Luận văn Nghiên cứu sự hấp phụ một số chất màu trong dung dịch nước của than hoạt tính được chế tạo từ vỏ hạt cà phê

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI
----------

BÙI VĂN THO

NGHIÊN CỨU SỰ HẤP PHỤ MỘT SỐ CHẤT MẦU
TRONG DUNG DỊCH NƢỚC CỦA THAN HOẠT
TÍNH ĐƢỢC CHẾ TẠO TỪ VỎ HẠT CÀ PHÊ
Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí
Mã số: 60.44.01.19

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ VĂN KHU

HÀ NỘI - 2015


LỜI CẢM ƠN

Luận văn này đƣợc hoàn thành tại - Bộ môn Hóa lí thuyết và Hóa lí - Trƣờng Đại
học Sƣ phạm Hà Nội.
Với tình cảm chân thành của mình, trƣớc hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng, sự biết
ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo hƣớng dẫn TS. Lê Văn Khu – thầy đã hƣớng dẫn tận tình và
chỉ bảo tỉ mỉ cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa Hóa học - Trƣờng
ĐHSP Hà Nội đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi trong suốt thời gian qua.
Và tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới nghiên cứu sinh Tạ Hữu Sơn – ngƣời đã
giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, ngƣời thân đã luôn động viên

giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.
Đề tài luận văn đƣợc thực hiện trong một khoảng thời gian ngắn nên không tránh
khỏi thiếu xót và hạn chế. Tôi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô
và các bạn để đề tài của tôi đƣợc hoàn thiện hơn.

Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2015
Tác giả

BÙI VĂN THO


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
I. Lí do chọn đề tài ......................................................................................................1
II. Mục đích nghiên cứu ..............................................................................................1
III. Đối tƣợng nghiên cứu............................................................................................2
IV. Nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................................................2
V. Phƣơng pháp tiến hành nghiên cứu ........................................................................2
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN ..........................................................................................3
I. TỔNG QUAN VỀ THAN HOẠT TÍNH .....................................................................3
I.1. Giới thiệu về than hoạt tính ...................................................................................3
I.2. Quy trình chế tạo than hoạt tính ............................................................................3
I.2.1. Giai đoạn than hóa.........................................................................................3
I.2.2. Giai đoạn hoạt hóa.........................................................................................3
I.3. Đặc trƣng cơ bản của than hoạt tính .....................................................................4
I.3.1. Cấu trúc tinh thể.............................................................................................5
I.3.2. Cấu trúc xốp ...................................................................................................5
I.3.3. Đặc tính hóa học bề mặt ................................................................................6
I.4. Một số ứng dụng của than hoạt tính ......................................................................8

I.4.1. Trong công nghiệp hóa học............................................................................8
I.4.2. Trong công nghệ thực phẩm ..........................................................................9
I.4.3. Trong xử lí môi trường ...................................................................................9
I.4.4. Trong y tế .......................................................................................................9
II. TỔNG QUAN VỀ THUỐC NHUỘM .....................................................................10
II.1. Sự phân loại thuốc nhuộm .................................................................................10
II.2. Các thông số đặc trƣng ô nhiễm của nƣớc thải dệt nhuộm ................................10
II.2.1. Ô nhiễm hữu cơ ...........................................................................................10
II.2.2. Ô nhiễm màu ...............................................................................................10
II.2.3. Các chỉ tiêu ô nhiễm khác ...........................................................................11
II.3. Mức độ độc hại ..................................................................................................11
II.4. Các phƣơng pháp xử lý màu nƣớc thải dệt nhuộm ............................................13
II.4.1. Phương pháp hóa lý ....................................................................................13
II.4.2. Các phương pháp hóa học ..........................................................................14
II.4.3. Phương pháp xử lý sinh học .......................................................................15


II.5. Một số thông số của thuốc nhuộm Metylen Blue ..............................................15
II.6. Một số thông số của thuốc nhuộm CI Direct Red 23 ........................................16
III. TỔNG QUAN VỀ HẤP PHỤ ..............................................................................16
III.1. Hiện tƣợng hấp phụ .........................................................................................16
III.1.1. Hiện tượng hấp phụ ...................................................................................16
III.1.2. Phân loại các dạng hấp phụ ......................................................................17
III.1.3. Hấp phụ trong môi trường nước ...............................................................18
III.2. Cân bằng hấp phụ................................................................................................19
III.2.1. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir .............................................19
III.2.2. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt BET (Brunauer-Emmet-Teller)......................21
III.2.3. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich ...........................................22
III.2.4. Phương trình Toth .....................................................................................22
III.2.5. Phương trình Redlich-Peterson .................................................................22

III.3. Động học hấp phụ ............................................................................................22
III.3.1. Phương trình động học biểu kiến bậc 1 của Lagergren ............................23
III.3.2. Phương trình động học biểu kiến bậc 2 ....................................................23
CHƢƠNG II. THỰC NGHIỆM .................................................................................25
I. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM .................................................................................25
I.1. Nguyên liệu và hóa chất ......................................................................................25
I.2. Chế tạo than hoạt tính từ vỏ hạt cà phê ...............................................................25
I.3. Chuẩn bị dung dịch thuốc nhuộm .......................................................................26
I.4. Nghiên cứu sự hấp phụ thuốc nhuộm..................................................................26
I.4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng than sử dụng và pH ...............................26
I.4.2. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ ...........................................................27
I.4.3. Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ .....................................................27
II. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỬ DỤNG ....................................................27
II.1. Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (phƣơng pháp BET) .........27
II.1.1. Nguyên lí .....................................................................................................27
II.1.2.Thiết bị, điều kiện đo....................................................................................30
II.2. Phƣơng pháp chuẩn độ Boehm (Boehm titration) .............................................30
II.3. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR: Fourier Transform
Infrared Spectroscopy) ..............................................................................................30


II.3.1. Nguyên lí .....................................................................................................30
II.3.2. Thiết bị, điều kiện đo...................................................................................31
II.4. Phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA) và nhiệt vi sai (DTA) ..........31
II.4.1. Nguyên lí .....................................................................................................31
II.4.2. Thiết bị, điều kiện đo...................................................................................32
II.5. Phƣơng pháp phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX) ............................................32
II.5.1. Nguyên lí .....................................................................................................32
II.5.2. Kĩ thuật ghi nhận và độ chính xác ..............................................................33
II.6. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..........................................................33

