Nghiên cứu, đánh giá và tối ưu hóa hiệu quả của quá trình oxy hóa bậc cao bằng hệ fenton trong xử lý nước thải dệt nhuộm

i


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn, bên cạnh sự nỗ lực
của bản thân, em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của quý thầy cô
trong Bộ môn Công nghệ kĩ thuật môi trường – Viện Công nghệ sinh học &
Môi trường – Trường Đại học Nha Trang và các anh chị học viên, bạn bè cùng
làm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Bộ môn Môi trường.
Trước hết em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Giảng viên Ngô Phương
Linh đã nhiệt tình hướng dẫn trong quá trình thực tập và viết báo cáo tốt
nghiệp.
Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô
trong Bộ môn Công nghệ kĩ thuật môi trường – Viện Công nghệ sinh học &
Môi trường đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình thực tập.
Em xin dành sự biết ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiệu Trường Đại học
Nha Trang đã tạo điều kiện cho em học tập và phấn đấu trong suốt 4 năm học
vừa qua.
Bên cạnh đó, em cũng xin chân thành cảm ơn Công ty Cổ phần Dệt
Tân Tiến đã tạo điều kiện thuận lợi để em lấy mẫu tại Công ty.
Cuối cùng em kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe và thành công
trong sự nghiệp cao quý. Đồng kính chúc cô, chú, anh, chị trong Công ty Cổ
phần Dệt Tân Tiến luôn dồi dào sức khỏe, đạt được nhiều thành công tốt đẹp
trong công việc.

Nha Trang, ngày 30 tháng 6 năm 2012
Sinh viên thực hiện

Tr
ần Thị Thanh H
ương

ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC BẢNG vii
DANH MỤC HÌNH viii
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cần thiết của đề tài 1
2. Mục đích nghiên cứu 2
3. Nội dung nghiên cứu 2
4. Ý nghĩa và tính mới của đề tài 3
5. Phạm vi nghiên cứu 4
6. Đối tượng nghiên cứu 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5
1.1 Tổng quan về công ty Dệt Tân Tiến 5
1.1.1 Giới thiệu về Công ty Dệt Tân Tiến 5
1.1.2 Quy trình công nghệ sản xuất của Công ty 6
1.1.2.1 Quy trình sản xuất sợi 6
1.1.2.2 Quy trình dệt vải 7
1.1.2.3 Quy trình hoàn tất 7
1.1.3 Đặc tính nước thải 9
1.1.4 Ảnh hưởng của nước thải đến nguồn tiếp nhận 10
1.2 Tổng quan về hệ fenton 11
1.2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình Fenton 11
1.2.2 Những ưu việt của quá trình phân hủy oxy hóa bằng gốc tự do
hydroxyl
*
OH 11

1.2.3 Cơ chế phản ứng và phương thức phản ứng của gốc hydroxyl
*
OH 13
1.2.4 Cơ chế tạo thành gốc hydroxyl
*
OH của phản ứng Fenton 13
iii
1.2.4.1 Phản ứng giữa H
2
O
2
và chất xúc tác Fe
2+
13
1.2.4.2 Phản ứng giữa H
2
O
2
và chất xúc tác Fe
3+
15
1.2.5 Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton 16
1.2.5.1 Ảnh hưởng của độ pH 16
1.2.5.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ Fe
2+
/H
2
O
2
và loại ion Fe (Fe

2+
hay Fe
3+
) 17
1.2.5.3 Ảnh hưởng của các anion vô cơ 18
1.2.5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ 19
1.2.5.5 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 19
1.2.6 Các ứng dụng của quá trình Fenton trong xử lý nước thải trên thế giới 19
1.2.6.1 Ứng dụng của Fenton trong xử lý nước thải dệt nhuộm 19
1.2.6.2 Ứng dụng Fenton trong xử lý nước bề mặt nhiễm thuốc trừ sâu 23
1.2.6.3 Ứng dụng Fenton trong quá trình xử lý nước rỉ rác của bãi chôn lấp 24
1.2.7 Ứng dụng công nghệ Fenton vào xử lý nước thải ở Việt Nam 27
1.2.8 Ưu và nhược điểm của quá trình Fenton 29
1.2.8.1 Ưu điểm 29
1.2.8.2 Nhược điểm 29
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30
2.1 Đối tượng nghiên cứu 31
2.2 Mô hình nghiên cứu 31
2.3 Cách tiến hành thí nghiệm 31
2.3.1 Thí nghiệm 1: Xác định pH tối ưu trong việc xử lý COD và độ màu
của nước thải dệt nhuộm bằng hệ Fenton. 31
2.3.1.1 Thí nghiệm 1a: Khảo sát ảnh hưởng của pH lên hiệu quả xử lý
COD và độ màu của quá trình Fenton. 32
2.3.1.2 Thí nghiệm 1b: Xác định pH tối ưu của hệ Fenton trong xử lý
nước thải dệt nhuộm 32
2.3.2 Thí nghiệm 2: Xác định tỷ lệ Fe
2+
/H
2
O

2
tối ưu trong việc xử lý
COD và độ màu của nước thải dệt nhộm bằng hệ Fenton 33
iv
2.3.2.1 Thí nghiệm 2a: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ Fe
2+
/H
2
O
2
lên hiệu
quả xử lý COD và độ màu của quá trình Fenton 33
2.3.2.2 Thí nghiệm 2b: Xác định tỷ lệ Fe
2+
/H
2
O
2
tối ưu của hệ Fenton
trong xử lý nước thải dệt nhuộm 33
2.3.3 Thí nghiệm 3: Xác định nồng độ Fe
2+
và H
2
O
2
tối ưu trong việc xử
lý COD và độ màu của nước thải dệt nhuộm bằng hệ Fenton 34
2.3.3.1 Thí nghiệm 3a: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ H
2

O
2
/COD lên
hiệu quả xử lý COD và độ màu của quá trình Fenton. 34
2.3.3.2 Thí nghiệm 3b: Xác định tỷ lệ H
2
O
2
/COD tối ưu của hệ Fenton
trong xử lý nước thải dệt nhuộm 35
2.4 Hóa chất 35
2.5 Phương pháp phân tích 35
2.5.1 Phương pháp đo pH 35
2.5.2 Phương pháp đo độ màu 36
2.5.3 Phương pháp đo COD 36
2.5.4 Phương pháp đo TSS 36
2.5.5 Phương pháp thí nghiệm thực nghiệm 36
2.5.6 Phương pháp xử lý số liệu 36
2.5.7 Phương pháp tổng hợp tài liệu 36
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 37
4.1 Xác định các thông số đầu vào của nước thải 37
4.2 Thí nghiệm 1 37
4.2.1 Thí nghiệm 1a 37
4.2.2 Thí nghiệm 1b 40
4.3 Thí nghiệm 2 42
4.3.1 Thí nghiệm 2a 42
4.3.2 Thí nghiệm 2b 44
4.4 Thí nghiệm 3 46
4.4.1 Thí nghiệm 3a 47
v

4.4.2 Thí nghiệm 3b 49
4.5 Khảo sát hiệu quả xử lý của quá trình Fenton 51
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53
5.1 Kết luận 53
5.2 Kiến nghị 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC




vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

COD : Nhu cầu oxy hóa học
BOD : Nhu cầu oxy sinh học
TOC : Tổng cacbon hữu cơ
TSS : Tổng chất rắn lơ lửng
CP : Cổ phần
QCVN : Quy chuẩn Việt Nam
BTNMT : Bộ Tài nguyên Môi trường





vii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Thế oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa thường gặp 12
Bảng 2.2 Những hợp chất hữu cơ bị oxy hoá bởi gốc

*
OH đã nghiên cứu 16
Bảng 2.3 Tổng hợp nghiên cứu về cấu trúc và thuộc tính chung của thuốc nhuộm 22
Bảng 4.1 Các thông số của nước thải đầu vào Công ty CP Dệt Tân Tiến 37
Bảng 4.2 Các thông số của thí nghiệm 1a 38
Bảng 4.3 Các thông số của thí nghiệm 1b 40
Bảng 4.4 Các thông số của thí nghiệm 2a 42
Bảng 4.4 Các thông số của thí nghiệm 2b 45
Bảng 4.5 Các thông số của thí nghiệm 3a 47
Bảng 4.6 Các thông số của thí nghiệm 3b 49
Bảng 4.7 Hiệu quả xử lý của phương pháp Fenton 51





viii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Quy trình công nghệ dệt nhuộm kèm dòng thải 6
Hình 2.2 Phần trăm phân hủy DOC ở pH = 3, 5 và 7 24
Hình 2.3 Sự giảm TOC và COD trong hệ thống xử lý nước rỉ rác(t = 120 phút) 26
Hình 2.4 Hàm lượng COD trong quá trình Fenton 26
Hình 3.1 Mô hình thí nghiệm 31
Hình 4.1 Đồ thị thể hiện mối tương quan giữa hiệu quả xử lý COD, độ màu và pH 38
Hình 4.2 Đồ thị thể hiện pH tối ưu của quá trình Fenton 41
Hình 4.3 Đồ thị thể hiện mối tương quan giữa hiệu quả xử lý COD, độ màu và
tỷ lệ Fe
2
SO
4

.7H
2
O/H
2
O
2
43
Hình 4.4 Thí nghiệm 2a 44
Hình 4.5 Đồ thị thể hiện tỷ lệ Fe
2+
/H
2
O
2
tối ưu của quá trình Fenton 45
Hình 4.6 Thí nghiệm 2b 46
Hình 4.7 Đồ thị thể hiện mối tương quan giữa hiệu quả xử lý COD, độ màu và
tỷ lệ H
2
O
2
/COD 448
Hình 4.8 Thí nghiệm 3a 49
Hình 4.9 Đồ thị thể hiện tỷ lệ H
2
O
2
/COD tối ưu của quá trình Fenton 50
Hình 4.10 Thí nghiệm 3b 51
Hình 4.11 Mẫu nước thải trước xử lý và sau xử lý 52

Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải. 54

1
MỞ ĐẦU
1. Tính cần thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, phát triển kinh tế gắn với bảo vệ môi trường là
chủ đề tập trung sự quan tâm của nhiều nước trên thế giới. Một trong những vấn đề
đặt ra cho tất cả các quốc gia trong đó có Việt Nam là cải thiện môi trường ô nhiễm
do các chất độc hại từ nền công nghiệp gây ra. Điển hình như các ngành công
nghiệp cao su, hóa chất, thực phẩm, thuốc bảo vệ thực vật, y dược, luyện kim, xi
mạ, giấy,… đặc biệt là ngành dệt nhuộm đang phát triển mạnh mẽ và chiếm kim
ngạch xuất khẩu lớn của Việt Nam.
Ngành dệt nhuộm đã phát triển từ rất lâu trên thế giới nhưng nó chỉ mới hình
thành và phát triển hơn 100 năm nay ở nước ta. Ngành dệt nhuộm thu hút nhiều lao
động góp phần giải quyết việc làm và phát triển kinh tế. Tuy nhiên nước thải từ
ngành dệt nhuộm đã gây ra hậu quả hết sức nghiêm trọng cho môi trường nước ta
điển hình như việc gây ô nhiễm cho kênh Đen, kênh Tham Lương, sông Rạch Chiếc
ở thành phố Hồ Chí Minh và một số nơi khác trên cả nước.
Ngày nay, hầu hết các nhà máy hay xí nghiệp dệt nhuộm ở nước ta đã có hệ
thống xử lý nước thải tuy nhiên nước thải đầu ra vẫn chưa đạt
QCVN
13:2008/BTNMT
(Phụ lục 1)
. Nguyên nhân là do trong thành phần nước thải có chứa
một số hóa chất như: thuốc nhuộm, các chất hoạt động bề mặt, chất điện ly, chất
ngậm, chất tạo môi trường, chất oxi hoá,… hàng trăm loại hoá chất hoà tan dưới
dạng ion hoặc kim loại để sản xuất ra vải với nhiều loại màu sắc khác nhau đã làm
tăng thêm tính độc hại không những trong thời gian trước mắt mà còn lâu dài về sau
đến môi trường sống. Một đặc điểm khác nữa là thành phần nước thải của ngành dệt
nhuộm hầu như không ổn định do thay đổi theo mặt hàng sản xuất, do đó việc xác

