Nghiên cứu khả năng hấp thụ một số thuốc nhuộm của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cây Sen (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

THONGVANH PHONEMANY

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
MỘT SỐ THUỐC NHUỘM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ CÂY SEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Thái Nguyên, năm 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
––––––––––––––––––––

THONGVANH PHONEMANY

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
MỘT SỐ THUỐC NHUỘM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ CÂY SEN
Ngành: Hóa phân tích
Mã số: 8.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Thị Hậu

Thái Nguyên, năm 2018

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

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2018
Tác giả

Thongvanh Phonemany


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

Em xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2018
Tác giả

Thongvanh Phonemany

ii


MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ
Lời cam đoan ............................................................................................................... iii
Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii
Danh mục các từ viết tắt .............................................................................................. iv
Danh mục bảng ............................................................................................................. v
Danh mục hình ............................................................................................................. vi
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 3
1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm ........................................................................................ 3
1.1.1. Định nghĩa và phân loại thuốc nhuộm ................................................................ 3
1.1.2. Tình trạng ô nhiễm do nước thải dệt nhuộm ở nước ta ...................................... 4
1.1.3. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp..................................... 5
1.1.4. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm ............................... 5
1.1.5. Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm.................................. 6
1.2. Giới thiệu chung về tím tinh thể, metyl đỏ ............................................................ 7
1.2.1. Tím tinh thể ......................................................................................................... 7
1.2.2. Metyl đỏ .............................................................................................................. 8
1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ ...................................................................... 8

1.3.1. Các khái niệm ..................................................................................................... 8
1.3.1.1. Sự hấp phụ ....................................................................................................... 8
1.3.1.2. Giải hấp phụ ..................................................................................................... 9
1.3.1.3. Dung lượng hấp phụ cân bằng ......................................................................... 9
1.3.1.4. Hiệu suất hấp phụ .......................................................................................... 10
1.3.2. Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ ...................................................................... 10
1.3.3. Động học hấp phụ ............................................................................................. 12
1.3.4. Hấp phụ trong môi trường nước ....................................................................... 14
1.4. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng chất hữu cơ mang màu .................. 15
1.5. Giới thiệu về cây sen............................................................................................ 15

iii


1.6. Một số hướng nghiên cứu khả năng hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ ............... 16
Chương 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................... 19
2.1. Thiết bị và hóa chất.............................................................................................. 19
2.1.1. Thiết bị .............................................................................................................. 19
2.1.2. Hóa chất ............................................................................................................ 19
2.2. Chế tạo VLHP từ cây sen .................................................................................... 19
2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu ........................................................................................ 19
2.2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ ................................................................................... 20
2.3. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch tím tinh thể, metyl đỏ ........... 20
2.3.1. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch tím tinh thể......................... 20
2.3.2. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metyl đỏ ............................. 20
2.4. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của tím tinh thể và metyl đỏ ............. 21
2.4.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của tím tinh thể .............................. 21
2.4.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metyl đỏ .................................. 21
2.5. Một số đặc trưng của VLHP ................................................................................ 21
2.5.1. Diện tích bề mặt riêng (BET) ........................................................................... 21

2.5.2. Phổ hồng ngoại (IR).......................................................................................... 21
2.5.3. So sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ...................................... 21
2.5.4. Xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo được........................................... 22
2.6. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ tím tinh thể, metyl đỏ
của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh ................................................................ 22
2.6.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH .............................................................................. 22
2.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng VLHP ...................................................... 23
2.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian .................................................................... 23
2.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ...................................................................... 24
2.6.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ............................................................... 25
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 26
3.1. Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch tím tinh thể, metyl đỏ 26
3.1.1. Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch tím tinh thể ............ 26
3.1.2. Kết quả khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metyl đỏ ................ 27

iv


3.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của tím tinh thể và metyl đỏ 28
3.2.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của tím tinh thể ................. 28
3.2.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metyl đỏ .................................. 28
3.3. Một số đặc trưng của VLHP ................................................................................ 29
3.3.1. Diện tích bề mặt riêng (BET) ........................................................................... 29
3.3.2. Phổ hồng ngoại (IR).......................................................................................... 29
3.3.3. Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ......................... 33
3.3.4. Xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo được........................................... 33
3.4. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ tím tinh thể, metyl đỏ
của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh ................................................................ 35
3.4.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH ................................................................. 35
3.4.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng .................................................... 37

