CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Vấn đề ô nhiễm ion kim loại nặng và ô nhiễm thuốc nhuộm do quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa đã gây ra những nguy hại đáng kể cho cả môi trường và sức khỏe con người. Con người tiếp xúc lâu dài với các ion kim loại nặng Pb2+ ở nồng độ cao sẽ gây ra một số lo ngại về sức khỏe như tổn thương hệ tuần hoàn, hệ miễn dịch và sinh sản, suy gan, tiểu đường, kích ứng niêm mạc, suy thận, và kích thích hệ thần kinh trung ương. Thuốc nhuộm cation methylene blue (MB) là chất gây ung thư, gây quái thai và gây đột biến gen, tất cả đều nguy hiểm cho sức khỏe.
Do đó, việc loại bỏ các ion kim loại nặng và thuốc nhuộm ra khỏi nguồn nước thải trước khi thải ra môi trường là điều khẩn thiết. Nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển để loại bỏ kim loại nặng và thuốc nhuộm khỏi hệ thống nước. Các phương pháp này bao gồm màng lọc, kết tủa hóa học, xử lý sinh học, trao đổi ion, phân hủy quang xúc tác và hấp phụ. Phương pháp hấp phụ được ưa chuộng hơn các phương pháp khác do tính linh hoạt trong thiết kế và khả năng tái tạo chất hấp phụ.
Gần đây, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã quan tâm đến khả năng xử lý ion kim loại nặng và thuốc nhuộm của xơ gòn như một chất hấp phụ vì cấu trúc vi ống rỗng của nó. Tuy nhiên những nghiên cứu này chỉ tập trung khai thác khả năng hấp phụ của xơ gòn đơn lẻ, và đây là một khuyết điểm lớn vì nếu đưa vào áp dụng thực tế sẽ gây khó khăn trong việc thu hồi – tái sử dụng xơ gòn. Đây cũng là lý do chính để em thực hiện đề tài “Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng và thuốc nhuộm methyl blue từ màng lọc tạo từ xơ gòn”. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu qúa trình hấp phụ ion kim loại nặng Pb2+ và thuốc nhuộm methylene blue bằng màng hấp phụ tạo từ xơ gòn đã qua xử lý NaClO2 và xơ polypropylene.
Luận văn tiến hành tạo màng lọc từ xơ gòn đã tiền xử lý và xơ polypropylene bằng phương pháp chải khô ép nhiệt và nghiên cứu các yếu tố ảnh 2 hưởng khả năng hấp phụ ion kim loại Pb2+ và thuốc nhuộm MB của màng lọc để đánh giá mức độ phù hợp của màng lọc với chức năng làm vật liệu hấp phụ. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: + Điều kiện xử lý hóa học xơ gòn: hóa chất (NaClO2), nồng độ xử lý, nhiệt độ xử lý và thời gian xử lý + Thông số kỹ thuật tạo màng hấp phụ bằng phương pháp chải khô ép nhiệt: lượng xơ cấp vào máy chải, nhiệt độ, thời gian ép nhiệt. + Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của màng: pH dung dịch hấp phụ, độ xốp màng hấp phụ, khối lượng màng hấp phụ, nhiệt độ hấp phụ, nhiệt động học hấp phụ, đường đẳng nhiệt hấp phụ, động học hấp phụ, và khả năng tái sử dụng của màng hấp phụ. Phạm vi nghiên cứu: Đề tài thực hiện tạo màng lọc hấp phụ và đánh giá khả năng hấp phụ của màng hấp phụ đối với ion kim loại nặng Pb2+, thuốc nhuộm methylene blue với các điều kiện thí nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm.
Thời gian thực hiện đề tài từ 05/9/2022 đến 18/12/2022. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Đề tài là một ứng dụng thực tế của xơ gòn trong vấn đề xử lý chất thải ngành dệt may. Màng hấp thụ tạo ra có khả năng hấp thụ ion kim loại nặng Pb2+ và thuốc nhuộm methylene blue trong nước thải ngành dệt nhuộm. Đồng thời, nghiên cứu có ưu điểm lớn so với các nghiên cứu về xơ gòn độc lập trước đây, đó là khả năng thu hồi và tái sử dụng xơ gòn dễ dàng, thuận lợi hơn, giúp nâng cao khả năng thương mại hóa sản phẩm trong thời gian tới.