II.6.1. Nguyên lí .....................................................................................................34
II.6.2. Thiết bị, điều kiện đo...................................................................................34
II.7. Phƣơng pháp xác định pH tại điểm điện tích không (pHPZC : pH at the point of
zero charge) ...............................................................................................................35
CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...........................................................36
I. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC VÀ CÁC ĐẶC TRƢNG VẬT LÍ, HÓA
LÍ CỦA THAN ..............................................................................................................36
I.1. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ...........................................................36
I.2. Phƣơng pháp phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX) ..............................................38
I.3. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) .....................................39
I.4. Phƣơng pháp chuẩn độ Boehm ...........................................................................40
I.5. Xác định pH tại điểm điện tích không (pHPZC) ...................................................40
I.6. Phƣơng pháp phân tích nhiệt (TGA-DTA) .........................................................41
I.7. Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ...........................................42
II. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ CHẤT MẦU TRONG DUNG
DỊCH NƢỚC .................................................................................................................45
II.1. Nghiên cứu sự hấp phụ DR-23 trong dung dịch nƣớc .......................................45
II.1.1. Khảo sát tìm điều kiện tối ưu ......................................................................45
II.1.2. Động học của quá trình hấp phụ DR-23 ....................................................47
II.1.3. Đường đẳng nhiệt hấp phụ DR-23 .............................................................54
II.2. Nghiên cứu sự hấp phụ MB trong dung dịch nƣớc ...........................................64
KẾT LUẬN ..................................................................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................73


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

BET:

Brunauer-Emmett-Telller

BJH:

Barrett-Joyner-Halenda

BTNMT:

Bộ tài nguyên Môi trƣờng

DFT:

Phƣơng pháp hàm mật độ

QCVN:

Quy chuẩn Việt Nam

SBET:

Bề mặt riêng tính theo phƣơng trình BET

Sex:

Diện tích bề mặt ngoài

Smi:

Diện tích mao quản nhỏ

VLMQ:

Vật liệu mao quản

Vme:

Thể tích mao quản trung bình

Vmi:

Thể tích mao quản nhỏ

Vtot:

Tổng thể tích mao quản

UV-Vis:

Ultraviolet - visible spectroscopy (Phổ tử ngoại
khả kiến)


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.Một số thông số của Metylen Blue ................................................................15
Bảng 3.1. Điều kiện chế tạo và kí hiệu các mẫu than hoạt tính ....................................36
Bảng 3.2. Kết quả phân tích thành phần nguyên tố bằng phƣơng pháp EDX ..............38
Bảng 3.3. Kết quả chuẩn độ Boehm các mẫu than chế tạo đƣợc ..................................40
Bảng 3.4. Giá trị pHPZC của các mẫu than nghiên cứu..................................................41
Bảng 3.5. Bề mặt riêng và đặc trƣng mao quản của than chế tạo từ vỏ hạt cà phê ......43
Bảng 3.6. qe,TN và các tham số của phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 đối
với sự hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 trên ba mẫu than ở 300C ......................49

Bảng 3.7. qe,TN và các tham số của phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 2 đối
với sự hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 trên ba mẫu than ở 300C ......................50
Bảng 3.8. qe,TN và các tham số của phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 2 đối
với sự hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 trên ba mẫu than tại các nhiệt độ khác
nhau ................................................................................................................52
Bảng 3.9. qe,TN và các tham số của phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 2 đối
với sự hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 trên ba mẫu than tại các nồng độ đầu
khác nhau ........................................................................................................53
Bảng 3.10. Các giá trị HYBRID và APE khi mô tả sự hấp phụ DR-23 trên các mẫu
than ở 300C bằng các phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ ................................57
Bảng 3.11. Kết quả mô tả sự hấp phụ DR-23 trên các mẫu than ở các nhiệt độ khác
nhau bằng phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Toth .........................................59
Bảng 3.12. Các tham số nhiệt động của quá trình hấp phụ DR-23 trong dung dịch
nƣớc trên ba mẫu than nghiên cứu .................................................................63
Bảng 3.13. qe,TN và các tham số của phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 2 đối
với sự hấp phụ thuốc nhuộm MB trên ba mẫu than tại 30oC, Co = 200 mg/L....66
Bảng 3.14. qe,TN và các tham số của phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 2 đối với
sự hấp phụ MB trên than CF3-2 tại các nhiệt độ và nồng độ đầu khác nhau .......... 67
Bảng 3.15. Các giá trị HYBRID và APE khi mô tả sự hấp phụ MB trên các mẫu than ở
300C bằng các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ ...................................................69
Bảng 3.16. Kết quả mô tả sự hấp phụ MB trên mẫu than CF3-2 ở các nhiệt độ khác
nhau bằng phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Toth .........................................70
Bảng 3.17. Các tham số nhiệt động của quá trình hấp phụ MB trong dung dịch nƣớc
trên mẫu than CF3-2 .......................................................................................70


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1.Các nhóm chức thƣờng gặp trên bề mặt than hoạt tính ...................................7
Hình 1.2. Ảnh hƣởng của các nhóm chức đến điện tích bề mặt của than hoạt tính ..............7
Hình 1.3. Sự phân hủy nhóm chức bề mặt của than hoạt tính xác định bởi phƣơng

pháp giải hấp phụ theo chƣơng trình nhiệt độ ......................................................8
Hình 1.4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên HPVL và HPHH hoạt động .............................18
Hình 2.1. Các dạng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 ở 77K theo phân loại
của IUPAC. .........................................................................................................29
Hình 3.1. Ảnh SEM của các mẫu than nghiên cứu .......................................................37
Hình 3.2. Phổ EDX của mẫu CF3-3 .............................................................................38
Hình 3.3. Phổ FT-IR của các mẫu than nghiên cứu ......................................................39
Hình 3.4. Phƣơng pháp “độ lệch” pH để xác định pHPZC .............................................40
Hình 3.5. Giản đồ TGA-DTA của các mẫu than nghiên cứu .......................................42
Hình 3.6. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K của các mẫu than
nghiên cứu ..........................................................................................................43
Hình 3.7. Sự phân bố mao quản của các mẫu than chế tạo từ vỏ hạt cà phê ................44
Hình 3.8. Biến thiên độ hấp phụ và dung lƣợng hấp phụ của mẫu than CF3-2 theo
lƣợng than sử dụng: Co = 500 mg/L; pHo = 2; V = 50 mL, T = 30oC ...............45
Hình 3.9. Biến thiên độ hấp phụ và dung lƣợng hấp phụ của mẫu than CF3-2 theo pHo
Co = 500 mg/L; Cthan = 2 g/L; V = 50 mL; T = 30oC ........................................46
Hình 3.10. Sự biến thiên của qt (mg/g) theo t (phút) ở các nhiệt độ khác nhau đối với
sự hấp phụ DR-23 (Co = 300 mg/L) của các mẫu than ......................................48
Hình 3.11. Mô tả sự hấp phụ DR-23 ở 30oC trên 3 mẫu than theo phƣơng trình động
học hấp phụ biểu kiến bậc 1: C0 = 300 mg/L, V = 200 mL, m = 0,2 g ..............49
Hình 3.12. Mô tả sự hấp phụ DR-23 ở 30oC trên 3 mẫu than theo phƣơng trình động
học hấp phụ biểu kiến bậc 2: C0 = 300 mg/L, V = 200 mL, m = 0,2 g ..............50
Hình 3.13. Mô tả sự hấp phụ DR-23 với nồng độ đầu 300 mg/L, tại các nhiệt độ khác
nhau trên 3 mẫu than theo phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 2 ......51


