TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC

BÙI THỊ THU

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NANOCLAY
HỮU CƠ LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ
THUỐC NHUỘM
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

Chuyên ngành: Hoá công nghệ - Môi trường

Người hướng dẫn khoa học:

TS. Phạm Thị Thu Hà

HÀ NỘI - 2014


LỜI CẢM ƠN
Khóa luận này được hoàn thành tại Phòng vật liệu Polyme – Viện Hóa
học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Phạm Thị Thu Hà đã tận tình
hướng dẫn em trong quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận này.
Trong thời gian thực hiện khóa luận này, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản
thân, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình, những ý kiến đóng góp, chỉ bảo
quý báu của các anh chị tại Phòng Vật liệu Polyme - Viện Hoá Học - Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến
các anh chị đã dành cho em sự giúp đỡ quý báu đó.
Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Quản lý khoa học, Ban
Chủ nhiệm Khoa Hóa học- Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, nơi em đã


khoảng cách giữa các lớp aluminosilicat của

montmorilonit chứa ankyl amoni theo độ dài mạch cacbon (n c) do sự tạo
thành các lớp đơn, các lớp kép, và các lớp giả tam phân tử của các ion ankyl
amoni...............................................................................................................25
Hình 1.11.
Các cách tập hợp đuôi ankyl được Vaia và các cộng sự

(1994) đưa

ra......................................................................................................................27
Hình 1.12. Mẫu phân tử của các chất hoạt động bề mặt với các độ dài mạch
khác nhau thâm nhập vào trong các sét có dung tích trao đổi
cation khác nhau..............................................................................................28
Hình 2.13. Công thức cấu tạo của Methylene Blue.........................................34
Hình 2.14. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir............................................38
Hình 2.15. Đồ thị để tìm các hằng số trong phương trình Langmuir..............39
Hình 2.16. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich..........................................40
Hình 2.17. Đồ thị để tìm các hằng số trong phương trình Freundlich.............40


Hình 3.18. Phương trình đường chuẩn Methylene Blue.................................43
Hình 3.19. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ.....................................44
Hình 3.20. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ............................46
Hình 3.21. Sự biến đổi lượng chất bị hấp phụ theo thời gian ở các nồng độ
thuốc nhuộm ban đầu khác nhau.....................................................................48
Hình 3.22. Đường đẳng nhiệt Freundlich ở 25oC............................................
Hình 3.23. Đường đẳng nhiệt Langmuir ở 25oC.............................................
Hình 3.24. Đường đẳng nhiệt Freundlich ở 35oC............................................

Bảng 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ theo thời gian.............................45
Bảng 3.5. Dung lượng hấp phụ ở các nhiệt độ khác nhau theo thời gian
.........................................................................................................................46
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ thuốc nhuộm ban đầu và thời gian đến quá
trình hấp phụ....................................................................................................47
Bảng 3.7. Kết quả tính các hằng số trong hai mô hình Langmuir và
Freundlich của thuốc nhuộm MB ở các nhiệt độ khác nhau
.........................................................................................................................
51
Bảng 3.8. Các thông số động học của quá trình hấp phụ................................55
Bảng 3.9. Thông số nhiệt động học của quá trình hấp phụ tại các nhiệt độ
khác nhau.........................................................................................................57


MỤC LỤC


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt
nghiệp

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Phẩm nhuộm hữu cơ là một trong những chất gây ô nhiễm nặng nguồn
nước. Các ngành công nghiệp dệt nhuộm, giấy, chất dẻo, thực phẩm, mỹ phẩm
thường sử dụng phẩm màu. Có khoảng 10.000 loại thuốc nhuộm,với số lượng
trên 7x105 tấn được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới hàng năm. Các hóa chất
này gây độc hại cho các sinh vật sống dưới nước. Đã có nhiều phương pháp từ
vật lý, hóa học, hóa lý đến vi sinh học được sử dụng như:

2. Mục đích của đề tài
Đề tài này được thực hiện với mục đánh giá khả năng xử lý thuốc nhuộm
của khoáng sét biến tính (nanoclay hữu cơ).
3. Phương pháp nghiên cứu
- Đánh giá ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ
- Động học quá trình hấp phụ
- Đẳng nhiệt hấp phụ
- Năng lượng hoạt hóa của quá trình hấp phụ

Bùi Thị Thu

10

K36B – CN Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt
nghiệp

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về ngành dệt nhuộm và quy trình dệt nhuộm
1.1.1. Khái quát về thuốc nhuộm [1, 2]
Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, 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). Ngoài ra các hợp chất
có màu còn phải đáp ứng các yêu cầu khác như có độ bền màu, không độc hại
trong tổng hợp và sử dụng, áp dụng dễ dàng, có giá thành chấp nhận được.
1.1.2. Phân loại thuốc nhuộm