định chính xác tính chất nước thải gặp nhiều khó khăn.
Vấn đề màu và COD của nước thải ngành dệt nhuộm hiện nay đang là mối
quan tâm lớn nhất của cộng đồng. Để loại bỏ độ màu và COD trong nước thải dệt
2
nhuộm, các phương pháp truyền thống như: keo tụ, siêu lọc, hấp phụ, vi sinh,… đã
được áp dụng. Tuy nhiên, các phương pháp này không xử lý ô nhiễm một cách triệt
để hoặc chi phí quá tốn kém vì các thành phần thuốc nhuộm chỉ một phần được keo
tụ bằng quá trình hoá lý, còn quá trình vi sinh hoạt động kém hiệu quả do bị ảnh
hưởng bởi thuốc nhuộm, hóa chất, đặc biệt nồng độ và thành phần nước thải không
ổn định.
Nhận thấy tính cấp thiết của việc xử lý nước thải dệt nhuộm nên đề tài
“Nghiên cứu, đánh giá và tối ưu hóa hiệu quả của quá trình oxy hóa bậc cao
bằng hệ Fenton trong xử lý nước thải dệt nhuộm” được tiến hành nhằm mục đích
góp phần đưa ra giải pháp xử lý hàm lượng COD và độ màu trong nước thải dệt
nhuộm phù hợp với Quy chuẩn Việt Nam hiện hành với giá thành hợp lý nhằm
mang lại hiệu quả về kinh tế lẫn môi trường.
2. Mục đích nghiên cứu
Tiến hành các thí nghiệm như xác định pH, lượng H
2
O
2
, lượng Fe
2+
,… đi
đến xác định các yếu tố tối ưu cho quá trình xử lý nước thải dệt nhuộm với phương
pháp oxy hóa bậc cao bằng hệ Fenton.
Cụ thể:
- Thí nghiệm 1: Xác định pH tối ưu trong việc xử lý COD và độ màu của nước
thải dệt nhuộm bằng hệ Fenton.
- Thí nghiệm 2: Xác định tỷ lệ Fe

2+
/H
2
O
2
tối ưu trong việc xử lý COD và độ
màu của nước thải dệt nhuộm bằng hệ Fenton.
- Thí nghiệm 3: Xác định nồng độ Fe
2+
và H
2
O
2
tối ưu trong việc xử lý COD
và độ màu của nước thải dệt nhuộm bằng hệ Fenton.
3. Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu công nghệ Fenton trong xử lý nước thải.
3
- Xác định hiệu quả của quá trình oxy hóa bằng phương pháp Fenton ứng dụng
cho quá trình xử lý nước thải dệt nhuộm.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Fenton như nồng độ hóa chất,
pH, thời gian phản ứng…
- Xác định một số điều kiện tối ưu cho phản ứng Fenton.
4. Ý nghĩa và tính mới của đề tài
Hiện nay, để xử lý nước thải dệt nhuộm đa số đều sử dụng phương pháp hóa
lý, sinh học hoặc kết hợp giữa hóa lý và sinh học. Các phương pháp này hầu như
chưa đáp ứng được nhu cầu nước thải đầu ra. Trước những yêu cầu và thách thức
ngày càng cao của môi trường, các nhà khoa học đã tiến hành nhiều công trình
nghiên cứu theo hướng tìm các công nghệ cao để hỗ trợ công nghệ truyền thống.
Một trong những thành tựu quan trọng có ý nghĩa trong lĩnh vực xử lý nước thải

bằng phương pháp oxy hóa bậc cao là Fenton. Quá trình Fenton có thể khoáng hóa
hoàn toàn các hợp chất hữu cơ thành CO
2
, H
2
O và các ion vô cơ.
Theo nghiên cứu của Đặng Trấn Phòng (1998) về việc sử dụng tác nhân
Fenton vào xử lý màu của nước thải ngành nhuộm cho thấy khi nghiên cứu với
thuốc nhuộm hoạt tính các loại (màu vàng 27, da cam 16, đỏ 120, đỏ 123, xanh 19,
xanh 116, xanh 221, xanh 198) hiệu quả khử màu đạt từ 95 đến 99,9% với thời gian
từ 15 đến 30 phút và pH từ 3 – 5.
Ngoài ra theo tài liệu báo cáo khoa học của Viện hóa học thuộc Viện khoa
học công nghệ Việt Nam (2004). Nghiên cứu và đánh giá khả năng khử màu và
COD của tác nhân Fenton đối với nước thải chứa thuốc nhuộm hoàn nguyên ở Công
ty Dệt Minh Khai. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng hàm lượng H
2
O
2
và FeSO
4

để tiến hành phản ứng oxy hóa có hiệu quả tương ứng là 0,7 - 0,8 g/l và 0,3 - 0,4 g/l.
Nước thải sau xử lý đã trở nên trong và hàm lượng COD giảm từ 352 mg/l xuống
dưới 87 mg/l. Kết hợp quá trình oxy hóa sử dụng tác nhân Fenton với quá trình xử
lý bằng keo tụ có thể loại bỏ được 94% màu và 92% lượng COD. Ngoài ra, các chỉ
tiêu khác của nước thải sau xử lý như BOD
5
, hàm lượng các kim loại nặng (Hg, Cd,
4
Ni) v.v đều đạt tiêu chuẩn môi trường TCVN 5945 – 1995 nguồn loại B (Nguyễn

Hương, 2004, tài liệu báo cáo khoa học của Viện hóa học thuộc Viện khoa học công
nghệ Việt Nam).
5. Phạm vi nghiên cứu
Thí nghiệm được tiến hành trên quy mô phòng thí nghiệm tại Phòng thí
nghiệm bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Môi trường – Viện Công nghệ Sinh học và
Môi trường – Trường Đại Học Nha Trang với việc tập trung nghiên cứu xử lý COD
và độ màu của nước thải dệt nhuộm.
6. Đối tượng nghiên cứu
Mẫu nước thí nghiệm là nước thải Công ty CP Dệt Tân Tiến thuộc Tổng
công ty Khánh Việt, thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa.
5
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về công ty Dệt Tân Tiến
1.1.1 Giới thiệu về Công ty Dệt Tân Tiến
Công ty cổ phần dệt Tân Tiến là một trong các công ty con của Tổng công ty
Khánh Việt, được đầu tư và chính thức hoạt động từ tháng 10/1996. Công ty chuyên
sản xuất và gia công các loại vải may mặc từ sợi Polyester, Cotton, Viscose,
Lycra… công suất 05 triệu mét/năm. Các sản phẩm của Công ty CP Dệt Tân Tiến
được sản xuất trên dây chuyền, thiết bị hiện đại của Nhật, Bỉ, Hà Lan,…
Đối với quy trình dệt, hiện công ty đang sử dụng hệ thống thiết bị máy xe sợi
được trang bị đồng bộ, chuyên xe sợi polyester, hệ thống máy dệt kim gồm 15 máy
chuyên sản xuất các mặt hàng dệt kim cài Spandex (vải thun 4 chiều), hệ thống máy
dệt khí gồm 24 máy Picanol và 20 máy Nissan chuyên sản xuất vải các loại.
Đối với quy trình nhuộm, công ty đã đầu tư dây chuyền nhuộm màu và hoàn
tất của Nhật Bản và Hàn Quốc có khả năng đáp ứng cao về thay đổi của sản phẩm
nhuộm màu với sản lượng 400 nghìn mét/tháng.
Ngoài ra dây chuyền in hoa với hệ thống chế bản không phim và máy in lưới
quay 10 màu giúp Công ty có khả năng cung cấp 90 tấn vải dệt kim in hoa/tháng với
chất lượng cao. Bên cạnh đó, từ công nghệ in phân tán trực tiếp đến nay Công ty đã

ứng dụng thành công các công nghệ in cao cấp như: in hoạt tính, in bóc màu, in
đốt… trên những mặt hàng dệt thoi và dệt kim.




6
1.1.2 Quy trình công nghệ sản xuất của Công ty

Hình 1.1 Quy trình công nghệ dệt nhuộm kèm dòng thải

1.1.2.1 Quy trình sản xuất sợi
Hiện nay nguyên liệu sản xuất chủ yếu là bông (cotton), xơ và tơ tổng hợp
polyester (polyester fiber), tiếp đến là các loại cellulo tái sinh như visco và sợi tổng
hợp polyamid, acrylic, polypropilen còn gọi là PP.
Xơ được làm sạch các tạp chất như: cát, bụi và các tạp chất khác từ cây cối.
Sau đó, xơ được trộn pha và kéo thành màng xơ sao cho chúng song song với nhau
mà không bị xoắn. Tiếp theo là xe mảnh xơ, những xơ rất ngắn sẽ bị loại bỏ, quá
Hóa chất, Thuốc
nhuộm, Mực in,
Nước, hơi nhiệt,…
Tạo bông xơ
Hoàn tất
Kéo sợi

Dệt
Nguyên liệu
Sản phẩm
Nước thải, Khí
th
ải, H
ơi hóa ch
ất

Nước
Tạp chất

Bụi bông

Bụi bông
Sợi phế liệu

Bụi bông, sợi rối,
Nước thải từ hồ sợi
dọc, gia công sợi

7
trình này gọi là chải thô. Sau đó, các xơ sẽ được chải kĩ và kéo duỗi để các xơ song
song với nhau. Sợi xoắn lại để sợi thô đạt được độ bền. Cuối cùng, xơ đồng nhất ở
dạng sợi thô sẽ được kéo duỗi và xoắn để tạo thành sợi thành phẩm.
Trong quy trình sản xuất sợi sẽ thải ra nhiều bụi bông và sợi phế liệu gây ô
nhiễm môi trường.
1.1.2.2 Quy trình dệt vải
Là quy trình kết hợp sợi ngang với sợi dọc đã mắc thành tấm vải mộc. Đối
với các loại sợi (cotton, tổng hợp, tơ tằm, len, đay) quy trình dệt vải có ba loại: vải
dệt thoi, vải dệt kim, vải không dệt.
Trước khi tiến hành dệt phải thực hiện công đoạn hồ sợi dọc. Mục đích của
việc hồ sợi để tạo màng hố bao quanh sợi làm tăng độ bền, độ trơn và độ bóng của
sợi để có thể tiến hành dệt vải. Loại hồ thường được sử dụng là hồ tinh bột và hồ
biến tính ngoài ra còn dùng các loại hồ nhân tạo như polyvinylalcol PVA,
polyacrylat,…
Quy trình dệt vải sẽ thải ra một lượng nước thải lớn từ công đoạn hồ sợi hay
gia công sợi. Bên cạnh đó nó còn thải ra các bụi bông, sợi rối… vào môi trường
xung quanh.
1.1.2.3 Quy trình hoàn tất
Vải sau khi dệt thường có dạng khô và được gọi là vải mộc. Chạm vào vải
này có cảm giác thô và chứa các tạp chất do bản chất của xơ hoặc do các chất được
đưa thêm vào để hỗ trợ quá trình sản xuất vải. Quy trình hoàn tất được thực hiện

nhằm cải thiện hình thức và tăng độ tiện dụng và độ bền của vải gồm nhiều hình
thức như giũ hồ, nấu tẩy, làm bóng, tẩy trắng, nhuộm, in hoa,…
a. Giũ hồ
Công đoạn này nhằm loại bỏ các tạp chất thiên nhiên, hồ cùng các loại tạp
chất khác trong vải mộc bằng cách hoà tan. Điều này là cần thiết vì sự có mặt của
các tạp hồ này trên vải cản trở sự thẩm thấu các hóa chất khác trong công đoạn sau
8
đó. Tùy thuộc vào loại hồ mà khối lượng của hồ thường chiếm tới 10 – 20% khối
lượng của toàn bộ tấm vải. Chất thải sinh ra chủ yếu là các chất hữu cơ có bản chất
phân huỷ sinh học cao.
b. Nấu tẩy
Mục đích của công đoạn này là loại bỏ các tạp chất như chất sáp, các acid
béo, dầu mỡ,… có trong vải. Nấu thường tiến hành trong dung dịch kiềm dưới áp
suất và nhiệt độ cao nên nước thải thường có tính kiềm và có BOD, COD cao.
c. Làm bóng
Làm bóng nhằm tăng độ bền kéo đứt, độ bóng và khả năng nhuộm màu của
vải. Quá trình được thực hiện bằng cách ngấm vải trong dung dịch NaOH lạnh, cho
dung dịch NaOH lạnh thấm qua vải. Xơ sẽ nở ra và làm tăng độ thẩm thấu thuốc
nhuộm ở công đoạn nhuộm sau này. Nước thải sinh ra trong công đoạn này thường
có bản chất kiềm.
d. Tẩy trắng
Tẩy trắng sẽ phân huỷ các chất màu và làm trắng vải. Các tác nhân tẩy là các
hóa chất khác nhau như: hypoclorit, hydro peroxide H
2
O
2
,… Nước thải có bản chất
kiềm, chứa clorua và các chất rắn hoà tan.
e. Nhuộm
Nhuộm là quá trình truyền màu đồng nhất trên toàn bộ tấm vải. Mục đích

chính của nhuộm là làm cho các phân tử thuốc nhuộm bám chắc vào xơ dệt. Màu
nhuộm đạt được do xử lý vải với dung dịch chứa thuốc nhuộm và các chất trợ khác.
Nước thải nhuộm có đặc tính là chứa thuốc nhuộm dư và các hoá chất khác. Nhìn
chung, nước thải nhuộm có hàm lượng TSS, độ màu, COD và BOD cao.
f. In hoa
In hoa là quá trình tạo thành các hoa văn màu trên vải. Quá trình này sử dụng
hồ in có chứa thuốc nhuộm, chất màu và các chất trợ. Công đoạn này thải ra lượng
lớn nước thải có độ màu, COD và BOD khá cao.
9
g. Hoàn tất
Hoàn tất là công đoạn cuối cùng tạo ra vải có chất lượng tốt và theo đúng yêu
cầu như: chống mốc, chống cháy, mềm, chống nhàu,… hoặc trở về trạng thái tự
nhiên sau quá trình căng kéo, co rút ở khâu trước hay thẳng nếp ngăy ngắn. Quy
trình công nghệ ở giai đoạn này bao gồm:
- Sấy: Được thực hiện trong máy sấy nhằm loại bỏ lượng ẩm còn lại trong vải.
- Văng khổ: Đây là một trong những công đoạn hoàn tất quan trọng nhất. Vải
trong điều kiện méo mó, được xử lý để đạt chiều rộng và chiều dài mong
muốn trong máy văng khổ.
- Cán láng: Quá trình này tạo nên lớp bóng láng cho bề mặt vải. Vải ẩm được
ép trên bề mặt kim loại nóng và bóng cho đến khi khô.
- Làm mềm: Sau khi cán láng, vải trở nên rắn. Việc phá độ cứng của vải được
gọi là làm mềm vải. Vải được đưa qua máy làm mềm sao cho vải tiếp xúc
với hóa chất làm mềm sau đó vải lại tiếp xúc với trục cuốn và cuộn vải. Theo
cách này, bề mặt của vải bị chuyển động nhẹ làm cho vải trở nên mềm hơn.
Phụ thuộc vào loại vải cần xử lý và sản phẩm cuối cùng, một số hoặc tất cả
các thao tác xử lý trên có thể được thực hiện. Mỗi thao tác trong số đó đều liên quan
tới việc tiêu thụ một lượng lớn nước và các hoá chất.
1.1.3 Đặc tính nước thải

Công nghệ dệt nhuộm sử dụng rất nhiều nước để phục vụ cho các công đoạn

sản xuất bình quân 50 – 300 m
3
/tấn sp. Lưu lượng nước thải đầu vào công trình xử
lý là 1200 m
3
/ngày đêm. Trong đó nguồn ô nhiễm chính xuất phát từ công đoạn tẩy
dệt và nhuộm vải.
Nước thải tẩy dệt: có pH dao động từ 9 – 12, hàm lượng chất hữu cơ cao
COD từ 300 – 1000 mg/l do thành phần các chất tẩy gây nên. Độ màu của nước thải
ở giai đoạn có thể lên đến 5000 Pt – Co, hàm lượng cặn lơ lửng khoảng 200 mg/l.
10
Thành phần của nước thải bao gồm: chất hoạt động bề mặt, các chất oxy hoá
cellulose, xút, chất điện ly,…
Nước thải nhuộm: Thành phần không ổn định và khá đa dạng. Với từng loại
vải thì người ta có thể sử dụng thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm phân tán
hay thuốc nhuộm hoạt tính và với mỗi loại thuốc nhuộm lại yêu cầu môi trường
khác nhau nên tính chất nước thải cũng khác nhau.
Thành phần chính của nước thải nhuộm thường chứa các gốc như: RSO
3
Na,
RSO
3
, N-OH, R-NH
2
, R-Cl… pH của nước thay đổi từ 2 – 14, độ màu rất cao có
khi lên đến 10.000 Pt-Co hàm lượng COD thay đổi từ 200 – 2000 mg/l.
Mức độ gây ô nhiễm của nước thải dệt nhuộm phụ thuộc vào chủng loại và
số lượng thuốc nhuộm và công nghệ áp dụng.
1.1.4 Ảnh hưởng của nước thải đến nguồn tiếp nhận
- Hàm lượng muối trong nước thải lớn gây tác hại đối với đời sống thủy sinh

do làm tăng áp suất thẩm thấu, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi của tế bào.
- Hồ tinh bột biến tính làm tăng BOD, COD của nguồn nước, gây tác hại đối
với đời sống thủy sinh do làm giảm oxy hòa tan trong nguồn nước.
- Độ màu cao do lượng thuốc nhuộm dư đi vào nước thải gây màu cho dòng
tiếp nhận, ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của các loài thủy sinh, ảnh
hưởng xấu tới cảnh quan.
- Hàm lượng ô nhiễm các chất hữu cơ như cao sẽ làm giảm oxy hòa tan trong
nước ảnh hưởng tới sự sống của các loài thủy sinh.
11
1.2 Tổng quan về hệ Fenton
1.2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình Fenton
Năm 1894 trong tạp chí của Hội hoá học Mỹ đã công bố công trình nghiên
cứu của tác giả J.H.Fenton. Trong đó ông quan sát thấy phản ứng oxy hóa của axit
malic bằng H
2
O
2
đã tăng mạnh khi có mặt là các ion sắt. Sau đó tổ hợp H
2
O
2
và
muối sắt Fe
2+
được sử dụng làm tác nhân oxy hóa rất hiệu quả cho nhiều đối tượng
rộng rãi các chất hữu cơ và được mang tên “tác nhân Fenton” (Fenton reagent).
Khoảng 40 năm sau, Haber và Weiss cho rằng gốc hydroxyl chính là tác nhân oxy
hoá trong những hệ như vậy. Vào những năm 1940, Merz và Waters công bố hàng
loạt công trình trong đó đã sử dụng sơ đồ của Haber – Weiss cho thấy các quan hệ
tỷ thức có thể sử dụng để xác định khả năng chấp nhận tương đối của các hợp chất

khác nhau đối với gốc hydroxyl và sự biến đổi của các gốc trung gian tạo ra sau đó.
Những năm về sau, hệ xúc tác Fenton được nghiên cứu rất mạnh và phát triển rộng
hơn bằng những công trình của Waliling, C. (1975), Barb, W. G. et al. (1951.a,
1951.b) và De Laat, J. et al (1999) không những ở dạng tác nhân Fenton cổ điển
(H
2
O
2
/Fe
2+
) mà còn sử dụng những ion kim loại chuyển tiếp và các phức chất của
chúng như Fe (II), Fe (III), Cu (I), Cr (II) và Ti (III) tác dụng với H
2
O
2
để tạo ra gốc
hydroxyl
*
OH, được gọi chung là các tác nhân kiểu như Fenton.
1.2.2 Những ưu việt của quá trình phân hủy oxy hóa bằng gốc tự do hydroxyl
*
OH
Oxy hoá là quá trình trong đó electron được chuyển từ chất này sang chất
khác. Điều này tạo ra một hiệu điện thế được tính bằng volt dựa trên hiệu điện thế
điện cực hydro bằng 0. Mỗi tác nhân oxy hoá đều có một thế oxy hoá khác nhau và
đại lượng này dùng để so sánh khả năng oxy hoá mạnh hay yếu của chúng.
Khả năng oxy hóa của các tác nhân oxy hóa được thể hiện qua thế oxy hóa và
được sắp xếp theo các thứ tự trình bày trên Bảng 2.1
12
Bảng 1.1 Thế oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa thường gặp

Tác nhân oxy hoá Thế oxy hoá, V
Gốc hydroxyl
Ozone
Hydrogen peroxit
Permanganat
Hydrobromic axit
Clo dyoxit
Hypocloric axit
Hypoiodic axit
Clo
Brom
Iod
2,80
2,07
1,78
1,68
1.59
1,57
1.49
1.45
1.36
1.09
0.54
(Nguồn: Zhou, H. and Smith, D.H, 2001)
Nhiều tác nhân oxy hoá mạnh là các gốc tự do trong đó gốc hydroxyl là tác
nhân oxy hoá mạnh nhất. Thế oxy hóa của gốc hydroxyl
*
OH là 2,8V, cao nhất
trong số các tác nhân oxy hóa thường gặp. Nếu so với clo, thế oxy hóa của gốc
hydroxyl

*
OH cao gấp 2,05 lần và so với ozon, thế oxy hóa của gốc hydroxyl
*
OH
cao gấp 1,52 lần.
Đặc tính của gốc tự do là trung hoà về điện trong khi các ion đều mang điện
tích dương hoặc âm. Gốc tự do được tạo thành từ sự tách ra hai phần bằng nhau của
liên kết electron. Ví dụ như khi quang phân H
2
O
2

sẽ thu được 2 gốc
*
OH như sau:
OH : OH + hv → HO
*
+
*
OH
Mỗi gốc
*
OH đều không mang điện, hai gốc
*
OH có thể kết hợp trở lại thành
HOOH cũng không mang điện. Ký hiệu
*
cho biết là gốc tự do và biểu thị một
electron lẻ đôi. Các gốc tự do này không tồn tại sẵn như các tác nhân oxy hoá thông
thường mà chỉ được sản sinh trong quá trình phản ứng với thời gian tồn tại rất ngắn

chỉ khoảng vài phần nghìn giây nhưng liên tục sinh ra trong suốt quá trình phản ứng.
13
1.2.3 Cơ chế phản ứng và phương thức phản ứng của gốc hydroxyl
*
OH
Thông thường quy trình oxi hóa Fenton đồng thể gồm 4 giai đoạn:
- Điều chỉnh pH phù hợp
- Phản ứng oxy hóa
Trong giai đoạn phản ứng oxy hóa xảy ra sự hình thành gốc
*
OH hoạt tính và
phản ứng oxy hóa chất hữu cơ. Cơ chế hình thành gốc
*
OH sẽ được xét cụ thể sau.
Gốc
*
OH sau khi hình thành sẽ tham gia vào phản ứng oxy hóa các hợp chất hữu cơ
có trong nước cần xử lý, chuyển chất hữu cơ từ dạng cao phân tử thành các chất hữu
cơ có khối lượng phân tử thấp.
CHC
(cao phân tử)
+
*
OH → CHC
(khối lượng phân tử thấp)
+ CO
2
+ H
2
O + OH

–
(2.1)
- Trung hòa và keo tụ
Sau khi xảy ra quá trình oxy hóa cần nâng pH dung dịch lên >7 để thực hiện
kết tủa Fe
3+
mới hình thành:
Fe
3+
+ 3OH
–
→ Fe(OH)
3
(2.2)

Kết tủa Fe(OH)
3
mới hình thành sẽ thực hiện các cơ chế keo tụ, đông tụ, hấp
phụ một phần các chất hữu cơ chủ yếu là các chất hữu cơ cao phân tử đã được
chuyển hóa thành các chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp hơn.
- Quá trình lắng
Các bông keo sau khi hình thành sẽ lắng xuống khiến làm giảm COD, màu,
mùi trong nước thải. Sau quá trình lắng các chất hữu cơ còn lại (nếu có) trong nước
thải chủ yếu là các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp sẽ được xử lý bổ
sung bằng phương pháp sinh học hoặc bằng các phương pháp khác.
1.2.4 Cơ chế tạo thành gốc hydroxyl
*
OH của phản ứng Fenton
1.2.4.1 Phản ứng giữa H
2

O
2
và chất xúc tác Fe
2+

Hệ tác nhân Fenton đang nghiên cứu ở đây là một hỗn hợp gồm các ion sắt
hóa trị 2 (thông thường dùng muối FeSO
4
) và hydro peroxit H
2
O
2
, chúng tác dụng
với nhau sinh ra gốc tự do
*
OH, còn Fe
2+
bị oxi hóa thành Fe
3+
theo phản ứng:
14
Fe
2+
+ H
2
O
2
→ Fe
3+

+
*
OH + OH
–
(2.3)

Phản ứng trên được gọi là phản ứng Fenton do Fenton là người đầu tiên đã
mô tả quá trình này. Phản ứng Fenton đã tiếp tục được nghiên cứu bởi nhiều tác giả
sau này, các nghiên cứu này cho thấy ngoài phản ứng trên là phản ứng chính thì
trong quá trình Fenton còn có xảy ra các phản ứng khác. Tổng hợp lại bao gồm:
Fe
2+
+ H
2
O
2
→ Fe
3+

+
*
OH + OH
–
(2.3)
Fe
3+
+ H
2
O
2

→ Fe
2+

+
*
HO
2
+ H
+
(2.4)
*
OH +

Fe
2+
→ OH
–
+ Fe
3+
(2.5)
*
OH + H
2
O
2
→ H
2
O +
*
HO

2
(2.6)
Fe
2+

+
*
HO
2
→ Fe
3+
+ HO
2
–
(2.7)
Fe
3+

+
*
HO
2
→

Fe
2+
+ O
2
+ H
+

(2.8)
Những phản ứng trên chứng tỏ tác dụng của sắt đóng vai trò là chất xúc tác.
Quá trình chuyển Fe
3+
thành Fe
2+
như mô tả trong phản ứng (2.4) xảy ra rất chậm,
hằng số tốc độ k rất nhỏ so với phản ứng (2.3) vì vậy sắt tồn tại sau phản ứng chủ
yếu ở dạng Fe
3+
.
Theo Walling, C. (1975) gốc tự do
*
OH sinh ra có khả năng phản ứng với
Fe
2+
và H
2
O
2
nhưng quan trọng nhất là khả năng phản ứng với nhiều chất hữu cơ
(RH) tạo thành các gốc hữu cơ có khả năng phản ứng cao, từ đó sẽ phát triển tiếp
tục theo kiểu dây chuỗi:

*
OH +

Fe
2+
→ OH

–
+ Fe
3+
(2.5)
*
OH + H
2
O
2
→ H
2
O +
*
HO
2
(2.6)

*
OH + RH →
*
R + H
2
O (2.9)
Các gốc
*
R có thể oxy hóa Fe
2+

theo phương trình (2.10), khử Fe
3+

theo
phương trình (2.11) hoặc dimer hóa theo phản ứng (2.12).
*
R +

Fe
2+
→ Fe
3+
+ RH (2.10)
15

*
R +

Fe
3+
→ Fe
2+
+ Sản phẩm (2.11)

*
R +

R
*
→ “Sản phẩm” (dimer) (2.12)
1.2.4.2 Phản ứng giữa H
2

O
2
và chất xúc tác Fe
3+

Phản ứng (2.4) xảy ra xem như phản ứng phân hủy H
2
O
2
bằng chất xúc tác
Fe
3+
và tạo ra Fe
2+
để sau đó tiếp tục xảy ra theo phản ứng (2.3) hình thành gốc
hydroxyl theo phản ứng Fenton. Tuy nhiên tốc độ ban đầu của phản ứng oxy hóa
bằng tác nhân H
2
O
2
/ Fe
3+
chậm hơn rất nhiều so với tác nhân Fenton H
2
O
2
/ Fe
2+
.
Nguyên nhân vì trong trường hợp này Fe

3+
phải được khử thành Fe
2+
trước khi hình
thành gốc hydroxyl. Như vậy về tổng thể quá trình Fenton được xem như không
phụ thuộc gì vào trạng thái hóa trị hai hay ba của các ion sắt.
Một khi gốc tự do được hình thành, lập tức xảy ra hàng loạt các phản ứng
tiếp theo kiểu dây chuỗi với những gốc hoạt động mới. Vì vậy, sự hình thành gốc
hydroxyl được xem như khơi mào cho hàng loạt phản ứng xảy ra trong dung dịch.
Vì phản ứng của gốc hydroxyl xảy ra không như chọn lựa, nên trong quá trình đó
tạo ra nhiều sản phẩm trung gian khác nhau, khó tiên đoán tất cả các sản phẩm trung
gian tạo ra trong suốt quá trình.
Mục đích cuối cùng của quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm trong nước là vô
cơ hoá các chất hữu cơ trong nước thành những chất đơn giản và không độc hại. Cụ
thể là chuyển:
- Cacbon trong phân tử chất ô nhiễm thành cabon dioxit.
- Hydrogen trong phân tử chất ô nhiễm thành nước.
- Photpho trong phân tử chất ô nhiễm thành photphat hoặc photphoric acid.
- Sunfua trong phân tử chất ô nhiễm thành sunfat.
- Nitơ trong phân tử chất ô nhiễm thành nitrat.
- Halogen trong phân tử chất ô nhiễm thành halogen acid.
- Các hợp chất vô cơ tạo thành oxy hoá cao hơn.
16
Đặc điểm chung của các tác nhân oxy hoá thông thường là không thể xảy ra
với mọi chất và không triệt để trong khi đặc trưng của gốc
*
OH là hầu như không
chọn lựa khi phản ứng các chất khác nhau để oxy hoá và phân hủy chúng. Một số
hợp chất hữu cơ bị oxy hóa dễ dàng bởi gốc hydroxyl
*

OH được trình bày trong
Bảng 1.2.
Bảng 1.2 Những hợp chất hữu cơ bị oxy hoá bởi gốc
*
OH đã nghiên cứu
Nhóm Hợp chất
Axit Focmic, gluconic, lactic, propionic, tactaric
Alcohol Benzyl, tert-butyl, etanol, etylen glycol, glyxerol, iso-propanol,
metanol, propenediol
Andehyd Axetaldehyd, benzaldehyd, focmandehyd, glyoxal
, isobutirandehyd,
tricloroaxetaldehyd
Aromatic Benzen, clorobenzen, clorophenol, xylen, trinitrotoluen,
hydroquinon, phenol, diclorophenol
Amin Anilin, amin vòng, dyetylamin, EDTA, propandiamin,
n-propinamin
Thuốc nhuộm Antraquinon, diazo, monoazo
Eter Tetrahydrofuran
Keton Dihydroxyaxeton, metyl – etyl – keton
1.2.5 Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton

1.2.5.1 Ảnh hưởng của độ pH
Trong các phản ứng Fenton, độ pH ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng và
nồng độ Fe
2+
từ đó ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ phản ứng và hiệu quả phân hủy các
chất hữu cơ. Trong dung dịch có pH từ 2 - 7 các phần tử Fe(II) sẽ nằm dưới dạng
Fe
2+
(aq); đối với các phần tử Fe(III), ở pH < 3 chúng sẽ nằm dưới dạng Fe

3+
(aq) và
khi pH gần đến 3 là dạng FeOH
+2
(aq) và khi 3 < pH < 7 chúng ở dạng
17
Fe(OH)
2+
(aq). Do đó trong môi trường axit sẽ rất thuận lợi cho quá trình tạo gốc
hydroxyl tự do
*
OH theo phản ứng (2.3) sau:
Fe
+2
+ H
2
O
2
→ Fe
3+
+ *OH + OH
–
(2.3)
Trong môi trường pH cao quá trình kết tủa Fe
3+
nhanh hơn quá trình khử của
phản ứng:
Fe
+3
+ H

2
O
2
→ Fe
2+
+ H
+
+ *HO
2
(2.4)
làm giảm nguồn tạo ra Fe
2+
và thành yếu tố hạn chế tốc độ của phản ứng. Qua nhiều
nghiên cứu cho thấy phản ứng Fenton xảy ra thuận lợi khi pH từ 3 – 5, đạt tốc độ
cao nhất khi pH nằm trong khoảng hẹp trên dưới 3, và hiệu quả càng giảm dần khi
pH tăng. Như đối với benzen hiệu suất xử lý sau 5h ở pH = 3 là khoảng 95%, ở
pH = 5 là khoảng 35% và ở pH = 6 khoảng 20% (Kochany et al, 1998).
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH đến tốc độ oxy hóa các chất hữu cơ
bằng hệ Fenton Fe
2+
/H
2
O
2
trong điều kiện dư Fe
2+
([Fe
2+
] > 2[H
2

O
2
]) để loại trừ ảnh
hưởng của các ion Fe
3+
, khi pH trên dưới 3 tốc độ phản ứng nhanh vì
*
OH được tạo
ra trực tiếp từ H
2
O
2
và Fe
2+
. Tuy nhiên khi pH > 4 thì tốc độ phản ứng chậm lại.
Theo Gallard et al. (1998), nguyên nhân có thể trong điều kiện này hệ có thể tạo ra
chất trung gian hoạt động kém hơn gốc
*
OH hoặc chất trung gian này không phân
hủy giải phóng ra gốc hydroxyl hoạt động.
1.2.5.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ Fe
2+
/H
2
O
2
và loại ion Fe (Fe
2+
hay Fe
3+

)
Tốc độ phản ứng phân huỷ các chất ô nhiễm trong hệ thống Fenton tăng khi
tăng nồng độ H
2
O
2
, tuy nhiên nồng độ H
2
O
2
lại phụ thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm
cần xử lý và được đặc trưng bằng tải lượng COD. Theo kinh nghiệm tỷ lệ
H
2
O
2
/COD thường từ 0.5 – 1 (Schwarzer, H.1998).
Mặt khác theo phương trình (2.3) cho thấy tỉ thức phân tử của ion Fe
2+
và
H
2
O
2
bằng 1, nhưng trong thực tế thì không theo đúng tỉ lệ này. Ion Fe
2+
và H
2
O
2

không chỉ tham gia phản ứng (2.3) tạo ra gốc
*
OH mà còn tham gia các phản ứng
(2.5), (2.6) kết quả là làm tiêu hao gốc
*
OH vừa tạo ra, do dó tỉ lệ Fe
2+
/H
2
O
2
có ảnh