NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ ĐỘ MÀU NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM BẰNG TiO2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN
KHOA KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ ĐỘ MÀU
NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM BẰNG TiO2

Mã số: CS2013-31

Xác nhận của khoa/bộ môn
quản lí về chuyên môn

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ tên)

(ký, họ tên)

ThS. Nguyễn Thị Tuyết Nam

TP. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


Tóm tắt

TÓM TẮT
Đề tài tiến hành nghiên cứu tối ưu hóa khả năng xử lý độ màu nước thải dệt
nhuộm bằng hệ quang xúc tác TiO2 dạng bột. Trước tiên, chúng tôi tiến hành khảo
sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình xử lý độ màu bằng hệ quang xúc tác dạng
bột, từ đó đưa ra điều kiện tối ưu hóa nhằm ứng dụng vào xử lý nước thải dệt

nhuộm thực tế bằng việc thêm các tác nhân bổ trợ như O2 và H2O2. Kết quả thu
được cho thấy việc thêm O2, H2O2 có thể tăng hiệu suất xử lý nước thải và hệ TiO2
cho thấy có độ bền rất cao, hoạt tính xử lý methylen xanh gần như không giảm sau
4 lần sử dụng liên tiếp. Khi kết hợp hệ TiO2 với O2/H2O2 để xử lý một số nguồn
nước thải thật với đầu vào có độ màu tương ứng với đầu ra của chuẩn cột B thì kết
quả cho thấy trong thời gian 90 phút, độ màu của nước thải sau khi qua hệ xúc tác
đều đạt tiêu chuẩn loại A, dưới 50 Pt-Co. Kết quả này cho thấy khả năng ứng dụng
hệ TiO2 kết hợp O2/H2O2 vào thực tế là rất cao.

i


Tóm tắt

ABSTRACT
Research is carried out for optimizing the decolorization of textile
wastewater under powdered TiO2 photocatalytic system.
Study were conducted to evaluate the parameters that can effect on the textile
wastewater decolorization process over TiO2 powdered photocatalyst. The optimum
condition is obtained and the addition of O2, H2O2 can improve the treatment
efficiency. TiO2 system are also proved to have very high stability and recycle
ability, the methylene blue treatment output remains unchanged after 4 consecutive
uses. When applied to real wastewater sources that has input color corresponding to
standard output of column B, the combination of TiO2 system and O2/H2O2
produced excellent results: after a period of 90 minutes running through the
catalytic system, all the wastewater sources had color indexes of 50 in Pt/Co scale
(standard type A). This results proved a very high opportunity for -full-scale
application of the TiO2 system with O2/H2O2 catalysts

ii

Mục lục

MỤC LỤC
TÓM TẮT .............................................................................................................. i
ABSTRACT .......................................................................................................... ii
MỤC LỤC ............................................................................................................iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ ix
DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. x
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. xi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................ 1
1.1. TỔNG QUAN VỀ DỆT NHUỘM ............................................................. 1
1.1.1. Nước thải dệt nhuộm ............................................................................. 1
1.1.2. Sơ lược về thuốc nhuộm ........................................................................ 1
1.1.3. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuộc nhuộm ................... 4
1.1.4. Các phương pháp xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm ............................ 6
1.2. CÁC QUÁ TRÌNH OXY HÓA NÂNG CAO AOPs ................................. 7
1.2.1. Gốc tự do hydroxyl ............................................................................... 8
1.2.2. Các quá trình tạo ra gốc hydroxyl •OH .................................................. 9
1.2.3. Phân loại các quá trình oxy hóa nâng cao ............................................ 10
1.3. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC TiO2 ................... 11
1.3.1. Tổng quan về chất bán dẫn TiO2 ......................................................... 11
1.3.1.1. Tính chất vật lý ............................................................................ 11
1.3.1.2. Tính chất hóa học ......................................................................... 13
1.3.2. Đặc điểm TiO2 sử dụng cho quá trình quang xúc tác bán dẫn .............. 14
1.3.3. Cơ sở lý thuyết về quá trình quang xúc tác trên TiO2 ........................... 15
1.3.3.1. Nguyên lý quá trình quang hóa xúc tác trên TiO2 ......................... 15
1.3.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quang xúc tác TiO2 ............... 19

1.3.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang hóa của TiO2 .............. 21
1.3.3.3. Đặc điểm TiO2 sử dụng cho quá trình quang xúc tác bán dẫn ....... 23
1.3.3.4. Nguồn ánh sáng UV ..................................................................... 24
1.3.4. Ứng dụng của TiO2 ............................................................................. 25
iii


Mục lục

1.3.4.1. Vật liệu tự làm sạch ...................................................................... 26
1.3.4.2. Các vật liệu chống bám sương ...................................................... 27
1.3.4.3. Tiêu diệt các tế bào ung thư .......................................................... 27
1.3.4.4. Sản phẩm diệt khuẩn, khử trùng, chống rêu mốc .......................... 27
1.3.4.5. Sản xuất nguồn năng lượng sạch H2 ............................................. 27
1.3.4.6. Khử mùi, làm sạch không khí ....................................................... 28
1.3.4.7. Xử lý nước nhiễm bẩn .................................................................. 28
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ......................................................................... 29
2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………………………………………….29
2.1.1. Mô hình thí nghiệm ............................................................................. 29
2.1.2. Hóa chất sử dụng ................................................................................ 30
2.1.3. Dụng cụ thí nghiệm ............................................................................. 30
2.2. NỘI DUNG THỰC NGHIỆM ................................................................. 31
2.2.1. Nước thải ............................................................................................ 31
2.2.2. Thí nghiệm quá trình quang xúc tác .................................................... 31
2.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ............................................................... 32
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 35
3.1. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU KIỆN PHẢN
ỨNG ĐẾN HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA TiO2 DẠNG BỘT ...... 35
3.1.1. Khả năng tự phân hủy của methylen xanh dưới bức xạ UV, Vis .......... 35
3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ tác chất ......................................................... 35

3.1.3. Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác .............................................. 36
3.1.4. Khả năng tái sử dụng của xúc tác TiO2 ................................................ 38
3.2. NÂNG CAO HIỆU SUẤT XỬ LÝ CỦA TiO2 ........................................ 38
3.2.1 Hiệu suất xử lý của TiO2 ...................................................................... 38
3.2.2. Nâng cao hiệu suất xử ly khi thêm oxy vào hệ .................................... 39
3.2.3. Nâng cao hiệu suất xử ly khi thêm H2O2 vào hệ .................................. 40
3.2.4. Nâng cao hiệu suất xử ly khi thêm O2 và H2O2 vào hệ ......................... 42
3.3. MỞ RỘNG KHẢO SÁT .......................................................................... 43
3.3.1. Tiến hành thí nghiệm trên nước thải tổng hợp khác ............................. 43
3.3.2. Tiến hành thí nghiệm với nước thải thực tế ......................................... 44
iv


Mục lục

3.3.3. So sánh hiệu suất xử lý hệ UV/TiO2 và UV/CeO2 ............................... 45
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................... 47
4.1. KẾT LUẬN .............................................................................................. 47
4.2. KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 49

v


Danh mục
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Λ

Bước sóng ánh sáng

AOPs

Các quá trình oxy hóa nâng cao - Advanced Oxidation Processes

BOD

Nhu cầu oxy sinh học - Biological Oxygen Demand

BTNMT

Bộ Tài nguyên và Môi trường

C

Vận tốc ánh sáng

CB

Vùng dẫn của chất bán dẫn

COD

Nhu cầu oxy hóa học – Chemical Oxygen Demand

CTiO2

Hàm lượng xúc tác

e-

Điện tử vùng dẫn

Eg

Năng lượng vùng cấm

H

Hằng số Planck

+

h

Lỗ trống trong vùng hóa trị

K

Hằng số hấp phụ

K

Hằng số tốc độ phản ứng

K’

Hằng số tốc độ biểu kiến của quá trình quang hóa

MB

methylen xanh

Pzc

Điểm điện tích zero - Point of zero charge

QCVN 13:
2008/BTNMT

Quy chuẩn kỹ thuật quộc gia về nước thải công nghiệp dệt may

UV

Ánh sáng cực tím (λ = 200 – 400nm)

Ν

Tần số ánh sáng

VB

Vùng hóa trị của chất bán dẫn

Vis

Ánh sáng khả kiến (λ = 400 – 700nm)

viii

Danh mục

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm ............ 5
Bảng 1.2: Khả năng oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa ....................................... 8
Bảng 1.3: Cơ chế tạo gốc •OH của các quá trình oxy hóa nâng caoError! Bookmark
not defined.
Bảng 1.4: Phân loại các quá trình oxy hóa nâng caoError! Bookmark not defined.
Bảng 1.5: Một số tính chất vật lý của TiO2 dạng anatase và rutile ........................ 12
Bảng 2.1: Các dụng cụ cần dùng trong thí nghiệm................................................ 30
Bảng 2.2: Qui trình dựng đường chuẩn của methylen xanh, orange acid, congo đỏ ..
............................................................................................................. 32
Bảng 2.3: Bước sóng hấp thu tối ưu của các mẫu nước thải .................................. 32
Bảng 3.1: Hiệu suất chuyển hóa MB sau 1 giờ 30 phút không có xúc tác ............. 35
Bảng 3.2: So sánh hiệu suất xử lý của hệ xúc tác UV/TiO2 và UV/CeO2 .............. 46

ix


Danh mục

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1:

Cấu trúc Rutile ................................................................................ 12

Hình 1.2:

Cấu trúc Anatase ............................................................................ 13

Hình 1.3:

Cấu trúc Brookite ............................................................................ 14

Hình 1.4:

Sơ đồ năng lượng quá trình quang xúc tác của TiO2 ......................... 17

Hình 1.5:

Các ứng dụng của TiO2 .................................................................... 26

Hình 2.1:

Mô hình thí nghiệm xử lý nước thải của ba hệ UV, Vis và tối ........... 29

Hình 2.2:

Thùng xốp và đèn UV khi làm thực nghiệm ..................................... 30

Hình 2.3:

Đồ thị đường chuẩn methylen xanh .................................................. 33

Hình 2.4:

Đồ thị đường chuẩn Congo đỏ .......................................................... 33

Hình 2.5:

Đồ thị đường chuẩn acid orange ....................................................... 34

Hình 2.6:

Đồ thị đuờng chuẩn độ màu Pt-Co .................................................... 34

Hình 3.1:

Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ tác chất đến hiệu xuất xử lý ...
......................................................................................................... 36

Hình 3.2:

Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý theo khối lượng ở nồng độ 3x10-5M...
......................................................................................................... 37

Hình 3.3:

Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý theo khối lượng ở nồng độ 2x10-5M...
......................................................................................................... 37

Hình 3.4:

Đồ thị thể hiện khả năng tái sử dụng của xúc tác TiO2 ...................... 38

Hình 3.5:

Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý theo khối lượng ở nồng độ 3x10-5M
......................................................................................................... 39

Hình 3.6:

Ảnh hưởng của oxy đến hiệu suất xử lý ............................................ 40

Hình 3.7:

Hiệu suất xử lý theo thể tích H2O2 trong 30 phút .............................. 41

Hình 3.8:

So sánh hiệu xử lý ở các hệ xúc tác khác nhau.................................. 42

Hình 3.9:

khả năng xử lý thuốc nhuộm congo đỏ ............................................. 43

Hình 3.10: Khả năng xử lý thuốc nhuộm acid orange ......................................... 44
Hình 3.11: Khả năng xử lý độ màu nước thải thật của TiO2 trong 90 phút ......... 45

x


Phần mở đầu

MỞ ĐẦU
Công nghiệp hóa, hiện đại hóa góp phần nâng cao cuộc sống vật chất tinh thần
của con người nhưng cũng tác động đến toàn bộ môi trường tự nhiên của hành tinh
chúng ta. Việc phát triển quá nhanh sẽ dẫn đến hệ lụy là cạn kiệt các nguồn tài
nguyên, giảm sút chất lượng môi trường sống và ảnh hưởng đến cuộc sống, sức

khỏe con người và cả hệ sinh thái.
Môi trường chất lượng nước được xem là nguồn sống đang bị tác đông mạnh
mẽ do sự phát triển kinh tế không bền vững, đặc biệt do các chất độc hại do nền
công nghiệp tạo ra. Điển hình như các ngành công nghiệp cao su, hóa chất, công
nghiệp 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 may thu hút nhiều
lao động góp phần giải quyết việc làm và phù hợp với những nước đang phát triển
không có nền công nghiệp nặng phát triển mạnh như nước ta. Hầu hết các nhà máy
xí nghiệp dệt nhuộm ở nước ta đã có hệ thống xử lý nước thải tuy nhiên nước thải
sau khi xử lý thì độ màu vẫn chưa đạt QCVN 13: 2008/BTNMT loại A dưới 50 PtCo đối với nhà máy xây dựng cũ và dưới 20 Pt-Co đối với nhà máy mới. Nguyên
nhân do trong thành phần thuốc nhuộm chứa một số hợp chất hữu cơ bền khó phân
hủy sinh học POPs nên hiệu quả xử lý không triệt để.
Hiện nay, trên thế giới quá trình quang xúc tác trên TiO2 là phương pháp đang
được quan tâm và nghiên cứu rộng rãi. Ngoài việc giống với các quá trình AOPs
khác, TiO2 có ưu điểm là một loại hóa chất phổ biến, không độc, bền hóa học, quá
trình quang xúc tác ít bị ảnh hưởng bởi pH và các muối vô cơ khác. Và điều đặc biệt
là quá trình quang hóa xúc tác trên TiO2 mở ra một triển vọng mới là tận dụng
nguồn bức xạ vô tận sẵn có của mặt trời do sử dụng bức xạ UV-A. Để xác định rõ
khả năng xử lý độ màu của nước thải dệt nhuộm bằng phản ứng quang hóa với chất
xúc tác TiO2, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng xử lý
độ màu nước thải dệt nhuộm bằng TiO2”.

xi


Chương 1: Tổng quan

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. TỔNG QUAN VỀ DỆT NHUỘM
1.1.1. Nước thải dệt nhuộm
Nước thải dệt nhuộm là sự tổng hợp nước thải phát sinh từ tất cả các công đoạn
hồ sợi, nấu tẩy, tẩy trắng, làm bóng sợi, nhuộm in và hoàn tất. Theo phân tích của
các chuyên gia, trung bình, một nhà máy dệt nhuộm sử dụng một lượng nước đáng
kể, trong đó, lượng nước được sử dụng trong các công đoạn sản xuất chiếm 72,3%,
chủ yếu là trong công đoạn nhuộm và hoàn tất sản phẩm [19]. Xét hai yếu tố là
lượng nước thải và thành phần các chất ô nhiễm trong nước thải, ngành dệt nhuộm
được đánh giá là ô nhiễm nhất trong số các ngành công nghiệp [17]. Các chất ô
nhiễm chủ yếu có trong nước thải dệt nhuộm là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy,
thuốc nhuộm, các chất hoạt động bề mặt, các hợp chất halogen hữu cơ (AOXAdsorbable Organohalogens), muối trung tính làm tăng tổng hàm lượng chất rắn,
nhiệt độ cao (thấp nhất là 40°C) và pH của nước thải cao từ 9 đến 12, do lượng
kiềm trong nước thải lớn. Trong số các chất ô nhiễm có trong nước thải dệt nhuộm,
thuốc nhuộm là thành phần khó xử lý nhất, đặc biệt là thuốc nhuộm azo không tan –
loại thuốc nhuộm được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, chiếm 60-70% thị phần.
Thông thường, các chất màu có trong thuốc nhuộm không bám dính hết vào sợi
vải trong quá trình nhuộm mà bao giờ cũng còn lại một lượng dư nhất định tồn tại
trong nước thải. Lượng thuốc nhuộm dư sau công đoạn nhuộm có thể lên đến 50%
tổng lượng thuốc nhuộm được sử dụng ban đầu [17]. Đây chính là nguyên nhân làm
cho nước thải dệt nhuộm có độ màu cao, và nồng độ chất ô nhiễm lớn.
1.1.2. Sơ lược về thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất định
của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trong
những điều kiện quy định (tính gắn màu).
Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp. Hiện nay con
người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp. Đặc điểm nổi bật của các loại
thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy. Màu sắc của thuốc
nhuộm có được là do cấu trúc hóa học: một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm
bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu. Nhóm mang màu là những nhóm chứa
1

Chương 1: Tổng quan

các nối đôi liên hợp với hệ điện tử

không cố định như: >C = C <, > C = N -, -N =

N -, -NO2 …
Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận điện tử như: -NH2, -COOH, SO3H, -OH…đóng vai trò tăng cường màu của nhóm mang màu bằng cách dịch
chuyển năng lượng của hệ điện tử.
 Khái quát về một số loại thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm rất đa dạng về thành phần hóa học, màu sắc, phạm vi sử dụng. Có 2
cách phân biệt thuốc nhuộm cơ bản:
-

Theo cấu tạo hóa học: Thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm antraquinon, thuốc
nhuộm polymetyn, thuốc nhuộm inđigoit, thuốc nhuộm lưu huỳnh, thuốc
nhuộm arylmetan.

-

Theo cách thức sử dụng: thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính, thuốc
nhuộm bazơ – cation.

Để hiểu rõ hơn về thuốc nhuộm chúng tôi xin trình một vài loại thuốc nhuộm cơ
bản:
 Thuốc nhuộm azo: trong phân tử thuốc nhuộm này có một hoặc nhiều nhóm
azo (-N=N-). Và phân tử thuốc nhuộm có một nhóm azo là monaazo, có hai
nhóm azo là diazo và có nhiều nhóm azo là tri và polyazo. Thuốc nhuộm azo

được sản xuất nhiều, chiếm 50% tổng sản lượng thuộc nhuộm.
 Thuốc nhuộm trực tiếp: Là loại thuốc nhuộm anion có dạng tổng quát Ar –
SO3Na. Khi hoà tan trong nước nó phân ly cho về dạng anion thuốc nhuộm
và bắt màu vào sợi trực tiếp nhờ các lực hấp phụ trong môi trường trung tính
hoặc môi trường kiềm. Trong tổng số thuốc nhuộm trực tiếp thì có 92%
thuốc nhuộm azo. Thuốc nhuộm phân ly:
Ar-SO3Na  Ar-SO3- + Na+

(1.1)

 Thuốc nhuộm bazơ cation: Các thuốc nhuộm bazơ dễ nhuộm tơ tằm, bông
cầm màu bằng tananh. Là các muối clorua, oxalat hoặc muối kép của
bazơ hữu cơ chúng dễ tan trong nước, khi hòa tan phân ly thành cation là các
ion mang màu, còn anion là các ion không mang màu. Trong các màu 7

2


Chương 1: Tổng quan

thuốc nhuộm bazơ, các lớp hoá học được phân bố: azo (43%), metin (17%),
triazylmetan (11%), arycydin (7%), antriquinon (5%) và các loại khác.
 Thuốc nhuộm axit: là muối của axit mạnh và bazơ mạnh nên khi hòa tan vào
nước thì phân ly thành các ion:
Ar-SO3Na  Ar-SO3- + Na+

(1.2)

 Các ion mang màu của thuốc nhuộm tích điện âm (Ar-SO3-) sẽ hấp phụ vào
các tâm tích điện dương của vật liệu. Thuốc nhuộm axit có khả năng tự

nhuộm màu xơ sợi protein (len, tơ tằm, polyamit) trong môi trường axit. Xét
về cấu tạo hóa học có tới 79% là thuốc nhuộm azo, 10% antraquimon, 5% là
triarylmetan và 6% là các loại khác.
Chúng tôi giới thiệu về những loại thuốc nhuộm sử dụng trong bài báo cáo:
 Methylen Xanh
Công thức phân tử: C16H18N3ClS (M= 373.9g/mol)

Methylen xanh là chất được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhất là
trong sinh học và hóa học.
Tinh thể methylen xanh có màu xanh lá cây thẫm có ánh đồng đỏ hoặc bột nhỏ
màu xanh lá cây thẫm. Khó tan trong nước lạnh và rượu etylic, khi đun nóng thì tan
dễ hơn. Ở nhiệt độ phòng, nó tồn tại ở dạng rắn không mùi, màu xanh đen, khi hòa
tan vào nước hình thành dung dịch màu xanh lam, methylen xanh hấp thụ cực đại ở
bước sóng 660nm.
Methylen xanh là một phẩm nhuộm mang màu trong đó cường độ màu tỷ lệ với
nồng độ của chất này trong dung dịch. Trong nghiên cứu này, methylen xanh được
chọn như một hợp chất gây ô nhiễm nguồn nước để khảo sát khả năng quang hóa
xúc tác chính.
 Congo đỏ
Công thức phân tử: C32H22N6Na2O6S2 (M= 696,6g/mol)
3


Chương 1: Tổng quan

Congo đỏ là thuốc nhuộm diazo. Congo đỏ tan trong nước và tốt hơn trong các
dung môi hữu cơ như ethanol… Thay đổi màu sắc theo pH, ở pH dưới 3 dung dịch
congo đỏ có màu xanh và ở pH trên 5.2 dung dịch có màu đỏ. Bước sóng hấp thu
cực đại là 498nm.
 Orange cam

Công thức phân tử: C16H10N2Na2O7S2 (M=452,3g/mol)

Orange cam là thuốc nhuộm monoazo được sử dụng nhuộm vật liệu sinh học,
giấy, gỗ… Bước sóng hấp thu cực đại là 482nm.
1.1.3. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm tổng hợp có từ lâu và được sử dụng nhiều trong ngành như: dệt
may, giấy, cao su, nhựa, da, mỹ phẩm, dược phẩm và các ngành công nghiệp thực
phẩm. Vì thuốc nhuộm có đặc điểm: sử dụng dễ dàng, giá thành rẻ, ổn định và đa
dạng về màu sắc. Tuy nhiên việc sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm và các sản phẩm
của chúng gây ra ô nhiễm nguồn nước ảnh hưởng tới con người và môi trường. Khi
đi vào nguồn nước như sông, hồ…Với một nồng độ rất nhỏ của thuốc nhuộm đã
cho cảm giác về màu sắc. Màu đậm của nước thải cản trở sự hấp thụ oxy và ánh
sáng mặt trời, gây bất lợi cho sự hô hấp, sinh trưởng của các loại thuỷ sinh vật. Như
vậy nó tác động xấu đến khả năng phân giải của vi sinh đối với các chất hữu cơ
4


Chương 1: Tổng quan

trong nước thải. Đối với cá và các loại thủy sinh: các thử nghiệm trên cá của hơn
3000 thuốc nhuộm nằm trong tất cả các nhóm từ không độc, độc vừa, rất độc đến
cực độc. Trong đó có khoảng 37% thuốc nhuộm gây độc cho cá và thủy sinh, chỉ
2% thuốc nhuộm ở mức độ rất độc và cực độc cho cá và thủy sinh [18],[21].
Đối với con người có thể gây ra các bệnh về da, đường hô hấp, phổi. Ngoài ra,
một số thuốc nhuộm hoặc chất chuyển hoá của chúng rất độc hại có thể gây ung thư
(như thuốc nhuộm Benzidin, Sudan). Các nhà sản xuất châu Âu đã ngừng sản suất
loại này, nhưng trên thực tế chúng vẫn được tìm thấy trên thị trường do giá thành rẻ
và hiệu quả nhuộm màu cao [18].
Quá trình xử lý hóa học vật liệu gồm xử lý ướt và xử lý khô. Xử lý ướt gồm: xử
lý trước, tẩy trắng, làm bóng nhuộm, in hoa. Công đoạn xử lý ướt sử dụng nhiều

nước, nói chung để xử lý hoàn tất 1kg hàng dệt cần 50 300lít nước tùy chủng loại
vật liệu và máy móc thiết bị. Hầu hết lượng nước này cỡ 88,4% sẽ thải ra ngoài,
11,6% lượng nước bay hơi trong quá trình gia công.
Bảng 1.1. Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm
Sản xuất vải sợi bông

Sản xuất vải sợi pha (tổng

Sản xuất vải, sợi len và pha

hợp/bông, visco)

(tổng hợp/len)

Giũ hồ

Giũ hồ

Giặt

Giặt

Giặt

Cacbon hóa (với len 100%)

Làm bóng

Làm bóng

Định hình ướt

Nấu – tẩy trắng

Nấu – tẩy trắng

Tẩy trắng

Nhuộm

Nhuộm

Nhuộm

In hoa

In hoa

In hoa

Các chất gây ô nhiễm chính trong nước thải của công nghiệp dệt nhuộm bao
gồm:
Các tạp chất tách ra từ vải sợi như dầu mỡ, các hợp chất chứa nitơ, pectin,
các chất bụi bẩn dính vào sợi (trung bình chiếm 6% khối lượng xơ sợi).
Các hoá chất sử dụng trong quy trình công nghệ như hồ tinh bột, H2SO4,
CH3COOH, NaOH, NaOCl, H2O2, Na2CO3, Na2SO3… các loại thuốc nhuộm, các
chất trợ, chất ngấm, chất cầm màu, chất tẩy giặt. Lượng hoá chất sử dụng với từng
5

Chương 1: Tổng quan

loại vải, từng loại màu thường khác nhau và chủ yếu đi vào nước thải của từng công
đoạn tương ứng [6].
1.1.4. Các phương pháp xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm
Xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm có rất nhiều phương pháp bao gồm cả sinh
học và hóa lý. Phương pháp sinh học là nhờ các vi sinh vật và phương pháp hóa lý
là sử dụng các hóa chất và tính chất vật lý nhằm oxy hóa các chất hữu có khó phân
hủy trong nước thải. Chúng tôi xin đi sâu hơn vào phần xử lý nước thải bằng
phương pháp oxy hóa nâng cao thuộc phương pháp hóa lý.
Quá trình oxy hóa dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl được tạo ra ngay trong
quá trình xử lý nhờ các chất oxy hóa như H2O2, O3, NaOCl … phản ứng.
 Clo hóa
Clo hóa để xử lý độ màu nước thải thường sử dụng muối NaOCl. Muối NaOCl
là chất thường được sử dụng để tẩy trắng, có sẵn với số lượng lớn và khá rẻ tiền.
Sodium hypochlorite là một tác nhân oxy hóa mạnh mẽ và dễ dàng phá vỡ hầu hết
các phân tử nhuộm màu để phân đoạn nhỏ hơn. Lý do chính không sử dụng sodium
hypochlorite là có thể phản ứng với hợp chất trong nước thải tạo các hợp chất clo
hữu cơ, là chất độc có khả năng gây ung thư. Các hợp chất chloroanilines,
chlorobenzamines, chlorophenols, chloronitrobenzenes, acid chloroacetic và một số
hợp chất trên danh sách các chất gây ô nhiễm ưu tiên của EPA Hoa Kỳ.Trong
những năm gần đây, nhấn mạnh vào việc loại bỏ các hợp chất clo từ các dòng nước
thải được chú ý nhiều.
 Hydrogen peroxide [23]
H2O2  2OH

(1.3)

H2O2 phản ứng tạo thành OH để khử độ màu của nước thải. H2O2 là một chất
có sẵn, rẻ tiền và dễ dàng hòa tan trong nước. Nó có khả năng xử lý thuốc nhuộm và

làm giảm COD trong nước. Nhưng cần thời gian dài để xử lý và chi phí thiết bị lưu
trữ.
 Fenton
Quá trình Fenton (hay phản ứng Fenton) là phản ứng giữa ion Fe2+ với H2O2
sinh ra các gốc tự do OH, còn Fe2+ bị ion hóa thành Fe3+.
Fe2+ + H2O2  Fe3+ + OH + OH-

(1.4)
6


Chương 1: Tổng quan

Gốc OH oxy hóa các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, phân hủy chúng
thành các chất vô cơ hoặc các chất có phân tử lượng thấp hơn, có khả năng phân
hủy sinh học.
Theo phương trình (1.4), phải có ion Fe2+ để tạo ra gốc OH, trong điều kiện pH
thấp mới tồn tại ion Fe2+, hiệu quả nhất là pH ≈ 3, còn trong điều kiện pH cao sẽ tạo
thành Fe3+ và kết tủa Fe(OH)3 (phương trình 1.5), phản ứng Fenton sẽ xảy ra rất
chậm.
Fe3+ + 3OH-  Fe(OH)3

(1.5)

 Ozone
Quá trình oxy hóa của ozone vói sự có mặt của H2O2 được gọi là quá trình
Peroxone hoặc Perozone. Sự khác nhau giữa quá trình Ozone và Peroxone là ở quá
trình Ozone thực hiện oxy hóa các chất ô nhiễm trực tiếp bằng phân tử O3 trong
nước, còn quá trình Peroxone thực hiện oxy hóa chất ô nhiễm gián tiếp thông qua
gốc OH.

Cơ chế phản ứng tạo gốc OH từ hệ O3/H2O2 theo phương trình (1.6).
H2O2 + 3O3  2 OH + 3O2

(1.6)

Phản ứng (1.6) cho thấy, quá trình Peroxone có thể tiến hành trong điều kiện pH
trung tính. Hiệu quả phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ của hệ O3/H2O2 cao hơn
nhiều so với tác dụng oxy hóa của O3 đơn vì có tác nhân OH được sinh ra trong
quá trình phản ứng.
Nhằm hiểu rõ hơn về các phương pháp xử độ màu nước thải dệt đã nêu ở phần
này, chúng tôi xin giới thiệu kĩ hơn về quá trình oxy hóa nâng cao AOPs ở phần 1.2.
1.2. CÁC QUÁ TRÌNH OXY HÓA NÂNG CAO AOPs
Các quá trình oxy hóa nâng cao là những quá trình phân hủy oxy hóa dựa vào
gốc tự do hoạt động hydroxyl •OH được tạo ra ngay trong quá trình xử lý. Gốc
hydroxyl được xem là tác nhân oxy hóa mạnh nhất từ trước đến nay có khả năng
oxy hóa tất cả các hợp chất hữu cơ dù là loại khó phân hủy sinh học nhất, biến
chúng thành các hợp chất vô cơ như: CO2, H2O và các axit vô cơ.
Khả năng oxy hóa của các tác nhân oxy hóa được thể hiện qua thế oxy hóa và
được sắp theo thứ tự trong bảng 1.2. Nhìn vào bảng ta thấy gốc tự do hydroxyl •OH

7


Chương 1: Tổng quan

là tác nhân oxy hóa rất mạnh vì thế oxy hóa của gốc này cao 2,05 lần so với Clo và
1,52 lần so với thế oxy hóa của ozone [8,25].
Bảng 1.2. Khả năng oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa[8,25]
STT

Tác nhân oxy hóa

Thế oxy hóa (V)

1

Lỗ trống mang điện tích dương trên TiO2

3,20

2

Gốc Hydroxyl

2,80

3

Ozone

2,07

4

Hydrogen peroxide

1,78

5

Permanganate

1,68

6

Acid hydrobromic

1,59

7

Chlor dioxide

1,57

8

Acid hypochloride

1,49

9

Acid hypoiodide

1,45

10

Chlor

1,36

11

Brom

1,09

12

Iod

0,54

1.2.1. Gốc tự do hydroxyl
Đặc tính của gốc tự do là trung hòa về điện trong khi các ion đều mang điện tích
dương hay âm. Gốc tự do được tạo thành từ sự tách ra hai phần bằng nhau của liên
kết hai electron, ví dụ như khi quang phân H2O2 sẽ thu được 2 gốc •OH:
HO : OH + hν → •OH + HO•

(1.1)

Mỗi gốc •OH đều không mang điện và có thể kết hợp trở lại thành HOOH cũng
không mang điện. Ký hiệu • cho biết là gốc tự do và biểu thị của 1 electron độc thân.
Gốc tự do không tồn tại sẵn như các tác nhân oxy hóa thông thường và chỉ được sản
sinh tại chỗ và tức thời ngay trong quá trình phản ứng, có thời gian rất ngắn khoảng
vài phần nghìn giây nhưng lại liên tục được tạo ra trong quá trình phản ứng.
Một khi gốc tự do được hình thành sẽ xảy ra hàng loạt các phản ứng kế tiếp theo

kiểu chuỗi với những gốc hoạt động mới. Chính vì thế, gốc hydoxyl khi được hình
thành sẽ tạo ra một chuỗi phản ứng trong dung dịch và tạo ra nhiều sản phẩm trung
gian khác nhau, khó đoán được tất cả những sản phẩm oxy hóa trung gian có thể tạo

8


Chương 1: Tổng quan

ra trong quá trình vì gốc hydroxyl phản ứng không chọn lựa. Gốc •OH có thể tác
kích với các chất ô nhiễm theo các kiểu như sau[8,11,25,31]:
Phản ứng cộng với các hợp chất không no dây thẳng hoặc vòng thơm, tạo ra gốc
hydroxylate hoạt động:
•

OH + CH2=CH2 → •CH2 – CH2(OH)

(1.2)

Phản ứng tách hydrogen từ các hợp chất no hoặc không no, tạo thành nước và
gốc mới hoạt động:
•

OH + CH3-CO-CH3 → •CH2COCH3 + H2O

(1.3)

Phản ứng trao đổi điện tử tạo ra gốc ion mới hoạt động:
•

OH + CH3-S-C6H5 → [CH3-S-C6H5]+• + OH-

(1.4)

Quá trình phản ứng tiếp tục nhờ các gốc tự do mới sinh ra theo kiểu phản ứng
dây chuyền cho đến khi vô cơ hóa hoàn toàn hoặc dây chuỗi bị đứt.
Mục đích mong muốn cuối cùng của các quá trình oxi hóa các chất ô nhiễm
trong nước và nước thải là “khoáng hóa”, tức là chuyển hóa các chất ô nhiễm hữu
cơ thành các chất “vô cơ” đơn giản và không độc hại. Cụ thể là:
-

Carbon trong phân tử chất ô nhiễm thành carbon dioxide

-

Hydrogen trong phân tử chất ô nhiễm thành nước

-

Phospho trong phân tử chất ô nhiễm thành phosphate hay acid phosphoric

-

Sulfur trong phân tử chất ô nhiễm thành sulfate

-

Nitrogen trong phân tử chất ô nhiễm thành nitrate

-

Halogen trong phân tử chất ô nhiễm thành acid halogenic

-

Các hợp chất vô cơ tạo thành trạng thái oxi hóa cao hơn như Fe2+ thành Fe3+

Đặc điểm nổi bật của gốc •OH là phản ứng với tất cả các chất khác nhau để oxy
hóa và phân hủy chúng trong khi các tác nhân oxy hóa khác không thể xảy ra với tất
cả mọi chất và không thể xảy ra triệt để.
1.2.2. Các quá trình tạo ra gốc hydroxyl •OH
Do gốc •OH có khả năng oxy hóa rất mạnh, tốc độ phản ứng oxy hóa rất nhanh
và không chọn lựa khi phản ứng với các hợp chất khác nhau nên các quá trình oxy
hóa nâng cao trên cơ sở gốc •OH đã được nghiên cứu và áp dụng trong việc xử lý
trong nước và nước thải. Các phản ứng tạo ra gốc •OH của từng quá trình oxy hóa
nâng cao cụ thể được trình bày trong bảng 1.2.
9


Chương 1: Tổng quan

Bảng 1.3. Phản ứng tạo gốc •OH của các quá trình oxy hóa nâng cao[3,8,16,31]
Tác nhân

STT
1

phản ứng
H2O2 và Fe2+
H2O2/Fe2+

2

và năng lượng + H+ (λ>300nm)

H2O

và

Quang Fenton

năng H2O nangluongs
 ieuam
 •OH + H•

Quá trình siêu âm

(20 – 40kHz)

năng

Quá trình bức xạ

ao
lượng cao (tia γ, H2O nangluongc


 •OH + H•
tia X, chùm (1 – 10MeV)

năng lượng cao (tia

electron)

electron)

H2O2
5

và

Fenton

H2O2 + Fe2+ → Fe3+ + OH- + •OH

lượng siêu âm
H2O

4

H2O2 + Fe2+ → Fe3+ + OH- + •OH

Tên quá trình

•
hv
(ion) Fe3+ (ion) + H2O 
OH + Fe2+

photon UV

3

Phản ứng đặc trưng

và

tia X, chùm

năng
hv
photon H2O2 
2•OH (λ = 220nm)

lượng

γ,

UV/oxy hóa

UV
O3
6

và

lượng

năng
photon

UV
H2O2/O3và năng
7

lượng

photon

UV
TiO2
8

lượng
UV

và

hv
O3 + H2O 
2•OH + O2

(λ = 253,7nm)
hv
H2O2 + O3 + H2O 
4•OH +

O2 (λ = 253,7nm)

hv
năng TiO2 

e- + h+ (λ > 387,5nm)

photon h+ + H2O → •OH + H+
H+ + OH- → •OH + H+

UV/oxy hóa

UV/oxy hóa

Quang xúc tác
bán dẫn

1.2.3. Phân loại các quá trình oxy hóa nâng cao
Cơ quan bảo vệ Môi trường Hoa kỳ (US Environmental Protection Agency –
USEPA) chia các quá trình oxy hoá nâng cao thành 2 nhóm chính là nhóm các quá
trình oxy hóa không nhờ tác nhân ánh sáng (Advanced Non – Photochemical
Oxidation Protection – ANOPs) và nhóm các quá trình oxy hóa nhờ tác nhân ánh
10


Chương 1: Tổng quan

sáng (Advanced Photochemical Oxidation Protection – AOPs). Các quá trình oxy
hoá nâng cao trong từng nhóm được trình bày cụ thể trong bảng 1.3.
Bảng 1.4. Phân loại các quá trình oxy hóa nâng cao[8,11,18,30,31]
Nhóm quá trình

Quá trình
-

Quá trình Fenton

Nhóm các quá trình oxy hóa

-

Quá trình Peroxon

không nhờ tác nhân ánh

-

Quá trình Catazon

sáng (Advanced Non-

-

Quá trình oxy hóa điện hóa

Photochemical Oxidation

-

Quá trình Fenton điện hóa

Protection – ANOPs)

-

Quá trình siêu âm

-

Quá trình bức xạ năng lượng cao

-

Quá trình H2O2/UV

Nhóm các quá trình oxy hóa

-

Quá trình O3/UV

nhờ tác nhân ánh sáng

-

Quá trình H2O2/UV + O3

(Advanced Photochemical

-

Quá trình quang Fenton

Oxidation Protection –

-

Quá trình quang Fenton biến thể

AOPs)

-

Quá trình UV/H2O

-

Quá trình quang xúc tác bán dẫn TiO2/UV

1.3. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC TiO2
1.3.1. Tổng quan về chất bán dẫn TiO2
Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất
bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở
nhiệt độ phòng. Gọi là “bán dẫn” có nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào
đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện. Hiện nay, chất bán dẫn điển hình
và sử dụng phổ biến nhất cho quá trình quang xúc tác là TiO2.
1.3.1.1. Tính chất vật lý
TiO2 là chất bột màu trắng tuyết, có trọng lượng riêng từ 4,13 - 4,25 g/cm3;
nóng chảy ở nhiệt độ cao gần 18000C, TiO2 không tan trong nước, không tan trong
các axit như axit sunfuric và acid chlohidric ngay cả khi nung nóng.
Trong tự nhiên, TiO2 tồn tại dưới ba dạng thù hình khác nhau là anatase, rutile
và brookite. Cấu trúc của những oxide này được tạo thành từ các bát diện lệch TiO6,
11

Chương 1: Tổng quan

liên kết với nhau thông qua các cạnh và đỉnh dùng chung. Tuy nhiên, trong cả 3
dạng thù hình trên của TiO2 thì dạng anatase thể hiện hoạt tính quang xúc tác rõ rệt
nhất. Đó là do sự khác biệt về cấu trúc vùng năng lượng của anatase so với rutile,
dẫn đến một số tính chất đặc biệt của cấu trúc anatase. Một số tính chất vật lý của
TiO2 dạng anatase và rutile được trình bày trong bảng 1.4[2,3,24].
Bảng 1.5. Một số tính chất vật lý của TiO2 dạng anatase và rutile[2,3,24]
STT

Tính chất vật lý

Anatase

Rutile

Tứ phương

Tứ phương

1

Cấu trúc tinh thể

2

Nhiệt độ nóng chảy (0C)

1800

1850

3

Khối lượng riêng (g/cm3)

3,84

4,20

4

Độ cứng Mohs

5,5 – 6,0

6 -7

5

Chỉ số khúc xạ

2,54

2,75

6

Hằng số điện môi

31

114

7

Nhiệt dung riêng (cal/mol 0C)

12,96

13,2

8

Mức năng lượng vùng cấm (eV)

3,25

3,05

Rutile là trạng thái tinh thể bền của TiO2, pha rutile có độ rộng khe năng
lượng 3,02 eV. Rutile là pha có độ xếp chặt cao nhất so với 2 pha còn lại, khối
lượng riêng 4,2 g/cm3. Rutile có kiểu mạng Bravais tứ phương với các hình bát diện
xếp tiếp xúc nhau ở các đỉnh[2].

Hình 1.1. Cấu trúc Rutile

Anatase là pha có hoạt tính quang hóa mạnh nhất trong 3 dạng tồn tại của
TiO2 có độ rộng khe năng lượng 3,23 eV và khối lượng riêng 3,9g/cm3. Anatase
12

Chương 1: Tổng quan

cũng có kiểu mạng Bravais tứ phương giãn dài với các bát diện TiO62 không đều
đặn và có thể chuyển thành dạng Rutile ở các điều kiện nhiệt độ thích hợp (khoảng
9150C )[2].

Hình 1.2. Cấu trúc Anatase
Brookite là mạng lưới cation hình thoi với cấu trúc phức tạp hơn, thường hiếm
gặp và có hoạt tính quang hóa rất yếu. Brookite có bề rộng khe năng lượng 3,4eV,
khối lượng riêng 4,1 g/cm3[2].

Hình 1.3. Cấu trúc Brookite
1.3.1.2. Tính chất hóa học
TiO2 bền về mặt hoá học (nhất là dạng đã nung), có tính chất lưỡng tính. TiO2
không tác dụng với nước, dung dịch axit loãng (trừ HF) và kiềm. TiO2 chỉ tác dụng
chậm với dung dịch axit nung nóng và kiềm nóng chảy. TiO2 sẽ bị phân huỷ bởi
H2SO4, HCl và kiềm đặc nóng[1
Với HF:
TiO2 + HF H2TiF6 + 2 H2O

(1.11)
13


Chương 1: Tổng quan

Với kiềm nóng chảy:
TiO2 + 2NaOH  Na2TiO3 + H2O

(1.12)

Ở nhiệt độ cao TiO2 có thể phản ứng với carbonate và oxit kim loại để tạo thành các
muối titanate.
TiO2 + MCO3

800 :1100 C

(MTi)O3+ CO2

(1.13)

TiO2 dễ bị hydro, carbon monoxit và titanium kim loại khử về các oxit thấp hơn.
1.3.2. Đặc điểm TiO2 sử dụng cho quá trình quang xúc tác bán dẫn
Chất xúc tác TiO2 dạng huyền phù được sử dụng trong quá trình quang xúc
tác ở dạng huyền phù. Khi sử dụng ở dạng huyền phù sẽ hiệu quả về mặt hấp thụ
photon và hiệu suất quá trình đạt cao nhất.
 Ưu điểm:
-

Tổn thất áp suất thấp khi đi qua hệ thống thiết bị phản ứng

-

Bề mặt tiếp xúc cho quá trình phản ứng cao.

-

Quá trình chuyển khối của chất ô nhiễm trong nước thải đến bề mặt chất xúc

tác thuận lợi và dễ dàng.

-

Cách sử dụng đơn giản.

 Nhược điểm: chính là đòi hỏi phải có thiết bị tách xúc tác ra khỏi nước nên
khá phiền phức vì các hạt TiO2 có kích thước rất nhỏ khoảng 20 - 30nm. Nhưng
TiO2 có đặc điểm khi vào nước các hạt TiO2 ở kích thước nanomet dễ dàng kết tụ
thành hạt có kích thứơc lớn gấp 10 lần, cỡ 0,3 - 0,6 μm. Vì vậy, khi tách chúng ra
khỏi nước bằng phương pháp lọc, ta có thể chọn màng vi lọc cỡ 0,2μm sẽ rẻ hơn so
với sử dụng màng siêu lọc và đồng thời sẽ thu được dịch sữa TiO2 nồng độ cao để
tái sử dụng. Hiện nay, nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng ta có thể thêm
chất điện ly (NaCl), chỉnh pH đến điện tích bằng zero hay đến điểm đẳng nhiệt của
dung dịch sẽ làm cho các hạt TiO2 kết tụ thành khối lớn gấp 100 – 1000 lần so với
kích thước ban đầu. Do đó ta có thể dùng phương pháp lắng đơn giản, rẻ tiền so với
lọc.
Trong quá trình xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp oxy hóa
bậc cao, các chất oxy hóa thường được sử dụng là Chlorine (Cl2), Hydroxy Peroxide
(H2O2), và Ozone (O3), với Cl2 được đánh giá là chất oxy hóa kinh tế nhất. Nhược
điểm của phương pháp oxy hóa bậc cao là chi phí đầu tư và chi phí vận hành cao và
14


Chương 1: Tổng quan

tạo

một

số

sản

phẩm

phụ

khác

như:

trichlorometan

(chloroform),

dibromochlorometan, tribromometan và bromodichlorometan. Những chất này, đặc
biệt là chloroform khi vào cơ thể người sẽ gây tổn hại cho gan, thận và có liên quan
đến nguyên nhân gây ung thư nên buộc phải hạn chế sử dụng chlor để xử lý nước tự
nhiên. Bên cạnh đó, quá trình xử lý sinh học với bùn hoạt tính hiếu khí và kỵ khí
cũng có thể được sử dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm với hiệu quả cao, tuy nhiên
nhược điểm của phương pháp này là thời gian xử lý dài và hiệu quả xử lý các chất
màu là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy thấp. Hiện nay, quá trình quang xúc tác
TiO2 cho thấy sự vượt trội so với các AOPs khác, đồng thời xúc tác TiO2 là vật liệu
bền, rẻ tiền, có thể sản xuất ở Việt Nam. Do đó việc sử dụng TiO2 xử lý độ màu một
lựa chọn hợp lý.
Hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm của các nhà máy đều có các phương pháp
hóa lý và sinh học kết hợp nhằm xử lý tối ưu các hợp chất hữu cơ, thuốc nhuộm,
hợp chất hữu cơ halogen... có trong nước thải. Các phương pháp xử lý sinh học và
hóa lý cơ bản chỉ có khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ phân hủy sinh học, kém

bền, các hợp chất hữu cơ bền và khó phân hủy sinh học vẫn còn tồn trong nước thải.
Do đó độ màu nước thải khó có thể xử lý đạt tiêu chuẩn của BTNMT nên đề tài
chọn nước thải đầu vào có độ màu đạt tiêu chuẩn loại B và sau khi xử lý nước thải
đầu ra đạt tiêu chuẩn loại A của QCVN 13: 2008/BTNMT.
Trong đề tài này chúng tôi tiến hành khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá
trình xử lý độ màu hệ quang xúc tác TiO2/UV và Vis trên một đối tượng nước thải
dệt nhuộm tự tổng hợp, từ đó tối ưu hóa điều kiện phản ứng bằng việc thêm O2 và
H2O2 vào hệ trước khi ứng dụng vào xử lý nhiều nguồn nước thải dệt nhuộm khác
nhau.
1.3.3. Cơ sở lý thuyết về quá trình quang xúc tác trên TiO2
1.3.3.1. Nguyên lý quá trình quang hóa xúc tác trên TiO2[9,33-37]
Chất bán dẫn là các chất rắn có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách
điện. Cấu hình quỹ đạo phân tử của bán dẫn có cấu trúc vùng năng lượng và được
đặc trưng bởi hai vùng năng lượng tách rời: vùng hóa trị năng lượng thấp (VB) gồm
những obitan phân tử liên kết được xếp đủ electron và vùng dẫn năng lượng cao
(CB) gồm những obitan phân tử phản liên kết còn trống electron. Khoảng cách giữa
15