Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit từ tính từ chất thải nông nghiệp và thử nghiệm khả năng xử lý phẩm màu DB71 trong môi trường nước
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.38 MB, 76 trang )
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT TỪ
TÍNH TỪ CHẤT THẢI NÔNG NGHIỆP VÀ THỬ NGHIỆM
KHẢ NĂNG XỬ LÝ PHẨM MÀU DB71 TRONG MÔI
TRƯỜNG NƯỚC
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
ĐOÀN MẠNH CƯỜNG
Hà Nội, Năm 2018
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT TỪ
TÍNH TỪ CHẤT THẢI NÔNG NGHIỆP VÀ THỬ NGHIỆM
KHẢ NĂNG XỬ LÝ PHẨM MÀU DB71 TRONG MÔI
TRƯỜNG NƯỚC
ĐOÀN MẠNH CƯỜNG
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ: 6044030
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Trần Đình Trinh
2. TS. Mai Văn Tiến
Hà Nội, Năm 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
KHOA HOÁ - TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐHQGHN
Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Trần Đình Trinh
Cán bộ hướng dẫn phụ : TS. Mai Văn Tiến
Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Huy Tùng
Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS. Đào Ngọc Nhiệm
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 24 tháng 05 năm 2018
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nếu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các
thông tin trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc rõ ràng và được
phép công bố.
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2018
Tác giả
Đoàn Mạnh Cường
i
LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành theo chương trình đào tạo Cao học khoá 2016-2018
tại Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Trần Đình Trinh đã hướng dẫn tôi trong suốt
thời gian qua, truyền đạt cho tôi những kinh nghiệm quý báu, chỉ bảo tận tình và
động viên giúp tôi hoàn thành bài báo cáo luận văn này.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn TS.Mai Văn Tiến cũng đã có những nhận xét,
góp ý, chỉ bảo để tôi có thể hoàn thành bài luận văn này.
Tôi xin cảm ơn các anh chị em trong Phòng thí nghiệm hoá Môi trường,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN.
Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến quý thầy cô khoa Môi trường, Trường Đại
học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những
kiến thức quý giá trong suốt thời gian học cao học tại trường.
Cảm ơn các anh chị, bạn bè những người bạn đồng hành trong quãng thời gian
học cao học, những người đã luôn sát cánh, giúp đỡ, động viên và là nguồn động
lực để tôi vươn lên.
Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những
thiếu sót vì vậy tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy – cô để
luận văn được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!.
Hà Nội, ngày tháng
năm 2018
Tác giả
Đoàn Mạnh Cường
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ vi
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................... viii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .........................3
1.1. Tổng quan ô nhiễm nước thải từ các ngành dệt nhuộm .......................................3
1.1.1. Thực trạng ô nhiễm nước thải từ các ngành dệt nhuộm ....................................3
1.1.2. Các chất ô nhiễm phát ra từ ngành dệt nhuộm ..................................................7
1.2. Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm ....................................................10
1.3. Tổng quan về vật liệu nanocompozit..................................................................14
1.3.1. Khái niệm và ứng dụng của vật liệu nanocompozit .......................................14
1.3.2. Vật liệu nanocompozit từ tính trên cơ sở than sinh học .................................18
1.3.3. Ứng dụng của vật liệu compozit từ tính trên cơ sở than sinh học...................21
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................23
2.1. Thiết kế nghiên cứu ..........................................................................................23
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................23
2.3. Hoá chất, dụng cụ và thiết bị ..............................................................................23
2.3.1. Thiết bị sử dụng ..............................................................................................23
2.3.2. Hoá chất ..........................................................................................................24
2.4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................24
2.4.1. Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp .............................................................24
2.4.2. Phương pháp nghiên cứu chế tạo than sinh học ..............................................25
2.4.2.1. Chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở than sinh học và oxit sắt từ ...............25
2.4.3. Các phương pháp phân tích xác định đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật
liệu đã tổng hợp .........................................................................................................28
2.4.4. Phương pháp xác định đặc tính của vật liệu....................................................33
iii
2.4.5. Nghiên cứu xử lý phẩm màu DB71 trong môi trường nước ...........................34
2.4.6. Phương pháp định lượng phẩm màu Direct Blue 71 trong dung dịch ............36
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................39
3.1. Đặc tính vật liệu nghiên cứu ban đầu ................................................................ 39
3.2. Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đối với đặc trưng về khối lượng của than
sinh học tạo thành......................................................................................................42
3.3. Đặc trưng cấu trúc của các vật liệu compozit đã tổng hợp được .......................43
3.3.1. Phổ XRD của các vật liệu ...............................................................................43
3.3.2. Phổ IR của các vật liệu ....................................................................................44
3.3.3. Phổ SEM, EDX của các vật liệu .....................................................................46
3.3.4. Xác định diện tích bề mặt của vật liệu ............................................................50
3.3.5. Xác định pH tại điểm đẳng điện của các vật liệu đã tổng hợp được ...............51
3.4 Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ DB71 của vật liệu nanocompozit ..............52
3.4.1. Ảnh hưởng của thời gian .................................................................................52
3.4.2. Ảnh hưởng của pH ..........................................................................................53
3.4.3. Ảnh hưởng của lượng vật liệu .........................................................................54
3.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ đầu củas DB71 ........................................... 55
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................61
PHỤ LỤC
iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Họ và tên học viên: Đoàn Mạnh Cường
Lớp
: CH2AMT
Khoá: 2A (2016-2018)
Cán bộ hướng dẫn 1
: TS. Trần Đình Trinh
Cán bộ hướng dẫn 2
: TS. Mai Văn Tiến
Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit từ tính từ chất thải
nông nghiệp và thử nghiệm khả năng xử lý phẩm màu DB71 trong môi trường
nước
Tóm tắt
Hiện nay vấn đề rác thải đã và đang được con người rất quan tâm, nguồn rác
thải phát sinh từ mọi hoạt động như công nghiệp, nông nghiệp, y tế, dịch vụ,...một
trong những nguồn rác thải đó phải kể đến hoạt động nông nghiệp. Với khối lượng
lớn phế phụ phẩm nông nghiệp đó nếu không có biện pháp xử lý thì đây sẽ là một
trong những tác nhân gây ô nhiễm môi trường, góp phần gây nên hiệu ứng khí nhà
kính, đồng thời lãng phí nguồn tài nguyên.
Phẩm màu được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như giấy, cao
su, chất dẻo và đặc biệt là công nghiệp dệt nhuộm. Trong quá trình nhuộm, các
phẩm màu không bám dính hết vào sợi vải, nên sau công đoạn nhuộm, trong nước
thải thường tồn dư một lượng nhất định. Tuy nhiên, phẩm màu nói chung và DB71
nói riêng đều rất khó bị phân hủy sinh học. Quá trình xử lý loại chất thải này bằng
phương pháp hấp phụ thường cho hiệu quả xử lý khá cao và thân thiện, ít tốn kém.
Vật liệu nanocompozit tổng hợp được có chứa các tinh thể hạt oxit sắt có kích
thước nano (khoảng 20-30 nm). Diện tích bề mặt của vật liệu nanocompozit đạt
khoảng 200 m2/g. Nghiên cứu quá trình xử lý DB71 trong nước cũng cho thấy các
vật liệu compozit có thể xử lý tốt chất ô nhiễm này (trên 95% sau 4h). Quá trình xử
lý DB71 chủ yếu là do hấp phụ vật lý và tuân theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt
Langmuir, với tải trọng hấp phụ cực đại đạt khoảng 10 mg/g. Nghiên cứu tận dụng
phế phẩm nông nghiệp để xử lý phẩm màu DB71 trong môi trường nước không
những có ý nghĩa về mặt khoa học, tính ứng dụng thực tiễn mà còn có ý nghĩa lớn
góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường hiện nay.
v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Viết đầy đủ
STT
Viết tắt
1
DB71
Direct Blue 71
2
CTR
Chất thải rắn
3
TSH
Than sinh học
4
VT
Vỏ trấu
5
LN
Lõi ngô
6
ASH
Độ tro
7
CEC
Khả năng trao đổi cation
8
EC
Độ dẫn điện
9
IM
Độ ẩm
10
FC
Cacbon cố định
11
VM
Vật chất bay hơi
12
VT - Fe
Vỏ trấu – oxit sắt
13
LN - Fe
Lõi ngô – oxit sắt
vi
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc trưng ô nhiễm từ sản xuất của một sô loại hình làng nghề .................5
Bảng 1.2. Các chất gây ô nhiễm và đặc tính nước thải ngành dệt - nhuộm ...............9
Bảng 1.3. Phầm trăm khối lượng các thành phần trong vỏ trấu................................20
Bảng 1.4. Tổng hợp các công trình gần đây về sử dụng vật liệu
compozit/nanocompozit trong xử lý nước thải công nghiệp. ...................................22
Bảng 2.1. Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ của dung dịch DB71 .........37
Bảng 3.1. Đặc trưng pH, EC của các loại phế phụ phẩm trong nghiên cứu .............39
Bảng 3.2. Đặc trưng của phế phụ phẩm sử dụng trong nghiên cứu ..........................40
Bảng 3.3. Thành phần tương đối của vỏ trấu ...........................................................41
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến đặc trưng về khối lượng của than
sinh học tạo thành......................................................................................................43
Bảng 3.5. Thành phần các nguyên tố trên bề mặt vật liệu VT-Fe ............................47
Bảng 3.6. Thành phần các nguyên tố trên bề mặt vật liệu LN-Fe ............................49
Bảng 3.7. Diện tích bề mặt của các vật liệu compozit ..............................................51
vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Ô nhiễm nguồn nước bởi ngành công nghiệp dệt may của 20 quốc gia ......4
Hình 1.2 Biểu đồ tỷ lệ các khí thải chính phát sinh từ hoạt động chăn nuôi ..............5
Hình 1.3 (a) Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir; (b) Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf ...... 14
Hình 1.4. Một số phương án cốt đa sợi của compozit ..............................................16
Hình 1.5. Vỏ trấu sau khi tách khỏi hạt lúa...............................................................19
Hình 1.6. Lõi ngô sau khi đã tách hạt ngô ................................................................20
Hình 2.1. Thiết bị tổng hợp compozit trên cơ sở than sinh học ................................25
Hình 2.2. Sơ đồ nghiên cứu chế tạo vật liệu .............................................................26
Hình 2.3. Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV tại Trung tâm Khoa học
Vật liệu, tại Đại học Quốc gia Hà Nội ......................................................................29
Hình 2.4. Máy quang phổ IR – 4700 (Jasco – Nhật) ................................................30
Hình 2.5. Sự nhiễm xạ tia X qua mạng tinh thể ........................................................32
Hình 2.6. Đường chuẩn xác định nồng độ DB71 ......................................................37
Hình 2.7. Thí nghiệm xây dựng đường chuẩn DB71 ................................................38
Hình 3.1. Vỏ trấu sau khi nung .................................................................................40
Hình 3.2. Lõi ngô sau khi nung .................................................................................40
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các vật liệu tổng hợp được ............................44
Hình 3.4. Phổ IR của vật liệu LN-Fe ........................................................................44
Hình 3.5. Phổ IR của vật liệu VT-Fe ........................................................................45
Hình 3.6. Ảnh SEM Vỏ trấu (trái), Lõi ngô (phải) trước khi biến tính ....................46
Hình 3.7. Ảnh SEM của VT-Fe (trái), LN-Fe (phải) ................................................46
Hình 3.8. Ảnh SEM Vị trí xác định phần trăm các nguyên tố trên VT-Fe ...............47
Hình 3.9. Ảnh EDX xác định thành phần các nguyên tố trên VT-Fe .......................48
Hình 3.10. Ảnh SEM Vị trí xác định phần trăm các nguyên tố trên LN-Fe .............48
Hình 3.11. Ảnh EDX xác định thành phần các nguyên tố trên LN-Fe ......... 49
Hình 3.12. Phổ BET của các vật liệu tổng hợp được ................................................50
Hình 3.13. Đồ thị xác định pH tại điểm đẳng điện ...................................................52
Hình 3.14. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý DB71 của vật liệu ............53
viii
Hình 3.15. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý DB71 của vật liệu .....................53
Hình 3.16. Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ đến hiệu quả xử lý DB71 của
vật liệu ..................................................................................................... 55
Hình 3.17. Đường cong phụ thuộc của tải trọng hấp phụ vào nồng độ còn lại
của DB71 ...................................................................................................... 56
Hình 3.18. Đường đẳng nhiệt Langmuir để xác định tải trong hấp phụ cực đại
của VT-Fe ..................................................................................................... 56
Hình 3.19. Đường cong phụ thuộc của tải trọng hấp phụ vào nồng độ còn lại
của DB71 ...................................................................................................... 57
Hình 3.20. Đường đẳng nhiệt Langmuir để xác định tải trong hấp phụ cực đại
của LN-Fe ..................................................................................................... 58
ix
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận văn
Hiện nay vấn đề rác thải đã và đang được con người rất quan tâm, nguồn rác
thải phát sinh từ mọi hoạt động như công nghiệp, nông nghiệp, y tế, dịch vụ,...một
trong những nguồn rác thải đó phải kể đến hoạt động nông nghiệp, bởi Việt Nam là
một nước nông nghiệp, có đến 70% số dân sống ở nông thôn, nghề nghiệp chủ yếu
là tham gia vào quá trình sản xuất nông nghiệp. Và sau mỗi vụ thu hoạch , một
lượng lớn phế phụ phẩm nông nghiệp đã bị đốt cháy hoặc bị phân huỷ và phát thải
các khí ô nhiễm là CO2 và CH4 vào khí quyển. Với khối lượng lớn phế phụ phẩm
nông nghiệp đó nếu không có biện pháp xử lý thì đây sẽ là một trong những tác
nhân gây ô nhiễm môi trường, góp phần gây nên hiệu ứng khí nhà kính, đồng thời
lãng phí nguồn tài nguyên. Nên đây là một thực tế cần có biện pháp giải quyết phù
hợp, bởi nếu có các hình thức xử lý phù hợp thì các phế phụ phẩm nông nghiệp này
sẽ tạo ra được một nguồn tài nguyên lớn là than sinh học có khả năng lưu giữ khí
nhà kính CO2, xử lý ô nhiễm nước, cải tạo chất lượng đất nông nghiệp, và giúp tăng
khả năng sinh trưởng, phát triển của cây trồng.
Phẩm màu được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như giấy, cao
su, chất dẻo và đặc biệt là công nghiệp dệt nhuộm. Thông thường trong quá trình
nhuộm, các phẩm màu không bám dính hết vào sợi vải, nên sau công đoạn nhuộm,
trong nước thải thường tồn dư một lượng nhất định, thậm chí lên tới 50% tổng
lượng phẩm màu được sử dụng ban đầu [1]. Đây là thành phần rất khó xử lý, đặc
biệt là phẩm màu họ azo, chiếm tới 60 - 70% thị phần, đang được sử dụng phổ biến
nhất hiện nay. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra tính độc hại và nguy
hiểm của hợp chất họ azo đối với môi trường và sức khỏe con người, đặc biệt chúng
có thể gây ung thư [2]. Phẩm màu Direct Blue (DB71) là một trong những loại
phẩm màu họ azo, được dùng để nhuộm các loại sợi xenlulozơ, sợi viscose,
viscose/PVA, bông và sử dụng trong ngành thuộc da, giấy, nhựa.Vì vậy, việc xử lý
nước thải chứa phẩm màu là vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu. Tuy nhiên,
phẩm màu nói chung và DB71 nói riêng đều rất khó bị phân hủy sinh học, do cấu
1
trúc bền vững và sự có mặt của vòng thơm. Các quá trình xử lý cơ bản (hấp phụ,
siêu lọc, thẩm thấu ngược và keo tụ) không thể giải quyết triệt để các chất ô nhiễm
mà chỉ có thể chuyển chất ô nhiễm từ môi trường nước sang môi trường mới. Mặt
khác khả năng tái sinh vật liệu là khó khăn và giá thành tái sinh thường rất cao.
