Nghiên cứu và chế tạo VLHP tím tinh thể từ cây sen

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN
NĂM HỌC 2017 – 2018

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
PHẨM NHUỘM TÍM TINH THỂ TRONG MÔI
TRƯỜNG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO
TỪ CÂY SEN

SV thực hiện:
Người hướng dẫn:

Nguyễn Thị Phương Thảo
Đào Thị Thoa
TS Vũ Thị Hậu


Thái Nguyên, tháng 4 năm 2018

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN
NĂM HỌC 2017 – 2018

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
PHẨM NHUỘM TÍM TINH THỂ TRONG MÔI

TRƯỜNG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO
TỪ CÂY SEN

Xác nhận
của người hướng dẫn
(ký, họ tên)

TS. Vũ Thị Hậu

Sinh viên thực hiện
(ký, họ tên)

Đào Thị Thoa


Nguyễn Thị Phương Thảo

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2018


4

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của cô giáo TS. Vũ
Thị Hậu trong suốt quá trình hoàn thành đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ phòng thí nghiệm khoa
Hóa học trường ĐHSP Thái Nguyên và các bạn bè đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em
trong suốt quá trình thực nghiệm.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh,
ủng hộ, động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như nghiên cứu.

Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo của các thầy cô để đề tài của em
hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2018
Tác giả


5

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
PHỤ LỤC


6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT

Từ viết tắt

Từ nguyên gốc

1

BET

Brunauer – Emmet - Teller

2

SEM

Hiển vi điện tử quét

3

VLHP

Vật liệu hấp phụ

4

CV

Crystal violet (tím tinh thể

5

NL

Nguyên liệu


7

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang

8

DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang


9

MỞ ĐẦU
Môi trường là một 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. Lượng nước thải này nếu không được xử lí,
loại bỏ thì sẽ xâm nhập vào cơ thể tích tụ gây hại nghiêm trọng đến sức khỏe con
người.
Nước ta là nước có ngành công nghiệp dệt nhuộm phát triển vì vậy hàng năm
nước thải của ngành công nghiệp này chiếm một lượng đáng kể. Đặc điểm nổi bật của
nước thải dệt nhuộm là chứa nồng độ cao chất màu hữu cơ bền vi sinh, những hợp chất
màu là những chất ô nhiễm dễ nhận thấy nhất bởi màu sắc của chúng.
Hoa sen là loài hoa 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 thân sen bị thải bỏ, không được sử dụng vào mục
đích nào. Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi chọn đề tài:“Chế tạo và nghiên cứu
khả năng hấp phụ phẩm nhuộm hoạt tính tím tinh thể trong môi trường
nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cây sen”.

Với mục đích đó trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu những nội dung
sau:
- Chế tạo VLHP từ cây sen.
- Xác định một số đặc trưng hóa lý của VLHP: điểm đẳng điện, phổ hồng
ngoại (IR), xác định diện tích tích bề mặt riêng (BET).
-

Nghiên cứu khả năng hấp phụ tím tinh thể của VLHP chế tạo được theo phương pháp
hấp phụ tĩnh:
+ Ảnh hưởng của pH.
+ Ảnh hưởng của thời gian.
+ Ảnh hưởng của khối lượng
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ.
+ Ảnh hưởng của nồng độ đầu.


10


11

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm
1.1.1. Định nghĩa và phân loại thuốc nhuộm
1.1.1.1. Định nghĩa về thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm là tên gọi chung của những hợp chất hữu cơ mang màu, rất đa
dạng về màu sắc cũng như chủng loại, 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. Đặc điểm nổi bật
của các loại thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân huỷ bởi những
điều kiện tác động khác và môi trường. Màu sắc của thuốc có được là do cấu trúc hoá
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: − NH 2 , −COOH ,

−SO3 H , −OH … đóng vai trò tăng cường của nhóm mang màu bằng cách dịch chuyển

năng lượng của hệ electron [7].
1.1.1.2. Phân loại thuốc nhuộm
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 loại
khác nhau. Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất:
Phân loại theo cấu trúc hoá học gồm có: 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 gồm có: 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 [7].


