ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRẦN ANH KHÔI

TỔNG HỢP VẬT LIỆU CARBON TẨM KIM LOẠI TỪ XƠ
MÍT VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ THUỐC NHUỘM TRONG
NƯỚC THẢI

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số: 8520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Lê Thị Kim Phụng
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS. TS. Nguyễn Nhật Huy
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. Đinh Thị Nga
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS. Nguyễn Trung Thành
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM ngày 29 tháng 07 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn
thạc sĩ)
1. Chủ tịch hội đồng:
GS. TS. Nguyễn Văn Phước
2. Phản biện 1:
PGS. TS. Đinh Thị Nga
3. Phản biện 2:
PGS. TS. Nguyễn Trung Thành
4. Ủy viên:
TS. Nguyễn Thái Anh
5. Thư ký:
TS. Phan Thanh Lâm
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
Chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

GS. TS. Nguyễn Văn Phước

TRƯỞNG KHOA
MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

PGS. TS. Võ Lê Phú


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc


NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Anh Khôi

MSHV: 2270008

Ngày, tháng, năm sinh: 28/08/1999

Nơi sinh: Ninh Thuận

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 8520320

I. TÊN ĐỀ TÀI: Tổng hợp vật liệu carbon tẩm kim loại từ xơ mít và ứng dụng
xử lý thuốc nhuộm trong nước thải
Synthesis of metal-impregnated carbon materials from jackfruit skin and application
for removal of dyes in water.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tổng hợp vật liệu aerogel từ xơ mít bằng phương pháp thủy nhiệt
- Tổng hợp vật liệu xúc tác Co-Carbon aerogel (Co-CA) bằng phương pháp ngâm
tẩm và nhiệt phân
- Khảo sát đặc tính hình thái, bề mặt và cấu trúc của vật liệu
- Thử nghiệm khả năng phân hủy thuốc nhuộm bằng quá trình như Fenton dị thể với
vật liệu xúc tác đã tổng hợp.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 05/09/2022
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)
21/05/2023
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):
PGS. TS. Lê Thị Kim Phụng
PGS. TS. Nguyễn Nhật Huy

Tp. HCM, ngày

tháng

năm 20

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. Lê Thị Kim Phụng PGS. TS. Nguyễn Nhật Huy
TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. Võ Lê Phú


i

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ được thực hiện và hồn thành tại Trung tâm nghiên cứu cơng
nghệ lọc hóa dầu (RPTC), Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG HCM. Trong q
trình thực hiện, tơi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ q báu của thầy cơ, các anh chị
trong trung tâm, bạn bè và gia đình.
Học viên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS Lê Thị Kim Phụng và PGS.
TS Nguyễn Nhật Huy, đã trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ về mặt chuyên môn, luôn động

viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi trong q trình thực hiện nghiên
cứu này.
Tơi xin trân trọng cám ơn các anh, chị trong phòng Nghiên cứu môi trường đất
và nước, Viện Nhiệt đới môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ và Quân sự cũng
như Ban lãnh đạo Viện đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tơi có thể hồn thành tốt
nhất nghiên cứu này.
Sau cùng, tôi xin bày tỏ lời tri ân sâu sắc tới gia đình đã ln ủng hộ và động
viên trong khoảng thời gian học tập tại trường.
Dù đã nỗ lực nghiên cứu và cố gắng trau dồi trong khoảng thời gian nghiên cứu
nhưng không thể tránh khỏi những sai sót, khuyết điểm. Vì thế, tơi rất mong nhận
được sự góp từ q thầy cơ để có thêm nhiều bài học trong quá trình làm nghiên cứu
sau này.


ii

TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, carbon aerogel pha tạp cobalt (Co-CA) được tổng hợp
từ chất thải sinh khối và biến tính với muối cobalt bằng phương pháp ngâm tẩm kết
hợp nhiệt phân. Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ gia nhiệt đến cấu trúc
vật liệu đã được khảo sát. Hình thái bề mặt, phổ tán sắc năng lượng tia X, thành phần
nhóm chức, cấu trúc tinh thể và diện tích bề mặt riêng của vật liệu được phân tích lần
lượt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM-EDS), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
(FTIR), nhiễu xạ tia X (XRD) và đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N2. Vật liệu
sau khi tổng hợp được sử dụng làm chất xúc tác cho quá trình giống Fenton dị thể để
phân hủy methylene blue (MB) trong nước. Ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng
như nồng độ xúc tác, lượng hydrogen peroxide (H2O2), pH dung dịch, nồng độ chất
ô nhiễm, nhiệt độ phản ứng và ảnh hưởng của anion vô cơ đến hiệu suất phân hủy
chất ô nhiễm đã được nghiên cứu. Kết quả thực nghiệm cho thấy vật liệu xúc tác được
nhiệt phân ở 350°C với tốc độ gia nhiệt 4°C/phút cho hiệu suất phân hủy cao nhất

