH .....................................................15

1.2.2. Phương pháp đông keo tụ ...........................................................................15

1.2.3. Phương pháp hấp phụ .................................................................................16

1.2.4. Phương pháp oxy hóa bằng O3 ...................................................................16

1.2.5. Phương pháp oxy hóa bằng clo ..................................................................17

1.2.6. Phương pháp màng ....................................................................................17

1.2.7. Phương pháp sinh học ...............................................................................18

1.3. Tình hình nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm ........................................ 18

1.3.1. Nghiên cứu trên thế giới .............................................................................18

1.3.2. Trong nước ...................................................................................................21

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

1.4. Than sinh học ............................................................................................... 24

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU ..................................................................................................... 27

2.1. Đối tượng, phạm vi và vật liệu nghiên cứu .................................................. 27

2.1.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................27

2.1.2. Phạm vi nghiên cứu .....................................................................................28

2.2. Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 28

2.3. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 29

2.3.1. Chế tạo và đánh giá đặc điểm than sinh học từ vỏ trấu.............................29

2.3.2. Bố trí các thí nghiệm nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp

phụ của than sinh học từ vỏ trấu để xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24..........32

2.3.3. Phương pháp phân tích, tổng hợp và xử lý số liệu ....................................36

2.3.4. Đánh giá và biểu diễn số liệu ......................................................................36

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 37

3.1. Đặc điểm của than sinh học từ vỏ trấu ......................................................... 37

3.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của than sinh học từ

vỏ trấu để xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24 ............................................ 39

3.2.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý Reactive Red 24 bằng vật liệu hấp

phụ than sinh học từ vỏ trấu .........................................................................................39

3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý Reactive Red 24 bằng vật liệu

hấp phụ than sinh học từ vỏ trấu ..................................................................................42

3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ Reactive Red 24 đến hiệu quả xử lý bằng vật liệu

hấp phụ than sinh học từ vỏ trấu ..................................................................................45

3.3. Mô hình động học hấp phụ ........................................................................... 47

3.4. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ ......................................................................... 50

KẾT LUẬN ......................................................................................................... 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 55

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

PHỤ LỤC ............................................................................................................ 58

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AOX : Halogen hữu cơ dễ bị hấp phụ

BOD : Nhu cầu oxy hóa hóa sinh - Biochemical Oxygen Demand

COD : Nhu cầu oxy hóa hóa học - Chemical Oxygen Demand.

MT : Môi trường

RR24 : Reactive Red 24

SEM : Kính hiển vi điện tử - Scanning Electron Microscope

TSS : Tổng chất rắn lơ lửng - Total suspended solids

UV : Phổ cực tím – Ultraviolet

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

VLHP : Vật liệu hấp phụ

Hình 1.1. Sơ đồ nguồn phát sinh nước thải trong quy trình dệt nhuộm ............... 4

DANH MỤC CÁC HÌNH

Chất nhuộm màu hoạt tính .................................................................................. 12

Hình 1.2. Cấu trúc của chất nhuộm hoạt tính ...................................................... 12

Hình 1.3. Cấu trúc chất nhuộm thuộc nhóm ethylsulfonyl ................................. 13

Hình 2.1. Cấu tạo chất nhuộm Reactive Red 24 ................................................. 28

Hình 2.2. Bếp than sinh học B4SS ...................................................................... 29

Hình 2.3. Sơ đồ quy trình vận hành lò đốt than sinh học B4SS ......................... 31

Hình 3.1. Đặc điểm của than sinh học từ vỏ trấu ................................................ 37

Hình 3.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý chất nhuộm màu Reactive Red

24 bằng than sinh học từ vỏ trấu ......................................................................... 40

Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ chất nhuộm

màu Reactive Red 24 bằng than sinh học từ vỏ trấu ........................................... 43

Hình 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ chất nhuộm màu Reactive Red 24 đến khả năng

hấp phụ bằng than sinh học từ vỏ trấu ................................................................ 46

Hình 3.5. Các mô hình động học của sự hấp phụ chất nhuộm màu Reactive Red

24 bằng than sinh học từ vỏ trấu ......................................................................... 49

Hình 3.6. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich chất nhuộm màu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Reactive Red 24 bằng than sinh học từ vỏ trấu ................................................... 51

Bảng 1.1. Tỷ lệ nước thải từ các nguồn phát sinh ........................................................... 5

Bảng 1.2. Dòng thải và chất ô nhiễm cần quan tâm trong nước thải .............................. 6

Bảng 1.3. Tên thương phẩm của các chất nhuộm trực tiếp thường sử dụng ................. 11

Bảng 2.1.Các dụng cụ, thiết bị thí nghiệm sử dụng trong nghiên cứu .......................... 32

Bảng 3.1. So sánh diện tích bề mặt riêng của biochar từ vỏ trấu với một số loại biochar

sản xuất từ các vật liệu khác .......................................................................................... 38

Bảng 3.2. Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả xử lý chất nhuộm Reactive Red 24 bằng than

sinh học từ vỏ trấu ......................................................................................................... 40

Bảng 3.3. Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu quả xử lý chất nhuộm Reactive Red 24 bằng

than sinh học từ vỏ trấu ................................................................................................. 43

Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ Reactive Red 24 đến hiệu quả xử lý bằng than sinh

học từ vỏ trấu ................................................................................................................. 45

Bảng 3.5.Các thông số của các mô hình động học hấp phụ chất nhuộm màu Reactive

Red 24 bằng than sinh học từ vỏ trấu ............................................................................ 48

Bảng 3.6. Các tham số và hệ số tương quan của các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ

Langmuir và Freundlich chất nhuộm màu Reactive Red 24 bằng than sinh học vỏ

trấu ................................................................................................................................. 51

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC BẢNG

MỞ ĐẦU

1. Lý do lựa chọn đề tài nghiên cứu

Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước đã

và đang ngày càng trở nên nghiêm trọng. Ở Việt Nam đang tồn tại một thực trạng

là nước thải hầu hết của các cơ sở sản xuất chỉ được xử lý sơ bộ thậm chí là xả

thải trực tiếp ra bên ngoài môi trường. Hậu quả là nguồn nước (cả nước mặt và

nước ngầm) ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm trầm trọng.

Ngành dệt nhuộm chiếm một vị trí khá quan trọng, vì đây là một trong

những ngành công nghiệp không chỉ góp phần việc giải quyết vấn đề công ăn việc

làm trong xã hội mà còn thúc đẩy tăng trưởng nhanh kim ngạch xuất khẩu cho đất

nước. Mặc dù, công nghiệp dệt liên tục đổi mới để hạn chế việc sử dụng nước

cũng như giảm thiểu tác động đối với môi trường, do lượng nước thải quá lớn so

với các ngành công nghiệp khác, ngành dệt may đã gây ra nhiều vấn đề nghiêm

trọng đối với nguồn nước, đặc biệt là ở các quốc gia đang phát triển như Việt

Nam. Nước thải ngành dệt chứa nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau, song các nhà

nghiên cứu đã chỉ ra rằng, chất nhuộm là nguồn chính gây ô nhiễm nguồn nước.

Đa phần các chất nhuộm đều là các hợp chất hữu cơ độc hại, gần như không phân

hủy sinh học. Sau khi đi vào môi trường, chúng sẽ tồn tài rất lâu hoặc chỉ phân

hủy một phần thành các tác nhân gây đột biến đối với sinh vật thủy sinh, gây ung

thư đối với người và động vật. Vì vậy, việc loại bỏ chất màu khỏi nước thải dệt

nhuộm đã và đang là vấn đề rất đáng quan tâm.

Ở nước ta, nhiều nhà máy dệt nhuộm xây dựng các hệ thống, trạm xử lý

nước thải với quy mô và mức độ xử lý khác nhau. Các phương pháp xử lý nước

thải dệt nhuộm nói chung và xử lý màu nói riêng bao gồm: xử lý hóa - lý (màng

lọc, keo tụ, đồng kết tủa, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion,...), xử lý hóa học (oxy

hóa, điện hóa,...) và xử lý sinh học. Phương pháp xử lý sinh học thường chỉ có

hiệu quả trong xử lý các tác nhân ô nhiễm hữu cơ mà ít có hiệu quả trong loại

màu. Đồng thời, nước thải dệt nhuộm có độc tính cao, có thể gây ảnh hưởng đến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

vi sinh vật có trong nước thải. Trong số các phương pháp hoá lý, hấp phụ được

coi là một trong các phương pháp có hiệu quả trong việc loại màu và cũng góp

phần làm giảm đáng kể hàm lượng COD trong nước thải.

Vỏ trấu là phụ phẩm của nông nghiệp, rẻ tiền, dễ kiếm, không làm nguồn

nước bị ô nhiễm. Mặt khác, Việt Nam là một nước có nguồn phế thải nông nghiệp

dồi dào, song việc sử dụng chúng vào việc chế tạo VLHP nhằm xử lý nước thải

còn ít được quan tâm. Tôi hy vọng rằng vật liệu này có thể ứng dụng vào xử lý

nước thải, góp phần làm cho môi trường xanh – sạch – đẹp.

Trước sự phát triển mạnh mẽ của ngành dệt nhuộm và yêu cầu khắt khe về

xử lý nước thải tránh gây ô nhiễm môi trường trong những năm gần đây, việc tìm

ra công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm đạt hiệu quả cao, giá thành rẻ, ít sử dụng

hoá chất, có tính sinh thái, thân thiện với môi trường đã trở thành vấn đề cấp thiết.

Xuất phát từ thực tiễn trên, tôi tiến hành thực hiện nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu

sử dụng vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24

trong môi trường nước”.

2. Mục tiêu nghiên cứu

- Sử dụng VLHP chế tạo từ vỏ trấu để xử lý chất nhuộm màu RR 24.

- Tìm được các điều kiện tối ưu để hấp phụ chất nhuộm màu RR 24.

3. Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu khả năng xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24 bằng phương

pháp hấp phụ.

- Xác định các giá trị thích hợp của các thông số: pH ban đầu của dung dịch

chất nhuộm màu, thời gian hấp phụ và nồng độ ban đầu chất nhuộm màu Reactive

Red 24có ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của VLHP nghiên cứu. Đồng thời, tôi

cũng phân tích các mô hình động học và mô hình đẳng nhiệt hấp phụ để đánh giá

quá trình hấp phụ.

4. Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hướng nghiên cứu về sử dụng các phế phẩm nông nghiệp tạo thành VLHP

để xử lý các chất nhuộm màu trong nước thải dệt nhuộm là vấn đề đang được thế

giới quan tâm. Nghiên cứu này góp phần làm phong phú về vật liệu trong phương

pháp xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24 bằng cách sử dụng than sinh học từ

vỏ trấu.

5. Những đóng góp mới của đề tài

- Kết quả nghiên cứu của đề tài là nội dung báo cáo chính trong báo cáo

luận văn cao học của tác giả.

- Đề tài là nguồn tài liệu tham khảo có hàm lượng khoa học và có độ tin cậy

cao, từ đó làm nền tảng cho việc nghiên cứu phát triển cao hơn theo hướng này để

xây dựng các công nghệ xử lý hiện đại đạt hiệu quả và thân thiện với môi trường .

- Đề tài là nguồn tài liệu tham khảo cho học tập, nghiên cứu và công tác

giảng dạy.

- Tính mới của kết quả đề tài: Đề tài này sử dụng VLHP từ vỏ trấu để xử lý

chất nhuộm màu Reactive Red 24 trong môi trường nước. Đồng thời, đánh giá

được mức độ hiệu quả xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24 từ việc tạo VLHP

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

từ vỏ trấu.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Nước thải dệt nhuộm và đặc điểm của nước thải dệt nhuộm

1.1.1. Nguồn gốc phát sinh nước thải dệt nhuộm

Trong các nguồn phát sinh ô nhiễm từ ngành dệt may, nước thải là mối

quan tâm đặc biệt do quá trình nhuộm và hoàn tất sử dụng một lượng lớn nguyên

liệu thô, nước, thuốc nhuộm và chất trợ nhuộm [15].

Nguồn nước thải phát sinh trong công nghệ dệt nhuộm là từ các công đoạn

hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất, trong đó lượng nước thải chủ yếu là

do quá trình giặt sau mỗi công đoạn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 1.1. Sơ đồ nguồn phát sinh nước thải trong quy trình dệt nhuộm [5]

Hầu như tất cả các công đoạn của quá trình nhuộm và hoàn tất đều phát

sinh nước thải, thành phần nước thải thường không ổn định, thay đổi theo loại

thiết bị nhuộm, nguyên liệu nhuộm, khi sử dụng các loại thuốc nhuộm khác nhau

có bản chất và màu sắc khác nhau. Nước thải nhuộm thường có nhiệt độ, độ màu

và COD cao. Nước thải phát sinh từ nhà máy dệt nhuộm thường khó xử lý do cấu

tạo phức tạp của thuốc nhuộm cũng như nhiều loại thuốc nhuộm và trợ nhuộm

được sử dụng trong quá trình nhuộm và hoàn tất. Trong đó, nguồn ô nhiễm chính

xuất phát từ công đoạn dệt nhuộm và nấu tẩy[15].

Bảng 1.1. Tỷ lệ nước thải từ các nguồn phát sinh

Sản xuất hơi: 5,3%

Nước làm lạnh thiết bị: 6,4%

Nước làm mát và xử lý bụi trong xí nghiệp sợi, dệt: 7,8%

Nước cho các quá trình chính trong xí nghiệp dệt - nhuộm 72,3%

Nước vệ sinh: 7,6%

Nước cho việc phòng cháy và các vấn đề khác: 0,6%

Tổng: 100%

Theo H.Ruffer [25], lượng nước thải tính cho 1 đơn vị sản phẩm của một

số mặt hàng như sau:

- Hàng len nhuộm, dệt thoi là 100 - 250 m3/1 tấn vải

- Hàng vải bông, nhuộm, dệt thoi là 80 - 240 m3/1 tấn vải, bao gồm:

Hồ, sợi : 0,02 m3/1 tấn vải

Nấu, giũ hồ, tẩy : 30 - 120 m3/1 tấn vải

Nhuộm : 50 - 120 m3/1 tấn vải

- Hàngvải bông nhuộm, dệt kim là 70 - 180 m3/1 tấn vải

- Hàng vải bông in hoa, dệt thoi là 65 - 280 m3/1 tấn vải, bao gồm:

Hồ, sợi : 0,02 m3/1 tấn vải

Nấu, giũ hồ, tẩy : 30 - 120 m3/1 tấn vải

In, sấy : 5 - 20 m3/1 tấn vải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Giặt : 30 - 40 m3/1 tấn vải

- Chăn lông màu từ sợi polyacrylonitrit là 40 - 140 m3/1 tấn vải, bao gồm:

Nhuộm sợi : 30 - 80 m3/1 tấn vải

Giặt sau dệt : 10 - 70m3/1 tấn vải

- Vải trắng từ polyacrylonitrit là 20 - 60 m3/1 tấn vải (cho tẩy giặt).

1.1.2. Đặc tính nước thải dệt nhuộm

Hàng năm, ngành công nghiệp dệt nhuộm sử dụng hàng nghìn tấn thuốc

nhuộm.Hiệu suất sử dụng của các loại thuốc nhuộm vào khoảng 70-80% và tối đa

là 95%. Tùy theo từng loại vải, loại sản phẩm mà người ta có thể sử dụng nhiều

loại thuốc nhuộm thích hợp như thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm hoạt

tính, thuốc nhuộm phân tán. Với mỗi loại thuốc nhuộm ở môi trường khác nhau

thì tính chất nước thải cũng khác nhau [12].Đặc tính nước thải và các chất gây ô

nhiễm trong nước thải ngành dệt nhuộm được thể hiện trong bảng 1.2.