Hình 3.14. Mô tả sự hấp phụ DR-23 ở 30oC với các nồng độ đầu khác nhau trên 3 mẫu
than theo phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 2. ................................53
Hình 3.15. Biến thiên tốc độ đầu hấp phụ theo nồng độ đầu của thuốc nhuộm tại 30oC.....54
Hình 3.16. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ DR-23 trên các mẫu than nghiên cứu ở các

nhiệt độ khác nhau ..............................................................................................55
Hình 3.17. Mô tả sự hấp phụ DR-23 trên ba mẫu than ở 30oC bằng các mô hình
Langmuir, Freundlich, Toth và Redlich-Peterson ..............................................56
Hình 3.18. Mô tả sự hấp phụ DR-23 trên ba mẫu than ở các nhiệt độ khác nhau bằng
mô hình Toth ......................................................................................................58
Hình 3.19. So sánh khả năng hấp phụ DR-23 trong dung dịch nƣớc tại các nhiệt độ
khác nhau của 3 mẫu than nghiên cứu ................................................................60
Hình 3.20. Biến thiên lnKo theo 1/T tại Ce = 50 mg/L đối với 3 mẫu than nghiên cứu.....62
Hình 3.21. Sự biến thiên của qt (mg/g) theo t (phút) ở 30oC đối với sự hấp phụ MB
(Co = 200 mg/L) của các mẫu than ....................................................................65
Hình 3.22. Mô tả sự hấp phụ MB ở 30oC trên mẫu than CF2-3 theo phƣơng trình động
học hấp phụ biểu kiến bậc 2. ..............................................................................65
Hình 3.23. Sự biến thiên của qt (mg/g) theo t (phút) đối với sự hấp phụ MB trên mẫu
than CF3-2 tại các nhiệt độ khác nhau (Co = 200 mg/L) ....................................66
Hình 3.24. Sự biến thiên của qt (mg/g) theo t (phút) đối với sự hấp phụ MB trên mẫu
than CF3-2 tại 30oC với các nồng độ đầu khác nhau .........................................67
Hình 3.25. Mô tả sự hấp phụ MB trên ba mẫu than ở 30oC bằng các mô hình
Langmuir, Freundlich, Toth và Redlich-Peterson ..............................................68
Hình 3.26. Mô tả sự hấp phụ MB trên than CF3-2 ở các nhiệt độ khác nhau bằng mô
hình Toth .............................................................................................................69


MỞ ĐẦU
I. Lí do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, phát triển kinh tế gắn với bảo vệ môi trƣờng là chủ
đề tập trung sự quan tâm của nhiều nƣớc trên thế giới. Một trong những vấn đề đặt ra
cho các nƣớc đang phát triển trong đó có Việt Nam là cải thiện môi trƣờng ô nhiễm do
các chất độc hại từ nền công nghiệp thải ra. Ô nhiễm nguồn nƣớc nói chung và ô
nhiễm nguồn nƣớc bởi phẩm nhuộm nói riêng là vấn đề mang tính thời sự cấp thiết.
Mặc dù các nhà máy, xí nghiệp dệt nhuộm ở nƣớc ta đã có hệ thống xử lí nƣớc

thải. Tuy nhiên nhiều nguồn nƣớc thải dệt nhuộm đầu ra chƣa đạt QCVN 13:
2008/BTNMT. Trong thành phần các nguồn nƣớc thải này vẫn còn chứa một lƣợng
phẩm nhuộm, là các hợp chất khó phân hủy sinh học và có độc tính với môi trƣờng. Vì
vậy, việc nghiên cứu tìm giải pháp cho xử lí ô nhiễm môi trƣờng nƣớc bởi các chất
mầu của ngành công nghiệp dệt, may mặc là cần thiết và cấp bách.
Với các đặc tính nổi trội nhƣ bề mặt riêng lớn và có khả năng hấp phụ đa năng,
từ lâu than hoạt tính đã đƣợc sử dụng khá rộng rãi trong xử lí ô nhiễm môi trƣờng. Đặc
trƣng hấp phụ của than hoạt tính phụ thuộc vào nguồn gốc của nguyên liệu dùng để
chế tạo than hoạt tính cũng nhƣ phƣơng pháp chế tạo. Kết quả nghiên cứu chế tạo than
hoạt tính từ vỏ hạt cà phê tại Phòng thí nghiệm Hóa lý bề mặt - Khoa Hóa học Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội cho thấy than hoạt tính chế tạo đƣợc có chứa lƣợng
khá lớn mao quản trung bình [2]. Kết quả này mở ra nhiều triển vọng cho việc nghiên
cứu ứng dụng loại than này để hấp phụ các chất màu có kích thƣớc phân tử lớn trong
dung dịch nƣớc.
Vì các lí do trên, trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên
cứu sự hấp phụ một số chất mầu trong dung dịch nước của than hoạt tính được chế
tạo từ vỏ hạt cà phê”.
II. Mục đích nghiên cứu
Khảo sát khả năng hấp phụ một số chất mầu trong dung dịch nƣớc của than hoạt
tính đƣợc chế tạo từ vỏ hạt cà phê.

1


III. Đối tƣợng nghiên cứu
- Than hoạt tính đƣợc chế tạo từ vỏ hạt cà phê.
- Các chất mầu CI Direct Red 23 và Methylene Blue.
IV. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo than hoạt tính từ vỏ hạt cà phê (sử dụng tác nhân hoạt hóa là ZnCl2).
- Xác định các đặc trƣng vật lí, hóa lí của than chế tạo đƣợc.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ chất mầu CI Direct Red 23 và Methylene Blue

trong dung dịch nƣớc của than chế tạo đƣợc.
V. Phƣơng pháp tiến hành nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan tới vấn đề nghiên cứu.
- Tiến hành làm thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.

