ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THÙY LINH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH,
METYL DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ ĐÀI SEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Thái Nguyên - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THÙY LINH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH,
METYL DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ ĐÀI SEN

Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Thị Hậu

Thái Nguyên - 2017

đã nhận được sự ủng hộ, giúp đỡ của các thầy cô giáo, bạn bè và gia đình.
Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Vũ Thị Hậu, cô giáo trực tiếp
hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa hóa học, khoa sau Đại
học, và Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ em
trong quá trình học tập, nghiên cứu..
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh,
ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hoàn thành quá
trình học tập và nghiên cứu.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của
bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu sót. Em rất mong
nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và
những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được
hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 04 năm 2017
Tác giả

Nguyễn Thùy Linh

ii


MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ
Lời cam đoan ..................................................................................................................i
Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii
Mục lục ........................................................................................................................ iii
Danh mục các từ viết tắt ...............................................................................................iv

1.6.2. Một số hướng nghiên cứu sử dụng cây sen làm VLHP .....................................23
1.7. Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu .............................................24
1.7.1. Phương pháp phổ hồng ngoại IR .......................................................................24
1.7.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .......................................................... 25
Chương 2. THỰC NGHIỆM ....................................................................................26
2.1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất ................................................................................26
2.1.1. Thiết bị và dụng cụ ............................................................................................ 26
2.1.2. Hóa chất .............................................................................................................26
2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ .......................................................................................27
2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu .........................................................................................27
2.2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ ....................................................................................27
2.3. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh, metyl da cam.......27
2.3.1. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylen xanh ......................27
2.3.2. Khảo sát cực đại hấp thụ ánh sáng của dung dịch metyl da cam ......................28
2.4. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ............................................................ 28
2.4.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metylen xanh ............................ 28
2.4.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metyl da cam ............................ 28
2.5. Một số đặc trưng của VLHP .................................................................................28
2.5.1. Khảo sát đặc điểm bề mặt của VLHP ................................................................ 28
2.5.2. Phổ hồng ngoại IR ............................................................................................. 28
2.5.3. So sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP .......................................29
2.5.4. Xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo được............................................29
2.6. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh,
metyl da cam của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh ...........................................29
2.6.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH ...............................................................................29
2.6.2. Ảnh hưởng của khối lượng ................................................................................30
2.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP ...............30
2.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................31
2.6.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ................................................................ 31
2.7. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh,

của VLHP theo phương pháp hấp phụ động................................................................ 54
3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metyl da cam
của VLHP theo phương pháp hấp phụ động................................................................ 57
KẾT LUẬN .................................................................................................................59
TÀI LIỆUTHAM KHẢO .......................................................................................... 60

v


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TT

Từ viết tắt

Nội dung

1

BET

Brunauer-Emmet-Teller

2

SEM

Hiển vi điện tử quét

3

Bảng 3.1: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh ở các bước
sóng khác nhau ........................................................................................... 33
Bảng 3.2: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl da cam ở các bước
sóng khác nhau ........................................................................................... 34
Bảng 3.3: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh với các
nồng độ khác nhau ......................................................................................35
Bảng 3.4: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl da cam với các
nồng độ khác nhau ......................................................................................35
Bảng 3.5 : Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP ..................40
Bảng 3.6: Số liệu xác định điểm đẳng điện của VLHP ...............................................41
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ metylen
xanh, metyl da cam của VLHP ...................................................................42
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng VLHP/thể tích dung dịch (nồng độ đầu
xác định) đến khả năng hấp phụmetylen xanh, metyl da cam của VLHP ......45
Bảng 3.9. Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ metylen xanh, metyl
da cam của VLHP vào thời gian .................................................................48
Bảng 3.10: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ metylen
xanh, metyl da cam vào nhiệt độ ................................................................ 50
Bảng 3.11: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ của
VLHP vào nồng độ đầu ..............................................................................52
Bảng 3.12: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir ..................................54
Bảng 3.13: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metylen xanh ...........55
Bảng 3.14: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ metyl da cam ...........57

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Công thức cấu tạo của xanh metylen ............................................................. 7

Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam
vào thời gian .............................................................................................. 49
Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh
vào nhiệt độ ............................................................................................... 51
Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam
vào nhiệt độ ............................................................................................... 51
Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với metylen xanh .....53
Hình 3.20. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của metylen xanh ..........53
Hình 3.21. Đường đẳng nhiệt Langmuir của VLHP đối với metyl da cam.................53
Hình 3.22. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của metyl da cam ..........53
Hình 3.23. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ
metylen xanh ............................................................................................. 56
Hình 3.24. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ
metyl da cam ............................................................................................. 58

vii


MỞ ĐẦU
Môi trường là nhân tố có ảnh hưởng quyết định đến sự tồn tại và phát triển của
mỗi con người, mỗi quốc gia trên thế giới, chính vì vậy bảo vệ môi trường và đảm
bảo phát triển bền vững là vấn đề có tính sống còn của mỗi quốc gia. Trong những
năm gần đây cùng với sự phát triển của nền công nghiệp, các nhà máy khu chế xuất
ngày càng tăng. Mỗi năm những nhà máy, khu chế xuất này thải ra một lượng nước
thải lớn gây ô nhiễm môi trường. Nước ta là nước có ngành công nghiệp dệt nhuộm
phát triển vì vậy hàng năm nước thải của ngành công nhiệp này chiếm một lượng
đáng kể. Lượng nước thải này chứa nhiều chất hữu cơ mang màu độc hại nếu không
được xử lý, loại bỏ sẽ xâm nhập vào cơ thể tích tụ gây hại nghiêm trọng đến sức khỏe
con người, phá hủy cảnh quan môi trường tự nhiên.
Hiện nay, có rất nhiều phương pháp khác nhau để loại bỏ các chất hữu cơ

- Kết luận
- Tài liệu tham khảo

2


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm
1.1.1. Định nghĩa và phân loại thuốc nhuộm
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).
Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp. Hiện nay, con
người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp. Đặc điểm nổi bật của các loại
thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy. Màu sắc của thuốc
nhuộm có được là do cấu trúc hóa học. Một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm
bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu.
Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ electron π
không cố định như: > C = C <, > C = N -, - N = N -, - NO2, …
Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận electron như: - NH2, - COOH,
- SO3H, - OH, … đóng vai trò tăng cường của nhóm mang màu bằng cách dịch
chuyển năng lượng của hệ electron [20].
Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hoá học, màu sắc, phạm vi sử
dụng. Tùy thuộc cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng được phân loại thành các họ,
các loại khác nhau. Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất:
Phân loại theo cấu trúc hoá học: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm antraquinon,
thuốc nhuộm inđizo, thuốc nhuộm phenazin, thuốc nhuộm triarylmetan, thuốc nhuộm
phtaloxiamin.
Phân loại theo đặc tính áp dụng: thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lưu

liệu. Thuốc nhuộm axit có khả năng tự nhuộm màu tơ sợi protein (len, tơ tằm,
polyamit) trong môi trường axit. Xét về cấu tạo hoá học có 79% thuốc nhuộm axit
azo, 10% là antraquion, 5% là triarylmetan và 6% là lớp hoá học khác [20].
1.1.2. Tình trạng ô nhiễm do nước thải dệt nhuộm ở nước ta
Hiện nay, sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp ở các làng nghề đạt được
những thành tựu đáng kể nhưng do công nghệ lạc hậu, quy mô nhỏ lẻ nên chưa xử lý
được chất thải sau quá trình sản xuất dẫn đến ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng
ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng. Tại một số làng nghề như: Vạn Phúc, Dương Nội
(Hà Đông – Hà Nội), nhu cầu oxy hoá học (COD) trong các công đoạn tẩy, nhuộm đo
được từ 380 ÷ 890mg/L, cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 3 ÷ 8 lần, độ màu đo được là
750Pt - Co, cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Các vấn đề về sự ô nhiễm môi
trường dưới sự tác động của ngành công nghiệp dệt nhuộm đã gia tăng trong nhiều
năm qua. Các quá trình tẩy nhuộm có tỷ lệ mất mát chất tẩy nhuộm lên đến 50%.
Nguyên nhân của việc mất mát chất tẩy, nhuộm là do các chất này không bám dính

4


hết vào sợi vải, số phẩm nhuộm này sẽ đi theo đường nước thải ra ngoài. Vì vậy, việc
xử lý nước thải dệt nhuộm là vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu.
1.1.3. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may được trình bày trong
bảng 1.1 [18].
Bảng 1.1: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may
Giới hạn theo TCVN 2008
Thông số

TT

Đơn vị

30

50

4

COD

mg/L

75

150

Trong đó:
- Cột A quy định giá trị giới hạn của các thông số ô nhiễm trong nước thải công
nghiệp khi xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
- Cột B quy định giá trị giới hạn của các thông số ô nhiễm trong nước thải công
nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
Như vậy, nước thải công nghiệp nói chung và nước thải ngành dệt nhuộm nói
riêng, để đạt tiêu chuẩn cho phép thải ra môi trường sinh thái cần tuân thủ nghiêm
ngặt khâu xử lý các hóa chất gây ô nhiễm môi trường có mặt trong nước thải.
1.1.4. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm tổng hợp có từ lâu và ngày càng được sử dụng nhiều trong các
ngành công nghiệp dệt may, giấy, cao su, mỹ phẩm.... do dễ sử dụng, giá thành rẻ,
màu sắc đa dạng so với màu tự nhiên. Tuy nhiên, hầu hết các thuốc nhuộm sử
dụng trong ngành công nghiệp dệt may đều có độ độc tính cho môi trường sống

5



6


Nguồn nước thải phát sinh trong công nghiệp dệt nhuộm từ các công đoạn hồ
sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất. Trong đó, lượng nước thải chủ yếu do quá
trình giặt sau mỗi công đoạn.
Bảng 1.2: Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm [16]
Sản xuất vải sợi bông

Sản xuất vải sợi pha

Sản xuất vải, sợi len và pha

(tổng hợp/bông, visco)

(tổng hợp/len)

Giũ hồ

Giũ hồ

Giặt

Giặt

Giặt

Cacbon hóa (với len 100%)



Hình 1.1. Công thức cấu tạo của xanh metylen
Metylen xanh có phân tử khối là 319,85 g/mol. Nhiệt độ nóng chảy là: 100 110°C. Khi tồn tại dưới dạng ngậm nước (C16H18N3SCl.3H2O) trong điều kiện tự
nhiên, khối lượng phân tử của metylen xanh là 373,9 g/mol [17].

7


Metylen xanh là một chất màu thuộc họ thiozin, phân ly dưới dạng cation
MB+ là C16H18N3S+:

Hình 1.2. Công thức cấu tạo cation MB+
Metylen xanh có thể bị oxy hóa hoặc bị khử và mỗi phân tử bị oxy hóa và bị
khử khoảng 100 lần/giây. Quá trình này làm tăng tiêu thụ oxy của tế bào.

Hình 1.3. Dạng oxy hóa và dạng khử của xanh metylen
Metylen xanh là một loại thuốc nhuộm bazơ cation, là hóa chất được sử dụng
rộng rãi trong các ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ, sản xuất mực in. Metylen xanh bị
hấp thụ rất mạnh bởi các loại đất khác nhau. Trong môi trường nước, metylen xanh bị
hấp thu vào vật chất lơ lửng và bùn đáy ao và không có khả năng bay hơi ra ngoài
môi trường nước ở bề mặt nước. Nếu thải metylen xanh vào trong không khí, nó sẽ
tồn tại cả ở dạng hơi và bụi lơ lửng [20].
1.2.2. Metyl da cam
Metyl da cam là một chất bột tinh thể màu da cam, không tan trong dung môi hữu
cơ, khó tan trong nước nguội nhưng dễ tan trong nước nóng. Metyl da cam là một
monoazo thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, dệt may và các ngành công
nghiệp khác. Metyl da cam có thể xâm nhập vào cơ thể qua đường ăn uống, chuyển
hóa thành các amin thơm bằng vi sinh đường ruột và thậm chí có thể dẫn tới ung thư

8

Trong môi trường axit, anion này kết hợp với proton (H  ) chuyển thành cation
màu đỏ:
H3C
N

N

H
N

SO3H

H3C

1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ
1.3.1. Các khái niệm
1. 1 1

h

h

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí-rắn, lỏng-rắn,
khí-lỏng, lỏng-lỏng). Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút
các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi
pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ.
Tu theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ,
người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học. Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực
Vander


vi sinh [2].
1 1

ung

ng h

h

n

ng

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 ở điều kiện xác định về nồng độ và
nhiệt độ.
Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:
q

(Co  C cb ).V
m

10

(1.1)


Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g).
V: thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l).



Vùng 1 (Đầu vào nguồn xử lý): Chất hấp phụ đã bão hòa và đạt trạng thái cân
bằng. Nồng độ chất bị hấp phụ ở đây bằng nồng độ của nó ở lối vào.
Vùng 2 (Vùng chuyển khối): Nồng độ chất bị hấp phụ thay đổi từ giá trị nồng
độ ban đầu tới không.
Vùng 3 (Vùng lối ra của cột hấp phụ): Vùng mà quá trình hấp phụ chưa xảy ra,
nồng độ chất bị hấp phụ bằng không.
Khi thời gian thực hiện quá trình hấp phụ tăng lên thì vùng hấp phụ dịch
chuyển theo chiều dài của cột hấp phụ. Chất hấp phụ sẽ xuất hiện ở lối ra khi vùng
chuyển khối chạm tới đáy cột. Đây là thời điểm cần dừng quá trình hấp phụ để nồng
độ của chất bị hấp phụ ở lối ra không vượt quá giới hạn cho phép. Tiếp theo cột hấp
phụ được giải hấp để tiếp tục thực hiện quá trình hấp phụ.

C
Co

O

t

Hình 1.5. Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ trên cột hấp
phụ theo thời gian
Tại điểm cuối của cột hấp phụ, nồng độ của chất bị hấp phụ xuất hiện và tăng
dần theo thời gian. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nồng độ của chất bị hấp phụ trên cột
hấp phụ theo thời gian được gọi là đường cong thoát và có dạng như hình 1.5.
1.3.3. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ
1.3.3 1

h nh


dx
  (C0  Ccb )  k(q max  q)
dt

(1.4)

Trong đó:
x: nồng độ chất bị hấp phụ (mg/l).
t: thời gian (giây).
: hệ số chuyển khối.
Co: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm ban đầu (mg/l).
Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm t (mg/l).
k: hằng số tốc độ hấp phụ.
q: dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g).
qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g).
Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren

dqt
 k1 ( qe  qt )
dt

(1.5)

Dạng tích phân của phương trình trên là:

lg( qe  qt )  lg qe 

k1
t

1.3.3 2

á m h nh

ng nhiệt h

h

Có thể mô tả quá trình hấp phụ dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ. Đường
đẳng nhiệt hấp phụ biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời điểm
vào nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch tại thời điểm đó ở một
nhiệt độ xác định. Đường đẳng nhiệt hấp phụ được thiết lập bằng cách cho một lượng
xác định chất hấp phụ vào một lượng cho trước dung dịch có nồng độ đã biết của chất
bị hấp phụ.
Với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng thì đường đẳng nhiệt
hấp phụ được mô tả qua các phương trình đẳng nhiệt: phương trình đẳng nhiệt hấp
phụ Henry, phương trình đẳng nhiệt hấp phụ reundlich và phương trình đẳng nhiệt
hấp phụ Langmuir,.... [11].
h nh

ng nhiệt h

h

ny

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry: là phương trình đẳng nhiệt đơn giản
mô tả sự tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và
nồng độ (áp suất) của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng:
a = K. P