CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về chất màu hữu cơ gây ô nhiễm môi trường nước Ngày nay có rất nhiều nguồn gây ô nhiễm môi trường nước như các ion kim loại nặng Hg2+, Pb2+, Cr3+, Cr6+, Ni2+, Co2+, Cu2+, Cd2+, Ag+, As5+ và As3+ và các chất màu hữu cơ. Nước bị ô nhiễm bởi kim loại nặng chủ yếu là do việc khai thác mỏ, sản xuất quặng. Trong khi đó, các chất màu hữu cơ có nguồn gốc chủ yếu từ nước thải công nghiệp dệt nhuộm.1 sẽ trình bày một số các đặc điểm chung về chất màu hữu cơ gây ô nhiễm môi trường nước.
Sơ lược về thuốc nhuộm Thuốc nhuộm mà là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy chỉ cho một số thành phần mầu sắc đi qua hoặc phản xạ và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trong những điều kiện quy định. 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.
Một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu. Nhóm mang màu là những nhóm có chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử π không cố định như: > C = C <; > C = N -; - N = N -; - NO2. Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận điện tử như: - NH2, - COOH, - SO3H, - OH …đóng vai trò tăng cường màu bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử. Phân loại thuốc nhuộm Thuốc nhuộm trực tiếp Thuốc nhuộm trực tiếp hay còn gọi là thuốc nhuộm tự bắt màu là những hợp chất màu hoà tan trong nước, có khả năng tự bắt màu vào một số vật liệu như: các tơ xenlulozơ, giấy, da.
nhờ các lực hấp phụ trong môi trường trung tính hoặc môi trường kiềm. Phân tử thuốc nhuộm phải thẳng vì xenlulozơ nói riêng và các vật liệu mà thuốc nhuộm có khả năng bắt màu đều có phân tử mạch thẳng ,phân tử thuốc nhuộm có cấu tạo phẳng, các nhân thơm hoặc các nhóm chứa của thuốc nhuộm phải nằm trên một mặt phẳng để nó có thể tiếp cận cao nhất với một mặt phẳng phân tử vật liệu. 3 Ngoài ra, phân tử thuốc nhuộm trực tiếp còn phải chứa một số nhóm chức nhất định, chủ yếu là nhóm hydroxyl và nhóm amin(-OH-NH2) nhửng nhóm này vừa làm nhiệm vụ trợ màu vừa tạo cho thuốc nhuộm thực hiện liên kết hydro với vật liệu. Thuốc nhuộm axit Thuốc nhuộm axit thông thường đề cập đến thuốc nhuộm hòa tan trong nước có chứa một nhóm có tính axit và hầu hết các nhóm có tính axit trong đó có mặt trên phân tử thuốc nhuộm dưới dạng muối natri sulfonat, và chỉ có một vài loại tồn tại dưới dạng một muối natri carboxylat.
Thuốc nhuộm axit có đặc điểm sắc ký hoàn toàn và màu sắc tươi sáng. Chúng chủ yếu được sử dụng để nhuộm và in chất xơ protein và sợi polyamide như len và lụa. Chúng cũng có thể được sử dụng để nhuộm màu da, giấy, mỹ phẩm và mực in. Vì thuốc nhuộm axit có tính trực tiếp thấp đối với xơ xenlulô, thường không cần thiết phải nhuộm axit xenluloza.
Thuốc nhuộm hoạt tính Thuốc nhuộm hoạt tính là thuốc nhuộm mà có khả năng phản ứng hóa học với một xơ sợi để tạo thành liên kết cộng hóa trị giữa thuốc nhuộm và xơ sợi. Liên kết hóa trị này được hình thành giữa các phân tử thuốc nhuộm và nhóm -OH của sợi cellulose hay giữa các phân tử thuốc nhuộm và các nhóm -NH2 của sợi polyamide hoặc len. Phân tử thuốc nhuộm hoạt tính bao gồm một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử gọi là nhóm mang màu. Sự hiện diện nó tạo ra màu sắc của thuốc nhuộm.
