Nghiên cứu tổng hợp nano Fe3O4 bọc chitosan ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm

Nghiên cứu tổng hợp nano Fe3O4 bọc chitosan nhằm ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước thải dệt nhuộm, nâng cao chất lượng môi trường.

• Tác giả: Trần Văn Vĩnh
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Xuân Vững
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp nano Fe3O4 bọc chitosan ứng dụng trong xử lý nƣớc thải dệt nhuộm.
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp cử nhân khoa học
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
• 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 1.5. Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài
• 1.6. Bố cục đề tài
• 2. TỔNG QUAN VỀ CHITOSAN VÀ VẬT LIỆU NANO Fe3O4
• 2.1. Tổng quan về chitosan
• 2.1.1. Nguồn gốc của chitosan
• 2.1.2. Cấu trúc và tính chất của chitosan
• 2.1.3. Ứng dụng của chitosan
• 2.2. Tổng quan về vật liệu nano Fe3O4
• 2.2.1. Vật liệu nano
• 2.2.2. Hạt nano oxit sắt từ Fe3O4
• 2.2.2.1. Cấu trúc tinh thể hạt nano oxit sắt từ Fe3O4
• 2.2.3. Các phương pháp điều chế hạt nano oxit sắt từ Fe3O4
• 2.2.3.1. Phương pháp nghiền
• 2.2.3.2. Phương pháp đồng kết tủa
• 2.2.3.3. Phương pháp vi nhũ tương
• 3. THỰC NGHIỆM
• 3.1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ
• 3.1.1. Nguyên liệu và hóa chất
• 3.1.2. Dụng cụ và thiết bị
• 3.2. Tiến hành thực nghiệm
• 3.2.1. Chuẩn bị hóa chất
• 3.2.2. Điều chế vật liệu nano Fe3O4 bọc chitosan
• 3.2.3. Phân tích các đặc trưng của hạt nano từ tính bọc chitosan
• 3.2.4. Khảo sát quá trình keo tụ và hấp phụ
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Phân tích các đặc trưng của hạt nano từ tính bọc chitosan
• 4.1.1. Nhiễu xạ XRD
• 4.2. Kết quả khảo sát quá trình keo tụ và quá trình hấp phụ
• 4.2.1. Đường chuẩn thuốc nhuộm hoạt tính YC LC-3RN
• 4.2.2. Khảo sát quá trình keo tụ
• 4.2.3. Khảo sát quá trình hấp phụ
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu nano Fe3O4 bọc chitosan trong xử lý nước thải

Nghiên cứu về nano Fe3O4 bọc chitosan đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực xử lý nước thải, đặc biệt là nước thải từ ngành dệt nhuộm. Nước thải dệt nhuộm chứa nhiều hợp chất độc hại, gây ô nhiễm môi trường. Việc ứng dụng công nghệ nano trong xử lý nước thải không chỉ giúp loại bỏ các chất độc hại mà còn mang lại hiệu quả kinh tế cao. Chitosan, một polysaccharide tự nhiên, có khả năng hấp phụ tốt các chất ô nhiễm, khi kết hợp với nano Fe3O4, tạo ra vật liệu có tính năng vượt trội trong việc xử lý nước thải.

1.1. Nguồn gốc và tính chất của chitosan

Chitosan được chiết xuất từ vỏ của các loài giáp xác như tôm, cua. Nó có khả năng hòa tan trong môi trường axit và có tính kháng khuẩn cao. Đặc biệt, chitosan có khả năng tạo phức với các ion kim loại, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải.

1.2. Đặc điểm của nano Fe3O4 trong xử lý nước thải

Nano Fe3O4 là một loại oxit sắt từ, có cấu trúc tinh thể đặc biệt giúp tăng cường khả năng hấp phụ. Với kích thước nano, vật liệu này có diện tích bề mặt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ các chất ô nhiễm trong nước thải.

II. Vấn đề ô nhiễm nước thải dệt nhuộm và thách thức xử lý

Ngành dệt nhuộm là một trong những ngành công nghiệp gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Nước thải từ ngành này chứa nhiều hợp chất hữu cơ độc hại, khó phân hủy. Việc xử lý nước thải dệt nhuộm không chỉ là một thách thức lớn mà còn là một yêu cầu cấp thiết để bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý truyền thống thường không hiệu quả trong việc loại bỏ các chất độc hại này.

2.1. Tác động của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm

Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho môi trường, bao gồm sự suy giảm chất lượng nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Các hợp chất trong nước thải có thể gây ra các bệnh về da và các vấn đề sức khỏe khác.

2.2. Thách thức trong việc xử lý nước thải

Các phương pháp xử lý nước thải hiện tại thường gặp khó khăn trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ bền vững. Do đó, cần tìm kiếm các giải pháp mới, hiệu quả hơn, như việc sử dụng vật liệu nano trong xử lý nước thải.

