Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ Methylene Blue Bằng Than Sinh Học Từ Bã Mía Dạng Cột

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. Hồ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN PHÙNG CẨM SƯƠNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METHYLENE BLUE
BẰNG THAN SINH HỌC TỪ BÃ MÍA DẠNG CỘT
(Removal Of Methylene Blue By Biochar From Sugarcane Bagasse In Fixed Bed
Column)

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC
Mã số: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI
HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN TUẤN ANH
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS HUỲNH KỲ PHƯONG HẠ

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. LÝ CẨM HÙNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 07 tháng 08 năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS NGÔ MẠNH THẮNG
2. PGS.TS HUỲNH KỲ PHƯONG HẠ
3. PGS.TS LÊ MINH VIỄN

4. TS. LÝ CẨM HÙNG
5. TS ĐOÀN VĂN THUẦN
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN PHÙNG CẨM SƯƠNG

MSHV: 1670676

Ngày, tháng, năm sinh: 10/09/1993

Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học

Mã số : 60520301

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Tên tiếng Việt: Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ Methylene Blue Bằng Than Sinh

Học Từ Bã Mía Dạng Cột
Tên tiếng Anh: Removal Of Methylene Blue By Biochar From Sugarcane Bagasse In
Fixed Bed Column
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
2.1 Tổng quan
Tình hình ô nhiễm thuốc nhuộm từ nước thải dệt nhuộm, Thuốc nhuộm Methylene
blue, Bã mía, Phương pháp hấp phụ, Phương pháp quy hoạch thực nghiệm, Nghiên
cứu mô hĩnh hóa các thông số hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue trên cột bằng
phần mềm COMSOL Multiphysics
2.2 Thực nghiệm
- Chế tạo: Vật liệu hấp phụ than từ bã mía
- Nghiên cứu hấp phụ bằng phương pháp bể : khảo sát nhiệt độ nung chế tạo vật
liệu, xây dựng đường đẳng nhiệt Langmuir
- Nghiên cứu hấp phụ bằng phương pháp cột : quy hoạch thực nghiệm (RSM) kết
hợp mô hĩnh Central composite design (CCD), giải hệ số phương trình PDE
bằng phần mềm Comsol Multiphysics
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/01/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN TUẤN ANH
Tp. HCM, ngày 17 tháng 08 năm 2018.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn “NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
METHYLENE BLUE BẰNG THAN SINH HỌC TỪ BÃ MÍA DẠNG CỘT”
Lời đầu tiên với lòng biết on sâu sắc nhất tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn
Tuấn Anh đã nhiệt tĩnh hướng dẫn, hết lòng giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu
và hoàn thành luận văn này.
Trân trọng cảm ơn Quý Thầy Cô Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM và đặc biệt
là Quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Hóa Học đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Và đặc biệt xin cảm ơn gia đĩnh, người thân và bạn bè đã luôn bên cạnh, ủng hộ,
cổ vũ, động viên trong suốt thời gian qua.
Một lần nữa, xin gửi đến tất cả Quý Thầy Cô, bạn bè, gia đĩnh lời biết ơn sâu sắc
nhất và kính chúc mọi người dồi dào sức khỏe, may mắn, gặt hái nhiều thành công trong
tương lai.
Xin chân thành cảm ơn!

Tp HCm, ngày 17 tháng 08 năm 2018
Tác giả

Nguyễn Phùng cẩm Sương


TÓM TẮT
Luận văn đã giải quyết đuợc các mục tiêu:
1. Vật liệu than từ bã mía đuợc điều chế bằng phuơng pháp nung yếm khí tại nhiệt
độ 500°c. Đặc tính cấu trúc vật liệu đuợc phân tích bằng các phuơng pháp: Diện
tích bề mặt riêng (BET), quang phổ hấp thu UV-Vis. Ngoài ra, khả năng hấp
phụ thuốc nhuộm Methylene Blue (MB) trong nuớc đuợc đánh giá thông qua
hiệu suất hấp phụ Methylene Blue. Kết quả phân tích cho thấy vật liệu than từ
bã mía là chất hấp phụ tốt tuân theo phuong trĩnh hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir,
đuờng kính lỗ xốp trung bình khoảng 1,46 nm, diện tích bề mặt riêng lớn

