Nghiên cứ xử lý mầu bằng kỹ thuật hấp phụ và tái sinh than hoạt tính tại chỗ bằng kỹ thuật oxi hóa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Thúy Liên

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ MẦU BẰNG KỸ THUẬT
HẤP PHỤ VÀ TÁI SINH THAN HOẠT TÍNH TẠI
CHỖ BẰNG KỸ THUẬT OXI HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Thúy Liên

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ MẦU BẰNG KỸ THUẬT
HẤP PHỤ VÀ TÁI SINH THAN HOẠT TÍNH TẠI
CHỖ BẰNG KỸ THUẬT OXI HÓA
Chuyên ngành: Hóa Môi Trường
Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. CAO THẾ HÀ

Hà Nội - 2016

LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp này được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Môi
trường, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển bền vững, Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo PGS.TS.
Cao Thế Hà, TS. Vũ Ngọc Duy đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ, cho em những kiến
thức quý báu trong quá trình thực hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô, các anh chị em làm việc trong phòng thí
nghiệm Công nghệ Môi trường, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát
triển bền vững đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt thời gian làm việc tại
phòng thí nghiệm.
Em xin chân thành cám ơn gia đình, bạn bè đã quan tâm và giúp đỡ để hoàn thành
báo cáo khóa luận này

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2016
Học viên

Nguyễn Thúy Liên


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................................... 2
1.1 Nước thải dệt nhuộm ......................................................................................................... 2
1.1.1 Phân loại thuốc nhuộm ...........................................................................................................2
1.1.2 Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm và tác hại ......................................................5

1.2 Các phương pháp xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính ...................................... 7
1.2.1 Phương pháp sinh học .............................................................................................................7
1.2.2 Phương pháp oxi hoá tiên tiến ................................................................................................8

1.2.3 Phương pháp hoá lý ................................................................................................................9

1.3 Than hoạt tính và ứng dụng của than hoạt tính .............................................................. 14
1.4 Các phương pháp tái sinh than hoạt tính ...................................................................... 16
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ............................................................................................... 19
2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .................................................................................... 19
2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu ..............................................................................................................19
2.1.2 Nội dung nghiên cứu .............................................................................................................19

2.2 Nguyên vật liệu, thiết bị và dụng cụ. ............................................................................... 19
2.2.1 Vật liệu hấp phụ ....................................................................................................................19
2.2.2 Chất bị hấp phụ .....................................................................................................................20
2.2.3 Thiết bị ..................................................................................................................................21
2.2.5 Hóa chất ................................................................................................................................21

2.3 Phương pháp BET xác định diện tích bề mặt riêng xúc tác .......................................... 22
2.4 Các phương pháp phân tích sử dụng trong thực nghiệm ............................................... 24
2.4.1 Phương pháp xác định nồng độ mầu RB19, RY145, RO122 trong mẫu ...............................24
2.4.2 Xác định COD trong mẫu......................................................................................................25

2.5 Đánh giá khả năng hấp phụ ............................................................................................ 26
2.5.1 Động học hấp phụ .................................................................................................................26
2.5.2 Mô tả động học cho quá trình hấp phụ .................................................................................27
2.5.3 Xây dựng mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Frendlich ...........................................27

2.6 Tái sinh than hoạt tính .................................................................................................... 28
2.6.1 Tái sinh than hoạt tính bằng ozon .........................................................................................28

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................................................. 30
3.1 Đặc trưng vật liệu ........................................................................................................... 30

3.2 Khảo sát khả năng hấp phụ mầu của than hoạt tích dạng hạt kích thước 1mm- 2mm
(VLHP1) ............................................................................................................................... 33
3.2.1 Khảo sát khả năng hấp phụ RB19 của VLHP1 .....................................................................33


3.2.2 Khảo sát khả năng hấp phụ RY145 của VLHP1 ...................................................................36
3.2.3 Khảo sát khả năng hấp phụ RO122 của VLHP1 ...................................................................40

3.3 Khảo sát khả năng hấp phụ mầu của than hoạt tích dạng bột kích thước <100µm
(VLHP2) ................................................................................................................................ 46
3.3.1 Khảo sát khả năng hấp phụ RB19 của VLHP2 .....................................................................46
3.3.2 Khảo sát khả năng hấp phụ RY145 của VLHP2 ...................................................................48
3.3.3 Khảo sát khả năng hấp phụ RO122 của VLHP2 ...................................................................51
3.3.4 Mô tả động học cho quá trình hấp phụ của VLHP2..............................................................54

3.4 Nghiên cứu khả năng tái sinh của than hoạt tính bằng kỹ thuật oxi hoá ...................... 56
3.4.1 Tái sinh than hoạt tính bằng ozon .........................................................................................56

KẾT LUẬN .............................................................................................................................. 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 63


MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm[9] ........................... 5
Bảng 1.2: Tóm tắt các phương pháp tái sinh than hoạt tính[18] .............................................. 17
Bảng 2.1 Độ hấp phụ quang của dãy dung dịch chuẩn mầu RB19, RY145, RO122 .............. 25
Bảng 3.1 Khảo sát thời gian hấp phụ RB19 của VLHP1 ........................................................ 33
Bảng 3.2 Kết quả khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại với RB19 của VLHP1...................... 34
Bảng 3.3 Khảo sát thời gian hấp phụ RY145 của VLHP1 ....................................................... 37
Bảng 3.4 Kết quả khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại với RY145 của VLHP1 ................... 38

