TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THỊ THANH TÚ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP THỤ
METHYL ĐỎ TRONG DUNG DỊCH
NƯỚC CỦA CÁC VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA VÀ THỬ
NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
Thái Nguyên, 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ THANH TÚ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYL ĐỎ TRONG
DUNG DỊCH NƯỚC CỦA CÁC VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO
TỪ BÃ MÍA VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: Hoá phân tích
Mã số: 60.44.29

1.2.3. Động học hấp phụ. 11
1.2.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 12
1.3. Giới thiệu về phương pháp phân tích trắc quang. 15
1.3.1. Cơ sở của phương pháp phân tích trắc quang 16
1.3.2. Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang 17
1.4. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ (VLHP) bã mía 18
1.5. Một số hướng nghiên cứu sử dụng bã mía làm VLHP xử lý môi trường 19
Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ 22
2.1. Hóa chất và thiết bị 22
2.1.1. Hoá chất 22
2.1.2. Thiết bị 23
2.2. Chế tạo và khảo sát một số đặc trưng cấu trúc của các VLHP 23
2.2.1. Chế tạo các VLHP từ bã mía 23
2.2.2. Một số đặc trưng cấu trúc của các VLHP 24
2.3. Định lượng metyl đỏ 28
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2
2.4. Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và các VLHP 29
2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của các VLHP 30
2.5.1. Ảnh hưởng của pH 30
2.5.2. Ảnh hưởng của thời gian 32
2.5.3. Ảnh hưởng của khối lượng các VLHP 36
2.5.4. Ảnh hưởng của kích thước các VLHP 39
2.5.5. Ảnh hưởng của nồng độ metyl đỏ ban đầu 40
2.5.6. So sánh khả năng hấp phụ của VLHP 2 với than hoạt tính 44
2.6. Xử lý thử 3 mẫu nước thải chứa metyl đỏ 45
KẾT LUẬN 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO 49
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn


4
1. Chế tạo các VLHP từ bã mía.
2. Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng
hấp phụ của các VLHP chế tạo từ bã mía đối với metyl đỏ trong môi
trường nước
3. Thử xử lí một số mẫu nước thải chứa metyl đỏ bằng các VLHP chế
tạo được.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn


6
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 điện tử  không cố định
như:
CC  
,
CN  
,
NN  
,
2
NO
… Nhóm trợ màu là những
nhóm thế cho hoặc nhận điện tử như:
2
NH
,
OOCH
,
3
SO H
,
OH
…
đóng vai trò tăng cường màu của nhóm mang màu bằng cách dịch chuyển
năng lượng của hệ điện tử [5].
- Khái quát về một số loại thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hoá học, màu sắc,
phạm vi sử dụng. Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất:

3
–
+ Na
+
, anion mang
màu thuốc nhuộm tạo liên kết ion với tâm tĩnh điện dương của vật liệu. Thuốc
nhuộm axit có khả năng tự nhuộm màu xơ sợi protein (len, tơ tằm, polyamit)
trong môi trường axit. Xét về cấu tạo hoá học có 79% thuốc nhuộm axit azo,
10% là antraquinon, 5% là triarylmetan và 6% là lớp hoá học khác.
1.1.2. Thuốc nhuộm azo
Thuốc nhuộm azo chứa nhóm azo (
NN  
) trong phân tử và các
nhóm trợ màu tuỳ theo đặc tính của nhóm trợ màu. Nếu nhóm trợ màu mang
tính bazơ có các nhóm đẩy electron mạnh như –NH
2
, –NR
2
… gọi là thuốc
nhuộm azo-bazơ. Nếu nhóm trợ màu có tính axit do các nhóm thế – OH, –
COOH, –SO
3
H gọi là thuốc nhuộm azo-axit. Đây là họ thuốc nhuộm quan
trọng nhất và có số lượng lớn nhất chiếm khoảng 60-70% số lượng các thuốc
nhuộm tổng hợp [5], [6].
Phần lớn thuốc nhuộm được sử dụng là thuốc nhuộm azo. Đây là phẩm
nhuộm có màu sắc tươi sáng do sự hiện diện của một hoặc một vài nhóm azo
()NN
tạo hệ liên hợp với cấu trúc nhân thơm. Metyl đỏ là một monoazo
thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, dệt may và các ngành công nghiệp

Ngoài ra, một số thuốc nhuộm hoặc chất chuyển hoá của chúng rất độc hại có
thể gây ung thư (như thuốc nhuộm Benzidin, Sudan). Các nhà sản xuất châu
Âu đã ngừng sản suất loại này, nhưng trên thực tế chúng vẫn được tìm thấy
trên thị trường do giá thành rẻ và hiệu quả nhuộm màu cao [10].
1.1.4. Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm
Quá trình xử lý hóa học vật liệu gồm xử lý ướt và xử lý khô. Xử lý ướt
gồm: xử lý trước, tẩy trắng, làm bóng nhuộm, in hoa. Công đoạn xử lý ướt sử
dụng nhiều nước, nói chung để xử lý hoàn tất 1kg hàng dệt cần 50

300lít
nước tùy chủng loại vật liệu và máy móc thiết bị. Hầu hết lượng nước này cỡ
88,4% sẽ thải ra ngoài, 11,6% lượng nước bay hơi trong quá trình gia công.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

9
Bảng 1.1 Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải
công nghiệp dệt nhuộm[8]

Sản xuất vải
sợi bông
Sản xuất vải sợi pha
(tổng hợp/bông, visco)
Sản xuất vải, sợi len và pha
(tổng hợp/len)
Giũ hồ
Giũ hồ
Giặt
Giặt
Giặt
Cacbon hóa (với len 100%)

CO
3
, Na
2
SO
3
… các loại thuốc
nhuộm, các chất trợ, chất ngấm, chất cầm màu, chất tẩy giặt. Lượng hoá chất
sử dụng với từng loại vải, từng loại màu thường khác nhau và chủ yếu đi vào
nước thải của từng công đoạn tương ứng [3].
1.2. Giới thiệu về phƣơng pháp hấp phụ.
1.2.1. Hiện tượng hấp phụ.
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí-rắn,
lỏng-rắn, khí- lỏng, lỏng-lỏng). Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

10
được gọi là chất hấp phụ; còn chất được tích luỹ trên bề mặt chất hấp phụ gọi
là chất bị hấp phụ.
Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất hấp
phụ và chất bị hấp phụ. Tuỳ theo bản chất của lực tương tác mà người ta phân
biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học [1], [3], [4].
1.2.1.1. Hấp phụ vật lý.
Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử,
phân tử, các ion ) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls
yếu. Đó là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm
ứng và lực định hướng. Lực liên kết này yếu nên dễ bị phá vỡ.
Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không
tạo thành hợp chất hoá học (không hình thành các liên kết hoá học) mà chất bị
hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt

năng hấp phụ trên VLHP đối với các chất hữu cơ có độ tan cao sẽ yếu hơn với
các chất hữu cơ có độ tan thấp hơn. Như vậy, từ độ tan của chất hữu cơ trong
nước có thể dự đoán khả năng hấp phụ chúng trên VLHP.
Phần lớn các chất hữu cơ tồn tại trong nước dạng phân tử trung hoà, ít
bị phân cực. Do đó 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 dung dịch, lượng chất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ… [5].
1.2.3. Động học hấp phụ.
Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt
của chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các
giai đoạn kế tiếp nhau:
♦ Các chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt chất hấp phụ - Giai đoạn
khuếch tán trong dung dịch.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

12
♦ Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ
chứa các hệ mao quản - Giai đoạn khuếch tán màng.
♦ Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ -
Giai đoạn khuếch tán vào trong mao quản.
♦ Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ - Giai đoạn
hấp phụ thực sự.
Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ
quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình hấp phụ [1], [3], [4].
1.2.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ.
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phân tử chất bị
hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược
lại pha mang. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất
rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược lại pha mang càng lớn. Đến một
thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ


Vật lí và hóa học
Henry
.v k p=

Vật lí và hóa học
Freundlich
1
.
n
v k p=
, (n>1)
Vật lí và hóa học
Shlygin-Frumkin-Temkin
1
ln .
o
v
Cp
v
a
m
=

Hóa học
Brunauer-Emmett-Teller
(BET)
( )
( )
1

14
♦ 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 Langmuir nêu ở bảng 1.2 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 phương trình Langmuir được biểu diễn
như sau:

ax
1
cb
m cb
q bC
q bC



(1.2)
Trong đó:
q
,
axm
q
: dung lượng hấp phụ cân bằng, dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

: độ che phủ
b
: hằng số Langmuir
cb

.
cb
cb
mm
C
C
q b q q

(1.3)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

15
Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của
cb
C
q
vào
cb
C
sẽ xác định được các
hằng số:
b
,
axm
q
trong phương trình. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và
đồ thị sự phụ thuộc của
cb
C

q
vào
cb
C

ax
ax
11
m
m
tg q
q tg


  

;
ax
1
.
m
ON
qb
1.3. Giới thiệu về phƣơng pháp phân tích trắc quang
Phương pháp trắc quang là phương pháp phân tích được sử dụng phổ
biến nhất trong các phương pháp phân tích hóa lý. Bằng phương pháp này có
thể định lượng nhanh chóng với độ nhạy và độ chính xác cao. Thực tế phương

Cơ sở của phương pháp là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer-
Lambert-Beer. Biểu thức của định luật:
o
I
A = lg = εLC
I
(1.3)
Trong đó:
I
o
, 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 quang 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 dung dịch và nồng độ chất hấp thụ ánh sáng.
( )
A = f λ,L,C
(1.4)
Do đó nếu đo A tại một bước sóng
λ
nhất định với cuvet có bề dày L
xác định thì đường biểu diễn A = f(C) phải có dạng y = a.x là một đường
thẳng. Tuy nhiên, do những yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng của
dung dịch (bước sóng của ánh sáng tới, sự pha loãng dung dịch, nồng độ H

ε
= const và L = const. Đặt
K = k.ε.L
ta có:
b
λ
A = K.C
(1.6)
Phương trình (1.5) là cơ sở để định lượng các chất theo phép đo phổ
hấp thụ quang phân tử UV-Vis (phương pháp trắc quang). Trong phân tích
người ta chỉ sử dụng vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C, vùng tuyến tính
này rộng hay hẹp phụ thuộc vào bản chất hấp thụ quang của mỗi chất và các
điều kiện thực nghiệm [2], [4].
1.3.2. Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang
Có nhiều phương pháp khác nhau để định lượng một chất bằng phương
pháp trắc quang. Từ các phương pháp đơn giản không cần máy móc như:
phương pháp dãy chuẩn nhìn màu, phương pháp chuẩn độ so sánh màu,
phương pháp cân bằng màu bằng mắt… các phương pháp này đơn giản,
không cần máy móc đo phổ 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 các
chất nào đó xem 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 chuẩn độ trắc quang, phương pháp cân bằng, phương pháp thêm,
phương pháp vi sai,… Tùy theo từng điều kiện và đối tượng phân tích cụ thể
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

18
mà ta chọn phương pháp thích hợp. Trong đề tài này chúng tôi sử dụng
phương pháp đường chuẩn để định lượng metyl đỏ.
Phương pháp đường chuẩn: Từ phương trình cơ sở A = k.(C

Trong tương lai khi mà rừng ngày càng giảm, nguồn nguyên liệu làm bột giấy
từ cây rừng giảm đi thì bã mía là nguyên liệu quan trọng để thay thế [9].
Bã mía chiếm khoảng 25 – 30% trọng lượng mía đem ép. Trong bã mía
trung bình chứa 49% là nước, 48% là xơ (trong đó 45 – 55% xenlulozơ),
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