Bảng 1.2. Dòng thải và chất ô nhiễm cần quan tâm trong nước thải

ngành dệt

Công Hóa chất sử dụng Chất ô nhiễm cần quan tâm đoạn

Nước dùng để tách chất hồ sợi khỏi vải BOD, COD Giũ hồ Hồ in, chất khử bọt có trong vải Dầu khoáng

Lượng nước thải lớn, có BOD, Nước dùng để nấu COD, nhiệt độ cao, kiềm tính

Chất hoạt động bề mặt BOD, COD Nấu Tác nhân chelat hóa (chất tạo phức) tẩy chất ổn định, chất điều chỉnh pH, chất Photpho, kim loại nặng

mang

Tác nhân tẩy trắng hypoclorit AOX

Lượng nước thải lớn có màu, Nước dùng để nhuộm, giặt BOD, COD, nhiệt độ cao

Nhuộm với các thuốc nhuộm hoạt tính,

hoàn nguyên và sunfua, kiềm bóng, pH kiềm tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

nấu, tẩy trắng

Nhuộm với thuốc nhuộm bazo, phân pH tính axit tán, axit, hoàn tất

Thuốc nhuộm, chất mang, tẩy trắng

bằng Clo, chất bảo quản, chất chống AOX

Nhuộm mối mọt, Clo hóa len

Thuốc nhuộm sunfua Sunfua

Nhuộm hoạt tính Muối trung tính

Các thuốc nhuộm phức chất kim loại và Kim loại nặng pigment

Các chất giặt, tẩy dầu mỡ, chất mang, Hydrocarbon chứa halogen tẩy trắng bằng Clo

Các thuốc nhuộm hoạt tính và sunfua Màu

BOD, COD, TSS, đồng, nhiệt In hoa Dòng thải từ công đoạn in hoa độ, pH, thể tích nước

Dòng thải từ các công đoạn xử lý nhằm Hoàn tạo ra các tính năng mong muốn cho BOD, COD, TSS tất thành phẩm

(Nguồn: Bộ Công thương, 2008) [1]

Đặc trưng quan trọng nhất của nước thải từ các cơ sở dệt nhuộm là sự dao

động rất lớn về lưu lượng và tải trọng các chất ô nhiễm. Lưu lượng và tải trọng

các chất ô nhiễm thay đổi theo mùa, theo mặt hàng sản xuất và chất lượng sản

phẩm. Thành phần nước thải của công nghệ dệt nhuộm rất đa dạng, bao gồm các

chất ô nhiễm dạng hữu cơ và dạng vô cơ. Nhìn chung, nước thải dệt nhuộm có độ

-

kiềm khá cao, có độ màu và hàm lượng các chất hữu cơ COD cao.

Thành phần nước thải dệt nhuộm thường chứa các gốc như RSO3Na, RSO3

, N-OH, R-NH2,... Do các phẩm nhuộm hoạt tính, hoàn nguyên và lượng phẩm

nhuộm thừa lớn dẫn đến gia tăng chất hữu cơ và độ màu, làm nước có độ màu rất

cao, đôi khi lên đến 50.000 Pt-Co, hàm lượng COD thay đổi từ 80 -18.000 mg/l,

pH của nước thay đổi từ 2-14. Mức độ ô nhiễm của nước thải dệt nhuộm phụ

thuộc rất lớn vào loại và lượng hóa chất sử dụng, vào kết cấu mặt hàng sản xuất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(tẩy trắng, nhuộm, in hoa,...), vào tỷ lệ sử dụng sợi tổng hợp, vào loại hình công

nghệ sản xuất (gián đoạn, liên tục hay bán liên tục), vào đặc tính máy móc thiết

bị sử dụng,...

Nước thải tẩy dệt: có pH từ 9-12, hàm lượng chất hữu cơ COD từ 1000-

3000 mg/l. Độ màu của nước ở giai đoạn đầu có thể lên đến 10000 Pt-Co, hàm

lượng cặn lơ lửng khoảng 200mg/l (nồng độ này giảm ở những giai đoạn cuối).

Thành phần của nước thải gồm thuốc nhuộm thừa, chất hoạt động bề mặt, các chất

oxy hóa cellulose, xút, chất điện ly,...

Nước thải nhuộm: thường không ổn định và đa dạng, do hiệu quả hấp phụ

thuốc nhuộm của vải chỉ đạt 60- 70% và 30-40% các phẩm nhuộm thừa ở dạng

nguyên thủy hoặc bị phân hủy ở một dạng khác. Ngoài ra, một số các chất điện

ly, chất hoạt động bề mặt, chất tạo môi trường cùng tồn tại đã gây ra độ màu rất

cao của nước thải nhuộm[12].

1.1.3. Đặc trưng của chất nhuộm màu trong dệt nhuộm

Đặc điểm nổi bật của các loại chất nhuộm là độ bền màu cao - tính chất không

bị phân hủy bởi những điều kiện tác động khác nhau của môi trường.Đây vừa là yêu

cầu với chất nhuộm, lại vừa là vấn đề với xử lý của chất nhuộm màu trong quá trình

dệt nhuộm. Màu sắc của chất nhuộm có được là do cấu trúc hóa học của nó: Cấu trúc

chất nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu. Nhóm mang màu là những

nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử π linh động như >C=C<, >C=N-,

>C=O, -N=N-,... Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận điện tử, như –

SO3H, -COOH, -OH, NH2,... đóng vai trò tăng cường màu của nhóm mang màu bằng

cách dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử.

- Phân loại theo cấu trúc hóa học: Đây là cách phân loại dựa trên cấu tạo

của nhóm mang màu, theo đó chất nhuộm được phân thành 20-30 họ chất nhuộm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

khác nhau. Các họ chính bao gồm:

Chất nhuộm azo: Nhóm mang màu là nhóm azo (-N=N-), đây là họ chất

nhuộm quan trọng nhất và có số lượng lớn nhất, chiếm khoảng 60-70% số lượng

các chất nhuộm tổng hợp, chiếm 2/3 các màu hữu cơ trong Color Index.

Chất nhuộm antraquinon: Trong phân tử chất nhuộm chứa một hay nhiều

nhóm antraquinon hoặc các dẫn xuất của nó. Họ chất nhuộm này chiếm đến 15%

số lượng chất nhuộm tổng hợp.

Chất nhuộm triaryl metan: Triaryl metan là dẫn xuất của metan mà trong

đó nguyên tử C trung tâm sẽ tham gia liên kết vào mạch liên kết của hệ mang

màu.Họ chất nhuộm này phổ biến thứ 3, chiếm 3% tổng số lượng chất nhuộm.

Chất nhuộm taloxyanin: Hệ mang màu trong phân tử của chúng là hệ liên

hợp khép kín. Họ chất nhuộm này có độ bền màu với ánh sáng rất cao, chiếm

khoảng 2% tổng số lượng chất nhuộm.

- Phân loại theo đặc tính áp dụng: Là cách phân loại các loại chất nhuộm

thương mại đã được thống nhất trên toàn cầu và liệt kê trong bộ đại từ điển về

chất nhuộm (Color Index (CI)).Trong đó, mỗi chất nhuộm được chỉ dẫn về cấu

tạo hóa học, đặc điểm về màu sắc và phạm vi sử dụng. Theo đặc tính áp dụng,

người ta quan tâm nhiều nhất đến chất nhuộm sử dụng cho xơ sợi xenlullo (các

chất nhuộm hoàn nguyên, lưu hóa, hoạt tính và trực tiếp). Sau đó là các chất

nhuộm cho xơ sợi tổng hợp, len, tơ tằm như: chất nhuộm phân tán, chất nhuộm

bazơ(cation), chất nhuộm axit. Chất nhuộm hoàn nguyên khoảng 80% chất nhuộm

hoàn nguyên thuộc nhóm antraquinon, bao gồm:

Chất nhuộm hoàn nguyên không tan: Là hợp chất màu hữu cơ không tan

trong nước, chứa nhóm xeton trong phân tử và có dạng tổng quát R=C=O. Trong

quá trình nhuộm xảy ra sự biến đổi từ dạng layco axit không tan trong nước nhưng

tan trong kiềm tạo thành layco bazơ. Hợp chất này bắt màu mạnh vào xơ, sau đó

khi rửa sạch kiềm thì nó lại trở về dạng layco axit và bị oxy không khí oxy hóa về

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

dạng ban đầu.

Chất nhuộm hoàn nguyên tan: Là muối este sunfonat của hợp chất layco

axit của chất nhuộm hoàn nguyên không tan, R≡C-O-SO3Na. Nó dễ bị thủy phân

trong môi trường axit và bị oxy hóa về dạng không tan ban đầu.

Chất nhuộm lưu hóa: Chứa nhóm disunfua đặc trưng (D-S-S-D, D- nhóm

mang màu chất nhuộm có thể chuyển về dạng tan (layco: D-S-)) qua quá trình

khử. Giống như chất nhuộm hoàn nguyên, chất nhuộm lưu hóa dùng để nhuộm

vật liệu xenllulo qua 3 giai đoạn: Hòa tan, hấp phụ vào xơ sợi và oxy hóa trở lại.

Chất nhuộm phân tán: Đây là loại chất nhuộm hòa tan rất ít trong nước. Xét

về mặt hóa học có đến 59% chất nhuộm phân tán thuộc cấu trúc azo, 32% thuộc

cấu trúc antraquinon, còn lại thuộc các lớp hóa học khác.

Chất nhuộm bazơ – cation: Các chất nhuộm bazơ là các muối clorua, oxalat

hoặc muối kép của bazơ hữu cơ. Chúng dễ tan trong nước cho cation mang màu.

Các chất nhuộm bazơ biến tính - phân tử được đặc trưng bởi một điện tích dương

không định vị - gọi là chất nhuộm cation dùng để nhuộm xơ acrylic. Trong các

màu chất nhuộm bazơ, các lớp hóa học được phân bố: Azo (43%), metin (17%),

triazylmetan (11%), arcrydin (7%), antraquinon (5%) và 17% các loại khác.

Chất nhuộm axit: Là muối của axit mạnh và bazơ mạnh, xét về cấu tạo hóa

học có 79% chất nhuộm axit azo, 10% là antraquinon, 5% triarylmetan và 6% các

loại khác.

Chất nhuộm trực tiếp: Chất nhuộm trực tiếp hay còn gọi là chất nhuộm tự

bắt màu là những hợp chất hoà tan trong nước, có khả năng tự bắt màu vào một

số vật liệu (như: Xơ xenlulo, giấy, tơ tằm, da và xơ polyamit) một cách trực tiếp

nhờ các lực hấp phụ trong môi trường trung tính hoặc kiềm. Hầu hết chất nhuộm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

trực tiếp thuộc về nhóm azo, số ít hơn là dẫn xuất của đioxazin và ftaloxyanin.

Bảng 1.3. Tên thương phẩm của các chất nhuộm trực tiếp thường sử dụng

Tên nhóm

1 2 3 4

Benzo ánh Sirius bền Benzo cuprol Benzamin

Durazol,fixazol Durazol cupro Chlorazol Chlorazol

Cupracon Naftogen Columbia Solamin

Direct Helion Diazo

Lurantin

Sirius supra Benzo cuper Benzo para

Remastral Dianin

Solamin –fau Zambenzi

pontamine Pomtamin fast Pontamin cup

Khả năng tự bắt màu của chất nhuộm trực tiếp phụ thuộc vào 3 yếu tố dưới

đây: Phân tử chất nhuộm luôn ở trạng thái chưa bão hoà hoá trị và có khả năng

thực hiện các liên kết Van der Waals và liên kết hydro với vật liệu. Phân tử chất

nhuộm có cấu tạo mạch thẳng.Phân tử chất nhuộm phải có cấu tạo phẳng.

Theo cấu tạo hoá học, chất nhuộm trực tiếp được chia thành các nhóm sau

đây: Nhóm nhuộm trực tiếp azo, chất nhuộm trực tiếp là dẫn xuất của đioxazin và

chất nhuộm trực tiếp là dẫn xuất của ftaloxyanin.

Tính chất của chất nhuộm trực tiếp:

Nhiệt độ nhuộm và độ hấp phụ tối ưu: Chỉ tiêu này được xác định theo mức

độ hấp phụ tối đa của vải bông trong các dung dịch chất nhuộm có nồng độ khác

nhau để nhận được màu có nồng độ trung bình. Nhiệt độ nhuộm tối ưu của chất

nhuộm trực tiếp trong khoảng từ 750C - 950C tuỳ thuộc vào mỗi màu và mỗi loại

vật liệu. Độ hấp phụ tối ưu được xác định khi nhuộm sợi bông đã làm bóng ở nhiệt

độ tối ưu với dung tỉ bằng 40 khi có mặt 15% muối ăn[10].

Độ bền màu và sự biến sắc: chất nhuộm trực tiếp có ưu điểm là có đủ gam

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

màu từ vàng đến đen, màu tương đối tươi, song nhiều chất nhuộm trực tiếp kém

bền màu với giặt và ánh sáng. Để nâng cao độ bền màu cho vật liệu nhuộm bằng

chất nhuộm trực tiếp người ta dùng các chế phẩm cầm màu sử dụng phổ biến trong

ngành dệt gồm có: Muối copratin II, muối copratin TS, Sapamin, Sapamin A,

Sapamin CH, Sapamin BCH, Sapamin MS, Sapamin KW.

Phạm vi sử dụng: Do có khả năng tự bắt màu, công nghệ nhuộm đơn giản

và rẻ nên chất nhuộm trực tiếp được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:

Để nhuộm trong ngành dệt (vải, sợi, bông, hàng dệt kim từ bông, lụa visco, lụa tơ

tằm, sợi polyamit, sợi đay), để nhuộm giấy, nhuộm các sản phẩm từ tre nứa, mành

trúc, để nhuộm da và chế mực viết.

Chất nhuộm màu hoạt tính

Chất nhuộm hoạt tính là chất nhuộm mà có khả năng phản ứng hóa học với

một xơ sợi để tạo thành liên kết cộng hóa trị (covalent bond) giữa chất nhuộm và

xơ sợi.Liên kết hóa trị này được hình thành giữa các phân tử chất nhuộm và nhóm

-OH (hydroxyl) của sợi cellulose hay giữa các phân tử chất nhuộm và các nhóm

–NH2 (amin) của sợi polyamide hoặc len.

Hình 1.2. Cấu trúc của chất nhuộm hoạt tính

Chất nhuộm hoạt tính được tổng hợp thành công lần đầu tiên từ những năm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

1950, đạt được bởi Rattee và Stephens thuộc công ty Imperial Chemical

Industries.Tổng hợp thành công trên cơ sở liên kết được các nhóm chlorotriazines

như là chất nền và các nhóm mang màu.

Trichlorotriazines là chất nhuộm hoạt tính tiêu biểu bao gồm một nhóm

mang màu, với một nhóm chức amin được gắn vào vòng triazin, thay thế cho một

nguyên tử clorua:

(NCCl) 3 + nhuộm-NH2 → N3C3Cl2 (NHdye) + HCl

Các dichlorotriazine có thể phản ứng liên kết với các sợi cellulose bằng

cách thay thế một trong hai nhóm clorua:

N3C3Cl2 (NHdye) + HO-cellulose → N3C3Cl (NHdye) (O-cellulose) + HCl

Quá trình gắn màu được thực hiện trong bể nhuộm có môi trường kiềm.