* Phân loại theo đặc tính áp dụng
Đây là cách phân loại các loại thuốc nhuộm thương mại đã được thống
nhất trên toàn cầu là liệt kê trong bộ đại từ điển về thuốc nhuộm: Color Index,
trong đó mỗi thuốc nhuộm được chỉ dẫn về cấu tạo hóa học, đặc điểm về màu
sắc và phạm vi sử dụng. Theo cách phân loại này, một số loại thuốc nhuộm
chính được dùng trong công nghiệp dệt là:
- Thuốc nhuộm trực tiếp: thuốc nhuộm trực tiếp hòa tan trong nước.
Nhưng ở nhiệt độ dưới 250C khó hòa tan hơn. Những thuốc nhuộm dễ hòa tan
trong nước có thể hòa tan tối đa đến 40 g/l (thông thường 20-25 g/l). Một số
màu chỉ dễ hòa tan trong môi trường kiềm yếu.
Về màu sắc, thuốc nhuộm trực tiếp có đủ các gam màu từ vàng đến đen,
màu của chúng tươi, được sử dụng để nhuộm, hoặc in hoa chủ yếu trên các
loại vật liệu từ xenlulozơ như: vải sợi bông, nhựa vixco, đay, gai,…Có một số
màu được sử dụng để nhuộm tơ tằm.
Khi nhuộm hoặc in hoa các vật liệu kể trên, thuốc nhuộm trực tiếp bắt
màu thẳng vào vật liệu không qua khâu xử lý trung gian. Dạng tổng quát: ArSO3Na. Khi hòa tan trong nước, nó phân ly cho về dạng anion thuốc nhuộm và
bắt màu vào sợi.
- Thuốc nhuộm axit: có công thức quát cũng giống như thuốc nhuộm
trực tiếp nhưng vì phân tử của chúng nhỏ hơn nên chúng dễ dàng hòa tan
trong nước hơn. Nhiều trường hợp hòa tan triệt để ngay ở điều kiện thường.
Thuốc nhuộm axit có tên gọi như vậy vì chúng bắt màu vào vật liệu trong môi
trường axit.
Thuốc nhuộm axit dùng để nhuộm và in hoa những loại xơ sợi và vật
liệu cấu tạo từ protein, nghĩa là trong phân tử của chúng có chứa nhóm amin
tự do như: len, lụa tơ tằm, lông thú, lông gà vịt, da thuộc và xơ tổng hợp họ

Bùi Thị Thu

12



Bùi Thị Thu

13

K36B – CN Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt
nghiệp

màu mạnh vào xơ polyacrylnitril và chỉ dùng cho thuốc nhuộm in hoa các loại
vải, hàng dệt kim từ loại xơ này. Chúng bắt màu tốt ở nhiệt độ 90- 1000C.

Hình 1.2. Thuốc nhuộm cation methylene blue
- Thuốc nhuộm phân tán: không chứa các nhóm tạo cho thuốc nhuộm
tính tan, độ hòa tan trong nước rất thấp. Trong phân tử chứa nhóm amin ở
dạng tự do, hay đã ankyl hóa nên thuốc nhuộm trung tính hay tính bazơ yếu.
Dùng cho xơ xenllulo acetate, polyamine và polyeste.
- Thuốc nhuộm lưu hóa: là những hợp chất màu không tan trong nước
và một số dung môi hữu cơ, dưới tác dụng của chất khử nó chuyển về dạng
axit, tan trong môi trường kiềm tạo dạng bazơ dễ bị phân hủy và oxy hóa về
màu. Thuốc nhuộm lưu huỳnh có màu kém tươi, độ bền không cao, dùng để
nhuộm các loại vải, xơ xenlulo… Không nhuộm được len và tơ tằm vì dung
dịch có tính kiềm mạnh.
- Thuốc nhuộm hoàn nguyên: Tạo ra hầu hết các ánh màu và đặc biệt
quan trọng trong khâu nhuộm vải có nguồn gốc xenlulo. Chúng là hợp chất
hữu cơ không tan trong nước, chứa nhóm xeton và có dạng tổng quát:

Ví dụ:

Hình 1.3. Phân tử thuốc nhuộm hoạt tính RY145

Hình 1.4. Phân tử thuốc nhuộm hoạt tính RB19
Bùi Thị Thu

15

K36B – CN Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt
nghiệp

Là loại thuốc nhuộm duy nhất có liên kết cộng hóa trị với xơ sợi tạo độ
bền màu giặt và độ bền màu ướt rất cao nên thuốc nhuộm hoạt tính là một
trong những thuốc nhuộm được phát triển mạnh mẽ nhất trong thời gian qua,
đồng thời là lớp thuốc nhuộm quan trọng nhất để nhuộm vải sợi bông và thành
phần bông trong vải sợi pha.
Tuy nhiên, thuốc nhuộm hoạt tính có nhược điểm là: trong điều kiện
nhuộm, khi tiếp xúc với vật liệu nhuộm (xơ sợi), thuốc nhuôm hoạt tính không
chỉ tham gia vào phản ứng với vật liệu mà còn bị thủy phân:
Tổng quát:
S – R – T – Y + HO-xơ → S – R – T– O – Xơ + HY
Do tham gia vào phản ứng thủy phân nên phản ứng giữa thuốc nhuộm
và xơ sợi không đạt hiệu quả 100%. Để đạt độ bền màu giặt và độ bền màu tối
ưu, hàng nhuộm được giặt hoàn toàn để loại bỏ phần thuốc nhuộm dư và phần

mang màu. Họ thuốc nhuộm này phổ biến thứ 3, chiếm 3% tổng số lượng
thuốc nhuộm.

Hình 1.6. Công thức cấu tạo của Diaryl metan

Hình 1.7. Công thức cấu tạo của Triaryl metan
- Thuốc nhuộm phtaloxianin: Hệ mang màu trong phân tử của chúng là
hệ liên hợp khép kín. Đặc điểm chung của họ thuốc nhuộm này là những
nguyên tử H trong nhóm imin dễ dàng bị thay thế bởi ion kim loại, còn các
nguyên tử N khác thì tham gia tạo phức kim loại màu sắc của thuốc nhuộm
thay đổi. Họ thuốc nhuộm này có độ bền màu với ánh sáng rất cao, chiếm
khoảng 2% tổng số lượng thuốc nhuộm.

Bùi Thị Thu

17

K36B – CN Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt
nghiệp

1.1.3. Quy trình dệt nhuộm
1.1.3.1. Sơ đồ quy trình công nghệ [4]
- Nấu vải:
Là quá trình loại trừ hồ còn lại và đại bộ phận các tạp chất thiên nhiên
của xơ sợi, tách dầu mỡ từ cách nấu vải trong dung dịch kiềm và chất tẩy giặt

Làm sạch, kéo sợi, đánh ống

H2O, tinh bột, phụ

Hồ sợi

gia,

Nước thải chứa hồ
tinh bột, hóa chất

Dệt vải

Giũ hồ

Enzim, NaOH

thủy phân, NaOH

NaOH, hóa chất,

Nấu

hơi nước
H2SO4,H2O,

Nước thải hồ tinh bột bị

Xử lý axit,



Nước thải

Giặt

Nước thải

H2SO4,H2O2,chất
tẩy giặt

Hơi nước, hóa chất

- Nhuộm vải:

Hoàn tất, văng

Nước thải

khổ
Sản phẩm

Bùi Thị Thu

19

K36B – CN Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2


K36B – CN Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt
nghiệp

Bảng 1.1. Các chất gây ô nhiễm và đặc tính của nước thải ngành dệt
nhuộm[4]
Công
đoạn
Hồ sợi,
giũ hồ

Nấu, tẩy

Tẩy trắng

Chất ô nhiễm trong nước
thải
Tinh bột, glucozo, carboxy
xenlulozo, polyvinyl alcol, nhựa,
chất béo và sáp
NaOH, chất sáp và dầu mỡ,
soda, silicat natri và xơ sợi vụn
Hipoclorit, hợp chất chứa
clo, NaOH, AOX, axit…

Làm bóng

thiện
muối
thấp, lượng nhỏ
Trong các nguồn phát sinh nước thải của nhà máy dệt nhuộm, nước thải
công đoạn nhuộm là một trong những nguồn có mức độ ô nhiễm cao, thành
phần phức tạp, khó xử lý. Để xử lý tốt nước thải nhà máy dệt, cần phải có sự
nghiên cứu đầy đủ về các nguồn thải, trong đó đặc biệt cần quan tâm nước
thải công đoạn nhuộm vải.
1.1.3.3. Hiện trạng ô nhiễm nước thải dệt nhuộm
Theo các kết quả khảo sát, nước thải của các làng nghề dệt nhuộm đều
giàu chất hữu cơ: hàm lượng COD, BOD 5 cao gấp 2-15 lần QCVN. Ngoài ra,
nước thải có hàm lượng SS, tổng N và tổng P khá cao. Đặc biệt Coliform vượt
Bùi Thị Thu

