Nghiên cứu hấp phụ màu metylen xanh bằng vật liệu bã chè - Đỗ Trà Hương

Nội dung text: Nghiên cứu hấp phụ màu metylen xanh bằng vật liệu bã chè - Đỗ Trà Hương

1. Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 19, Số 4/2014 NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ MÀU METYLEN XANH BẰNG VẬT LIỆU BÃ CHÈ Đến tòa soạn 29 - 4 – 2014 Đỗ Trà Hƣơng, Trần Thúy Nga Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên SUMMARY ADSORPTION ATUDIES ON THE REMOVEL OF COLOR OF METHYLEN BLUE USING MATERIAL TEA WASTE The potentiality of tea waste for the adsorptive removal of methylene blue, a cationic dye, from aqueous solution was studied. Batch kinetics and isotherm studies were carried out under varying experimental conditions of contact time, initial methylene blue concentration, adsorbent dosag, pH The nature of the possible adsorbent and methylene blue interactions was examined by the FTIR technique.The pHpzc of the adsorbent was estimated by titration method and a value of 5,23 was obtained. Anadsorption–desorption study was carried out resulting the mechanism of adsorption was reversible and ion-exchange. Adsorption equilibrium of tea waste reached within 2 h for methylene blue. The extentof the dye removal increased with increasing initial dye concentration. The equilibrium data in aqueoussolutions were well represented by the Langmuir isotherm model. The adsorption capacity of methyleneblue onto tea waste was found to be as high as 178,57 mg/g. Tea waste appears as a very prospective adsorbent for the removal of methylene blue from aqueous solution. Keywords: Adsorption; tea waste; isothermal Langmuir; methylene blue; cationic dye. 1. MỞ ĐẦU đều sử dụng phẩm màu và sơn để tạo màu Đặc điểm nổi bật của nƣớc thải dệt cho các sản phẩm. Nƣớc thải của các nhuộm là chứa một nồng độ cao chất màu ngành công nghiệp này nếu không đƣợc hữu cơ bền vi sinh. Những hợp chất màu xử lý hoặc chƣa đƣợc xử lý triệt để có thể là những chất ô nhiễm dễ nhận thấy nhất chứa các hợp chất hữu cơ độc hại khi thải bởi màu sắc của chúng. Hầu hết các vào các nguồn nƣớc tự nhiên nhƣ sông ngành công nghiệp nhƣ dệt, giấy, in ấn suối sẽ làm nhiễm độc môi trƣờng nƣớc 27
2. và phá hủy cảnh quan môi trƣờng tự 3. Phƣơng pháp nghiên cứu nhiên. Do đó việc tìm ra phƣơng pháp Đặc điểm bề mặt, hình thái học của vật nhằm loại bỏ chúng ra khỏi môi trƣờng liệu hấp phụ đƣợc xác định qua phổ hồng nƣớc có ý nghĩa hết sức to lớn. Hiện nay ngoại FT-IR. kính hiển vi điện tử quét có nhiều phƣơng pháp khác nhau đã đƣợc SEM. nghiên cứu và áp dụng để tách loại các hợp Diện tích bề mặt riêng của vật liệu bã chè chất hữu cơ ra khỏi môi trƣờng nƣớc nhƣ đƣợc xác định theo phƣơng pháp BET. các phƣơng pháp vi sinh, phƣơng pháp điện Xác định nồng độ trƣớc và sau khi hấp hóa, phƣơng pháp hóa học, các phƣơng phụ của metylen xanh (MB) bằng pháp liên quan đến UV hay ozon, phƣơng phƣơng pháp đo quang. pháp hấp phụ. Trong đó phƣơng pháp hấp 4. Phƣơng pháp nghiên cứu thực phụ đƣợc lựa chọn và mang lại kết quả cao. nghiệm Ƣu điểm của phƣơng pháp là tận dụng các * Nghiên cứu khả năng hấp phụ MB phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp làm của VLHP vật liệu hấp phụ để xử lý nguồn nƣớc ô - Thể tích của metylen xanh là 30 ml nhiễm. Hơn nữa nguồn nguyên liệu này rẻ với nồng độ và pH xác định (dung dung tiền, sẵn có và không đƣa thêm vào môi dịch HNO3 loãng và dung dịch NaOH để trƣờng các tác nhân độc hại khác.[1-9]. điều chỉnh pH). Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu - Lƣợng vật liệu hấp phụ là 0,05 g sự hấp phụ các chất màu hữu cơ (dùng - Các thí nghiệm đƣợc tiến hành ở nhiệt metylen xanh làm ví dụ) trong môi độ phòng O trƣờng nƣớc của vật liệu hấp phụ chế tạo (25 ± 1 C), hỗn hợp hấp phụ đƣợc lắc từ bã chè. bằng máy lắc với tốc độ 200 vòng/phút. 2. THỰC NGHIỆM + Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ. 1. Hóa chất + Khảo sát ảnh hƣởng của pH Nƣớc cất hai lần, dung dịch NaOH, HCl, + Khảo sát ảnh hƣởng của khối lƣợng NaCl, metylen xanh (MB). Tất cả hóa vật liệu. chất đều có độ tinh khiết PA. + Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ 2. Chế tạo tạo vật liệu hấp phụ bã chè 0 0 0 0 (VLHP) (25 C, 35 C, 45 C, 55 C). Bã chè đƣợc thu thập từ các hộ gia đình, + Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ đầu các hàng quán đƣợc rửa với nƣớc cất đến sự hấp phụ MB của VLHP. nhiều lần để loại bỏ tất cả các hạt bụi - Dung lƣợng hấp phụ tính theo công thức: bẩn. Sau đó đem đun sôi với nƣớc cất để (C0 C )V q cb loại bỏ caffein, tannin . Tiếp tục rửa m lại bằng nƣớc cất nhiều lần cho đến khi Trong đó: V là thể tích dung dịch (l). nƣớc rửa không còn màu, rồi đem sấy m là khối lƣợng chất hấp phụ (g), C0 là o khô ở 95 C trong 16 giờ, sau đó đƣợc nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l), Ccb là nghiền nát và rây đến kích thƣớc 180 - nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp 300 m. và đƣợc bảo vệ trong bình hút phụ (mg/l), q là dung lƣợng hấp phụ tại ẩm để sử dụng thời điểm cân bằng (mg/g). 28
3. - Dung lƣợng hấp phụ cực đại đƣợc xác định theo phƣơng trình hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính:. C 1 1 cb .C cb q qmax q max .b Trong đó: qmax là dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g), b là hằng số Langmuir. * Nghiên cứu hấp phụ MB của VLHP Hình 1: Phổ FT – IR của VLHP Cân 0,05g VLHP vào 12 eclen có dung Phân tích quang phổ hồng ngoại của tích 100ml, đánh số thứ tự từ 1 - 12; cho VLHP (hình 1) cho thấy vân phổ rộng ở tiếp vào mỗi eclen 30ml dung dịch MB 3413,42cm-1, đại diện cho nhóm -OH. có nồng độ là 23,66 mg/l (đã đƣợc xác -1 định chính xác nồng độ ) có pH = 8,50, Vân phổ ở tần số 2925,79 cm cho thấy lắc trong 120 phút, ở nhiệt độ phòng ( ~ sự hấp thụ của nhóm C-H no. Tại tần số -1 25oC ) với tốc độ lắc 200 vòng/phút. Sau 1731,35 cm có một vân phổ có thể gán đó lấy 1 mẫu, tiến hành li tâm xác định cho nhóm cacbonyl C=O (cacboxylic). -1 lại nồng độ MB. Với 11 mẫu còn lại, Dải hấp thụ có tần số từ 1657,12 cm dùng dung dịch NaOH 0,1M và HCl tƣơng ứng với sự hấp thụ của nhóm C=O 0,1M để điều chỉnh pH của các dung kéo dài liên hợp với NH. Các vân phổ dịch đến các giá trị tƣơng ứng là 8,50; quan sát