Chất nhuộm hoạt tính sau đó ra được tổng hợp với nhiều đặc điểm ưu thế

hơn về mặt thương mại và kỹ thuật là thêm vào phân tử các nhóm

vinylsulfonyl.Cũng giống như nhóm chlorotriazines, nhóm chức này liên kết

thuận lợi hơn với nhóm hydroxyl của cellulose.Các phiên bản phổ biến nhất của

công nghệ này là Remazol.Các chất nhuộm đầu tiên thuộc nhóm ethylsulfonyl.

Hình 1.3. Cấu trúc chất nhuộm thuộc nhóm ethylsulfonyl

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Một số loại chất nhuộm hoạt tính:

- Chất nhuộm nhóm clotriazin: Nhóm này thường là gốc màu azo,

antraquinon và gốc phtaloxyamin. Cầu nối giữa gốc S-R và T-X thường là nhóm

–NH–, chỉ khi dùng phtaloxyanin làm gốc mang màu thì mới dùng cầu nối là

nhóm –SO2– hoặc nhóm –NH– (CH2)2–NH– và một vài nhóm khác.

- Chất nhuộm hoạt tính là dẫn xuất của primidin: Những chất nhuộm thuộc

nhóm này thường là dẫn xuất của di- và triclopirimiđin.

- Chất nhuộm hoạt tính vinysunfon: chất nhuộm hoạt tính vinysunfon thực

hiện phản ứng kết hợp với xơ sợi. Nhóm phản ứng của chất nhuộm là este của axit

sunfuric và hyđroxyletylsunfon có dạng tổng quát như sau: S-R-SO2-CH2-CH2-

O-SO3Na. Dạng này chưa hoạt động, sau khi hấp phụ vào xơ, trong môi trường

kiềm yếu, chất nhuộm sẽ chuyển về dạng vinylsunfon, làm cho độ phân cực của

nguyên tử cacbon tăng lên nó trở nên hoạt động. Dạng hoạt động mới tạo thành

sẽ tham gia vào phản ứng kết hợp với các nhóm định chức của xơ ở dạng đã ion

hoá để tạo thành liên kết ete giữa chất nhuộm và xơ.

- Chất nhuộm hoạt tính có nhóm phản ứng là 2,3 – dicloquinoxalin: Nhóm

chất nhuộm này có khả năng phản ứng tương tự như chất nhuộm diclotriazin, ái

lực của chất nhuộm với xơ tương tự như chất nhuộm triazin.

- Chất nhuộm hoạt tính chức vòng etylenimin: Loại chất nhuộm này có cấu

tạo hoá học gần giống chất nhuộm remazol. Trong quá trình nhuộm trong phân tử

chất nhuộm xuất hiện vòng etylenimin kém bền, dễ tham gia phản ứng với nhóm

chức của xơ.

- Chất nhuộm hoạt tính là dẫn xuất của 2-clobenthiazol: Nhóm phản ứng

của chất nhuộm loại này là 2-clobenthiazol có công thức chung như sau:

N

Cl

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

S

Trong mạch dị vòng này, ngoài nguyên tử cacbon và nitơ còn có nguyên tử

lưu huỳnh [2, 7].

1.2. Một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm

Nước thải dệt nhuộm có đặc điểm là tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng, độ

màu, BOD, COD cao.Do đặc thù của công nghệ, việc lựa chọn các phương pháp

xử lýthích hợpphải dựa vào nhiều yếu tố như lưu lượng nước thải, đặc tính nước

thải, hàm lượng các chất ô nhiễm, tiêu chuẩn thải,...Có thể dựa theo các phương

pháp sau:

1.2.1. Phương pháp trung hòa, điều chỉnh pH

Giá trị pH của các dòng thải từ công đoạn nhuộm, tẩy, làm bóng có thể dao

động trong khoảng rộng.Mặt khác, các quá trình xử lý hóa lý và sinh học đều đòi

hỏi một giá trị pH nhất định để đạt được hiệu suất xử lý tối ưu. Do đó trước khi

đưa sang thiết bị xử lý, dòng thải cần được điều chỉnh pH tới giá trị thích hợp.

Trung hòa có thể thực hiện bằng trộn dòng thải có tính axit với dòng thải có tính

kiềm hoặc sử dụng các hóa chất như H2SO4, HCl, NaOH, CO2. Điều chỉnh pH

thường kết hợp thực hiện ở bể điều hòa hay bể chứa nước thải [12].

1.2.2. Phương pháp đông keo tụ

Đây là phương pháp thông dụng để xử lý nước dệt nhuộm. Trong phương

pháp này người ta dùng các loại phèn nhôm hay phèn sắt cùng với sữa vôi như

sunfat sắt, sunfat nhôm hay hỗn hợp của hai loại phèn này và hydroxyt canxi

Ca(OH)2 với mục đích khử màu và một phần COD. Nếu dùng sunfat sắt II thì hiệu

quả đạt tốt nhất ở độ pH = 10, người ta có thể dùng Ca(OH)2 để điều chỉnh pH.

Hàm lượng muối sunfat sắt II đưa vào từ 50- 100g/1m3 nước và 250g Ca(OH)2

cho 1 m3 nước thải cần xử lý. Còn nếu dùng sunfat nhôm thì khống chế môi trường

có tính axit yếu ở pH = 5 – 6. Về nguyên lý, khi dùng phèn nhôm hay sắt sẽ tạo

thành các bông hydroxyt nhôm hay hydroxyt sắt III.Các chất màu và các chất khó

phân hủy sinh học bị hấp thụ vào các bông cặn này và lắng xuống tạo bùn của quá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

trình đông keo tụ.Phương pháp này được ứng dụng để khử màu của nước thải và

hiệu suất khử màu cao đối với thuốc nhuộm phân tán.Để tăng quá trình tạo bông

và trợ lắng, người ta thường bổ sung chất trợ tạo bông như polymer hữu cơ.

Phương pháp này sinh ra lượng bùn lớn từ 0,5 – 2,5 kgTS/1m3 nước thải xử lý.

Bùn này cần được tách nước và chôn lấp đặc biệt.Ngoài khử màu, phương pháp

này còn làm giảm COD đáng kể (60 – 70%).

Bên cạnh phương pháp keo tụ hóa học, phương pháp keo tụ điện hóa đã

được ứng dụng để khử màu ở quy mô công nghiệp.Nguyên lý của phương pháp

này là trong thiết bị keo tụ có các điện cực, giữa các điện cực có dòng điện một

chiều để làm tăng quá trình kết bám tạo các bông cặn dễ lắng. Một số nghiên cứu

đã chỉ ra điều kiện làm việc tối ưu của hệ thống là: cường độ dòng điện 1800 mA;

điện thế 8V; pH = 5,5 – 6,5.

Đối với phương pháp này, người ta có thể sử dụng kết hợp cả phèn nhôm

và phèn sắt để khử màu của thuốc nhuộm hoàn nguyên, hoạt tính, phân tán [12].

1.2.3. Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ có khả năng dùng để xử lý các chất không có khả

năng phân hủy sinh học và các chất hữu cơ không hoặc khó xử lý bằng phương

pháp sinh học. Phương pháp này được dùng để khử màu nước thải chứa thuốc

nhuộm hòa tan và thuốc nhuộm hoạt tính. Cơ sở của quá trình là hấp phụ chất tan

lên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ). Các chất hấp phụ thường dùng là than hoạt

tính, than nâu, đất sét, cacbonat, magie.Trong đó, than hoạt tính là chất hấp phụ

có bề mặt riêng lớn 400 – 1500 m2/g. Nhu cầu lượng than hoạt tính để xử lý nước

thải có màu rất khác nhau, cần phải kiểm tra lượng sử dụng sao cho kinh tế nhất,

trong đó cần phải tính đến sự tổn thất cho quá trình hoạt hóa nhiệt cho than từ 5 -

10%. Chẳng hạn, khi thí nghiệm cho nhu cầu than là 0,5kg/1m3 nước thải, như

vậy phải tính thêm sự tổn thất là 0,0025 – 0,05 kg/1 m3 nước thải [12].

1.2.4. Phương pháp oxy hóa bằng O3

Do cấu trúc hóa học của thuốc nhuộm bền trong không khí nên trong khử

màu nước thải của dệt nhuộm bằng phương pháp oxy hóa phải dùng các chất oxy

hóa mạnh. Có nhiều kết quả nghiên cứu đã chỉ ra, khi dùng ozon hoặc không khí Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

có chứa hàm lượng ozon nhất định có khả năng khử màu rất tốt, đặc biệt cho nước

thải chứa màu thuốc nhuộm hoạt tính.Để khử màu của 1g thuốc nhuộm hoạt tính

cần 0,5g O3.Như vậy, để khử màu của nước thải có hàm lượng thuốc nhuộm hoạt

tính 100g/l thì cần sử dụng 50g O3/1 m3 nước thải. Chi phí để sản xuất 1 kg O3 là 2,4 DM (tiền Đức) và như vậy chi phí cho xử lý nước thải này tốn 0,12 DM/1 m3.

Do đó khi chọn phương pháp này để khử màu thuốc nhuộm cần phải xét đến giá

thành sản xuất ozon [12].

1.2.5. Phương pháp oxy hóa bằng clo

Clo hóa để xử lý độ màu nước thải thường sử dụng muối NaOCl.Muối

NaOCl là chất thường được sử dụng để tẩy trắng, có sẵn với số lượng lớn và khá

rẻ tiền.Sodium hypochlorite là một tác nhân oxy hóa mạnh mẽ và dễ dàng phá vỡ

hầu hết các phân tử nhuộm màu để phân đoạn nhỏ hơn. Lý do chính không sử

dụng sodiumhypochlorite là có thể phản ứng với hợp chất trong nước thải tạo các

hợp chất clo hữu cơ, là chất độc có khả năng gây ung thư. Các hợp chất

chloroanilines, chlorobenzamines, chlorophenols, chloronitrobenzenes, acid

chloroacetic và một số hợp chất trên danh sách các chất gây ô nhiễm ưu tiên của

EPA Hoa Kỳ. Trongnhững năm gần đây, nhấn mạnh vào việc loại bỏ các hợp chất

clo từ các dòng nướcthải được chú ý nhiều [10].

1.2.6. Phương pháp màng

Phương pháp màng được ứng dụng trong xử lý nước thải ngành dệt nhuộm

với mục đích thu hồi hóa chất để tái sử dụng lại như thu hồi tinh bột PVA, thuốc

nhuộm indigo bằng siêu lọc hoặc đồng thời thu hồi muối và thuốc nhuộm bằng

kết hợp giữa thẩm thấu ngược và màng bán thấm. Động lực quá trình lọc màng là

sự chênh lệch áp suất giữa hai phía của màng.

Sự chênh lệch áp suất đối với các phương pháp màng rất khác nhau (đối

với vi lọc là từ 1 – 4 bar, đối với siêu lọc là từ 2 – 10 bar, màng bán thấm từ 10 –

40 bar và thẩm thấu ngược từ 10 – 80 bar). Ngoài ra, kết cấu màng trong các loại

cũng khác nhau. Đối với vi lọc và siêu lọc là màng mao quản, còn đối với thẩm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

thấu ngược và màng bán thấm là màng không mao quản hay còn gọi là màng

khuếch tán dung dịch. Nếu xét về khối lượng phân tử của các chất cần tách thì

thẩm thấu ngược ứng dụng với các chất có khối lượng phân tử 100 – 200g/mol,

màng bán thấm từ 200 – 20.000 g/mol, siêu lọc từ 20.000 – 100.000 g/mol và vi

lọc từ 100.000 – 500.000 g/mol. Phương pháp này có ưu điểm tách được các chất

có độ tinh khiết cao, tuy nhiên giá thành thiết bị, chi phí vận hành cao [12].

1.2.7. Phương pháp sinh học

Phần lớn các chất có trong nước thải dệt nhuộm là những chất có khả năng

phân hủy sinh học. Trong một số trường hợp nước thải dệt nhuộm có thể chứa các

chất có tính độc đối với vi sinh vật như các chất khử vô cơ, formaldehit, kim loại

nặng, clo,… và các chất khó phân hủy sinh học như các chất tẩy, giặt, hồ PVA,

các loại dầu khoáng,… Do đó trước khi đưa vào xử lý sinh học, nước thải cần

được khử các chất gây độc và giảm tỷ lệ các chất khó phân hủy sinh học bằng

phương pháp xử lý cục bộ.

Trong xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí, cần kiểm tra tỷ lệ chất

dinh dưỡng cho quá trình phân hủy. Cụ thể tỷ lệ BOD5:N:P = 100:5:1. Thường

trong nước thải dệt nhuộm thiếu hàm lượng nito và photpho, do đó biện pháp hiệu

quả nhất là trộn với nước thải sinh hoạt để đưa vào xử lý sinh học.Các phương

pháp sinh học thông dụng được sử dụng cho xử lý nước thải công nghiệp dệt là

phương pháp bùn hoạt tính, lọc sinh học, hồ oxy hóa, hoặc kết hợp xử lý sinh học

nhiều bậc.

Xử lý nước thải ngành dệt là việc làm cần thiết, việc lựa chọn phương án xử

lý cục bộ hay tập trung phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kinh phí, đất đai, vận hành

và lượng nước thải, đặc tính nước thải của cơ sở. Tuy nhiên để chọn được phương

án xử lý thích hợp cần có phương án nghiên cứu thăm dò và triển khai [12].

1.3. Tình hình nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm

1.3.1. Nghiên cứu trên thế giới

Nhóm tác giả IAW Tan (2010) [28] đã nghiên cứu các phương pháp hấp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

phụ và giải hấp phụ thuốc nhuộm của than sinh học có nguồn gốc từ dầu cọ.Các

đặc tính hấp phụ thuốc nhuộm cơ bản (xanh methylen, MB) trên than hoạt tính

được điều chế từ cọ dầu Fruit Fruit Bunch (EFB) đã được đánh giá. Ảnh hưởng

của nồng độ ban đầu của thuốc nhuộm, thời gian khuấy trộn, pH dung dịch và

nhiệt độ đối với sự hấp phụ MB đã được nghiên cứu. Sự hấp phụ tăng lên khi tăng

nồng độ ban đầu, thời gian khuấy trộn và nhiệt độ dung dịch. Dữ liệu cân bằng

hấp phụ được thể hiện tốt nhất bằng đường đẳng nhiệt Langmuir. Động học hấp

phụ được tìm thấy theo mô hình động học bậc hai giả. Cơ chế của quá trình hấp

phụ được xác định từ mô hình khuếch tán nội bào. Sự hấp phụ MB trên than hoạt

tính chủ yếu chịu sự vận chuyển khối lượng bên ngoài trong đó khuếch tán hạt là

bước giới hạn tốc độ.Hiệu suất tái sinh của than hoạt tính đã qua sử dụng là cao

chấp nhận được, với khả năng giải hấp MB là 71%.

Tác giả Velmurugan.P (2011) [29] nghiên cứu chất hấp phụ được điều chế

từ vỏ cam.Vỏ cam đã xử lý được sử dụng để hấp phụ xanh methylene ở các mức

nồng độ thuốc nhuộm, pH và thời gian xử lý khác nhau.Hiệu quả xử lý bằng loại

chất hấp phụ này khá tốt (có thể đạt hiệu suất 97% trong thời gian rất ngắn).pH,

thời gian xử lý và nồng độ dung dịch đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ

thuốc nhuộm.