Một nhóm thế có khả năng phản ứng với xơ cellulose. Thuốc nhuộm hoạt tính có độ bền giặt tốt nhất nhờ liên kết giữa thuốc nhuộm và cellulose là liên kết cộng hóa trị xảy ra trong quá nhuộm. Thuốc nhuộm hoạt tính thường được sử dụng để nhuộm cellulose như cotton hoặc lanh. Thuốc nhuộm hoạt tính cũng có thể được áp dụng trên len và nylon, trong trường hợp này chúng được áp dụng trong điều kiện axit yếu.
Thuốc nhuộm hoạt tính có mức độ tận trích thấp so với các loại thuốc nhuộm khác bởi vì các nhóm chức năng trong thuốc nhuộm cũng đồng thời phản ứng với nước, xảy ra do quá trình thủy phân. Phần thuốc nhuộm bị thủy phân này không có liên kết với cellulose và phải bị giặt bỏ mới giải quyết được vấn đề độ bền màu. 4 Thuốc nhuộm bazơ Thuốc nhuộm bazơ được sử dụng để đạt được màu sắc tươi sáng, thường là đối với xơ polyacrylonitrile. Độ bền mầu trên xơ polyacrylonitrile là tuyệt vời.
Tuy nhiên, khi áp dụng cho cellulose, thuốc nhuộm bazơ có độ bền màu kém với ánh sáng và sự cọ xát. Thuốc nhuộm lưu huỳnh Thuốc nhuộm lưu huỳnh bao gồm cấu trúc amino và phenolic gắn kết với các hợp chất lưu huỳnh và có trọng lượng phân tử cao. Nhiều loại thuốc nhuộm khác có chứa lưu huỳnh trong các phân tử của chúng, nhưng chỉ các loại thuốc nhuộm mà nó không tan trong nước và tan được bởi sodium sulfide trong một môi trường kiềm thuộc loại này. Thuốc nhuộm hoàn nguyên Thuốc nhuộm hoàn nguyên là nhửng hợp chất màu hữu cơ không hòa tan trong nước, tuy có cấu tạo hóa học và màu sắc khác nhau nhưng chúng có chung một tính chất, đó là tất cả đều chứa các nhóm xeton trong phân tử và có dạng tổng quát là: R=C=O.
Khi bị khử dạng không tan này sẽ chuyển về dạng axit, nó chưa tan trong nước nhưng tan trong kiềm và chuyển thành dạng bazơ. Do có ái lực lớn với xơ và hòa tan trong nước nên nó hấp phụ rất mạnh vào xơ xenlulo, mặt khác nó lại dễ bị thủy phân và oxi hóa về dạng không tan ban đầu Thuốc nhuộm phân tán Thuốc nhuộm phân tán là các thuốc nhuộm hữu cơ không có các nhóm ion hóa, có độ hòa tan thấp và thích hợp cho việc nhuộm các sợi kỵ nước. Thuốc nhuộm phân tán không hòa tan trong nước hoặc có độ hòa tan trong nước rất ít. Chúng được chuẩn bị dưới dạng lỏng hoặc nghiền mịn ở dạng paste với chất trợ phân tán.
Có thể tan trong các dung môi hữu cơ như benzene, toluen vv. Thuốc nhuộm azo không tan Thuốc nhuộm azo không tan còn có tên gọi khác như thuốc nhuộm lạnh, thuốc nhuộm đá, thuốc nhuộm naptol, chúng là những hợp chất có chứa nhóm azo trong phân tử nhưng không có mặt các nhóm có tính tan như - SO3Na, -COONa nên không hoà tan trong nước. Giới thiệu chung về xanh methylene MB là một loại thuốc nhuộm bazơ cation, nó được sử dụng phổ biến trong công nghiệp dệt nhuộm, làm chất chỉ thị và thuốc trong y học. Đây là một chất khó phân hủy khi thải ra môi trường nước, gây mất vẻ đẹp mĩ quan, ảnh hưởng xấu đến quá trình sản xuất và sinh hoạt.
