Nghiên cứu khả năng khử chất màu RB 19 bằng phương pháp hấp phụ trên vật liệu nano mgo

TẠP CHÍ HÓA HỌC

T. 50(3) 343-347

THÁNG 6 NĂM 2012

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHỬ CHẤT MÀU RB 19 BẰNG PHƯƠNG
PHÁP HẤP PHỤ TRÊN VẬT LIỆU NANO MgO
Phí Thị Thúy Hồng, Vi Phương Dung, Nguyễn Kim Ngà*
Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Đến Tòa soạn 16-12-2011
Abstract
In this study, a nano-sized MgO powder was synthesized by precipitation method and tested for the removal of
reactive dye. The effects of MgO dosage, initial pH, contact time, and initial dye concentration on the dye removal were
investigated. Results showed that as-prepared MgO powder can remove more than 99% of dye under optimum
conditions of a MgO dosage of 0.1 g, initial pH in a wide range of 3-12, a contact time of 20 min, and initial dye
concentration of 100 mg.l-1. The adsorption isotherms for reactive dye fit both Langmuir and Freundlich modes.
Keywords: Magnesium oxide, nanoparticles, reactive blue, adsorption.

1. MỞ ĐẦU

cứu khả năng hấp phụ chất màu xanh hoạt tính (RB
19) trên vật liệu MgO.

Ngành công nghiệp dệt là một trong những ngành
quan trọng sử dụng thuốc nhuộm, ước tính khoảng
10-15% thuốc nhuộm đã thải vào môi trường trên 1
đơn vị thuốc nhuộm [1]. Do đó, nước thải dệt nhuộm
có cường độ màu mạnh, với nồng độ màu khoảng
10- 200 mg/l [2]. Các chất màu thường có độc tính
cao, có khả năng gây ung thư, tuy nhiên đây là

những hợp chất bền vững, khó phân hủy sinh học.
Các phương pháp đã được sử dụng để xử lý chất
màu như: phương pháp hóa học, phương pháp sinh
học, phương pháp hóa học kết hợp sinh học, phương
pháp hóa lý [1]. Xử lý bằng hấp phụ là một trong
những phương pháp hiệu quả cao đối với xử lý chất
thải màu, do thiết bị xử lý đơn giản, dễ thao tác. Một
vài dạng chất hấp phụ đã được ứng dụng để tách
màu của nước thải [3-8], trong đó, cacbon hoạt tính
được nghiên cứu rộng rãi để xử lý các chất màu ô
nhiễm do có diện tích bề mặt riêng rất lớn (500-2000
m2.g-1) [1], nhưng hạn chế là giá thành quá cao. Các
nghiên cứu gần đây đều tập trung vào hướng phát
triển các vật liệu hấp phụ có khả năng hấp phụ cao
và giá thành thấp. Vật liệu kích thước hạt nano có
diện tích bề mặt riêng cao, do đó đây là những vật
liệu có tiềm năng ứng dụng trong xử lý môi trường,
đặc biệt xử lý chất màu ô nhiễm. Oxit magie (MgO),
nói riêng, là vật liệu có khả năng ứng dụng làm chất
hấp phụ do hoạt tính bề mặt và khả năng hấp phụ
cao [9]. Hơn thế nữa, điểm đẳng điện của MgO ở pH
= 12,4 [2], do đó MgO là chất hấp phụ thích hợp đối
với các chất màu anion. Trong công trình này, chúng
tôi nghiên cứu tổng hợp MgO bột kích thước nano
bằng phương pháp đồng kết tủa và bước đầu nghiên

2. THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất
Các hóa chất sử dụng là hóa chất tinh khiết:
MgCl2.6H2O, NaOH (hãng Merck, Đức). Chất màu

RB 19 được cung cấp bởi Công ty Dệt may
Hanosimex (Hà Nội).
2.2. Tổng hợp vật liệu MgO
40,6 g MgCl2.6H2O được hòa tan trong 200 ml
nước cất trong cốc 1 lít, sau đó cho từ từ 200 ml dung
dịch NaOH 1 M vào cốc chứa dung dịch MgCl2 ở
trên. Hỗn hợp được khuấy trộn với tốc độ không đổi
trong 4 giờ để tạo kết tủa hydroxit magie. Kết tủa tạo
ra sau đó được đem thủy nhiệt ở 140oC trong 18 giờ.
Huyền phù thu được được rửa bằng nước cất hai lần ít
nhất 5 lần, sau đó được sấy ở nhiệt độ 60oC qua đêm,
rồi được nung ở 400oC trong 3 giờ.
2.3. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu
Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu vật liệu sau
nung được ghi trên thiết bị nhiễu xạ kế D8 Advance
(Bruker, Đức), với góc quét từ 20-80o, góc một bước
quét là 0,03o, thời gian một bước quét là 0,3 s, ống
phát tia X với anốt bằng CuKα, với bước sóng λ =
0,15406 nm. Hình thái học của mẫu MgO tổng hợp
được xác định trên thiết bị hiển vi điện tử truyền qua
FESEM (S4800, Hitachi, Nhật Bản).