Nhóm tác giả Dhuha D. Salman (2012) [22] đã nghiên cứu khả năng hấp

phụ xanh methylene bằng màng vỏ trứng gà.Nghiên cứu sử dụng màng vỏ trứng

gà để so sánh khả năng hấp phụ của chúng đối với xanh methylene (anion), xanh

bromophenol (anion) và methyl cam (anion) trong môi trường nước thải.Kết quả

nghiên cứu chỉ ra rằng màng vỏ trứng gà hấp phụ được dung lượng xanh

methylene nhiều hơn so với các nhóm còn lại. Màng vỏ trứng có khả năng hấp

phụ xanh methylene lớn hơn so với vỏ trứng hay hỗn hợp vỏ trứng và màng trứng

gà (gấp khoảng 1,35 – 1,65). Điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ xanh

methylene bao gồm: kích thước hạt 250μm, pH = 10, t = 800C, thời gian xử lý là

30 phút và nồng độ thuốc nhuộm là 2mg/100ml.

Nhóm tác giả Muhammad Saif Ur Rehman(2015) [27], khoa Kỹ thuật Xây

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

dựng và MT, KAIST, Daejeon, Hàn Quốc đã nghiên cứu hấp phụ thuốc nhuộm

màu xanh lá cây trên than sinh học được chế tạo từ rơm rạ. Nghiên cứu này nhằm

mục đích hấp phụ Brilliant Green (BG) trên than sinh học rơm rạ thủy phân, thu

được từ quá trình ethanol sinh học lignocellulose. Than sinh học rơm rạ (RBC) có

đặc tính bề mặt như diện tích bề mặt là 232,31m2/g, tổng thể tích lỗ rỗng 0,30

cm3/g và độ rộng lỗ rỗng trung bình là 5,22nm. Các nghiên cứu hấp phụ đã được

thực hiện để nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố thí nghiệm như pH (2,10), hàm

lượng than sinh học (0,05;1,25g/l), thời gian tiếp xúc (30 - 480 phút) và nhiệt độ

(30 - 500C) về sự hấp phụ của BG. Đường đẳng nhiệt Langmuir (R2= 0,998) phù

hợp với dữ liệu hấp phụ cho nồng độ thuốc nhuộm ban đầu là 20mg/l. Kết quả

nghiên cứu cho thấy rằng sự hấp phụ BG xảy ra ở dạng đơn lớp trên RBC. Động

học hấp phụ được tuân theo mô hình động học bậc hai (R2 = 0,988). Những kết

quả này cho thấy RBC, có thể được sử dụng một cách hiệu quả như một chất hấp

phụ chi phí thấp đầy hứa hẹn để loại bỏ thuốc nhuộm khỏi dung dịch nước.

Nhóm tác giả Ekta Khosla (2015) [24] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ

Basic Red 12, Acid Orange 7 và Acid Blue 1 trên các hạt nano oxit kẽm (ZNP).

Các tác giả đã nghiên cứu để tìm hiểu quá trình hấp phụ hóa lý và khám phá khả

năng sử dụng hạt nano trong xử lý nước thải dệt nhuộm. Khả năng loại bỏ thuốc

nhuộm bởi ZNP đối với Basic Red 12, Acid Orange 7 và Acid Blue 1 là 15,64,

6,78 và 6,38 mg/g. Quá trình hấp phụ phụ thuộc pH và các giá trị pH tối ưu là 9.0,

2.0 và 4.0 tương ứng với các chất nhuộm màu Basic Red 12, Acid Orange 7 và

Acid Blue 1. Khả năng hấp phụ đạt bão hòa sau 1 giờ cho tất cả các thuốc

nhuộm. Các mô hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich và Temkin đã được áp

dụng để đánh giá quá trình hấp phụ. Kết quả cho thấy các mô hình Langmuir là

phù hợp với dữ liệu thí nghiệm.

Nhóm tác giả Divine D. Sewu (2017) [23] đã nghiên cứu hấp phụ hiệu quả

cao thuốc nhuộm cation bằng than sinh học được sản xuất từ bắp cải Hàn Quốc

(KC), rơm rạ (RS) và dăm gỗ (WC) và được sử dụng làm chất hấp phụ thay thế

cho than hoạt tính (AC) trong xử lý nước thải đã được nghiên cứu. Chất nhuộm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

màu đỏ Congo (CR) và tím pha lê (CV) đã được sử dụng làm thuốc nhuộm anion

và cation để thử khả năng hấp phụ của than sinh học. Kết quả cho thấy pH ban

đầu ít ảnh hưởng đến sự hấp phụ CR và CV trên tất cả các than sinh học ngoại trừ

AC trên CR. Các mô hình đẳng nhiệt và dữ liệu động học cho thấy sự hấp phụ CR

và CV bởi tất cả các than sinh học bị chi phối chủ yếu bởi quá trình hóa học. Tất

cả các than sinh học có khả năng hấp phụ CR thấp hơn AC. KC cho thấy khả năng

hấp phụ tối đa theo mô hình Langmuir cao hơn(1304 mg/g)so với AC

(271,0 mg/g), RS (620,3mg/g) và WC (195,6 mg/g) cho CV. KC có thể là một lựa

chọn tốt cho AC thông thường như chất hấp phụ rẻ tiền, tuyệt vời và công nghiệp

để loại bỏ thuốc nhuộm cation trong nước thải.

1.3.2. Trong nước

Tạp chí Khoa học và Công nghệ lâm nghiệp số 2 - 2013, nhóm tác giả

Dương Thị Bích Ngọc[11] đã tiến hành nghiên cứu tiến hành thí nghiệm khả năng

hấp phụ methylen xanh của VLHP được chế tạo từ 1g lõi ngô, 1g vỏ ngô trong

các điều kiện thay đổi về thời gian, pH và nồng độ ô nhiễm methylen xanh. Theo

thời gian, sau 20 phút hiệu suất hấp phụ methylen xanh của lõi ngô và vỏ ngô đã

lên tới gần 98%. Quá trình hấp phụ methylen xanh đều đạt trên 96% trong khoảng

pH rất rộng từ axit mạnh đến kiềm mạnh: lõi ngô từ 3 - 11; vỏ ngô từ 3 - 8,8. Khả

năng hấp phụ của lõi ngô và vỏ ngô có xu hướng giảm nhẹ khi nồng độ methylen

xanh tăng từ 200 mg/l - 350 mg/l nhưng hiệu suất vẫn đạt trên 97%. Trong tất cả

các điều kiện thí nghiệm của nghiên cứu, lõi ngô luôn cho dung lượng hấp phụ

cân bằng cao hơn gần 2 lần so với vỏ ngô. Nghiên cứu đã bước đầu khẳng định

VLHP từ lõi ngô và vỏ ngô, hai phế phẩm nông nghiệp phổ biến ở Việt Nam, có

tiềm năng rất lớn trong xử lý ô nhiễm nước thải do thuốc nhuộm methylenxanh.

Nhóm tác giả Nguyễn Đắc Vinh [21],trường Đại học Khoa học Tự nhiên-

Đại học Quốc gia Hà Nội đã nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm chứa chất

nhuộm cation bằng phương pháp hấp phụ. VLHP được sử dụng trong nghiên cứu

là than hoạt tính và bentonite.Cấu trúc và đặc tính bề mặt của VLHP được phân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

tích bằng cá kỹ thuật tiên tiến.Khả năng hấp phụ được đánh giá bằng mô hình

đẳng nhiệt Langmuir.Kết quả nghiên cứu cho thấy, cả 2 loại vật liệu này đều có

khả năng hấp thụ này tốt.

Tác giả Đặng Lê Minh Trí [18], trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại

học Quốc gia Hà Nội đã nghiên cứu hấp phụ thuốc nhuộm bằng chitosan khâu

mạch bức xạ có nguồn gốc từ vỏ tôm. Nghiên cứu này áp dụng công nghệ bức xạ,

một công nghệ mới, hiện đại, thân thiện môi trường nhằm tạo VLHP từ chitosan

có độ DD thấp nhằm khử màu thuốc nhuộm hoạt tính. Các nghiên cứu về khả

năng hấp phụ của hạt chitosan khâu mạch đối với Drimaren Red CL-5B trong mẫu

nước chứa 0,2 g/l thuốc nhuộm này chỉ ra dung lượng hấp phụ cực đại và hiệu

suất khử màu mẫu nước cao nhất đạt được với lượng VLHP tương ứng là 1 g/l,

và điều kiện hấp phụ tối ưu là pH = 6, nhiệt độ 300C. Khi đó, tốc độ hấp phụ sẽ

tăng theo thời gian và cân bằng đạt được sau 72 giờ hấp phụ. Kết quả cũng cho

thấy hạt chitosan khâu mạch với liều chiếu xạ 40 kGy, CH3 có khả năng hấp phụ

cao nhất đối với Drimaren Red CL-5B.Các nghiên cứu về giải hấp phụ chỉ ra rằng

hạt chitosan khâu mạch có thể được tái sử dụng sau quá trình giải hấp phụ khoảng

60 phút. Mặc dù lượng thuốc nhuộm giải hấp giảm nhanh xuống dưới 50% sau 4

chu kỳ giải hấp, VLHP này có thể được tái sử dụng ít nhất 3 chu kỳ hấp phụ - tái

hấp phụ.

Tác giả Nguyễn Thị Hà [4], trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học

Quốc gia Hà Nội nghiên cứu hấp phụ màu/xử lý COD trong nước thải nhuộm

bằng cacbon hoạt tính chế tạo từ bụi bông. Nghiên cứu này đã tận dụng bụi bông

để chế tạo VLHP ứng dụng trong xử lý màu (COD) của nước thải nhuộm.Các kết

quả cho thấy xử lý hoạt hoá bụi bông bằng đốt với axit sunfuric đậm đặc là phù

hợp và cho hiệu suất khá cao 70% (so với khối lượng của vật liệu thải thô).Kích

thước hạt phù hợp là 0,25mm. Hiệu quả xử lý màu tính theo giá trị mật độ quang

(D) và COD của cacbon hoạt hoá từ bụi bông đạt tương ứng 75 và 97% ở pH tối

ưu 7-8, tỉ lệ chất hữu cơ/vật liệu là 15mg/g, thời gian hấp phụ 15 phút ở hệ tĩnh

và tốc độ dòng 0,6l/h ở hệ động. Đối với mẫu nước thải thực tế hiệu suất xử lý

COD đạt 68% với điều kiện hấp phụ tối ưu nghiên cứu và tỉ lệ vật VLHP/COD là

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

1g/40mg (COD giảm từ 800 xưống còn 256mg/l). Tăng thời gian tiếp xúc (hấp

phụ) và giảm tỉ lệ COD/VLHP có thể xem xét để tăng hiệu quả quá trình xử lý.

Tác giả Trần Thị Tú (2014) [19] đã nghiên cứu sử dụng than bùn để hấp

phụ chất nhuộm màu.Than bùn là vật liệu rẻ và sẵn có ở tỉnh Thừa Thiên Huế.

Bên cạnh đó, than bùn có khả năng hấp phụ một số chất ô nhiễm trong nước thải

có chứa màu, kim loại nặng và chất hữu cơ. Nghiên cứu này tập trung đánh giá

khả năng hấp phụ màu phẩm nhuộm trong dung dịch nước bằng than bùn Thừa

Thiên Huế. Kết quả cho thấy than bùn có thành phần khoáng chủ yếu là dạng

Quartz (SiO2 chiếm tới 78,8%) và ít tạp chất. Than bùn có cấu trúc dạng xốp,

nhiều lỗ rỗng. Điểm điện tích không của than bùn từ 3,85- 3,9. Than bùn dạng S

có mức hấp phụ màu tối ưu tại pH= 3,7, thời gian tiếp xúc 90 phút, cỡ hạt d=0,15- 0,22mm, liều hấp phụ 0,5g/50ml ở nhiệt độ 280C. Hiệu suất loại màu phẩm nhuộm

DV nồng độ 50mg/l đạt 79% về độ màu và 50% về COD, tuân theo mức B của

QCVN 13:2008/BTNMT. Các phẩm màu khác (DB, DY và DR) có hiệu suất loại

màu và COD thấp hơn 50%. Đồng thời, nghiên cứu động học hấp phụ phẩm

nhuộm gốc azo trên than bùn dựa trên hấp phụ hoá học, tuân theo mô hình động

học biểu kiến bậc 2 (loại 2). Dữ liệu hấp phụ cân bằng tuân theo mô hình đẳng

nhiệt hấp phụ Freundlich và Tempkin.

Nhóm tác giả Nguyễn Thị Thùy Trang [17] đã nghiên cứu đánh giá năng

lực hấp phụ và ảnh hưởng của một số yếu tố đến năng lực hấp phụ màu trong nước

thải dệt nhuộm của vật liệu diatomite phủ chitosan. Nghiên cứu tiến hành đánh

giá năng lực hấp phụ màu nhuộm và một số các yếu tố ảnh hưởng đến năng lực

hấp phụ của vật liệu như kích thước hạt vật liệu, tỷ lệ giữa lượng VLHP/thể tích

dung dịch hấp phụ, pH và thời gian hấp phụ cũng được nghiên cứu. Kết quả cho

thấy kích thước hạt vật liệu càng nhỏ thì năng lực hấp phụ càng tăng; tỷ lệ khối

lượng vật liệu (g)/thể tích dung dịch (ml) là 10% thì hiệu suất hấp phụ đạt được

lớn 50%; pH trong khoảng từ 6 đến 9 không ảnh hưởng nhiều đến năng lực hấp

phụ màu nhuộm của vật liệu; cân bằng hấp phụ đạt được ở thời gian hấp phụ là

70 phút và tải trọng hấp phụ màu nhuộm cực đại của vật liệu là 1,4 Pt-Co/g.

Nhóm tác giả Trịnh Bảo Sơn [14] nghiên cứu khử màu thuốc nhuộm trong

nước thải dệt nhuộm bằng than trấu kết hợp với nano sắt hóa trị zero.Than trấu,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

một loại than sinh học giàu carbon, có thể được biến tính với các thành phần

hoạt hóa khác để nâng cao hiệu quả xử lý các hợp chất hữu cơ ô nhiễm trong

môi trường. Trong nghiên cứu này, trấu được nung trong lò kín ở nhiệt độ 6000C

để tạo ra than trấu (BC600). Than trấu tiếp tục được từ tính hóa để thu được sản

phẩm trung gian là than trấu từ tính (BC600-mag). Sau cùng, nano sắt hóa trị

zero (nZVI) được tổng hợp trên nền BC600-mag bằng phương pháp khử với chất

khử mạnh NaBH4 để thu được sản phẩm cuối cùng là than trấu từ tính kết hợp

nZVI (BC600-magnZVI). Các thí nghiệm dạng mẻ được thiết kế để đánh giá

hiệu quả khử màu của BC600-mag-nZVI đối với nước thải dệt nhuộm (có độ

màu ban đầu ~400 Pt-Co) của một số loại thuốc nhuộm hoạt tính phổ biến là

vàng RY145, đỏ RR195 và xanh RB19. Kết quả cho thấy đối với màu vàng

RY145 và đỏ RR195 thì hiệu quả khử màu tối ưu (nopt) đạt 95% và 93% ở liều

lượng 0,50 và 1,50kg BC600-mag-nZVI/m3 nước thải dệt nhuộm, tương ứng với

độ màu sau xử lý giảm còn 21 và 30 Pt-Co, đáp ứng được tiêu chuẩn xả thải theo

cột A (≤ 50 Pt-Co) của QCVN 40:2011/BTNMT, trong khi với màu xanh RB19

thì nopt đạt đến 63% ở liều lượng 8,00 kg BC600-mag-nZVI/m3 nước thải dệt

nhuộm, tương ứng với độ màu sau xử lý giảm còn 147 Pt-Co, đáp ứng được tiêu

chuẩn xả thải theo cột B (≤ 150 Pt-Co) của QCVN 40:2011/BTNMT. Hơn nữa,

khi gia tăng liều lượng BC600-mag-nZVI thì hiệu quả khử màu cũng tăng tương

ứng, đạt gần 100 % đối với màu RY145 và RR195 và hơn 70 % đối với màu

RB19.Điều này cho thấy than trấu biến tính với nZVI đã khử được đáng kể độ

màu trong nước thải dệt nhuộm. Mặt khác, việc kết hợp nZVI lên nền than trấu

có thể đã tạo ra sự phân bố các hạt nZVI trên bề mặt hạt than, do vậy đã hạn chế

được khả năng kết khối của nZVI và đồng thời làm tăng khả năng phản ứng của

vật liệu than trấu biến tính với nZVI. Nghiên cứu này đã mở ra hướng ứng dụng

của than trấu biến tính với nZVI để xử lý độ màu trong nước thải dệt nhuộm.

