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


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN 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 PHƯƠNG 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 PHƯƠNG 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 ơ 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 hình hóa các thơng 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 mơ hình 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 MƠN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HĨA 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 lịng biết ơn sâu sắc nhất tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn
Tuấn Anh đã nhiệt tình hướng dẫn, hết lịng giúp đỡ tơi trong suốt q trình nghiên cứu
và hồn thành luận văn này.
Trân trọng cảm ơn Quý Thầy Cô Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM và đặc
biệt là Quý Thầy Cơ 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 đình, người thân và bạn bè đã ln bên cạnh, ủng hộ,
cổ vũ, động viên trong suốt thời gian qua.
Một lần nữa, xin gửi đến tất cả Quý Thầy Cơ, bạn bè, gia đình 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

i


TÓM TẮT
Luận văn đã giải quyết được các mục tiêu:
1. Vật liệu than từ bã mía được điều chế bằng phương pháp nung yếm khí tại
nhiệt độ 500oC. Đặc tính cấu trúc vật liệu được phân tích bằng các phương
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 nước được 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 phương trình hấp phụ
đẳng nhiệt Langmuir, đường 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 bước
sóng = 664 nm, có dung lượng hấp phụ cực đại 47,17 mg/g.
2. Phương pháp tối ưu đáp ứng bề mặt được áp dụng để tối ưu hóa khả năng loại
bỏ Methylene Blue trong nước bằng than từ bã mía trong khoảng thời gian
khảo sát 5,5 giờ. Dựa trên thiết kế trung tâm (CCD), mơ hình 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, mơ hình có thể được sử dụng để dự đốn hiệu suất q trình hấp phụ
trên cột hấp phụ.
3. Mơ hình hóa đóng một vai trị quan trọng trong quy trình mở rộng từ các thí
nghiệm thực nghiệm thơng qua thí điểm đến quy mô công nghiệp. Nghiên
cứu đường 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
tương thích giữa thực nghiệm và mơ hình.

ii


ABSTRACT
In this thesis has solved the following objectives:
1. Sugar Bagasse was thermally activated at 500 oC 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 λ = 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 cơng bố dưới bất kỳ hình 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 Chí Minh, ngày 17 tháng 08 năm 2018
Tác giả

NGUYỄN PHÙNG CẨM SƯƠNG

iv


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i
ABSTRACT ................................................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ iv
MỤC LỤC ......................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................ viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ xi
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ..........................................................................................1
Tình hình ơ nhiễm thuốc nhuộm từ nước thải dệt nhuộm .................................1
Thuốc nhuộm Methylene blue ...........................................................................2
Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm ....................................................3
Bã mía ................................................................................................................4
Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới .............................................5
Mục tiêu đề tài ...................................................................................................6
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................8
Phương pháp hấp phụ ........................................................................................8
2.1.1

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

2.1.2

Các mơ hình cơ bản của q 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

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

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

Nghiên cứu mơ hình hóa các thơng 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 mơ hình .......................................................30

2.4.3

Mơ hình động lực tuyến tính (Linear driving force – LDF) .....................31

2.4.4

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

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM ...................................................................................34
Ngun 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

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
Đặc tính vật liệu than từ bã mía .......................................................................49
Đường chuẩn Methylene Blue .........................................................................50
Kết 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

Kết quả hấp phụ thuốc nhuộm bằng phương pháp cột hấp phụ.......................57
4.4.1