trong những điều kiện được khảo sát. Diện tích bề mặt riêng và đường kính trung
bình của vật liệu có giá trị tương ứng 34 m2/g và 10,5 nm thuận lợi cho quá trình
khuếch tán MB và H2O2 vào vật liệu. Vật liệu xúc tác có thể phản ứng khoảng giá trị
pH từ 4 – 11 và tốc độ phản ứng được cải thiện rõ rệt trong môi trường kiềm. Ảnh
hưởng của những anion vô cơ như chloride, sulphate, phosphate và carbonate đến
hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm là không giống nhau. Anion chloride và sulphate gần
như không ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý trong khoảng nồng độ khảo sát (1 – 100
mM). Trong khi đó, nồng độ của anion carbonate và phosphate thấp (< 10 mM) tăng
hiệu suất xử lý và gây ức chế quá trình phân hủy MB khi nồng > 10 mM do hiệu ứng
nhặt gốc tự do. Kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng của vật liệu xúc tác Co-CA
trong việc loại bỏ MB có trong nước.


iii

ABSTRACT
In this study, Cobalt dopped carbon aerogel (Co-CA) was synthesized from
biomass waste and then modified with cobalt salt by impregnation – pyrolysis
process. The effect of different temperature and heating rate on the structure of
materials was investigated. The surface morphology, energy-dispersive X-ray
spectroscopy, chemical structure, porous structure, and crystalline structure of the
materials were characterized by scanning electron microscopy combined EDS, N 2
adsorption – desorption, and X-ray diffraction, respectively. The synthesized material
was then applied as an effective heterogeneous Fenton-like catalyst for degradation
of methylene blue (MB) in water. The influence of reaction conditions such as
hydrogen peroxide (H2O2) amount, catalysts dose, initial pH value, initial
concentration, temperature reaction and different anions on the organic pollutant
degradation were studied. Experimental results show that pyrolysis of the catalyst
material at 350°C with a heating rate of 4°C/min gives the highest MB removal
efficiency under the investigated conditions. The specific surface area and average

pore diameter of the material are 34 m2/g and 10,5 nm, respectively, which are
favorable for the diffusion of MB and H2O2 into the material. The catalyst material
can react in the range of pH values from 4 to 11 and the reaction rate is improved in
alkaline media. The effect of inorganic anions such as chloride, sulphate, carbonate
and phosphate on pollutant degradation efficiency is not the same. Chloride and
sulphate did not affect the treatment efficiency at the concentration investigated from
1 to 100 mM. Meanwhile, low concentrations of carbonate or phosphate anions (<10
mM) can positive influence on efficiency removal MB and inhibit MB degradation
at concentrations higher than 10 mM due to their free radical scavenging effects.
Research results show the potential of Co-CA catalyst material in removing MB in
water.


iv

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự
hướng dẫn khoa học của PGS. TS Lê Thị Kim Phụng và PGS. TS Nguyễn Nhật Huy.
Các kết quả trong nghiên cứu này là hoàn toàn trung thực. Tất cả các kết quả từ những
nghiên cứu khác đã được trích dẫn đầy đủ.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này.
Học viên

Trần Anh Khôi


v

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ viii

DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. xi
DANH MỤC VIẾT TẮT ........................................................................................ xiii
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ..............................................................................................1
Đặt vấn đề ........................................................................................................1
Mục tiêu nghiên cứu.........................................................................................2
Nội dung nghiên cứu ........................................................................................3
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................3
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu ...............................................................................3
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn .............................................................4
1.5.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................4
1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................................4
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN .......................................................................................5
Tổng quan về nước thải dệt thuốc nhuộm và các phương pháp xử lý .............5
2.1.1. Thuốc nhuộm ............................................................................................5
2.1.2. Tổng quan về methylene blue (MB) .........................................................7
2.1.3. Các phương pháp xử lý thuốc nhuộm .......................................................9
Tổng quan về quá trình Fenton ......................................................................10
Carbon aerogel (CA) và các phương pháp biến tính với muối kim loại ........15
2.3.1. Aerogel và carbon aerogel ......................................................................15
2.3.2. Biến tính vật liệu aerogel ........................................................................19
2.3.3. Tổng quan về nguồn nguyên liệu xơ mít ................................................20


vi

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ....................................................21
2.4.1. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................21
2.4.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ...........................................................22
CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................24
Nguyên vật liệu, hóa chất và thiết bị ..............................................................24