1.4. Than sinh học

Than sinh học là một sản phẩm giàu cacbon thu được do nhiệt phân sinh

khối như rơm rạ, gỗ, phân động vật hoặc bất kỳ phụ phẩm nông nghiệp nào trong

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

điều kiện ít hoặc không có oxy [26].

Than sinh học (biochar) còn gọi than nhiệt phân, có được từ việc đốt cháy

các loại thực vật, được sử dụng trong nông nghiệp để làm giàu dinh dưỡng cho

đất. Các công nghệ hiện đại sản xuất than sinh học được nhiều quan tâm hiện nay

theo hướng thu nhận đồng thời nhiều sản phẩm, hiệu quả, giảm phát thải khí,

không tác hại đến môi trường và đảm bảo nguồn nguyên liệu đầu vào.

Than sinh họccó thể được sản xuất từ bất kỳ loại sinh khối nào, từ đủ loại

chất hữu cơ thải ra trong quá trình trồng trọt và chế biến nông sản như vỏ trấu, vỏ

cà phê, vỏ dừa, mụn dừa, vỏ đậu phộng, bã mía, vỏ hạt điều, lá cao su; rác thải

hữu cơ đô thị và các loại rác hữu cơ khác. Khu vực Đông Nam Á, nếu tính sinh

khối từ nông nghiệp và từ gỗ, Indonesia là nước giàu tiềm năng nhất, kế đến là

Thái Lan và Việt Nam. Nguồn sinh khối ở Việt Nam đa dạng, ước trên 100 triệu

tấn/năm, giàu tiềm năng nhất là trấu, lá/bã mía và cây rừng tự nhiên.

Bảng 1.4. Tiềm năng nguồn sinh khối ở Việt Nam [20]

STT Loại biomass

Trấu và rơm Lá/bã mía Cây rừng tự nhiên Nguồn thải từ bắp Cây rừng trồng Cây rừng thưa Nguồn thải từ ngành giấy Cây vùng đất trống đồi trọc Cây công nghiệp lâu năm

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Nguồn thải từ cà phê 11 Mạc cưa 12 Nguồn thải từ gỗ xây dựng 13 14 Cây ăn trái Các nguồn thải khác (dừa, đậu, khoai mì,…) Số lượng (Triệu tấn/năm) 40,80 15,60 14,07 9,20 9,07 7,79 5,58 2,47 2,00 1,17 1,12 0,80 0,41 6,37

Dựa trên nguồn sinh khối ở từng nơi mà các doanh nghiệp sẽ nghiên cứu

đầu tư khai thác. Kết quả khảo sát của IBI (International Biochar Initative) từ các

doanh nghiệp sản xuất than sinh học ở nhiều nước khác nhau cho thấy, sinh khối

từ gỗ là nguồn nguyên liệu được sử dụng nhiều nhất (gần 50%), kế đến là nguồn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

thải từ nông nghiệp (khoảng 20%).

Có rất nhiều cách để tạo ra than sinh học.Trong tự nhiên, các vụ cháy rừng tạo ra

sản phẩm cuối cùng chính là than sinh học; trong đời sống hàng ngày là các bếp

lò; trong công nghiệp là những lò nhiệt phân phức tạp sẽ đốt cháy các loại sinh

khối trong điều kiện yếm khí với nhiệt độ cao (hơn 4000C), sinh khối sẽ cháy

không hoàn toàn và sản phẩm nhận được là than sinh học có dạng rắn giữa khoáng

và hữu cơ. Trong quá trình nhiệt phân để sản xuất than sinh học sẽ phát sinh các

dạng năng lượng gồm nhiệt, dầu sinh học, các loại khí tổng hợp, khí hydro, khí

mê-tan, …, có thể sử dụng trong công nghiệp hay vận tải. Tùy vào công nghệ

nhiệt phân sẽ thu được các sản phẩm với tỷ trọng khác nhau. Carbon hóa thủy

nhiệt (hydrothermal carbonization) và nhiệt phân cực nhanh (flash pyrolysis) là

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

các công nghệ thu được than sinh học nhiều nhất [20].

CHƯƠNG 2

ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng, phạm vi và vật liệu nghiên cứu

2.1.1. Đối tượng nghiên cứu

*Chất nhuộm màu Reactive Red 24

Dung dịch chất nhuộm màu Reactive Red 24 sử dụng cho thí nghiệm được

tự pha bằng nước cất tại phòng thí nghiệm.

Cấu trúc chất nhuộm màu hoạt tính Reactive Red 24: Công thức căn bản

của chất nhuộm Reactive Red 24 có thể viết vắn tắt là R-B-X

Trong đó:

R: Là nhóm mang màu (ChromopHoricgroup). Quyết định màu của chất

nhuộm (color producing part). Nhóm này là nhóm Azo(-N=N-)

B: Là nhóm cầu nối (Brid ginggroup). Kết nối nhóm mang màu với nhóm

phản ứng của chất nhuộm ( reactivegroup), có thể là nhóm -NH hoặc nhóm -NR.

X: Nhóm phản ứng của chất nhuộm (Reactivegroup). Là nhóm đặc trưng

chủ yếu của chất nhuộm Reactive Red 24 tạo liên kết cộng hóa trị với xơ sợi. Có

thể là: -Cl; -Br; -SH; -OCH;…

Phân tử chất nhuộm Reactive Red 24 bao gồm một nguyên tử hoặc nhóm

nguyên tử gọi là nhóm mang màu. Sự hiện diện nó tạo ra màu sắc của chất nhuộm.

Một nhóm thế có khả năng phản ứng với xơ cellulose. Chất nhuộm có độ bền giặt

tốt nhất nhờ liên kết giữa chất nhuộm và cellulose là liên kết cộng hóa trị xảy ra

trong quá nhuộm. Chất nhuộm thường được sử dụng để nhuộm cellulose như

cotton hoặc lanh, chất nhuộm cũng có thể được áp dụng trên len và nylon. Trong

trường hợp này, chúng được áp dụng trong điều kiện axit yếu. Chất nhuộm

Reactive Red 24 có mức độ tận trích thấp so với các loại chất nhuộm khác bởi vì

các nhóm chức năng trong chất nhuộm cũng đồng thời phản ứng với nước, xảy ra

do quá trình thủy phân.Phần chất nhuộm bị thủy phân này không có liên kết với

cellulose và phải bị giặt bỏ mới giải quyết được vấn đề độ bền màu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Chất nhuộm hoạt tính Reactive Red 24 có công thức phân tử:

C26H17CIN7Na3O10S3

Hình 2.1. Cấu tạo chất nhuộm Reactive Red 24

2.1.2. Phạm vi nghiên cứu

- Thời gian thực hiện: Từ tháng 9/2019 đến tháng 5/2020

- Giới hạn nội dung nghiên cứu: Đề tài đề cập đến khả năng xử lý thuốc

nhuộm màu Reactive red 24 từ vỏ trấu bằng phương pháp hấp phụ.

- Quy mô thực hiện: Phòng thí nghiệm.

- Các thông số đánh giá: Dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ.

- Địa điểm nghiên cứu: Phòng Thí nghiệm - Khoa Tài nguyên và Môi

trường - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên.

2.2. Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu đặc trưng của vật liệu hấp phụ than sinh học chế tạo từ vỏ trấu.

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của than sinh học

từ vỏ trấu để xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

+ Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý Reactive Red 24 bằng vật liệu hấp

phụ than sinh học từ vỏ trấu.

+ Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý Reactive Red 24 bằng vật

liệu hấp phụ than sinh học từ vỏ trấu.

+ Ảnh hưởng của nồng độ Reactive Red 24 đến hiệu quả xử lý bằng vật liệu

hấp phụ than sinh học từ vỏ trấu.

- Nghiên cứu mô hình động học và mô hình đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ

xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24 bằng than sinh học chế tạo từ vỏ trấu.

2.3. Phương pháp nghiên cứu

2.3.1. Chế tạo và đánh giá đặc điểm than sinh học từ vỏ trấu

2.3.1.1. Phương pháp chế tạo than sinh học

* Chuẩn bị nguyên vật liệu

- Vỏ trấu được thu gom từ cơ sở xay sát ở khu vực xã Quyết Thắng, thành

phố Thái Nguyên.

- Bếp than sinh học:

Hình 2.2. Bếp than sinh học B4SS

Kích thước của bếp dài x rộng x cao = 2,9 m x 1,9 m x 2,4 m. Ống khói Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

cao 1,5 m. Bên trong ống khói có hệ thống cửa 2 cánh có thể đóng mở được để

kiểm soát lượng khí thoát ra bên ngoài. Vật liệu xây bếp là gạch và xi măng chịu

nhiệt. Chiều dày xung quanh lò là 20cm và xây 2 lớp, ở giữa có khoảng trống 5cm

để tăng khả năng cách nhiệt, cấu trúc mái vòm giảm áp lực lên tường bếp. Hệ

thống tấm chắn nhiệt bằng inox chịu nhiệt cao, có kích thước là 1,2 x 2,6 m được

bố trí đặt cách ống khói 0,8 m.

Kích thước thùng chứa liệu 1300 x 2800 x 1300 mm. Khung thùng nạp liệu

được thiết kế bằng thép chịu nhiệt lưới inox bao xung quanh có độ dày 4mm. Thùng

chứa liệu có bánh xe để di chuyển trong quá trình nạp liệu và lấy than.

Cửa bếp 2 lớp có kích thước 1500 x 1350 mm. Lớp bên ngoài là thép có độ

dày 2mm. Lớp bên trong làm bằng inox chịu nhiệt. Ở giữa là lớp vải amiang có

khả năng cách nhiệt tốt. Xung quanh mép cửa lò dán 2 lớp vải amiang đảm bảo lò

được kín, ở phía trên có cửa nhỏ dùng để quan sát quá trình cháy bên trong lò.

Bếp có hệ thống tủ điều khiển (có hệ thống giám sát nhiệt độ, đồng hồ đo

nhiệt, rơle tự động, các loại công tắc điều khiển bơm nước và quạt khí khi vận

hành). Bếp có hệ thống cấp khí gồm 6 ống cấp khí (2 ống phía dưới, 2 ống phía

trên tấm chắn nhiệt và 2 ống ở dưới tấm chắn nhiệt). Tại các ống khí có van đóng

mở, sử dụng quạt khí có công suất lớn 3500 m3/h, tốc độ quay 1500 vòng/phút.

Hệ thống phun sương xung quanh bếp được tuần hoàn gồm 8 đầu phun. Mỗi đầu

phun có hệ thống van đóng mở. Nước được phun dưới dạng sương bằng bơm cao

áp đảm bảo áp lực nước 40 psi và lưu lượng nước 1.000 lít/giờ.

* Quy trình sản xuất than thành phẩm bằng bếp than sinh học

Chuẩn bị nguyên liệu (Vỏ trấu)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Nạp Liệu (Kích thước vật liệu nên đồng đều)

Hình 2.3. Sơ đồ quy trình vận hành lò đốt than sinh học B4SS

Nhiệt cung cấp cho lò là từ quá trình đốt cháy nhiên liệu (củi, rơm rạ).

Vỏ trấu sau khi thu gom được sấy khô ở 700C trong 24h. Vỏ trấu được nhiệt

phân bằng lò đốt than sinh học yếm khí theo dạng mẻ. Dùng 500g vỏ trấu nhồi

chặt vào 2 hộp bằng sắt có lỗ thoát khí và đặt vào trong bếp than sinh học.

Quá trình nhiệt phân trong điều kiện thiếu không khí trong 2giờ; nhiệt độ

được duy trì là 4000C và được kiểm soát bằng máy đo nhiệt độ tiếp xúc kiểu K.

Nguyên liệu vỏ trấu chuyển thành than sinh học (biochar) vỏ trấu. Sau đó, để cho

nhiệt độ bếp và hộp chứa than sinh học giảm đến nhiệt độ không khí thì lấy mẫu

than ra. Than sinh học từ vỏ trấu được nghiền và rây với kích thước nhỏ hơn 0,5

mm và bảo quản để sử dụng cho các thí nghiệm.

2.3.1.2. Đánh giá các đặc điểm hấp phụ của than sinh học từ vỏ trấu

Nghiên cứu cấu trúc và diện tích bề mặt của than sinh học qua phân tích

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

SEM (Scanning Electron Microscope).

- Cấu trúc bề mặt: Nghiên cứu cấu trúc của than sinh học qua phân tích

SEM (Scanning Electron Microscope).

- Diện tích bề mặt riêng và phân bố đường kính mao quản (BET/BJH): Đo

diện tích bề mặt riêng theo phương pháp của BET (Brunauer – Emmett – Teller)

và BJH (Barrett – Joyner – Halenda) để xác định diện tích bề mặt hấp phụ và giải

hấp phụ khí N2 ở 77,35K bằng máy đo diện tích bề mặt riêng BET (Quantachrome

Instrument, Autosorb – iQ – MP, Mỹ) và thiết bị phân tích hóa hấp thụ Autochem

(Micromeritics Instrument, Autochem II 2920, Mỹ).

2.3.2. Bố trí các thí nghiệm nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp

phụ của than sinh học từ vỏ trấu để xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24

Các thí nghiệm trên mẫu nước thải chứa chất nhuộm màu Reactive Red 24

nhân tạo được thực hiện tại phòng thí nghiệm.

2.3.2.1. Hóa chất và dụng cụ sử dụng

- Các loại hóa chất sử dụng cho thí nghiệm gồm: Nước cất hai lần, chất

nhuộm màu Reactive Red 24, HNO3, H2SO4, NaOH,…

Tất cả hóa chất đều có độ tinh khiết.

- Các thiết bị sử dụng được liệt kê ở bảng 2.1 sau:

Bảng 2.1.Các dụng cụ, thiết bị thí nghiệm sử dụng trong nghiên cứu

STT Thiết bị, dụng cụ Mục đích sử dụng

1 Tủ sấy Sấy hóa chất dụng cụ

2 Cân điện tử 5 số BOECO BLL 31 Pha hóa chất

3 Máy đo pH: PHS-3C Xác định pH

Xác định bước sóng đặc trưng, dải màu 4 Máy UV-VIS 2900 Hitachi của các chất nhuộm

5 Máy khuấy Thực nghiệm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

6 Cốc 100 ml, bình tam giác 50, 100 Pha hóa chất và chuẩn bị mẫu

7 Cuvet thạch anh Xác dịnh độ màu

8 Ống đong 500ml, buret, pipet Phân tích

9 Bình tam giác Thí nghiệm

2.3.2.2. Các nội dung tiến hành thí nghiệm

a. Thí nghiệm 1: Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý Reactive Red 24

bằng vật liệu hấp phụ than sinh học (Biochar) từ vỏ trấu

Mục tiêu: Tìm giá trị pH tối ưu cho quá trình xử lý chất nhuộm màu RR24

Trình tự thí nghiệm:

1. Pha nồng độ dung dịch thuốc nhuộm Reactive Red 24với nồng độ ban

đầu 150 mg/l với thể tích đủ cho thí nghiệm lặp 3 lần.