thấy ở 1534, 35cm-1 tƣơng ứng 8,10; 7,50; 6,50; 6,0; 5,50; 4,50; 4,00; với nhóm amin bậc hai. Sự hấp thụ của 3,20; 2,30; 1,50. Sau đó tiến hành lắc nhóm CH3 đối xứng đƣợc chỉ ra tại vân trong 120 phút, ở nhiệt độ phòng (~25oC phổ 1374,46cm-1. Vân phổ quan sát thấy ) với tốc độ lắc 200 vòng/phút. Lấy mẫu ở 1060,41cm-1 có thể gán cho sự hấp thụ li tâm và xác định lại nồng độ MB sau của nhóm C –O. Do đó, có thể nói rằng khi hấp phu. các loại nhóm chức trên có khả năng tham 6. Thuốc nhuộm metylen xanh (MB) gia hấp phụ phẩm nhuộm [2,4]. Metylen xanh (MB) là một chất màu thuộc họ thiôzin, phân ly dƣới dạng + + cation MB là C16H18N3S : N (H3C)2N S N(CH3)2 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả khảo sát đặc điểm bề mặt của (VLHP) a 29
4. phụ của VLHP tăng chậm và trong khoảng pH từ 9,17 † 10,14 cả hiệu suất hấp phụ và dung lƣợng hấp phụ đều giảm. Điều này có thể giải thích nhƣ sau: khi giá trị pH pHpzc bề mặt VLHP tích Diện tích bề mặt riêng của VLHP đã điện âm do hấp phụ OH-, mặt khác các đƣợc xác định theo phƣơng pháp BET là nhóm cacboxylic (-COOH) có trong 2 0,3394 m /g VLHP tham gia phản ứng theo phƣơng 3.2. Khảo sát ảnh hƣởng pH trình sau: 100 TW COOH TWCOO H 95 90 TW COOH OH TWCOO H 2O 85 80 Trong đó: TW là 75 VLHP 70 H(%) 65 Xuất hiện lực hút tĩnh điện giữa VLHP 60 55 mang điện tích âm và thuốc nhuộm mang 50 điện tích dƣơng. Nên tại các giá trị pH lớn, 0 2 4 6 8 10 12 pH hiệu xuất hấp phụ lớn. Do vậy, chúng tôi Hình 3: Đồ thị ảnh hưởng của pH đến lựa chọn pH hấp phụ tốt nhất đối với quá trình hấp phụ MB của VLHP dung dịch MB là khoảng pH =8. Giá trị Từ kết quả đƣợc chỉ ra ở hình 3 ta thấy này đƣợc sử dụng cho các thí nghiệm khi pH tăng hiệu suất hấp phụ và dung tiếp theo. lƣợng hấp phụ đều tăng. Trong khoảng 3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ pH từ 2,51 † 5,83, khi tăng pH dung lƣợng Kết quả đƣợc chỉ ra ở hình 4. hấp phụ của VLHP tăng nhanh, trong khoảng pH từ 5,83 † 8,61 dung lƣợng hấp 30
5. 100 giải hấp 97 Hấp phụ 90 80 96 70 60 95 50 H(%) 40 H (%) H 94 30 20 93 10 295 300 305 310 315 320 325 330 0 0 2 4 6 8 10 12 T(K) pH Hình 4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc Hình 6: Đồ thị thể hiện quá trình giải của hiệu suất hấp phụ MB vào nhiệt độ hấp phụ MB của VLHP Ta thấy khi tăng nhiệt độ thì hiệu suất Nghiên cứu giải hấp cho thấy khi giảm hấp phụ giảm. Điều này có thể giải thích pH hiệu suất hấp phụ giảm. Nồng độ cân nhƣ sau: Do hấp phụ là quá trình tỏa bằng của metylen xanh ở pH bằng 8,50 nhiệt cho nên khi tăng nhiệt độ, cân bằng là 0,86 mg/l. Nồng độ metylen xanh sau hấp phụ chuyển dịch theo chiều nghịch giải hấp tăng 0,86 – 22,86 mg/l khi làm tức làm tăng nồng độ chất bị hấp phụ giảm pH từ 8,50 – 1,5. Điều này có thể trong dung dịch và dẫn đến làm giảm đƣợc giải thích nhƣ sau: Ở pH thấp, các hiệu suất và dung lƣợng hấp phụ của quá proton nhiều, xảy ra sự hấp phụ canh trình hấp phụ. tranh các cation MB+ nên đẩy các cation 3.4. Khảo sát dung lƣợng hấp phụ MB+ ra khỏi bề mặt VLHP. Kêt quả khảo sát cân bằng hấp phụ theo 4. KẾT LUẬN mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 