343


TCHH, T. 50(3), 2012

Nguyễn Kim Ngà và cộng sự

2.4. Phương pháp nghiên cứu hoạt tính khử chất

màu RB 19 trên vật liệu MgO
Các thí nghiệm ảnh hưởng của pH, thời gian
phản ứng, nồng độ ban đầu của chất màu, lượng
MgO lên độ chuyển hóa chất màu được thực hiện
như sau: 50 ml chất màu RB 19 được đưa vào cốc
100 ml, với nồng độ chất màu và pH xác định. pH
của dung dịch được điều chỉnh bằng dung dịch HCl
0,1 M hoặc NaOH 0,1 M. Một lượng chính xác bột
MgO được đưa vào dung dịch và phản ứng được
thực hiện trên máy khuấy từ. Sau thời gian phản ứng
kết thúc, dung dịch huyền phù được đem đi ly tâm,
dung dịch lọc được phân tích để xác định hàm lượng
màu còn dư. Hiệu suất tách màu được xác định theo
công thức sau:
Hiệu suất tách màu (%) =

hóa quá trình hấp phụ. Có một vài mô hình đẳng
nhiệt hấp phụ được đưa ra để đánh giá cân bằng hấp
phụ, trong đó đường đẳng nhiệt hấp phụ của
Langmuir và Freundlich được áp dụng nhiều nhất.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir có dạng
như sau:

Ce
1
C
=
+ e
qe bqmax qmax
Trong đó: qmax là dung lượng hấp phụ cực đại

(mg/g), b là hằng số Langmuir, đặc trưng cho năng
lượng hấp phụ và giá trị của nó tỷ lệ với độ lớn của
lực hấp phụ. Giá trị của qmax và b được xác định từ
đường Ce/qe-Ce. Đường đẳng nhiệt của Freundlich
có dạng như sau:

lo g q e = lo g K F +

C0 − C f
× 100 .
C0

Trong đó, C0 và Cf là hàm lượng chất màu trước và
sau phản ứng. Tất cả các thí nghiệm được thực hiện
ở nhiệt độ phòng. Khoảng nghiên cứu: nồng độ màu
trong khoảng từ 50-300 mg.l-1, pH của dung dịch từ
3-12, hàm lượng MgO trong khoảng từ 0,005-0,12 g
và thời gian phản ứng từ 1-25 phút. Nồng độ chất
màu trước và sau phản ứng được đánh giá bằng
phương pháp so màu, trên thiết bị quang phổ UVVIS Agilent 8453 tại bước sóng 583 nm.
2.5. Nghiên cứu sự hấp phụ của chất màu RB 19
trên vật liệu MgO
Đường đẳng nhiệt hấp phụ của MgO đối với
phản ứng khử chất màu RB 19 được xác định như
sau: Một lượng chính xác MgO trong khoảng từ
0,002-0,05 g được đưa vào các cốc phản ứng (thể
tích 100 ml) có chứa 50 ml dung dịch RB 19 với
nồng độ 50 mg.l-1, pH dung dịch 7,76. Hỗn hợp phản
ứng được khuấy trộn đều ở nhiệt độ phòng (20oC)
trong thời gian 48 giờ. Sau thời gian phản ứng, dung

dịch được ly tâm. Dung dịch sau lọc được phân tích
để xác định hàm lượng chất màu RB 19 còn dư.
Nồng độ chất màu hấp phụ trên vật liệu MgO được
xác định theo phương trình cân bằng sau đây:

1
n

lo g C e

Trong đó: KF và n là hằng số được xác định từ
đường đẳng nhiệt. KF biểu thị năng lực của chất hấp
phụ đối với chất bị hấp phụ, 1/n là nghịch đảo của
bậc phản ứng.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả phân tích cấu trúc vật liệu tổng hợp
MgO
Hình 1 là giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu
nghiên cứu, được thủy nhiệt ở 180oC và nung ở
400oC. Trên giản đồ xuất hiện các cường độ phản xạ
ở các góc 2 theta: 37, 43, và 63o, mô tả các phản xạ
ứng với các mặt (111), (200), và (220) (theo JCPDS
4-0829), chứng tỏ rằng pha tinh thể MgO đã được
hình thành trên mẫu tổng hợp ở điều kiện nung là
400oC trong 3 giờ.