12

Ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến một số loại thuốc nhuộm phổ biến thường được
sử dụng trong thực tế và liên quan đến 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).
Thuốc nhuộm trực tiếp: Là thuốc nhuộm tự bắt màu trực tiếp với tơ sợi không
qua giai đoạn gia công trung gian, loại thuốc nhuộm anion có dạng tổng quát ArSO3Na. 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 các loại muối sunfonat natri của các hợp chất hữu cơ
khác nhau, được coi như là muối của axit hữu cơ mạnh và một bazo mạnh chúng tan
trong nước phân ly thành ion:

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 [7].
1.1.2. Giới thiệu về tím tinh thể
Tím tinh thể hay tím gentian (còn gọi là Methyl Violet 10B, hexamethyl
pararosaniline chloride hoặc pyoctanin(e) 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.


13

Công thức phân tử: C25N3H30Cl.

Công thức cấu tạo của tím tinh thể.

Phân tử gam: 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 axit mạnh (pH khoảng -1), thuốc nhuộm có màu vàng.
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 [20].
1.2. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ
1.2.1. Các khái niệm
- Hấp phụ: là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn - khí,
rắn - lỏng, khí - lỏng, lỏng - lỏng). Trong đó:
+ 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 khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt
chất hấp phụ.
+ Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ.
Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt. Ngược với sự hấp phụ là quá trình đi ra
khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác


14

giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta phân biệt thành hấp
phụ vật lý và hấp phụ hóa học [1].
Hấp phụ vật lý

Định nghĩa: Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander Walls
giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba loại lực: cảm
ứng, định hướng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Vì vậy hấp phụ vật lý có
tính thuận nghịch cao.
Hấp phụ vật lý không có tính chọn lọc. Quá trình hấp phụ vật lý là một quá
trình thuận nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ. Nhiệt
lượng tỏa ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2÷6 kcal/mol. Sự hấp phụ vật lý ít phụ thuộc
vào bản chất hóa học của bề mặt, không có sự biến đổi cấu trúc của các phân tử chất
hấp phụ và bị hấp phụ.
1.2.1.1.

Hấp phụ hóa học
Định nghĩa: Hấp phụ hóa học được gây ra bởi các liên kết hóa học (liên kết cộng
hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí…). Trong hấp phụ hóa học có sự trao đổi electron
giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Cấu trúc electron phân tử các chất tham gia quá
trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình thành liên kết hóa học. Nhiệt lượng
tỏa ra khi hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol.
Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là tương
đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong nhiều quá trình hấp phụ xảy ra đồng
thời cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.

1.2.1.2.

Cân bằng hấp phụ
Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ khi đã
hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược pha mang. Theo thời
gian lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di
chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ
(quá trình thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đạt
trạng thái cân bằng.

Đối với một hệ hấp phụ xác định, dung lượng hấp phụ là một hàm của nhiệt độ và
áp suất hoặc nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích.
q= f(T, p) hoặc q= f(T,C)
ở một nhiệt độ xác định, dung lượng hấp phụ phụ thuộc vào áp suất (nồng độ):


15

q= f(p) hoặc q = f(C)
Trong đó:
q: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
T: Nhiệt độ
P: Áp suất
C: Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha thể tích (mg/l).
Dung lượng hấp phụ cân bằng
Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị

1.2.1.3.

khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng dưới các điều kiện nồng độ và nhiệt độ
cho trước.
Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:
q=

(C o − C cb ).V
m

(1.1)

Trong đó:

- q: dung lượng hấp phụ (mg/g)
- V: thể tích dung dịch (lit)
- 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)
Trong quá trình hấp phụ, các phần tử bị hấp phụ không bị hấp phụ đồng thời,
bởi vì các phần tử chất bị hấp phụ phải khuếch tán từ dung dịch đến bề mặt ngoài
chất hấp phụ và sau đó khuếch tán vào sâu bên trong hạt của chất hấp phụ.
Dung lượng hấp phụ bão hòa: là dung lượng ở trạng thái cân bằng.
Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung
dịch ban đầu.
H=

Trong đó:

(Co − Ccb )
.100%
Co

(1.2)


16

- 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).
1.2.2. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ
1.2.2.1. Mô hình động học hấp phụ

Trong môi trường nước quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt của chất hấp
phụ, đối với hệ hấp phụ lỏng – rắn động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai đoạn
kế tiếp nhau:
-

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. Đây là giai đoạn khuếch tán màng.

-

Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ. Đây là giai

-

đoạn khuếch tán trong mao quản.
Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn hấp
phụ thật sự.
Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm sẽ quyết định hay
khống chế toàn bộ quá trình hấp phụ. Với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá
trình khuếch tán thường là chậm và đóng vai trò quyết định.
1.2.2.2. Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ
Khi nhiệt độ không đổi, đường biểu diễn q = f T (P hoặc C) được gọi là đường
đẳng nhiệt hấp phụ.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ là đường mô tả sự phụ thuộc của dung lượng hấp
phụ tại một thời điểm vào nồng độ hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời điểm đó ở

một nhiệt độ không đổi.
Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đường hấp
phụ đẳng nhiệt được mô tả qua một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ biểu diễn sự
hấp phụ đó như: Langmuir, Freundlich, Henry,… [1], [2], [4].
Bảng 1.1 : Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Tên phương trình
Langmuir
Henry

Phương trình
v
b.q
=θ =
vm
1 + b.q

v = k. p

Bản chất của
sự hấp phụ
Vật lý và hóa học
Vật lý và hóa học


17
1
n

Freundlich

v = k . p (n > 1)

Shlygin – Frumkin
– Temkin
Brunauer – Emmett
- Teller (BET)

v
1
= θ = ln Co . p
vm
a
p
1
(C −1) p
=
+
.
v.( po − p ) vm .C
vm .C po

,

Vật lý và hóa học
Hóa học
Vật lý

Trong các phương trình trên:

v : thể tích chất bị hấp phụ ở áp suất tương đối P/P0, tính bằng cm3

vm : thể tích lớp hấp phụ đơn phân tử trên toàn bộ bề mặt, tính bằng cm3

p : áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí

θ : độ che phủ; a, b, k,

k'

, n, C,

C0

: là các hằng số

p0: áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở cùng
nhiệt độ.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir [4]: là phương trình mô tả cân
bằng hấp phụ đầu tiên được thiết lập bằng lý thuyết. Phương trình Langmuir được
xây dựng dựa trên các giả thuyết:
1. Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt của chất hấp phụ tại những trung
tâm xác định.
2. Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
3. Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các tiểu
phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên
các trung tâm bên cạnh.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir nêu ở bảng 1.1 được xây dựng cho
hệ hấp phụ rắn - khí. Tuy nhiên, phương trình trên cũng có thể áp dụng cho hấp phụ
trong môi trường nước. Khi đó có thể biểu diễn phương trình Langmuir như sau:
q
qmax

=

b.Ccb
1 + b.Ccb

( 1.11)
(1.3)

Trong đó:

q , qmax : dung lượng hấp phụ cân bằng, dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)
b : hằng số Langmuir
Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)


18

Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:
+ 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 hòa
Để xác định các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có
thể sử dụng phương pháp đồ thị bằng cách chuyển phương trình trên thành phương
trình đường thẳng có dạng:
Ccb
1
1
=
+
.Ccb

q
b.qmax qmax

(1.4)
Ccb
q

Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của

vào Ccb sẽ xác định được các hằng số: b,

qmax trong phương trình. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và đồ thị sự phụ thuộc
Ccb
q

của

vào Ccb có dạng như hình 1.1 và 1.2:

q

Ccb/q

α

q max

N
Ccb
0

Hình 1.1: Đường đẳng nhiệt hấp phụ

0
Ccb
Hình 1.2: Đồ thị biểu diễn sự phụ

Langmuir
1
1
tan α =
⇒ qmax =
qmax
tan α

thuộc của Ccb/q vào Ccb
1
ON =
qmax .b

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng đơn giản, cho phép giải
thích khá thỏa đáng các số liệu thực nghiệm.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich [4]: Đây là phương trình thực
nghiệm áp dụng cho sự hấp phụ khí hoặc chất tan trong chất lỏng lên chất hấp phụ rắn.


19

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich được xây dựng dựa trên giả thuyết:
- Do tương tác đẩy giữa các phân tử, phân tử hấp phụ sau bị đẩy bởi các phân tử

hấp phụ trước, do đó nhiệt hấp phụ giảm khi tăng độ che phủ bề mặt.
- Do bề mặt không đồng nhất, các phân tử hấp phụ trước chiếm các trung tâm

hấp phụ mạnh có nhiệt hấp phụ lớn hơn, về sau chỉ còn các trung tâm hấp phụ
có nhiệt hấp phụ thấp hơn.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich:

q = k .Ccb

1
n

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.
q: dung lượng hấp phụ tại thời điểm t.
Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich phản ảnh khá sát số liệu thực
nghiệm cho vùng ban đầu và vùng giữa của vùng hấp phụ đẳng nhiệt.
Để xác định được các hệ số k, n cần đưa phương trình về dạng đường thẳng:

lgq = lg k +

1
lg Ccb
n

Xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc lgq vào lgCcb sẽ xác định được các hằng số
k, n ứng với từng nhiệt độ và so sánh chúng với hệ khác trong cùng điều kiện.

q

lgq

β
M
0

Ccb (mg/l) (mg/l)

0

lgCcb


20

Hình 1.3: Đường đẳng nhiệt hấp

Hình 1.4: Sự phụ thuộc lgq vào lgCcb

phụ Freundlich
Dựa vào đồ thị ta xác định được các giá trị k và n.

tan β =

1
n

OM = lgk

Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ trong môi trường
nước theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir.
1.2.2.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
Có ba yếu tố chính ảnh hưởng đến sự hấp phụ của các chất lên bề mặt chất rắn,
đó là:
Nồng độ của chất tan trong chất lỏng (hoặc áp suất đối với chất khí).
Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi tăng nhiệt độ, sự hấp phụ trong dung dịch giảm
nhưng thường ở mức độ ít.
Quá trình hấp phụ cạnh tranh đối với các chất bị hấp phụ.
Ngoài ra, còn một vài yếu tố khác như sự thay đổi diện tích bề mặt của chất
hấp phụ và sự thay đổi pH của dung dịch.

1.2.3.

Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước
Hấp phụ trong môi trường nước diễn ra khá phức tạp, vì trong hệ có ít nhất ba
thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của
nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị
hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất
hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó.
Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị
hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của
chất bị hấp phụ trong nước. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất
bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng: chất
bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực và
ngược lại. Đối với các chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số

dạng phức oxy anion như

SO 24 − , PO34− , CrO24−

… thì quá trình hấp phụ xảy ra do tương

tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực cao


21

trong nước bị bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó bán kính (độ lớn)
của các ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ
của hệ do tương tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn
sẽ được hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hyđrat nhỏ hơn.
Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung dịch.
Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ. Các
chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu, bazơ yếu hoặc lưỡng tính sẽ bị
phân li, tích điện âm, dương hoặc trung hoà tùy thuộc giá trị pH. Tại giá trị pH bằng
điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng không, trên giá trị đó bề mặt
chất hấp phụ tích điện âm và dưới giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện dương. Đối
với các chất trao đổi ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm
chức và các cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môi trường, đồng thời trong
hệ cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất [1].
Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản, …
cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ [1].
Đối với các hợp chất hữu cơ, trong môi trường nước chúng có độ tan khác nhau
do đó khả năng hấp phụ chúng trên VLHP là khác nhau. Phần lớn các chất hữu cơ tồn
tại trong nước dạng phân tử trung hòa, ít bị phân cực nên quá trình hấp phụ trên
VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơ chế hấp phụ vật lý. Khả năng hấp phụ các

chất hữu cơ trên VLHP phụ thuộc vào: pH của môi trường, lượng chất hấp phụ, nồng
độ chất bị hấp phụ….
Tóm lại hấp phụ trong môi trường nước có cơ chế phức tạp do yếu tố hấp phụ hỗn
hợp, sự biến đổi bản chất hóa học của chất bị hấp phụ, chất hấp phụ vào môi trường.
1.3.

Phương pháp phân tích xác định hàm lượng tím tinh thể
Để xác định hàm lượng tím tinh thể chúng tôi dùng phương pháp phân tích
trắc quang. Ở đây chúng tôi chỉ đề cập vài nét về phương pháp này nhằm làm sáng tỏ
hơn những vấn đề sẽ trình bày trong thực nghiệm.
Phân tích trắc quang là phương pháp phân tích quang học dựa trên việc đo độ
hấp thụ năng lượng ánh sáng của một chất xác định ở một vùng phổ nhất định. Trong
phương pháp này, chất cần phân tích được chuyển thành một hợp chất có khả năng
hấp thụ năng lượng ánh sáng, hàm lượng của chất được xác định bằng cách đo độ hấp
thụ năng lượng ánh sáng của hợp chất màu.


22

Phương pháp phân tích trắc quang do có độ nhạy, độ chính xác, độ chọn lọc
khá cao nên thường được dùng để xác định hàm lượng nhỏ, trung bình và hàm lượng
lớn của các nguyên tố của các đối tượng phân tích trong nhiều đối tượng phân tích.
Trong phương pháp này phản ứng hóa học tạo ra hợp chất màu đóng vai trò
quan trọng, nó quyết định độ nhạy, độ chính xác, độ chọn lọc và thời gian phân tích.
Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích trắc quang là muốn xác định
một cấu tử X nào đó, chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo
độ hấp thụ ánh sáng của nó và suy ra hàm lượng chất cần xác định X [3].
Cơ sở của phương pháp là định luật hấp thụ năng lượng ánh sáng BouguerLambert-Beer. Biểu thức của định luật:

A = lg

I0
I

=

ε

LC

(1.5)

Trong đó:
I0, I: lần lượt là cường độ của ánh sáng đi vào và ra khỏi dung dịch.
L: là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua.
C: là nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch

ε

: là hệ số hấp thụ mol phân tử, nó phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ

ánh sáng và bước sóng của ánh sáng tới (

ε

=f(λ)).

Như vậy độ hấp thụ quang A là một hàm của các đại lượng: bước sóng, bề dày
của dung dịch và nồng độ của chất hấp thụ ánh sáng.
A=f(λ, L, C)

(1.6)

Do đó nếu đo A tại một bước sóng nhất định với cuvet có bề dày L xác định
thì đường biểu diễn A=f(C) phải có dạng y = ax là một đường thẳng. Tuy nhiên do
những yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ năng lượng ánh sáng của dung dịch (bước
sóng của ánh sáng tới, sự pha loãng dung dịch, nồng độ H , sự có mặt của các ion lạ)
nên đồ thị không có dạng đường thẳng với mọi giá trị của nồng độ. Do vậy biểu thức
(1.6) có dạng:

ε

Aλ = k L(Cx)b

(1.7)