Bảng 3.5 Khảo sát thời gian hấp phụ RO122 của VLHP1 ...................................................... 40
Bảng 3.6 Kết quả khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại với RO122 của VLHP1 ................... 41
Bảng 3.7 Kết quả khảo sát động học cho quá trình hấp phụ của VLHP1 ................................ 44
Bảng 3.8 qe thực nghiệm và các tham số động học của phương trình động học biểu kiến bậc 1
và bậc 2 của VLHP1 ................................................................................................................. 45
Bảng 3.9 Khảo sát thời gian hấp phụ RB19 của VLHP2 ........................................................ 46
Bảng 3.10 Khảo sát dung lượng hấp phụ RB19 của VLHP2 ................................................... 47
Bảng 3.10 Khảo sát thời gian hấp phụ RY145 của VLHP2 .................................................... 49
Bảng 3.11 Khảo sát dung lượng hấp phụ RY145 của VLHP2 ................................................ 50
Bảng 3.12 Khảo sát thời gian hấp phụ RO122 trên VLHP2 .................................................... 51
Bảng 3.13 Khảo sát dung lượng hấp phụ RO122 của VLHP2 ................................................. 52
Bảng 3.14: Dung lượng hấp phụ cực đại của hai VLHP1 ........................................................ 54
Bảng 3.15 Kết quả khảo sát động học cho quá trình hấp phụ của VLHP2 ............................. 54
Bảng 3.16 qe thực nghiệm và các tham số động học của phương trình động học biểu kiến bậc
1 và bậc 2 của VLHP2 .............................................................................................................. 56
Bảng 3.17 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến COD trong dung dịch sau khi sục ozon. ... 58
Bảng 3.18 Khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu ................................................................... 60


MỤC LỤC HÌNH
Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ........................................................................ 12
Hình 1.2 Đồ thị dạng tuyến tính của phương trình Langmuir ................................................. 13
Hình 2.1 Phân tử thuốc nhuộm hoạt tính RB19 ...................................................................... 20
Hình 2.2 Phân tử thuốc nhuộm hoạt tính RY145 .................................................................... 21
Hình 2.3 Phân tử thuốc nhuộm hoạt tính RO122 .................................................................... 21
Hình 2.4: Sự phụ thuộc của p/V(p0-p) vào p/p0 ........................................................................ 23
Hình 3.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ N2 ở 77K của VLHP1 .................................................... 30
Hình 3.2 Đường đẳng nhiệt hấp phụ N2 ở 77K của VLHP2 .................................................... 31
Hình 3.3 Phân bố kích thước ( đường kính) mao quản của VLHP1 ........................................ 32
Hình 3.4 Phân bố kích thước ( đường kính) mao quản của VLHP2 ........................................ 32

Hình 3.5 Biến thiên dung lượng hấp phụ theo thời gian khi hấp phụ RB19 của VLHP1 ........ 34
Hình 3.6 Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt của RB19 trên VLHP1 ......................................... 35
Hình 3.7 Đồ thị tuyến tính phương trình Langmuir của VLHP1 với RB19 ............................. 36
Hình 3.8 Đồ thị tuyến tính phương trình Freundlich của VLHP1 với RB19 ........................... 36
Hình 3.8 Biến thiên nồng độ theo thời gian hấp phụ RY145 của VLHP1 .............................. 37
Hình 3.9 Hấp phụ cân bằng nhiệt của RY145 trên VLHP1 ..................................................... 39
Hình 3.10 Đồ thị tuyến tính phương trình Langmuir của VLHP1 với RY145......................... 39
Hình 3.11 Đồ thị tuyến tính phương trình Freundlich của VLHP1 với RY145 ....................... 39
Hình 3.13 Biến thiên nồng độ theo gian hấp phụ RO122 trên VLHP1 ................................... 41
Hình 3.14 Hấp phụ cân bằng nhiệt của RO122 của VLHP1 .................................................... 42
Hình 3.15 Đồ thị tuyến tính phương trình Langmuir của VLHP1 với RO122......................... 43
Hình 3.16 Đồ thị tuyến tính phương trình Freundlich của VLHP1 với RO122 ....................... 43
Hình 3.17 Động học hấp phụ biểu kiến theo mô hình động học bậc 1 của VLHP1................ 44
Hình 3.18 Động học hấp phụ biểu kiến theo mô hình động học bậc 2 của VLHP1................ 45
Hình 3.19 Đồ thị biến thiên dung lượng hấp phụ theo thời gian hấp phụ RB19 của VLHP2 .. 47
Hình 3.20 Đồ thị đường cong hấp phụ đẳng nhiệt của VLHP2 đối với RB19 ........................ 48
Hình 3.21 Đồ thị tuyến tính phương trình Langmuir của VLHP2 với RB19 .......................... 48
Hình 3.22 Đồ thị tuyến tính phương trình Freundlich của VLHP2 với RB19 ........................ 48
Hình 3.23 Đồ thị biến thiên dung lượng hấp phụ theo thời gian hấp phụ RY145 của VLHP2
.................................................................................................................................................. 49
Hình 3.24 Hấp phụ đẳng nhiệt của RY145 trên VLHP2 ........................................................ 50
Hình 3.25 Đồ thị tuyến tính phương trình Langmuir của VLHP2 với RY145........................ 51
Hình 3.26 Đồ thị tuyến tính phương trình Freundlich của VLHP2 với RY145 ....................... 51


Hình 3.27 Đồ thị biến thiên dung lượng hấp phụ theo thời gian hấp phụ RO122 của VLHP2
.................................................................................................................................................. 52
Hình 3.28 Đồ thị đường cong hấp phụ đẳng nhiệt của VLHP2 đối với R0122 ...................... 53
Hình 3.29 Đồ thị tuyến tính phương trình Langmuir của VLHP2 với RO122........................ 53
Hình 3.30 Đồ thị tuyến tính phương trình Freundlich của VLHP2 với RO122 ...................... 53

Hình 3.31 Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 của VLHP2 ..................................................... 55
Hình 3.32 Động học hấp phụ biểu kiến bậc 2 của VLHP2 ..................................................... 56
Hình 3.33 Khảo sát quá trình hấp phụ bão hoà VLHP1 .......................................................... 57
Hình 3.34 Ảnh hưởng của thời gian sục ozon đến nồng độ COD trong dung dịch................. 58
Hình 3.35 Phổ UV- Vis của dung dịch mầu RB19 chưa hấp phụ và dung dịch nước sau khi
sục ozon với VLHP1 đã được hấp phụ bão hoà RB19 ............................................................ 59
Hình 3.36 Đường tuyến tính Langmuir của VLHP1 sau khi tái sinh lần 1, lần 2, lần 3 và lần 4
.................................................................................................................................................. 60
Hình 3.37 Khả năng tái sử dụng vật liệu .................................................................................. 60


DANH MỤC CÁC CHỮ, KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Ký hiệu, chữ viết tắt