21

K36B – CN Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt
nghiệp

QCVN hàng nghìn lần. Các làng nghề dệt nhuộm có lưu lượng nước thải khá
cao (200 – 1000m3/ngày). Và hầu hết không được xử lí trước khi thải vào môi
trường.
Bảng 1.2. Tổn thất thuốc nhuộm khi nhuộm các loại xơ sợi [3]
ST
T

10 ÷ 50
10 ÷ 40
5 ÷ 20

Hình 1.8. Hàm lượng COD, BOD5 và SS trong nước thải một số cơ sở
làng nghề dệt nhuộm, ươm tơ, dệt vải [6]
N1: Nước thải cơ sở ươm tơ hộ ông Nguyễn Một, Đông Yên, Duy
Xuyên, Quảng Nam
N2: Nước thải cơ sở ươm tơ hộ ông Đoàn Giáp, Đông Yên, Duy Xuyên,
Quảng Nam

Bùi Thị Thu

22

K36B – CN Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt
nghiệp

N3: Nước thải cơ sở ươm tơ hộ ông Đoàn Giáp, Đông Yên, Duy Xuyên,
Quảng Nam
N4: Nước thải htx dệt may Duy Trinh, làng nghề ươm tơ dệt vải Phú
Bông Thi Lai, Quảng Nam
N5: Nước thải cơ sở ươm tơ hộ ông Thắng, Cổ Chất, Nam Định
N6: Nước thải cơ sở Doanh nghiệp Đại Hòa-Nam Cao-Thái Bình
N7: Nước thải tổng hợp từ các cơ sở dệt nhuộm Thái Phương-Thái Bình


1.2.1. Phương pháp hóa lý
Các phương pháp hóa lý đơn thuần có đặc điểm chung là chuyển chất ô
nhiễm (chất màu) từ pha này sang pha khác mà không làm biến đổi bản chất,
cấu trúc chất màu. Do đó, trong xử lý chất màu thì các phương pháp hóa lí có
nhược điểm chung là không xử lí triệt để chất màu để chuyển chúng thành các
chất không gây ô nhiễm hoặc các chất dễ phân hủy sinh học hơn.
1.2.1.1. Phương pháp keo tụ
Phương pháp keo tụ để xử lý chất màu dệt nhuộm là phương pháp tách
loại chất màu gây ô nhiễm ra khỏi nước dựa trên hiện tượng keo tụ.
Về nguyên tắc, do có độ phân tán lớn, diện tích bề mặt riêng lớn nên
các hạt keo có xu hướng hút nhau nhờ các lực bề mặt. Song, do các hạt keo
cùng loại tích điện cùng dấu đặc trưng bằng thế zeta (ξ) nên các hạt keo luôn
đẩy nhau bởi lực đẩy tĩnh điện, ngăn chúng hút nhau tạo hạt lớn hơn và lắng
xuống. Như vậy thế ξ càng lớn hệ keo càng bền (khó kết tủa), thế ξ càng nhỏ
hạt keo càng dễ bị keo tụ, trong trường hợp lý tưởng khi ξ bằng 0 thì hạt
không tích điện và dễ dàng hút nhau bởi lực bề mặt tạo hạt lớn hơn có thể lắng
được. Đó là cơ sở của phương pháp keo tụ.
Để thực hiện keo tụ hệ keo, có thể sử dụng các cách:
- Phá tính bền của hệ keo do lực đẩy tĩnh điện bằng cách thu hẹp lớp
điện kép tới thế ξ = 0, điều này được thực hiện khi cho hạt keo hấp
phụ đủ điện tích trái dấu để trung hòa điện tích hạt keo. Điện tích
trái dấu này thường là các ion kim loại đa hóa trị trong các muối vô
cơ (chất keo tụ).
- Tạo điều kiện để cho hạt keo va chạm với các bông kết tủa của
chính chất keo tụ nhờ hiện tượng hấp phụ- bám dính (hiệu ứng
quét)
- Dùng những chất cao phân tử - chất trợ keo tụ - để “khâu” (hấp
Bùi Thị Thu


Điểm khác biệt giữa ba kỹ thuật trên là kích thước hạt mà chúng có thể lọc
được. Tuy với những ưu điểm trên nhưng giá thành của màng, thiết bị lọc cao
và năng suất thấp do thuốc nhuộm lắng xuống làm bẩn màng.
1.2.1.3. Phương pháp hấp phụ
Hấp phụ là phương pháp được nghĩ đến nhiều trong xử lý thuốc nhuộm
hoạt tính. Vì chi phí giá thành xử lý thấp, không dùng hóa chất để xử lý, dễ
vận hành khi lắp đặt. Tuy nhiên, bên cạnh đó nhược điểm của phương pháp
Bùi Thị Thu

25

K36B – CN Hóa