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

pháp quy hoạch thực nghiệm theo RSM kết hợp với mơ 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
Kết luận ............................................................................................................79
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 Cơng thức cấu tạo của thuốc nhuộm Methylene blue ......................................2
Hình 1-2 Giản đồ hấp thu năng lượng của Methylene Blue ...........................................3
Hình 2-1 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ............................................................ 14
Hình 2-2 Sự phụ thuộc của Ce/qe vào Ce .....................................................................14
Hình 2-3 Đường đẳng nhiệt Freundlich ........................................................................15
Hình 2-4 Sự phụ thuộc ln qe vào lnCe ..........................................................................15
Hình 2-5 Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ theo phân loại của IUPAC ....22
Hình 2-6 Đồ thị xác định các thơng số của phương trình BET .....................................23
Hình 2-7 Mẫu 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 bước để xây dựng mơ hình mơ 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 Phương trình hồi quy của đường chuẩn Methylene Blue .............................. 51
Hình 4-2 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến dung lượng hấp phụ của than .................52
Hình 4-3 Sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ vào nồng độ đối với Methylene Blue .....54
Hình 4-4 Đồ thị đường đẳng 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 hưởng nồng độ Methylene Blue đến quá trình hấp phụ cột ...................60
Hình 4-7 Ảnh hưởng chiều cao cột đến quá trình hấp phụ cột......................................61
Hình 4-8 Ảnh hưởng tốc độ dịng chảy đến q 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 dịng 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 Mơ phỏng biến thiên hệ số khuếch tán theo phương dọc trục .....................76
Hình 4-14 Mơ phỏng biến thiên vận tốc dịng 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 hưởng 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 hưởng 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 thơng số đồng dạng sử dụng trong phương trình COMSOL .................46
Bảng 3.5 Hệ phương trình vơ thứ ngun và điều kiện biên cho Comsol ...................47
Bảng 3.6 Các thông số chính đầu vào của mơ hình .....................................................48
Bảng 4.1 Khối lượng than chế tạo từ bã mía .................................................................49
Bảng 4.2 Số liệu xây dựng phương trình đường chuẩn Methylene Blue ......................50

Bảng 4.3 Dung lượng hấp phụ (mg/g) của mẫu theo nhiệt độ nung ............................. 51
Bảng 4.4 Dung lượng hấp phụ (mg/g) của vật liệu theo nồng độ Methylene Blue ......53
Bảng 4.5 Phân loại sự phù hợp của mơ 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

: Methylene Blue

SCB

: Bã mía

BET

: Brunauer-Emmett-Teller

qe

: Dung lượng hấp phụ cân bằng

qmax

: Dung lượng hấp phụ cực đại

KL

: Hằng số Langmuir

KF

: Hằng số Freundlich

RL

: Tham số cân bằng

xi


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

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

cơng nghệ sử dụng. Đối với nước thải dệt nhuộm thì nguồn ơ nhiễm do chất trợ và hóa
chất dệt nhuộm có thể được giải quyết bằng các phương pháp truyền thống, trong khi
đó, ơ 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 q 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 hơ hấp, sinh trưởng của các lồi 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 khơng độc đối với
con người (được đặc trưng bằng chỉ số LD50). Các kiểm tra về tính kích thích da, mắt
cho thấy đa số thuốc nhuộm khơng 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: khơng 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 tìm thấy trên thị trường do giá thành rẻ và hiệu quả nhuộm màu cao.
[3]
Thuốc nhuộm Methylene blue
Methylene blue (MB) là một loại thuốc nhuộm bazơ cation. Công thức phân tử:
C16H18N3ClS (M= 319,85 g/mol) và có cơng thức cấu tạo :

Hình 1-1 Cơng 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 (C16H18N3ClS. 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
Thơng số

Giá trị

Cơng thức hóa học

C16H18N3ClS

Màu sắc

Xanh đen

Độ tan trong nước

50 g/L

Khối lượng mol

319,85 g /mol

Nhiệt độ nóng chảy

100-110 oC

Bước sóng hấp thu 

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 khơng có khả năng bay hơi ra ngồi môi trường
nước ở bề mặt nước. Nếu thải MB vào trong khơng 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.
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 khơng 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 bẩn, xơ sợi, rác …

3


-

Hóa lý: trung hịa các dịng 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; phương 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, phương 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
được nghiên cứu rộng rãi để khử màu thuốc nhuộm. Kết quả cho thấy một lượng lớn các
vật liệu hấp phụ cũng đã được đề xuất và nghiên cứu và có khả năng loại bỏ thuốc
nhuộm.
Bã mía
Bã mía chiếm khoảng 26,8 - 32% lượng mía ép. Trong bã mía chứa trung bình

khoảng 50% là nước, 48 ÷ 49% là xơ (trong đó chủ yếu là xenlulozơ và hemixenlulozơ)
1 ÷ 2% là đường. [8, 9]
Tùy theo loại mía và đặc điểm nơi trồng mía mà các thành phần hố học có trong
bã mía khơ (xơ) có thể biến đổi. Hàm lượng % các thành phần hố học chính của bã mía
được chỉ ra trong Bảng 1.2.
Bảng 1.2 Thành phần hố học của bã mía
Thành phần