23

Trong đó:
C : nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch.
K: hằng số thực nghiệm.
b: hằng số có giá trị 0 < b ≤ 1. Nó là một hệ số gắn liền với nồng độ Cx
Khi Cx nhỏ thì b=1, khi Cx lớn thì b < 1.
Đối với một chất phân tích trong một dung môi xác định và trong một cuvet có
bề dày xác định thì

ε

ε

= const và K = k L ta có:

Aλ = K.Cb

(1.8)

Phương trình (1.8) là cơ sở để định lượng các chất theo phương pháp phổ hấp
thụ quang phân tử Uv-Vis (phương pháp trắc quang). Trong phân tích người ta chỉ
dùng phổ nồng độ tuyến tính giữa A và C, vùng tuyến tính này rộng hay hẹp phụ thuộc
vào bản chất của chất hấp thụ quang của mỗi chất và điều kiện thực nghiệm.
Có nhiều phương pháp khác nhau để định lượng bằng phương pháp trắc
quang. Từ các phương pháp đơn giản không cần máy móc như: phương pháp so màu
bằng mắt, phương pháp dãy chuẩn nhìn màu… các phương pháp này đơn giản không
cần máy móc phức tạp nhưng chỉ xác định được nồng độ gần đúng của chất cần định
lượng, nó thích hợp cho việc kiểm tra ngưỡng cho phép của một chất nào đó có đạt
hay không. Các phương pháp phải sử dụng máy quang phổ như: phương pháp đường
chuẩn, phương pháp dãy tiêu chuẩn, phương pháp cân bằng, phương pháp thêm,
phương pháp vi sai phân tích định lượng bằng trắc quang… có rất nhiều phương pháp
nhưng tùy theo điều kiện đối tượng cụ thể mà ta chọn phương pháp thích hợp. Trong
đề tài này, chúng tôi sử dụng phương pháp đường chuẩn để định lượng tím tinh thể.
Phương pháp đường chuẩn
Từ phương trình cơ sở A = K.(C x)b về nguyên tắc, để xây dựng một đường
chuẩn phục vụ cho việc định lượng một chất trước hết phải pha chế một dung dịch
chuẩn có nồng độ hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng nồng độ tuyến tính (b=1). Tiến
hành đo độ hấp thụ quang của dãy dung dịch chuẩn đó. Từ các giá trị độ hấp thụ
quang A đo được dựng đồ thị A = f (C), đồ thị A = f(C), gọi là đường chuẩn.
Sau khi có đường chuẩn, pha chế các dung dịch cần xác định trong điều kiện
giống như xây dựng đường chuẩn. Đo độ hấp thụ quang A của chúng với điều kiện

24

như khi xây dựng đường chuẩn (cùng dung dịch so sánh, cùng cuvet, cùng bước
sóng) được giá trị Ax. Áp các giá trị đo được vào đường chuẩn sẽ tìm được các giá trị
nồng độ C tương ứng [3].
1.4.

Giới thiệu về cây sen
Sen là loại cây phân bố rất nhiều ở các vùng nhiệt đới, rất quen thuộc với
người dân Việt Nam chúng ta.
Sen có tên khoa học là Nelumbo nucifera Gaertn hay Nelumbium speciosum
Willd, thuộc họ Nelumboaceae, là một trong những loại thực vật hạt trần phát triển rất
sớm trên Trái Đất, có nguồn gốc từ châu Á, xuất phát từ Ấn Độ sau đó lan ra Trung
Quốc và vùng Đông Bắc châu Úc [19].

Hình 1.5: Hình ảnh cây sen
Hiện nay Trung Quốc là nước trồng cây sen đứng hàng đầu trên thế giới với
diện tích khoảng 140.000 ha. Năng suất của sen khoảng 22,5 tấn/ha/năm. Sản lượng
củ sen khoảng 3 triệu tấn/năm. Đứng thứ hai trên thế giới là Nhật Bản với diện tích
khoảng 5.000 ha. Sản lượng củ sen đạt khoảng 72.000 tấn/năm. Đài Loan có diện tích
trồng sen không đáng kể, sản lượng của sen hằng năm chỉ khoảng 600-700 tấn. Hàn
Quốc có diện tích trồng sen chỉ khoảng 300 ha nhưng năng suất củ đạt khoảng 31,83
tấn/ha/năm.
Ở Việt Nam, cây sen được trồng trong ao hồ khắp cả nước, đặc biêt tại các vùng
Đồng Tháp Mười, Tứ Giác Long Xuyên (Đồng Bằng Sông Cửu Long), An Giang,
Hưng Yên, Bắc Ninh, Hà Nam....[19]


25

Sen là loài thực vật thủy sinh, rễ, thân, cuống lá đều nằm dưới mặt nước, chỉ có
phiến lá nằm ngay trên mặt nước và cuống hoa vươn khỏi mặt nước.
+ Thân rễ (ngó sen) mập, mọc bò dài trong bùn, bén rễ ở những mấu, từ đó mọc
lên thân và lá.
+ Lá hình tròn, vượt lên khỏi mặt nước, đường kính 30-40 cm, màu lục xám,
mép nguyên lượn sóng, giữa lá thường trũng xuống, mặt sau đôi khi điểm những
đốm màu tía, gân hình khiên, hằn rõ; cuống lá dính vào giữa lá, dài 1 m hay hơn, có
nhiều gai cứng nhọn.
+ Đài sen dạng hình nón ngược mép lồi lõm, non màu vàng khi già chuyển màu
xanh, nhẹ, xốp là bộ phận đế của hoa sen phát triển thành chứa hạt.
Hiện nay ở Việt Nam, sau khi thu hoạch hạt thì các bộ phận của cây sen hầu hết
bị thải bỏ, ít được sử dụng. Theo thống kê, ước tính nước ta có trên dưới 3000ha diện
tích trồng sen với năng suất bình quân 30.000-45.000 đài sen/ha. Như vậy, ta thấy
hàng năm sau mỗi vụ thu hoạch sẽ có một số lượng rất lớn bộ phận của cây sen bị
loại bỏ không qua xử lý, đó không chỉ là một sự lãng phí tài nguyên, mà còn gây ra
vấn đề vệ sinh môi trường trong quá trình phân hủy. Thành phần hóa học của cây sen
bao gồm các loại alkaloid là: nuciferin, N-nornuciferin, N-norarmepavin và
isoquercitrin…[5] có chứa các nhóm -OH, -NH có khả năng hấp phụ các phẩm
nhuộm trong môi trường nước, thêm đặc tính nhẹ, xốp và chứa 40% là xenlulozo,
thân sen có khả năng biến tính trở thành vật liệu hấp phụ tốt.
1.5.

Một số hướng nghiên cứu hấp phụ tím tinh thể
Những năm gần đây, các nhà khoa học trong và ngoài nước có xu hướng
nghiên cứu nhằm tìm ra những vật liệu hấp phụ có chi phí thấp, tận dụng được những
phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp hoặc chất thải để loại bỏ một số hợp chất hữu cơ
trong nước như: tím tinh thể, metyl đỏ…Các vật liệu này có ưu điểm là giá thành rẻ,
hiệu quả cao và còn giảm thiểu được bùn hóa học, bùn sinh học.
Tác giả Karla Aparecida Guimaraes Gusmao cùng cộng sự [14] đã sử dụng vật

liệu bã mía hoạt hóa bằng EDTA đianhidrit để hấp phụ metylen xanh và tím tinh thể
cho thấy khả năng hấp phụ tối đa cho metylen xanh và tím tinh thể lần lượt là 202,43
mg/g và 327,83 mg/g với thời gian hấp phụ là 30 phút ở pH=5.
Tác giả Bruno Christiano Silva Ferreira cùng cộng sự [11] đã sử dụng vật liệu
bã mía đã hoạt hóa thành công bởi axit Meldrum (C₆H₈O₄) bằng cách sử dụng một hệ