2


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN

I. TỔNG QUAN VỀ THAN HOẠT TÍNH
I.1. Giới thiệu về than hoạt tính
Than hoạt tính có thành phần chính là cacbon với hàm lƣợng khoảng 85 – 95%
ở dạng vô định hình, một phần nhỏ ở dạng tinh thể vụn graphit. Ngoài cacbon thì phần
còn lại của than hoạt tính là tro (mà chủ yếu là các oxit kim loại và vụn cát), một lƣợng
rất nhỏ các nguyên tố nhƣ hiđro, nitơ, oxi và lƣu huỳnh.
Than hoạt tính thƣờng có bề mặt riêng lớn: từ 500 – 2500 m2/g (có thể lên tới gần
3000 m2/g) và thể tích các mao quản nhỏ từ 0,2 đến 0,6 cm3/g [2]. Bề mặt riêng của than
hoạt tính phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và đặc biệt là phƣơng thức chế tạo.
I.2. Quy trình chế tạo than hoạt tính
Quá trình chế tạo than hoạt tính thƣờng đƣợc tiến hành theo hai giai đoạn: than
hóa và hoạt hóa.
I.2.1. Giai đoạn than hóa
Than hóa là quá trình dùng nhiệt để làm bay hơi nƣớc và phân hủy các hợp chất
hữu cơ có trong nguyên liệu ban đầu để còn lại thành phần chính là cacbon. Quá trình
than hóa thƣờng đƣợc thực hiện ở 400 – 5000C trong môi trƣờng chân không hoặc khí
trơ. Trong quá trình này, cacbon cũng bị cháy một phần để tạo ra độ xốp. Sau quá trình
than hóa, than thu đƣợc có diện tích bề mặt thấp, độ xốp không cao, hệ thống cấu trúc
mao quản chƣa phát triển... Ta phải tiến hành hoạt hóa than.
I.2.2. Giai đoạn hoạt hóa

Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lƣới tinh thể cacbon dƣới tác dụng của
nhiệt và tác nhân hoạt hóa nhằm tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống mao quản có
kích thƣớc khác nhau, ngoài ra còn có thể tạo ra các tâm hoạt động bề mặt. Có hai
phƣơng thức hoạt hóa là hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học.

3


Hoạt hóa vật lý (Hoạt hóa nhiệt)
Hoạt hóa vật lý thƣờng đƣợc tiến hành ở nhiệt độ từ 800 – 1100oC với sự có
mặt của hơi nƣớc, CO2 hoặc hỗn hợp các khí này. Khi hoạt hóa bằng oxi không khí,
cacbon sẽ bị oxi hóa thành CO2, vì thế cần kiểm soát không khí trong quá trình than
hóa và hoạt hóa. Khi hoạt hóa bằng hơi nƣớc hoặc CO2, các phản ứng có thể xảy ra
theo những phƣơng trình hóa học dƣới đây [7]:
Cx(H2O)y xC (r) + y H2O – than hóa
C(r) + CO2  2CO (H = 159 kJ) – hoạt hóa bằng CO2
C(r) + 2H2O → CO2 + 2H2 (H = 75 kJ) – hoạt hóa bằng hơi nƣớc
Các khí thoát ra ngoài và để lại lỗ trống trên bề mặt than. Đây chính là những
mao quản đƣợc hình thành trong quá trình hoạt hóa. Ban đầu các mao quản tạo ra có
kích thƣớc nhỏ. Nếu thời gian tiếp xúc càng kéo dài thì kích thƣớc các mao quản sẽ
ngày càng tăng lên. Tùy thuộc vào đặc tính của than hoạt tính cần sử dụng mà chúng ta
sẽ chọn điều kiện hoạt hóa hợp lý. Hoạt hóa vật lý thƣờng đƣợc áp dụng cho than có
cấu trúc rắn chắc nhƣ than đá.
Hoạt hóa hóa học
Khi tiến hành hoạt hóa hóa học, ngƣời ta thƣờng trộn than sau khi than hóa với
các chất hoạt hóa. Các chất đó có thể là NaOH, KOH, H3PO4, ZnCl2 ... Quá trình hoạt
hóa hóa học thƣờng đƣợc tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn (khoảng 450 – 9000C). Các
chất hoạt hóa có tác dụng nhƣ chất ổn định, đảm bảo rằng than không bị xẹp trở lại.
Chúng sẽ lấp đầy các lỗ trống ban đầu và mở rộng kích thƣớc của chúng. Kết quả là
than sau khi hoạt hóa sẽ có cấu trúc rất xốp và thƣờng chứa đầy các chất hoạt hóa. Sau

đó than đƣợc rửa sạch và tiếp tục các bƣớc sản xuất tiếp theo. Hoạt hóa hóa học
thƣờng đƣợc sử dụng nhiều hơn do ƣu điểm về nhiệt độ cũng nhƣ thời gian hoạt hóa so
với hoạt hóa vật lý.
I.3. Đặc trƣng cơ bản của than hoạt tính
Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu chế tạo, phƣơng pháp và điều kiện hoạt hóa
mà các loại than hoạt tính khác nhau có những đặc tính lí hóa khác nhau. Các kết quả

4


nghiên cứu về than hoạt tính cho thấy các loại than hoạt tính đều có một số đặc trƣng
cơ bản sau:
I.3.1. Cấu trúc tinh thể
Than hoạt tính có cấu trúc kiểu nhƣ than chì (graphit) nhƣng kém hoàn hảo hơn.
Trên cơ sở các kết quả của phép đo X-quang, Riley đã đƣa ra hai cấu trúc của than
hoạt tính [8]:
Dạng 1: có cấu trúc tinh thể giống than chì (graphit) nhƣng các lớp chứa các
nguyên tử cacbon xếp theo hình lục giác không song song một cách hoàn hảo nhƣ ở
than chì mà phân bố tƣơng đối ngẫu nhiên, lớp này có thể chồng chéo lên lớp kia
không đều nhau. Độ lớn của tinh thể phụ thuộc vào các điều kiện hoạt hóa.
Dạng 2: có cấu trúc không giống graphit. Các nguyên tử cacbon ở lớp bề mặt
không đồng nhất về năng lƣợng. Những nguyên tử cacbon chƣa bão hoà có hoá trị tự
do và tạo thành các tâm axit hấp phụ trên bề mặt nhờ tƣơng tác vật lý hoặc tƣơng tác
hoá học với các nguyên tử, phân tử trong pha lỏng hay pha khí.
Cấu trúc tinh thể của than có tác động đáng kể đến hoạt tính hóa học. Hoạt tính
hóa học của các tâm ở mặt tinh thể cơ sở thấp hơn nhiều so với tâm ở cạnh hay ở các
vị trí khuyết. R.O. Grisdale và G.R. Hennig đã chỉ ra rằng tốc độ oxy hóa của nguyên
tử cacbon ở tâm nằm ở cạnh lớn hơn 17 đến 20 lần ở bề mặt cơ sở [8].
I.3.2. Cấu trúc xốp
Tùy thuộc vào loại than nguồn mà than hoạt tính có cấu trúc khác nhau, song

các thông số mô tả tính chất xốp của vật liệu chủ yếu gồm:
- Thể tích mao quản (lỗ xốp) riêng: là không gian rỗng tính cho một đơn vị khối
lƣợng (cm3/g).
- Bề mặt riêng: là diện tích bề mặt tính cho 1 đơn vị khối lƣợng, bao gồm tổng
diện tích bề mặt bên trong mao quản và bên ngoài các hạt (m2/g).
- Hình dáng mao quản: trong thực tế rất khó xác định hình dáng mao quản.
Song có 4 loại mao quản đƣợc thừa nhận: mao quản hình trụ, hình cầu, hình que và
hình chai.