MB là một hợp chất hóa học thơm dị vòng có công thức phân tử là: C16H18N3SCl. Công thức cấu tạo hình 1. Công thức cấu tạo của xanh methylene [24]. MB có phân tử gam là 319,85g/mol.
Nhiệt độ nóng chảy là: 100-110°C. Khi tồn tại dưới dạng ngậm nước (C16 H18N3SCl.3H2O) trong điều kiện tự nhiên, khối lượng phân tử của MB là 373,9g/mol. MB là một chất màu thuộc họ thiôzin, phân ly dưới dạng cation MB+là C16 H18 N3S+: Hình 1. Công thức cấu tạo cation MB+ [24] MB là một chất tinh thể màu xanh lục, có ánh kim, tan nhiều trong nước, etanol.
Trong hóa học phân tích, MB được sử dụng như một chất chỉ thị với thế oxi hóa khử tiêu chuẩn là 0,01V. Dung dịch của chất này có màu xanh khi trong một môi trường oxi hóa, nhưng sẽ mất màu chuyển sang không màu nếu tiếp xúc với một chất khử. MB đã được sử dụng làm chất chỉ thị để phân tích một số nguyên tố theo phương pháp động học. Mặc dù MB không phải là hóa chất gây độc cao, nhưng MB có thể gây tổn thương tạm thời da, mắt trên con người và động vật khi tiếp xúc trực tiếp.
Nó có thể gây khó thở trong thời gian ngắn khi hít phải và đối với hệ tiêu hóa khi nuốt phải MB gây ra các triệu chứng nóng ruột, buồn nôn, chóng mặt. Vì vậy việc xử lý MB trong nước thải cũng rất được quan tâm và phương pháp nghiên cứu chủ yếu là hấp phụ. Tổng quan về vật liệu hấp phụ 1. Than sinh học Theo tổ chức IBI (International Biochar Initiative - Sáng kiến than sinh học quốc tế) thì than sinh học là một chất rắn thu được từ quá trình cacbon hóa sinh khối từ các nguồn phế phẩm trong nông nghiệp.
Than sinh học có thể được bổ sung vào đất với mục đích cải thiện các chức năng của đất và giảm sự phát thải các khí nhà kính. Chúng có ý nghĩa lớn trong việc cố định cacbon theo chu trình tuần hoàn vật chất cacbon trong khí quyển [10]. Than sinh học có giá thành rẻ, ứng dụng nhiều trong lĩnh vực hấp phụ. Than sinh học có kích thước mao quản trong một khoảng rộng, chủ yếu là vi mao quản (kích thước mao quản < 2 nm).
Chúng có diện tích bề mặt riêng và thể tích mao quản lớn, có khả năng hấp phụ một lượng lớn các khí hoặc chất lỏng. Tuy nhiên, nhược điểm của các vật liệu này là kích thước mao quản nhỏ nên các phân tử khó hoặc không khuếch tán được vào trong mao quản để thực hiện quá trình hấp phụ. Có thể hiểu than sinh học là một sản phẩm của quá trình nhiệt phân vật liệu hữu cơ trong môi trường yếm khí (thiếu oxygen và áp suất lớn thì cacbon sinh khối không bị cháy hoàn toàn mà chuyền sang dạng giữa khoáng và hữu cơ). Tính chất vật lý: Than sinh học bao gồm 4 phần chính: cacbon bền, cacbon không bền, các thành phần bay hơi khác, phần tro khoáng và độ ẩm.
Thành phần trong than sinh học rất khác nhau phụ thuộc vào nguồn gốc sinh khối, các điều kiện nhiệt phân, nhiệt độ nhiệt phân, tốc độ lên nhiệt, áp suất, các điều kiện trước và sau xử lý. Cấu trúc phân tử của than có trạng thái xốp và có diện tích bề mặt lớn. Các lỗ rỗng đường kính rất nhỏ (50 nm) được hình thành trong quá trình nhiệt phân tạo nên các hệ thống mao quản [25].