Mô tả

AOPs

Các quá trình oxi hóa tiên tiến

COD

Chemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy hóa học

CTPT

Công thức phân tử

LD50

Thang đo mực độ độc hại của thuốc nhuộm trong nước thải

VLHP

Vật liệu hấp phụ

VLHPBH

Vật liệu hấp phụ bão hòa dung dịch mầu

UV-Vis

Ánh sáng vùng tử ngoại-khả kiến


MỞ ĐẦU
Việt Nam đang trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, nền kinh
tế đang trên đà đi lên phát triển một cách mạnh mẽ, hàng trăm khu công nghiệp mới
hình thành, nhiều làng nghề truyền thống được khôi phục. Tuy nhiên, mặt trái của sự
phát triển chính là vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là môi trường nước xung
quanh khu vực xả thải của các khu công nghiệp, nhà máy, làng nghề...Trong đó, nước
thải công nghiệp là cần được quan tâm nhất do có thành phần phức tạp, trong đó có
các chất hữu cơ bền vững, nhiều trong số đó độc hại. Những chất hữu cơ này thường
rất khó bị phân hủy bởi vi sinh khi xử lí cũng như khi đi vào môi trường, chúng tồn tại
lâu trong môi trường, sẽ là mối nguy hại lâu dài tới sức khỏe con người nói riêng và
môi trường nói chung.
Trong những năm gần đây sự phát triển mạnh mẽ của ngành dệt nhuộm đã góp
phần quan trọng vào sự phát triển kinh tế chung của cả nước. Bên cạnh đóng góp,
ngành dệt nhuộm hiện đang phải đối mặt với vấn nạn ô nhiễm phát sinh từ quá trình
sản xuất. Hàng năm, ngành dệt nhuộm thải vào môi trường hàng trăm triệu m3 nước

thải với nồng độ ô nhiễm cao. Đặc biệt nguồn nước bị ô nhiễm bởi thuốc nhuộm hoạt
tính, nhóm thuốc nhuộm được sử dụng phổ biến nhất trong ngành dệt may Việt Nam
cũng như trên thế giới. Hơn nữa, đây là đối tượng khó xử lí bằng các phương pháp
thông thường như công nghệ vi sinh, keo tụ tạo bông kết hợp lọc... Ngoài ra, nhu cầu
sử dụng thuốc nhuộm hoạt tính đang có xu hướng tăng lên do nhu cầu của thị trường
vì thuốc nhuộm hoạt tính là loại thuốc nhuộm bền màu nên ngày càng được ưa
chuộng. Khi được thải vào môi trường màu nhuộm sẽ làm cản trở khả năng xuyên qua
của ánh sáng mặt trời, giảm quang hợp, hạn chế sự phát triển của các sinh vật trong
nước. Nhiều loại thuốc nhuộm còn là chất độc đối với các loài thủy sinh, dẫn đến ô
nhiễm môi trường, mất cân bằng sinh thái.
Than hoạt tính từ lâu đã được sử dụng để làm sạch nước và được ứng dụng
trong công nghệ xử lý nước thải có thành phần các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là các
hợp chất hữu cơ bền sinh học như phenol, xanh metylen... Hấp phụ than hoạt tính là kĩ
thuật đơn giản, hiệu quả xủ lý cao. Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của phương pháp
này là tạo ra lượng than thải sau xử lý là rất lớn. Nếu không được tái sinh sẽ làm tăng
chi phí xử lý. Nhằm giải quyết vấn đề này, chúng tôi thực hiện nghiên cứu:" Nghiên
cứu xử lý mầu bằng kỹ thuật hấp phụ và tái sinh than hoạt tính tại chỗ bằng kỹ thuật
oxi hóa". Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng của than hoạt tính Trà Bắc, một
nguồn than hoạt tính giá rẻ và được sản xuất tại Việt Nam để loại bỏ mầu của thuốc
nhuộm hoạt tính trong nước thải của ngành công nghiệp dệt nhuộm.

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Nước thải dệt nhuộm
1.1.1 Phân loại thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất định
của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt. Thuốc nhuộm
có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp. Thuốc nhuộm hiện nay ở nước ta và trên

thế giới đại đa số là thuốc nhuộm tổng hợp[10].
Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hóa học, màu sắc, phạm vi sử dụng.
Tùy thuộc cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng, thuốc nhuộm được phân chia thành các
họ, các loại khác nhau. Tuy nhiên, có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất:
+ Phân loại theo cấu trúc hóa học (dựa vào nhóm mang màu -chromogen).
+ Phân loại theo lĩnh vực, phương pháp sử dụng
 Phân loại theo cấu trúc hóa học
Cách phân loại này dựa trên bản chất của nhóm mang màu (chromogen), có 12
chromogen chính, từ đây phân thành 20-30 họ thuốc nhuộm khác nhau. Các họ chính là:
 Thuốc nhuộm azo: Nhóm mang màu là nhóm azo (-N=N-), phân tử thuốc nhuộm
có một (monoazo) hay nhiều nhóm azo (diazo, triazo, polyazo). Đây là họ thuốc nhuộm
quan trọng nhất và có số lượng lớn nhất, chiếm khoảng 60-70% lượng các thuốc nhuộm
tổng hợp, chiếm 2/3 các màu hữu cơ trong bộ đại từ điển về thuốc nhuộm (Color Index
(CI)).
 Thuốc nhuộm antraquinon: trong phân tử thuốc nhuộm chứa một hay nhiều
nhóm antraquinon hoặc các dẫn xuất của nó:

Họ thuốc nhuộm này chiếm đến 15% số lượng thuốc nhuộm tổng hợp. Đây là họ
phổ biến thứ hai sau thuốc nhuộm azo trong số các loại thuốc nhuộm tổng hợp.
Thuốc 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:
2


triaryl metan
Họ thuốc nhuộm này phổ biến thứ 3, chiếm 3% tổng số lượng thuốc nhuộm.
 Thuốc nhuộm phtaloxianin: nhóm mang màu trong phân tử là hệ liên hợp khép
kín. Đặc điểm chung của họ thuốc nhuộm này là những nguyên tử H trong nhóm imin dễ
bị thay thế bởi ion kim loại, còn các nguyên tử N thì tham gia tạo phức với kim loại làm
màu sắc của thuốc nhuộm thay đổi. Họ thuốc nhuộm này có độ bền màu với ánh sáng rất

cao, chiếm khoảng 2% tổng số lượng thuốc nhuộm.
Ngoài ra, còn các họ thuốc nhuộm khác ít phổ biến, ít quan trọng hơn như: thuốc
nhuộm nitrozo, nitro, polymetyl, arylamin, azometyl, thuốc nhuộm lưu huỳnh[11]
 Phân loại theo mục đích sử dụng
Theo đặc tính áp dụng, người ta quan tâm nhiều nhất đến thuốc nhuộm sử dụng
cho xơ sợi xenlullo (bông, visco...), đó là các thuốc nhuộm hoàn nguyên, lưu hóa, hoạt
tính và trực tiếp. Sau đó là các thuốc nhuộm cho xơ sợi tổng hợp, len, tơ tằm như: thuốc
nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ (cation), thuốc nhuộm axit.
Thuốc nhuộm trực tiếp: đây là loại thuốc nhuộm anion có khả năng bắt màu trực
tiếp vào xơ sợi xenllulo và có dạng tổng quát: Ar-SO3Na. Khi hòa tan trong nước, nó
phân ly cho về dạng anion thuốc nhuộm và bắt màu vào sợi. Trong mỗi màu thuốc
nhuộm trực tiếp có ít nhất 70% có cấu trúc azo, còn tính trong tổng số thuốc nhuộm
trực tiếp thì có đến 92% thuộc lớp azo[11].
 Thuốc nhuộm phân tán: Hầu hết các tính chất nhuộm và độ bền mầu của thuốc
nhuộm phân tán thay đổi dần với kích thước phân tử. Loại thuốc nhuộm có phân tử
thuốc nhuộm nhỏ, có độ phân cực thấp, có khả năng nhuộm bền mầu, nhuộm nhanh
nhưng độ bền với nhiệt và độ bền thăng hoa thấp. Chúng được gọi là các thuốc nhuộm
phân tán “năng lượng thấp”. Các thuốc nhuộm có khối lượng phân tử lớn, độ phân cựu
cao thì tốc độ nhuộm thấp, khả năng di chuyển trong quá trình nhuộm kém nhưng độ
bền nhiệt và thăng hoa cao. Đó là thuốc nhuộm “năng lượng cao”. Thuốc nhuộm phân
tán dùng để nhuộm các loại xơ sợi tổng hợp kị nước. Xét về mặt hóa học có đến 59%

3


thuốc nhuộm phân tán thuộc cấu trúc azo, 32% thuộc cấu trúc antraquinon, còn lại
thuộc các lớp hóa học khác.
 Thuốc nhuộm hoạt tính: Là những hợp chất mầu mà trong phân tử của chúng
chứa các nhóm anion tan có thể tạo liên kết cộng hoá chị với vật liệu nói chung nên có
độ bền mầu cao. Trong cấu tạo của thuốc nhuộm hoạt tính có một hay nhiều nhóm

hoạt tính khác nhau, quan trọng nhất là các nhóm: vinylsunfon, halotriazin và
halopirimidin.
Dạng tổng quát của thuốc nhuộm hoạt tính: S – R – T – Y, trong đó:
 S: nhóm cho thuốc nhuộm độ hòa tan cần thiết (-SO3Na, -COONa,
-SO2CH3)
 R: nhóm mang màu của thuốc nhuộm
 Y: nhóm nguyên tử phản ứng, trong điều kiện nhuộm nó tách khỏi phân tử
thuốc nhuộm, tạo khả năng cho thuốc nhuộm phản ứng với xơ (-Cl, -SO2,
-SO3H, -CH=CH2,...)
 T: nhóm mang nguyên tử hay nhóm nguyên tử phản ứng, thực hiện liên kết
giữa thuốc nhuộm và xơ.
Là loại thuốc nhuộm duy nhất tạo liên kết cộng hóa trị với xơ sợi nên độ bền
màu khi giặt và độ bền màu ướt rất cao, vì vậy thuốc nhuộm hoạt tính là một trong
những thuốc nhuộm được phát triển mạnh mẽ nhất trong thời gian qua đồng thời là lớp
thuốc nhuộm quan trọng nhất để nhuộm vải sợi bông và thành phần bông trong vải sợi
pha.
Tuy nhiên, thuốc nhuộm hoạt tính có nhược điểm là: trong điều kiện nhuộm,
khi tiếp xúc với vật liệu nhuộm (xơ sợi), thuốc nhuộm hoạt tính không chỉ tham gia
vào phản ứng với vật liệu mà còn bị thủy phân rồi gắn lên sợi:
Ví dụ:

Thuốc nhuộm sunfatoetylsunfon

Thuốc nhuộm Vinylsunfon
(dạng hoạt hóa của thuốc nhuộm gốc)
4


Do tham gia vào phản ứng thủy phân nên phản ứng giữa thuốc nhuộm và xơ sợi
không đạt hiệu suất 100%. Để đạt độ bền màu giặt và độ bền màu tối ưu, hàng nhuộm

được giặt sạch để loại bỏ phần thuốc nhuộm dư và phần thuốc nhuộm thủy phân. Vì
thế, mức độ tổn thất đối với thuốc nhuộm hoạt tính cỡ 10÷50%, lớn nhất trong các loại
thuốc nhuộm. Hơn nữa, màu thuốc nhuộm thủy phân giống màu thuốc nhuộm gốc nên
nó gây ra vấn đề màu nước thải và ô nhiễm nước thải[10].
1.1.2 Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm và tác hại
 Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm
Vấn đề ô nhiễm chủ yếu trong công nghiệp dệt- may là ô nhiễm nước thải. Các
chất thải trong nước thải dệt nhuộm có thể phân làm mấy loại sau:
 Các thành phần nguyên liệu không mong muốn như tạp chất thiên nhiên, muối,
dầu, mỡ trong bông và len...Hoặc các công đoạn phụ trợ như vệ sinh máy móc,
nồi hơi, lò dầu, xử lý nước cấp... cũng là nguồn tạo ta chất thải.
 Hóa chất, thuốc nhuộm sau khi hoàn thành chức năng, nhiệm vụ còn thừa
không gắn màu vào xơ sợi được loại bỏ trong công đoạn giặt tạo ta nhuồm ô
nhiễm.
Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm như bảng
1.1.
Bảng 1.1 Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm[9]
Vải, sợi bông