5


Theo IUPAC [9] có thể chia mao quản thành 3 loại: mao quản lớn (Macropore)
là mao quản có đƣờng kính mao quản trung bình d > 50 nm; mao quản trung bình
(Mesopore) là mao quản có đƣờng kính mao quản trung bình 2 ≤ d ≤ 50nm. Mao quản
nhỏ (Micropores) là mao quản có đƣờng kính mao quản trung bình d < 2nm.
Với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và liên kết ngang bền giữa chúng
làm cho than hoạt tính có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển. Cấu trúc xốp này đƣợc
tạo ra trong quá trình than hóa và phát triển hơn trong quá trình hoạt hóa, khi làm sạch
nhựa đƣờng và các chất chứa cacbon khác trong khoảng trống giữa các tinh thể. Quá
trình hoạt hóa làm tăng thể tích và làm rộng đƣờng kính mao quản. Cấu trúc mao quản
và sự phân bố mao quản của chúng đƣợc quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu
ban đầu và phƣơng pháp than hóa. Quá trình hoạt hóa thƣờng làm phát triển cấu trúc vi
mao quản dƣới tác động của các tác nhân hoạt hóa. Trong quá trình hoạt hóa cũng có
sự mở rộng các mao quản nhỏ để tạo thành các mao quản lớn nhờ sự đốt cháy các vách
ngăn giữa các mao quản cạnh nhau. Theo M.M. Dubinin và E.D. Zaveria, than hoạt
tính vi mao quản đƣợc tạo ra khi mức độ đốt cháy (than hóa) nhỏ hơn 50% và than
hoạt tính mao quản lớn đƣợc tạo ra khi mức độ đốt cháy lớn hơn 75%. Khi mức độ đốt
cháy trong khoảng 50 – 75%, sản phẩm than thu đƣợc sẽ chứa mao quản với độ rộng
mao quản biến đổi trong khoảng rộng (từ vi mao quản đến mao quản lớn) [10].

I.3.3. Đặc tính hóa học bề mặt
Ngoài thành phần chính là cacbon, than hoạt tính còn chứa một lƣợng nhỏ các
nguyên tố khác, trong đó chủ yếu là các kim loại ở dạng oxit (tro), chúng chủ yếu đƣợc
hình thành do quá trình than hoá và hoạt hoá. Những phức chất chứa oxy đƣợc gọi là các
oxit bề mặt hay các nhóm chức bề mặt. Tính chất và hàm lƣợng các nhóm chức đƣợc
xác định bởi nguồn gốc nguyên liệu và quá trình hoạt hoá than. Do đặc điểm hoạt động
của các nguyên tử cacbon, các oxit bề mặt thƣờng có ở rìa các vi tinh thể và ở các liên
kết ngang trên bề mặt than. Các oxit bề mặt ảnh hƣởng đến tính chất phân cực của bề
mặt than tạo nên tính ƣa nƣớc. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính với các chất phân
cực khác nhau cũng phụ thuộc vào các nhóm chức bề mặt này.
Hình 1.1 giới thiệu các nhóm chức thƣờng gặp trên bề mặt than hoạt tính [11].

6


Các nhóm chức bề mặt ảnh hƣởng đến tính chất phân cực của bề mặt than hoạt
tính. Tính kị nƣớc của bề mặt than giảm khi có mặt của các nhóm chức ƣa nƣớc và các
hợp chất của kim loại. Khả năng hấp phụ từ dung dịch của than hoạt tính đối với các
chất có tính phân cực khác nhau cũng phụ thuộc vào nhóm chức bề mặt này. Phần lớn
quá trình hấp phụ các hợp chất kị nƣớc thƣờng giảm khi hàm lƣợng nhóm chức axit
tăng lên. Ngoài ra, nhóm chức bề mặt cũng có ảnh hƣởng đến khả năng khuếch tán của
các phân tử trong mao quản.

Hình 1.1.Các nhóm chức thường gặp trên bề mặt than hoạt tính
Tùy theo môi trƣờng (pH của dung dịch) các nhóm chức bề mặt có oxi sẽ quyết định
điện tích bề mặt của than hoạt tính (hình 1.2). Các nhóm chức có đặc tính axit, đặc biệt
là nhóm cacboxyl làm cho bề mặt của than phân cực hơn và do đó làm tăng ái lực của
chúng với nƣớc do tạo thành liên kết hiđro. Bên cạnh phần đóng góp của các nhóm
chức bề mặt (pyron, chromen), tính bazơ của than hoạt tính thƣờng đƣợc quyết định
bởi sự có mặt của những vùng giàu electron π ở trong lòng các lớp graphen [7]. Những

vùng giàu electron π này đóng vai trò nhận proton [12].

Hình 1.2. Ảnh hưởng của các nhóm chức đến điện tích bề mặt của than hoạt tính

7


Hình 1.3. Sự phân hủy nhóm chức bề mặt của than hoạt tính xác định bởi phương
pháp giải hấp phụ theo chương trình nhiệt độ
Đặc tính của các nhóm chức bề mặt chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hoạt hoá và
quá trình xử lý than sau đó. Hoạt hoá với CO2 ở nhiệt độ cao (than H) sau đó tiếp xúc với
không khí ở nhiệt độ phòng sẽ thu đƣợc than hoạt tính có nhóm chức bề mặt bazơ. Khi
hoạt hoá với oxi ở nhiệt độ thấp (than L) thì than chứa nhóm chức bề mặt axit.
Tính chất bề mặt của than có thể đƣợc xác định một cách định tính và đôi khi
định lƣợng bằng các phƣơng pháp khác nhau: đo pH tại điểm điện tích không, đo nhiệt
lƣợng, phổ hồng ngoại, phƣơng pháp chuẩn độ Boehm và phƣơng pháp giải hấp phụ
theo chƣơng trình nhiệt độ. Trên hình 1.3 mô tả sự phân hủy các nhóm chức bề mặt
của than hoạt tính xác định bằng phƣơng pháp giải hấp phụ theo chƣơng trình nhiệt độ
kết hợp với phƣơng pháp phổ khối lƣợng.
I.4. Một số ứng dụng của than hoạt tính
Nhờ các đặc tính vƣợt trội nhƣ bề mặt riêng lớn, khả năng hấp phụ đa năng, độ
bền cơ học, trơ về mặt hóa học… từ lâu than hoạt tính đã đƣợc sử dụng rộng rãi cho
nhiều mục đích khác nhau. Có thể kể đến một số ứng dụng của than hoạt tính sau đây:
I.4.1. Trong công nghiệp hóa học