Nguồn gốc, cấu trúc và tính chất của xơ gòn Xơ gòn là xơ tự nhiên chứa cellulose, hemicellulose, lignin, pectin và sáp, tên tiếng Anh là Kapok hoặc Ceiba pentandra L. Xơ gòn được cấu tạo bởi hai lớp, cụ thể là các vi xơ cellulose và trục xơ, xơ có hình trụ, màu từ vàng đến nâu, nhẹ [1], có nhiều trong tự nhiên, dễ phân hủy. Xơ gòn được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp dệt may làm màng không dệt, làm ruột cho đồ chơi, tấm trải giường, vải bọc và túi ngủ. Do đặc tính hấp phụ dầu, xơ gòn cũng được sử dụng làm vật liệu vệ sinh chất bôi trơn cơ học.
Một số thiết bị an toàn dưới nước như thiết bị bảo hộ cứu sinh cũng được làm bằng xơ gòn vì đặc tính nổi của xơ [2]. Xơ trong mỗi quả gòn nặng 12–15 g và mỗi xơ dài 10–35 mm [3]. Khối lượng riêng là 1,31 g/cm3 [4]. Xơ gòn có đường kính 20–43 µm với độ dày thành 1–3 µm.
Ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM cho thấy xơ gòn có hình dạng ống rỗng mịn với lumen lớn và bề mặt nhẵn do sự hiện diện của lớp sáp dày. Độ nhám bề mặt của xơ gòn nằm trong khoảng từ 140 đến 155 nm [5]. Lim và Huang [6] đã nghiên cứu khả năng thấm ướt của xơ gòn với nước và dầu diesel. Kết quả của họ cho thấy góc tiếp xúc của xơ gòn với nước là 117o, và với dầu diesel là 13o.
Một nghiên cứu khác cũng đã báo cáo rằng góc tiếp xúc của xơ gòn với nước, ethanol và hexan lần lượt là 120o, 12o và 13o [7]. Xơ gòn chứa cellulose, hemicellulose, lignin và pectin với lượng chất vô cơ thấp. Kết quả quang phổ điện tử ảnh tia X (XPS) cho thấy xơ chủ yếu bao gồm C (cacbon) và O (oxy) với các cực đại tương ứng khoảng ~ 285 eV và ~ 530 eV [8]. Song et al.
Ngoài carbon và oxy, Yang et al. [10] và Cao và cộng sự. XPS là một cách tiếp cận đặc tính hữu ích, với giả thuyết sự hấp phụ chủ yếu dựa trên sự tương tác giữa chất hấp phụ và các vị trí liên kết được tìm thấy trên bề mặt xơ gòn. Các thông số cần 4 thiết để xơ gòn hấp phụ thành công có thể được điều chỉnh và thay đổi bằng cách biết thành phần hóa học [12].
Các mẫu nhiễu xạ tia X (XRD) cung cấp cấu trúc tinh thể của xơ gòn, trong đó các đỉnh nằm trong khoảng từ 10o đến 30o là do lignin, cellulose vô định hình và hemicellulose [11]. Chỉ số độ kết tinh của xơ dao động từ 20–40%, tùy thuộc vào các sửa đổi bề mặt được thực hiện. Xơ gòn tự nhiên có hai đỉnh 2θ = 15o và 2θ = 22o, tương ứng với sự có mặt của lignin và cellulose [13]. Những yếu tố này giúp xác định các khu vực vô định hình.
Những vùng vô định hình này được biết là có liên quan đến các vị trí hấp phụ, vì nó chứa nhiều các nhóm chức [14]. Độ bền nhiệt của xơ có thể được đánh giá bằng cách sử dụng phân tích nhiệt trọng lượng (TGA). Trong quá trình hấp thụ hóa học, nơi các liên kết được hình thành, việc tăng nhiệt độ sẽ làm tăng tốc độ của các phản ứng hóa học. Sự tăng nhiệt độ cũng sẽ làm thay đổi tính chất hóa học của chất hấp phụ và vị trí hấp phụ.