Vải, sợi pha

Vải, sợi len và pha

(Tổng hợp/bông, vixco)

(tổng hợp/ len)

Rũ hồ

Rũ hồ

Giặt

Giặt

Giặt

Cacbon hoá (với len 100%)

Làm bóng

Làm bóng

Định hình ướt (crabbing)

Nấu – tẩy trắng

Nấu – tẩy trắng

Tẩy trắng

Nhuộm

Nhuộm

Nhuộm

In hoa

In hoa

In hoa

5


Trong đó ô nhiễm do thuốc nhuộm trở thành vấn đề chủ yếu đối với nước thải
dệt nhuộm. Thuốc nhuộm sử dụng hiện nay là các sản phẩm tổng hợp hữu cơ, khó bị
phân huỷ bởi vi sinh vật. Nồng độ thuốc nhuộm trong môi trường nước tiếp nhận đối
với các công đoạn dệt - nhuộm phụ thuộc vào các yếu tố:
 Mức độ sử dụng hàng ngày của thuốc nhuộm
 Độ gắn màu của thuốc nhuộm lên vật liệu dệt
 Mức độ xử lý trong các công đoạn xử lý nước thải
 Hệ số pha loãng trong nguồn nước tiếp nhận
Một trong những yêu tố chủ yếu xác định thải loại thuốc nhuộm vào môi trường
là độ gắn mầu. Mức độ gắn màu phụ thuộc vào độ đậm màu, công nghệ áp dụng, tỷ lệ
khối lượng hàng nhuộm và dung dịch nước dùng trong máy nhuộm, vật liệu dệt và thuốc
nhuộm sử dụng. Tổn thất thuốc nhuộm đưa vào nước trung bình là 10% với màu đậm,
2% với màu trung bình và <2% với màu nhạt. Trong in hoa thì tổn thất thuốc nhuộm có
thể lớn hơn nhiều [9].
 Tác hại của việc ô nhiễm thuốc nhuộm
Có hai con đường thuốc nhuộm đi vào môi trường thông qua nước thải. Đó là từ
các nhà máy sản xuất thuốc nhuộm và từ ngành công nghiệp tiêu thụ thuốc nhuộm,
trong đó ngành dệt là dùng nhiều nhất. Các loại thuốc nhuộm nói chung được xếp loại
từ độc đến không độc đối với môi trường (được đặc trưng bằng chỉ số LD50). Chỉ số
LD50 >1mg/l là ít độc, LD50<1mg/l[9] có tác động trực tiếp lên môi trường – tức là độc
đến cực độc.
Tác hại gây ung thư và nghi ngờ gây ung thư: không có loại thuốc nhuộm nào
nằm trong nhóm gây ung thư cho người. Các thuốc nhuộm azo được sử dụng nhiều
nhất trong ngành dệt, tuy nhiên chỉ có một số màu azo, chủ yếu là thuốc nhuộm

benzidin, có tác hại gây ung thư và đã bị cấm sản xuất. Các nhà sản xuất châu Âu đã
ngừng sản xuất loại này, nhưng trên thực tế chúng vẫn được tìm thấy trên thị trường do
giá thành rẻ và hiệu quả nhuộm màu cao[7].
Mức độ độc hại với cá và các loài thủy sinh: các thử nghiệm trên cá của hơn
3000 thuốc nhuộm được sử dụng thông thường có cho thấy thuốc nhuộm nằm trong tất
cả các nhóm từ không độc, độc vừa, độc, rất độc đến cực độc. Trong đó có khoảng
6


37% thuốc nhuộm gây độc vừa đến độc cho cá và thủy sinh, chỉ 2% thuốc nhuộm ở
mức độ rất độc và cực độc cho cá và thủy sinh[10].
Khi đi vào nguồn nước nhận như sông, hồ,… với một nồng độ rất nhỏ thuốc
nhuộm đã cho cảm nhận về màu sắc. Thuốc nhuộm thải ra càng nhiều thì màu nước thải
càng đậm. Màu đậm của nước thải cản trở sự xuyên qua của ánh sáng mặt trời, gây bất
lợi cho sự hô hấp, sinh trưởng của các loài thủy sinh vật. Nó tác động xấu đến khả năng
phân giải của vi sinh đối với các chất hữu cơ trong nước thải. Các nghiên cứu cho thấy
khả năng phân giải trực tiếp thuốc nhuộm hoạt tính bằng vi sinh rất thấp. Ở Việt Nam,
qua số liệu điều tra tại các công ty dệt may lớn đều cho thấy màu nước thải dệt nhuộm
chủ yếu do thuốc nhuộm hoạt tính và một phần do các loại thuốc nhuộm khác gây ra[7].
1.2 Các phương pháp xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính
1.2.1 Phương pháp sinh học
Xử lý sinh học là phương pháp sinh thái, phổ biến và kinh tế. Vì vậy, đây là
phương pháp chủ lực trong công nghiệp xử lí nước thải, kể cả phần lớn các loại nước
thải công nghiệp, trong đó có công nghiệp dệt nhuộm.
Cơ sở của phương pháp sinh học là sử dụng các vi sinh vật để phân hủy các hợp
chất hữu cơ trong nước thải. Phương pháp sinh học đạt hiệu quả cao trong xử lý nước
thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học với pH, nhiệt độ, chủng vi sinh thích
hợp và không chứa các chất độc làm ức chế vi sinh. Tuy nhiên nước thải dệt nhuộm
chứa các chất hữu cơ bền có khả năng kháng khuẩn nên để áp dụng phương pháp này
hàm lượng các chất hữu cơ bền, độc hại, ngăn cản quá trình sinh hóa phải nằm trong

giới hạn cho phép[9].
Xử lý sinh học có thể là xử lý vi sinh hiếu khí hoặc yếm khí tùy thuộc vào sự có
mặt hay không có mặt oxy. Quá trình yếm khí xảy ra sự khử còn quá trình hiếu khí xảy
ra sự oxy hóa các chất hữu cơ. Quá trình yếm khí có thể chạy với tải lượng hữu cơ lớn,
loại bỏ một lượng lớn các chất hữu cơ đồng thời tạo ra khí sinh học, tiêu tốn ít năng
lượng. Lượng bùn thải của quá trình yếm khí rất thấp. Tuy nhiên, hiệu quả khử màu
của quá trình này không cao (đối với thuốc nhuộm axit là 50 – 60%)[9]. Ngược lại,
quá trình hiếu khí có hiệu suất cao trên 85% nhưng lại tiêu tốn năng lượng cho sục khí
và tạo ra lượng bùn thải lớn[2]
7