3.4.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian ........................................................ 40
3.4.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ......................................................... 43
3.4.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu .................................................. 45
3.5. Động học hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ của VLHP ...................................... 47
3.5.1. Động học hấp phụ tím tinh thể của VLHP ....................................................... 47
3.5.2. Động học hấp phụ metyl đỏ của VLHP ............................................................ 50
3.6. Nhiệt động lực học hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ của VLHP ....................... 53
KẾT LUẬN ................................................................................................................ 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 57
PHỤ LỤC

v


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT

Từ viết tắt

Nội dung

1

BET

Brunauer-Emmet-Teller

2

SEM

Hiển vi điện tử quét

3

VLHP

Vật liệu hấp phụ

4

IR

Phổ hồng ngoại: Infrared Spectroscopy

5

CV

Crystal violet (tím tinh thể)

iv


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may ................ 5
Bảng 1.2: Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm ................ 7
Bảng 3.1: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch tím tinh thể ở các bước
sóng khác nhau .......................................................................................... 26

Bảng 3.2: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl đỏ ở các bước sóng
khác nhau ................................................................................................... 27
Bảng 3.3: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch tím tinh thể với các nồng
độ khác nhau .............................................................................................. 28
Bảng 3.4: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl đỏ với các nồng độ
khác nhau ................................................................................................... 28
Bảng 3.5 : Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ................. 33
Bảng 3.6: Số liệu xác định điểm đẳng điện của VLHP .............................................. 34
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ tím tinh thể
của VLHP .................................................................................................. 35
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ metyl đỏ của
VLHP......................................................................................................... 36
Bảng 3.9: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến khả năng hấp phụ tím tinh thể
của VLHP .................................................................................................. 38
Bảng 3.10: Sự phụ thuộc của hiệu suất và dung lượng hấp phụ metyl đỏ của
VLHP vào khối lượng VLHP .................................................................... 39
Bảng 3.11. Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ tím tinh thể của
VLHP vào thời gian .................................................................................. 40
Bảng 3.12: Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ metyl đỏ của VLHP
vào thời gian .............................................................................................. 42
Bảng 3.13: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ tím tinh
thể vào nhiệt độ ......................................................................................... 43
Bảng 3.14: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ metyl đỏ
của VLHP vào nhiệt độ ............................................................................. 44

v


Bảng 3.15: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ tím tinh
thể của VLHP vào nồng độ đầu ................................................................ 45

Bảng 3.16: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ metyl đỏ
của VLHP vào nồng độ đầu ...................................................................... 46
Bảng 3.17: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir ................................. 47
Bảng 3.18: Số liệu khảo sát động học hấp phụ tím tinh thể của VLHP ..................... 48
Bảng 3.19: Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 đối với tím tinh thể ................. 50
Bảng 3.20: Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 đối với tím tinh thể .................. 50
Bảng 3.21: Số liệu khảo sát động học hấp phụ tím metyl đỏ của VLHP ................... 51
Bảng 3.22: Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 đối với metyl đỏ ..................... 53
Bảng 3.23: Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 đối với metyl đỏ ...................... 53
Bảng 3.24: Kết quả tính KC tại các nhiệt độ khác nhau .............................................. 54
Bảng 3.25: Các thông số nhiệt động đối với quá trình hấp phụ tím tinh thể và
metyl đỏ ..................................................................................................... 55

vi


DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lg(qe – qt) vào t ..................................... 13
Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của tím tinh thể
vào bước sóng............................................................................................ 26
Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của metyl đỏ vào
bước sóng .................................................................................................. 27
Hình 3.3: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ tím tinh thể .................................... 28
Hình 3.4: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metyl đỏ ........................................ 29
Hình 3.5: Phổ hồng ngoại (IR) của nguyên liệu ......................................................... 31
Hình 3.6: Phổ hồng ngoại (IR) của VLHP biến tính bằng anđehit fomic .................. 32
Hình 3.7: Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ................... 33
Hình 3.8: Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP ................................................ 34
Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tím tinh thể của