3.1.1 Hóa chất, thiết bị ......................................................................................24
Phương pháp nghiên cứu................................................................................25
3.2.1. Phương pháp lý thuyết ............................................................................25
3.2.2. Phương pháp thực nghiệm ......................................................................26
3.2.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu ...............................................................26
3.2.4. Phân tích đặc tính, hình thái và cấu trúc vật liệu ....................................30
3.2.5. Thí nghiệm phân hủy thuốc nhuộm bằng phản ứng như Fenton dị thể ..35
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................47
Đặc tính hình thái, bề mặt và cấu trúc vật liệu tổng hợp bằng phương pháp
ngâm tẩm-nhiệt phân .............................................................................................47
4.1.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng nguyên tử
(EDX) ................................................................................................................47
4.1.2. Phổ FTIR .................................................................................................50
4.1.3. Nhiễu xạ tia X (XRD) .............................................................................51
4.1.4. Diện tích bề mặt riêng (BET) ..................................................................52
4.1.5. Điểm đẳng điện pHzpc ..............................................................................53
Ảnh hưởng điều kiện tổng hợp đến hiệu suất xử lý .......................................54
4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân ........................................................54
4.2.2. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt ..............................................................56


vii

Ảnh hưởng điều kiện phản ứng đến hiệu suất xử lý ......................................58
4.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác .............................................................58
4.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2.................................................................60
4.3.3. Ảnh hưởng của pH dung dịch ban đầu....................................................62
4.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng ..........................................................65
4.3.5. Ảnh hưởng của nồng độ MB đến hiệu suất xử lý ...................................67
4.3.6. Ảnh hưởng của anion đến hiệu quả xử lý ...............................................70

Thử nghiệm khả năng xử lý với những thuốc nhuộm khác ...........................72
Thử nghiệm với vật liệu aerogel khác ............................................................74
Xác định điều kiện phản ứng tối ưu ...............................................................76
4.6.1. Chọn miền khảo sát .................................................................................76
4.6.2. Thiết lập mơ hình ....................................................................................77
4.6.3. Phân tích sự có nghĩa của mơ hình với thực nghiệm ..............................79
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................86
Kết luận .................................................................................................................86
Kiến nghị ...............................................................................................................87
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC .............................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................89


viii

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Các ngành cơng nghiệp có lượng nước thải dệt nhuộm cao nhất [14].........5
Hình 2.2 Cấu trúc của phân tử MB [24]......................................................................8
Hình 2.3 Các phương pháp xử lý thuốc nhuộm [6] ....................................................9
Hình 2.4 Cơ chế phân hủy chất ơ nhiễm của q trình Fenton [46] .........................11
Hình 2.5 Cơ chế chính để hịa tan cellulose ở bề mặt phân cách cellulose-dung môi
(a) Pha rắn cellulose tiếp xúc với dung môi (b) Pha rắn trương nở (c) Điểm tách rời
(d) Chuyển vị trí của chuỗi cellulose từ pha trương nở sang pha dung môi (e) Sự phát
triển của quá trình hịa tan [61] .................................................................................16
Hình 2.6 Biểu đồ áp suất và nhiệt độ có thể có cho q trình sấy khô của cellulose
aerogel: (a) sấy thăng hoa và (b) sấy siêu tới hạn [61] .............................................18
Hình 3.1 Quy trình tổng hợp aerogel từ xơ mít ........................................................27
Hình 3.2 Quy trình tổng hợp Co-CA bằng phương pháp ngâm tẩm – nhiệt phân ....28
Hình 3.3 Quy trình khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nhiệt phân đến cấu trúc vật liệu...29
Hình 3.4 Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt đến đặc tính của vật liệu .........................30

Hình 3.5 Sơ đồ thể hiện các thành chính của thiết bị SEM [80] ...............................31
Hình 3.6 Giãn đồ nhiễu xạ tia X [81] ........................................................................33
Hình 3.7 Quy trình tiền xử lý xơ dừa thu hồi cellulose ............................................43
Hình 3.8 Quy trình tổng hợp cellulose aerogel từ xơ dừa.........................................44
Hình 3.9 Quy trình tổng hợp activated carbon cellulose aerogel ..............................45
Hình 4.1 Ảnh SEM của (a) Aerogel, (b) Co-Aerogel, (c) Co-CA-300, (d) Co-CA-350,
(e) Co-CA-450 và (f) Co-CA-550 .............................................................................47
Hình 4.2 Ảnh SEM của (a) Co-Aerogel và (b) Co-CA-350 ở độ phóng đại cao hơn
...................................................................................................................................48


ix

Hình 4.3 Ảnh SEM của Co-CA-350 (a) và ánh xạ nguyên tố của (b) carbon, (c) cobalt,
(d) nito, (e) oxy và (f) EDS spectrum .......................................................................49
Hình 4.4 Phổ FTIR của (a) Aerogel, (b) Co-Aerogel, (c) Co-CA-300, (d) Co-CA-350,
(e) Co-CA-450 và (f) Co-CA-550 .............................................................................50
Hình 4.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của (a) Aerogel, (b) Co-Aerogel, (c) Co-CA-300, (d)
Co-CA-350, (e) Co-CA-450 và (f) Co-CA-550 ........................................................51
Hình 4.6 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ (a) và diện tích bề mặt riêng (b)
của vật liệu ................................................................................................................53
Hình 4.7 Đồ thị xác định điểm đẳng điện pHzpc của vật liệu ....................................54
Hình 4.8 Ảnh hưởng của (a) nhiệt độ nhiệt phân và (b) ba hệ xúc tác khác nhau đến
hiệu suất xử lý MB. ([MB] = 50 mg/L, VMB = 200 mL, [xúc tác] = 0,2 g/L, [H2O2]
= 1,12 M) ..................................................................................................................55
Hình 4.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân đến thành phần của vật liệu carbon [88]
...................................................................................................................................56
Hình 4.10 Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt đến phản ứng xúc tác Fenton dị thể. ([MB]
= 50, 100 mg/L, VMB = 200 mL, [xúc tác] = 0,2 g/L, [H2O2] = 1,12 M) .................57
Hình 4.11 Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác đến hiệu suất phân hủy MB ([MB] = 50