III. Phương pháp tổng hợp nano Fe3O4 bọc chitosan hiệu quả

Phương pháp tổng hợp nano Fe3O4 bọc chitosan được thực hiện qua nhiều bước, bao gồm điều chế hạt nano và bọc chitosan lên bề mặt hạt. Quá trình này không chỉ giúp tăng cường khả năng hấp phụ mà còn cải thiện tính ổn định của vật liệu trong môi trường nước thải. Việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp là rất quan trọng để đạt được sản phẩm có chất lượng cao.

3.1. Quy trình điều chế nano Fe3O4

Quy trình điều chế nano Fe3O4 thường sử dụng phương pháp đồng kết tủa, trong đó các muối sắt được kết tủa trong môi trường kiềm. Điều này giúp tạo ra hạt nano với kích thước đồng nhất và tính chất từ tính tốt.

3.2. Bọc chitosan lên hạt nano

Quá trình bọc chitosan lên hạt nano Fe3O4 được thực hiện thông qua các phản ứng hóa học, giúp tăng cường khả năng hấp phụ và tạo ra vật liệu có tính năng vượt trội trong xử lý nước thải.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nano Fe3O4 bọc chitosan trong xử lý nước thải

Vật liệu nano Fe3O4 bọc chitosan đã được ứng dụng thành công trong việc xử lý nước thải dệt nhuộm. Các nghiên cứu cho thấy vật liệu này có khả năng hấp phụ cao đối với các hợp chất màu trong nước thải, giúp giảm thiểu ô nhiễm hiệu quả. Việc sử dụng vật liệu này không chỉ mang lại hiệu quả cao mà còn tiết kiệm chi phí cho các nhà máy dệt nhuộm.

4.1. Kết quả nghiên cứu về khả năng hấp phụ

Nghiên cứu cho thấy nano Fe3O4 bọc chitosan có khả năng hấp phụ cao đối với thuốc nhuộm hoạt tính COLVAZOL YELLOW LC-3RN, với hiệu suất hấp phụ đạt trên 90% trong điều kiện tối ưu.

4.2. Lợi ích kinh tế từ việc sử dụng vật liệu này

Việc áp dụng nano Fe3O4 bọc chitosan trong xử lý nước thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tiết kiệm chi phí cho các nhà máy dệt nhuộm, nhờ vào khả năng tái sử dụng vật liệu sau khi xử lý.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về nano Fe3O4 bọc chitosan trong xử lý nước thải dệt nhuộm đã mở ra nhiều triển vọng mới trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường. Với khả năng hấp phụ vượt trội và tính thân thiện với môi trường, vật liệu này hứa hẹn sẽ trở thành giải pháp hiệu quả cho ngành công nghiệp dệt nhuộm trong tương lai.