VLHP vào pH ............................................................................................ 35
Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp thụ metyl đỏ vào
pH của VLHP ............................................................................................ 37
Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ tím tinh thể vào
khối lượng VLHP ...................................................................................... 38
Hình 3.12: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl đỏ của
VLHP vào khối lượng VLHP .................................................................... 39
Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tím tinh thể
của VLHP vào thời gian ............................................................................ 41
Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ metyl đỏ vào
thời gian ..................................................................................................... 42
Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tím tinh thể
vào nhiệt độ ............................................................................................... 43
Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ metyl đỏ vào
nhiệt độ ...................................................................................................... 44
Hình 3.17: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với tím tinh thể ..... 45

vi


Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của tím tinh thể ............ 45
Hình 3.19: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với metyl đỏ ......... 46
Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của metyl đỏ ................ 46
Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn phương trình giả động học bậc 1 đối với tím tinh thể ... 49
Hình 3.22: Đồ thị biểu diễn phương trình giả động học bậc 2 đối với tím tinh thể ... 49
Hình 3.23: Đồ thị biểu diễn phương trình giả động học bậc 1 đối với metyl đỏ ........ 52
Hình 3.24: Đồ thị biểu diễn phương trình giả động học bậc 2 đối với metyl đỏ ........ 52
Hình 3.25: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnKC vào 1/T của tím tinh thể và
metyl đỏ ..................................................................................................... 54

vii


MỞ ĐẦU
Nước sạch và vệ sinh môi trường là hai yếu tố đặc biệt quan trọng tác động trực
tiếp đến sức khỏe của cộng đồng, tạo nên cơ sở vật chất để phát triển kinh tế, văn hoá,
xã hội, là phương tiện sinh sống và phát triển bền vững của con người. Tuy nhiên
trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền công nghiệp, quá trình đô thị
hóa với tốc độ chóng mặt kéo theo đó là sự thiếu ý thức của con người trong vấn đề
bảo vệ môi trường, nhất là môi trường nước. Mỗi năm những nhà máy, khu chế xuất,
khu công nghiệp... thải ra một lượng lớn nước thải gây ô nhiễm môi trường. Việt
Nam là đất nước có ngành công nghiệp dệt nhuộm phát triển vì vậy hàng năm nước
thải của ngành công nhiệp này cũng chiếm một lượng đáng kể trong những nguyên
nhân gây ô nhiễm môi trường. Lượng nước thải này chứa nhiều các chất hữu cơ mang
màu độc hại do vậy nếu không được xử lý, loại bỏ các chất độc có trong nước, chúng
sẽ xâm nhập vào cơ thể tích tụ lâu ngày ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con
người, phá hủy cảnh quan môi trường tự nhiên, làm mất cân bằng hệ sinh thái. Trước
thực trạng nguồn nước mặt và nước ngầm ngày càng bị ô nhiễm và cạn kiệt, nếu
không có các chính sách về việc bảo vệ và sử dụng nước hợp lý thì trong tương lai
nước sạch sẽ trở thành nguồn tài nguyên cực khan hiếm.
Hiện nay, có rất nhiều phương pháp khác nhau để loại bỏ các chất hữu cơ mang
màu ra khỏi môi trường nước như: thẩm thấu ngược, lọc nano, kết tủa hoặc hấp
phụ,... Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm vượt trội
như vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ chế tạo, chi phí thấp,
thân thiện với môi trường, đặc biệt không làm nguồn nước bị ô nhiễm thêm. Chính vì
vậy đây là vấn đề đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm,
nghiên cứu. Đối với lĩnh vực xử lý môi trường, ta có thể sử dụng vật liệu tự nhiên (đá
ong, quặng sắt, bentonit…) hay vật liệu chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp như xơ
dừa, vỏ lạc, bã mía, bã chè, lõi ngô… những loại vật liệu này đều có giá thành rẻ,
thân thiện với môi trường và dễ kiếm tìm trong đời sống.

Cây sen là loài cây quen thuộc được trồng phổ biến ở các ao hồ và rất có ý
nghĩa đối với người dân Việt Nam. Không chỉ vậy các bộ phận của cây sen từ hạt, lá
cho đến củ đều có lợi ích kinh tế cao như: nhụy sen dùng để ướp trà, lá sen để chữa