8


Làm chất xúc tác và chất mang xúc tác cho rất nhiều quá trình:
- Xử lý màu cho các hóa chất nhƣ: adipic acid, diisodecylphtalate, fumaric acid,

melamine, methyl fatty esters, methyl iso butyl ketone…
- Xử lý các chất gây ăn mòn nhƣ CO2, H2S…
- Loại bỏ thủy ngân trong sản xuất xút clo hoặc trong dầu
- Loại bỏ crom trong dung dịch mạ điện
- Loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong sản xuất hóa chất nhƣ axit photphoric, sô
đa, axit clohiđric…
I.4.2. Trong công nghệ thực phẩm
Than hoạt tính đƣợc dùng rất nhiều trong công nghệ thực phẩm. Ngoài tác dụng
loại bỏ tạp chất và các chất độc hại (aldehyde, mycotoxin), nó còn có khả năng tăng
mùi vị (rƣợu), làm trắng (đƣờng, glixerol), cải tiến màu sắc (bia), loại caffeine (cà phê,
trà), tinh chế (dầu ăn)...
I.4.3. Trong xử lí môi trường
Than hoạt tính đƣợc sử dụng rất nhiều để xử lý khí thải hoặc nƣớc thải tại các
khu công nghiệp, khu chế xuất trƣớc khi thải ra môi trƣờng. Ngoài ra, nó còn đƣợc sử
dụng khá nhiều để lọc nƣớc quy mô lớn hoặc tại các hộ gia đình. Tẩy các chất bẩn vi
lƣợng, diệt khuẩn và khử mùi cho bể bơi. Lọc khí (trong đầu lọc thuốc lá, khẩu trang),
tấm khử mùi trong tủ lạnh và máy điều hòa nhiệt độ…
I.4.4. Trong y tế
Than hoạt tính đƣợc dùng để trị bệnh dịch vị và viêm ruột, dùng làm thuốc giải
độc trong những trƣờng hợp ngộ độc từ nấm rơm, thực phẩm, chất hoá học có nguồn
gốc từ thực vật, dùng làm thuốc, photpho, phenol. Viên nén hoặc viên nang của than
hoạt tính thƣờng dùng để trị tiêu chảy, khó tiêu, đầy hơi…
Ngoài ra, than hoạt tính còn có trong thành phần của một số loại thuốc nhƣ
Carbogast trị đau dạ dày và đƣờng ruột, Carbotrim trị tiêu chảy do nhiễm khuẩn và
ngộ độc thức ăn, viên sáng mắt (đông dƣợc) có tác dụng làm sáng mắt, trong khẩu
trang phòng lây nhiễm bệnh, trong mặt nạ phòng chất độc hóa học…

9

II. TỔNG QUAN VỀ THUỐC NHUỘM
Thuốc nhuộm sử dụng trong ngành dệt là những hợp chất hữu cơ hấp phụ mạnh
một phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng nhuộm vật liệu
dệt trong những điều kiện quy định. Thuốc nhuộm có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng
hợp, hiện nay trong công nghiệp chủ yếu sử dụng loại thuốc nhuộm tổng hợp. Đặc điểm
nổi bật của các loại thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy. Màu
sắc của thuốc nhuộm có đƣợc là do cấu trúc hóa học. Một cách chung nhất, cấu trúc
thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu.
II.1. Sự phân loại thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hóa học, màu sắc, phạm vi sử
dụng. Thuốc nhuộm bao gồm nhiều loại có cấu trúc hóa học khác nhau và đƣợc phân
loại một cách hệ thống trong từ điển thuốc nhuộm (Colour Index). Trong đó chất màu
đƣợc phân theo hai cách:
Cách 1: Theo đặc tính áp dụng. Theo cách này thuốc nhuộm đƣợc phân thành
thuốc nhuộm: axit, bazơ (cation), trực tiếp, phân tán, cầm màu, pigment, hoạt tính, lƣu
hóa, hoàn nguyên.
Cách 2: Theo cấu trúc hóa học. Theo cách này thuốc nhuộm đƣợc phân thành
chất màu: azo, stinben, tiazol, antraquinon và indigoit...
II.2. Các thông số đặc trƣng ô nhiễm của nƣớc thải dệt nhuộm
II.2.1. Ô nhiễm hữu cơ
Mức độ ô nhiễm do các chất hữu cơ và các chất sử dụng có thể oxi hóa đƣợc
thể hiện bằng hai tiêu chí đặc trƣng nhất là COD và BOD5.
II.2.2. Ô nhiễm màu
Thuốc nhuộm hoạt tính sử dụng càng nhiều thì màu nƣớc thải càng đậm. Nƣớc
thải đậm màu trƣớc hết gây ảnh hƣởng tiêu cực tới tâm sinh lí cộng đồng. Nhƣng điều
đáng lƣu ý là màu đậm của nƣớc thải gây cản trở quá trình hấp thụ oxi và bức xạ mặt
trời, gây bất lợi cho hô hấp và sinh trƣởng của quần thể vi sinh và các loại thủy sinh
khác. Nhƣ vậy làm ảnh hƣởng đến phân giải của vi sinh đối với các hợp chất hữu cơ

10

trong nƣớc thải.
II.2.3. Các chỉ tiêu ô nhiễm khác
- Hàm lƣợng chất rắn lơ lửng
- Nhiệt độ
- Độ pH
- Kim loại nặng
- Halogen hữu cơ (AOX)
- Muối trung tính nồng độ cao (chủ yếu là Na2SO4)
Tóm lại, nƣớc thải dệt nhuộm thƣờng có lƣu lƣợng tƣơng đối lớn với các chỉ
tiêu COD, BOD5, SS, nhiệt độ tƣơng đối cao, pH môi trƣờng dao động trong khoảng
lớn (từ 4-12) và đặc biệt mang những màu sắc gây những tác động tiêu cực tới môi
trƣờng tiếp nhận nguồn thải cũng nhƣ cảm quan của cộng đồng dân cƣ.
II.3. Mức độ độc hại
Trên quan điểm bảo vệ sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng có thể phân chia tính
độc hại của thuốc nhuộm nhƣ sau:
- Độ độc cấp tính LD50: đây là thông số quan trọng nhất, nó chỉ số lƣợng thuốc
nhuộm sử dụng để làm chết 50% chuột thử nghiệm (mg thuốc nhuộm/kg chuột thử
nghiệm). Và cũng có thể coi nhƣ độ độc của thuốc nhuộm đối với ngƣời.
Phân cấp EEC

