Nghiên cứu khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của vật liệu hấp phụ chế tạo từ đài sen (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THÙY LINH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH,
METYL DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ ĐÀI SEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Thái Nguyên - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THÙY LINH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH,
METYL DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ ĐÀI SEN

Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Thị Hậu

Thái Nguyên - 2017

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả
nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công
trình nào khác. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2017
Tác giả

Nguyễn Thùy Linh

Xác nhận

Xác nhận

của khoa chuyên môn

của giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan

TS. Vũ Thị Hậu

i


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ, chuyên ngành
hóa phân tích, khoa hóa học – Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, em

đã nhận được sự ủng hộ, giúp đỡ của các thầy cô giáo, bạn bè và gia đình.
Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Vũ Thị Hậu, cô giáo trực tiếp
hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa hóa học, khoa sau Đại
học, và Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ em
trong quá trình học tập, nghiên cứu..
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh,
ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hoàn thành quá
trình học tập và nghiên cứu.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của
bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu sót. Em rất mong
nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và
những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được
hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 04 năm 2017
Tác giả

Nguyễn Thùy Linh

ii


MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ
Lời cam đoan ..................................................................................................................i
Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii
Mục lục ........................................................................................................................ iii
Danh mục các từ viết tắt ...............................................................................................iv

Danh mục bảng biểu ......................................................................................................v
Danh mục các hình .......................................................................................................vi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 3
1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm .........................................................................................3
1.1.1. Định nghĩa và phân loại thuốc nhuộm .................................................................3
1.1.2. Tình trạng ô nhiễm do nước thải dệt nhuộm ở nước ta .......................................4
1.1.3. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp ......................................5
1.1.4. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm ................................ 5
1.1.5. Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm ...................................6
1.2. Giới thiệu chung về metylen xanh, metyl da cam ..................................................7
1.2.1. Metylen xanh .......................................................................................................7
1.2.2. Metyl da cam .......................................................................................................8
1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ .......................................................................9
1.3.1. Các khái niệm ......................................................................................................9
1.3.2. Quá trình hấp phụ động trên cột ........................................................................11
1.3.3. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ.......................................................12
1.3.4. Hấp phụ trong môi trường nước .......................................................................16
1.4. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng chất hữu cơ mang màu ..................17
1.4.1. Phương pháp trắc quang ....................................................................................17
1.4.2. Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang ..................................19
1.5. Giới thiệu về cây sen, đài sen ở Việt Nam .......................................................... 19
1.6. Một số hướng nghiên cứu khả năng hấp phụ của metylen xanh và metyl da
cam và sử dụng cây sen làm VLHP ...............................................................................21
1.6.1. Một số hướng nghiên cứu khả năng hấp phụ của metylen xanh và metyl
da cam .......................................................................................................................... 21

iii

1.6.2. Một số hướng nghiên cứu sử dụng cây sen làm VLHP .....................................23
1.7. Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu .............................................24
1.7.1. Phương pháp phổ hồng ngoại IR .......................................................................24
1.7.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .......................................................... 25
Chương 2. THỰC NGHIỆM ....................................................................................26
2.1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất ................................................................................26
2.1.1. Thiết bị và dụng cụ ............................................................................................ 26
2.1.2. Hóa chất .............................................................................................................26
2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ .......................................................................................27
2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu .........................................................................................27
2.2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ ....................................................................................27
2.3. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh, metyl da cam.......27
2.3.1. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh ......................27
2.3.2. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metyl da cam ......................28
2.4. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ............................................................ 28
2.4.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metylen xanh ............................ 28
2.4.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metyl da cam ............................ 28
2.5. Một số đặc trưng của VLHP .................................................................................28
2.5.1. Khảo sát đặc điểm bề mặt của VLHP ................................................................ 28
2.5.2. Phổ hồng ngoại IR ............................................................................................. 28
2.5.3. So sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP .......................................29
2.5.4. Xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo được............................................29
2.6. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh,
metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh ...........................................29
2.6.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH ...............................................................................29
2.6.2. Ảnh hưởng của khối lượng ................................................................................30
2.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP ...............30
2.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................31
2.6.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ................................................................ 31
2.7. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh,

metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ động .........................................31
2.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metylen xanh
của VLHP theo phương pháp hấp phụ động................................................................ 31
iv


Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 33
3.1. Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh,
metyl da cam ................................................................................................................33
3.1.1. Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh ..........33
3.1.2. Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metyl da cam ..........34
3.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh, metyl da cam ......35
3.2.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metylen xanh ...............35
3.2.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metyl da cam ............................ 35
3.3. Kết quả một số đặc trưng của VLHP ....................................................................36
3.3.1. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM).........................................................................36
3.3.2. Phổ hồng ngoại (IR) ........................................................................................... 37
3.3.3. Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP .......................... 40
3.3.4. Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo được ............................... 40
3.4. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen
xanh, metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh .................................42
3.4.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH ..................................................................42
3.4.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng VLHP/thể tích dung dịch (nồng độ đầu
xác định) ......................................................................................................................44
3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP ...............47
3.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................50
3.4.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ................................................................ 52
3.5. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh,
metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ động .........................................54
3.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metylen xanh

của VLHP theo phương pháp hấp phụ động................................................................ 54
3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metyl da cam
của VLHP theo phương pháp hấp phụ động................................................................ 57
KẾT LUẬN .................................................................................................................59
TÀI LIỆUTHAM KHẢO .......................................................................................... 60

v


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TT

Từ viết tắt

Nội dung

1

BET

Brunauer-Emmet-Teller

2

SEM

Hiển vi điện tử quét

3

VLHP

Vật liệu hấp phụ

4

IR

Phổ hồng ngoại: Infrared Spectroscopy

5

MB

Metylen xanh

6

Abs

Độ hấp thụ quang

iv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may .................5
Bảng 1.2: Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm [16] ..........7

Bảng 3.1: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh ở các bước
sóng khác nhau ........................................................................................... 33
Bảng 3.2: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl da cam ở các bước
sóng khác nhau ........................................................................................... 34
Bảng 3.3: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh với các
nồng độ khác nhau ......................................................................................35
Bảng 3.4: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl da cam với các
nồng độ khác nhau ......................................................................................35
Bảng 3.5 : Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ..................40
Bảng 3.6: Số liệu xác định điểm đẳng điện của VLHP ...............................................41
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ metylen
xanh, metyl da cam của VLHP ...................................................................42
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng VLHP/thể tích dung dịch (nồng độ đầu
xác định) đến khả năng hấp phụmetylen xanh, metyl da cam của VLHP ......45
Bảng 3.9. Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ metylen xanh, metyl
da cam của VLHP vào thời gian .................................................................48
Bảng 3.10: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ metylen
xanh, metyl da cam vào nhiệt độ ................................................................ 50
Bảng 3.11: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ của
VLHP vào nồng độ đầu ..............................................................................52
Bảng 3.12: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir ..................................54
Bảng 3.13: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metylen xanh ...........55
Bảng 3.14: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metyl da cam ...........57

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Công thức cấu tạo của xanh metylen ............................................................. 7

Hình 1.2. Công thức cấu tạo cation MB+ ......................................................................8
Hình 1.3. Dạng oxy hóa và dạng khử của xanh metylen ...............................................8
Hình 1.4. Mô hình cột hấp phụ ....................................................................................11
Hình 1.5. Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ trên cột hấp
phụ theo thời gian......................................................................................12
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của metylen xanh
vào bước sóng ........................................................................................... 33
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của metyl da cam
vào bước sóng ........................................................................................... 34
Hình 3.3. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh ..................................35
Hình 3.4. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metyl da cam ..................................36
Hình 3.5. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của nguyên liệu ........................................36
Hình 3.6. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của VLHP ................................................36
Hình 3.7. Phổ hồng ngoại (IR) của nguyên liệu .......................................................... 38
Hình 3.8. Phổ hồng ngoại (IR) của VLHP...................................................................39
Hình 3.9. Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ....................40
Hình 3.10. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP ...............................................41
Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh
của VLHP vào pH .....................................................................................43
Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp thụ metyl da cam
vào pH của VLHP .....................................................................................43
Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh
vào tỷ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch ........................................46
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam
của VLHP vào tỷ lệ khối lượng VLHP/thể tích dung dịch .......................46
Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh
của VLHP vào thời gian ............................................................................49
vi

Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam
vào thời gian .............................................................................................. 49
Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh
vào nhiệt độ ............................................................................................... 51
Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam
vào nhiệt độ ............................................................................................... 51
Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với metylen xanh .....53
Hình 3.20. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của metylen xanh ..........53
Hình 3.21. Đường đẳng nhiệt Langmuir của VLHP đối với metyl da cam.................53
Hình 3.22. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của metyl da cam ..........53
Hình 3.23. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ
metylen xanh ............................................................................................. 56
Hình 3.24. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ
metyl da cam ............................................................................................. 58

vii


MỞ ĐẦU
Môi trường là nhân tố có ảnh hưởng quyết định đến sự tồn tại và phát triển của
mỗi con người, mỗi quốc gia trên thế giới, chính vì vậy bảo vệ môi trường và đảm
bảo phát triển bền vững là vấn đề có tính sống còn của mỗi quốc gia. Trong những
năm gần đây cùng với sự phát triển của nền công nghiệp, các nhà máy khu chế xuất
ngày càng tăng. Mỗi năm những nhà máy, khu chế xuất này thải ra một lượng nước
thải lớn gây ô nhiễm môi trường. Nước ta là nước có ngành công nghiệp dệt nhuộm
phát triển vì vậy hàng năm nước thải của ngành công nhiệp này chiếm một lượng
đáng kể. Lượng nước thải này chứa nhiều chất hữu cơ mang màu độc hại nếu không
được xử lý, loại bỏ sẽ xâm nhập vào cơ thể tích tụ gây hại nghiêm trọng đến sức khỏe
con người, phá hủy cảnh quan môi trường tự nhiên.
Hiện nay, có rất nhiều phương pháp khác nhau để loại bỏ các chất hữu cơ

mang màu ra khỏi môi trường nước như: thẩm thấu ngược, lọc nano, kết tủa hoặc hấp
phụ,... Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm như vật
liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, chi phí thấp, thân
thiện với môi trường, đặc biệt không làm nguồn nước ô nhiễm thêm. Chính vì vậy
đây là vấn đề đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu. Trong lĩnh
vực xử lý môi trường, ta có thể sử dụng vật liệu tự nhiên (đá ong, quặng sắt, đất
bazan…) hay vật liệu chế tạo từ xơ dừa, vỏ trấu, bã mía, bã chè… những loại vật liệu
này đều có giá thành rẻ, thân thiện với môi trường và dễ kiếm tìm trong đời sống.
Cây sen là loài cây quen thuộc được trồng phổ biến ở các ao hồ và rất có ý
nghĩa đối với người dân Việt Nam. Không chỉ vậy các bộ phận của cây sen từ hạt, lá
cho đến củ đều có lợi ích kinh tế cao như: nhụy sen dùng để ướp trà, lá sen để chữa
bệnh, hạt sen dùng làm thực phẩm… Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam sau khi thu
hoạch hạt sen thì đài sen bị thải bỏ, không được sử dụng vào mục đích nào. Đài sen
có đặc tính nhẹ và xốp có khả năng biến tính thành vật liệu hấp phụ tốt.
Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp
phụ metylen xanh, metyl da cam của vật liệu hấp phụ chế tạo từ đài sen”
Trong đề tài chúng tôi lần lượt tập trung nghiên cứu các nội dung sau:
- Chế tạo vật liệu hấp phụ từ đài sen.
1