Ngoài ra người ta có thể khử màu thuốc nhuộm bằng việc sử dụng các loài nấm
và nấm men. Cơ chế của quá trình này thường đi từ hấp phụ thuốc nhuộm lên sinh
khối tế bào rồi phân giải chất màu bằng hệ enzim ngoại bào. Tuy nhiên các quá trình
này còn đang ở mức phòng thí nghiệm[7].
1.2.2 Phương pháp oxi hoá tiên tiến
Phương pháp oxi hóa tiên tiến ( AOPs=Advenced Oxidation Processes): là
phương pháp có khả năng phân huỷ triệt để những chất hữu cơ có cấu trúc bền, độc
tính cao chưa bị loại bỏ bởi phương pháp hoá lý như quá trình lắng, keo tụ... khó bị vi
sinh vật phân huỷ. Bản chất của phương pháp là xảy ra các quá trình oxi hoá sinh ra
gốc OH* tự do, có khả năng phân hủy các chất hữu cơ có cấu trúc bền vững[9]. Một số
phương pháp AOPs như Ozon, peroxon, Fenton, oxi hoá quang hoá…
 Ozon hóa :Ozon là chất oxi hóa mạnh và có thể oxi hóa thuốc nhuộm trong nước
thải mà không sinh ra các hợp chất hữu cơ thứ cấp độc hại. pH < 5, ozon tồn tại
ở dạng O3 và oxi hóa chọn lọc nối đôi trong thuốc nhuộm. pH > 8, ozon phân
hủy tạo gốc tự do OH• phản ứng không chọn lọc với các chất hữu cơ (theo cơ
chế của quá trình oxi hóa tiên tiến). Ozon là chất oxi hóa mạnh hơn oxy, và về mặt
lý thuyết, không có hợp chất hữu cơ nào không bị oxi hóa bởi ozon. Nhược điểm
lớn nhất của phương pháp này nằm ở giá thành cao và thời gian tồn tại của ozon

ngắn, chi phí cho thiết bị tạo ozon cao[9].
 Các hệ Fenton (H2O2/Fe2+) và hệ kiểu Fenton (H2O2/Fe3+: Là các hệ phản ứng
trong đó gốc tự do OH được tạo ra do sự đồng ly của H2O2. Người ta đã chøng
minh được rằng ở pH=3÷4 trong hỗn hợp Fenton xảy ra phản ứng tạo OH như
sau:
Fe2+ + H2O2  Fe3+ + OH- + OH
Hỗn hợp Fenton (Fe2+ + H2O2) chứa các chất phổ biến và không độc, vì vậy
việc áp dụng trong công nghệ xử lý môi trường rất hứa hẹn. Sắt (II) thực sự trở thành
xúc tác khi được tái tạo ở pH thấp (2,7 – 2,8). Trong trường hợp này ta có phản ứng
kiểu Fenton:
Fe3+ + H2O2  H+ + FeOOH2+
FeOOH2+  HO2• + Fe2+
8


Đây là quá trình đơn giản, dễ thực hiện vì các hóa chất (Fe2+, H2O2 để tạo



-

OH và axit để hạ pH và kiềm để nâng pH) sẵn có và không đắt, mặc dù vậy yếu tố
kinh tế vẫn là giới hạn của phương pháp.
Phản ứng Fenton được phát hiện từ 1894 nhưng cho đến gần đây mới được
quan tâm như một phương pháp khá hiệu quả để xử lý ô nhiễm chất hữu cơ.
 Oxi hóa bằng H2O2: Hidro peoxit hoạt hóa là một chất oxi hóa quan trọng được
sử dụng để khử màu bằng biện pháp hóa học và loại bỏ thuốc nhuộm khỏi nước
thải bởi oxi hóa vòng thơm của phân tử thuốc nhuộm. Chất oxi hóa này cần
được hoạt hóa bởi một số tác nhân, ví dụ bức xạ tử ngoại UV, các muối vô cơ
như Fe2+, Ozon hay siêu âm[9].

 Phương pháp oxi hóa quang hóa: Đây là phương pháp được dùng để khử màu
thuốc nhuộm và cho hiệu quả khá cao.Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi phải
có nhiều trang thiết bị phức tạp và đắt tiền[2, 9].
1.2.3 Phương pháp hoá lý
1.2.3.1 Phương pháp keo tụ
Được dùng để tách các chất bẩn khỏi nước thải bằng cách cho vào nước các
chất keo tụ và trợ keo tụ. Nhờ tác dụng tương hỗ giữa chúng và các chất bẩn trong
nước sẽ tách được các chất bẩn không tan hay ở dạng keo.
Phương pháp keo tụ để xử lý chất màu dệt nhuộm là phương pháp tách loại chất
màu gây ô nhiễm ra khỏi nước dựa trên hiện tượng keo tụ. Các chất keo tụ thường
dùng là phèn nhôm, muối FeCl3.nH2O (n =1-6), Fe2(SO4)3.H2O. Ngoài ra, hiện nay
người ta thường dùng PAC (Poly Aluminium Chloride), PFC (Poly Ferri Chloride).
Các chất trợ keo tụ thường dùng là dung dịch axit silixic và phổ biến hơn là PAA
(Polyacrylamit)[9].
1.2.3.2 Phương pháp lọc
Các kỹ thuật lọc thông thường là quá trình tách chất rắn ra khỏi nước khi cho nước
đi qua vật liệu lọc có thể giữ cặn hoặc chất tan có kích thước phân tử đủ lớn và cho nước
đi qua. Các kỹ thuật lọc thông thường không xử lý được các tạp chất tan nói chung và
thuốc nhuộm nói riêng. Lọc màng nano (NF), thẩm thấu ngược (RO), điện thẩm tích có
thể tách được thuốc nhuộm tan ra khỏi nước thải dệt nhuộm.
9


Tuy vậy phương pháp lọc màng ít được sử dụng do giá thành của màng, thiết bị
lọc cao và năng suất thấp do thuốc nhuộm lắng xuống và các chất khác bám lên làm bẩn
và gây tắc màng[5, 6].
1.2.3.3 Phương pháp hấp phụ
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách pha (ở đây chủ yếu đề cập
đến pha rắn). Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ, chất
được tích lũy trên bề mặt là chất bị hấp phụ.