1


bệnh, hạt sen dùng làm thực phẩm… Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam sau khi thu
hoạch hạt sen thì các bộ phận của cây sen bị thải bỏ, không được sử dụng vào
mục đích nào. Cây sen có đặc tính nhẹ và xốp có khả năng biến tính thành vật
liệu hấp phụ tốt.
Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ
một số thuốc nhuộm của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cây sen”
Trong đề tài chúng tôi lần lượt tập trung nghiên cứu các nội dung sau:
- Chế tạo vật liệu hấp phụ từ cây sen.
- Khảo sát một số đặc trưng hóa lí của VLHP bằng phương pháp đo diện tích bề
mặt riêng (BET), phương pháp phổ hồng ngoại (IR).
- Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ phụ tím tinh thể,
metyl đỏ của vật liệu hấp phụ chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh.
- Mô tả quá trình hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ của VLHP theo mô hình hấp
phụ đẳng nhiệt Langmuir, xác định dung lượng hấp phụ cực đại.
- Nghiên cứu động học hấp phụ và nhiệt động lực học quá trình hấp phụ tím tinh
thể và metyl đỏ của VLHP.
Bố cục của luận văn này gồm:
- Mở đầu
- Chương 1: Tổng quan.
- Chương 2: Thực nghiệm.
- Chương 3: Kết quả và thảo luận.
- Kết luận
- Tài liệu tham khảo

2


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm
1.1.1. Định nghĩa và phân loại thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất định
của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trong
những điều kiện quy định (tính gắn màu).
Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp. Hiện nay, con
người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp. Đặc điểm nổi bật của các loại
thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy. Màu sắc của thuốc
nhuộm có được là do cấu trúc hóa học. Một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm
bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu.
Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ electron π
không cố định như: > C = C <, > C = N -, - N = N -, - NO2, …
Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận electron như: -NH2, -COOH,
-SO3H, -OH,… đóng vai trò tăng cường của nhóm mang màu bằng cách dịch chuyển
năng lượng của hệ electron [12].
Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hoá học, màu sắc, phạm vi sử
dụng. Tùy thuộc cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng được phân loại thành các họ,
các loại khác nhau. Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất:
Phân loại theo cấu trúc hoá học: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm antraquinon,
thuốc nhuộm inđizo, thuốc nhuộm phenazin, thuốc nhuộm triarylmetan, thuốc nhuộm
phtaloxiamin.
Phân loại theo đặc tính áp dụng: thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lưu
hoá, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ cation, thuốc
nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính [12].

Ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến một số loại thuốc nhuộm nhằm làm sáng tỏ hơn
về loại thuốc nhuộm sử dụng trong phần thực nghiệm của đề tài.
Thuốc nhuộm azo: Nhóm mang màu là nhóm azo (-N = N-) phân tử thuốc
nhuộm có một nhóm azo (monoazo) hay nhiều nhóm azo (điazo, triazo, polyazo).

3


Thuốc nhuộm trực tiếp: Là loại thuốc nhuộm anion có dạng tổng quát
Ar─SO3Na. Khi hoà tan trong nước nó phân ly cho về dạng anion thuốc nhuộm và
bắt màu vào sợi. Trong tổng số thuốc nhuộm trực tiếp thì có 92% thuốc nhuộm azo.
Thuốc nhuộm bazơ cation: Các thuốc nhuộm bazơ dễ nhuộm tơ tằm, bông cầm
màu bằng tananh. Là các muối clorua, oxalat hoặc muối kép của bazơ hữu cơ chúng
dễ tan trong nước cho cation mang màu. Trong các màu thuốc nhuộm bazơ, các lớp
hoá học được phân bố: azo (43%), triazylmetan (11%), arycydin (7%), antraquinon
(5%) và các loại khác.
Thuốc nhuộm axit: Là muối của axit mạnh và bazơ mạnh chúng tan trong nước
phân ly thành ion:
Ar  SO3 Na

→

Ar  SO3

+ Na 

Anion mang màu, thuốc nhuộm tạo liên kết ion với tâm tích điện dương của vật
liệu. Thuốc nhuộm axit có khả năng tự nhuộm màu tơ sợi protein (len, tơ tằm,
polyamit) trong môi trường axit. Xét về cấu tạo hoá học có 79% thuốc nhuộm axit
azo, 10% là antraquion, 5% là triarylmetan và 6% là lớp hoá học khác [12].