mg/L, VMB = 200 mL, [xúc tác] = 0,10 – 0,40 g/L, [H2O2] = 1,12 M) .....................59
Hình 4.12 Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến hiệu quả xử lý ([MB] = 50 mg/L, VMB
= 200 mL, [xúc tác] = 0,3 g/L, [H2O2] = 0,86 – 1,84 M) ........................................61
Hình 4.13 Ảnh hưởng của pH dung dịch phản ứng đến hiệu suất loại bỏ MB ([MB]
= 100 mg/L, [xúc tác] = 0,3 g/L, [H2O2] = 1,12 M), pH = 2 – 11) .........................63
Hình 4.14 Kiểm tra ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý ([MB] = 50 mg/L, [Xúc tác]
= 0,3 g/L, [H2O2] = 1,12M, VMB = 200 mL, pH = 11) .............................................65
Hình 4.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất xử lý MB ....................66
Hình 4.16 Đồ thị Arrhenius phân hủy MB tại các nhiệt độ khác nhau .....................67


x

Hình 4.17 Ảnh hưởng của nồng độ thuốc nhuộm ban đầu đến khả năng loại bỏ .....68
Hình 4.18 Lượng MB bị theo thời gian ứng với mỗi nồng độ MB ban đầu .............70
Hình 4.19 Ảnh hưởng của 4 anion (a) clorua, (b) sulphate, (c) carbonate và (d)
phosphate đến hiệu suất phân hủy MB .....................................................................71
Hình 4.20 Thử nghiệm khả năng xử lý với những thuốc nhuộm khác ([Thuốc nhuộm]
= 100 mg/L, V = 200 mL, [XT] = 0,3 g/L, [H2O2] = 1,12 M) ..................................73
Hình 4.21 Cấu trúc phân tử của (a) MB, (b) RhB và (c) MO ...................................74
Hình 4.22 Đánh giá khả năng phân hủy MB của ba vật liệu xúc tác khác nhau ([MB]
= 100 mg/L, VMB = 200 mL, [xúc tác] = 0,3 g/L, [H2O2] = 1,12 M) .......................74
Hình 4.23 Bề mặt đáp ứng của từng cặp yếu tố đến hiệu suất và dung lượng xử lý 85


xi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Đặc điểm của nước thải dệt nhuộm [19]. ....................................................7
Bảng 3.1 Danh sách hóa chất được sử dụng .............................................................24

Bảng 3.2 Danh sách thiết bị sử dụng.........................................................................25
Bảng 3.3. Khối lượng muối vô cơ tương ứng với các nồng độ anion.......................41
Bảng 4.1 Chi tiết về cấu trúc của CA-350 và Co-CA-350........................................52
Bảng 4.2 Hằng số tốc độ phản ứng (k) ở ba tốc độ gia nhiệt khác nhau. .................58
Bảng 4.3 Hằng số tốc độ phản ứng (k) đối với các nồng độ xúc tác khác nhau .......60
Bảng 4.4 Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến hằng số tốc độ phản ứng (k). .............62
Bảng 4.5 Hằng số tốc độ phản ứng (k) ở các giá trị pH khác nhau ..........................64
Bảng 4.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hằng số tốc độ phản ứng (k) ........66
Bảng 4.7 Hằng số tốc độ phản ứng (k) của nồng độ MB ban đầu ............................69
Bảng 4.8 Giá trị pH do ion carbonate, photphate hình thành [91] ............................72
Bảng 4.9 Hằng số tốc độ phản ứng (k) của 3 loại vật liệu ........................................75
Bảng 4.10 Giá trị mã hóa và giá trị thực của các yếu tố thực nghiệm ......................76
Bảng 4.11 Kết quả thực nghiệm theo Bảng kế hoạch thực nghiệm 4.10. .................78
Bảng 4.12 Phân tích ANOVA của mơ hình dự đốn hàm mục tiêu hiệu suất xử lý 79
Bảng 4.13 Phân tích ANOVA của mơ hình dự đoán hàm mục tiêu dung lượng xử lý
...................................................................................................................................80
Bảng 4.14 Kết quả phân tích sự phù hợp của mơ hình với thực nghiệm của hàm mục
tiêu hiệu suất xử lý ....................................................................................................81
Bảng 4.15 Kết quả phân tích sự phù hợp của mơ hình với thực nghiệm của hàm mục
tiêu dung lượng xử lý ................................................................................................81
Bảng 4.16 Hệ số của phương trình hồi qui của hàm mục tiêu hiệu suất xử lý .........82