346,743 m2/g, hấp thụ trong vùng ánh sáng tự nhiên tại buớc sóng Ằ.= 664 nm,
có dung luợng hấp phụ cực đại 47,17 mg/g.
2. Phuong pháp tối uu đáp ứng bề mặt đuợc áp dụng để tối uu hóa khả năng loại
bỏ Methylene Blue trong nuớc bằng than từ bã mía trong khoảng thời gian khảo
sát 5,5 giờ. Dựa trên thiết kế trung tâm (CCD), mô hĩnh bậc hai biểu diễn mối
quan hệ đầu vào: nồng độ thuốc nhuộm ban đầu (20-60 mg/L), chiều cao cột (
4 - 6 cm), tốc độ dòng chảy (2 - 6 mL/phút). Kết quả phân tích chỉ ra rằng, mô
hĩnh có thể đuợc sử dụng để dự đoán hiệu suất quá trĩnh hấp phụ trên cột hấp
phụ.
3. Mô hĩnh hóa đóng một vai trò quan trọng trong quy trình mở rộng từ các thí
nghiệm thực nghiệm thông qua thí điểm đến quy mô công nghiệp. Nghiên cứu
đuờng cong đột phá thực nghiệm (BTC) của quá trình hấp phụ thuốc nhuộm
trên cột hấp phụ có dạng chữ s điển hình của cột hấp phụ và có sự tuơng thích
giữa thực nghiệm và mô hình.

11


ABSTRACT
In this thesis has solved the following objectives:
1. Sugar Bagasse was thermally activated at 500 °c in absence air. Biochar was
characterized by: Brunauer-Emmett-Teller (BET), UV-Vis Spectrometer. In
addition, Methylene Blue (MB) adsorption capacity of biochar was assessed by
adsorption efficiency. Langmuir isotherms have been applied to describe the
equilibrium between liquid- solid phases. Results showed that the biochar made
from sugar bagasse was a good adsorbent, average particle diameter was 1,46 nm,
big specific surface area (346,743 m2/g), absorbed in natural light at wavelength
Ả, = 664 nm, with a highest adsorption capacity is 47,17 mg /g.
2. The optimum adsorption conditions of column adsorption were obtained by using
response surface methodology (RSM). Experiments were designed by central

composite design (CCD) and a quadratic model was used to predict the
concentration of the effluent after 5.5 hours. The operating parameters were varied
as the inlet concentration from 20 mg/L to 60 mg/L, the bed height from 4 to 6 cm,
the flow rate from 2 mL/min to 6 mL/min. Analysis of variance was incorporated
to judge the adequacy of the models. The predictions of the model were in good
agreement with experimental results, and the optimal condition is then estimated
from the model.
3. A mathemmatical model of fixed bed adsorbent is very useful for this experiment.
Prediction of breakthrough curve was studied using for a fixed bed column. The
correlation between the experimental data and the theoretical models was very
good in all cases.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả và được sự
hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Tuấn Anh. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong
luận văn này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hĩnh thức nào trước đây. Những
số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác
giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu
của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc.
TP. Hồ Chỉ Minh, ngày 17 tháng 08 năm 2018
Tác giả

NGUYỄN PHÙNG CẨM SƯƠNG


MUC LUC

••
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... i
ABSTRACT ....................................................................................................................iii
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................ iv
MỤC LỤC ....................................................................................................................... V
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ...................................................................................viii
DANH MỤC BẢNG BIÊU............................................................................................. X
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... xi
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ............................................................................................ 1
1.1

Tình hình ô nhiễm thuốc nhuộm từ nước thải dệt nhuộm ................................... 1

1.2

Thuốc nhuộm Methylene blue ............................................................................. 2

1.3

Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm ...................................................... 3

1.4

Bã mía .................................................................................................................. 4

1.5

Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới ............................................... 5

1.6

Mục tiêu đề tài ..................................................................................................... 6

CHƯƠNG 2 Cơ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 8
2.1

Phương pháp hấp phụ .......................................................................................... 8

2.1.1

Khái niệm ..................................................................................................... 8

2.1.2

Các mô hĩnh cơ bản của quá trình hấp phụ ................................................ 11

2.1.3

Hoạt hóa chất hấp phụ ................................................................................ 15

2.1.4

Quá trình hấp phụ bằng phương pháp cột hấp phụ ..................................... 17

2.2

Các phương pháp phân tích ............................................................................... 19

2.2.1

Phương pháp quang phổ hấp thu UV - Vis................................................. 19

2.2.2

Phương pháp hấp phụ đa phân tử Brunauer-Emmett-Teller (BET) ........... 21

2.3

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm................................................................ 24

V


2.3.1

Thiết kế kiểu Box - Behnken (Box-Behnken designs) ............................... 24

2.3.2

Thiết kế tổng hợp trung tâm (Central Composite designs )........................ 27

2,4

Nghiên cứu mô hình hóa các thông số hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue trên cột

bằng phần mềm COMSOL Multiphysics.................................................................... 29
2.4.1

Các dạng phương trình đạo hàm riêng trong phần mềm COMSOL

Mutiphysics ............................................................................................................. 30
2.4.2

Các giả thiết trong xây dựng mô hình ........................................................ 30

2.4.3

Mô hình động lực tuyến tính (Linear driving force - LDF)........................ 31

2.4.4

Xây dựng và đánh giá mô hình ................................................................... 31

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM ..................................................................................... 34
3.1

Nguyên vật liệu, dụng cụ, thiết bị ..................................................................... 34

3.1.1

Nguyên liệu và hóa chất ............................................................................. 34

3.1.2

Dụng cụ....................................................................................................... 34

3.1.3

Thiết bị ........................................................................................................ 34

3.2

Nội dung thí nghiệm .......................................................................................... 35

3.2.1

Phương pháp phân tích vật liệu .................................................................. 35

3.2.2

Xây dựng đường chuẩn Methylene Blue .................................................... 36

3.2.3

Quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ .............................................................. 36

3.2.4

Nghiên cứu quá trình hấp phụ Methylene Blue bằng than thừ bã mía theo

phương pháp hâp phụ tĩnh....................................................................................... 39
3.2.5

Nghiên cứu quá trình hấp phụ Methylene Blue bằng than thừ bã mía theo

phương pháp hâp phụ động ..................................................................................... 41
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .................................................................... 49
4.1

Đặc tính vật liệu than từ bã mía......................................................................... 49

4.2

Đường chuẩn Methylene Blue ........................................................................... 50

4.3

Ket quả hấp phụ thuốc nhuộm bằng phương pháp bể ....................................... 51

VI


4.3.1

Ảnh hưởng nhiệt độ nung của than từ bã mía ............................................ 51

4.3.2

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Lăngmuir ............................................... 53

4,4

Kết quả hấp phụ thuốc nhuộm bằng phương pháp cột hấp phụ ........................ 57

4.4.1

Điều kiện tối ưu hóa của quá trình hấp phụ Methylene Blue bằng phương

pháp quy hoạch thực nghiệm theo RSM kết họp với mô hình CCD (Central
Composite Designs) ....................................................................................... 58

4.4.2

Quy trình thực hiện giải hệ số phương trình PDE bằng COMSOL

Multyphysics ........................................................................................................... 64
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ ................................................................... 79
5.1

Kết luận ............................................................................................................. 79

5.2

Kiến nghị ........................................................................................................... 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 81
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 85
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .......................................................................................... 91

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1-1 Công thức cấu tạo của thuốc nhuộm Methylene blue ...................................... 2
Hình 1-2 Giản đồ hấp thu năng luợng của Methylene Blue ............................................ 3
Hình 2-1 Đuờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir............................................................... 14
Hình 2-2 Sự phụ thuộc của Ce/qe vào Ce ....................................................................... 14
Hình 2-3 Đuờng đẳng nhiệt Freundlich ...........................................................................15
Hình 2-4 Sự phụ thuộc ln qe vào lnCe ............................................................................15
Hình 2-5 Các đuờng đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ theo phân loại của IUPAC ....22
Hình 2-6 Đồ thị xác định các thông số của phuơng trình BET .......................................23

Hình 2-7 Mau box - Behnken ba yếu tố ..........................................................................26
Hình 2-8 Thiết kế thí nghiệm tổng hợp trung tâm hai yếu tố ..........................................27
Hình 2-9 Thiết kế thí nghiệm tổng hợp trung tâm ba yếu tố ...........................................27
Hình 2-10 Minh họa các buớc để xây dựng mô hình mô phỏng ..................................... 33
Hình 3-1 Bã mía ..............................................................................................................37
Hình 3-2 Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ than từ bã mía ...........................................38
Hình 3-3 Quy trình tiến hành thí nghiệm ........................................................................39
Hình 3-4 Sơ đồ hệ thống cột hấp phụ .............................................................................42
Hình 4-1 Phuơng trình hồi quy của đuờng chuẩn Methylene Blue .................................51
Hình 4-2 Ảnh huởng của nhiệt độ nung đến dung luợng hấp phụ của than .................... 52
Hình 4-3 Sự phụ thuộc dung luợng hấp phụ vào nồng độ đối với Methylene Blue ........54
Hình 4-4 Đồ thị đuờng đắng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của than đối với
Methylene Blue................................................................................................................ 55
Hình 4-5 Tham số cân bằng RL đối với quá trình hấp phụ các loại thuốc nhuộm trên
than ..................................................................................................................................57
Hình 4-6 Ảnh huởng nồng độ Methylene Blue đến quá trình hấp phụ cột ..................... 60
Hình 4-7 Ánh huởng chiều cao cột đến quá trình hấp phụ cột ........................................61
Hình 4-8 Ánh huởng tốc độ dòng chảy đến quá trình hấp phụ cột ..................................62
Hình 4-9. Đồ thị bề mặt đáp ứng biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ thuốc nhuộm chiều cao cột

63

viii


Hình 4-10 Đồ thị bề mặt đáp ứng biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ thuốc nhuộm tốc độ dòng chảy ............................................................................................................. 63
Hình 4-11 Giao diện phần mềm Comsol .........................................................................64
Hình 4-12 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm cột hấp phụ ................................75
Hình 4-13 Mô phỏng biến thiên hệ số khuếch tán theo phuơng dọc trục ........................76
Hình 4-14 Mô phỏng biến thiên vận tốc dòng chảy trong cột .........................................77

IX


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Bảng thông số của thuốc nhuộm Methylene Blue .............................................2
Bảng 1.2 Thành phần hoá học của bã mía .........................................................................4
Bảng 2.1 Các yếu tố làm ảnh huởng đến chiều dài vùng chuyển khối và cách làm hạn
chế hiệu ứng của chúng .................................................................................................. 19
Bảng 2.2 Ma trận yếu tố mã hóa cho thiết kế thí nghiệm Box-Behnken 3 yếu tố .......... 25
Bảng 3.1 Bảng khảo sát ảnh huởng nhiệt độ nung của than ........................................... 40
Bảng 3.2 Bảng khảo sát nồng độ Methylene Blue ..........................................................41
Bảng 3.3 Điều kiện thí nghiệm ........................................................................................43
Bảng 3.4 Các thông số đồng dạng sử dụng trong phuơng trình COMSOL .....................46
Bảng 3.5 Hệ phuơng trình vô thứ nguyên và điều kiện biên cho Comsol .......................47
Bảng 3.6 Các thông số chính đầu vào của mô hình .........................................................48
Bảng 4.1 Khối luợng than chế tạo từ bã mía ...................................................................49
Bảng 4.2 Số liệu xây dựng phuơng trình đuờng chuẩn Methylene Blue .........................50
Bảng 4.3 Dung luợng hấp phụ (mg/g) của mẫu theo nhiệt độ nung ................................51
Bảng 4.4 Dung luợng hấp phụ (mg/g) của vật liệu theo nồng độ Methylene Blue ........ 53
Bảng 4.5 Phân loại sự phù hợp của mô hình đẳng nhiệt bằng tham số RL......................56
Bảng 4.6 Giá trị tham số cân bằng RL của quá trình hấp phụ .........................................56
Bảng 4.7 Ma trận thực nghiệm và kết quả thực nghiệm ................................................. 59

X


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

VLHP

: Vật liệu hấp phụ

VL

: Vật liệu

MB
SCB

: Methylene Blue
: Bã mía

BET

: Brunauer-Emmett-Teller

qe

: Dung luợng hấp phụ cân bằng

Umax

: Dung luợng hấp phụ cực đại

KL

: Hằng số Langmuir

KF

: Hằng số Freundlich

RL

: Tham số cân bằng

XI


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1

Tình hình ô nhiễm thuốc nhuộm từ nước thải dệt nhuộm
Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm phụ thuộc các hóa chất, chất trợ, thuốc nhuộm và

công nghệ sử dụng. Đối với nước thải dệt nhuộm thì nguồn ô nhiễm do chất trợ và hóa
chất dệt nhuộm có thể được giải quyết bằng các phương pháp truyền thống, trong khi đó,
ô nhiễm do thuốc nhuộm trở thành vấn đề chủ yếu đối với nước thải dệt nhuộm. Thuốc
nhuộm sử dụng hiện nay là các thuốc nhuộm tổng hợp hữu cơ. [1]
Thuốc nhuộm có đặc điểm: sử dụng dễ dàng, giá thành rẻ, ổn định và đa dạng so
với màu sắc tự nhiên, có tính bền hóa học và quang học cao, tính bền đối với quá trình
phân hủy sinh học. Tuy nhiên việc sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm và các sản phẩm của
chúng gây ra ô nhiễm nguồn nước ảnh hưởng tới con người và môi trường. [2]
Khi đi vào nguồn nước nhận như sông, hồ... với một nồng độ rất nhỏ thuốc nhuộm
đã cho cảm nhận về màu sắc. Thuốc nhuộm sử dụng càng nhiều thì màu nước thải càng
đậm. Màu đậm của nước thải cản trở sự hấp thụ oxy và ánh sáng mặt trời, gây bất lợi cho
sự hô hấp, sinh trưởng của các loài thủy sinh vật. Nó tác động xấu đến khả năng phân giải
của vi sinh đối với các chất hữu cơ trong nước thải. Các nghiên cứu cho thấy khả năng

phân giải trực tiếp thuốc nhuộm bằng vi sinh rất thấp. [3, 4]
Các thuốc nhuộm hữu cơ nói chung được xếp loại từ ít độc đến không độc đối với
con người (được đặc trưng bằng chỉ so LD50). Các kiểm tra về tính kích thích da, mắt cho
thấy đa số thuốc nhuộm không gây kích thích với vật thử nghiệm (thỏ) ngoại trừ một số
cho kích thích nhẹ.
Mức độ độc hại với cá và các loài thủy sinh: các thử nghiệm trên cá của hơn 3000
thuốc nhuộm được sử dụng thông thường cho thấy thuốc nhuộm nằm trong tất cả các
nhóm từ không độc, độc vừa, độc, rất độc đến cực độc. Trong đó có khoảng 37% thuốc
nhuộm gây độc vừa đến độc cho cá và thủy sinh, chỉ 2% thuốc nhuộm ở mức độ rất độc
và cực độc cho cá và thủy sinh. [3, 4]

1


Tác hại gây ung thư và nghi ngờ gây ung thư: không có loại thuốc nhuộm nào nằm
trong nhóm gây ung thư cho người. Các thuốc nhuộm azo được sử dụng nhiều nhất trong
ngành dệt, tuy nhiên chỉ có một số màu azo, chủ yếu là thuốc nhuộm benzidin, có tác hại
gây ung thư. Các nhà sản xuất châu Âu đã ngừng sản xuất loại này, nhưng trên thực tế
chúng vẫn được tim thấy trên thị trường do giá thành rẻ và hiệu quả nhuộm màu cao. [3]
1,2

Thuốc nhuộm Methylene blue
Methylene blue (MB) là một loại thuốc nhuộm bazo cation. Công thức phân tử:

C16ĨỈ18N3CIS (M= 319,85 g/mol) và có công thức cấu tạo :

H,c

Hình 1-1 Công thức cấu tạo của thuốc nhuộm Methylene blue
Ở nhiệt độ phòng, MB là chất bột rắn, không mùi, màu xanh đen, tan trong nước

tạo dung dịch màu xanh. Khi tồn tại dạng ngậm nước (C16H18N3CIS. 3H2O) trong điều
kiện tự nhiên, khối lượng phân tử của MB là 373,9 g /mol. [5]
Bảng 1.1 Bảng thông số của thuốc nhuộm Methylene Blue
Thông số

Giá trị

Công thức hóa học

C16 H18 N3 CIS

Màu sắc

Xanh đen

Độ tan trong nước

50 g/L

Khối lượng mol

319,85 g/mol

Nhiệt độ nóng chảy

100-110 °c

Bước sóng hấp thu Ằ,

664 nm

2


MB hấp thu bước sóng cực đại ở 664 nm. MB dễ bị phân hủy dưới tác dụng của
ánh sáng làm giảm nồng độ. Vì vậy, trong quá trình bảo quản cũng như tiến hành thí
nghiệm cần chú ý tránh để MB tiếp xúc với ánh sáng.

Hình 1-2 Giản đồ hấp thu năng lượng của Methylene Blue [6]
MB là hóa chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ,...
Mb bị hấp phụ rất mạnh bởi các loại đất khác nhau. Trong môi trường nước, MB bị hấp
thu vào vật chất lơ lửng và bùn đấy ao và không có khả năng bay hơi ra ngoài môi trường
nước ở bề mặt nước. Neu thải MB vào trong không khí, nó sẽ tồn tại cả ở dạng hơi và bụi
lơ lửng. MB là một phẩm nhuộm mang màu trong đó cường độ màu tỷ lệ với nồng độ của
chất này trong dung dịch. [7]
Trong nghiên cứu này, MB được chọn như một hợp chất gây ô nhiễm nguồn nước
để khảo sát khả năng hấp phụ của than từ bã mía.
1,3

Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm
Với những đặc điểm của nước thải dệt nhuộm cần phải tiến hành tiền xử lý các chất

màu (thuốc nhuộm) khó hoặc không phân giải sinh học trong nước thải dệt nhuộm bằng
phương pháp hóa lý, hóa học, phương pháp sinh học. về nguyên lý xử lý, nước thải loại
này có thể ứng dụng cho các phương pháp:
Cơ học: sàng, lọc, lắng để tách các tạp chất thô như cặn bấn, xơ sợi, rác ...

3

Hóa lý: trung hòa các dòng thải có tính kiềm, axit cao; đông keo tụ để khử màu,
các tạp chất lơ lửng và các chất khó phân hủy sinh học; phuơng pháp oxyt hóa, hấp phụ,
điện hóa để khử màu thuốc nhuộm.
Sinh học để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học (một số
loại thuốc nhuộm, một phần hồ tinh bột hay các tạp chất tách từ sợi).
Phương pháp màng dùng để thu hồi hồ tổng hợp, khử màu, tách muối vô cơ....
Trong những năm gần đây, phuơng pháp hấp phụ thuốc nhuộm trên bề mặt phân
chia pha dung dịch lỏng - rắn sử dụng chất hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên, rẻ tiền đã đuợc
nghiên cứu rộng rãi để khử màu thuốc nhuộm. Ket quả cho thấy một luợng lớn các vật
liệu hấp phụ cũng đã đuợc đề xuất và nghiên cứu và có khả năng loại bỏ thuốc nhuộm.
1,4

Bã mía
Bã mía chiếm khoảng 26,8 - 32% luợng mía ép. Trong bã mía chứa trung bĩnh

khoảng 50% là nuớc, 48 -ỉ- 49% là xơ (trong đó chủ yếu là xenlulozơ và hemixenlulozơ)
1 - 2% là đuờng. [8, 9]
Tùy theo loại mía và đặc điểm nơi trồng mía mà các thành phần hoá học có trong bã
mía khô (xơ) có thể biến đổi. Hàm luợng % các thành phần hoá học chính của bã mía đuợc
chỉ ra trong Bảng 1.2.

Bảng 1.2 Thành phần hoá học của bã mía
Thành phần

% khối lượng

Xenlulozo

40-^50

Hemixenlulozo

20-^25

Lignin

18 H- 23

Chất hoà tan khác (tro, sáp, protein, ...)

35

Nguồn: Nghiên cứu công nghệ làm phân vi sinh từ bã mỉa,
Bộ công thương (2009)

4


ứng dụng của bã mía [10, 11]
-

Trong trồng trọt, bã mía dùng làm nguyên liệu làm phôi trồng nấm linh chi.

-

Sử dụng bã mía làm bột giấy, các loại ván ép, tấm ốp trần cực kì hiệu quả.

-

Sử dụng bã mía làm nguồn chất đốt sản sinh nhiệt tạo điện năng.

- ứng dụng bã mía trong xử lý nuớc thải trong chăn nuôi.
1,5 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
Thuốc nhuộm là nguồn gây ô nhiễm từ các ngành công nghiệp dệt, nhuộm, giấy,
bột giấy, sơn mài và sơn. Việc sử dụng thuốc nhuộm chính là để thay đổi các đặc tính màu
sắc của các chất nền khác nhau nhu giấy, vải, da và các chất khác. Thuốc nhuộm đã đuợc
chứng minh rằng có ảnh huởng lớn đến hoạt động quang hợp. Hơn nữa, nhiều thuốc
nhuộm độc và thậm chí gây ung thu do đó ảnh huởng đến sinh vật thủy sinh và sức khoẻ
con nguời. Đe xử lý nguồn ô nhiễm này, hiện nay các nghiên cứu về vật liệu hấp phụ có
xu huớng tìm ra những loại chất mới có nguồn gốc từ tự nhiên nhằm hạ giá thành sản
phẩm mà vẫn đảm bảo đuợc khả năng hấp phụ của vật liệu.
Thời gian gần đây nhiều nghiên cứu sử dụng bã mía đuợc ứng dụng thành công ở cả
trong nuớc và trên thế giới cho thấy bã mía là một vật liệu tiềm năng trong việc hấp phụ
để xử lý thuốc nhuộm.
Theo nghiên cứu của nhóm tác giả s Wang, trong việc so sánh ba loại than hoạt
tính: BDH (Merch), F100 và BPL (Calgon Corp) xử lý chất thải MB. Khả năng hấp phụ
của luợng Carbon nhất định dựa trên lỗ xốp, bề mặt tự nhiên. Yeu tố kích thuốc lỗ xốp
ảnh huởng lớn đến mức độ hấp phụ MB: lỗ xốp càng lớn hiệu suất hấp phụ càng cao [12]
Nhóm tác giả Hajira Tahir tận dụng phế phấm từ nhà máy đuờng (bã mía) sử dụng
làm vật liệuu hấp phụ tự nhiên, chi phí thấp để loại bỏ thuốc nhuộm có trong nuớc. So
sánh khả năng xử lý thuốc nhuộm có trong nuớc của bã mía (sugarcane bagasse-SB),
carbonaceous bagasse (C-SB) và tro bay từ bã mía (fly ash bagasse -FA-SB). Ket quả

5


cho thấy carbonaceous bagasse (C-SB) có khả năng hấp phụ tốt hơn do tăng diện tích bề mặt
bằng cách xử lý hóa học. [13]
Nghiên cứu khả năng xử lý thuốc nhuộm basic: basic Blue 3(BB3), Methylene
Blue (MB) and Basic Yellow 11 (BY1) sử dụng VLHP từ bã mía (SB), tất cả các dung

dịch thuốc nhuộm đều tuân theo hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với khả năng hấp phụ tối
đa 23,64 mg/g, 28,25 mg/g và 67,11 mg/g đối với BB3, MB và BY11. Sử dụng phương
pháp đáp ứng bề mặt RSM để xây dựng phương trĩnh hồi quy trong việc sử dụng SB hấp
phụ thuốc nhuộm basic và tim ra điều kiện tối ưu của quá trình với 3 yếu tố ảnh hưởng:
nồng độ thuốc nhuộm; chiều cao cột hấp phụ; tốc độ dòng chảy. Mô hình có khả năng
tương thích cao (do R2 cao). Nghiên cứu cột cũng cho thấy đường breakthrough curve có
dạng chữ s điển hĩnh của cột hấp phụ và tuân theo mô hình BDST [14]
1,6