- Khảo sát một số đặc trưng vật lí của VLHP bằng phương pháp hiển vi điện tử
quét (SEM), phương pháp phổ hồng ngoại (IR).
- Khảo sát khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
của vật liệu hấp phụ chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh, hấp phụ động.
Bố cục của luận văn này gồm:
- Mở đầu
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Thực nghiệm
- Chương 3: Kết quả và thảo luận

- Kết luận
- Tài liệu tham khảo

2


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm
1.1.1. Định nghĩa và phân loại thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất định
của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trong
những điều kiện quy định (tính gắn màu).
Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp. Hiện nay, con
người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp. Đặc điểm nổi bật của các loại
thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy. Màu sắc của thuốc
nhuộm có được là do cấu trúc hóa học. Một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm
bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu.
Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ electron π
không cố định như: > C = C <, > C = N -, - N = N -, - NO2, …
Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận electron như: - NH2, - COOH,
- SO3H, - OH, … đóng vai trò tăng cường của nhóm mang màu bằng cách dịch
chuyển năng lượng của hệ electron [20].
Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hoá học, màu sắc, phạm vi sử
dụng. Tùy thuộc cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng được phân loại thành các họ,
các loại khác nhau. Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất:
Phân loại theo cấu trúc hoá học: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm antraquinon,
thuốc nhuộm inđizo, thuốc nhuộm phenazin, thuốc nhuộm triarylmetan, thuốc nhuộm
phtaloxiamin.
Phân loại theo đặc tính áp dụng: thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lưu

hoá, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ cation, thuốc
nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính [20].
Ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến một số loại thuốc nhuộm nhằm làm sáng tỏ hơn
về loại thuốc nhuộm sử dụng trong phần thực nghiệm của đề tài.

3


Thuốc nhuộm azo: Nhóm mang màu là nhóm azo (- N = N -) phân tử thuốc
nhuộm có một nhóm azo (monoazo) hay nhiều nhóm azo (điazo, triazo, polyazo).
Thuốc nhuộm trực tiếp: Là loại thuốc nhuộm anion có dạng tổng quát
Ar─SO3Na. Khi hoà tan trong nước nó phân ly cho về dạng anion thuốc nhuộm và
bắt màu vào sợi. Trong tổng số thuốc nhuộm trực tiếp thì có 92% thuốc nhuộm azo.
Thuốc nhuộm bazơ cation: Các thuốc nhuộm bazơ dễ nhuộm tơ tằm, bông cầm
màu bằng tananh. Là các muối clorua, oxalat hoặc muối kép của bazơ hữu cơ chúng
dễ tan trong nước cho cation mang màu. Trong các màu thuốc nhuộm bazơ, các lớp
hoá học được phân bố: azo (43%), triazylmetan (11%), arycydin (7%), antraquinon
(5%) và các loại khác.
Thuốc nhuộm axit: Là muối của axit mạnh và bazơ mạnh chúng tan trong nước

phân ly thành ion:
Ar  SO3 Na

→

Ar  SO3

+ Na 

Anion mang màu, thuốc nhuộm tạo liên kết ion với tâm tích điện dương của vật

liệu. Thuốc nhuộm axit có khả năng tự nhuộm màu tơ sợi protein (len, tơ tằm,
polyamit) trong môi trường axit. Xét về cấu tạo hoá học có 79% thuốc nhuộm axit
azo, 10% là antraquion, 5% là triarylmetan và 6% là lớp hoá học khác [20].
1.1.2. Tình trạng ô nhiễm do nước thải dệt nhuộm ở nước ta
Hiện nay, sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp ở các làng nghề đạt được
những thành tựu đáng kể nhưng do công nghệ lạc hậu, quy mô nhỏ lẻ nên chưa xử lý
được chất thải sau quá trình sản xuất dẫn đến ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng
ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng. Tại một số làng nghề như: Vạn Phúc, Dương Nội
(Hà Đông – Hà Nội), nhu cầu oxy hoá học (COD) trong các công đoạn tẩy, nhuộm đo
được từ 380 ÷ 890mg/L, cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 3 ÷ 8 lần, độ màu đo được là
750Pt - Co, cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Các vấn đề về sự ô nhiễm môi
trường dưới sự tác động của ngành công nghiệp dệt nhuộm đã gia tăng trong nhiều
năm qua. Các quá trình tẩy nhuộm có tỷ lệ mất mát chất tẩy nhuộm lên đến 50%.
Nguyên nhân của việc mất mát chất tẩy, nhuộm là do các chất này không bám dính