xii

Bảng 4.17 Hệ số của phương trình hồi qui của hàm mục tiêu dung lượng xử lý .....83
Bảng 4.18 Các thông số tối ưu từ phần mềm ............................................................84
Bảng 4.19 So sánh kết quả từ lý thuyết và thực nghiệm ...........................................84



xiii

DANH MỤC VIẾT TẮT
ACCA

Activated

carbon

cellulose Carbon cellulose aerogel đã hoạt

aerogel

hóa

AOPs

Advanced oxidation process

Các q trình oxy hóa nâng cao

BET

Brunauer-Emmett-Teller

CA

Carbon aerogel

CCA


Carbon cellulose aerogel

Co-ACCA

Co- Activated carbon cellulose

Carbon cellulose aerogel đã hoạt

aerogel

hóa biến tính với muối cobalt

Cobalt/Carbon aerogel

Carbon aerogel biến tính với

Co-CA

muối cobalt
Co-CCA

Co- Carbon cellulose aerogel

Carbon cellulose aerogel biến
tính với muối cobalt

EDX

Energy dispersive X-ray


Phổ tán sắc năng lượng tia X

spectroscopy
FTIR

Fourier-transform infrared
spectroscopy

GA

Glycerine acetate

ILs

Chất lỏng ion

MB

Methylene blue

MO

Methyl orange

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier


xiv


PEG

Polyethylene glycol

PVA

Polyvinyl alcohol

RhB

Rhodamin B

SEM

Scanning electron microscopy

Kính hiển vi điện tử quét SEM

XRD

X-ray diffraction

Nhiễu xạ tia X


1

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề
Ngày nay, bên cạnh sự khan hiếm nguồn tài ngun nước thì việc ơ nhiễm nguồn

nước mặt và nước ngầm ngày càng trở nên nghiêm trọng do hoạt động xả thải của
con người. Thuốc nhuộm công nghiệp được đánh giá là nguồn ô nhiễm hữu cơ lớn
nhất và nhu cầu sử dụng các hợp chất này không ngừng gia tăng gây nên hiện trạng
ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng [1, 2]. Theo nghiên cứu của Narayan và cộng sự
các loại thuốc nhuộm tổng hợp như methyl orange, methyl red, MB, rhodamine B, …
bị mất đi trong q trình sử dụng của các ngành cơng nghiệp lên đến 12% [2]. Không
những thế, khoảng 20% thuốc nhuộm trong tổng số thuốc nhuộm được sản xuất hàng
năm bị thất thốt trong q trình nhuộm mà khơng qua q trình xử lý nào, điều này
làm cho nguồn nước tiếp nhận bị ô nhiễm nghiêm trọng. Những loại thuốc nhuộm
gây ảnh hưởng với mơi trường vì khả năng phân hủy sinh học thấp và điện trở suất
cao đối với phương pháp xử lý cổ điển [3]. Sự có mặt của thuốc nhuộm trong nước
có hại cho sức khỏe con người và môi trường do chúng độc hại và gây đột biến đối
với con người [4]. Chúng gây ô nhiễm nghiêm trọng đến hệ sinh thái và đời sống thủy
sinh, qua đó gây ra nguy cơ tích lũy sinh học có thể ảnh hưởng đến con người khi vận
chuyển qua chuỗi thức ăn [5].
Để giảm thiểu tác động của thuốc nhuộm đến mơi trường, các phương pháp xử
lý thuốc nhuộm có trong nước thải đã nhận được nhiều sự quan của các nhà khoa học.
Cho đến nay, các phương pháp xử lý thuốc nhuộm được chia thành 3 nhóm phương
pháp xử lý chính là phương pháp vật lý, phương pháp hóa học và phương pháp sinh
học [6]. Mặc dù có nhiều phương pháp loại bỏ thuốc nhuộm ra khỏi môi trường nước
nhưng một phương pháp lý tưởng phải vừa xử lý chất ơ nhiễm trong khoảng thời gian
ngắn và ít sinh ra sản phẩm phụ. Trong số các phương pháp hóa học, vật lý và sinh
học thì phương pháp hóa học có khả năng khống hóa các chất ơ nhiễm thành các sản
phẩm vô cơ và khả năng xử lý tốt nhiều loại nước thải. Các q trình oxy hóa nâng
cao là một trong những phương pháp hóa học được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi
hiện nay. Các quá trình Fenton đồng thể và dị thể tạo ra tác nhân oxy hóa khơng chọn