LD50 (mg/kg)

Rất độc

LD50 ≤ 25

Độc

25 < LD50 = 200

Có hại

200 < LD50 = 2000

- Kích thích hay viêm da và mắt
Kích thích hay viêm da và mắt là thử tác dụng của thuốc nhuộm lên da và mắt
thỏ thử nghiệm. Cả hai chỉ tiêu này theo quy định đều phân thành 4 cấp độ:
- Không kích thích
- Kích thích nhẹ

11


- Kích thích vừa
- Kích thích mạnh
Phần lớn các thuốc nhuộm đang sử dụng đƣợc xếp vào nhóm giữa “không kích
thích” và “kích thích nhẹ”. Rất ít trƣờng hợp xếp vào “kích thích vừa”. Tuy nhiên một
số thuốc nhuộm hoạt tính khi tiếp xúc trực tiếp với da tay hay khi hít vào có thể gây dị
ứng hoặc gây khó thở, hen xuyễn.
- Tác hại gây ung thƣ và nghi ngờ gây ung thƣ
Tổ chức quốc tế nghiên cứu về ung thƣ và đã phân loại ra khoảng 700 hóa chất
nguy hiểm gây ung thƣ nhƣng không có loại thuốc nhuộm nào có tác dụng sinh ung thƣ.
Trong các nhóm thuốc nhuộm, thuốc nhuộm azo đƣợc sử dụng nhiều nhất. Chỉ
có một số màu azo (chủ yếu là thuốc nhuộm beidin) là có tác dụng gây ung thƣ. Chính
vì tác hại nguy hiểm trong sản xuất và sử dụng nên các nhà sản xuất châu âu đã ngƣng
sản xuất loại thuốc nhuộm này từ lâu. Song các loại thuốc nhuộm này vẫn đƣợc tìm
thấy trên thị trƣờng vì giá thành của chúng tƣơng đối rẻ và cho hiệu quả nhuộm màu
cao, nhất là đối với một số màu nhƣ đỏ tƣơi và đen tuyền.

- Tác hại đối với các loại thủy sinh
Độ độc thủy sinh hay tính độc sinh thái của thuốc nhuộm là thƣớc đo đánh giá
tác động độc hại của thuốc nhuộm tới cá và các loài thủy sinh trong nƣớc đƣợc thể
hiện bằng các thông số sau:
 Độ độc với cá LC50 (Lethal concentration): là nồng độ thuốc nhuộm làm chết 50%
lƣợng cá tiêu chuẩn thử trong thời gian quy định.
 Độ độc với vi sinh IC50 (Inhibition concentration): là nồng độ thuốc nhuộm làm hoạt
tính phân giải của vi sinh giảm 10%.
 Độ độc với tảo và daphnia EC50 (Effect concentration): là nồng độ làm hoạt tính của
tảo giảm 50%.
Tóm lại với tính độc thấp vốn có của đại đa số thuốc nhuộm, chúng sẽ không
gây hiệu ứng có hại nếu nồng độ trong nƣớc thải của chúng ở dƣới giới hạn nhìn thấy
đƣợc. Việc loại bỏ màu sắc không chỉ đơn thuần vì lí do độc vốn có của thuốc nhuộm
mà còn do tác động cảm quan tới cộng đồng dân cƣ. Đây là một thách thức đáng kể
12


đối với ngành công nhiệp dệt nhuộm.
II.4. Các phƣơng pháp xử lý màu nƣớc thải dệt nhuộm
Các phƣơng pháp xử lý khử màu nƣớc thải chia làm 3 nhóm chính: hóa lý, hóa
học, sinh học.
II.4.1. Phương pháp hóa lý
1) Phương pháp keo tụ và tạo bông cặn
Phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng rộng rãi trong xử lý nƣớc thải dệt nhuộm có
các chất màu phân tán và không tan. Cơ sở của phƣơng pháp này là sử dụng các chất
thích hợp để gây keo tụ với các chất ô nhiễm.
Hai quá trình này kết tụ các chất rắn lơ lửng và các hạt keo để tạo nên những
hạt có kích thƣớc lớn hơn. Nƣớc thải có chứa các hạt keo mang điện tích (thƣờng là
điện tích âm). Chính điện tích đã ngăn cản không cho nó va chạm và kết hợp lại với
nhau làm cho dung dịch đƣợc giữ ở trạng thái ổn định. Việc cho thêm vào nƣớc thải

một số hóa chất (phèn, ferrous chloride...) làm cho dung dịch mất tính ổn định và gia
tăng sự kết hợp giữa các hạt để tạo thành những bông cặn đủ lớn, từ đó có thể loại bỏ
bằng quá trình lọc hay lắng cặn.
Các chất keo tụ thƣờng đƣợc sử dụng là muối sắt hay nhôm có hóa trị 3.
Các chất tạo bông cặn thƣờng đƣợc sử dụng là các chất hữu cơ cao phân tử nhƣ
polyacrilamid. Việc kết hợp sử dụng các chất hữu cơ cao phân tử với các muối vô cơ
cải thiện đáng kể khả năng tạo bông cặn.
2) Phương pháp hấp phụ
Hấp phụ là phƣơng pháp hiệu quả để làm giảm nồng độ các chất hữu hòa tan
trong nƣớc thải và một số chất hấp phụ đã đƣợc sử dụng để loại bỏ màu khỏi nƣớc thải
(loại này rất khó loại bỏ bằng quá trình xử lý sinh học). Vật liệu hấp phụ thông dụng
gồm: than hoạt tính, khoáng vô cơ, các oxit và hiđroxit kim loại, các vật liệu hữu cơ...
Nguyên tắc chủ yếu của quá trình là bề mặt của các chất rắn (sử dụng làm chất
hấp phụ) khi tiếp xúc với nƣớc thải có khả năng giữ lại các chất hòa tan trong nƣớc
thải trên bề mặt của nó do có sự khác nhau của sức căng bề mặt. Chất hấp phụ thƣờng
đƣợc sử dụng là than hoạt tính.
Tùy theo đặc tính của nƣớc thải mà chúng ta chọn loại than hoạt tính tƣơng