19
2,5% chất hòa tan (đường) [7]. Tuỳ theo loại mía và đặc điểm nơi trồng mía
mà các thành phần hoá học có trong bã mía có thể biến đổi. Hàm lượng phần
trăm các thành phần hoá học chính của bã mía được chỉ ra trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Thành phần hoá học của bã mía [7]
Thành phần
% khối lượng
Xenlulozo
40 ÷ 50
Hemixenlulozo
20 ÷25
Lignin
18 ÷23
Chất hoà tan khác (tro, sáp, protein…)
5 ÷3

Xenlulozơ: Xenlulozơ là polisaccarit do các mắt xích
α
-glucozơ
[C
6
H
7

2+
, Pb
2+
trong
dung dịch nước. Dung lượng hấp phụ cực đại đối với Cu
2+
, Cd
2+
, Pb
2+
lần lượt
là 62mg/g, 106mg/g và 122mg/g.
Nhóm nghiên cứu ở trường đại học Putra (Malaysia) đã tiến hành
nghiên cứu và đề xuất qui trình xử lý bã mía thành VLHP để tách loại màu
trong dung dịch keo bằng phương pháp hấp phụ. Nghiên cứu này cho thấy
đây là một phương pháp có hiệu quả để loại bỏ màu trong nước thải và có
những điểm vượt trội so với những phương pháp khác vì quá trình xử lý
không để lại cặn và hoàn toàn loại bỏ được màu ra khỏi nước thải thậm chí cả
dung dịch loãng [13].
Các tác giả [14] đã tiến hành nghiên cứu và so sánh khả năng tách loại
các thuốc nhuộm axit trong dung dịch nước của các loại VLHP như: than bã
mía, than vỏ lạc, than lá chè… Kết quả thu được cho thấy các VLHP đều có
khả năng hấp phụ các thuốc nhuộm axit với hiệu suất khá cao.
Riêng đối với metyl đỏ còn có thể sử dụng các VLHP chế tạo từ các
phụ phẩm nông công nghiệp khác có thành phần hóa học chủ yếu giống như
bã mía để tách loại ra khỏi dung dịch nước. Nhóm nghiên cứu ở trường đại
học Karpagam (Ấn Độ) đã nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ hạt na, các
kết quả thu được cho thấy đây có thể là một lựa chọn hấp dẫn cho quá trình
tách loại phẩm nhuộm trong dung dịch loãng. Kết quả thử nghiệm được trên
nước thải nhuộm mô phỏng cho thấy hiệu suất hấp phụ của VLHP này là khá

THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ

2.1. HOÁ CHẤT VÀ THIẾT BỊ
2.1.1. Hoá chất
Các hoá chất dùng cho quá trình thí nghiệm đều có độ tinh khiết PA.
2.1.1.1. Dung dịch metyl đỏ 500mg/l
Cân một lượng chính xác metyl đỏ trên cân điện tử bốn số, hoà tan
bằng dung dịch cồn 60
o
, định mức đến thể tích cần thiết. Từ dung dịch gốc
này có thể pha các dung dịch metyl đỏ có nồng độ cần thiết.
2.1.1.2. Dung dịch cồn 60
o

Dung dịch cồn 60
o
được pha từ dung dịch cồn tinh khiết 99,99
o
, hoà tan
bằng nước cất hai lần, định mức đến thể tích cần thiết.
2.1.1.3. Dung dịch fomanđêhit 1%
Dung dịch fomanđêhit được pha từ dung dịch fomanđêhit tinh khiết
99,99%, hoà tan bằng nước cất hai lần, định mức đến thể tích cần thiết.
2.1.1.4. Dung dịch axit sunfuric đặc 98%
2.1.1.5. Dung dịch NaOH 0,01M
Dung dịch NaOH được pha từ ống chuẩn, hoà tan bằng nước cất hai
lần, định mức đến thể tích cần thiết.
2.1.1.6. Dung dịch HCl 0,01M
Dung dịch HCl được pha từ ống chuẩn, hoà tan bằng nước cất hai lần,
định mức đến thể tích cần thiết.