1.1.2. Tình trạng ô nhiễm do nước thải dệt nhuộm ở nước ta
Hiện nay, sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp ở các làng nghề đạt được
những thành tựu đáng kể nhưng do công nghệ lạc hậu, quy mô nhỏ lẻ nên chưa xử lý
được chất thải sau quá trình sản xuất dẫn đến ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng
ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng. Tại một số làng nghề như: Vạn Phúc, Dương Nội
(Hà Đông – Hà Nội), nhu cầu oxi hoá học (COD) trong các công đoạn tẩy, nhuộm đo
được từ 380 ÷ 890mg/L, cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 3 ÷ 8 lần, độ màu đo được là
750Pt - Co, cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Các vấn đề về sự ô nhiễm môi
trường dưới sự tác động của ngành công nghiệp dệt nhuộm đã gia tăng trong nhiều
năm qua. Các quá trình tẩy nhuộm có tỷ lệ mất mát chất tẩy nhuộm lên đến 50%.
Nguyên nhân của việc mất mát chất tẩy, nhuộm là do các chất này không bám dính
hết vào sợi vải, số phẩm nhuộm này sẽ đi theo đường nước thải ra ngoài. Vì vậy, việc
xử lý nước thải dệt nhuộm là vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu.

4


1.1.3. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may được trình bày
trong bảng 1.1 [11].
Bảng 1.1: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may
Thông số

TT

Đơn vị

Giới hạn theo TCVN 2015
A

B

1

Độ màu

Pt - Co

50

150

2

Độ pH

-

6-9

5,5 - 9

3

BOD5 (ở 20oC )

mg/L

30

50

4

COD

mg/L

75

150

Trong đó:
- Cột A quy định giá trị giới hạn của các thông số ô nhiễm trong nước thải công
nghiệp khi xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
- Cột B quy định giá trị giới hạn của các thông số ô nhiễm trong nước thải công
nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
Như vậy, nước thải công nghiệp nói chung và nước thải ngành dệt nhuộm nói
riêng, để đạt tiêu chuẩn cho phép thải ra môi trường sinh thái cần tuân thủ nghiêm
ngặt khâu xử lý các hóa chất gây ô nhiễm môi trường có mặt trong nước thải.
1.1.4. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm tổng hợp có từ lâu và ngày càng được sử dụng nhiều trong các
ngành công nghiệp dệt may, giấy, cao su, mỹ phẩm.... do dễ sử dụng, giá thành rẻ,
màu sắc đa dạng so với màu tự nhiên. Tuy nhiên, hầu hết các thuốc nhuộm sử
dụng trong ngành công nghiệp dệt may đều có độ độc tính cho môi trường sống
trong nước. Mặt khác, các chất hoạt động bề mặt và các hợp chất liên quan, chẳng
hạn như bột giặt, các chất nhũ hóa, các chất phân tán được sử dụng trong hầu hết
các công đoạn của mỗi quy trình gia công và cũng có thể là một trong những
nguồn quan trọng tạo độc tính cho môi trường nước.
Ngành công nghiệp dệt nhuộm nước ta đang phát triển rất đa dạng với quy mô

khác nhau và đã thải ra ngoài môi trường một lượng lớn nước thải gây ô nhiễm cao.

5


Nước thải dệt nhuộm thường có độ màu rất cao. Việc sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm
và các sản phẩm của chúng gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, ảnh hưởng đến
sức khỏe con người và hệ sinh thái thủy sinh. Cụ thể đối với con người gây ra các
bệnh về da, đường hô hấp, ung thư…, đối với hệ sinh thái thủy sinh có thể phá hủy
hoặc ức chế khả năng sinh sống của vi sinh vật [6].
1.1.5. Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm
Trong nhiều thập kỷ qua, ngành công nghiệp dệt nhuộm luôn có vị trí quan trọng
trong nền kinh tế quốc dân. Với các doanh nghiệp nhà nước, doanh nghiệp tư nhân, dự
án liên doanh và các nhà máy có vốn đầu tư 100% nước ngoài cùng rất nhiều tổ hợp tư
nhân nhỏ, vừa và lớn đang hoạt động trong lĩnh vực sợi, dệt, nhuộm nhằm phấn đấu đạt
chỉ tiêu hơn hai tỷ mét vải vào năm 2020 cho thấy quy mô và định hướng phát triển lớn
mạnh của ngành công nghiệp này. Tuy nhiên, trong số các nhà máy chỉ có nhà máy lớn
có xây dựng hệ thống xử lý nước thải còn lại hầu như chưa có hệ thống xử lý vẫn còn xả
trực tiếp ra môi trường. Loại nước thải dệt nhuộm có độ kiềm hoặc độ axit cao, màu
đậm, có nhiều chất hữu cơ, vô cơ gây độc cho quần thể sinh vật và ảnh hưởng sức khoẻ
cộng đồng.
Ở các ngành công nghiệp dệt may, nước thải thường có độ pH trung bình từ 9-11,
chỉ số nhu cầu oxi sinh hoá (BOD), nhu cầu oxi hoá học (COD) có thể lên đến 700mg/L
và 2.500mg/L, hàm lượng chất rắn lơ lửng... cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép. Hàm
lượng nước thải của các ngành này có chứa xianua (CN-) vượt đến 84 lần, H2S vượt 4,2
lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các
nguồn nước bề mặt trong vùng dân cư. Do đó vấn đề ô nhiễm chủ yếu trong ngành dệt
nhuộm là ô nhiễm nguồn nước.
Nguồn nước thải phát sinh trong công nghiệp dệt nhuộm từ các công đoạn hồ
sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất. Trong đó, lượng nước thải chủ yếu do quá