Phương pháp hấp phụ là một phương pháp tách trực tiếp các cấu tử tan trong
nước, được ứng dụng rỗng rãi trong kỹ thuật xử lý nước thải nhờ có các ưu điểm:
- Có khả năng làm sạch nước, đáp ứng nhiều cấp độ về chất lượng.
- Qui trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp.
Tuy nhiên phương pháp này cũng có một số nhược điểm như sau:
- Không thể sử dụng đối với nguồn thải có tải trọng ô nhiễm cao.
- Chuyển chất ô nhiễm từ pha này sang pha khác, tạo ra một lượng thải sau khi
hấp phụ, không xử lý triệt để được ô nhiễm[9].
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ
khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha mang.
Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ
di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ giải hấp
bằng tốc độ hấp phụ thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng[7,8].
 Một số khái niệm
 Dung lượng hấp phụ:
Dung lượng hấp phụ là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng
chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ.
Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:

q

(Co  Ccb ) V
m

Trong đó:
10

(1.1)

- q: Dung lượng hấp phụ(mg/g)
- V: Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l)
- m: Khối lượng chất hấp phụ (g)
- C0: Nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
- Ccb: Nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)
* Hiệu suất hấp phụ:
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung
dịch ban đầu:
H

(Co  Ccb )
x100
Co

%

(1.2)

Qúa trình hấp phụ có thể được mô tả bằng nhiều mô hình, phổ biến nhất là mô
hình Langmuir và Freundlich.
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên các giả
thuyết như sau:
- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.
- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
-Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các tiểu
phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các
trung tâm bên cạnh.
Phương trình Langmuir có thể áp dụng được cho quá trình hấp phụ trong môi
trường nước. Khi đó có thể biểu diễn phương trình Langmuir như sau:

q  qm

kCcb
1  kCcb

(1.3)

Trong đó:
- Ccb là nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng.
- q, qm lần lượt là dung lượng hấp phụ và dung lượng hấp phụ cực đại.
11


- k là hằng số Langmuir.
Phương trình chứa hai thông số là qmax và hằng số k. Dung lượng hấp phụ cực
đại qmax có một giá trị xác định tương ứng với số tâm hấp phụ, còn hằng số k phụ
thuộc cặp tương tác giữa chất hấp phụ, chất bị hấpphụ và nhiệt độ. Từ các số liệu thực
nghiệm có thể xác định qmax và hằng số k bằng phương pháp tối ưu hay phương pháp
đồ thị.

Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

Với phương pháp đồ thị, phương trình (1.3) được viết thành:
Ccb
1
1

 .Ccb
q
K .q m qm

(1.4)

Từ những số liệu thực nghiệm, đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của
đường đằng nhiệt Langmuir và đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của
như hình sau:

12

Ccb
theo Ccb
q

Ccb
theo Ccb có dạng
q


Hình 1.2 Đồ thị dạng tuyến tính của phương trình Langmuir

Từ đồ thị sự phụ thuộc của
(OM=

Ccb
vào Ccb dễ dàng tính được qmax và hằng số K
q

1
1
;

=tgα)
Kqm
qm

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng đơn giản, mô tả tốt nhiều
kết quả thực nghiệm[8].
Mô hình hấp phụ Freundlich:
q = kC1/n

(n>1)

(1.5)

Trong đó:
q: đại lượng hấp phụ cân bằng (g chất bị hấp phụ/g chất hấp phụ).
qmax: đại lượng hấp phụ cực đại (g chất bị hấp phụ khi nó che phủ

toàn

bộ bề mặt chất hấp phụ).
C: nồng độ chất bị hấp phụ trong dung dịch (g/L, mol/L).
k: hằng số cân bằng: hấp phụ ↔ giải hấp.
Hấp phụ là phương pháp đơn giản, hiệu quả để xử lý thuốc nhuộm hoạt tính,
tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này nằm trong chính bản chất quá trình của nó
là chuyển chất màu từ pha này sang pha khác và đòi hỏi thời gian tiếp xúc, tạo một
lượng thải sau hấp phụ, không xử lý triệt để chất ô nhiễm.
13


1.3 Than hoạt tính và ứng dụng của than hoạt tính

Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể nói chung rằng, than
hoạt tính là một dạng của cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc rất xốp, do
đó có diện tích bề mặt rất lớn.
Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã hoạt hóa được sử dụng từ nhiều thế kỷ
trước. Người Ai cập sử dụng than gỗ từ khoảng 1500 trước công nguyên làm chất
hấp phụ cho mục đích chữa bệnh. Người Hindu cổ ở Ấn độ làm sạch nước uống
của họ bằng cách lọc qua than gỗ. Việc sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt
đầu từ khoảng năm 1900 và được sử dụng làm vật liệu tinh chế đường. Than hoạt
tính này được sản xuất bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ
thực vật có mặt của H2O hoặc CO2. Than hoạt tính được sử dụng suốt chiến tranh thế
giới thứ nhất trong mặt nạ phòng độc bảo vệ binh lính khỏi khí độc nguy hiểm [14].
Than hoạt tính là chất hấp phụ quí và linh hoạt, được sử dụng rộng rãi cho
nhiều mục đích như loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu
cơ, vô cơ trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt, thu hồi dung môi, làm sạch không
khí, trong kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động
cơ, trong làm sạch nhiều hóa chất, dược phẩm, sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng
dụng trong pha khí. Chúng được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim
để thu hồi vàng, bạc, và các kim loại khác, làm chất mang xúc tác. Chúng cũng được
biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học, được sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi
khuẩn của một số bệnh nhất định.
Cacbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với hàm lượng khoảng 8595%. Bên cạnh đó, than hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác như hiđro, lưu huỳnh,
nitơ và oxi. Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu
hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trình khác.
Thành phần các nguyên tố trong than hoạt tính thường là 88% C; 0,5% H, 0,5% N;
1% S; 6 - 7% O. Tuy nhiên hàm lượng oxy trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1
- 20% phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế. Than hoạt tính
thường có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến 1500m2/g và thể tích lỗ xốp từ
0.2 đến 0.6cm3/g. Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ
hơn 2nm [14].
14

Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên
kết ngang bền giữa chúng, làm cho than hoạt tính có một cấu trúc lỗ xốp khá phát
triển. Chúng có tỷ trọng tương đối thấp (nhỏ hơn 2g/cm3) và mức độ graphit hóa
thấp. Cấu trúc bề mặt này được tạo ra trong quá trình than hóa và phát triển hơn
trong quá trình hoạt hóa, khi làm sạch nhựa đường và các chất chứa cacbon
khác trong khoảng trống giữa các tinh thể. Quá trình hoạt hóa làm tăng thể tích và
làm rộng đường kính lỗ. Cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu trúc lỗ của chúng được
quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu ban đầu và phương pháp than hóa. Sự
hoạt hóa cũng loại bỏ cacbon không phải trong cấu trúc, làm lộ ra các tinh thể dưới sự
hoạt động của các tác nhân hoạt hóa và cho phép phát triển cấu trúc vi lỗ xốp.
Trong pha sau cùng của phản ứng, sự mở rộng của các lỗ tồn tại và sự tạo thành các
lỗ lớn bằng sự đốt cháy các vách ngăn giữa các lỗ cạnh nhau được diễn ra. Điều này
làm cho các lỗ trống có chức năng vận chuyển và các lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm
giảm thể tích vi lỗ.
Nói chung than hoạt tính có bề mặt riêng phát triển và thường được đặc
trưng bằng cấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán, tạo nên từ các lỗ với kích thước
và hình dạng khác nhau. Người ta khó có thể đưa ra thông tin chính xác về hình
dạng của lỗ xốp. Có vài phương pháp được sử dụng để xác định hình dạng của lỗ, các
phương pháp này đã xác định than thường có dạng mao dẫn mở cả hai đầu hoặc có
một đầu kín, thông thường có dạng rãnh, dạng chữ V và nhiều dạng khác.
Than hoạt tính có lỗ xốp từ 1 nm đến vài nghìn nm. Dubinin đề xuất một
cách phân loại lỗ xốp đã được IUPAC chấp nhận. Sự phân loại này dựa trên chiều
rộng của chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnh
hoặc bán kính của lỗ dạng ống. Các lỗ được chia thành 3 nhóm, lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ
lớn. Mỗi nhóm này thể hiện một vai trò nhất định trong quá trình hấp phụ. Lỗ nhỏ
chiếm 1 diện tích bề mặt và thể tích lớn do đó đóng góp lớn vào khả năng hấp phụ của
than hoạt tính, miễn là kích thước phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn để đi
vào lỗ nhỏ. Lỗ nhỏ được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối thấp trước khi bắt đầu

ngưng tụ mao quản. Mặt khác, lỗ trung được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối cao
với sự xảy ra ngưng tụ mao quản. Lỗ lớn có thể cho phân tử chất bị hấp phụ di
chuyển nhanh tới lỗ nhỏ hơn [14].
15


Bên cạnh cấu trúc tinh thể và cấu trúc lỗ xốp, than hoạt tính cũng có cấu
trúc hóa học. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính được quyết định bởi cấu trúc vật lý
và lỗ xốp của chúng nhưng cũng bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc hóa học. Thành phần
quyết định của lực hấp phụ lên bề mặt than là thành phần không tập trung của lực
Van der Walls. Trong graphit, quá trình hấp phụ được quyết định chủ yếu bởi thành
phần phân tán của lực London. Trong trường hợp than hoạt tính, sự phức tạp của
các cấu trúc vi tinh thể, do sự có mặt của các lớp graphit cháy không hoàn toàn trong
cấu trúc, gây ra biến đổi về sự sắp xếp các electron trong khung cacbon. Kết quả tạo
ra các electron độc thân và hóa trị không bão hòa điều này ảnh hưởng đến đặc điểm
hấp phụ của than hoạt tính đặc biệt là đối với các hợp chất phân cực và có thể phân
cực [14].
Than hoạt tính hầu hết được liên kết với một lượng có thể xác định oxy và
hydro. Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguyên liệu ban đầu và trở
thành một phần cấu trúc hóa học là kết quả của quá trình than hóa không hoàn hảo
hoặc trở thành liên kết hóa học với bề mặt trong quá trình hoạt hóa hoặc trong các quá
trình xử lý sau đó. Cũng có trường hợp than đã hấp phụ các loại phân tử xác định
như amin, nitrobenzen, phenol và các loại cation khác.
Than hoạt tính là một loại vật liệu cacbon quan trọng thường được sử dụng như
là một chất hấp phụ loại bỏ hàng loạt các hợp chất hữu cơ khó phân hủy gây ô nhiễm
trong nước do diện tích bề mặt riêng lớn (500-1500 m2/g), lượng mao quản micro
nhiều, chi phí thấp và có sẵn [25]. Các hấp phụ vào than hoạt tính phụ thuộc vào kích
thước lỗ mao quản và phân bố vì sự hấp phụ xảy ra chủ yếu ở các lỗ mao quản.
Với những đặc tính trên, đề tài đã sử dụng than hoạt tính Trà Bắc, một loại than
có đặc trưng cấu trúc và cấu tao cơ bản, được sản xuất trong nước với chi phí thấp để

nghiên cứu khả năng hấp phụ mầu của thuốc nhuộm hoạt tính.
1.4 Các phương pháp tái sinh than hoạt tính
Tái sinh than hoạt tính thực hiện khi khả năng hấp phụ của than hoạt tính đã
bão hòa. Hiện nay, có ba phương pháp chính để tái sinh than hoạt tính là:
- Tái sinh than hoạt tính bằng nghiệt
- Tái sinh than hoạt tính bằng hóa lý
16