Nghiên cứu biến tính bã mía Acid hữu cơ ứng dụng trong loại bỏ chất màu methyleneblue :Báo cáo tổng kết đề tài Khoa học Cấp Trường

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BÃ MÍA BẰNG ACID HỮU CƠ ỨNG

DỤNG TRONG LOẠI BỎ CHẤT MÀU METHYLENE BLUE

Mã số đề tài: 19.2H01

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Văn Cường

Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Hóa học

TP. HỒ CHÍ MINH, 8.2020

ii

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BÃ MÍA BẰNG ACID HỮU CƠ ỨNG

DỤNG TRONG LOẠI BỎ CHẤT MÀU METHYLENE BLUE

Mã số đề tài: 19.2H01

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Văn Cường

Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Hóa Học

TP. HỒ CHÍ MINH, 8.2020

iii

DANH MỤC VIẾT TẮT

• CAS: Bã mía biến tính với acid citric

• MCAS: Bã mía từ tính với acid citric

• RS: Bã mía thô

• MB: metylene blue

• XRD: X-ray diffraction

• FT-IR: Fourier transform infrared spectroscopy

• SEM: Scanning electron microscope

• VSM: Vibrating sample magnetometer

• VLHP: Vật liệu hấp phụ

• CHHĐBM: Chất hoạt động bề mặt

vi

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................................................viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................................... ix

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN................................................................................................................ 8

1.1. Tổng quan về cây mía ...........................................................................................8

1.1.1. Giới thiệu chung về cây mía [1] ....................................................................8

1.1.2. Thành phần hóa học và cấu trúc của bã mía..................................................9

1.2. Tổng quan hạt nano sắt từ Fe3O4.........................................................................18

1.2.1. Cấu trúc .......................................................................................................18

1.2.2. Tính chất đặc trưng ....................................................................................19

1.2.3. Phương pháp điều chế.................................................................................19

1.2.4. Ứng dụng của hạt nano từ tính....................................................................21

1.3. Tổng quan về nước thải dệt nhuộm.....................................................................23

1.3.1. Khái niệm về thuốc nhuộm..........................................................................24

1.3.2. Loại thuốc nhuộm nghiên cứu:....................................................................24

1.3.3. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm........................26

1.4. Tổng quan về một số loại bã mía biến tính và ứng dụng của chúng...................28

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM .......................................................................................................... 32

2.1. Hóa chất, thiết bị, dụng cụ ......................................................................................32

2.2. Quy trình tiến hành..................................................................................................32

2.2.1. Xử lý bã mía .....................................................................................................32

2.2.2. Biến tính bã mía bằng acid citric......................................................................32

2.2.3. Tổng hợp nano từ tính Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa ........................33

2.2.4. Tổng hợp bã mía từ tính (MCAS) ....................................................................34

2.3. Các phương pháp phân tích hóa lý..........................................................................36

2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của bã mía biến tính..........36

2.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ acic citric lên khả năng hấp phụ chất màu methylene

blue .............................................................................................................................36

2.4.2. Ảnh hưởng của khối lượng bã mía từ tính đến khả năng hấp phụ methylene

bue ..............................................................................................................................37

2.4.3. Ảnh hưởng của thời gian và nồng độ chất màu MB đến độ hấp phụ của bã mía

từ tính..........................................................................................................................37

2.4.4. Ảnh hưởng của pH ...........................................................................................37

vii

2.4.5. Ảnh hưởng của các chất màu khác nhau đến khả năng hấp phụ của bã mía từ

tính..............................................................................................................................38

Chương 3: Kết quả và thảo luận.................................................................................................... 39

3.1. Tổng hợp và xác định cấu trúc của vật liệu ............................................................39

3.1.1. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) ..................................39

3.1.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và quang phổ tán xạ năng lượng tia X

(EDX) .........................................................................................................................41

3.1.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD).................................................................42

3.1.4. Phân tích từ tính (VSM) ...................................................................................43

3.1.5. Kết quả đo TGA của bã mía từ tính .................................................................44

3.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ chất màu MB của bã

mía biến tính...................................................................................................................45

3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của kích thước bã mía đến khả năng hấp phụ chất màu

MB:.............................................................................................................................45

3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ acid citric đến khả năng hấp phụ màu MB...............46

3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian biến tính đến khả năng hấp phụ chất màu

MB:.............................................................................................................................47

3.2.4. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ chất màu MB.......48

3.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian đến khả năng hấp phụ chất màu MB ....50

3.2.6. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ chất màu MB.......................50

3.2.7. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ chất màu MB ................................51

3.2.8. Ảnh hưởng của các chất màu khác nhau đến khả năng hấp phụ của bã mía từ

tính..............................................................................................................................52

Chương 4: Kết Luận Và Kiến Nghị ................................................................................................. 56

4.1. Kết luận ...........................................................................................................56

4.2. Kiến nghị .........................................................................................................56

Tài liệu tham khảo......................................................................................................................... 57

Phụ lục ........................................................................................................................................... 60

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của nước mía.................................................................................. 9

Bảng 2.1 Hóa chất ......................................................................................................................... 32

Bảng 2.2. Bước sóng cực đại của các chất màu ............................................................................ 38

Bảng 3.2. So sánh độ pH đến khả năng hấp phụ của bã mía từ tính với CA................................. 51

Bảng 3.3 Các giá trị hằng số đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ chất màu MB ở các nhiệt độ 298 K54

Bảng PL.1. So sánh hiệu suất hấp phụ của bã mía với các nồng độ acid citric khác nhau............ 60

Bảng PL.2. So sánh hiệu suất hấp phụ của bã mía từ tính với CA với nồng độ và thời gian khác

nhau............................................................................................................................................... 60

ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu trúc của cellulose, hemicellulose và lignin .............................................................. 10

Hình 1.2. Cấu trúc phân tử của cellulose ...................................................................................... 11

Hình 1.3. Vùng tinh thể và vùng vô định hình của cellulose......................................................... 11

Hình 1.4. Cấu trúc hóa học của các hợp chất chính của hemicellulose........................................ 14

Hình 1.5. Cấu trúc hóa học của lignin............................................................................................ 14

Hình 1.6. Cấu trúc của ferit spinel................................................................................................. 18

Hình 1.7. Công thức cấu tạo của metylene blue........................................................................... 26

Hình 2.1. Sơ đồ biến tính bã mía với acid citric ............................................................................ 33

Hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp hạt nano sắt từ ..................................................................................... 34

Hình 2.3. Sơ đồ tạo bã mía từ tính MCAS ..................................................................................... 35

Hình 3.1. (a) Phổ FT-IR của bã mía thô, bã mía biến tính với acid citric và (b) Phổ FT-IR của bã

mía từ tính..................................................................................................................................... 41

Hình 3.2. Ảnh chụp SEM của bã mía từ tính với CA ở các độ phóng đại khác nhau: a) 30000x, b)

50000x, c) 100000x ....................................................................................................................... 41

Hình 3.3. Phổ EDX của bã mía từ tính với CA................................................................................ 42

Hình 3.4. Ảnh nhiễu xạ XRD của bã mía từ tính với CA và Fe3O4 .................................................. 43

Hình 3.5. Đường cong từ tính của Fe3O4 và bã mía từ tính .......................................................... 44

Hình 3.6. Kết quả TGA của bã mía từ tính..................................................................................... 45

Hình 3.7. Ảnh hưởng của kích thước vật liệu đến khả năng hấp phụ chất màu MB. Nồng độ ban

đầu của chất màu MB là 25 mg/L, thời gian hấp phụ là 30 phút, khối lượng vật liệu hấp phụ 0.5

g ..................................................................................................................................................... 46

Hình 3.8 Ảnh hưởng của nồng độ Acid Citric đến hiệu suất hấp phụ.......................................... 47

Hình.3.9 Ảnh hưởng của thời gian biến tính bã mía với acid citric đến khả năng hấp phụ chất

màu MB. Nồng độ dung dịch chất màu MB ban đầu là 25 mg/L, thời gian hấp phụ là 30 phút và

khối lượng vật liệu hấp phụ là 0.5 g.............................................................................................. 48

Hình 3.10. Ảnh hưởng của khối lượng bã mía từ tính đến khả năng hấp phụ chất màu MB....... 49

Hình 3.11. Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian đến khả năng hấp phụ của bã mía từ tính....... 50

Hình 3.12. Ảnh hưởng của thời gian đến độ hấp phụ màu MB 75ppm của bã mía từ tính với CA51

Hình 3.13. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của bã mía từ tính với CA ........................ 52

Hình 3.14. Khả năng hấp phụ các bột màu khác của bã mía từ tính. ........................................... 53

Hình. 3.15. Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt của chất màu MB ở nhiệt độ 298 K................................. 55

1

LỜI CÁM ƠN

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Quỹ nghiên cứu khoa học của Trường Đại học Công

nghiệp Tp HCM, lãnh đạo khoa Công nghệ Hóa học, Phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ

Hóa học, các thành viên của đề tài đã giúp tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này.

Cảm ơn các thành viên của nhóm nghiên cứu thuộc IUH đã động viên giúp đỡ tôi về mặt

tinh thần để hoàn thành công trình nghiên cứu này.