Mục tiêu đề tài
Trong nền công nghiệp của nước ta hiện nay, bên cạnh những giá trị kinh tế ngành

dệt nhuộm đóng góp vào sự phát triển kinh tế xã hội thi những tác hại gây ô nhiễm môi
trường của nghành này không phải là nhỏ. Trong đó, nước thải từ các hoạt động công
nghiệp có ảnh hưởng nhiều nhất đến môi trường do tính đa dạng và phức tạp. Trong nước
thải công nghiệp, thành phần khó xử lý nhất là chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Với
bản chất khó phân hủy bởi vi sinh, tồn tại bền vững trong môi trường, chất hữu cơ khó
phân hủy sinh học sẽ là mối nguy hại lâu dài tới sức khỏe con người và môi trường.
Vấn đề đặt ra là cần phải xử lý nước thải chứa các loại thuốc nhuộm đạt hiệu quả,
đáp ứng được các tiêu chuấn xả thải theo quy định hiện hành mà chi phí đầu tư cũng như
chi phí vận hành phải ở mức chấp nhận được. Hiện nay phương pháp hấp phụ sử dụng vật
liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên, rẻ tiền và có sẵn như corncob, oil palm fiber [15,16],
bamboo dust, coconut shell, groundnut shell, rice husk and straw [17,18], coir pith [19],
rattan sawdust [20], sugars [21], almond shell, walnut shell, hazelnut shell and apricot
stones [22] ... được ứng dụng để xử lý thuốc nhuộm trong nước thải trước khi thải ra môi
trường với ưu điểm xử lý nhanh, dễ chế tạo thiết bị.
Theo Hiệp hội mía đường Việt Nam, thống kê năm 2010 Việt Nam có 41 nhà máy
đường. Năm 2013-2014, diện tích mía nguyên liệu vào khoảng 305000 ha sản lượng đạt

6

hơn 16 triệu tấn mía. Theo báo cáo của Hiệp hội Mía đường Việt Nam, trong giai đoạn
2014- 2018 sản lượng đã sản suất đựơc hon 56 triệu tấn mía. Dự báo đến năm 2020, cả
nước sẽ sản xuất ra khoảng 20-21 triệu tấn mía. Đen năm 2030, sẽ có khoảng 24 triệu tấn
mía. Theo tính toán của các nhà khoa học, việc chế biến 10 triệu tấn mía để là đường sinh
ra một lượng phế thải khổng lồ khoảng 3 triệu tấn bã mía. Trước đây 80% lượng bã mía
này được sử dụng để đốt lò hơi trong các nhà máy sản xuất đường, sinh ra 50000 tấn tro.
Tuy là phế thải nhưng trong tro và bã bùn lại có nhiều chất hữu cơ. Các chất này là nguyên
nhân gây ô nhiễm môi trường và ô nhiễm nguồn nước. Neu lượng bã này không được sử
dụng và khai thác hiệu quả dễ gây ô nhiễm môi trường.
Việc tận dụng phụ phẩm nông nghiệp làm nguồn nguyên liệu chế tạo VLHP từ bã
mía ứng dụng xử lý thuốc nhuộm trong nước không những đem lại lợi ích kinh tế, xã hội
mà còn có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ môi trường. Đồng thời, tạo ra một loại
VLHP rẻ tiền, nguồn nguyên liệu dồi dào của cây mía. Nhằm tận dụng nguồn phế phẩm
dồi dào này, tác giả đề xuất đề tài “NGHIÊN cứu KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
METHYLENE BLUE BẰNG THAN SINH HỌC TỪ BÃ MÍA DẠNG CỘT”.

7


CHƯƠNG 2 Cơ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

Phương pháp hấp phụ

2.1.1 Khái niệm
Hấp phụ là hiện tượng một chất (dưới dạng phân tử, nguyên tử hay ion) có khuynh
hướng tập trung trên bề mặt phân chia pha. Trong sự hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ
rắn, nguyên nhân chủ yếu cả sự hấp phụ là do năng lượng dư trên ranh giới bề mặt phân