1. Đã chế tạo thành công vật liệu hấp phụ của VLHP đƣợc thể hiện trong hình 9 cho từ bã chè thấy mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 2. Đã xác định đƣợc đặc điểm bề mặt, Langmuir mô tả khá tốt sự hấp phụ của một số nhóm chức của VLHP qua ảnh VLHP đối với MB và xác định đƣợc hiển vi điện tử quét và phổ hồng ngoại. dung lƣợng hấp phụ cực đại qmax= 3. Khảo sát đƣợc một số yếu tố ảnh 178,57 mg/g và hằng số b = 0,096 hƣởng đến khả năng hấp phụ metylen 0,80 xanh của VLHP theo phƣơng pháp hấp y = 0,0056x + 0,0585 0,70 R2 = 0,9991 phụ tĩnh cho kết quả: 0,60 0,50 + pH hấp phụ tốt nhất đối với metylen xanh /q (g/l) /q 0,40 cb là 8. C 0,30 0 0 0,20 + Khi tăng nhiệt độ từ 25 C - 55 C thì 0,10 0,00 hiệu suất hấp phụ metylen xanh giảm. 0 20 40 60 80 100 120 140 4. Quá trình hấp phụ metylen xanh đƣợc Ccb(mg/l) thực hiện bởi cơ chế trao đổi ion. Hình 5: Sự phụ thuộc của Ccb /q vào Ccb 5. Quá trình hấp phụ của metylen xanh đối với sự hấp phụ MB trên VLHP tuân theo phƣơng trình đẳng 3.5. Nghiên cứu giải hấp phụ nhiệt hấp phụ Langmuir và xác định 31
6. đƣợc dung lƣợng hấp phụ cực đại đối Hazardous Materials 186, pp 160–168 với metylen xanh qmax= 178,57 mg/g, (2011). hằng số b= 0,096. 5]. R N. Nasuha, B.H. Hameed, Azam T. Nhƣ vậy việc sử dụng VLHP bã chè để Mohd Din, “Rejected tea as a potential hấp phụ MB cho kết quả tốt. Các kết quả low-cost adsorbent for the removal of thu đƣợc sẽ là cơ sở cho định hƣớng methylene blue”. Journal of Hazardous nghiên cứu nhằm ứng dụng VLHP trong Materials, 175, pp 126–132 (2010). việc xử lý nguồn nƣớc bị ô nhiễm. 6. S. Senthilkumaar, P.R. Varadarajan, K. Porkodi, C.V. Subbhuraam, TÀI LIỆU THAM KHẢO “Adsorptionof methylene blue onto jute fiber carbon: kinetics and equilibrium 1. K.G. Bhattacharyya, A. Sharma, studies”, J.Colloid Interf. Sci. 284, pp “Kinetics and thermodynamics of 78–82 (2005). methylene blue adsorption on Neem 7. T Celal Durana, Duygu Ozdesa, Ali (Azadirachta indica) leaf powder”, Dyes Gundogdub, Mustafa Imamogluc, Hasan Pigments, 65, pp 51–59 (2005). Basri Senturk, “Tea-industry waste 2. Md. Tamez Uddin, Md. Akhtarul activated carbon, as a novel adsorbent, Islam, Shaheen Mahmud, Md. for separation, preconcentration and Rukanuzzaman, “Adsorptive removal of speciation of chromium” Analytica methylene blue by tea waste” Journal of Chimica Acta 688, pp 75–83 (2011). Hazardous Materials, 164, pp 53–60 8. V. Vadivelan, K.V. Kumar, (2009). “Equilibrium, kinetics, mechanism, and 3. N. Dizadji; N. Abootalebi Anaraki, process designfor the sorption of “Adsorption of chromium and copper in methylene blue onto rice hush”, J. aqueous solutions using tea residue” Int. Colloid Interf. Sci. 286, pp 90–100 J. Environ. Sci. Tech., 8 (3), pp 631-638 (2005). (2011). 9. Xiaoping Yang, XiaoningCui, 4. P. Panneerselvam, Norhashimah “Adsorption characteristics of Pb (II) on Morad, Kah Aik Tan, “Magnetic alkali treated tea residue” Water nanoparticle (Fe3O4) impregnated onto Resourcesand Industry, 3, pp 1–10 tea waste for the removal of nickel(II) (2013). from aqueous solution”, Journal of 32