MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nước là một tài nguyên vô tận, giữ một vai trò quan trọng trong quá trình hình thành và phát triển sinh quyển. Không thể có sự sống khi không có nước. Nước còn giữ một vai trò chủ chốt trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và đời sống.
Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật và cuộc sống của con người được nâng cao, thì nhu cầu về nước ngày càng nhiều, nhưng sự ô nhiễm môi trường nước xảy ra ngày một nghiêm trọng hơn. Các nguồn gây ô nhiễm của nước là do chính các hoạt động của con người. Một trong những nguồn chất thải bị ô nhiễm nguồn nước đó là từ các khu công nghiệp như ngành luyện kim, thuộc da, chế biến lâm, hải sản,.hay trong nông nghiệp từ việc sử dụng các loại thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, sự đào thải của động, thực vật,. Tại Việt Nam, ngành dệt may là một trong số những ngành công nghiệp trọng điểm giữ vị trí then chốt mang tính chiến lược trong sự nghiệp phát triển của nền kinh tế quốc dân.
Thế nhưng, bài toán nan giải nhất cho ngành chính là vấn đề xử lý nước thải dệt nhuộm sao cho hiệu quả triệt để nhất. Cụ thể, các công nghệ dệt nhuộm sử dụng một lượng nước khá lớn để phục vụ cho các công đoạn sản xuất, đồng thời lượng nước thải sau khi sử dụng được xả ra bình quân từ 12 – 300 m3/tấn vải. Trong đó nguồn ô nhiễm chính là nước thải ở công đoạn dệt nhuộm và nấu tẩy [2]. Đặc biệt là công đoạn dệt nhuộm, nước thải còn mang theo những màu nhuộm ra ngoài.
Nhiều doanh nghiệp còn thải trực tiếp ra ngoài mà không thông qua một hệ thống xử lý nước nào. Độ màu của nước thải rất cao đặc biệt ở các nhà máy vừa và nhỏ dao động từ 1.700 Pt – Co, chứng tỏ lượng thuốc nhuộm được sử dụng cho các cơ sở này còn dư khá nhiều sau quá trình. Trong khi đó, tại các nhà máy lớn độ màu chỉ thay đổi trong khoảng 140 đến 300 Pt – Co, chứng tỏ thuốc nhuộm đã được sử dụng khá triệt để. Ảnh hưởng đến vẻ mỹ quan của nước thải, 1 do an cũng như khả năng xử lý nước thải.
Ảnh hưởng đến môi trường sống của các loài thủy sản sống dưới nước. Với tính nghiêm trọng về sự ô nhiễm chất màu dệt nhuộm trong các nguồn nước như hiện nay cần phải có một giải pháp công nghệ thích hợp để loại bỏ chất ô nhiễm bảo vệ sức khỏe con người và môi trường. Công nghệ hấp phụ đã được chúng tôi lựa chọn do có những ưu điểm so với các công nghệ khác như dễ thiết kế, dễ vận hành và có thể thực hiện ở mọi cấp độ quy mô. Trên cơ sở đó đề tài “Nghiên cứu hấp phụ Rhodamine B từ dung dịch nƣớc bằng nano MnO2” được chúng tôi tiến hành nhằm đóng góp vào quá trình xử lý các nguồn nước bị ô nhiễm chất màu nói riêng và các chất ô nhiễm hữu cơ nói chung trong các nguồn nước và nước thải ở Việt Nam.
Nội dung nghiên cứu Có nhiều loại phẩm nhuộm có độc tính cao nhưng vẫn được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp dệt nhuộm và cả công nghiệp thực phẩm. Một trong số đó là chất màu Rhodamine B, nó được sử dụng rộng rãi để tạo màu và nhuộm màu trong công nghiệp sợi, nhuộm màu trong phòng thí nghiệm để xét nghiệm tế bào, được sử dụng trong sinh học như là một thuốc nhuộm huỳnh quang,.và đặc biệt là trong thực phẩm. Trong đề tài luận văn kì này, tôi chú ý nghiên cứu về các loại phẩm màu nói chung và đặc biệt là phẩm màu Rhodamine B nói riêng về các vấn đề nguy hiểm mà nó ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường và sức khỏe con người. Vì mức độ cấp thiết trên, nên trong tất cả các phương pháp, tôi đã chọn phương pháp nghiên cứu về khả năng hấp phụ Rhodamine B bằng nano MnO2.
Đối tƣợng nghiên cứu Nước thải dệt nhuộm bị nhiễm màu Rhodamine B. Nước thải dệt nhuộm pha theo quy mô phòng thí nghiệm. Phạm vi nghiên cứu Thí nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh với mục đích xác lập các thông số tối ưu cho quá trình hấp phụ Rhodamine B bằng nano MnO2. Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu khả năng xử lý màu của nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp nano MnO2 thông qua các kết quả: - Xác định được các giá trị tối ưu hóa của các thông số: • Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ • Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc • Ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ - Nghiên cứu động học hấp phụ • Động học giả bậc nhất • Động học giả bậc hai - Nghiên cứu cân bằng hấp phụ • Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir • Mô hình hấp phụ Freundlich - Nghiên cứu ảnh hưởng đồng vận của các tham số pH, nồng độ ban đầu Co và khối lượng m bằng phần mềm Minitab - Thiết kế hệ thống hấp phụ gián đoạn một giai đoạn.