, trong đó qe là dung lượng hấp phụ
(biểu thị số mg chất màu bị hấp phụ trên 1 g MgO),
V là thể tích dung dịch màu nghiên cứu (L), Co và Ce
là nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất

màu RB 19 (mg.l-1), và m là khối lượng MgO được
thêm vào (g).
Mối liên hệ giữa lượng chất bị hấp phụ trên một
đơn vị chất hấp phụ (qe) và nồng độ cân bằng của
chất bị hấp phụ trong dung dịch (Ce) ở nhiệt độ
không đổi là đường đẳng nhiệt hấp phụ. Đường đẳng
nhiệt hấp phụ là một công cụ quan trọng để tối ưu

Hình 1: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu nung ở
400oC trong 3 giờ
Hình thái học của vật liệu tổng hợp MgO được
xác định bằng thiết bị hiển vi điện tử quét (hình 2).
Kết quả trình bày trên hình 2 cho thấy, vật liệu MgO
tổng hợp là các hạt hình dạng không đồng đều và có
hiện tượng co cụm giữa các hạt với nhau. Từ ảnh

344


TCHH, T. 50(3), 2012

Nghiên cứu khả năng khử màu…

SEM cho phép xác định kích thước trung bình của
các hạt trong khoảng 20-50 nm.

Hình 2: Ảnh SEM của mẫu MgO nung ở 400oC
trong 3 giờ
3.2. Các kết quả nghiên cứu hoạt tính của MgO
trong phản ứng khử chất màu RB 19

Hiệu suất khử RB19, %

Hiệu quả tách chất màu trên MgO được đánh giá
thông qua phản ứng khử chất màu RB 19. Các yếu tố
ảnh hưởng đến hiệu suất tách màu RB 19 đã được

nghiên cứu dưới đây.
3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng MgO lên hiệu suất
khử RB 19
Ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ MgO
lên hiệu suất khử màu được nghiên cứu ở các điều
kiện: nồng độ ban đầu của chất màu C0 = 0,1 g/l, pH
của dung dịch là 7, và thời gian phản ứng là 20 phút,
với hàm lượng MgO thay đổi trong khoảng 0,0050,12 g. Sau thời gian phản ứng, dung dịch được đem
li tâm, phần dung dịch sau lọc được phân tích để xác
định lượng chất màu còn dư. Kết quả được trình bày
trên Hình 3a cho thấy chỉ với hàm lượng MgO là
0,005 g thì hiệu suất khử RB 19 đã đạt 24,22%.
Khi hàm lượng MgO tăng hiệu suất khử màu
tăng lên, với hàm lượng MgO 0,1 g hiệu suất khử
màu đạt giá trị cao 98,51%. Điều đó chứng tỏ với
hàm lượng 0,1 g MgO, số lượng tâm hoạt tính đủ để
hấp phụ các phân tử RB19 có mặt trong dung dịch.
Sau đó tăng hàm lượng MgO đến giá trị 0,12 g
không làm tăng hiệu suất khử màu. Do đó, hàm
lượng MgO tối ưu đối với quá trình khử MgO là 0,1
g. Sau khi đạt giá trị tối ưu thì hiệu suất khử màu
không phụ thuộc vào hàm lượng MgO.
b

a

Khối lượng MgO, g
pH
Hình 3: Ảnh hưởng (a) của lượng MgO; (b) của pH lên độ chuyển hóa chất màu RB 19
3.2.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch lên hiệu suất
khử RB 19

3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng lên hiệu
suất khử RB 19

Các thí nghiệm được thực hiện ở điều kiện: nồng
độ ban đầu của chất màu C0 = 0,1 g/l, thời gian phản
ứng là 20 phút, hàm lượng MgO 0,1 g và pH dung
dịch thay đổi trong khoảng từ 3-12. Kết quả được
trình bày trên hình 3b cho thấy hiệu suất khử RB19
đạt trên 98% ở hầu hết các giá trị pH nghiên cứu.
Tuy nhiên ở pH = 12 hiệu suất khử RB 19 giảm nhẹ
đạt 96,59%. Điều này có thể được giải thích là do
điểm đẳng điện của MgO ở pH = 12,4, do đó trong
khoảng pH nghiên cứu, sự tách các chất màu RB 19
là do lực hút tĩnh điện giữa các phần tử chất màu
(mang điện tích âm) với các tâm hoạt tính trên bề
mặt MgO (tích điện dương). Kết quả cho thấy, hiệu
suất khử RB 19 không phụ thuộc vào pH.