% khối lượng

Xenlulozơ

40 ÷ 50

Hemixenlulozơ

20 ÷ 25

Lignin

18 ÷ 23

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

3÷5

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

4

Ứng dụng của bã mía [10, 11]
-

Trong trồng trọt, bã mía dùng làm ngun liệu làm phơi 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 nước thải trong chăn ni.
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 như giấy, vải, da và các chất khác. Thuốc nhuộm
đã được chứng minh rằng có ảnh hưởng lớn đến hoạt động quang hợp. Hơn nữa, nhiều
thuốc nhuộm độc và thậm chí gây ung thư do đó ảnh hưởng đến sinh vật thủy sinh và
sức khoẻ con người. Để xử lý nguồn ô nhiễm này, hiện nay các nghiên cứu về vật liệu
hấp phụ có xu hướng tìm ra những loại chất mới có nguồn gốc từ tự nhiên nhằm hạ giá
thành sản phẩm mà vẫn đảm bảo được khả năng hấp phụ của vật liệu.
Thời gian gần đây nhiều nghiên cứu sử dụng bã mía được ứng dụng thành cơng ở
cả trong nước 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 lượng Carbon nhất định dựa trên lỗ xốp, bề mặt tự nhiên. Yếu tố kích thuốc lỗ xốp
ảnh hưởng 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 phẩm từ nhà máy đường (bã mía) sử
dụng làm vật liệuu hấp phụ tự nhiên, chi phí thấp để loại bỏ thuốc nhuộm có trong nước.
So sánh khả năng xử lý thuốc nhuộm có trong nước của bã mía (sugarcane bagasse-SB),
carbonaceous bagasse (C-SB) và tro bay từ bã mía (fly ash bagasse -FA-SB). Kết 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 trình hồi quy trong việc sử dụng SB
hấp phụ thuốc nhuộm basic và tìm 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 dịng chảy. Mơ hình có khả
năng tương thích cao (do R2 cao). Nghiên cứu cột cũng cho thấy đường breakthrough
curve có dạng chữ S điển hình của cột hấp phụ và tn theo mơ hình BDST [14]
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 thì những tác hại gây ô nhiễm môi
trường của nghành này khơng phải là nhỏ. Trong đó, nước thải từ các hoạt động cơng
nghiệp có ảnh hưởng nhiều nhất đến mơi trường do tính đa dạng và phức tạp. Trong

nước thải cơng 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 mơi 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 chuẩn 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 hơn 56 triệu tấn mía. Dự báo đến năm 2020, cả
nước sẽ sản xuất ra khoảng 20-21 triệu tấn mía. Đến năm 2030, sẽ có khoảng 24 triệu
tấn mía. Theo tính tốn 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 lị 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. Nếu 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 khơng những đem lại lợi ích kinh tế, xã
hội mà cịn 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

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]. Ðây 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 thì khả năng hấp
phụ càng mạnh. Bề mặt riêng là diện tích bề mặt đơn phân tử tính đối với 1g 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… khơng có sự trao đổi

electron giữa các phân tử. Cấu trúc điện tử của chất bị hấp phụ ít thay đổi, 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 vì
ranh giới giữa chúng khơng rõ rệt. Một số trường hợp tồn tại đồng thời cả hai hình 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) thì 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
q=

C0 − Ccb
.V
m

9

(2.2)


Trong đó:

q: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g).
V: Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l).
m: Khối lượng chất hấp phụ (g).
C0: 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.
H=
Trong đó:

C0 − Ct

. 100
C0

(2.3)

H: hiệu suất hấp phụ (%)

C0: 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 hóa 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 khơng có lợi cho q
trình hấp phụ.

10


Phương pháp nhiệt: 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 mơ hình cơ bản của q trình hấp phụ
2.1.2.1Mơ hình động học hấp phụ

Đối với quá trình 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. Q trình hấp phụ cịn 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 q trình:
- Khuếch tán ngồi: 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