Phƣơng pháp nghiên cứu – Phương pháp kế thừa: Tìm kiếm, nghiên cứu, lựa chọn, phân tích, tổng hợp các tài liệu trong và ngoài nước liên quan về dệt nhuộm, thành phần của nước thải dệt nhuộm, các loại màu dệt nhuộm, về nano MnO2,…làm cơ sở đề xuất định hướng nghiên cứu. – Tiến hành thí nghiệm theo nội dung nghiên cứu để thu được kết quả: Nghiên cứu các ảnh hưởng của vật liệu nano MnO2 đến khả năng hấp phụ của 3 do an Rhodamine B thông qua các thông số pH, thời gian tiếp xúc, liều lượng chất hấp phụ, thực nghiệm Minitab,… – Phương pháp thu thập số liệu từ việc nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm: Khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc của nano MnO2 bằng phương pháp chụp SEM (Scanning Electron Microscope) Nghiên cứu vi cấu trúc của vật liệu nano MnO2 bằng phương pháp chup TEM (Transmission Electron Microscope, viết tắt là TEM) Nghiên cứu độ kết tinh và tinh thể của nano MnO2 thông qua phương pháp chụp XRD (X–ray Diffraction) Khảo sát thành phần cấu trúc bề mặt của MnO2 bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại FTIR (Fourier Transform Infrared Spectrophotometer). – Phương pháp lập đường chuẩn: Đo quang phổ: Đề tài “Nghiên cứu hấp phụ Rhodamine B từ dung dịch nước bằng nano MnO2” sử dụng phương pháp trắc quang là chủ yếu. Nguyên tắc chung của phương pháp là muốn xác định một cấu tử X nào đó, ta chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó và suy ra hàm lượng các chất cần xác định.
Cơ sở của phương pháp là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer Lambert – Beer. Khi chiếu bức xạ đơn sắc có cường độ I0 qua dung dịch chứa cấu tử khảo sát có nồng độ C, bề dày dung dịch L, độ hấp thu tỷ lệ với bề dày dung dịch và tỷ lệ với nồng độ cấu tử đang khảo sát trong dung dịch: (3.1) Phương trình Aλ = K.(Cx)b là cơ sở để định lượng các chất theo phép đo phổ hấp thụ quang phân tử UV–Vis. Trong đó: Cx: Nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch 4 do an L : Bề dày curvet ε: Hệ số hấp thụ quang phân tử, phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ ánh sáng và bước sóng của ánh sáng tới (ε = f(λ)) k: Hằng số thực nghiệm b: Hằng số có giá trị 0 < b ≤ 1, là hệ số gắn liền với nồng độ Cx Đo mật độ quang ở bước sóng đã chọn cho mỗi màu thuốc nhuộm nghiên cứu ta sẽ có mối quan hệ giữa độ hấp phụ (A) và nồng độ màu còn lại sau khi bị hấp phụ (Ce). Sai số trong phép đo phổ hấp thu UV – Vis Sự lệch khỏi định luật Lambert – Beer của sự phụ thuộc giữa mật độ quang phổ A và nồng độ C của hợp chất hấp thụ ánh sáng.
Những yếu tố làm ảnh hưởng đến độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch là: bước sóng của ánh sáng tới (ánh sáng không đơn sắc,…) và các yếu tố gây ảnh hưởng tới C (sự pha loãng dung dịch, nồng độ ion H+, có các ion lạ trong dung dịch…) Nguồn bức xạ điện từ có cường độ Io không ổn định (do hiệu thế nguồn không ổn định). Do vậy cường độ bức xạ điện từ đơn sắc chiếu qua dung dịch ở các thời điểm khác nhau là không như nhau. Do để cuvet đựng mẫu ở vị trí không đúng hay hoặc ở vị trí không cố định trong lúc đo. Sai số chủ quan do người thực hiện phép đo phạm phải khi đo các giá trị mật độ quang A hay độ truyền quang T.
Tổng sai số tuyệt đối phạm phải từ 0. Độ lặp lại (độ chính xác) của phương pháp là ±1%, sai số tương đối ±5%. Phương pháp đường chuẩn Để xác định nồng độ màu sau khi bị hấp phụ ta phải xây dựng một đường chuẩn A =f(C). Đường chuẩn được thiết lập trên một loạt dung dịch chuẩn có nồng độ chất hấp thụ nằm trong vùng tuyến tính tuân theo định luật Lambert – Beer.
Nồng độ của mẫu được suy ra từ đồ thị A =f(C) khi biết độ hấp thu A. 5 do an – Phương pháp xử lý số liệu: áp dụng phương pháp thống kê toán học để xử lý số liệu nghiên cứu. Kết quả thí nghiệm được xử lý bằng phần mềm Excel. Sử dụng các dạng đồ thị, biểu đồ để biểu diễn kết quả thí nghiệm, từ đó so sánh, đánh giá kết quả đạt được.
– Phương pháp chuyên gia: Những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô hướng dẫn nói riêng và những truyền đạt trong quá trình học tập của các thầy cô trong ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường sẽ là một trong những yếu tố quan trọng cho sự thành công của đề tài nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1. Ý nghĩa khoa học Kết quả của đề tài là những dẫn chứng khoa học thực tế cho thấy cái nhìn rõ ràng hơn về tác dụng của nano MnO2 trong quá trình xử lý màu Rhodamine B trong nước thải dệt nhuộm với quy mô phòng thí nghiệm nói riêng và các nhà máy dệt nhuộm nói chung. Đồng thời nó cũng là cơ sở khoa học để ứng dụng trong nghiên cứu để xử lý các loại màu nhuộm khác nhau.
Thông qua đó, ta thiết kế hệ thống gián đoạn một giai đoạn để giải bài toán hiệu suất một cách nhanh chống.