4


hết vào sợi vải, số phẩm nhuộm này sẽ đi theo đường nước thải ra ngoài. Vì vậy, việc
xử lý nước thải dệt nhuộm là vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu.
1.1.3. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may được trình bày trong
bảng 1.1 [18].
Bảng 1.1: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may
Giới hạn theo TCVN 2008
Thông số

TT

Đơn vị

A

B

1

Độ màu

Pt - Co

50

150

2

Độ pH

-

6-9

5,5 - 9

3

BOD5 (ở 20oC)

mg/L

30

50

4

COD

mg/L

75

150

Trong đó:
- Cột A quy định giá trị giới hạn của các thông số ô nhiễm trong nước thải công
nghiệp khi xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
- Cột B quy định giá trị giới hạn của các thông số ô nhiễm trong nước thải công
nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
Như vậy, nước thải công nghiệp nói chung và nước thải ngành dệt nhuộm nói
riêng, để đạt tiêu chuẩn cho phép thải ra môi trường sinh thái cần tuân thủ nghiêm
ngặt khâu xử lý các hóa chất gây ô nhiễm môi trường có mặt trong nước thải.
1.1.4. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm tổng hợp có từ lâu và ngày càng được sử dụng nhiều trong các
ngành công nghiệp dệt may, giấy, cao su, mỹ phẩm.... do dễ sử dụng, giá thành rẻ,
màu sắc đa dạng so với màu tự nhiên. Tuy nhiên, hầu hết các thuốc nhuộm sử
dụng trong ngành công nghiệp dệt may đều có độ độc tính cho môi trường sống

5

trong nước. Mặt khác, các chất hoạt động bề mặt và các hợp chất liên quan, chẳng
hạn như bột giặt, các chất nhũ hóa, các chất phân tán được sử dụng trong hầu hết
các công đoạn của mỗi quy trình gia công và cũng có thể là một trong những
nguồn quan trọng tạo độc tính cho môi trường nước [3].
Ngành công nghiệp dệt nhuộm nước ta đang phát triển rất đa dạng với quy mô
khác nhau và đã thải ra ngoài môi trường một lượng lớn nước thải gây ô nhiễm cao.
Nước thải dệt nhuộm thường có độ màu rất cao. Việc sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm
và các sản phẩm của chúng gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, ảnh hưởng đến
sức khỏe con người và hệ sinh thái thủy sinh. Cụ thể đối với con người gây ra các
bệnh về da, đường hô hấp, ung thư…, đối với hệ sinh thái thủy sinh có thể phá hủy
hoặc ức chế khả năng sinh sống của vi sinh vật [2].
1.1.5. Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm
Trong nhiều thập kỷ qua, ngành công nghiệp dệt nhuộm luôn có vị trí quan
trọng trong nền kinh tế quốc dân. Với các doanh nghiệp nhà nước, doanh nghiệp tư
nhân, dự án liên doanh và các nhà máy có vốn đầu tư 100% nước ngoài cùng rất
nhiều tổ hợp tư nhân nhỏ, vừa và lớn đang hoạt động trong lĩnh vực sợi, dệt, nhuộm
nhằm phấn đấu đạt chỉ tiêu hơn hai tỷ mét vải vào năm 2020 cho thấy quy mô và
định hướng phát triển lớn mạnh của ngành công nghiệp này. Tuy nhiên, trong số các
nhà máy chỉ có nhà máy lớn có xây dựng hệ thống xử lý nước thải còn lại hầu như
chưa có hệ thống xử lý vẫn còn xả trực tiếp ra môi trường. Loại nước thải dệt
nhuộm có độ kiềm hoặc độ axit cao, màu đậm, có nhiều chất hữu cơ, vô cơ gây độc
cho quần thể sinh vật và ảnh hưởng sức khoẻ cộng đồng.
Ở các ngành công nghiệp dệt may, nước thải thường có độ pH trung bình từ 9-11,
chỉ số nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD), nhu cầu ôxy hoá học (COD) có thể lên đến 700mg/1
và 2.500mg/1, hàm lượng chất rắn lơ lửng... cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép. Hàm
lượng nước thải của các ngành này có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần, H2S vượt 4,2
lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các
nguồn nước bề mặt trong vùng dân cư. Do đó vấn đề ô nhiễm chủ yếu trong ngành dệt
nhuộm là ô nhiễm nguồn nước.

6


Nguồn nước thải phát sinh trong công nghiệp dệt nhuộm từ các công đoạn hồ
sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất. Trong đó, lượng nước thải chủ yếu do quá
trình giặt sau mỗi công đoạn.
Bảng 1.2: Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm [16]
Sản xuất vải sợi bông

Sản xuất vải sợi pha

Sản xuất vải, sợi len và pha

(tổng hợp/bông, visco)

(tổng hợp/len)

Giũ hồ

Giũ hồ

Giặt

Giặt

Giặt

Cacbon hóa (với len 100%)

Làm bóng

Làm bóng

Định hình ướt

Nấu – tẩy trắng

Nấu – tẩy trắng

Tẩy trắng (nếu yêu cầu)

Nhuộm

Nhuộm

Nhuộm

In hoa

In hoa

In hoa

1.2. Giới thiệu chung về metylen xanh, metyl da cam
1.2.1. Metylen xanh
Metylen xanh là một hợp chất thơm dị vòng, có một số tên gọi khác như:
tetramethylthionine chlorhydrate, methylene blue, methylthioninium chloride,
glutylene, có công thức phân tử là: C16H18N3SCl [4].
Công thức cấu tạo của metylen xanh như sau:

Hình 1.1. Công thức cấu tạo của xanh metylen
Metylen xanh có phân tử khối là 319,85 g/mol. Nhiệt độ nóng chảy là: 100 110°C. Khi tồn tại dưới dạng ngậm nước (C16H18N3SCl.3H2O) trong điều kiện tự
nhiên, khối lượng phân tử của metylen xanh là 373,9 g/mol [17].

7


Metylen xanh là một chất màu thuộc họ thiozin, phân ly dưới dạng cation
MB+ là C16H18N3S+:

Hình 1.2. Công thức cấu tạo cation MB+
Metylen xanh có thể bị oxy hóa hoặc bị khử và mỗi phân tử bị oxy hóa và bị
khử khoảng 100 lần/giây. Quá trình này làm tăng tiêu thụ oxy của tế bào.

Hình 1.3. Dạng oxy hóa và dạng khử của xanh metylen
Metylen xanh là một loại thuốc nhuộm bazơ cation, là hóa chất được sử dụng
rộng rãi trong các ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ, sản xuất mực in. Metylen xanh bị
hấp thụ rất mạnh bởi các loại đất khác nhau. Trong môi trường nước, metylen xanh bị
hấp thu vào vật chất lơ lửng và bùn đáy ao và không có khả năng bay hơi ra ngoài
môi trường nước ở bề mặt nước. Nếu thải metylen xanh vào trong không khí, nó sẽ
tồn tại cả ở dạng hơi và bụi lơ lửng [20].
1.2.2. Metyl da cam
Metyl da cam là một chất bột tinh thể màu da cam, không tan trong dung môi hữu
cơ, khó tan trong nước nguội nhưng dễ tan trong nước nóng. Metyl da cam là một
monoazo thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, dệt may và các ngành công
nghiệp khác. Metyl da cam có thể xâm nhập vào cơ thể qua đường ăn uống, chuyển
hóa thành các amin thơm bằng vi sinh đường ruột và thậm chí có thể dẫn tới ung thư