2


lọc có thể phân hủy nhiều loại hợp chất hữu cơ có trong nước. So với q trình đồng
thể, q trình dị thể có thể khắc phục được nhược điểm của q trình đồng thể như
hoạt động ở mơi trường pH rộng hơn và giảm sinh ra sản phụ thứ cấp.
Trong quá trình dị thể, bên cạnh tác nhân xúc tác chính là các ion kim loại
chuyển tiếp thì việc gắn những ion kim loại này lên nền chất mang phù hợp cũng rất
quan trọng. Ngày nay, có rất nhiều vật liệu nano được sử dụng để tổng hợp vật liệu
xúc tác cho các quá trình Fenton và giống Fenton dị thể như như zeolites, đất sét [7],
MOFs [8], vật liệu có nguồn gốc carbon như than sinh học [9] và carbon aerogel [10].
Một trong những vật liệu có nguồn gốc carbon được quan tâm nhiều trong thế
kỷ này là carbon aerogel (CA) – vật liệu có cấu trúc xốp (3D) và bên trong cấu trúc
chứa phần lớn là không khí. Carbon aerogel có các tính chất đặc biệt như diện tích bề
mặt riêng, cấu trúc xốp, độ dẫn nhiệt thấp [11]. Những tính chất trên làm cho CA trở
nên tiềm năng trong việc tổng hợp vật liệu xúc tác cho quá trình giống Fenton dị thể.
Việt Nam là đất nước có thế mạnh nơng nghiệp, việc tận dụng nguồn phụ phẩm
này để tổng hợp vật liệu thay thế cho nguồn tài đang bị cạn kiệt là cần thiết. Nếu sử
dụng tốt nguồn ngun liệu thơ vừa có thể giảm thiểu chi phí sản xuất vật liệu vừa
giảm phát sinh chất thải rắn ra môi trường. Nguồn nguyên liệu thô từ xơ mít được
đánh giá có tiềm năng lớn bởi đây là loại cây trồng khá phổ biến ở Việt Nam và đặc
biệt hơn xơ mít đã có sẵn cấu trúc xốp – rất phù hợp để tổng hợp nên vật liệu carbon
aerogel.
Do đó, đề tài “Tổng hợp vật liệu carbon tẩm kim loại từ xơ mít và ứng dụng xử
lý thuốc nhuộm trong nước thải” sẽ cung cấp thêm những cơ sở dữ liệu cần thiết,
quan trọng trong việc xử lý thuốc nhuộm có trong nước bằng q trình giống Fenton
dị thể.
Mục tiêu nghiên cứu
Tổng hợp thành công vật liệu carbon tẩm kim loại từ xơ mít nhằm ứng dụng xử
lý thuốc nhuộm trong nước thải.


3


Nội dung nghiên cứu
Đề tài được thực hiện với những nội dung nghiên cứu sau:
Đề tài được thực hiện với những nội dung nghiên cứu sau:
− Tổng hợp vật liệu aerogel từ xơ mít bằng phương pháp thủy nhiệt.
− Tổng vật liêu xúc tác Co-Carbon aerogel (Co-CA) bằng phương pháp ngâm
tẩm và nhiệt phân.
− Khảo sát đặc tính hình thái, bề mặt và cấu trúc của vật liệu bằng các phương
pháp phân tích hiện đại như SEM/EDX, FTIR, XRD, TGA và BET.
− Thử nghiệm khả năng phân hủy thuốc nhuộm bằng quá trình như Fenton dị
thể với vật liệu xúc tác đã tổng hợp. Khảo sát các yếu tố bao gồm:
• Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ gia nhiệt đến khả năng loại bỏ
MB.
• Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác, nồng độ H2O2, pH dung dịch phản ứng và
nồng độ MB ban đầu đến hiệu suất xử lý.
• Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng và các anion vô cơ đến khả năng xử lý MB.
• Thử nghiệm khả năng xử lý thuốc nhuộm khác.
• So sánh khả năng xử lý với vật liệu aerogel khác.
• Xác định điều kiện phản ứng tối ưu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
Các đối tượng nghiên cứu gồm có:
• Vật liệu xúc tác: Co-Carbon aerogel
• Chất màu ơ nhiễm: Methylene blue, methyl orange, rhodamine B.
Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu được thực hiện tại Trung Tâm Nghiên Cứu Cơng Nghệ Lọc Hóa
Dầu – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM và Viện Nhiêt đới
môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự.



4

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.5.1. Ý nghĩa khoa học
Đóng góp của đề tài nhằm cung cấp các yếu tố ảnh hưởng của điều kiện tổng
hợp đến đặc tính cấu trúc và khả năng xúc tác cho phản ứng phân hủy MB của vật
liệu. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý như nồng độ xúc tác, H2O2, pH dung
dịch, nhiệt độ, nồng độ MB và anion vô cơ đều được khảo sát. Những kết quả từ
nghiên cứu này góp phần vào cơ sở dữ liệu cho những nghiên cứu xử lý thuốc nhuộm
có trong nước bằng quá trình như Fenton dị thể.
1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Trong những thập kỷ gần đây, ô nhiễm nguồn nước gây ra bởi nước thải dệt
nhuộm ngày càng trở thành vấn đề nhận được rất nhiều sự quan tâm do nhu cầu sử
dụng thuốc nhuộm trong các ngành công nghiệp khơng ngừng tăng lên. Do đó, việc
nghiên cứu các quá trình xử lý nước thải dệt nhuộm là việc tất yếu. Mặc dù các q
trình oxy hóa nâng cao như Fenton đồng thể có thể xử lý được loại nước thải này,
nhưng chi phí vận hành cao và sinh ra sản phẩm phụ khơng mong muốn. Các q
trình Fenton dị thể có thể cải thiện được nhược điểm của quá trình đồng thể. Vì vậy,
đề tài này được kỳ vọng có thể sử dụng nguồn phụ phẩm nơng nghiệp làm nguyên
liệu tổng hợp vật liệu xúc tác cho quá trình Fenton dị thể. Việc sử dụng nguồn phụ
phẩm nơng nghiệp làm nguyên liệu vừa giảm chi phí nguyên liệu đầu vào vừa giúp
giảm lượng chất thải nông nghiệp phát sinh. Kết quả từ nghiên cứu này là cơ sở ban
đầu cho việc phát triển vật liệu xúc tác cho những quy mô lớn hơn nhằm xử lý nước
thải thực tế.


5

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN
Tổng quan về nước thải dệt thuốc nhuộm và các phương pháp xử lý

2.1.1. Thuốc nhuộm
Ngày nay, việc phát triển nhiều ngành công nghiệp đã gây ra các vấn đề ô nhiễm
môi trường nghiêm trọng. Dựa theo tính chất các chất gây ơ nhiễm có thể được chia
thành ba loại bao gồm chất ơ nhiễm hóa học, vật lý và sinh học [12]. Các chất ơ nhiễm
hóa học gồm hai nhóm chính là vơ cơ (thường là kim loại) và hữu cơ (các chất ơ
nhiễm có nguồn gốc carbon). Các chất ô nhiễm như vi sinh vật, virus, ký sinh trùng,
… được gọi là chất ô nhiễm sinh học và các chất phóng xạ hoặc nhiệt được xem là
chất ơ nhiễm vật lý.
Trong 3 nhóm ơ nhiễm được nêu trên, chất ơ nhiễm hóa học chủ yếu là các chất
ơ nhiễm hữu cơ là ngun nhân chính gây ô nhiễm nước và nước thải. Chất ô nhiễm
hữu cơ gồm chất ơ nhiễm khơng hịa tan (dầu) và chất ô nhiễm dạng dung dịch (thuốc
nhuộm, thuốc kháng sinh, thuốc bảo vệ thực vật) [13].
Thuốc nhuộm tổng hợp là hóa chất cần thiết trong các ngành cơng nghiệp quan
trọng khác nhau như da, giấy và ngành dệt may vì đặc tính tạo màu của nó. Hiện nay,
năm ngành cơng nghiệp chính như trong Hình 2.1 là ngun nhân chính gây nên sự
ô nhiễm chất hữu cơ trong nước thải [14].

Hình 2.1 Các ngành cơng nghiệp có lượng nước thải dệt nhuộm cao nhất [14]


6

Trong năm ngành công nghiệp này, ngành dệt may và ngành nhuộm có lượng
nước thải lớn nhất. Theo báo cáo, ngành dệt sử dụng lượng thuốc nhuộm rất lớn
khoảng 10.000 tấn mỗi năm và thải ra 100 tấn nước thải nhuộm mỗi năm do nhu cầu
sử dụng nguồn nước cao trong quá trình sản xuất [15]. Nước thải dệt nhuộm là phần
cịn lại sau q trình nhuộm vì các phân tử thuốc nhuộm và hóa chất khơng thể bám
hồn tồn vào vải hoặc vật liệu dệt [16]. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng hỗn hợp thuốc
nhuộm (các phân tử thuốc nhuộm và hóa chất) khơng có khả năng tự bám hồn tồn
vào vải hoặc đồ dệt, chỉ có khoảng 80% thuốc nhuộm và các phân tử hóa học từ hỗn

hợp thuốc nhuộm có thể được hấp phụ bởi các vật liệu dùng để tạo màu [16, 17]. Đặc
biệt, vải chỉ có thể hấp thụ tối đa 25% hỗn hợp thuốc nhuộm lên chính nó do khả năng
hấp thụ kém [18]. Nước thải dệt nhuộm chứa nhiều hóa chất độc hại. Khi thải ra môi
trường, những chất thải này gây ra mối đe dọa đối với hệ sinh thái bằng cách gây ô
nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến việc sử dụng nước. Khi chất nhuộm hòa tan với
nguồn nước, độ đục của nước tăng lên do chất nhuộm có xu hướng tạo thành một lớp
có thể nhìn thấy trên bề mặt nước do tỷ trọng của chúng thấp hơn so với nước. Điều
này ngăn chặn sự xâm nhập của ánh sáng mặt trời vào nước, qua đó ảnh hưởng đến
hoạt động sống của sinh vật trong nước do mất khả năng quang hợp và hô hấp [14].
Nếu nước thải đi vào rừng hoặc đồng ruộng sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường
đất và nguồn nước ngầm. Việc suy giảm chất lượng nguồn nước ngầm sẽ ảnh hưởng
hưởng rất lớn do nước là nhu cầu không thể thiếu trong cuộc sống.
Nước thải dệt nhuộm có các chỉ tiêu ơ nhiễm như giá trị pH, nhu cầu oxy hóa
học (COD), nhu cầu oxy sinh học (BOD), tổng carbon hữu cơ cao, … rất cao. Các
thông số ô nhiễm của nước thải dệt nhuộm được trình bày trong Bảng 2.1 [19].


7

Bảng 2.1 Đặc điểm của nước thải dệt nhuộm [19].
Thông số

Nồng độ

pH

9,5 – 12,5

Tổng chất rắn lơ lửng (mg/L)


60 – 416

Tổng chất rắn hòa tan (mg/L)

45.00 – 12.800

Tổng carbon hữu cơ (mg/L)

26.390 – 73.190

BOD (mg/L)

25 – 433

COD (mg/L)

1.835 – 3.828

Các amine thơm (mg/L)

20 – 75

NH4+ (mg/L)

2–3

Cl- (mg/L)

1.200 – 1.375


SO42- (mg/L)

700 – 2.400

Hiện nay thuốc nhuộm rất đa dạng về cấu trúc và có thể phân loại theo nhiều
cách khác nhau. Thông thường chúng được phân loại dựa trên cấu trúc phân tử, ngồi
ra thuốc nhuộm cũng có thể phân loại dựa trên ứng dụng hoặc độ hòa tan. Thuốc
nhuộm acid, bazo, trực tiếp, cầm màu và hoạt tính là những loại thuốc nhuộm hòa tan
và thuốc nhuộm azo, phân tán, lưu huỳnh và hồn ngun là những thuốc nhuộm
khơng hịa tan [20]. Dù thuốc nhuộm được phân loại theo cách nào thì bản chất của
chúng đều gây hại cho mơi trường nếu chưa được xử lý. Vì vậy, có rất nhiều phương
pháp được nghiên cứu nhằm loại bỏ thuốc nhuộm từ các loại nước/nước thải khác
nhau.
2.1.2. Tổng quan về methylene blue (MB)
MB là thuốc nhuộm cơ bản dị vòng thơm [21], có khối lượng phân tử 319,85
g/mol, được Heinrich Caro tổng hợp thành cơng vào năm 1800 [22]. MB có công
thức phân tử C16H18N3ClS, là thuốc nhuộm cation tồn tại ở trạng thái rắn, không mùi,


8

có dạng bột màu xanh đậm ở nhiệt độ phịng và có màu xanh lam khi hịa tan trong
nước [23]. Cấu trúc phân tử của MB được thể hiện trong Hình 2.2 [24].

Hình 2.2 Cấu trúc của phân tử MB [24]
MB là hóa chất được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực y sinh, được dùng để điều
trị bệnh thiếu máu, sốt rét và thực quản Barrett [25]. MB đang được sử dụng để điều
trị ung thư bằng phương pháp quang động và dùng làm tác nhân bất hoạt của virus
ARN như (HIV, viêm gan B và viêm gan C) trong huyết tương [26].
Bên cạnh đó, MB là thuốc nhuộm phổ biến nhất trong ngành dệt may và là chất

tạo màu được sử dụng rộng rãi [27]. Thuốc nhuộm MB cũng được dùng làm chất chỉ
thị [28], vật liệu tiềm năng trong pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm [29], tụ điện
[30], cảm biến [31], pin nhiên liệu vi sinh vật [32].
Mặc dù là thuốc nhuộm phổ biến và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhưng MB
lại có độc tính cao. Các ngành cơng nghiệp dệt may thường thải ra một lượng lớn MB
vào nguồn nước tự nhiên, trở thành mối đe dọa đến sức khỏe con người và đời sống
sinh vật trong nước [33]. Khi ở nồng độ cao, MB có thể gây ung thư và gây ảnh hưởng
đến sức khỏe con người như suy hô hấp, rối loạn tiêu hóa, gây tiêu chảy, nơn mửa và
tăng nhịp tim [23]. MB khi có mặt trong nguồn nước khơng chỉ gây mất mỹ quan mà
còn cản trở việc truyền ánh sáng vào nguồn nước do khả năng phân hủy sinh học kém
gây ảnh hưởng đến đời sống sinh vật trong nước [34]. Vì vậy, việc loại bỏ MB cũng