2. Lấy lần lượt 100 ml dung dịch Reactive Red 24 nồng độ 150 mg/l và

chỉnh pH = 2, tương tự 100 ml dung dịch được chỉnh pH = 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10.

3. Tiến hành thí nghiệm hấp phụ

- Cân 0,05g biochar vỏ trấu trên cho vào các bình tam giác dung tích 50ml.

- Hút lần lượt 25 ml dung dịch thuốc nhuộm Reactive Red 24 với nồng độ

ban đầu 150 mg/l và giá trị pH đã điều chỉnh ở trên cho vào mỗi bình tam giác đã

chứa biochar từ vỏ trấu và ghi kí hiệu các bình thí nghiệm theo giá trị pH = 2, 3,

4, 5, 6, 7, 8, 9 và 10. Mỗi thí nghiệm ảnh hưởng của pH được lặp lại 3 lần.

- Sau đó đặt các bình tam giác chứa dụng dịch Reactive Red 24và Biochar

đã chuẩn bị trên máy lắc và lắc với thời gian 60 phút với tốc độ lắc là 120

vòng/phút. Sau đó, hỗn hợp dung dịch Reactive Red 24và Biochar được lọc bằng

giấy lọc để tách riêng dụng dịch sau hấp phụ và biochar.

- Nồng độ Reactive Red 24 trong dung dịch trước và sau hấp phụ được xác

định bằng phương pháp trắc quang, so màu trên máy UV-Vis. Dựa vào đường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

chuẩn đã xây dựng để tính toán nồng độ Reactive Red 24.

b. Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu quả xử lý

Reactive Red 24 bằng vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu

Mục tiêu: Tìm thời gian hấp phụ thích hợp cho quá trình xử lý chất nhuộm

màu Reactive Red 24. Sử dụng kết quả để tính toán các tham số mô hình động

học hấp phụ.

Trình tự thí nghiệm:

1. Pha nồng độ dung dịch chất nhuộm màu Reactive Red 24 với nồng độ

ban đầu 150 mg/l với thể tích đủ cho thí nghiệm lặp 3 lần.

2. Tiến hành điều chỉnh pH của dung dịch bằng giá trị tối ưu đã xác định

được ở nội dung thí nghiệm (a).

3. Tiến hành thí nghiệm hấp phụ:

- Cân 0,05 g than biochar từ vỏ trấu trên cho vào bình tam giác 50 ml.

- Sau đó lấy 25 ml dung dịch Reactive Red 24 với nồng độ ban đầu 150

mg/l đã chỉnh pH vào các bình tam giác đã cân vật liệu hấp phụ Biochar. Sau đó

ghi ký hiệu theo các mốc thời gian hấp phụ 5 – 120 phút. Các bình tam giác chứa

hỗn hợp dung dịch Reactive Red 24 và than được đặt trên máy lắc. Các mẫu được

lắc với tốc độ 120 vòng/phút với thời gian hấp phụ đã xác định trước. Sau thời

gian lắc đã xác định, các bình được lấy ra, lọc và phân tích nồng độ Reactive Red

24 trước và sau thí nghiệm để đánh giá hiệu quả hấp phụ.

- Nồng độ của Reactive Red 24 cũng được phân tích theo phương pháp đã

trình bày ở phần thí nghiệm (a).

c. Thí nghiệm 3: Ảnh hưởng của nồng độ Reactive Red 24 đến hiệu quả

xử lý bằng vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu

Mục tiêu: Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ Reactive Red 24 đến quá trình

hấp phụ. Sử dụng kết quả để tính toán các thông số mô hình đẳng nhiệt hấp phụ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Trình tự thí nghiệm:

1. Pha nồng độ dung dịch chất nhuộm Reactive Red 24 với nồng độ ban

đầu 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350 và 400 mg/l. Pha với lượng đủ dùng cho thí

nghiệm lặp 3 lần.

2. Tiến hành điều chỉnh pH của dung dịch bằng giá trị tối ưu đã xác định

được ở nội dung thí nghiệm (a).

3. Tiến hành thí nghiệm hấp phụ

- Cân 0,05g than trên cho vào từng bình tam giác có dung tích 50ml.

- Sau đó lấy 25 ml dung dịch thuốc nhuộm Reactive Red 24 với các nồng

độ ban đầu đã pha là 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350 và 400 mg/l vào các bình

tam giác đã chứa than biochar. Sau đó ghi kí hiệu các mẫu.

- Các mẫu chứa hỗn hợp dung dịch Reactive Red 24 và than được đặt trên

máy lắc. Lắc các mẫu trong thời gian tối ưu đã xác định được ở nội dung thí

nghiệm (b) với tốc độ lắc 120 vòng/phút. Sau thời gian lắc kết thúc thì lấy bình

tam giác chứa mẫu ra lọc bằng giấy lọc. Phần dung dịch sau hấp phụ được sử dụng

để xác định nồng độ Reactive Red 24 bằng phương pháp trắc quang như đã trình

bày ở nội dung thí nghiệm (a).

2.3.2.3. Các phương pháp phân tích

- Độ màu được xác định bằng phương pháp trắc quang (TCVN6185:2008).

Độ màu được đo trên máy UV-VIS 2900 Hitachi tại Phòng Thí nghiệm Khoa Tài

nguyên và Môi trường - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên.

- Điểm điện tích không (pHPZC) được xác định bằng máy đo pH (Hanna,

Romani) theo phương pháp đo thế điện cực thuỷ tinh.

Thí nghiệm xác định sơ bộ điểm điện tích không trong dung dịch muối KCl:

Lấy 25ml dung dịch KCl 0,1M đã pha vào 7 cốc, điều chỉnh giá trị pH bằng dung

dịch HCl 0,1M hoặc dung dịch NaOH 0,1M để được các giá trị pHi = 2, 4, 6, 7,

8, 10 và 12. Đổ các dung dịch đã chuẩn pHi ở trên vào các bình tam giác đã chứa

chất hấp phụ là than bùn (0,5g than bùn), đậy kín, cho lên máy lắc trong 48 giờ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Để lắng, lọc sạch huyền phù bằng giấy lọc, đo lại các giá trị pH gọi là pHf. Xác

định được: ΔpH = pHf - pHi.

Làm tương tự với dung dịch KCl 0,01M. Thí nghiệm xác định chính xác

điểm điện tích không trong dung dịch muối KCl tương tự thí nghiệm xác định sơ

bộ, nhưng khoảng pH được chia nhỏ hơn.

Xác định cấu trúc vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét SEM, model JSM-

6408 LV, hãng JEOL, Nhật Bản tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học và

Công nghệ Việt Nam.

2.3.3. Phương pháp phân tích, tổng hợp và xử lý số liệu

Các số liệu đo được trong quá trình thực nghiệm được xử lý bằng phần mềm

SPSS, hệ thống hóa bằng phần mềm Excel và thể hiện bằng biểu đồ.

2.3.4. Đánh giá và biểu diễn số liệu

- Hiệu suất độ màu được tính toán theo công thức:

Trong đó:

+ C0 và Ct là nồng độ Reactive Red 24 ban đầu và sau hấp phụ

+ H(%) là hiệu suất xử lý.

- Dung lượng hấp phụ của vật liệu than được tính theo công thức:

Trong đó:

+ qt (mg/g) : Dung lượng hấp phụ

+ V (ml) : Thể tích dung dịch phản ứng

+ m(mg) : Khối lượng vật liệu hấp phụ sử dụng

: Nồng độ COD (mg/l) hoặc độ màu (PtCo) ở thời + C0, Ct

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

điểm ban đầu và thời điểm t.

CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Đặc điểm của than sinh học từ vỏ trấu

Than sinh học sau khi đốt có màu đen bóng, có tỷ trọng nhỏ, độ xốp cao.

Bộ khung carbon vẫn giữ được cấu trúc vật liệu như ban đầu. Cấu trúc phân tử

than có trạng thái xốp và có diện tích bề mặt không lớn. Các lỗ rỗng đường kính

rất nhỏ được hình thành trong quá trình nhiệt phân tạo nên các hệ thống mao

quản.

- Thể tích lỗ rỗng của than sinh học vỏ trấu là 0,010329 cm3/g;

- Diện tích bề mặt riêng của than sinh học từ vỏ trấu là 4,0072 m2/g;

- Điểm điện tích không (PZC) của than sinh học vỏ trấu là pHPZC= 7,67.

Phân tích SEM về hình thái về bề mặt của than sinh học từ vỏ trấu được

hiện thị qua hình 3.1.

Hình 3.1. Đặc điểm của than sinh học từ vỏ trấu

Qua hình 3.1 cho thấy mẫu than sinh học này có dạng lỗ rỗng và xốp. Cấu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

trúc mao quản của vật liệu than sinh học vỏ trấu cho thấy vật liệu có dạng carbon

vô định hình, không có cấu trúc tinh thể. Biochar vỏ trấu chủ yếu là dạng vật liệu

mao quản trung bình.

Cấu trúc bề mặt lỗ xốp là một đặc trưng để đánh giá khả năng hấp phụ của

than sinh học từ vỏ trấu.

Bảng 3.1. So sánh diện tích bề mặt riêng của biochar từ vỏ trấu với một số

loại biochar sản xuất từ các vật liệu khác

Đơn vị: m2/g

STT Một số loại biochar Diện tích bề mặt riêng

1 Than sinh học từ vỏ trấu 4,0072

2 Than sinh học từ bã trà 13,848[16]

3 Than bùn 124[19]

4 Than sinh học từ gáo dừa 687[3]

5 Than sinh học từ tre 425[3]

6 Than sinh học từ lõi ngô biến tính 1046[9]

7 Than sinh học từ vỏ hạt điều 1170[8]

8 Than sinh học từ vỏ cà phê 1773[6]

9 Than sinh học từ vỏ sầu riêng 786[13]

Diện tích bề mặt riêng của than sinh học chịu ảnh hưởng bởi nguyên liệu

sinh khối và điều kiện sản xuất. Nguyên liệu sản xuất than sinh học ở Việt Nam

rất phong phú và đa dạng từ bã trà, bã mía đến cây tre, lõi ngô,… cùng rất nhiều

chất thải xanh khác. Than sinh học còn có thể được sản xuất từ vỏ trấu, một phế

phẩm gần gũi với người nông dân Việt Nam. Nông dân Việt Nam thường loại bỏ

hoặc dùng vỏ trấu để đun nấu nhưng hiệu quả mang lại không đáng kể, nay với

công nghệ sản xuất than sinh học, vỏ trấu có thể mang lại giá trị cho người nông

dân, người chăn nuôi hiệu quả to lớn. Than sinh học từ các loại vật liệu khác nhau

có diện tích bề mặt riêng khác nhau. Và diện tích bề mặt riêng của than sinh học

từ vỏ trấu trong điều kiện không khí so với các loại mẫu biochar khác (than sinh

học từ bã trà, từ gáo dừa, từ tre, từ lõi ngô biến tính, từ vỏ hạt điều, từ vỏ cà phê,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

từ vỏ sầu riêng,… ) là khá thấp.

Điểm điện tích không (pzc) được dùng để giải thích cho quá trình hấp phụ

và xác định được chất nền hấp phụ các ion. Mục đích chính của việc xác định

pHpzc của than sinh học từ vỏ trấu trong nghiên cứu này nhằm phục vụ cho việc

giải thích cách thức hấp phụ của loại than sinh học này với các ion có trong môi

trường nước có thuốc nhuộm Reactive Red 24. Điểm điện tích không PZC cho

biết điều kiện khi mật độ điện tích trên bề mặt bằng 0. Qua quá trình thí nghiệm

thấy rằng, pHPZC của than sinh học từ vỏ trấu với cùng một loại muối ít phụ thuộc

vào nồng độ của muối đó. Giá trị pH được dùng để mô tả PZC chỉ áp dụng cho hệ

H+/OH-. Khi pH < pHPZC (pHPZC = 7,67), khi đó trong dung dịch nước sẽ cho ion

H+ nhiều hơn ion OH-. Vì vậy, bề mặt than sinh học từ vỏ trấu mang điện tích

dương, hấp phụ anion tốt hơn. Và ngược lại, khi pH > pHPZC (pHPZC = 7,67), bề

mặt than sinh học từ vỏ trấu sẽ mang điện tích âm và hấp phụ các cation tốt hơn.

3.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của than sinh

học từ vỏ trấu để xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24

3.2.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý Reactive Red 24 bằng vật liệu hấp

phụ than sinh học từ vỏ trấu

pH của nước và nước thải là một yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đánh kể

đến hiệu quả hấp phụ các chất ô nhiễm. Vì thế việc tìm ra các khoảng giá trị pH

phù hợp cho quá trình xử lý là một yếu tố quan trọng trong công nghệ. Trong

nghiên cứu này, để khảo sát ảnh hưởng của giá trị pH đến hiệu suất xử lý và dung

lượng hấp phụ của vật liệu than sinh học từ vỏ trấu trong quá trình xử lý chất

nhuộm màu Reactive Red 24 trong môi trường nước nhằm xác định giá trị pH tối

ưu, nghiên cứu đã bố trí thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của pH dung dịch đến

hiệu quả hấp phụ Reactive Red 24 với các mức pH khác nhau (pH = 2, 3, 4, 5, 6,

7, 8, 9, 10). Lắc dung dịch thuốc nhuộm Reactive Red 24 với nồng độ 150 mg/l

trên máy lắc trong 60 phút với tốc độ lắc 120 vòng/phút. Mỗi thí nghiệm nhắc lại

3 lần.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Kết quả của thí nghiệm được thể hiện qua bảng 3.2 và hình 3.2.

Bảng 3.2. Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả xử lý chất nhuộm Reactive Red 24

bằng than sinh học từ vỏ trấu

Dung lượng hấp phụ Hiệu suất hấp phụ pH q (mg/g) H (%)

2 50,97 67,96

3 51,85 69,13

4 50,27 67,03

5 46,44 61,93

6 45,01 60,02

7 44,49 59,32

8 42,52 56,69

9 42,14 56,19

10 41,89 55,85

Hình 3.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý chất nhuộm màu Reactive

Red 24 bằng than sinh học từ vỏ trấu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Ghi chú: - q là dung lượng hấp phụ;

- H là hiệu suất xử lý.

Kết quả từ hình 3.2 cho thấy như sau:

- Hiệu suất xử lý của quá trình và dung lượng hấp phụ chất nhuộm màu

Reactive Red 24 của than sinh học từ vỏ trấu tăng khi giá trị pH tăng trong khoảng

pH = 2 - 3:

+ Với pH = 2 thì hiệu suất xử lý của quá trình đạt 67,96% và dung lượng

hấp phụ của than sinh học vỏ trấu là 50,97 mg/g.

+ Khi thí nghiệm tăng mức pH = 3 thì hiệu suất xử lý tăng lên H = 69,13%

và dung lượng hấp phụ đạt 51,85 mg/g. Tuy nhiên, mức tăng này là không đáng

kể so với pH = 2.

- Khi môi trường có pH tăng dần trong khoảng pH từ 4 đến 10 thì hiệu suất

xử lý và dung lượng hấp phụ của quá trình giảm dần đều.

+ Môi trường có pH = 4 thì hiệu suất giảm xuống còn 67,03% và dung

lượng hấp phụ giảm xuống còn 50,27 mg/g.