Xuất phát từ những lý do trên, với mục đích tìm ra biện pháp xử lý ô nhiễm
môi trường nước đồng thời góp phần nhằm giảm phát thải khí nhà kính, tôi đã chọn
đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit từ tính từ chất thải nông
nghiệp và thử nghiệm khả năng xử lý phẩm màu DB71 trong môi trường nước”.
Đây là một vấn đề cấp thiết, có ý nghĩa lớn trong việc tận thu các phế phụ phẩm
nông nghiệp có để xử lý nguồn nước bị ô nhiễm.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu nanocompozit từ tính từ lõi ngô, vỏ trấu
và oxit sắt từ.
Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý phẩm màu Direct Blue 71 trong môi
trường nước của vật liệu nanocompozit từ tính đã tổng hợp được.
3. Nội dung nghiên cứu
Tổng quan tài liệu về vật liệu nanocompozit từ tính trên cơ sở than sinh học
từ các phế phẩm nông nghiệp và oxit sắt từ.
Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit từ tính từ lõi ngô, vỏ trấu và oxit
sắt từ.
Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc của vật liệu đã tổng hợp được.
Nghiên cứu thử nghiệm đánh giá khả năng xử lý phẩm màu DB71 của vật
liệu nanocompozit từ tính trên cơ sở than sinh học và oxit sắt từ.
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tổng quan ô nhiễm nước thải từ các ngành dệt nhuộm
1.1.1. Thực trạng ô nhiễm nước thải từ các ngành dệt nhuộm
a. Thực trạng ô nhiễm nước thải từ các ngành dệt nhuộm trên thế giới
Ngày nay, các quốc gia trên thế giới luôn phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi
trường, trong đó có ô nhiễm nước thải từ các nhà máy sản xuất, nước thải ngành dệt
nhuộm cũng là một trong các thành phần hóa học độc hại.
Mặc dù, ở các quốc gia đã có nhiều biện pháp xử lý cũng như tìm ra các thuốc
nhuộm công nghiệp có nguồn gốc tự nhiên nhưng tình trạng ô nhiễm nước thải dệt
nhuộm vẫn ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống của người dân cũng như tăng mức
độ ô nhiễm nguồn nước sạch trên các sông, ngòi, biển.
Trong tờ New York Times cũng từng đề cập, sự ảnh hưởng trực tiếp của nước
thải ngành dệt nhuộm đối với môi trường và sức khỏe con người ở nước Mỹ. Mặc
dù chính phủ đã thực hiện nhiều biện pháp để xử lý môi trường nước trước khi xả
thải ra biển nhưng người dân ở gần nơi có nhà máy sản xuất vẫn phải chịu ảnh
hưởng nghiêm trọng về sức khỏe. Gần 50% công nhân làm việc trong các nhà máy
dệt nhuộm mắc chứng bệnh ung thư bàng quang vì tiếp xúc thường xuyên với
benzidine một trong những thành phần có trong thuốc nhuộm trong suốt nửa cuối
thế kỷ 20.
Năm 2015, trong một nghiên cứu khảo sát về tình trạng ô nhiễm nước thải
ngành công nghiệp dệt nhuộm ở khu vực Đông Âu đã đưa ra một bảng số liệu thống
kê thực trạng ô nhiễm nước thải ở 20 quốc gia (hình 1.1) [10].
3
Hình 1.1 Ô nhiễm nguồn nước bởi ngành công nghiệp dệt may (theo % tổng
lượng BOD thực tế) của 20 quốc gia
Những đề cập ở trên cho chúng ta thấy một thực trạng báo động về vấn đề xử
lý nước thải của các ngành công nghiệp nói chung và ngành dệt nhuộm nói riêng
cần được quan tâm nhiều hơn, đặc biệt đối với các phẩm nhuộm độc hại được sử
dụng.
b. Thực trạng ô nhiễm nước thải từ các ngành dệt nhuộm ở Việt Nam
Những năm gần đây kinh tế nước ta ngày càng phát triển, kèm theo đó là nhu
cầu đời sống của người dân ngày càng cao. Áp lực về môi trường cũng ngày càng
gia tăng, tình trạng ô nhiễm nguồn nước, không khí và đất ngày càng một nghiêm
trọng trong những năm gần đây.
Năm 2015, một bài báo về dự báo, phòng ngừa và giảm thiểu các nguồn gây ô
nhiễm môi trường do hoạt động kinh tế tại khu vực nông thôn được thực hiện và
đưa ra số liệu thống kê của một số ngành nghề và áp lực mang lại đối với môi
trường như ngành chăn nuôi thủy hải sản, trồng trọt, lâm nghiệp, thực phẩm, một số
làng nghề.
Cả nước hiện này hiện có 12 triệu hộ gia đình có hoạt động chăn nuôi và
23500 trang trại chăn nuôi tập trung, hoạt động chăn nuôi chiếm khoảng 25% tổng
sản lượng sản xuất nông nghiệp. Cùng với sự gia tăng dân số và số lượng vật nuôi
thì tình trạng ô nhiễm môi trường do chăn nuôi ngày càng tăng, nguồn chất thải từ
4
chăn nuôi hàng năm lên đến 84,5 triệu tấn, hình 1.2 thể hiện mức độ tỷ lệ của các
khí thải phát sinh từ chăn nuôi.
Hình 1.2 Biểu đồ tỷ lệ các khí thải chính phát sinh từ hoạt động chăn nuôi
(Nguồn: Tổng cục Môi trường, Bộ TN & MT, 2003)
Đặc biệt một số làng nghề thủ công với hình thức phát triển nhỏ lẻ, với các
công nghệ và thiết bị thủ công đơn giản, lạc hậu, mặt bằng sản xuất lại nhỏ hẹp, tận
dùng nguồn lao động rẻ và trình độ nhận thức của người dân tại các làng nghề còn
hạn chế... tạo nên nguồn áp lực lớn đối với môi trường tại các nơi này. Bảng 1.1 cho
chúng ta một số chi tiết việc ô nhiễm từ sản xuất của một số loại làng nghề ở Việt
Nam.
Bảng 1.1. Đặc trưng ô nhiễm từ sản xuất của một sô loại hình làng nghề
Các dạng chất thải
Khí thải
Nước thải
Chất thải rắn
COD,BOD5,
Chế biến
SS, tổng N,
lương thực,
tổng P,
Bụi, CO, SO2,
Xỉ than, CTR
thực phẩm và
Coliform và
NOx, CH4
từ nguyên liệu
chăn nuôi, giết
trong nước
mổ
ngầm (COD,
TS, NH4+)
BOD5, COD,
Bụi, CO, SO2,
Dệt nhuộm,
độ màu, tổng
Xỉ than, tơ sợi,
NOx, hơi axit,
ươm tơ, thuộc
N, hóa chất
vải vụn, cặn và
hơi kiềm,
da
thuốc tẩy, Cr6+ bao bì hóa chất
dung môi
(thuộc da)
Loại hình sản
xuất
5
Ô nhiễm khác
Ô nhiễm nhiệt,
độ ẩm
Ô nhiễm nhiệt,
độ ẩm và tiếng
ồn
Thủ công mỹ
nghệ (gốm sứ,
sơn mài, gỗ
mỹ nghệ, chế
tác đá)
– Bụi, CO,
SiO2, SO2,
NOx,
- Bụi, hơi
xăng, dung
môi, Oxit Fe,
Zn, Cr, Pb HF,
THC
BOD5, COD,
SS, độ mầu,
dầu mỡ công
nghiệp
Xỉ than (gớm
sứ), phế phẩm,
cặn hóa chất
Ô nhiễm nhiệt
(gốm sứ)
Tái chế phế
liệu (giấy,
nhựa, kim
loại)
Bụi, SO2,
H2S, hơi
kiềm.
– Bụi, Co, hơi
kim loại, hơi
axit, Pb, Zn,
HF, HCL,
THC.
– Bụi, CO,
Cl2, HCL,
THC, hơi
dung môi
pH, BOD5,
COD, SS, tổng
N, tổng P, độ
mầu
– COD, SS,
dầu mỡ, CN-,
kim loại
– BOD5, COD,
tổng N, tổng P,
độ màu, dầu
mỡ, tổng N,
hóa chất, thuốc
tẩy, Cr6+
- Bụi giấy, tạp
chất từ giấy,
phế liệu, bao
bì hóa chất
– Xỉ than, rỉ
sắt, vụn kim
loại nặng
(Cr6+,
Zn2+…)
– Nhãn mác,
tạp chất không
tái sinh, cao su
Ô nhiễm nhiệt
Vật liệu xây
dựng, khai
thác đá
Bụi, CO, SO2,
Ô nhiễm nhiệt,
Xỉ than, xỉ đá,
NOx, HF,
SS, Si, Cr
tiếng ồn, độ
đá vụn
THC
rung
(Nguồn: Tổng cục Môi trường, Bộ TN & MT, 2016)
Hiện nay, ngành công nghiệp dệt nhuộm phát triển mạnh mẽ, tạo ra nhiều sản
phẩm đa dạng có chất lượng cao, đáp ứng trào lưu của thị trường. Trong nền kinh tế
quốc dân, ngành dệt nhuộm chiếm một vị trí khá quan trọng vì đây là một trong
những ngành công nghiệp không chỉ mang lại nguồn thu về kinh tế mà còn góp
phần giải quyết vấn đề thất nghiệp trong xã hội. Tuy vậy, ô nhiễm môi trường do
nước thải ngành dệt nhuộm là một thực tế đáng báo động, cần phải có phương
hướng xử lý và là nhiệm vụ rất cần thiết.
Theo kết quả phân tích nước thải ở làng nghề dệt nhuộm Vạn Phúc (Hà Tây)
năm 2003 thì chỉ số BOD là 67 – 159mg/l; COD là 139 – 423mg/l; SS là 167 –
350mg/l, và kim loại nặng trong nước như Fe là 7,68mg/l; Pb là 2,5mg/l; Cr6+ là
0,08mg/l [3]. Theo số liệu của Sở Tài nguyên Môi trường Thái Bình, hàng năm làng
nghề Nam Cao sử dụng khoảng 60 tấn hóa chất các loại như oxy già, nhớt thủy tinh,
6
xà phòng, bồ tạ, Javen, thuốc nhuộm nấu tẩy và in nhuộm. Các thông số ô nhiễm
môi trường ở Nam Cao cho thấy hàm lượng chất rắn lơ lửng trong nước thải cao
hơn tiêu chuẩn cho phép 3,75 lần, hàm lượng BOD cao hơn tiêu chuẩn cho phép tới
4,24 lần, hàm lượng COD cao hơn tiểu chuẩn cho phép 3 lần. Cho tới nay, tình
trạng ô nhiễm nguồn nước ở các làng nghề nói trên vẫn chưa được xử lý triệt để,
làm ảnh hưởng nguồn nước cung cấp cho đời sống sinh hoạt của người dân trong
vùng.
Vì thế, vấn đề xử lý nguồn nước thải trong các ngành công nông nghiệp nói
chung và nước thải ngành dệt nhuộm nói riêng trước khi xả vào nguồn tiếp nhận là
việc bắt buộc và cần thiết. Cho nên, việc nghiên cứu các phương pháp phù hợp để
xử lý nguồn nước thải này một cách dễ dàng và ít hao phí là cần thiết.
1.1.2. Các chất ô nhiễm phát ra từ ngành dệt nhuộm
Các thuốc nhuộm sử dụng trong công nghiệp dệt nhuộm thường là các hóa
chất độc hại, ngày nay một số xưởng sản xuất lớn, do áp lực từ các chế độ của chính
phủ về vấn đề ô nhiễm môi trường, đã nghiên cứu chuyển sang sử dụng thuốc
nhuộm hữu cơ, tuy có thể giảm một lượng đáng kể các hóa chất độc hại mạnh,
nhưng sự độc hại của các hóa chất trong quá trình dệt nhuộm công nghiệp vẫn là
điều đáng được quan tâm.
a. Các loại thuốc nhuộm thường dùng
Thuốc nhuộm hoạt tính
Các loại thuốc nhuộm thuộc nhóm này có công thức cấu tạo tổng quát là S-FT-X trong đó: S là nhóm làm cho thuốc nhuộm có tính tan, F là phần mang màu,
thường là các hợp chất Azo (-N=N-), antraquinon, axit chứa kim loại hoặc
ftaloxiamin; T là gốc mang nhóm phản ứng; X là nhóm phản ứng. Loại thuốc
nhuộm này khi thải vào môi trường có khả năng tạo thành các amin thơm được xem
là tác nhân gây ung thư.
Thuốc nhuộm trực tiếp
Đây là thuốc nhuộm bắt màu trực tiếp với xơ sợi không qua giai đoạn xử lý
trung gian, thường sử dụng để nhuộm sợi 100% cotton, sợi protein (tơ tằm) và sợi
7
poliamid, phần lớn thuốc nhuộm trực tiếp có chứa azo (mono, di hoặc poliaza) và
một số là dẫn xuất của diozaxin.
Phẩm màu Direct Blue (DB71) là một loại phẩm màu trực tiếp họ azo, được
dùng để nhuộm các loại sợi cellulose, sợi viscose, viscose/PVA, bông và sử dụng
trong ngành thuộc da, giấy, nhựa.
Thuốc nhuộm hoàn nguyên
Thuốc nhuộm này gồm 2 nhóm chính: nhóm đa vòng có chứa nhân
antraquinon và nhóm indigoit có chứa nhân indigo. Công thức tổng quát là R=C-O;
trong đó R là hợp chất hữu cơ nhân thơm, đa vòng. Các nhân thơm đa vòng trong
các loại thuốc nhuộm này cũng là tác nhân gây ung thư, vì vậy khi không được xử
lý, thải ra môi trường có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Thuốc nhuộm phân tán
Nhóm thuốc nhuộm này có cấu tạo phân tử gốc azo và antraquinon và nhóm
amin (NH3, NHR, NR2, NR-OH), dùng chủ yếu để nhuộm các loại sợi tổng hợp (sợi
axetat, sợi polieste...) không ưa nước.
Thuốc nhuộm huỳnh quang
Là nhóm thuốc nhuộm chứa mạch dị hình tiazol, tiazin, zin... trong đó có cầu
nối disulfur (-S-S-) dùng đề nhuộm các loại sợi cotton và viscose.
Thuốc nhuộm axit
Là các muối sunfonat của các hợp chất hữu cơ khác nhau có công thức là RSO3Na khi tan trong nước phân ly thành nhóm R-SO3 mang màu. Các thuốc nhuộm
này thuộc nhóm mono, diazo và các dẫn xuất của antraquinon, triaryl metan...
Thuốc in, nhuộm pigmen
Có chứa nhóm azo, hoàn nguyên đa vòng, ftaoxiamin, dẫn xuất của
antraquinon...
b. Các chất ô nhiễm chính
Nước thải công nghiệp dệt nhuộm thường chứa các chất ô nhiễm chính như
các tạp chất tách ra từ vải sợi như dầu mỡ, các hợp chất chứa nitơ, pectin, các chất
bụi bẩn dính vào sợi; các hóa chất sử dụng trong quy trình công nghệ như hồ tinh
8
bột, H2SO4, CH3COOH, NaOH, NaOCl, H2O2, Na2CO3, Na2SO3... các loại thuốc
nhuộm, các chất trợ, chất ngấm, chất cầm màu, chất tẩy giặt. Lượng hóa chất sử
dụng tùy theo quy trình sản xuất của từng nơi, tùy theo từng loại vải, màu.
Bảng 1.2. Các chất gây ô nhiễm và đặc tính nước thải ngành dệt - nhuộm [4]
Công đoạn Chất ô nhiễm trong nước thải
Đặc tính của nước thải
Hồ sợi,
Tinh bột, glucozo, carboxy BOD cao (34-50% tổng sản lượng
giũ hồ
metyl xelulozo, polyvinyl alcol, BOD).
nhựa, chất béo và sáp.
Nấu, tẩy
NaOH, chất sáp và dầu mỡ, tro, Độ kiềm cao, màu tối, BOD cao
soda, silicat natri và xo sợi vụn.
Tẩy trắng
(30% tổng BOD).
Hipoclorit, hợp chất chứa clo, Độ kiềm cao, chiếm 5%BOD.
NaOH, AOX, axit…
Làm bóng
Độ kiềm cao, BOD thấp (dưới 1%
NaOH, tạp chất.
tổng BOD).
Nhuộm
Các
loại
thuốc
nhuộm, Độ màu rất cao, BOD khá cao (6%
axitaxetic và các muối kim loại.
tổng BOD), TS cao.
Chất màu, tinh bột, dầu, đất sét, Độ màu cao, BOD cao và dầu mỡ.
In
muối kim loại,axit…
Hoàn thiện
Vệt tinh bột, mỡ động vật, Kiềm nhẹ, BOD thấp, lượng nhỏ.
muối.
c. Ảnh hưởng của các chất thải đến môi trường
Trước hết, chúng ta cần biết một số chỉ tiêu trong việc đo lường ô nhiễm môi
trường như DO, BOD, COD...
DO là lượng oxy hòa tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các sinh vật
nước (cá, lưỡng thể, thủy sinh, côn trùng v.v...). Khi nồng độ DO thấp, các loài sinh
vật nước giảm hoạt động hoặc bị chết. Do vậy, DO là một chỉ số quan trọng để đánh
giá về sự ô nhiễm nước của các thủy vực.
BOD (Biochemical oxygen Demand – như cầu oxy sinh hóa) là lượng oxy cần
thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ theo phản ứng:
9
Vi khuẩn + Chất hữu cơ + O2 → CO2 + H2O + tế bào mới + sản phẩm trung gian
BOD có ý nghĩa biểu thị lượng các chất thải hữu cơ trong nước có thể bị phân
huỷ bằng các vi sinh vật.
COD (Chemical Oxygen Demand – nhu cầu oxy hóa học) là lượng oxy cần
thiết để oxy hoá các hợp chất hoá học trong nước bao gồm cả vô cơ và hữu cơ. Như
vậy, COD là lượng oxy cần để oxy hoá toàn bộ các chất hoá học trong nước, trong
khi đó BOD là lượng oxy cần thiết để oxy hoá một phần các hợp chất hữu cơ dễ
phân huỷ bởi vi sinh vật.
Toàn bộ lượng oxy sử dụng cho các phản ứng trên được lấy từ oxy hoà tan
trong nước (DO). Do vậy nhu cầu oxy hoá học và oxy sinh học cao sẽ làm giảm
nồng độ DO của nước, có hại cho sinh vật nước và hệ sinh thái nước nói chung.
Nước thải hữu cơ, nước thải sinh hoạt và nước thải hoá chất là các tác nhân tạo ra
các giá trị BOD và COD cao của môi trường nước.
Độ pH của nước là một trong những chỉ tiêu được tính tới khi kiểm tra mức độ
ô nhiễm, độ kiềm cao làm tăng pH của nước. Nếu pH > 9 sẽ gây độc hại đối với
thủy sinh, gây ăn mòn các công trình thoát nước và hệ thống xử lý nước thải [5].
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 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.
1.2. Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm
Do đặc thù công nghệ, nước thải dệt nhuộm chứa tổng hàm lượng chất rắn,
chất rắn lơ lửng, độ màu, BOD, COD cao nên khi chọn phương pháp xử lý thích
hợp phải dựa vào nhiều yếu tố như lượng nước thải, đặc tính nước thải, tiêu chuẩn
thải, xử lý tập trung hay cục bộ. Các phương pháp xử lý nước thải ngành dệt nhuộm
có thể được phân loại theo nhóm các phương pháp như Phương pháp cơ học,
Phương pháp hoá học, Phương pháp hoá – lý và Phương pháp sinh học. Trong thực
tế người ta thường sử dụng 6 phương pháp cụ thể sau:
10
Phương pháp trung hòa
Phương pháp được thực hiện bằng trộn dòng nước thải có tính axit với dòng
nước thải có tính kiềm hoặc sử dụng các chất như H2SO4, HCl, NaOH, CO2 để
điều chỉnh pH, thường được thực hiện kết hợp ở trong bể điều hòa hoặc bể thu gom.
Phương pháp keo tụ
Trong phương pháp này người ta thường dùng các loại phèn nhôm hay phèn sắt
cùng với sữa vôi như sắt sunfat, nhôm sunfat hay hay hỗn hợp của 2 loại phèn này và
hydroxyt canxi Ca(OH)2 với mục đích khử màu và một phần COD. Nếu dùng sắt(II)
sunphat thì hiệu quả đạt tốt nhất ở độ pH = 10, còn nếu dùng nhôm sunphat thì pH = 5 –
Phương pháp oxy hóa
Do cấu trúc hóa học của thuốc nhuộm nên trong khi khử nước thải dệt nhuộm
bằng phương pháp oxy hóa phải dùng chất oxy hóa mạnh. Chất oxy hóa phổ biến
được dùng hiện nay là ozon, có khả năng khử màu rất tốt đặc biệt đối với nước thải
chứa thuốc nhuộm hoạt tính. Để khử màu 1g thuốc nhuộm hoạt tính cần 0,5g O3.
Phương pháp màng
Phương pháp màng được ứng dụng trong xử lý nước thải ngành dệt nhuộm với
mục đích thu hồi hóa chất để tái sử dụng như: tinh bột PVA,thuốc nhuộm indigo,
muối. Động lực quá trình lọc màng là sự chênh lệch áp suất giữa hai phía của màng.
Phương pháp sinh học
Phần lớn các chất trong nước thải dệt nhuộm là những chất có khả năng phân
hủy sinh học. Trong một số trường hợp có thể chứa các chất có tính độc đối với vi
sinh vật như các chất khử vô cơ, formandehit, kim loại nặng, clo,..., và các chất khó
phân hủy sinh học khác như các chất tẩy rửa, hồ PVA, các loại dầu khoáng... do đó
trước khi đưa vào xử lý sinh học, nước thải cần được xử lý các chất gây độc và
giảm tỷ lệ các chất khó phân hủy sinh học bằng phương pháp xử lý cục bộ.
Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ có khả năng dùng để xử lý các chất thải không hoặc khó
xử lý bằng phương pháp sinh học.
11
Phương pháp này thường được dùng để khử màu nước thải chứa thuốc nhuộm
hòa tan và thuốc nhuộm hoạt tính. Cơ sở của quá trình là hấp phụ chất tan lên bề
chất rắn (chất hấp phụ). Các chất hấp phụ thường dùng là than hoạt tính, than nâu,
đất sét, cacbon, magie, zeolite trong đó than hoạt tính là chất hấp phụ có bề mặt
riêng lớn 400 – 1500 m2/g.
- Khái niệm hấp phụ
Mọi quá trình tập trung một hay nhiều chất lên bề mặt phân cách pha được gọi
là sự hấp phụ. Bề mặt phân cách pha có thể là khí-lỏng, khí-rắn, lỏng-lỏng, lỏngrắn. Sự hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị
hấp phụ. Trong quá trình nhuộm, những sợi bông thực vật hấp thụ những chất tạo
màu (hấp phụ cation) từ môi trường dung dịch thuốc nhuộm.
Chất hấp phụ là chất mà phân tử lớp bề mặt có khả năng hút các phân tử của
pha khác khi tiếp xúc với nó. Chất hấp phụ có bề mặt riêng (diện tích bề mặt đơn
phân tử trên 1g chất hấp phụ) càng lớn thì khả năng hấp phụ càng mạnh.
Chấp bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt
chất hấp phụ.
- Các phương pháp hấp phụ
Dựa vào bản chất của lực hấp phụ, người ta chia ra thành hấp phụ vật lý và hấp
phụ hóa học. Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
mang tính tương đối, thường thì quá trình hấp phụ diễn ra đồng thời cả hai quá trình
này.
Phương pháp hấp phụ vật lý
Hấp phụ vật lý là sự tương tác yếu và thuận nghịch nhờ lực hút tĩnh điện giữa
các các chất bị hấp phụ và các tâm hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ.
Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không
tạo thành hợp chất hóa học, có nghĩa là nó hoàn toàn không hình thành các liên kết
hóa học, mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại
trên bề mặt chất hấp phụ. Hấp phụ vật lý có thể tạo thành nhiều lớp (đa lớp), và là
12
loại hấp phụ không chọn lọc, tất cả bề mặt chất rắn đều có tính chất hấp phụ vật lý
và nó thường có tính thuận nghịch, dễ dàng nhả các chất bị hấp phụ ra.
Bởi vì hấp phụ vật lý không hình thành mối liên kết mà dựa trên sự tương tác
rất yếu giữa phân tử bị hấp phụ và các electron của chất rắn. Cho nên giữa chất rắn
và phân tử bị hấp phụ được coi là 2 pha khác nhau, không được coi là hợp chất
đồng nhất. Đối với hấp phụ vật lý thì nhiệt hấp phụ thường không lớn, gần bằng
nhiệt hóa lỏng bay hơi của chất bị hấp phụ ở điều kiện hấp phụ và thường nhỏ hơn
20 kJ/mol.
Phương pháp hấp phụ hóa học
Hấp phụ hóa học là quá trình xảy ra các phản ứng tạo nên liên kết hóa học giữa
các chất bị hấp phụ và các nhóm chức của chất hấp phụ. Các liên kết này thường
bền và khó bị phá vỡ.
Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ phản ứng và tạo hợp chất
hóa học với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết
hóa học thông thường như liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí... Các
lực liên kết này mạnh nên rất khó bị phá vỡ. Trong quá tình tạo thành liên kết có sự
di chuyển điện tử giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ và hấp phụ hóa học không
có tính thuận nghịch.
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Các giả thiết của phương trình đẳng nhiệt Langmuir [11]
-
Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định
-
Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân
-
Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng trên các trung tâm
hấp phụ là như nhau
-
Không có tương tác qua lại giữa các tiểu phân chất bị hấp phụ
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:
q: Tải trọng hấp phụ tại thời điểm khảo sát (mg/g)
13