5.1. Tương lai của công nghệ xử lý nước thải

Công nghệ xử lý nước thải bằng vật liệu nano đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và ứng dụng thực tiễn của vật liệu này.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hiệu suất hấp phụ của vật liệu, cũng như đánh giá tác động lâu dài của việc sử dụng nano Fe3O4 bọc chitosan trong xử lý nước thải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA TRẦN VĂN VĨNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO Fe3O4 BỌC CHITOSAN ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI DỆT NHUỘM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN KHOA HỌC Đà Nẵng – 2016 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO Fe3O4 BỌC CHITOSAN ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI DỆT NHUỘM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN KHOA HỌC Sinh viên thực hiện : Trần Văn Vĩnh Lớp : 12CHP Giáo viên hƣớng dẫn : TS. Bùi Xuân Vững Đà Nẵng - 2016 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA HÓA  NHIỆM VỤ LÀM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : TRẦN VĂN VĨNH Lớp : 12CHP 1. Tên đề tài : Nghiên cứu tổng hợp nano Fe3O4 bọc chitosan ứng dụng trong xử lý nƣớc thải dệt nhuộm. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị - Nguyên liệu, hóa chất: mẫu giả thuốc nhuộm hoạt tính COLVAZOL YELLOW LC- 3RN, FeCl3.6H2O, KI, chitosan rắn , dung dịch amoniac, dung dịch axit acetic, cồn 960 - Dụng cụ: Bình tam giác, bình định mức, pipet các loại, buret, ống đong, cuvet. - Thiết bị: máy pH, máy khuấy từ, tủ sấy, máy ly tâm, máy quang phổ hấp phụ phân tử UV-VIS,… 3. Nội dung nghiên cứu - Điều chế vật liệu nano Fe3O4 bọc chitosan - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của quá trình hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính COLVAZOL YELLOW LC-3RN bằng nano Fe3O4 bọc chitosan: lượng VLHP, thời gian, pH, dung lượng hấp phụ. - Khảo sát các yếu ảnh hưởng của quá trình keo tụ thuốc nhuộm hoạt tính COLVAZOL YELLOW LC-3RN sử dụng nano Fe3O4 bọc chitosan làm chất hỗ trợ keo tụ: nồng độ FeCl3, lượng nano Fe3O4 bọc chitosan, pH. - Phân tích đặc trưng sản phẩm bằng phương pháp vật lý. Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Bùi Xuân Vững 5. Ngày giao đề tài : Ngày 10 tháng 8 năm 2015. Ngày hoàn thành : Ngày 22 tháng 4 năm 2016. Chủ nhiệm khoa Giáo viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PGS. Lê Tự Hải TS. Bùi Xuân Vững LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS. Bùi Xuân Vững đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành khóa luận này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô giảng dạy, quý thầy cô công tác tại phòng thí nghiệm của khoa Hóa – Trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng, các bạn trong lớp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa luận này. Đà Nẵng, ngày 27 tháng 4 năm 2016 Sinh viên Trần Văn Vĩnh MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU . Lý do chọn đề tài . Mục đích nghiên cứu . Đối tượng nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết . Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm . Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài . Bố cục đề tài . Tổng quan về chitosan . Nguồn gốc của chitosan . Cấu trúc và tính chất của chitosan .3 Ứng dụng của chitosan .2 Tổng quan về vật liệu nano Fe3O4. Vật liệu nano . Hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 .3 Chất lỏng từ . Các loại vật liệu bọc . Tổng quan về thuốc nhuộm . Khái quát về thuốc nhuộm . Thuốc nhuộm hoạt tính .3 Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm . Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm . Cơ sở lý thuyết về hấp phụ . Cơ sở lý thuyết về keo tụ . Phương pháp UV-VIS . Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu. Các định luật cơ bản về sự hấp thụ ánh sáng . 29 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM . Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ . Nguyên liệu và hóa chất . Dụng cụ và thiết bị . Tiến hành thực nghiệm. Chuẩn bị hóa chất . Điều chể vật liệu nano Fe3O4 bọc chitosan . Phân tích các đặc trưng của hạt nano từ tính bọc chitosan . Khảo sát quá trình keo tụ và hấp phụ . KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . Phân tích các đặc trưng của hạt nano từ tính bọc chitosan . Nhiễu xạ XRD . Kết quả khảo sát quá trình keo tụ và quá trình hấp phụ . Đường chuẩn thuốc nhuộm hoạt tính YC LC-3RN . Khảo sát quá trình keo tụ . Khảo sát quá trình hấp phụ . 