Thời gian phản ứng (hay thời gian tiếp xúc giữa
chất màu xử lý và chất hấp phụ) là một thông số
quan trọng ảnh hưởng quá trình hấp phụ. Do đó ảnh

hưởng của thời gian phản ứng lên sự khử màu RB 19
đã được nghiên cứu. Các thí nghiệm được thực hiện
ở điều kiện: C0 = 0,1 g/l, hàm lượng MgO 0,1 g, pH
= 7,76, thời gian phản ứng thay đổi trong khoảng từ
1-20 phút. Kết quả (hình 3a) cho thấy chỉ sau thời
gian 1 phút tiếp xúc thì hiệu suất khử RB 19 đã đạt
72%. Sau đó, khi thời gian tiếp xúc tăng thì hiệu suất
khử RB 19 tăng dần, đạt 97% với thời gian tiếp xúc
15 phút, và đạt trên 98% với thời gian tiếp xúc 20
phút. Do đó, thời gian tối ưu đối với sự khử RB 19
trên vật liệu MgO tổng hợp là 20 phút, đây được

345


TCHH, T. 50(3), 2012

Nguyễn Kim Ngà và cộng sự

xem là thời điểm sự hấp phụ RB 19 trên MgO đạt
trạng thái cân bằng.
a

b

Hiệu suất khử RB19, %

Hiệu suất khử RB19, %

100

90

80

70

60

50
0.05

0.10

Thời gian phản ứng, min

0.15

0.20

0.25

0.30

Nồng độ chất màu RB19, g/l

Hình 4: Ảnh hưởng (a) của thời gian phản ứng và (b) của nồng độ chất màu RB 19 lên hiệu suất khử RB 19
3.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ chất màu lên hiệu
suất khử RB 19
Nồng độ chất màu là yếu tố quan trọng ảnh

hưởng đến quá trình hấp phụ. Ảnh hưởng của nồng
độ chất màu RB 19 lên hiệu suất khử RB 19 được
thực hiện ở các điều kiện tối ưu: hàm lượng MgO là
0,1 g, thời gian phản ứng 20 phút, pH = 7,76 với
nồng độ màu thay đổi trong khoảng từ 0,05-0,3 g/l.
Các kết quả được trình bày trên hình 3b cho thấy
hiệu suất khử RB 19 đạt giá trị cao trên 99% với
nồng độ ban đầu RB 19 là 0,05 g/l và trên 98% nồng
độ RB 19 là 0,1 g/l. Sau đó, hiệu suất khử RB 19
giảm dần từ 97% (với C0 của RB 19 là 0,15 g/l) đến
84% (với Co = 0,3 g/l). Kết quả nghiên cứu cho thấy
MgO là chất hấp phụ tốt đối với RB 19, nồng độ
màu tối ưu đối với hấp phụ cực đại là 0,1 g/l.
3.3. Nghiên cứu mô hình hấp phụ RB 19 trên vật
liệu MgO

vật liệu MgO được phân tích theo cả hai mô hình
của Langmuir và Freundlich (hình 5). Các hằng số
đặc trưng cho sự hấp phụ của RB 19 trên vật liệu
tổng hợp MgO theo cả hai mô hình được tính toán từ
đồ thị tuyến tính hồi quy và được trình bày ở bảng 1.
Kết quả cho thấy, trị số (hệ số xác định độ bội) R2
đối với cả hai mô hình đều cao, chứng tỏ rằng hai
mô hình Langmuir và Freundlich đều thích hợp để
mô tả sự hấp phụ của RB 19. Tuy nhiên, R2 trên
đường đẳng nhiệt theo mô hình Langmuir cao hơn
so với Freundlich, điều đó chứng tỏ mô hình
Langmuir phù hợp hơn để mô tả hấp phụ của RB 19
trên vật liệu MgO tổng hợp. Điều này cho phép giả
thuyết rằng sự hấp phụ RB 19 trên bề mặt MgO là

đơn lớp và bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất. Từ mô
hình của Langmuir cho phép xác định năng lực hấp
phụ cực đại qmax = 250 mg RB 19/ 1 g MgO, từ mô
hình Freundlich cho phép xác định n = 2,8. Giá trị n
= 2,8 cho thấy MgO là chất hấp phụ tốt đối với RB
19 (n = 1÷10 biểu diễn khả năng hấp phụ tốt của
chất hấp phụ) [10].

Các kết quả nghiên cứu hấp phụ của RB 19 trên
0.25

3

a)

0.2

y = 0.004x + 0.012
R² = 0.988

2.5

b)

2

Logqe

e 0.15
q

/e
C

0.1

b)

y = 0.349x + 1.870
R² = 0.828

1.5
1

0.05

0.5

0

0

0

10

20

30

40

50

0

0.5

1

1.5

2

LogCe

Ce, mg/l

Hình 5: Đường đẳng nhiệt hấp phụ (a) Langmuir; (b) Freundlich của RB 19 trên vật liệu MgO
346


TCHH, T. 50(3), 2012

Nghiên cứu khả năng khử màu…

Bảng 1: Các hằng số xác định từ đường đẳng nhiệt
hấp phụ của RB 19 trên vật liệu MgO tổng hợp
Mô hình Langmuir

G. Moussavi, M. Mahmoudi. Removal of azo and

anthraquinone reactive dyes from industrial
wastewaters using MgO nanoparticles, J. Hazard.
Mater., 168, 806-812 (2009).

3.

A. Adak, M. Bandyopadhyay, A. Pal. Removal of
Crystal Violet Dye from Wastewater by SurfactantModified Alumina, Sep. Purif. Techn, 44, 139-144
(2005).

4.

A. Adak, M. Bandyopadhyay, A. Pal. Fixed Bed
Column Study for the Removal of Crystal Violet (C. I.
Basic Violet 3) Dye from Aquatic Environment by
Surfactant-Modified Alumina, Dyes Pigments, 69,
245-251 (2006).

5.

G. Crini. Non-conventional adsorbents for dye
removal: a Review, Bioresour. Technol., 97, 10611085 (2006).

6.

Z. Aksu. Application of biosorption for the removal
of organic pollutants: a Review, Process Biochem,
40, 997-1026 (2005).

7.

V. J. P Vilar, C. M. S. Botelho, R. A. R. Boaventura.
Methylene blue adsorption by algal biomass based
materials: biosorbents characterization and process
behavior, J. Hazard. Mater., 147, 120-132 (2007).

8.

B. Nagappa, G. T. Chandrappa. Mesoporous
nanocrystalline magnesium oxide for environmental
remediation, Microp. & Mesop. Mater., 106, 212
(2007).

9.

V. Belessi, G. Romanos, N. Boukos, D.
Lambropoulou, C. Trapalis. Removal of reactive red
195 from aqueous solutions by adsorption on the
surface of TiO2 nanoparticles, J. Hazard. Mater., 170,
836-844 (2009).

Mô hình Freundlich

qmax, mg/g

b

R

KF

n

R2

250

0,33

0,99

74

2,8

0,83

2

4. KẾT LUẬN
Trong công trình này, vật liệu MgO với kích
thước trung bình 20-50 nm được tổng hợp bằng
phương pháp đồng kết tủa và được sử dụng như một
chất hấp phụ để tách chất màu hoạt tính RB 19. Các
yếu tố ảnh hưởng lên khả năng tách màu của vật liệu
MgO như hàm lượng MgO, độ pH, thời gian tiếp
xúc và nồng độ ban đầu chất màu đã được nghiên
cứu. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, MgO tổng
hợp có khả năng xử lý tốt chất màu RB 19, với hiệu
suất khử màu đạt trên 99%, trong thời gian 20 phút,

pH trong khoảng 3-12, và với hàm lượng MgO là
0,1 g. Sự hấp phụ của RB 19 trên vật liệu MgO phù
hợp với cả hai mô hình Langmuir và Freundlich. Từ
đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir xác định được
năng lực hấp phụ cực đại qmax = 250 mg chất màu
trên 1 g MgO.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

2.

V. K. Gupta, Suhas. Application of low-cost
adsorbents for dye removal - A review, J. Envir.
Manag., 90, 2313-2342 (2009).

Liên hệ: Nguyễn Kim Ngà
Viện Kỹ thuật Hóa học
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Số 1 Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng Hà Nội
Email:

347