+ Hiệu suất xử lý và dung lượng hấp phụ của loại than này tiếp tục giảm

khi tăng giá trị pH. Khi pH = 10 thì hiệu suất giảm xuống thấp chỉ còn 55,85% và

dung lượng hấp phụ của than giảm xuống còn 41,89 mg/g.

Khi môi trường nước chuyển từ tính axit sang tính bazơ thì hiệu xuất xử lý

của quá trình cũng như dung lượng hấp phụ của than sinh học vỏ trấu giảm dần.

- Như vậy có thể thấy sự thay đổi của giá trị pH trong môi trường ảnh hưởng

lớn đến hiệu suất xử lý của quá trình và dung lượng hấp phụ của vật liệu than nghiên

cứu. Điều này có thể lý giải do đây là chất nhuộm màu anion mang điện tích âm (-)

nên có khuynh hướng tạo liên kết tĩnh điện với các trung tâm tĩnh điện dương (+).

Khi pH thấp (pH < pHPZC; pHPZC = 7,67), sự hiện diện của các ion H+ trên

bề mặt than sinh học từ vỏ trấu tăng. Trong khi đó, chất nhuộm màu có các nhóm

điện tích (-) sẽ có khuynh hướng tạo liên kết tĩnh điện với trung tâm điện tích (+)

của vật liệu hấp phụ trong môi trường pH thấp vì lực hút tĩnh điện trái dấu nên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

dung lượng hấp phụ của than sịnh học từ vỏ trấu cao.

Và khi giá trị pH tăng, nồng độ OH- tăng nên bề mặt vật liệu hấp phụ là

than sinh học từ vỏ trấu tích điện (-) cùng dấu với chất nhuộm màu dẫn đến tác

dụng đẩy. Do đó, dung lượng hấp phụ của than sinh học từ vỏ trấu với chất nhuộm

màu Reactive Red 24 này giảm.

Và khi môi trường có giá trị pH = 3< pHPZC (trong dải giá trị pH tiến hành

nghiên cứu) là hiệu quả xử lý Reactive Red 24 đạt giá trị tốt nhất cả về hiệu suất

xử lý cũng như dung lượng hấp phụ của vật liệu than sinh học từ vỏ trấu. Cũng

tại giá trị pH = 3 thì dung lượng hấp phụ đạt giá trị cân bằng.

Như vậy, giá trị pH có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp phụ than sinh

học từ vỏ trấu qua việc thay đổi nồng độ ion H+, OH- cũng như điện tích trên bề

mặt vật liệu hấp phụ than sinh học từ vỏ trấu.

Kết luận: pH trong môi trường nước ảnh hưởng rất lớn tới hiệu suất của quá

trình xử lý cũng như dung lượng hấp phụ của than sinh học từ vỏ trấu. pH tối ưu

được chọn cho các quá trình xử lý Reactive Red 24 trong môi trường nước cho

các thí nghiệm tiếp theo là pH = 3.

Kết quả báo cáo tương tự đã được tác giả Hoàng Trung Kiên [7] đưa ra khi

nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý màu của thuốc nhuộm Reactive

Red 24 bằng quá trình ozon với xúc tác xỉ sắt thải. Tác giả khẳng định rằng phương

pháp oxy hóa chất nhuộm màu bằng ozon, Fenton với xúc tác xỉ sắt có hiệu quả

tốt về khả năng khử màu cũng như COD. Nghiên cứu xác định được pH = 11 cho

các quá trình oxy hóa bằng ozon và pH = 3 cho quá trình oxy hóa bằng Fenton,

hiệu suất phân hủy chất màu Reactive Red 24 đạt giá trị tối đa.

3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý Reactive Red 24 bằng vật

liệu hấp phụ than sinh học từ vỏ trấu

Tiến hành thí nghiệm nhằm xác định thời gian hấp phụ thích hợp cho quá

trình xử lý nhuộm màu Reactive Red 24 bằng cách lắc hỗn hợp dung dịch Reactive

Red 24 (điều chỉnh pH = 3) và than sinh học vỏ trấu với tốc độ lắc 120 vòng/phút

với các mốc thời gian hấp phụ khác nhau (t = 5, 10, 15, 20, 40, 60, 80, 100, 120

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

phút). Hàm lượng than sinh học từ vỏ trấu sử dụng là 0,1 g/25 ml dung dịch thuốc

nhuộm Reactive Red 24. Kết quả nghiên cứu được thể hiện ở bảng 3.3 và hình

3.3.

Bảng 3.3. Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu quả xử lý chất nhuộm Reactive

Red 24 bằng than sinh học từ vỏ trấu

Thời gian (phút) Dung lượng hấp phụ q (mg/g) Hiệu suất hấp phụ H (%)

10,41 5 13,87

23,66 10 31,55

34,60 15 46,13

38,67 20 51,55

42,23 40 56,30

42,31 60 56,42

44,21 80 58,94

44,89 100 59,85

46,15 120 61,53

Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ chất

nhuộm màu Reactive Red 24 bằng than sinh học từ vỏ trấu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Ghi chú: - q là dung lượng hấp phụ;

- H là hiệu suất xử lý.

Kết quả nghiên cứu cho thấy:

- Khi thời gian hấp phụchất nhuộm màu Reactive red 24 bằng than sinh học

từ vỏ trấu tăng từ 5 đến 20 phút đầu thì hiệu suất và dung lượng hấp phụ tăng

nhanh.

Sau đó, hiệu suất và dung lượng hấp phụ tăng chậm hơn cho đến 40 phút.

Sau 40 phút hấp phụ, hiệu suất và dung lượng tiếp tục tăng không đáng kể.

Hiệu suất và dung lượng hấp phụ đạt được cụ thể như sau: Sau 40 phút hấp

phụ thì hiệu suất hấp phụ tăng nhanh từ13,87% lên 56,30%; đồng thời dung lượng

hấp phụ của than sinh học vỏ trấu từ10,41 mg/g tăng đến 42,23 mg/g.

- Tuy nhiên, từ thời gian lắc 40 phút tăng lên 120 phút thì hiệu suất xử lý

cũng như dung lượng hấp phụ của than tăng rất chậm và dần ổn định. Như vậy,

có thể thấy, khả năng hấp phụ chất nhuộm màu Reactive Red 24 của than vỏ trấu

xảy ra nhanh nhất trong khoảng 20 phút đầu tiên. Hiệu suất và dung lượng hấp

phụ tăng vọt. Sau đó, hiệu suất hấp phụ tiếp tục tăng chậm và đạt trạng thái ổn

định và tối đa.

Nguyên nhân của hiện tượng trên là do, trong thời gian đầu của quá trình

hấp phụ thì các vị trí hoạt động, lỗ rỗng trên bề mặt than sinh học còn trống nhiều

nên các phân tử thuốc nhuộm màu nhanh khuyếch tán và tương tác với các vị trí

hoạt động của than. Do đó, lượng lớn các phân tử chất nhuộm màu Reactive Red

24 được hấp phụ trên bề mặt của than sinh học vỏ trấu. Điều đó dẫn đến hiệu suất

và dung lượng hấp phụ tăng nhanh ở giai đoạn đầu của quá trình xử lý (trong

nghiên cứu này là 20 phút đầu). Tuy nhiên, khi tăng thời gian hấp phụ thì dung

lượng và hiệu suất tăng chậm dần là do các vị trí hoạt động trên bề mặt than và

các khe rỗng đã giảm. Hơn nữa, trong 20 phút đầu đã có lượng đáng kể các phân

tử chất nhuộm màu bị hấp phụ và bám trên bề mặt than sinh học vỏ trấu đã làm

giảm sự tương tác của than với các phân tử chất nhuộm màu trong dung dịch.

Đồng thời lượng các phân tử chất nhuộm màu trong dung dịch cũng giảm (hiệu

suất hấp phụ đạt gần 50% trong 20 phút đầu). Khi đó, khả năng tương tác của than

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

sinh học vỏ trấu và các phân tử chất nhuộm màu trong dung dịch giảm đi đáng kể.

Vì thế, hiệu suất và dung lượng hấp phụ cũng không tăng nhiều như giai đoạn 20

phút đầu. Sau 40 phút thì dung lượng và hiệu suất hầu như tăng không đang kể và

có xu hướng đạt trạng thái cân bằng.

Kết luận:Thời gian hấp phụđể xử lý chất nhuộm Reactive Red 24 và than

sinh học vỏ trấu ảnh hưởng lớn đến hiệu suất quá trình xử lý và dung lượng hấp

phụ của than. Thời gian thích hợp nhất để xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24

bằng than sinh học vỏ trấu là 40 phút. Và thời gian 40 phút này được sử dụng để

thực hiện thí nghiệm tiếp theo.

3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ Reactive Red 24 đến hiệu quả xử lý bằng vật

liệu hấp phụ than sinh học từ vỏ trấu

Các thí nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của mức nồng độ chất nhuộm

màu Reactive Red 24 đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ bằng than sinh học từ

vỏ trấu. Các thí nghiệm được thực hiện bằng việc lắc mẫu chứa hỗn hợp 25ml

dung dịch thuốc nhuộm Reactive Red 24 (điều chỉnh pH = 3) có các nồng độ ban

đầu pha lần lượt là 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 mg/l với than sinh học

vỏ trấu (0,1 g/25 ml) trong thời gian 40 phút, tốc độ lắc 120 vòng/phút. Mục tiêu

của thí nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của nồng độ thuốc nhuộm Reactive Red

24 đến quá trình hấp phụ.Kết quả thí nghiệm thể hiện qua bảng 3.4 và hình 3.4.

Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ Reactive Red 24 đến hiệu quả xử lý bằng

than sinh học từ vỏ trấu

Nồng độ Reactive Red 24 (mg/l) Dung lượng hấp phụ q (mg/g) Hiệu suất hấp phụ H (%)

50 18,98 60,75

100 34,55 55,27

150 38,91 41,50

200 43,38 34,70

250 44,79 28,67

300 45,76 24,41

350 46,64 21,32

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

400 46,74 18,70

Hình 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ chất nhuộm màu Reactive Red 24 đến khả

năng hấp phụ bằng than sinh học từ vỏ trấu

Ghi chú: - q là dung lượng hấp phụ;

- H là hiệu suất xử lý.

Qua quá trình thực hiện thí nghiệm nhận thấy:

- Khi tăng nồng độ chất nhuộm Reactive Red 24 từ 50 mg/l lên 400 mg/l

thì dung lượng hấp phụ của quá trình cũng tăng từ 18,98mg/g lên 46,74mg/g và

hiệu suất xử lý của quá trình giảm từ 60,75% xuống 18,70%.

+ Dung lượng hấp phụ tăng nhanh (tăng từ 18,98% lên 38,91%) khi nồng

độ thuốc nhuộm tăng trong khoảng từ 50 mg/l đến 150 mg/l.

+ Khi nồng độ chất cần xử lý bắt đầu >150 mg/l thì dung lượng hấp phụ

của quá trình tăng chậm dần và dần đạt trạng thái bão hòa.

- Khi tăng nồng độ chất cần xử lý thì dung lượng hấp phụ của than sinh học

từ vỏ trấu tỷ lệ nghịch với hiệu suất xử lý của quá trình. Hay nói cách khác, khi

nồng độ của thuốc nhuộm Reactive Red 24 tăng thì hiệu suất hấp phụ của than

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

càng giảm.

+ Nồng độ thuốc nhuộm tăng từ 50 mg/l lên 150 mg/l thì hiệu suất hấp phụ

của than giảm mạnh từ 60,75% xuống còn 41,50%.

+ Khi tiếp tục thí nghiệm tăng nồng độ thuốc nhuộm từ 150 mg/l lên đến

400 mg/l thì hiệu suất hấp phụ tiếp tục giảm nhưng chậm và dần đạt trạng thái bão

hòa.

Có thể lý giải nguyên nhân của hiện tượng này là do khi nồng độ chất

nhuộm Reactive Red 24 trong môi trường nước cao thì khả năng tiếp xúc của chất

hấp phụ là than sinh học từ vỏ trấu với chất nhuộm cần xử lý tăng. Do đó,dung

lượng hấp phụ của quá trình cũng cao hơn so với dung dịch có nồng độ chất nhuộm

Reactive Red 24 thấp. Tuy nhiên, khi nồng độ tăng lên >150 mg/l thì hiệu suất

hấp phụ của quá trình tăng chậm, hiệu suất hấp phụ của than giảm có thể do khả

năng hấp phụ của than đã gần bão hòa vì khối lượng than sinh học vỏ trấu sử dụng

trong thí nghiệm không đổi. Than sinh học vỏ trấu đã hấp phụ 1 lớp thuốc nhuộm

Reactive Red 24 bao quanh bề mặt đủ lớn nên những phần tử bị bám hút vào sau

có lực bám yếu hơn lớp phía trong nên chúng khó liên kết với than sinh học vỏ

trấu. Khi đó, dung lượng hấp phụ của than sinh học từ vỏ trấu đã gần đạt cực đại.

Tương tự kết quả thí nghiệm của tác giả Hoàng Trung Kiên [7], hiệu suất

xử lý và dung lượng hấp phụ của vật liệu hấp phụ đều giảm mạnh khi nồng độ của

Reactive Red 24 tăng.

Kết luận: Nồng độ ban đầu của chất cần xử lý là thuốc nhuộm Reactive Red

24 trong môi trường nước ảnh hưởng lớn tới hiệu suất xử lý cũng như dung lượng

hấp phụ của vật liệu nghiên cứu. Nồng độ hấp phụ tối ưu mà nghiên cứu lựa chọn

là 150 mg/l.

3.3. Mô hình động học hấp phụ

Để xác định phương trình mô hình động học hấp phụ chất nhuộm Reactive

Red 24 bằng than sinh học từ vỏ trấu, nghiên cứu đánh giá thông qua 2 mô hình

động học biểu kiến.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Phương trình động học biểu kiến bậc nhất:

Ln(qe – qt) = ln(qe) – k1.t

- Phương trình động học biểu kiến bậc hai:

Trong đó:

- qe, qt (mg/g, mg.g-1): Là dung lượng hấp phụ ở thời điểm cân bằng và ở

thời điểm t bất kỳ.

- k1 (phút-1) và k2 (g.mg-1.phút-1): Là các hằng số.

- qe,exp (mg/g): Là dung lượng hấp phụ cân bằng tính theo nồng độ ban đầu

và nồng độ cân bằng.

- qm,cal: Là dung lượng hấp phụ cân bằng tính theo phương trình động học.

Kết quả tính toán mô hình được thực hiện và được thể hiện ở bảng 3.5 và

hình 3.5.

Bảng 3.5.Các thông số của các mô hình động học hấp phụ chất nhuộm màu

Reactive Red 24 bằng than sinh học từ vỏ trấu

Mô hình động học bậc 1 Mô hình động học bậc 2

qe,exp

qm,cal qm,cal (mg/g) K1 R2 K2 R2 (mg/g) (mg/g)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

44,69 0,09233 0,9395 50,71 0,0024 0,8562 44,89

Hình 3.5. Các mô hình động học của sự hấp phụ chất nhuộm màu Reactive

Red 24 bằng than sinh học từ vỏ trấu

Dựa vào hệ số tương quan R2 và sự sai khác giữa giá trị qe thực nghiệm và

qe tính toán trong bảng 3.5 và hình 3.5 cho thấy:

- Từ hệ số tương quan R2, khả năng hấp phụ chất màu Reactive Red 24 của

than sinh học từ vỏ trấu phù hợp với cả 2 mô hình động học bậc 1 và mô hình

động học bậc 2. Mô hình động học đầu tiên có hệ số tương quan R2 = 0,9395 và

mô hình động học thứ 2 có R2= 0,8562. Hệ số tin cậy của mô hình động học biểu

kiến bậc một lớn hơn nhiều so với của mô hình biểu kiến bậc hai và gần với đơn

vị hơn.