8

đường ruột. Dung dịch trong nước dùng làm chỉ thị chuẩn độ axit - bazơ, có màu
hồng trong môi trường axit, màu vàng da cam trong môi trường kiềm, khoảng pH
chuyển màu là 3,1 - 4,4 [17].
Công thức phân tử: C 14 H 14 N 3 O 3 SNa
Công thức cấu tạo:
CH3
NaO3S

N

N

N
CH3

Metyl da cam: là chất hữu cơ có tính chất lưỡng tính với hằng số axit Ka= 4.10-4.
Trong môi trường kiềm và trung tính, nó có màu vàng là màu của anion:
H3C
N

N

N

SO3

H3C

Trong môi trường axit, anion này kết hợp với proton (H  ) chuyển thành cation
màu đỏ:
H3C
N

N

H
N

SO3H

H3C

1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ
1.3.1. Các khái niệm
1. 1 1

h

h

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí-rắn, lỏng-rắn,
khí-lỏng, lỏng-lỏng). Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút
các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi
pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ.
Tu theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ,
người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học. Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực
Vander

aals giữa phần tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ, liên kết này yếu,

9


dễ bị phá vỡ. Hấp phụ hoá học gây ra bởi lực liên kết hoá học giữa bề mặt chất hấp
phụ và phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này bền, khó bị phá vỡ.
Trong thực tế, sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học chỉ là
tương đối vì ranh giới giữa chúng không r rệt. Một số trường hợp tồn tại cả quá trình
hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học. Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trình hấp phụ vật
lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả năng hấp phụ hoá học tăng
lên [10].
1 12

i ih

h

Giải hấp phụ là quá trình chất bị hấp phụ ra khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ. Giải
hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp phụ.
Đối với hấp phụ vật lý để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thông
qua các yếu tố sau:
- Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ.
- Tăng nhiệt độ.
- Thay đổi bản chất tương tác của hệ thống thông qua thay đổi pH môi trường.
- Sử dụng tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã hấp phụ trên bề mặt
chất rắn.
- Sử dụng tác nhân là vi sinh vật.
Dựa trên nguyên tắc giải hấp phụ nêu trên, một số phương pháp tái sinh vật
liệu hấp phụ đã được sử dụng: phương pháp nhiệt, phương pháp hoá lý, phương pháp

vi sinh [2].
1 1

ung

ng h

h

n

ng

Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị
khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định về nồng độ và
nhiệt độ.
Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:
q

(Co  C cb ).V
m

10

(1.1)


Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g).
V: thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l).

m: khối lượng chất hấp phụ (g).
Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l).
Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l).
1.3.1.4. Hiệu su t h p ph
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 )
.100%
Co

(1.2)

Trong đó: - H: Hiệu suất hấp phụ
- Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
- Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l) [10]
1.3.2. Quá trình hấp phụ động trên cột
Quá trình hấp phụ động trên cột được mô tả như sau
Cho một dòng khí hay dung dịch chứa chất bị hấp phụ qua cột hấp phụ. Sau một
thời gian thì cột hấp phụ chia làm ba vùng:
Lối vào
1.Vùng hấp phụ bão hoà

2.Vùng chuyển khối
3.Vùng chưa xảy ra sự hấp phụ
Lối ra
Hình 1.4. Mô hình cột hấp phụ

11

Vùng 1 (Đầu vào nguồn xử lý): Chất hấp phụ đã bão hòa và đạt trạng thái cân
bằng. Nồng độ chất bị hấp phụ ở đây bằng nồng độ của nó ở lối vào.
Vùng 2 (Vùng chuyển khối): Nồng độ chất bị hấp phụ thay đổi từ giá trị nồng
độ ban đầu tới không.
Vùng 3 (Vùng lối ra của cột hấp phụ): Vùng mà quá trình hấp phụ chưa xảy ra,
nồng độ chất bị hấp phụ bằng không.
Khi thời gian thực hiện quá trình hấp phụ tăng lên thì vùng hấp phụ dịch
chuyển theo chiều dài của cột hấp phụ. Chất hấp phụ sẽ xuất hiện ở lối ra khi vùng
chuyển khối chạm tới đáy cột. Đây là thời điểm cần dừng quá trình hấp phụ để nồng
độ của chất bị hấp phụ ở lối ra không vượt quá giới hạn cho phép. Tiếp theo cột hấp
phụ được giải hấp để tiếp tục thực hiện quá trình hấp phụ.

C
Co

O

t

Hình 1.5. Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ trên cột hấp
phụ theo thời gian
Tại điểm cuối của cột hấp phụ, nồng độ của chất bị hấp phụ xuất hiện và tăng
dần theo thời gian. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nồng độ của chất bị hấp phụ trên cột
hấp phụ theo thời gian được gọi là đường cong thoát và có dạng như hình 1.5.
1.3.3. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ
1.3.3 1

h nh

ng h

h

h

Đối với hệ hấp phụ lỏng- rắn, quá trình động học hấp phụ xảy ra theo các giai
đoạn chính sau:
- Khuếch tán của các chất bị hấp phụ từ pha lỏng tới bề mặt chất hấp phụ.
- Khuếch tán bên trong hạt hấp phụ.

12


- Giai đoạn hấp phụ thực sự: các phần tử bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm
hấp phụ.
Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định
toàn bộ quá trình động học hấp phụ. Với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá trình
khuếch tán thường chậm và đóng vai trò quyết định.
Tốc độ hấp phụ v là biến thiên nồng độ chất bị hấp phụ theo thời gian:
v

dx
dt

(1.3)

Tốc độ hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo thời gian:
V

dx
  (C0  Ccb )  k(q max  q)
dt

(1.4)

Trong đó:
x: nồng độ chất bị hấp phụ (mg/l).
t: thời gian (giây).
: hệ số chuyển khối.
Co: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm ban đầu (mg/l).
Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm t (mg/l).
k: hằng số tốc độ hấp phụ.
q: dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g).
qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g).
Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren

dqt
 k1 ( qe  qt )
dt

(1.5)

Dạng tích phân của phương trình trên là:

lg( qe  qt )  lg qe 

k1
t

2,303

Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng:

13

(1.6)


dqt
 k 2 ( q e  qt ) 2
dt

(1.7)

Dạng tích phân của phương trình này là:
t
1
1

 t
2
qt k 2 .qe qe

(1.8)

Trong đó:
qe, qt là dung lượng hấp phụ tại thời gian đạt cân bằng và tại thời gian t (mg/g).
k1, k2 là hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất (thời gian-1) và bậc hai (g.mg-1. thời
gian-1) biểu kiến.

1.3.3 2

á m h nh

ng nhiệt h

h

Có thể mô tả quá trình hấp phụ dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ. Đường
đẳng nhiệt hấp phụ biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời điểm
vào nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch tại thời điểm đó ở một
nhiệt độ xác định. Đường đẳng nhiệt hấp phụ được thiết lập bằng cách cho một lượng
xác định chất hấp phụ vào một lượng cho trước dung dịch có nồng độ đã biết của chất
bị hấp phụ.
Với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng thì đường đẳng nhiệt
hấp phụ được mô tả qua các phương trình đẳng nhiệt: phương trình đẳng nhiệt hấp
phụ Henry, phương trình đẳng nhiệt hấp phụ reundlich và phương trình đẳng nhiệt
hấp phụ Langmuir,.... [11].
h nh

ng nhiệt h

h

ny

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry: là phương trình đẳng nhiệt đơn giản
mô tả sự tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và
nồng độ (áp suất) của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng:
a = K. P

(1.9)

Trong đó:
K: hằng số hấp phụ Henry.
a: lượng chất bị hấp phụ (mol/g).
P: áp suất (mmHg).

14