2

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

I. Thông tin tổng quát

1.1. Tên đề tài

Nghiên cứu biến tính bã mía bằng acid hữu cơ ứng dụng trong loại bỏ chất màu

methylene blue

1.2. Mã số: 19.2H01

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT

Họ và tên

(học hàm, học vị)

Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 Nguyễn Văn Cường Trường Đại học Công

nghiệp Tp HCM Thành viên

2

Trần Nguyễn Minh Ân Trường Đại học Công

nghiệp Tp HCM Thành viên

3

Trần Thanh Phúc Trường Đại học Công

nghiệp Tp HCM Thành viên

4

Trần Thị Quỳnh Mai Trường Đại học Công

nghiệp Tp HCM Thành viên

1.4. Đơn vị chủ trì: Khoa Công nghệ Hóa học, Đại học Công nghiệp Tp.HCM

1.5. Thời gian thực hiện:

1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 10 năm 2019 đến tháng 10 năm 2020.

1.5.2. Gia hạn (nếu có): Không

1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 10 năm 2019 đến tháng 6 năm 2020

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề

Công nghiệp hóa hiện đại hóa phải đi đôi với bảo vệ môi trường. Phát triển công nghiệp

3

phải bền vững và đem lại lợi ích cho toàn xã hội. Ngành công nghiệp nước ta đang trên

đà phát triển và những tác động tiêu cực đến môi trường là không nhỏ. Do đặc thù là nền

công nghiệp mới phát triển, chưa có quy hoạch tổng thể và nhiều nguyên nhân khác nhau

như chi phí xử lý môi trường quá cao hoặc chi phí xử lý ảnh hưởng đến lợi nhuận và tính

cạnh tranh của sản phẩm nên rất nhiều nhà máy đã xả thải trực tiếp ra môi trường.

Trong những ngành công nghiệp ấy thì ngành dệt nhuộm là ngành rất phát triển ở nước

ta, tuy nhiên nước thải của ngành này cũng được đánh giá là có độ ô nhiễm cao cả về

màu, mùi vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Lưu lượng, thành phần và tính chất thường

không ổn định. Việc xả thải thẳng ra môi trường không qua xử lý hoặc xử lý không đạt

tiêu chuẩn dẫn đến ô nhiễm nguồn nước trầm trọng.

Một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm đã được nghiên cứu và ứng dụng như

phương pháp sinh học, màng lọc, đông-keo tụ, điện phân, oxi hóa bậc cao và hấp

phụ. Trong hấp phụ, than hoạt tính là một chất thường được sử dụng để loại bỏ các chất ô

nhiễm hữu cơ từ nước thải nhưng là một vật liệu đắt tiền.

Để có thêm phương án lựa chọn kinh tế cho quy trình xử lý hiệu quả nước thải dệt nhuộm

đặc biệt là việc khử màu, đề tài này sẽ đi vào nghiên cứu khả năng áp dụng phương pháp

hấp phụ bằng vật liệu bã mía biến tính, một vật liệu phế thải của ngành công nghiệp mía

đường để hấp phụ màu nước thải ngành dệt nhuộm. Từ thực tế đó việc nghiên cứu sử

dụng vật liệu phế thải để xử lý ô nhiễm môi trường là một hướng đi đúng đắn nhằm nâng

cao giá trị cây mía, giảm ô nhiễm cho ngành công nghiệp mía đường và tạo ra loại vật

liệu xử lý nước thải cho các nhà máy dệt nhuộm. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu biến tính bã

mía bằng acid hữu cơ ứng dụng trong loại bỏ chất màu methylene blue” được đề nghị

nghiên cứu nhằm đáp ứng các yêu cầu trên.

2. Mục tiêu

2.1. Mục tiêu tổng quát.

− Biến tính bã mía bằng một số hóa chất với sự hỗ trợ của vi sóng để làm chất hấp phụ

xử lý loại bỏ chất màu trong ngành công nghiệp dệt nhuộm.

2.2. Mục tiêu cụ thể.

− Xây dựng được quy trình tổng hợp bã mía biến tính với acid và bã mía từ tính với hạt

nano sắt từ;

4

− Xác định được các yếu ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ nước thải của vật liệu;

− Xác định được khả năng hấp phụ của vật liệu với các loại nước thải khác nhau;

− Viết bài đăng tạp chí thuộc hệ thống quốc tế Scopus/ISI: 01 bài

− Báo cáo tổng kết và nghiệm thu.

3. Phương pháp nghiên cứu

− Đọc tài liệu;

− Thiết kế qui trình thực nghiệm;

− Xây dựng kế hoạch thực nghiệm;

− Nghiên cứu biến tính bã mía với acid bằng gia nhiệt vi sóng

− Nghiên cứu tổng hợp nano từ tính Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa

− Nghiên cứu tổng hợp bã mía từ tính

− Phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu

o Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

o Nhiễu xạ tia X (XRD)

o Quang phổ hồng ngoại FTIR.

o Quang phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)

o Phân tích từ tính (VSM)

o Đo bề mặt riêng theo phương pháp BET

− Phương pháp đánh giá hấp phụ

− Viết báo cáo tổng kết.