Hấp phụ lớn hơn ở nhiệt độ cao hơn cũng có thể ngụ ý rằng quá trình hấp phụ hóa học là thu nhiệt [15]. Sự phân hủy nhiệt đo được đối với xơ gòn trong môi trường trơ là mất khoảng 83% trọng lượng xảy ra trong phạm vi 250–900 oC [11]. Wang và cộng sự. [13] đã nghiên cứu sự phân hủy nhiệt của xơ bằng cách sử dụng phép đo nhiệt trọng lượng dẫn xuất (DTG) và TGA, trong đó sự giảm nhẹ trọng lượng được quan sát thấy dưới 100 oC, là do sự bay hơi của phân tử nước.
Sau đó, trọng lượng tiếp tục giảm khoảng 10% ở nhiệt độ từ 100–230 oC, do sự phân hủy hemicellulose [16]. Kết quả của sự phân hủy cellulose và sự sắp xếp lại các đại phân tử trong xơ dẫn đến giảm trọng lượng 63%, được quan sát thấy ở 230–770 oC [13]. Hơn nữa, sự mất ẩm góp phần làm giảm 5% trọng lượng ở nhiệt độ từ 20–78 oC. Trọng lượng của xơ giảm xuống 77% ở 235–405 C do cellulose và lignin bị phân hủy, chỉ còn lại 11% trọng lượng ban đầu khi ở nhiệt o độ 800 oC [17].
Kết quả hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) của xơ gòn thô cho thấy các nhóm chức năng khác nhau có trong xơ. Dải ở 3404 cm-1 được liên kết với hydroxyl từ sáp thực vật, axit béo và nước [18, 19]. Các thành phần cellulose CH2 và CH3 được tìm thấy ở dải 2917 cm-1 [18, 20]. C=C thơm cũng được quan sát thấy ở các đỉnh từ 1595 cm-1 đến 1425 cm-1, điều này cho thấy sự hiện diện của lignin [17, 18].
Tính kỵ nước của xơ gòn là do sự hiện diện của hemicellulose và lignin. Việc loại bỏ các nhóm này là rất quan trọng trong quá trình hấp phụ vì nó ngăn không cho dung dịch nước tiếp xúc với bề mặt xơ [12]. Khả năng hấp phụ ion kim loại của xơ gòn thô Hiệu suất hấp phụ của xơ gòn thô để loại bỏ chì và thủy ngân đã được báo cáo trong nghiên cứu của Wang và cộng sự [21] và Yang và cộng sự [10]. Khả năng hấp phụ của xơ gòn thô chưa qua xử lý là 4,70 mg/g và 39,9 mg/g tương ứng để loại bỏ Pb và Hg.
Ở đỉnh 2917 cm-1 của -CH2 và -CH3 phản ánh sự có mặt của sáp thực vật, điều này ngụ ý tính kỵ nước tự nhiên của xơ gòn thô. Người ta cũng quan sát thấy trong các giai đoạn thử nghiệm rằng xơ gòn thô vẫn nổi trên bề mặt của dung dịch trong quá trình hấp phụ. Tuy nhiên, do lượng hydroxyl dồi dào trong xơ, nên xơ vẫn có thể thu giữ các ion kim loại trên bề mặt xơ. Dung lượng hấp phụ của xơ gòn thô chưa được xử lý có thể được sử dụng làm cơ sở để so sánh về hiệu suất hấp phụ với xơ gòn đã được xử lý và sửa đổi bề mặt.
Các phương pháp xử lý hóa học xơ gòn Xơ gòn có đặc tính kỵ nước do có lớp sáp trên bề mặt [22], do đó hạn chế khả năng loại bỏ thuốc nhuộm và ion kim loại nặng của xơ [23]. Để cải thiện khả năng thấm ướt và khả năng hấp phụ của xơ, cần phải sửa đổi bề mặt và xử lý sơ bộ xơ.