trình giặt sau mỗi công đoạn.

6


Bảng 1.2: Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm [10]
Sản xuất vải sợi pha
(tổng hợp/bông, visco)

Sản xuất vải, sợi len và pha
(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

Sản xuất vải sợi bông

1.2. Giới thiệu chung về tím tinh thể, metyl đỏ
1.2.1. Tím tinh thể
Tím tinh thể hay tím gentian là thuốc nhuộm triarylmethan. Loại thuốc nhuộm
này được dùng để nhuộm mô và dùng trong phương pháp Gram để phân loại vi
khuẩn. Tím tinh thể có tính kháng khuẩn, kháng nấm và anthelmintic, từng được coi
là chất sát trùng hàng đầu. Tác dụng y học của chất này đã được thay thế bởi các loại
thuốc mới, mặc dù nó vẫn nằm trong danh sách của Tổ chức Y tế thế giới.
Công thức phân tử : C25N3H30Cl.
Công thức cấu tạo:

Khối lượng phân tử: 407,979 g/mol; Nhiệt độ nóng chảy: 205 °C.
Khi hòa tan trong nước, tím tinh thể có màu tím-lam. Màu của thuốc nhuộm phụ
thuộc vào độ axit của dung dịch. Ở pH = 1,0 thuốc nhuộm có màu xanh lá cây trong
khi với dung dịch siêu axit, thuốc nhuộm có màu vàng.

7


Màu sắc khác nhau của thuốc nhuộm là do phân tử thuốc nhuộm thay đổi trạng
thái khác nhau. Ở dạng màu vàng, cả ba nguyên tử nitơ có điện tích dương trong đó 2
nguyên tử nhận proton, trong khi ở dạng có màu xanh lá cây, thuốc nhuộm có 2
nguyên tử nitơ thay đổi điện tích. Ở pH trung tính, cả hai proton nhận thêm chuyển
vào dung dịch, chỉ còn lại một trong các nguyên tử nitơ mang điện tích dương. pK a
khi mất 2 proton vào khoảng 1,15 và 1,8 [33].
1.2.2. Metyl đỏ
Metyl đỏ là chất bột màu đỏ, ít tan trong nước, độ tan xấp xỉ 0,1 g/L, tan nhiều
trong cồn. Metyl đỏ thuộc loại thuốc nhuộm axit do có một nhóm –COOH và chứa một
liên kết –N=N– trong phân tử.
Công thức phân tử : C15H15N3O2
Công thức cấu tạo:

Khối lượng phân tử: 327,34 g/mol.
Trong công nghiệp metyl đỏ thường được sử dụng để nhuộm các loại sợi động
vật, các loại sợi có chứa nhóm bazơ như len, tơ tằm, sợi tổng hợp polyamit trong môi
trường axit, cơ chế nhuộm màu như sau:




H

OH
Cation cã mµu ®á 
Metyl ®á 
 Anion cã mµu vµng

Metyl đỏ có tính độc, nếu nhiễm độc metyl đỏ có thể gây ra các bệnh về da, mắt,
đường hô hấp, đường tiêu hoá [7].
1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ
1.3.1. Các khái niệm
1.3.1.1. Sự hấp phụ
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí - rắn, lỏng-rắn,
khí-lỏng, lỏng-lỏng). Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút
các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi
pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ.

8


Tuỳ 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
Waals giữa phần tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ, liên kết này yếu, 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 rõ 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 [8].
1.3.1.2. Giải hấp phụ
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 [3].
1.3.1.3. Dung lượng hấp phụ cân bằng
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

(C o  C cb ).V
m

Trong đó:

9

(1.1)


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 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 [8].
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)
1.3.2. Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ
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 Freundlich và phương trình đẳng nhiệt
hấp phụ Langmuir,.... [8].
Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Henry [8]
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
Trong đó:
K: hằng số hấp phụ Henry.

10

(1.3)


a: lượng chất bị hấp phụ (mol/g).
P: áp suất (mmHg).
Từ số liệu thực nghiệm cho thấy vùng tuyến tính này nhỏ. Trong vùng đó, sự
tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt chất rắn là không đáng kể.
Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich [8]
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là phương trình thực nghiệm mô tả
sự hấp phụ xảy ra trong phạm vi một lớp.
Phương trình này được biểu diễn bằng một hàm số mũ:
1

q  k . Ccbn

(1.4)

Hoặc dạng phương trình đường thẳng:
lg q  lg k 

1
lg C cb
n

(1.5)

Trong đó:
k: hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố khác.
n: hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn lớn hơn 1.
Phương trình Freundlich phản ánh khá sát số liệu thực nghiệm cho vùng ban
đầu và vùng giữa của đường hấp phụ đẳng nhiệt tức là ở vùng nồng độ thấp của chất
bị hấp phụ.
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [8]
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:
q  q m ax

b.C cb
1  b.C cb

(1.6)

Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g).
qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g).
b: hằng số Langmuir.
Khi tích số b.Ccb << 1 thì q = qmax.b.Ccb: mô tả vùng hấp phụ tuyến tính.
Khi tích số b.Ccb >> 1 thì q = qmax : mô tả vùng hấp phụ bão hoà.
Phương trình Langmuir có thể biểu diễn dưới dạng phương trình đường thẳng:

11


Ccb

1
1

Ccb 
q
q m ax
q m ax.b

(1.7)

Phương trình Langmuir được đặc trưng bằng tham số RL
RL = 1/(1+b.C0)

(1.8)

0< RL<1 thì sự hấp phụ là thuận lợi, RL>1 thì sự hấp phụ là không thuận lợi, và
RL=1 thì sự hấp phụ là tuyến tính.
1.3.3. Động học hấp phụ
Đối với hệ hấp phụ lỏng – rắn, động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai
đoạn kế tiếp nhau [2]:
- Chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn khuếch
tán trong dung dịch.
- Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa
các hệ mao quản – giai đoạn khuếch tán màng.
- Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ - giai
đoạn khuếch tán trong mao quản.
- Các phân tử chất bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ - giai đoạn hấp
phụ thực sự.
Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định
hay khống chế chủ yếu 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 [3].
 Một số mô hình động học hấp phụ:
Mô hình giả động học hấp phụ bậc 1
Tốc độ của quá trình hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào dung lượng chất hấp phụ
theo phương trình [17], [21]:

dq t
 k1(qe  q t )
dt

(1.9)

Trong đó:
k1: hằng số tốc độ phản ứng theo mô hình động học bậc 1 (thời gian-1).
qe, qt: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và thời điểm t (mg/g).
Thực hiện phép phân li biến số và lấy tích phân hai vế phương trình (1.9) ta
được:

12


qe
 k1.t
qe  q t
Từ biểu thức (1.10) biến đổi ta được:
ln

(1.10)

q t  q e .(1  e  k1 t )

(1.11)

Phương trình (1.11) có thể chuyển về dạng tuyến tính bậc nhất:

lg(qe  q t )  lgqe 

k1t
2,303

Từ (1.12) ta xác định được qe và hằng số k1: tan   

(1.12)

k1
; OM  lgq e
2,303

Hình 1.1: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lg(qe – qt) vào t
Phương trình (1.11) được gọi là phương trình giả động học bậc 1 [22].
Mô hình giả động học hấp phụ bậc 2
Theo mô hình này tốc độ của quá trình hấp phụ phụ thuộc bậc hai vào dung
lượng của chất hấp phụ theo phương trình [17], [21], [22], [14], [20], [19]:

dq t
 k 2 (qe  q t )2
dt

(1.13)

Trong đó:
k2: hằng số tốc độ phản ứng theo mô hình giả động học bậc 2 (g/mg.thời gian).
qe, qt: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và thời điểm t (mg/g).
Thực hiện phép phân li biến số và lấy tích phân hai vế biểu thức (1.13) và biến
đổi ta được:

qe2k 2t
qt 
1  qe k 2 t

13

(1.14)