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu

− Đã biến tính bã mía bằng acid citric dưới sự hỗ trợ của vi sóng;

− Nghiên cứu tổng hợp nano từ tính Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa;

− Nghiên cứu tổng hợp bã mía từ tính;

− Xác định cấu trúc của bã mía trước và sau khi biến tính bằng acid citric và sau khi

có sự hỗ trợ của vi sóng;

− Nghiên cứu khảo sát khả năng hấp phụ chất màu và các yếu tố ảnh hưởng đến khả

5

năng hấp phụ chất màu của bã mía sau khi biến tính;

− Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của bã mía biến

tính và bã mía từ tính.

5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận

− Biến tính thành công bã mía với hạt nano từ tính;

− Nghiên cứu thành công khả năng hấp phụ màu MB và các yếu tổ ảnh hưởng đến

khả năng hấp phụ màu MB của bã mía biến tính;

− Công bố 01 bài quốc tế trên tạp chí thuộc danh mục Scopus;

− Hoàn thành báo cáo nghiệm thu đề tài.

6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

Wastewater from industries has been a serious issue that both manufactures and

authorities raise concerns since it brings tremendous demerits to the surrounding

environment and human well-being. Therefore, an appropriate treatment method should

be applied before being discharged into the environment. In this paper, sugarcane bagasse

was modified with citric acid and then used to load the suspension of Fe3O4 nanoparticles

to form a nanocomposite of magnetic citric acid-modified sugarcane bagasse. The

properties of prepared materials were investigated by a variety of modern methods such

as FT-IR, SEM, EDX, VSM, and XRD. The adsorptive capacity of prepared materials

was investigated with methylene blue as the typical adsorbate.The decolonization

effectiveness was increased with increasing contact time and declined with rising initial

dye concentration. The higher removal efficiency was observed for the basic medium in

comparison with the acidic medium. Additionally, the results showed that more than 98%

of cationic yellow 51, and basic red 46 dyes were removed after 30 minutes.

III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo

3.1. Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3)

T

T

Tên sản

phẩm

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu

kinh tế - kỹ thuật

Đăng ký Đạt được

6

1

Bài báo

quốc tế

trên tạp

chí

Scopus/I

SI

01 Scopus

01 Scopus

Microwave-Assisted Preparation of Magnetic Citric

Acid-Sugarcane Bagasse for Removal of Textile Dyes

Indones. J. Chem., 2020, 20(5), 1101-1109

(ISSN 1411-9420 / 2460-1578)

https://jurnal.ugm.ac.id/ijc/article/view/48713

3.2. Kết quả đào tạo: Không đăng ký

IV. Tình hình sử dụng kinh phí

Stt Nội dung Kinh phí

được duyệt

Kinh phí

dự toán

Chênh

lệch

1 Chỉ tiêu được duyệt 43.500.000 43.450.000 -50.000

2 Quyết toán chi (Theo khoản mục) 43.500.000 43.450.000

2.1 Chi tiền công (Cộng mục này) 10.000.000 10.000.000

- Điều tra, khảo sát ban đầu, xây dựng đề cương,

thuyết minh

- Thuê lập phiếu điều tra, cung cấp thông tin

- Thuê cán bộ nghiên cứu thực địa…

- Thù lao chủ nhiệm đề tài:

- Thuê khoán thực hiện đề tài, nghiên cứu chuyên đề

+ Hợp đồng thuê khoán số 1 10.000.000 10.000.000

2.2 Chi phí chuyên môn nghiệp vụ (Cộng mục này) 28.500.000 28.450.000 -50.000

2.2.1 Acid citric và base 10.000.000 9.950.000 -50.000

2.2.2 Hóa chất và dụng cụ khác 18.500.000 18.500.000 0

- Sách, tài liệu phục vụ nghiên cứu, sưu tầm…

- Phân tích mẫu thí nghiệp, xử lý số liệu

- Nghiệm thu, đánh giá…

- Chi phí khác…(Báo cáo tổng thuật, B/c tổng kết đề

tài)

2.3 Chi phí khác (Cộng mục này) 5.000.000 5.000.000 0

- Công tác phí

-In và photo (HĐ VAT0034528) 2.500.000 2.500.000

-In và photo (HĐ VAT0034550) 2.500.000 2.500.000

- Thuê phương tiện, địa điểm nghiên cứu

- Chi phí khác

3 Số kinh phí đã tạm ứng 0 0 0

4 Số đề nghị thanh toán tiếp (4 = 2 - 3) 43.500.000 43.450.000 0