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 53 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IR Infraed ( phổ hồng ngoại ) ppm Past per million ( một phần triệu ) t Thời gian UV-VIS Ultrviolet - Visible ( Tử ngoại và khả kiến ) XRD X-ray Difraction ( Nhiễu xạ tia X ) VLHP Vật liệu hấp phụ CY LC-3RN COLVAZOL YELLOW LC-3RN DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Trang 3.1 Dãy chuẩn CY LC-3RN 41 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ FeCl3 đến hiệu suất xử lý màu 42 3.3 Ảnh hưởng của lượng nano Fe3O4 bọc chitosan đến hiệu xuất xử lý màu 43 3.4 Ảnh hưởng của pH đến hiệu xuất xử lý màu 44 3.5 Ảnh hưởng của lượng VLHP đến hiệu xuất xử lý màu 46 3.6 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu xuất xử lý màu 47 3.7 Ảnh hưởng của pH đến hiệu xuất xử lý màu 48 3.8 Ảnh hưởng của nồng độ chất màu 49 Các thông số của phương trình hấp phụ Freundlich của nano Fe3O4 bọc 3.9 51 chitosan DANH MỤC CÁC HÌNH STT Tên hình Trang 1.1 Công thức cấu tạo của chitosan 5 1.2 Sơ đồ Lamer mô tả quá trình hình thành hạt nano 9 1.3 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 19 1.4 Sự phụ thuộc của Cs/q vào Cs 19 1.5 Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 20 1.6 Liên kết bắc cầu giữa các polymer lên các hạt keo 31 a) Hạt nano Fe3O4 bọc chitosan, 2.1 34 b) Hạt nano Fe3O4 bọc chitosan được hút bởi một nam châm vĩnh cửu 3.1 Nhiễu xạ tia X của nano Fe3O4 39 3.2 Nhiễu xạ tia X của nano Fe3O4 bọc chitosan 40 3.3 Phổ hồng ngoại IR của chitosan 40 3.4 Phổ hồng ngoại IR của nano Fe3O4 bọc chitosan 41 3.5 Đường chuẩn CY LC-3RN 42 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ FeCl3 đến hiệu xuất xử lý 43 3.7 Ảnh hưởng của lượng Fe3O4 bọc chitosan đến hiệu xuất xử lý 44 3.8 Ảnh hưởng của pH đến hiệu xuất xử lý 45 a. dung dịch thuốc nhuộm CY LC-3RN trước keo tụ (C = 100ppm) 3. dung dịch thuốc nhuộm CY LC-3RN sau keo tụ 3.10 Ảnh hưởng của lượng hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ 46 3.11 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ 47 3.12 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ 48 3.13 Đường cong đẳng nhiệt Langmuir 49 3.14 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính 50 3.15 Phương trình đẳng nhiệt theo Freundlich 50 a. dung dịch thuốc nhuộm CY LC-3RN trước hấp phụ (C = 100ppm) 3. dung dịch thuốc nhuộm CY LC-3RN sau hấp phụ 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay quá trình công nghiệp hóa – đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ, làm cho vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng. Một trong những ngành công nghiệp gây ô nhiễm cao là ngành dệt nhuộm. Với hàng ngàn cơ sở nhỏ lẻ từ các làng nghề truyền thống, nước thải sau sản xuất hầu như không được xử lý mà đổ thẳng ra ao hồ, sông ngòi gây ô nhiễm môi trường. Đặc tính của nước thải dệt nhuộm là chứa nhiều hợp chất hữu cơ, loại hợp chất bền, khó phân hủy và rất độc hại. Nghiên cứu, xử lý nước thải là vấn đề quan trọng nhằm loại bỏ hết các chất này khi xả ra môi trường, bảo vệ con người và môi trường sinh thái. Chitin, chitosan là những polysaccarit có nguồn gốc tự nhiên, tập trung nhiều trong vỏ các loài giáp xác như tôm, cua,. Việc sản xuất chitin, chitosan có nguồn gốc từ vỏ tôm, cua mang lại hiệu quả kinh tế cao và góp phần giải quyết lượng lớn rác thải trong ngành chế biến thủy sản. Chitin, chitosan và các dẫn xuất của nó có các đặc tính như kháng khuẩn, không gây dị ứng và không gây độc cho người và gia súc, có khả năng tạo phức với một số kim loại chuyển tiếp như: Cu(II), Ni(II), Co(II).do vậy chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: xử lý nước thải và bảo vệ môi trường, dược học và y học, nông nghiệp, công ngiệp và công nghệ sinh học. Các hạt nano từ tính rất thân thiện với môi trường, ít độc tính, độ tương thích sinh học cao, tính đồng nhất của kích thước hạt và tính ổn định trong môi trường ngoài. Quá trình bọc chitosan lên nano từ tính sẽ làm cho vật liệu có diện tích bề mặt riêng tăng lên, tăng khả năng hấp phụ và dễ dàng thu hồi vật liệu nhờ từ trường ngoài, có thể tái sử dụng vật liệu. Do đó tôi chọn đề tài: “Ngiên cứu tổng hợp nano Fe3O4 bọc chitosan ứng dụng trong xử lý nƣớc thải dệt nhuộm” làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình. Mục đích nghiên cứu - Điều chế nano Fe3O4 bọc chitosan. 2 - Đánh giá khả năng xử lý thuốc nhuộm hoạt tính COLVAZOL YELLOW LC-3RN bằng vật liệu nano Fe3O4 bọc chitosan. Đối tƣợng nghiên cứu - Đối tượng: Mẫu giả thuốc nhuộm hoạt tính COLVAZOL YELLOW LC-3RN lấy ở nhà máy dệt Danatex Hòa Khánh, Đà Nẵng. Phƣơng pháp nghiên cứu 4. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết - Thu thập các thông tin tài liệu liên quan đến đề tài. - Xử lý các thông tin về lý thuyết để đưa ra các vấn đề cần thực hiện trong quá trình thực nghiệm. - Trao đổi với giáo viên hướng dẫn. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm - Điều chế nano Fe3O4 bọc chitosan. - Phân tích đặc trưng sản phẩm vật lý. + Kiểm tra cấu trúc sản phẩm thông qua chụp nhiễu xạ tia X tại Khoa Hóa, Đại học bách khoa- ĐH Đà Nẵng. + Chụp phổ IR tại Khoa Hóa, Đại học bách khoa- ĐH Đà Nẵng . - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ thuốc nhuộm COLVAZOL YELLOW LC-3RN dùng nano Fe3O4 bọc chitosan làm chất trợ keo tụ. - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ thuốc nhuộm COLVAZOL YELLOW LC-3RN của nano Fe3O4 bọc chitosan. Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài Những kết quả nghiên cứu trong công trình này sẽ góp phần cung cấp các thông tin có ý nghĩa khoa học về việc xử lý nước thải dệt nhuộm bằng các vật liệu có từ tính dễ thu hồi.