chia pha rắn - khí hay rắn - lỏng [23]. Đây là một phương pháp tách chất, trong đó các cấu
tử xác định từ hỗn hợp lỏng hoặc khí được hấp phụ trên bề mặt chất rắn, xốp.
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 [23]. Chất hấp phụ có bề mặt riêng càng lớn thi khả năng hấp
phụ càng mạnh. Be mặt riêng là diện tích bề mặt đơn phân tử tính đối với lg chất hấp phụ.
Chất bị hấp phụ là chất mà phân tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của
pha khác nằm tiếp xúc với nó. [23]
Sự hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa các phần tử chất hấp phụ và chất bị hấp
phụ. Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ mà người
ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
Hấp phụ vật lý
Hấp phụ vật lý hay hấp phụ “Van Der Waals” xảy ra do tương tác giữa chất hấp phụ
và chất bị hấp phụ không lớn, các phần tử chủ yếu liên kết với nhau bởi những lực vật lý
như lực tĩnh điện, lực tán xạ, cảm ứng và lực định hướng... không có sự trao đối electron
giữa các phân tử. cấu trúc điện tử của chất bị hấp phụ ít thay đối, nhiệt hấp phụ tỏa ra nhỏ.
[24]

8


Hấp phụ hóa học
Trong hấp phụ hóa học, các phân tử của chất bị hấp phụ liên kết với chất hấp phụ
bởi các lực hóa học bền vững tạo thành những hợp chất hóa học bề mặt mới. Sự hấp phụ
oxi trên bề mặt kim loại là một ví dụ về hấp phụ hóa học. Hấp phụ hóa học có hiệu ứng
nhiệt lớn. [24]
Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối vĩ
ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trường hợp tồn tại đồng thời cả hai hĩnh thức
hấp phụ. Ở vùng nhiệt độ thấp thường xảy ra hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng
hấp phụ vật lý giảm, khả năng hấp phụ hóa học tăng lên.
Cân bằng hấp phụ [2]

Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Khi tốc độ hấp phụ (quá trình thuận)
bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thi quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng.
Với một lượng xác định, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ và áp suất
hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha thể tích.
q = f(T. p hoặc C)
Trong đó:

(2.1)

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 [23, 25]
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 trong điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ

9


Trong đó:

q: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g).
V: Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (1). m: Khối lượng chất
hấp phụ (g).
Co: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/L).
Ccb: Nồng

độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L).

Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch
ban đầu.

Trong đó:

H: hiệu suất hấp phụ (%)

Co: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/L).
Ct: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm t (mg/L).
Giải hấp phụ: [23]
Giải hấp phụ là quá trình ngược với hấp phụ, tách chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất
hấp phụ. Quá trình này dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình
hấp phụ. Đây là phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đặc trưng về hiệu quả
kinh tế. Một số phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ:
Phương pháp hỏa lý: Có thể thực hiện tại chỗ, ngay trên cột hấp phụ nên tiết kiệm
được thời gian, không làm vỡ vụn chất hấp phụ và có thể thu hồi chất hấp phụ ở trạng thái
nguyên vẹn.
Phương pháp hóa lý có thể thực hiện theo cách: chiết với dung môi, sử dụng phản
ứng oxi hóa - khử, áp đặt các điều kiện làm dịch chuyển cân bằng không có lợi cho quá
trình hấp phụ.

10


Phương pháp nhiẽt: Sử dụng cho các trường hợp chất bị hấp phụ bay hơi hoặc sản
phẩm phân hủy nhiệt của chúng có khả năng bay hơi.
Phương pháp vi sinh: là phương pháp tái tạo khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ
nhờ vi sinh vật.

2.1.2 Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ
2.

Ỉ.2.ỈMÔ hình động học hấp phụ
Đối với quá trĩnh hấp phụ lỏng- rắn, động học hấp phụ có thể chia thành những giai

đoạn sau:
- Giai đoạn khuếch tán: Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của
chất hấp phụ.
- Giai đoạn khuếch tán trong mao quản: Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ
mao quản của chất hấp phụ.
- Giai đoạn hấp phụ: Các phân tử chất bị hấp phụ chiếm chỗ ở các trung tâm hấp phụ giai đoạn hấp phụ.
Tốc độ hấp phụ được tính dựa theo thời gian xảy ra của từng giai đoạn trên, giai
đoạn nào có thời gian chậm nhất sẽ quyết định. Quá trĩnh hấp phụ còn chịu ảnh hưởng của
các yếu tố như: bản chất của chất hấp phụ, chất bị hấp phụ, khả năng khuếch tán, môi
trường phản ứng,... [23]
Sự tích tụ chất bị hấp phụ trên bề mặt vật rắn gồm hai quá trình:
- Khuếch tán ngoài: khuếch tán các phân tử chất bị hấp phụ từ pha mang đến bề mặt
vật rắn.
- Khuếch tán trong: khuếch tán các phần tử bị hấp phụ vào trong lỗ xốp.
Như vậy lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt vật rắn sẽ phụ thuộc vào 2 quá trình
khuếch tán. Tải trọng hấp phụ sẽ thay đổi theo thời gian tới khi quá trình hấp phụ đạt cân
bằng. [26]

11