Nghiên cứu đánh giá năng lực hấp phụ và ảnh hưởng của một số yếu tố đến năng lực hấp phụ màu trong nước thải dệt nhuộm của vật liệu diatomite phủ chitosan
ThS. Nguyễn Thị Thùy Trang; ThS. Nguyễn Thành Trung
Phân viện BHLĐ và BVMT Miền Trung
TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành đánh giá năng lực hấp phụ màu trong nước thải dệt nhuộm của vật liệu diatomite phủ chitosan. Năng lực hấp phụ màu nhuộm và một số các yếu tố ảnh hưởng đến năng lực hấp phụ của vật liệu như kích thước hạt vật liệu, tỷ lệ giữa lượng vật liệu hấp phụ/ thể tích dung dịch hấp phụ, pH và thời gian hấp phụ cũng được nghiên cứu. Kết quả cho thấy kích thước hạt vật liệu càng nhỏ thì năng lực hấp phụ càng tăng; tỷ lệ khối lượng vật liệu (g)/ thể tích dung dịch (ml) là 10% thì hiệu suất hấp phụ đạt được lớn 50%; pH trong khoảng từ 6 đến 9 không ảnh hưởng nhiều đến năng lực hấp phụ màu nhuộm của vật liệu; cân bằng hấp phụ đạt được ở thời gian hấp phụ là 70 phút và tải trọng hấp phụ màu nhuộm cực đại của vật liệu là 1,4 Pt-Co/g.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong số các chất ô nhiễm có trong nước thải dệt nhuộm, thuốc nhuộm là thành phần khó xử lý nhất. Thông thường các chất màu có trong thuốc nhuộm không bám dính hết vào sợi vải trong quá trình nhuộm mà bao giờ cũng còn lại một lượng dư nhất định tồn tại trong nước thải. Lượng thuốc nhuộm dư sau công đoạn nhuộm có thể lên đến 50% tổng lượng thuốc nhuộm được sử dụng ban đầu. Ước tính rằng có khoảng 9% của tổng lượng (450.000 tấn) hóa chất dệt nhuộm sản xuất trên thế giới được thải ra trong nước thải dệt nhuộm [2]. Đây chính là nguyên nhân làm cho nước thải dệt nhuộm có độ màu cao và nồng độ chất ô nhiễm lớn. Nhiều loại thuốc nhuộm rất độc hại, có thể gây ung thư và gây ra mối đe dọa nghiêm trọng cho các sinh vật sống. Ô nhiễm màu trong nước thải dệt nhuộm còn là nguyên nhân của hàng loạt các vấn đề về môi trường. Do đó, cần phải xử lý thuốc nhuộm trong nước thải dệt nhuộm.
Hấp phụ là một phương pháp hóa lý được dùng rất nhiều trong xử lý nước thải dệt nhuộm. Vật liệu diatomite phủ chitosan có khả năng hấp phụ màu thuốc nhuộm. Với cấu trúc phân tử đặc biệt có chứa nhiều nhóm chức –NH2 và –OH, chitosan có khả năng hấp phụ mạnh đối với nhiều loại thuốc nhuộm, loại trừ các thuốc nhuộm cationic do chitosan có khả năng tích điện dương. Tuy nhiên bột chitosan tự nhiên có diện tích bề mặt tiếp xúc riêng nhỏ và kích thước rất nhỏ có thể gây cản trở cho quá trình lọc và gây ra hiện tượng tạo ra hàm lượng cặn lơ lửng cao trong nước sau xử lý. Khi chitosan được sử dụng để bọc diatomite, nó có thể liên kết với các nhóm silanol (Si-O-H) của diatomite và bao bọc bề mặt của diatomite, điều này có thể mang đến một chất hấp phụ mới với diện tích bề mặt riêng lớn và khả năng hấp phụ các màu nhuộm anionic mạnh. [3]
Các nhà khoa học trong và ngoài nước cũng đã có một số nghiên cứu về lĩnh vực này, tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ mới được thực hiện trên các dung dịch màu nhuộm đơn giản tự pha tại phòng thí nghiệm chứ chưa được khảo sát ở nước thải dệt nhuộm thực tế có chứa màu nhuộm hỗn hợp. Chính vì vậy, nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh khả năng hấp phụ màu nhuộm hỗn hợp trong nước thải thực tế và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu diatimite phủ chitosan chế tạo từ nguồn nguyên liệu trong nước.
2. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Chitosan, diatomite và độ màu của nước thải dệt nhuộm
Nguyên liệu chitosan dùng để chế tạo vật liệu là sản phẩm của công ty Hùng Tiến, thành phố Cần Thơ. Chitosan dạng bột mịn, màu trắng ngà, có độ tro 1%, độ ẩm 10% và độ deacetyl là 97,2%.
Diatomite Phú Yên được sử dụng để làm chất mang phủ chitosan lên bề mặt. Trong thành phần của diatomite Phú Yên ngoài SiO2 chiếm hàm lượng lớn (khoảng 71%) ở dạng opal vô định hình (SiO2.nH2O), còn có các khoáng thuộc họ kaolinite hay các tạp chất khác. Cấu trúc bề mặt của diatomite được đặc trưng bởi các nhóm silanol (Si-OH) và siloxan (Si-O-Si).
Nước thải dệt nhuộm sử dụng trong nghiên cứu này được lấy từ bồn chứa nước thải sau xử lý của công ty cổ phần dệt tại Khu công nghiệp Hòa Khánh, quận Liên Chiểu, Thành phố Đà Nẵng. Trong quá trình nhuộm vải của Công ty thường sử dụng hỗn hợp của ba loại màu nhuộm là phân tán, hoạt tính và lưu huỳnh và các chất trợ màu như chất điều màu, chất tăng ngấm, acid acetic, muối sulfat, natri cacbonat và natri sulfit. Màu của nước thải sau xử lý thường có màu xanh đen. Độ màu nước thải: 225 – 450 Pt/Co. Tính chất thải: không liên tục, hệ số không điều hòa Kch> 3.
2.2. Quy trình phủ chitosan lên diatomite dạng rắn
Một lượng (2g) Chitosan dạng bột được hòa tan với 100 ml dung dịch acid acetic có nồng độ 1% để thu được 1 hỗn hợp dung dịch chitosan – acid acetic dạng gel trong suốt. Ngâm 30g diatomite dạng rắn có kích thước vào trong hỗn hợp dung dịch trên trong vòng 180 phút rồi vớt ra và đem sấy khô ở 118oC (đây là nhiệt độ bay hơi của acid acetic) đến khối lượng không đổi. Sản phẩm cuối cùng của quá trình sấy là vật liệu diatomite phủ chitosan dùng để nghiên cứu xử lý màu nước thải dệt nhuộm.
2.3. Năng lực hấp phụ màu nhuộm của nước thải thực tế của vật liệu
Nước thải dệt nhuộm được cho vào cốc có chứa vật liệu diatomite phủ chitosan. Tiến hành khuấy dung dịch để quá trình hấp phụ màu nhuộm lên vật liệu đạt hiệu quả tốt. Dung dịch sau hấp phụ sẽ đem đi phân tích độ màu để đánh giá hiệu suất của quá trinh hấp phụ dựa vào sự chênh lệch độ màu của dung dịch trước và sau hấp phụ. Hiệu suất của quá trình hấp phụ được tính theo công thức:
Trong đó:
E: hiệu suất của quá trình hấp phụ (%).
C0: nồng độ màu của nước thải ban đầu.
Ct: nồng độ màu cân bằng của nước thải sau hấp phụ.
Tải trọng hấp phụ màu nhuộm cực đại của vật liệu được xác định dựa theo phương trình Freundlich:
2.4. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của các yếu tố
Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lực hấp phụ màu nhuộm của vật liệu diatomite phủ chitosan như kích thước hạt vật liệu, tỷ lệ giữa lượng vật liệu hấp phụ/ thể tích dung dịch hấp phụ, pH và thời gian hấp phụ cũng được nghiên cứu.
Tiến hành các thí nghiệm với mẫu nước thải dệt nhuộm có thông số cố định là lượng vật liệu cho hấp phụ (15g); các thông số thay đổi là kích thước của hạt vật liệu (sử sụng các lưới rây có kích thước lỗ là 1 cm2; 1-2 cm2; 2-5 cm2; và 5 cm2 để phân các hạt vật liệu thành bốn cỡ), thể tích mẫu nước thải dệt nhuộm dùng để xử lý màu (khoảng thay đổi là: 100 ml, 120 ml, 150 ml, 170 ml, 200 ml, 250 ml, 300 ml), pH của dung dịch (6; 7; 8; 9), và thời gian hấp phụ (10 – 100 phút, với bước nhày là 10 phút mỗi lần). Tính toán hiệu suất của mỗi lần hấp phụ để xác định sự ảnh hưởng của các yếu tố đến năng lực hấp phụ của vật liệu.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đặc điểm của vật liệu diatomite phủ chitosan
Kết quả chụp phổ FTIR của mẫu vật liệu diatomite phủ chitosan do đề tài chế tạo cho thấy xuất hiện các peak của các nhóm chức đặc trưng của chitosan. Vị trí của nhóm –OH tại 3437,5 cm-1; -NH2 tại 1636,4 cm-1; -C-O-C- mạch chính tại 1099,1 cm-1; -C-O-C liên kết glucozit tại 798,2 cm-1. Điều này cũng tương ứng với kết quả phân tích phổ hồng ngoại chitosan của Mohammad R. Kasaai [1]. Tuy nhiên, ở đây do chitosan đã được biến tính bằng cách hòa tan với acid acetic để tạo màng bám vào diatomite nên có sự sai lệch một chút ở số sóng của các vị trí so với kết quả của cấu trúc chitosan tinh khiết.
Kết quả chụp FTIR mẫu vật liệu diatomite phủ chitosan
Kết quả chụp SEM bề mặt vật liệu, cho thấy màng chitosan tạo thành màng lưới giống mạng nhện bao bọc bên trong các lỗ tròn đều của cấu trúc diatomite.
3.2. Ảnh hưởng của kích thước hạt vật liệu diatomite phủ chitosan đến khả năng hấp phụ màu
Đồ thị đã cho thấy kích thước của các hạt vật liệu diatomite phủ chitosan càng lớn thì hiệu suất hấp phụ màu càng giảm. Với thời gian hấp phụ là 60 phút thì các hạt vật liệu có kích thước lọt qua lỗ rây 1 cm2 có hiệu suất xử lý màu tốt nhất đạt khoảng 75%. Khả năng hấp phụ màu nhuộm trong nước thải giảm theo kích thước của các hạt vật liệu diatomite phủ chitosan, điều này được giải thích là: trong cùng một khối lượng khi ta chia nhỏ thể tích của vật liệu thì diện tích bề mặt sẽ tăng lên nên bề mặt tiếp xúc tăng kéo theo khả năng hấp phụ tăng. Tuy nhiên nếu kích thước vật liệu quá nhỏ thì dẫn đến hàm lượng chất rắn lơ lửng trong dung dịch cao.
3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ giữa lượng vật liệu / thể tích dung dịch đến khả năng hấp phụ
Kết quả thực nghiệm cho thấy sau thời gian hấp phụ 60 phút với lượng diatomite phủ chitosan 6% thì nồng độ màu ban đầu là 225 đã được giảm hơn 1,6 lần. Với tỷ lệ lượng vật liệu/ thể tích dung dịch càng lớn thì hàm lượng màu được hấp phụ càng cao. Điều này có thể giải thích là với sự gia tăng lượng chất hấp phụ thì diện tích bề mặt hấp phụ sẽ tăng lên, kéo theo khả năng hấp phụ tăng lên. Với tỷ lệ khối lượng vật liệu trên thể tích dung dịch là 10% thì hiệu suất của quá trình hấp phụ đạt trên 50%.
3.4. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ màu của vật liệu
Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng trong khoảng giá trị pH được khảo sát thì độ màu giảm tương đối giống nhau. Hiệu suất xử lý màu thay đổi không đáng kể. Cụ thể khi pH =6 thì hiệu suất hấp phụ màu khoảng 53%, khi pH = 7 thì hiệu suất hấp phụ màu khoảng 56%, khi pH = 8 thì hiệu suất hấp phụ màu khoảng 54% và khi pH = 9 hiệu suất hấp phụ màu là 58%. Như vậy trong khoảng khảo sát giá trị pH ảnh hưởng không lớn đến khả năng hấp phụ màu của diatomite phủ chitosan.
3.5. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến khả năng hấp phụ màu của vật liệu
Lượng màu bị hấp phụ lên diatomite phủ chitosan tăng mạnh trong khoảng thời gian bắt đầu tiến hành hấp phụ đến 60 phút. Từ sau 60 phút đến 100 phút hấp phụ thì lượng màu bị hấp phụ tăng không đáng kể. Sau thời gian hấp phụ là 40 phút thì nồng độ màu ban đầu là 233 Pt – Co đã giảm xuống hơn 1,7 lần. Quá trình hấp phụ đạt cân bằng sau thời gian là 70 phút tương ứng với hiệu suất hấp phụ màu khoảng 60%. Tải trọng hấp phụ màu nhuộm cực đại của vật liệu diatomite phủ chitosan là: 1,4 Pt-Co/g.
Theo thuyết hấp phụ đẳng nhiệt, các phân tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại. Liên quan đến yếu tố thời gian tiếp xúc giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, thời gian ngắn thì chưa đủ để các trung tâm hoạt động trên bề mặt chất hấp phụ được “lấp đầy” bởi các chất bị hấp phụ. Ngược lại, khi thời gian dài thì lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ cũng càng nhiều, tốc độ di chuyển ngược lại vào nước càng lớn, nên hiệu quả hấp phụ gần như tăng không đáng kể và dần đạt về trạng thái cân bằng.
4. KẾT LUẬN
Từ kết quả thí nghiệm của các thí nghiệm đánh giá năng lực và sự ảnh hưởng của các yếu tố đến năng lực hấp phụ màu nhuộm trong nước thải của vật liệu diatomite phủ chitosan, chúng tôi rút ra được một số kết luận như sau:
– Kích thước của hạt vật liệu càng nhỏ thì năng lực hấp phụ càng tăng, Các hạt vật liệu có kích thước nhỏ lọt qua lỗ rây 1 cm2 có hiệu suất xử lý màu tốt nhất khoảng 75%. Tuy nhiên nếu kích thước quá nhỏ thì dẫn đến hàm lượng chất rắn lơ lửng trong dung dịch càng cao.
– Tỷ lệ giữa khối lượng vật liệu (g)/ thể tích dung dịch (ml) khoảng 10% thì hiệu suất hấp phụ đạt được lớn hơn 50%.
– Trong khoảng giá trị pH từ 6-9 thì pH không ảnh hưởng nhiều đến năng lực hấp phụ màu trong nước thải của vật liệu diatomite phủ chitosan.
– Hiệu suất hấp phụ của vật liệu tăng dần theo thời gian và sau thời gian hấp phụ khoảng 70 phút thì đạt cân bằng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ cao nhất khoảng 60%.
– Tải trọng hấp phụ màu nhuộm trong nước thải thực tế của vật liệu diatomite phủ chitosan cực đại là 1,4 Pt-Co/g.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Mohammad R.Kasaai (2008), “A review of several reported procedures to determine the degree of N- acetylation for chitin and chitosan using infrared spectroscopy”, Carbohydrate Polymers, 71, pp 497 – 508.
[2]. S. J. Allen, B. Koumanova (2005), “Decolourisation of water/wastewater using adsorption (review)”, Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 40, 3, , pp 175-192
[3]. ZHANG Ge-shan, XUE Hong-hai, TANG Xiao-jian, PENG Fei và KANG Chun-li (2011), Adsorption of Aniomic Dyes onto Chitosan – modified Diatomite, CHEM. RES. CHINESE UNIVERSITIES, 27(6), pp 1035—1040
(Nguồn tin: Nilp.vn)