13


ứng. Quá trình hấp phụ có hiệu quả trong việc khử COD, màu phenol... Sau một thời
gian sử dụng, than hoạt tính sẽ bão hòa và mất khả năng hấp phụ. Chúng ta có thể tái
sinh lại bằng cách tách các chất bị hấp phụ ra khỏi than hoạt tính thông qua: nhiệt, hơi
nƣớc, axit, bazơ, ly trích bằng dung môi hoặc oxi hóa hóa học.
3) Kỹ thuật màng
Có 4 phƣơng pháp tách bằng màng lọc đó là: vi lọc, siêu lọc, thẩm thấu ngƣợc và
điện thẩm tích. Ba phƣơng pháp đầu phân biệt về nguyên tắc bởi kích thƣớc hạt bị tách
dựa trên kích thƣớc lỗ màng. Quá trình vi lọc có đƣờng kính lỗ màng từ 0,1 µm đến 10
µm. Trong khi đó siêu lọc có đƣờng kính lỗ từ 2-100nm, còn thẩm thấu ngƣợc thì lỗ màng

rất nhỏ với đƣờng kính 0,5-2nm.
Siêu lọc tách đƣợc chất tan với trọng lƣợng phân tử trong khoảng 103-105g/mol.
Còn lọc nano và thẩm thấu ngƣợc lại tách các chất tan có trọng lƣợng phân tử dƣới
1000g/mol. Trong khi siêu lọc tách đƣợc các phân tử lớn hòa tan nhƣ protein, thì lọc
nano có thể tách đƣợc các phân tử hữu cơ có M > 350g/mol và cả ion đa hóa trị.
II.4.2. Các phương pháp hóa học
1) Phương pháp oxi hóa hóa học
Từ lâu phƣơng pháp oxi hóa hóa học đã đƣợc nghiên cứu dùng để khử màu
nƣớc thải dệt nhuộm. Trong phƣơng pháp này, ngƣời ta sử dụng những chất oxi hóa
thích hợp để phân giải các nhóm mang màu trong phân tử thuốc nhuộm hay biến
chúng thành dạng dễ phân giải sinh học hơn. Một số tác nhân phổ biến nhƣ: hiđro
peoxit, ozon, clo, clo đioxit với các muối kim loại (phản ứng Fenton), pemanganat...
2) Phương pháp khử hóa học
Trong nhiều năm, khử hóa học là một kỹ thuật khử màu hiệu quả, nhất là đối
với thuốc nhuộm azo. Nguyên tắc của khử hóa học thuốc nhuộm azo là phân giải liên
kết azo tạo thành các amin thơm không màu, trọng lƣợng phân tử thấp, có khả năng
phân giải vi sinh hiếu khí tốt hơn các cấu trúc thuốc nhuộm gốc. Sử dụng quy trình này
có thể khử màu trên 90%. Tuy nhiên khi đánh giá khử màu hóa học nƣớc thải chứa
thuốc nhuộm azo cần hết sức lƣu ý tới tác động của không khí, bởi màu có thể xuất
hiện trở lại khi thải nƣớc ra môi trƣờng.

14


Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là tạo ra lƣợng bùn lớn và tốn nhiều năng
lƣợng. Vì vậy hiện nay nó không đƣợc sử dụng nhiều.
II.4.3. Phương pháp xử lý sinh học
Cơ sở của phƣơng pháp là sử dụng các vi sinh vật để phân hủy các hợp chất hữu
cơ trong nƣớc thải.
1) Phương pháp xử lý hiếu khí

Trong xử lý hiếu khí, vi sinh vật sử dụng oxi hòa tan để chuyển hóa các ô
nhiễm hữu cơ thành khí cacbonic và hơi nƣớc.
Xử lý vi sinh vật hiếu khí sử dụng bùn hoạt hóa là một trong những phƣơng
pháp xử lý thông dụng nhất đối với nƣớc thải xƣởng nhuộm. Thông thƣờng quy trình
này loại bỏ đƣợc những chất hoặc thành phần chất hữu cơ có thể phân giải sinh học
trong nƣớc thải.
2) Phương pháp xử lý yếm khí
Phƣơng thức phân giải sinh vật yếm khí thuốc nhuộm azo và các thuốc nhuộm
tan khác chịu khử màu bằng việc phân hủy chúng thành các amin tƣơng ứng. Tuy
nhiên việc sản sinh các amin độc hơn thuốc nhuộm là một vấn đề không mong muốn
về mặt môi trƣờng.
Hiệu quả khử màu trung bình khi sử dụng phƣơng pháp này là 80-90% đối với
thuốc nhuộm axit và 81% đối với thuốc nhuộm trực tiếp. Các quy trình yếm khí
thƣờng xử lý đƣợc nƣớc thải có mức độ ô nhiễm cao tới 30000mg/l COD, có giá thành
thấp và sản sinh ít bùn.
3) Phương pháp xử lý yếm khí – hiếu khí
Quy trình yếm khí – hiếu khí có khả năng làm giảm độ màu (88%) và TOC
(90%) cao hơn nhiều so với xử lý hiếu khí (28% hiệu suất khử màu) và (79% hiệu suất
khử TOD).
II.5. Một số thông số của thuốc nhuộm Metylen Blue
Metylen Blue là một hợp chất thơm dị vòng đƣợc tổng hợp cách đây hơn 120 năm.
Bảng 1.1.Một số thông số của Metylen Blue

15


Công thức phân tử

C16H18ClN3S

Công thức cấu tạo

Phân tử gam

319,85 g/mol

Độ tan trong nƣớc ở 200C

300 g/L

Trạng thái

Rắn dạng bột, màu xanh

II.6. Một số thông số của thuốc nhuộm CI Direct Red 23
CI Direct Red 23 (kí hiệu là DR - 23) còn có tên gọi thông dụng là Direct
Scarlet 4BS hay thuốc nhuộm màu đỏ cờ với các đặc trƣng sau:
- Công thức phân tử: C35H25N7Na2O10S2
- Công thức cấu tạo:
- Tên gọi IUPAC: Disodium 3 - [(4 - acetamidopheny) azo] – 4 – hydroxy – 7 [[[[5 – hydroxy – 6 - (phenylazo) – 7 – sulphonato - 2 -

naphthy] amino] carbony]

amino] naphthalene - 2 - sulphonate.
III. TỔNG QUAN VỀ HẤP PHỤ
III.1. Hiện tƣợng hấp phụ
III.1.1. Hiện tượng hấp phụ
Hấp phụ trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút
trên bề mặt một chất rắn xốp. Chất khí hay hơi đƣợc gọi là chất bị hấp phụ (adsorbent),
chất rắn xốp dùng để hút khí hay hơi gọi là chất hấp phụ (adsorbate) và những khí

không bị hấp phụ gọi là khí trơ. Quá trình ngƣợc lại của hấp phụ gọi là quá trình giải
hấp phụ hay nhả hấp phụ.
Hiện tƣợng hấp phụ xảy ra do bên trong vật rắn thƣờng bao gồm các nguyên tử
(ion hoặc phân tử), giữa chúng có các liên kết cân bằng để tạo ra các mạng liên kết
cứng (chất vô định hình) hoặc các mạng tinh thể có quy luật (chất tinh thể). Trong khi

16