- Giá trị dung lượng hấp phụ của mô hình động học bậc 1 và động học bậc

2 lần lượt là 44,69 mg/g và 50,71 mg/g cũng tương đối gần với giá trị q thực

nghiệm. Và 2 mô hình động học đều phù hợp để mô tả quá trình hấp phụ chất

nhuộm màu Reactive Red 24 của than sinh học từ vỏ trấu. Tuy nhiên, giá trị dung

lượng hấp phụ của mô hình động học bậc 1 gần với giá trị dung lượng thực nghiệm

hơn. Do đó, mô hình động học biểu kiến bậc một mô tả quá trình hấp phụ chất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

nhuộm Reactive Red 24 phù hợp hơn so với mô hình biểu kiến bậc hai.

3.4. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ

Việc phân tích dữ liệu cân bằng hấp phụ bằng các mô hình đẳng nhiệt khác

nhau là một bước quan trọng để tìm ra mô hình phù hợp. Đường đẳng nhiệt hấp

phụ về cơ bản là mô tả cách các chất hòa tan tương tác với chất hấp phụ và có vai

trò quan trọng trong việc tối ưu hóa việc sử dụng chất hấp phụ.

Cơ chế hấp phụ giữa vật liệu hấp phụ và chất nhuộm màu có thể được thể

hiện bằng đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và đường đẳng nhiệt Freundlich.

- Phương trình Langmuir xác định được dung lượng hấp phụ cực đại, sự

phù hợp của mô hình với thực nghiệm.

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir:

- Phương trình Freundlich cũng được sử dụng để xem xét sự phù hợp của

mô hình với thực nghiệm.

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich:

Trong đó:

+ qe: Là dung lượng hấp phụ ở thời điểm cân bằng.

+ qmax: Là dung lượng hấp phụ cực đại.

+ KL (l.mg-1): Là hằng số cân bằng hấp phụ theo Langmuir.

+ Ce: Là nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng.

+ KF: Là các hằng số Freundlich.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

+ n: Là cường độ hấp phụ.

Dựa vào kết quả khảo sát khả năng hấp phụ chất nhuộm Reactive Red 24

của than sinh học từ vỏ trấu, mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich

đã được xác lập để tính toán các thông số động học hấp phụ. Kết quả các tham số

của hai phương trình Langmuir và Freundlich cùng với hệ số tương quan R2 được

thể hiện qua bảng 3.3 sau:

Bảng 3.6. Các tham số và hệ số tương quan của các mô hình đẳng nhiệt hấp

phụ Langmuir và Freundlich chất nhuộm màu Reactive Red 24 bằng than

sinh học vỏ trấu

Mô hình Langmuir Mô hình Freundich qe,exp qm,cal (mg/g) KL R2 KF 1/n R2 (mg/g)

53,91 0,0089 0,9864 3,379 0,461 0,9472 46,64

Hình 3.6. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich chất nhuộm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

màu Reactive Red 24 bằng than sinh học từ vỏ trấu

Qua kết quả bảng 3.6và hình 3.6 nhận thấy:

- Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich đều có hệ số tin cậy

R2 rất cao (R2 > 0,94). Hệ số tương quan R2 của mô hình Langmuir cao hơn hệ số

tương quan R2 của mô hình Freundlich và gần với đơn vị hơn.

- Giá trị dung lượng hấp phụ của mô hình đẳng nhiệt Langmuir và mô hình

đẳng nhiệt Freundlich đều gần bằng giá trị thực nghiệm. Và 2 mô hình đẳng nhiệt

này đều phù hợp thể hiện quá trình hấp phụ chất nhuộm màu Reactive Red 24 của

than sinh học vỏ trấu. Nhưng dung lượng hấp phụ của mô hình đẳng nhiệt Languir

gần với giá trị dung lượng thực nghiệm hơn.

Như vậy, đường đẳng nhiệt hấp phụ, động học hấp phụ đều thể hiện quá

trình hấp phụ chất nhuộm màu của than sinh học vỏ trấu. Và quá trình hấp phụ

này liên quan đến cơ chế: trao đổi ion, lực hút tĩnh điện. Lực hút tĩnh điện đóng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

vai trò quan trọng trong sự hấp phụ chất nhuộm màu lên bề mặt vật liệu hấp phụ.

KẾT LUẬN

1. Đặc điểm của than sinh học từ vỏ trấu

Than sinh học từ vỏ trấu có màu đen bóng, tỷ trọng nhỏ, độ xốp cao. Bộ

khung carbon vẫn giữ được cấu trúc vật liệu như ban đầu. Cấu trúc phân tử than

có trạng thái xốp và có diện tích bề mặt riêng không lớn. Các lỗ rỗng đường kính

rất nhỏ được hình thành trong quá trình nhiệt phân tạo nên các hệ thống mao quản.

pHPZC của than sinh học từ vỏ trấu với cùng một loại muối ít phụ thuộc vào nồng

độ của muối đó.

2. Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của than sinh học từ vỏ trấu

để xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24

* Ảnh hưởng của pH

- Hiệu suất xử lý và dung lượng hấp phụ chất nhuộm màu RR24 của than

sinh học từ vỏ trấu tăng khi pH tăng trong khoảng pH = 2 – 3.

- Khi pH tăng dần pH = 4 – 10 thì hiệu suất xử lý và dung lượng hấp phụ

của quá trình giảm dần đều.

Giá trị pH có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp phụ than sinh học từ vỏ

trấu. pH tối ưu cho các quá trình xử lý Reactive Red 24 là pH = 3.

* Ảnh hưởng của thời gian

- Khi thời gian hấp phụ tăng từ 5 - 20 phút đầu thì hiệu suất và dung lượng

hấp phụ tăng nhanh. Sau đó, hiệu suất và dung lượng hấp phụ tăng chậm hơn cho

đến 40 phút.Sau 40 phút hấp phụ, hiệu suất và dung lượng tiếp tục tăng không

đáng kể, đạt trạng thái ổn định và tối đa.

- Thời gian thích hợp nhất để xử lý chất nhuộm Reactive Red 24 bằng than

sinh học vỏ trấu là 40 phút.

* Ảnh hưởng của nồng độ Reactive Red 24

- Dung lượng hấp phụ tăng nhanh (tăng từ 18,98% lên 38,91%), hiệu suất

hấp phụ của than giảm mạnh từ 60,75% xuống còn 41,50% khi nồng độ thuốc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

nhuộm tăng trong khoảng từ 50 mg/l đến 150 mg/l.

- Khi nồng độ chất cần xử lý bắt đầu >150 mg/l thì dung lượng hấp phụ của

quá trình tăng chậm dần, hiệu suất hấp phụ tiếp tục giảm nhưng chậm và dần đạt

trạng thái bão hòa.

- Nồng độ hấp phụ tối ưu mà nghiên cứu lựa chọn là 150 mg/l.

3. Mô hình động học hấp phụ

- Hệ số tin cậy của mô hình động học biểu kiến bậc một lớn hơn nhiều so

với của mô hình biểu kiến bậc hai và gần với đơn vị hơn.

- Giá trị dung lượng hấp phụ của mô hình động học bậc 1 và động học bậc

2 lần lượt là 44,69 mg/g và 50,71 mg/g cũng tương đối gần với giá trị q thực

nghiệm. Giá trị dung lượng hấp phụ của mô hình động học bậc 1 gần với giá trị

dung lượng thực nghiệm hơn.

4. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ

- Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich có hệ số tin cậy R2

rất cao (R2 > 0,94). Hệ số tương quan R2 của mô hình Langmuir cao hơn hệ số

tương quan R2 của mô hình Freundlich và gần với đơn vị hơn.

- 2 mô hình đẳng nhiệt này đều phù hợp thể hiện quá trình hấp phụ chất nhuộm

màu RR24 của than sinh học từ vỏ trấu. Nhưng dung lượng hấp phụ của mô hình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

đẳng nhiệt Languir gần với giá trị dung lượng hấp phụ thực nghiệm hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. TIẾNG VIỆT

1. Bộ Công thương (2008), Tài liệu sản xuất sạch hơn ngành dệt nhuộm

2. Bộ môn Công nghệ Hóa học (2012), Xử lý nước thải dệt nhuộm, Đại học Nông

Lâm Tp. Hồ Chí Minh

3. Lê Văn Chiều, Vũ Ngọc Duy, Nguyễn Mạnh Tiến, Cao Thế Hà (2017), Khả năng hấp phụ màu Reactive Blue 19 của than hoạt tính chế tạo từ gáo dừa và tre, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 33, Số 3 (2017) 10-13

4. Nguyễn Thị Hà, Hồ Thị Hà(2008)Nghiên cứu hấp phụ màu/xử lý COD trong nước thải nhuộm bằng cacbon hoạt hóa chế tạo từ bụi bông, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học tự nhiên và Công nghệ số 24 (2008) 16-22

5. Hội Hóa học Việt Nam, Xử lý nước thải ngành dệt nhuộm,

http://csv.net.vn/Xu-ly-nuoc-thai-nganh-det-nhuom.html

6. Lê Văn Khu, Lương Thị Thu Thủy (2016), Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni(II) trong dung dịch nước của than hoạt tính chế tạo từ vỏ hạt cà phê, Journal of science of HNUE, DOI: 10.18173/2354-1059.2016-0009, Natural Sci. 2016, Vol. 61, No. 4, pp. 50-57

7. Hoàng Trung Kiên (2019),Nghiên cứu xử lý chất nhuộm màu Reactive Red 24 bằng quá trình ozon với xúc tác xỉ sắt, Luận văn thạc sỹ, Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên

8. Võ Thị Diễm Kiều, Mã Thái Hòa, Lý Cẩm Hùng (2016), Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều, Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 42 (2016): 118-126

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

9. Vũ Thị Mai, Trịnh Thị Tuyên (2016),Nghiên cứu khả năng xử lý amoni trong môi trường nước của than sinh học từ lõi ngô biến tính bằng H3PO4 và NaOH, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 274-281

10. Nguyễn Thị Tuyết Nam (2014), Nghiên cứu khả năng xử lý độ màu nước thải

dệt nhuộm bằng TiO2, Đại học Sài Gòn.

11. Dương Thị Bích Ngọc và cs (2013), Nghiên cứu khả năng hấp phụ thuốc nhuộm xanh methylen của vật liệu hấp phụ chế tạo từ lõi ngô và vỏ ngô, Tạp chí Khoa học và Công nghệ lâm nghiệp số 2 - 2013, trang 77-81

12. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2006), Giáo trình công nghệ xử lý nước thải,

Nxb Khoa học và Kỹ thuật

13. Lê Thị Kim Phụng, Lê Anh Kiên (2013),Tối ưu quá trình than hóa vỏ sầu riêng ứng dụng trong xử lý chất màu, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ - Vol. 16, No. 1M (2013)

14. Trịnh Bảo Sơn, Phạm Thị Kiều Chinh, Hà Đoàn Trâm (2019),Hiệu quả khử màu của than trấu từ tính kết hợp nano sắt hóa trị zero đối với thuốc nhuộm hoạt tính trong nước thải dệt nhuộm, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ – Khoa học Trái đất và Môi trường, 3(2):105- 114

15. Tổng cục Môi trường (2011), Tài liệu kỹ thuật Hướng dẫn đánh giá sự phù hợp của công nghệ xử lý nước thải và giới thiệu một số công nghệ xử lý nước thải đối với ngành chế biến thủy sản, dệt may, giấy và bột giấy

16. Huỳnh Thị Thu Trang (2017), Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu2+, Cd2+ trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã trà và ứng dụng trong xử lí nước thải xi mạ, Đại học Sài Gòn

17. Nguyễn Thị Thùy Trang, Nguyễn Thành Trung (2016), Nghiên cứu đánh giá năng lực hấp phụ và ảnh hưởng của một số yếu tố đến năng lực hấp phụ màu trong nước thải dệt nhuộm của vật liệu diatomite phủ chitosan, Phân viện BHLĐ và BVMT Miền Trung

18. Đặng Lê Minh Trí (2012),Nghiên cứu hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính trong nước thải ngành dệt nhuộm bằng chitosan khâu mạch bức xạ có nguồn gốc từ vỏ tôm, Luận văn thạc sỹ khoa học, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

19. Trần Thị Tú, Trương Quý Tùng, Hoàng Trọng Sỹ (2014),Khả năng hấp phụ phẩm nhuộm của than bùn Thừa Thiên Huế, Tạp chí Khoa học Đại học Huế, Chuyên san Khoa học Tự Nhiên, Tập 92, Số 4 (2014), 195-208, ISSN: 1859- 1388

20. Anh Tùng (2015), Than sinh học – Hiệu quả nhờ công nghệ, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tạp chí do Trung tâm Thông tin và Thống kê KH&CN Tp. Hồ Chí Minh – Sở KH&CN Tp. Hồ Chí Minh xuất bản.

21. Nguyễn Đắc Vinh và cs(2007),Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm chứa chất nhuộm cation bằng phương pháp hấp phụ, Tạp chí Bảo hộ Lao động, Khoa học công nghệ chuyển giao

II. TIẾNG ANH

22. Dhuha D. Salman, Wisam S. Ulaiwi và N.M.Tariq (2012),Determination the optimal conditions of methylene blue adsorption by the chicken egg shell membrane, Internationnal Journal of Poultry Science, volume 11, page 391-396.

23. Divine D. Sewu, Patrick Boakye, SeungH. Woo(2017), Highly efficient adsorption of cationic dye by biochar produced with Korean cabbage waste.,Bioresource TechnologyVolume 224, Pages 206-213

24. Ekta Khosla, Satindar Kaur &Pragnesh N. Dave (2015), Ionic dye adsorption by zinc oxide nanoparticles, Chemistry and E cology, Volume 31, Issue 2, Pages 173-185

25. H. Ruffer, (1991), Taschenbuch K.H. der

Rosenwinkel Industrieabwasserreinigung, R. Oldenburg Verkag Munchen Wien

26. Lehmann J, Gaunt J, Rondon M. (2006), Biochar sequestration in terrestrial ecosystems – areview, Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 11, 403-427

27. Muhammad Saif Ur Rehman, Kim Ilgook, Naim Rashid, Malik Adeel Umer,

Muhammad Sajid, Jong‐In Han (2015),Adsorption of Brilliant Green Dye on Biochar Prepared From Lignocellulosic Bioethanol Plant Waste, CLEAN – Soil, Air, Water/Volume 44, Issue 1

28. Tan,I.A.W., Hameed, B.H. (2010), Adsorption studies of basic dye on activated carbon derived from oil palm empty fruit bunch, Journal of Applied Science, 10(21), 25652572

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

29. Velmurugan. P, Rathina kumar. V, Dhinakaran. G (2011), Dye removal from aqueous solution using low cost absorbent, International journal of environmental sciences, volume 1, page 1492-1503

Máy khuấy từ

Cân phân tích 5 số - Model RM 200

Máy so màu UV-Vis, Model Hitachi 2900

PHỤ LỤC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Tủ sấy mẫu trong phòng thí nghiệm 70 lít 101-1 - TN70

Máy đo pH

Vỏ trấu thô

Than sinh học vỏ trấu

Cân Biochar vỏ trấu

Cân RR24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Lắc dung dịch RR24 và than

Pha dung dịch RR24

Lọc lấy mẫu than sau khi xử lý

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn