Nghiên cứu khả năng hấp phụ Metylen xanh trong dung dịch nuớc của các vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía

Lê Hữu Thiềng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 45 - 50 45 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH TRONG DUNG DỊCH NƢỚC CỦA CÁC VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA Lê Hữu Thiềng*, Ngô Thị Lan Anh, Đào Hồng Hạnh, Nguyễn Thị Thúy Trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo này thông báo kết quả nghiên cứu sử dụng bã mía xử lí bằng fomandehit (vật liệu hấp phụ 1) và axit sunfuric (vật liệu hấp phụ 2) để tách loại metylen xanh trong dung dịch nƣớc. Các thí nghiệm đƣợc tiến hành ở nhiệt độ phòng (26±10C). Các thông số hấp phụ đƣợc xác định theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir. Các kết quả thực nghiệm cho thấy: với lƣợng các vật liệu hấp phụ là 0,4 gam; nồng độ đầu của metylen xanh là 99,23 mg/l, độ pH bằng 7,0, thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu hấp phụ 1 là 60 phút, của vật liệu hấp phụ 2 là 90 phút. Các vật liệu hấp phụ có khả năng hấp phụ tốt hơn so với nguyên liệu. Hiệu suất hấp phụ của vật liệu hấp phụ 1 là 87,38%, vật liệu hấp phụ 2 là 90%. Từ khóa: Hấp phụ, bã mía, fomandehit, axit sunfuric, metylen xanh MỞ ĐẦU* Thuốc nhuộm đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhƣ dệt may, cao su, giấy, nhựa Do tính tan cao, các thuốc nhuộm là một trong những nguồn ô nhiễm nƣớc của nƣớc thải công nghiệp. Việc thải nƣớc thải chứa thuốc nhuộm chƣa qua xử lý vào các nguồn nƣớc tự nhiên nhƣ sông, suối, sẽ làm nhiễm độc các sinh vật sống trong nƣớc và phá hủy cảnh quan môi trƣờng tự nhiên. Trong số nhiều phƣơng pháp xử lý nguồn nƣớc bị nhiễm thuốc nhuộm, phƣơng pháp hấp phụ đƣợc lựa chọn và đã mang lại hiệu quả tốt nhất. Trên thế giới, trong những năm gần đây việc tận dụng các phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp sẵn có, rẻ tiền chế tạo các vật liệu hấp phụ (VLHP) để tách loại các chất gây ô nhiểm nói chung, thuốc nhuộm nói riêng trong các nguồn nƣớc đang đƣợc chú ý [2,5,6]. Ở Việt Nam, hàng năm các nhà máy sản xuất đƣờng từ mía, tạo ra một lƣợng rất lớn bã mía. Bã mía khô chứa khoảng 34,5% xenlulozo, 24% hemixenlulozo và 22÷25% lignin. Các polime sinh học này có chứa nhóm chức hydroxyl hoặc phenolic, sau khi biến đổi hóa học có thể tạo ra các vật liệu có nhiều hoạt tính mới [3,4]. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một số kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ metylen xanh (loại thuốc nhuộm bazơ) trong nƣớc của bã mía qua xử lý bằng fomandehit và axit sunfuric. * Tel:0982859002 THỰC NGHIỆM 1.Thiết bị và hóa chất a. Hóa chất - Dung dịch fomanđehit 1%. - Axit sunfuric đặc, dung dịch NaHCO3 1% - Dung dịch metylen xanh nồng độ 500 mg/l - Cồn 600, dung dịch NaOH 0,01 N; dung dịch HCl 0,01 N. b. Thiết bị, dụng cụ - Máy đo pH Presisa 600 (Thụy sỹ) - Máy quang phổ hấp thụ phân tử UV mini 1240 (Shimadzu – Nhật Bản) - Máy khuấy IKA Labortechnik. - Tủ sấy Jero Tech (Hàn Quốc) 2. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã mía a. Chuẩn bị nguyên liệu Bã mía sau khi thu về tách lấy phần lõi, rửa bằng nƣớc máy nhiều lần rồi rửa lại bằng nƣớc cất. Bã mía đƣợc xử lý sơ bộ bằng cách đun sôi trong nƣớc cất khoảng 3040 phút để loại bỏ đƣờng hòa tan, cắt nhỏ, sấy khô ở 80 oC. Bã mía khô đƣợc nghiền nhỏ bằng máy nghiền thông dụng, rây để thu đƣợc nguyên liệu [1]. b. Chế tạo vật liệu hấp phụ * VLHP 1: Cân một lƣợng xác định nguyên liệu, trộn đều với dung dịch fomanđehit 1% theo tỉ lệ 1:5 (nguyên liệu:fomanđehit; khối Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lê Hữu Thiềng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 45 - 50 46 lƣợng (g):thể tích (ml)), sau đó đem sấy ở 50 oC trong 4 giờ. Lọc thu lấy nguyên liệu, rửa sạch bằng nƣớc cất hai lần để loại bỏ fomanđêhit dƣ và sấy ở 80oC cho đến khô, đem nghiền nhỏ, rây thu đƣợc VLHP 1 có kích thƣớc hạt cỡ từ <0,02 mm; 0,02÷0,05 mm; 0,06÷0,1 mm [1]. * VLHP 2: Cân một lƣợng xác định nguyên liệu, trộn đều với H2SO4 đặc theo tỉ lệ 1:1 (nguyên liệu:axit sunfuric; khối lƣợng (g):thể tích (ml)), các hóa chất dùng cho quá trình thí nghiệm đều có độ tinh khiết PA. Sau đó đem sấy ở 150oC trong 24 giờ. Nguyên liệu sau khi sấy đƣợc rửa sạch bằng nƣớc cất hai lần và ngâm trong dung dịch NaHCO3 1% trong 24 giờ để loại bỏ axit dƣ. Lọc lấy bã rắn và tiếp tục sấy ở 150oC cho đến khô rồi đem nghiền nhỏ và rây thu đƣợc VLHP 2 có kích thƣớc hạt các cỡ <0,02 mm; 0,02÷0,05 mm; 0,06÷0,1 mm [1]. 3. Phƣơng pháp thực nghiệm và các thí nghiệm nghiên cứu a.Phương pháp thực nghiệm Trong mỗi thí nghiệm hấp phụ: - Thể tích dung dịch metylen xanh: 100ml với nồng độ và pH xác định. - Lƣợng các VLHP 0,4g. - Thí nghiệm tiến hành ở nhiệt độ phòng, hỗn hợp hấp phụ đƣợc trộn bằng máy khuấy với tốc độ 160 vòng/ phút. - pH đƣợc điều chỉnh bằng dung dịch HCl và NaOH loãng. b. Các thí nghiệm nghiên cứu + Khảo sát đặc trƣng cấu trúc của các VLHP. + Khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh của nguyên liệu và các VLHP. + Khảo sát các điều kiện tối ƣu để hấp phụ metylen xanh của các VLHP : - Độ pH - Thời gian hấp phụ - Khối lƣợng các VLHP - Kích thƣớc các VLHP - Nồng độ metylen xanh ban đầu Nồng độ của các dung dịch metylen xanh trƣớc và sau khi hấp phụ đƣợc xác định bằng phƣơng pháp đo quang ở bƣớc sóng 554nm, cuvet dày 1cm. Hiệu suất và dung lƣợng hấp phụ của các VLHP tính theo công thức: o cb o C -C H= .100 (1) C o cbC -Cq= V (2) m Trong đó: - H: hiệu suất hấp phụ (%). - Co, Ccb: nồng độ đầu và nồng độ tại thời điểm cân bằng tƣơng ứng của dung dịch metylen xanh (mg/l). - q: dung lƣợng hấp phụ (mg/g) - V: thể tích dung dịch (l) - m: khối lƣợng VLHP (g) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 1. Khảo sát đặc trƣng cấu trúc của các VLHP thông qua phổ hồng ngoại (IR) Nguyên liệu bã mía sau khi xử lý bằng fomanđehit thu đƣợc VLHP 1, bằng axit sunfuric thu đƣợc VLHP 2. Kết quả của các quá trình xử lý đƣợc thể hiện trên phổ IR. Hình 1. Phổ IR của nguyên liệu Hình 2. Phổ IR của VLHP Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lê Hữu Thiềng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 45 - 50 47 Hình 3. Phổ IR của VLHP 2 Trên phổ IR của VLHP1 dải hấp thụ của nhóm cacbonyl C=O dịch chuyển về vùng có số sóng cao hơn 1741,53 cm-1 (hình 2) so với vị trí của nó trong nguyên liệu 1734,80 cm-1 (hình 1). Trên phổ IR của VLHP2 (hình 3) các dải hấp thụ từ số sóng 2865,02 đến 2935,52 cm -1 tƣơng ứng với các dải hấp thụ của nhóm CH2, CH3 đối xứng và bất đối xứng. Các dải hấp thụ từ 1032,77 đến 1105,63 cm -1 có liên quan đến sự phân huỷ lignin. Nói chung các dải phổ của các nhóm này đều có nguồn gốc từ nhóm OH trong cấu trúc của nguyên liệu, làm tăng các vị trí hấp phụ của VLHP [1]. Kết quả nghiên cứu phổ IR của các VLHP chứng tỏ việc xử lý nguyên liệu đã có hiệu quả. 2. Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và các VLHP Các thí nghiệm đƣợc tiến hành với nồng độ ban đầu của metylen xanh là 99,23 mg/l, nhiệt độ phòng (26±1oC), thời gian khuấy 120 phút, tốc độ khuấy 160 vòng/phút, pH của các dung dịch là 7. Kết quả đƣợc chỉ ra trong bảng 1. Bảng 1. Các thông số hấp phụ của nguyên liệu và VLHP Kết quả ở bảng 1 cho thấy cả nguyên liệu và hai loại VLHP đều có khả năng hấp phụ metylen xanh. Tuy nhiên, so sánh dung lƣợng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ giữa hai loại VLHP và nguyên liệu đối với metylen xanh chúng tôi nhận thấy khả năng hấp phụ của hai loại VLHP tốt hơn nguyên liệu. Cụ thể: Hiệu suất hấp phụ và dung lƣợng hấp phụ của VLHP 2 cao hơn của VLHP 1, của VLHP 2 cao hơn gần 3 lần so với nguyên liệu 3. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của VLHP a. Ảnh hưởng của pH Các thí nghiệm đƣợc tiến hành với nồng độ đầu của metylen xanh là 100 mg/l, khối lƣợng VLHP (0,4g/100ml), kích thƣớc <0,02 mm, nhiệt độ phòng(26±10C), thời gian khuấy 120 phút, tốc độ khuấy 160 vòng/phút, pH của các dung dịch khác nhau (2, 3, 4, 5, 6, 7 ,8, 9). Kết quả đƣợc chỉ ra ở bảng 2, hình 4. Bảng 2. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất hấp phụ của các VLHP Hình 4. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào pH Từ kết quả ở bảng 2 và hình 4 cho thấy: Khi pH tăng hiệu suất hấp phụ của VLHP 1 và VLHP 2 đều tăng. Trong khoảng pH từ 2÷7 hiệu suất hấp phụ của VLHP 1 tăng nhanh, hiệu suất hấp phụ của VLHP 2 tăng không đáng kể. Ở pH từ 7÷9 hiệu suất hấp phụ của cả hai VLHP là tƣơng đối ổn định. Do đó chúng tôi chọn pH của các dung dịch là 7 để tiến hành các thí nghiệm tiếp theo. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lê Hữu Thiềng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 45 - 50 48 b. Ảnh hưởng của thời gian Tiến hành sự hấp phụ với nồng độ dung dịch metylen xanh là 99,23 mg/l, khối lƣợng VLHP là 0,4g/100ml, pH = 7, ở nhiệt độ phòng (26 ±1 0C), thời gian khuấy khác nhau (15, 30, 45, 60, 90 và 120 phút). Kết quả đƣợc chỉ ra ở bảng 3, hình 5. Từ kết quả thu đƣợc cho thấy trong khoảng thời gian khảo sát (từ 15÷120 phút) khi tăng thời trở đi. Do đó, chúng tôi chọn thời gian đạt cân bằng hấp phụ của VLHP 1, VLHP 2 lần lƣợt là 60 và 90 phút. gian khuấy thì hiệu suất hấp phụ của cả hai VLHP đều tăng. Đối với VLHP 1 từ 60 phút trở đi hiệu suất hấp phụ là cao nhất và tƣơng đối ổn định còn đối với VLHP 2 là từ 90 phút Nhƣ vậy, thời gian đạt cân bằng hấp phụ của VLHP 1 và VLHP 2 không nhƣ nhau có thể là do cấu trúc bề mặt của chúng khác nhau. Bảng 3. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ của các VLHP Hình 5. Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ của các VLHP vào thời gian c. Ảnh hưởng của khối lượng các VLHP Tiến hành các thí nghiệm hấp phụ metylen xanh của các VLHP với những khối lƣợng khác nhau (0,2; 0,4; 0,6; 0,8 và 1,0g các VLHP/100ml dung dịch metylen xanh nồng độ 99,23 mg/l) nhiệt độ phòng (26 ± 10C), pH = 7, thời gian khuấy là thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với mỗi VLHP. Kết quả đƣợc trình bày ở bảng 4 và hình 6. Các kết quả thực nghiệm thu đƣợc cho thấy khi khối lƣợng các VLHP tăng từ 0,2÷1,0g/100ml dung dịch hiệu suất hấp phụ của cả hai VLHP đều tăng. Với VLHP 1, hiệu suất tăng từ 53,11÷85,73%; VLHP 2 tăng từ 56,90÷94,20%. Sự hấp phụ tăng lên cùng khối lƣợng các VLHP có thể giải thích là do sự tăng lên cả về diện tích bề mặt riêng và các vị trí hấp phụ của các VLHP. Chúng tôi đã chọn khối lƣợng các VLHP là 0,4 g cho các thí nghiệm khác. Bảng 4. Ảnh hƣởng của khối lƣợng các VLHP đến hiệu suất hấp phụ Hình 6. Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ của các VLHP vào khối lƣợng d. Ảnh hưởng của kích thước các VLHP Tiến hành các thí nghiệm hấp phụ metylen xanh của các VLHP với 100 ml dung dịch metylen xanh nồng độ 99,23 mg/l, pH = 7 và lƣợng các VLHP là 0,4 g (với các kích thƣớc khác nhau <0,02 mm; 0,02÷0,05 mm; 0,06÷0.1 mm). Bảng 5. Ảnh hƣởng của kích thƣớc các VLHP đến hiệu suất và dung lƣợng hấp phụ của chúng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lê Hữu Thiềng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 45 - 50 49 Kết quả ở bảng 5 cho thấy: Kích thƣớc của các VLHP có ảnh hƣởng rõ rệt đến dung lƣợng cũng nhƣ hiệu suất hấp phụ. Kích thƣớc của các VLHP càng nhỏ thì dung lƣợng và hiệu suất hấp phụ càng cao. Chúng tôi đã chọn các VLHP có kích thƣớc <0,02 mm cho các thí nghiệm khác. e. Ảnh hưởng của nồng độ metylen xanh ban đầu Tiến hành sự hấp phụ với lƣợng các VLHP (0,4g/100ml), ở nhiệt độ phòng (26 ± 10C), pH=7, thời gian khuấy là thời gian đạt cân bằng đối với mỗi VLHP, nồng độ ban đầu các dung dịch metylen xanh khác nhau (49,17; 99,23; 148,50; 197,88 và 248,65mg/l). Kết quả đƣợc trình bày ở bảng 6 và hình 7. Bảng 6: Ảnh hƣởng của nồng độ đầu metylen xanhđến hiệu suất hấp phụ của các VLHP Hình 7: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào nồng độ metylen xanh ban đầu Từ kết quả thu đƣợc ở bảng 6 và hình 7 cho thấy, trong khoảng nồng độ khảo sát, khi tăng nồng độ metylen xanh thì hiệu suất hấp phụ của VLHP giảm. KẾT LUẬN Bã mía là nguyên liệu thông dụng dễ kiếm và rẻ tiền. Sự hấp phụ metylen xanh trong dung dịch nƣớc bằng bã mía qua xử lí bằng fomanđehit (VLHP1) và axit sunfuric (VLHP2) đã đƣợc nghiên cứu đồng loạt dƣới các điều kiện thí nghiệm khác nhau. Kết quả thu đƣợc: - Đã xác định đặc điểm bề mặt của hai loại VLHP bằng phổ IR. Kết quả nhận đƣợc cho thấy các VLHP chế tạo đƣợc có nhiều vị trí hấp phụ, - Nghiên cứu khả năng hấp phụ metylen xanh trong dung dịch nƣớc của hai loại VLHP. Kết quả thu đƣợc cho thấy: + pH tốt nhất cho sự hấp phụ là 7,0. + Thời gian đạt cân bằng của VLHP 1 là 60 phút, VLHP 2 là 90 phút. + Khi khối lƣợng các VLHP tăng thì hiệu suất hấp phụ tăng (trong khoảng 0,2-1,0 g/100ml hiệu suất cao nhất là 94,4%). + Khi tăng kích thƣớc các VLHP và nồng độ dung dịch metylen xanh hiệu suất hấp phụ giảm (kích thƣớc tốt: 0,02 mm và nồng độ tối ƣu là 9,9 mg/l). Kết quả này mở ra khả năng lựa chọn bã mía để xử lí nguồn nƣớc nhiễm metylen xanh. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. A.G.Liew Abdullah, MA, Mohd Salled, M.K.Siti Mazlina, M.J Megat Mohd Noor, M.R Osman, R.Wagiran, and S.Sobri, (2005). Azo dye removal by adsorption using waste biomass: Sugarcane bagasse. International Journal of Engineering and Technogy, vol.2, No.1, pp.8-13. [2]. Jain, A. K., Gupta, V. K., Bhatnagar, A., Suhas, (2003). Utilization of industrial waster products as absorbents for the removal of dyes. Journal of Hazardous Material B101: 31 – 42. [3]. Mas Rosemal H.Mas Haris and Kathiresan Sathasivam, (2009). The removal of methyl red from aqueous solutions using banana Pseu dostem Fibers, American Journal of applied sciences 6(9): 1690-1700, ISSN 1546-9237. [4]. S.Saiful Azhar, A.Ghaniey Liew, D.Suhardy, K.Farizul Hafiz, M.D Irfan Hatim, (2005). Dye removal from aqueous solution by using adsorption on treated sugarcane bagasse, American Journal of applied sciences 2(11): 1499- 1503, ISSN 1546-9239. [5]. Garg, V.K., Amita, M. Kumar, R., Gupta, R., (2004). Basic dye (methylene blue) removal from Simulated wastewater by adsorption using Indian Rosewood Sandust: a timber industry. Dyes and Pignents, 63: 343-250. [6]. Ho, Y.S., McKay, G., (2003). Sorption of dyes and coppen ions outo biosorbents. Process Biochemistry 38: 1047 - 1061. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lê Hữu Thiềng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 45 - 50 50 SUMMARY INVESTIGATING OF THE ADSORPTION CAPACITY OF METHYLENNE BLUE FROM AQUEOUS SOLUTION ON CHEMICALLY MODIFIED SUGARCANE BAGASSE Le Huu Thieng * , Ngo Thi Lan Anh, Dao Hong Hanh, Nguyen Thi Thuy College of Education, Thai Nguyen University This study investigates the potential use of sugarcane bagasse, pretreated with formandehyde (aborbing material 1) and sulphuric acid (aborbing material 2), for the removal of methylenne blue in the water solution. The experiments were carried at room temperature (26±1 0 C). Aborption coefficients are investigated according to langmuir adsorption isothermal model. Experiments are carried out in accordance with the following parameters: aborption materials: 0,4g; concentration: 99,23 mg/l; pH=7; stiring duration for absorption materials 1: 60 minutes; stiring duration for absorption materials 2: 90 minutes. The results of exeperiments indicate that the capability of aborption materials is much better than materials. Productivity of absorption materials 1 is 87,38 percent and absorption materials is 90 percent. Key words: Adsorption, Sugarcane bagasse, Formandehyde, Sulphuric acid, Methylenne blue * Tel: 0982859002 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên