Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học chế tạo từ hạt muồng hoàng yến (cassia fistulal ) để cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Chuyên ngành: Môi trƣờng đất và nƣớc
Mã ngành: 62440303

TÊN NCS: ĐÀO MINH TRUNG

TÊN LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU KEO TỤ SINH HỌC CHẾ TẠO TỪ
HẠT MUỒNG HOÀNG YẾN (CASSIA FISTULA L.) ĐỂ CẢI THIỆN
CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI CÔNG NGHIỆP

Cần Thơ, 2018


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây bên cạnh những thành tựu to lớn, con người đã dần
hủy hoại môi trường sống của mình do các chất thải thải ra từ các công đoạn sản xuất
mà không qua xử lý hoặc xử lý không triệt để. Quá trình ô nhiễm một phần do việc sử
dụng hóa chất có nguồn gốc hóa học trong quá trình vận hành để cải thiện chất lượng
nước thải công nghiệp, xi mạ, dệt nhuộm, thủy sản… được ứng dụng khá rộng rãi.
Trong quá trình vận hành hệ thống xử lý nước thải một phần dư lượng các chất ô
nhiễm gây ô nhiễm trực tiếp hoặc gián tiếp đến môi trường tiếp nhận (Vijayaraghavan,
2011). Ngoài ra ô nhiễm thứ cấp còn làm thay đổi tính chất vật lý, hóa học, sinh học
của hệ sinh thái của nước theo chiều hướng xấu đi và đây là thực trạng cấp thiết cần có
giải pháp thay đổi vật liệu trong quá trình vận hành từ đó cải thiện chất lượng môi
trường tiếp nhận (Nguyễn Thị Phương Loan, 2011). Do đó nghiên cứu tìm ra vật liệu
thân thiện môi trường ngày càng được quan tâm trong xử lý nước hiện nay, một số

nghiên cứu điển hình sử dụng vật liệu thân thiện môi trường như, Mangale Sapanda,
2012; Muhammad Asif Hanif, 2008). Theo Đoàn Thị Thúy Ái (2013), Nguyễn Văn
Cường và Huỳnh Thị Kim Ngọc (2014); Luciano Carlos et al. (2013), nghiên cứu sử
dụng vật liệu nano trong xử lý nước thải ngành công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ.
Những nghiên cứu trên cho thấy vật liệu sinh học có tiềm năng thay thế vật liệu có
nguồn gốc hóa học là một bước tiến và cần nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt có thể
hướng đến nghiên cứu vật liệu nano sinh học có thể thu hồi trong cải thiện chất lượng
nước thải là hướng đi mới trong nghiên cứu ứng dụng trong thời gian tới nhằm góp
phần cải thiện chất lượng môi trường nước, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát: nghiên cứu vật liệu chế tạo từ hạt Muồng Hoàng Yến kết
hợp nano từ tính để cải thiện môi trường nước thải công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ.
Mục tiêu cụ thể:
- Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học từ cây Muồng Hoàng Yến.
- Phát triển vật liệu keo tụ sinh học với nano từ tính.
- Tối ưu hóa quá trình loại bỏ màu và kim loại nặng ra khỏi nước thải.
1.3. Nội dung nghiên cứu
- Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học Biogum và Biogum cải tiến từ hạt Muồng Hoàng
Yến.
- Nghiên cứu loại bỏ màu trong nước thải dệt nhuộm.
- Nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng (Ni2+, Cu2+, Zn2+) trong nước thải xi mạ.

1


1.4. Tính mới của luận án
- Tìm ra vật liệu thay thế vật liệu sinh học ứng dụng trong cải thiện chất lượng nước
thải và vật liệu sinh học có thể sử dụng được nhiều lần.
- Ứng dụng vật liệu keo tụ sinh học vào quy trình công nghệ nhằm loại bỏ màu và
COD của nước thải dệt nhuộm.

- Ứng dụng vật liệu keo tụ sinh học vào quy trình công nghệ nhằm loại bỏ các ion kim
loại của nước thải xi mạ.
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu là nguồn số liệu khoa học dùng trong nghiên cứu và ứng
dụng.
Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào các đối tượng nước thải có thành phần
và tính chất ô nhiễm tương tự.
Ý nghĩa thực tiễn
Luận án cung cấp những thông tin khoa học cơ bản trong cải thiện chất lượng
nước thải công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ. Kết quả nghiên cứu của luận án tạo tiền đề
ứng dụng vật liệu thân thiện môi trường trong xử lý nước và nước thải trong tương lai.

2


CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1.Tổng quan về vật liệu sinh học
Thuật ngữ Biogum dùng để chỉ gum ly trích từ thực vật, gum được định nghĩa là
những polysaccarit có cấu tạo gồm nhiều đơn vị đường liên kết với nhau tạo thành
những phân tử lớn với thành phần không đồng nhất, khi bị thủy phân gum tạo thành
những đơn vị đường đơn giản như arabinose, galactose, glucozơ, manozơ, xylozơ hay
axit uronic. Gum có nhiều trong tự nhiên và thường được tìm thấy ở các loài thực vật
bậc cao, gum có ưu điểm dễ phân hủy sinh học, chi phí chế tạo thấp, sẵn có trong tự
nhiên và an toàn sinh học (Albuquerque et al., 2016).
Phương pháp chung để chiết tách polysaccarit từ thực vật là phương pháp hòa tan
với các kỹ thuật hòa tan trong nước cất hoặc hòa tan trong dung dịch nước muối 1%
(NaCl, KCl…) hoặc hòa tan trong dung dịch axit axetic 1% (Montakhab, 2010; Pawar,
2011; Nguyễn Kim Phi Phụng, 2010). Sau khi hòa tan, Biogum được kết tủa lại trong
dung môi etanol hoặc axeton. Trong nghiên cứu này phương pháp hòa tan trong nước

cất được sử dụng để ly trích Biogum - chất thu được từ thực vật (Hanif, 2008).
Đồng kết tủa là phương pháp chế tạo hạt nano từ tính đơn giản và hiệu quả nhất
bằng việc điều chỉnh điều kiện thí nghiệm (tác chất hoặc nhiệt độ phản ứng). Với
phương pháp đồng kết tủa: chất gốc là các muối vô cơ như FeCl2, FeCl3, FeSO4…
được hòa tan trong môi trường nước, sau đó được cho phản ứng với dung dịch bazơ
như KOH, NaOH, NH4OH và chất oxi hóa nhẹ… để tạo kết tủa. Sản phẩm kết tủa
được lọc rửa sạch bằng nước cất và được làm khô ở nhiệt độ 40 - 60oC trong chân
không. Các hạt được tổng hợp có kích thước từ vài nanomet đến vài chục nanomet.
Bằng cách thay đổi các yếu tố như tỉ lệ vật liệu ban đầu, trạng thái oxy hóa, pH dung
dịch, lực ion… kích thước hạt có thể được kiểm soát từ 2 - 15nm (Laurent et al.,
2008).
2.2. Các công trình nghiên cứu
Hiện nay có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đã tiến hành ly trích vật liệu
keo tụ có nguồn gốc sinh học từ hạt cây Chùm ngây, Ô môi, Thảo quyết minh (TNkurunziz et al., 2009; Pal et al., 2014; Lea et al., 2014; Malavika, 2010; Eman et al.,
2010; Shak et al., 2014; Subramonian et al., 2014…). Phương pháp ly trích được sử
dụng chủ yếu là ly trích hạt bằng phương pháp hòa tan và kết tủa lại trong dung môi
hữu cơ. Quy trình ly trích gum Muồng Hoàng Yến được thực hiện bằng phương pháp
hòa tan trong nước cất và kết tủa lại gum trong axeton, sản phẩm sau ly trích được ứng
dụng trong xử lý nước.
Yuan Shing Perng et al. (2014) đã nghiên cứu khả năng khử màu của Biogum đối
với nước thải dệt nhuộm áp dụng cho hai phẩm nhuộm hoạt tính RB5 và RB19. Kết
quả chỉ ra rằng điều kiện pH và lượng chất keo tụ có vai trò quan trọng trong quá trình
lắng và việc sử dụng Biogum kết hợp với PAC có thể là một phương pháp hiệu quả
3


trong việc xử lý nước thải màu nhuộm.
Hanif et al. (2008) cũng đã nghiên cứu chi tiết về khả năng của Biogum trong xử
lý nước thải ngành công nghiệp dệt sợi. Kết quả chỉ ra rằng hiệu quả xử lý nước thải
bằng Biogum Muồng Hoàng Yến phụ thuộc vào lượng chất keo tụ cũng như pH của

nước thải. Lượng tối ưu để xử lý nước tốt nhất là 1.500 mg/L.
Kết quả nghiên cứu Rachakornkij et al. (2004) cho thấy chất keo tụ từ tro của bã
mía có khả năng loại bỏ được 5 - 98% màu nhuộm hoạt tính, kết quả đạt được cao nhất
khi tiến hành với nồng độ đầu vào của nước thải là 50 mg/L và ở pH ban đầu của mẫu
nước thải.
Trong khi đó kết quả nghiên cứu của Maruthi et al. (2013) cho thấy sự hấp thụ
sinh học ion kim loại Fe2+ bằng bột hạt Nirmali cho hiệu quả loại bỏ được 30% ion
Fe2+. Theo kết quả nghiên cứu của Harpreet et al. (2015) các chất thải nông nghiệp
gồm rơm, mùn cưa, lõi bắp được sử dụng như chất hấp phụ màu nhuộm, hiệu suất loại
bỏ màu nhuộm đạt được từ 70 - 75%.
Khả năng khử màu từ nước dệt nhuộm nhân tạo của Biogum đã được nghiên cứu
bởi nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước. Kết quả đã chỉ ra hướng ứng dụng chất
keo tụ và trợ keo tụ có nguồn gốc sinh học thân thiện môi trường trong cải thiện chất
lượng môi trường nước và nước thải.
Theo kết quả nghiên cứu của Salehzadeh (2013) cho thấy vật liệu hấp phụ từ tự
nhiên Xanthium Pensylvanicum có hiệu quả trong việc loại bỏ các ion kim loại nặng ra
khỏi nước thải, hiệu quả loại bỏ ion kim loại phụ thuộc vào pH của dung dịch và nồng
độ nước thải đầu vào, ở pH = 4 và nồng độ đầu vào 10 mg/L hiệu suất loại bỏ các ion
kim loại Ni2+, Cu2+, Zn2+ đạt được tương ứng là 80%, 70% và 20%.
Theo kết quả nghiên cứu của Annadurai et al. (2002) vật liệu hấp phụ từ vỏ cam
và vỏ chuối có khả năng hấp phụ các ion kim loại (Ni2+, Cu2+, Zn2+) và khả năng hấp
phụ giảm theo thứ tự sau: Ni2+ > Zn2+ > Cu2+. Kết quả nghiên cứu cho thấy vỏ cam cho
hiệu quả hấp phụ kim loại nặng đạt hiệu quả hấp phụ 6,01 mg/g (Ni2+); 5,25 mg/g
(Zn2+); 3,65 mg/g (Cu2+) cao hơn vỏ chuối 6,88 mg/g (Ni2+); 5,80 mg/g (Zn2+); 4,75
mg/g (Cu2+).
Kết quả nghiên cứu của Liu et al. (2016) cho thấy nanocomposit xanthat Fe3O4chitosan gắn trên nền graphen oxit có khả năng hấp phụ ion Cu2+ cao nhất tại pH ban
đầu của mẫu nước thải với dung lượng hấp phụ đạt 442,48 mg/g. Khả năng hấp phụ
ion Cu2+ của xanthat Fe3O4- chitosan gắn trên nền graphen oxit là do hai nhân tố - nhân
tố thứ nhất là số lượng lớn các nhóm chức (-COO-, -NH2, -CS2-) trên bề mặt phân tử
nanocomposit tạo ra nhiều vị trí hấp thụ, nhân tố thứ hai là số lượng lớn các nhôm

chức (-COO-, -NH2) trên chitosan giúp nanocomposit dễ dàng hút nước và phân tán
trong dung dịch. Xanthat Fe3O4- chitosan gắn trên nền graphen oxit được coi là chất
hấp phụ Cu2+ hiệu quả và tương đối thân thiện với môi trường, dễ phục hồi, thuận tiện
4


để sử dụng trong thực tế.
Đỗ Thị Hoài Thanh và ctv. (2011) đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bột gỗ và
nhựa PP (Polypropylen) đến tính chất Biogum cải tiến gỗ nhựa, các kết quả nghiên
cứu là cơ sở xây dựng quy trình công nghệ và lựa chọn được tỷ lệ gỗ/nhựa phù hợp
cho quá trình tạo vật liệu này, đồng thời đã mở ra các định hướng mới cho nghiên cứu
tiếp theo về Biogum cải tiến.
Kết quả nghiên cứu của Shaoping Tong et al. (2010) cho thấy chất xúc tác Fe3O4CoO/Al2O3 cho phép cải thiện đáng kể hiệu quả ozon hóa trong quá trình phân hủy các
hợp chất hữu cơ như axit propionic, nitrobenzen và axit oxalic có trong nước thải.
Nghiên cứu của Thitame et al. (2016) cũng cho kết quả cải thiện màu nhuộm từ
than hoạt tính được chế tạo từ vỏ hạt hạnh nhân và xơ dừa.
Ngoài ra vật liệu lọc màng cũng được Unlu et al. (2009) nghiên cứu, kết quả cho
thấy màng lọc nano (NF) và màng lọc micro (MF) cải thiện độ màu đạt 99% và COD
đạt được 97%.
Mặc dù Biogum thể hiện khá tốt hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp nhưng có
nhược điểm là không thể thu hồi và tái sử dụng. Ngày nay, khoa học ngày càng phát
triển do đó nhu cầu tìm ra một loại vật liệu sinh học thân thiện với môi trường vừa có
khả năng xử lý hiệu quả vừa có thể thu hồi tái sử dụng rất cần thiết và thiết thực.

5


CHƢƠNG 3. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Phƣơng pháp chung
3.1.1. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu

*

Biogum:
+ Phương pháp điều chế: Ly trích bằng phương pháp hòa tan trong nước cất và tạo
tủa trong dung môi aceton (Bùi Thị Thu Hương, 2017).
- Bước 1: Bóc tách hạt, xay, nghiền, rây bột qua lưới có kích thước lỗ 0,18 mm.
- Bước 2: Loại màu và chất béo bằng thiết bị soxhlet
- Bước 3: Ly tâm để thu gel
- Bước 4: Chưng cất dung dịch sau ly tâm bằng aceton
- Bước 5: Thu sản phẩm
+ Sản phẩm thu được: Vật liệu Biogum

*Biogum cải tiến:
 Phương pháp điều chế (Thân Văn Long và ctv., 2017):
- Bước 1: Tổng hợp hạt Nano từ tính
- Bước 2: Làm giàu –OH trên hạt Nano từ tính
- Bước 3: Tổng hợp vật liệu Biogum cải tiến
3.1.2. Bố trí thí nghiệm trên thiết bị Jartest
Mục tiêu: Xác định pH và nồng độ sử dụng vật liệu tối ưu trên các đối tượng
nước thải nghiên cứu.
Sơ đồ thí nghiệm:

6


Nước
thải
Chưa đạt
- Đo pH; phân tích màu
và COD

- Xác định pH, lượng
chất keo tụ tối ưu

Jartest
Đạt
Áp dụng các
thông số tối ưu

- Đo pH; màu, COD
- Xác định pH, lượng tối ưu

Pilot

Đạt

Chưa đạt

Xác định lại các
thông số tối ưu ở
bước khuấy Jartest

Áp dụng
thực tế

Hình 3.1: Thí nghiệm với nước thải dệt nhuộm trên thiết bị Jartest và Pilot
3.1.3. Bố trí thí nghiệm trên thiết bị Pilot
Mục tiêu: Ứng dụng các thông số vận hành nghiên cứu trên thiết bị Jartest vào
thực tiễn.
Sơ đồ thí nghiệm:

7


Nước
thải
Chưa đạt

- Đo pH; kim loại
- Xác định pH, lượng
chất keo tụ tối ưu

Jartest
Đạt
Áp dụng các
thông số tối ưu
- Đo pH; phân tích kim
loại
- Xác định pH, lượng tối
ưu

Pilot

Đạt

Chưa đạt
Xác định lại các
thông số tối ưu ở
bước khuấy Jartest

Áp dụng

thực tế

Hình 3.2: Thí nghiệm với nước thải dệt nhuộm trên thiết bị Jartest và Pilot
3.2. Xử lý số liệu.
Số liệu thu thập được xử lý và tính toán bằng chương trình Microsoft Excel và
phân tích thống kê bằng phần mềm phân tích thống kê SPSS version 16.0.

8


CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Kết quả ứng dụng vật liệu Biogum và Biogum cải tiến cải thiện chất lƣợng
nƣớc thải dệt nhuộm
Nghiên cứu được thực hiện khi cố định giá trị pH tối ưu và thay đổi liều lượng
Biogum sử dụng, đối với nước thải dệt nhuộm RR lượng Biogum khảo sát từ 0,75 g/L
đến 1,35 g/L. Với nước thải NMDN thay đổi lượng Biogum từ 0,9 g/L đến 2,1 g/L.

Hình 4.1: Xác định liều lượng tối ưu của Biogum trên nước thải RR

Hình 4.2: Xác định liều lượng tối ưu của Biogum trên nước thải NMDN

9


Kết quả nghiên cứu từ Hình 4.1 và 4.2 cho thấy hiệu suất loại màu và COD khi
sử dụng vật liệu Bigoum loại màu của nước thải RR đạt 91,20%; nước thải NMDN đạt
82,30%, trong khi COD đạt 72,66 cho nước thải RR và 78,92% cho nước thải NMDN.
Tiến hành khảo sát xung quanh lượng này tại pH tối ưu (pH ban đầu của mẫu
nước) để xác định lượng Biogum cải tiến tối ưu cho các mẫu nước thải.

”

0

Hình 4.3: Xác định liều lượng tối ưu của Biogum cải tiến trên nước thải RR

Hình 4.4: Xác định liều lượng tối ưu của Biogum cải tiến trên NMDN
Kết quả nghiên cứu cho thấy khi độ màu giảm, COD cũng giảm theo hiệu suất
loại bỏ COD của các mẫu nước thải RR, NMDN đều đạt trên 95,13%. So với Biogum,
Biogum cải tiến cho hiệu quả cải thiện chất lượng nước tốt hơn.

10


4.2. Kết quả ứng dụng vật liệu Biogum và Biogum cải tiến cải thiện chất lƣợng
nƣớc thải xi mạ
Giữ pH ban đầu của các mẫu nước thải (pH tối ưu), thay đổi lượng Biogum từ
0,4 - 2 g/L đối với nước thải xi mạ giả định và 1,6 – 4,8 g/L đối với mẫu NMXM.

Hình 4.5: Xác định liều lượng tối ưu Biogum trên nước thải xi mạ giả định

Hình 4.6: Xác định liều lượng tối ưu Biogum cải tiến trên NMDN
Kết quả nghiên cứu xác định được thông số tối ưu của Biogum cho các mẫu nước
giả định là pH = 5 và lượng Biogum bằng 0,8 g/L đối với mẫu Cu2+ và Zn2+, bằng 1,6
g/L đối với mẫu Ni2+ với hiệu suất loại bỏ kim loại là 79,26% (Ni2+); 83,11% (Cu2+);
82,96% (Zn2+). Kết quả nghiên cứu nước thải nhà máy cho thấy 2,4 g/L Biogum loại
bỏ tối đa 58,91% ion Ni2+; 4 g/L Biogum loại bỏ được 71,78% ion Cu2+; 3,2 g/L
Biogum loại bỏ được 78,06% ion Zn2+. Từ đó xác định lượng thích hợp để loại bỏ từng
ion kim loại cho các mẫu nước thải với thành phần ô nhiễm khác nhau.
Nghiên cứu trên đối tượng nước thải xi mạ giả định có nồng độ đầu vào 25 mg/L,

biến thiên lượng Biogum cải tiến từ 0,25 g/L đến 0,75 g/L, nghiên cứu trên đối tượng
nước thải NMXM, biến thiên lượng Biogum cải tiến từ 0,5 g/L đến 1,125 g/L.
11


Hình 4.7: Xác định liều lượng tối ưu Biogum cải tiến trên nước thải xi mạ giả định

Hình 4.8: Xác định liều lượng tối ưu Biogum cải tiến trên nước thải xi mạ XMNM
Kết quả nghiên cứu từ Hình 4.7 cho thấy ở liều lượng tối ưu, Biogum cải tiến cải
thiện ion kim loại của nước thải giả định đạt cao nhất với ion đồng 97,17%, ion kẽm
đạt 94,97% và thấp nhất là ion niken 92,93%. Khi nghiên cứu trên nước thải xi mạ nhà
máy, kết quả từ Hình 4.8 cho thấy Biogum cải tiến đạt hiệu suất loại bỏ cao nhất với
ion kẽm đạt 94,92% sau đó là ion đồng đạt 94,51% và thấp nhất là ion niken đạt
89,10%. Qua đó cho thấy hiệu suất cải thiện chất lượng nước của Biogum cải tiến đạt
hiệu quả các ion kim loại trên nước thải nhà máy đạt từ 89,10 - 94,92% thấp hơn nước
thải giả định đạt từ 92,93 - 97,17%. Kết quả có thể giải thích do trong nước thải nhà
máy chứa nhiều thành phần ô nhiễm dẫn đến vật liệu Biogum ngoài hấp phụ kim loại
nặng còn hấp phụ các thành phần ô nhiễm khác, dẫn đến hiệu suất cải thiện giảm đáng
kể.

12


4.3. Khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu Biogum cải tiến
Trên nƣớc thải dệt nhuộm
Kết quả Hình 4.9 và 4.10 cho thấy hoạt tính keo tụ giảm không đáng kể sau 3 lần
thu hồi và tái sử dụng. Nghiên cứu cho thấy vật liệu Biogum cải tiến sau khi thu hồi và
sử dụng lại để cải thiện độ màu của nước thải dệt nhuộm cũng thu được kết quả đáng
khả quan, qua nghiên cứu cho thấy hiệu suất loại bỏ màu nước thải RR đạt 93,27% và
đạt 92,50% cải thiện độ màu của nước thải NMDN sau lần thu hồi lần 3. Qua đó cho

thấy khi so sánh với các chất keo tụ truyền thống, Biogum cải tiến có ưu điểm vừa giữ
được đặc tính keo tụ của Biogum vừa tạo ra bông cặn có từ tính do đó dễ dàng tách các
bông cặn ra khỏi dung dịch bằng từ trường của nam châm đồng thời tăng hiệu quả xử
lý bùn do thu hồi triệt để và bùn lắng rất nhanh làm giảm thể tích bể chứa do thời gian
lắng thấp dẫn đến giảm chi phí xây dựng và vận hành, từ đó tăng H% thu hồi bùn triệt
để và tăng lắng nhanh.

Hình 4.9: Hiệu suất loại màu của Biogum cải tiến sau các lần thu hồi trên nước thải
RR

Hình 4.10: Hiệu suất loại màu và COD của Biogum cải tiến sau các lần thu hồi trên
nước thải NMDN
Chú thích: CTH1, CTH2, CTH3, CTH4, CTH5: sử dụng Biogum cải tiến thu hồi lần 1, 2, 3,
4, 5

Hiệu suất loại màu của PAC, Biogum và Biogum cải tiến đạt được lần lượt là
13


99,97%; 91,20%; 99,97% (RR) và 94,10%; 82,30%; 99,03% (NMDN). Hiệu suất loại
COD của PAC, Biogum và Biogum cải tiến đạt được lần lượt là 91,33%; 72,66%;
96,00% (RR) và 78,14%; 78,92%; 95,13% (NMDN).
Trên nƣớc thải xi mạ
Kết quả nghiên cứu từ Hình 4.11 cho thấy khả năng cải thiện chất lượng nước
thải xi mạ của Biogum cải tiến thu hồi sử dụng 0,5 g/L Biogum cải tiến trên mẫu nước
Cu2+, Zn2+ và 0,375 g/L Biogum cải tiến trên mẫu nước Ni2+, kết quả nghiên cứu cho
thấy đến lần thu hồi thứ 3, hàm lượng ion Zn2+ còn lại vào khoảng 5,83 mg/L với hiệu
suất đạt 76,69%; hàm lượng ion Cu2+ còn lại vào khoảng 5,82 mg/L với hiệu quả đạt
76,73%; hàm lượng ion Ni2+ còn lại vào khoảng 5,91 mg/L với hiệu suất đạt 76,37%.
Vậy Biogum cải tiến có thể thu hồi và tái sử dụng 3 lần trên mẫu nước thải xi mạ

nghiên cứu.

Hình 4.11: Hiệu suất loại bỏ kim loại của Biogum cải tiến ở các lần thu hồi
So sánh với kết quả nghiên cứu của Liu et al. (2016) cho thấy khả năng hấp phụ
của vật liệu nanocomposit xanthat Fe3O4-Chitosan trên nền graphen oxit cho hiệu quả
thu hồi và tái sử dụng sau 5 lần. Tuy nhiên khi so sánh với nghiên cứu của Suman et
al. (2016) cho thấy hiệu suất loại bỏ ion kim loại Pb2+ và Cr3+ của nanocomposit
(nanocenlulozơ - nano bạc) giảm không đáng kể sau 5 lần thu hồi và tái sử dụng. Khả
năng hấp phụ Pb2+ giảm từ 99,48% xuống 98% và khả năng hấp phụ Cr3+ giảm từ
98,30% xuống 97,80%. Qua đó cho thấy Biogum cải tiến cho hiệu quả thấp hơn
nghiên cứu của Liu et al. (2016). Vậy để tăng hiệu quả cải thiện của vật liệu thu hồi
cần nghiên cứu các điều kiện tối ưu khi sử dụng lại vật liệu.
4.4. Khả năng phân hủy sinh học của vật liệu Biogum
Khả năng phân hủy sinh học của Biogum được đánh giá bằng cách khảo sát độ
giảm khối lượng của Biogum. Kết quả nghiên cứu độ giảm khối lượng của Biogum từ
Hình 4.12 cho thấy Biogum có độ giảm khối lượng sau 15 ngày có thể do vi sinh vật
14


sử dụng Biogum làm chất dinh dưỡng trong quá trình phát triển và một phần do quá
trình tự phân hủy Biogum theo nguyên tắc bán phân hủy theo thời gian.

Hình 4.12: Hiệu suất giảm khối lượng của Biogum theo thời gian
Kết quả nghiên cứu cho thấy Biogum khi cho vào nước cất sau 15 ngày giảm
55,83% khối lượng so với ban đầu, cho vào nước thải dệt nhuộm sau 15 ngày giảm
35,98% khối lượng so với ban đầu, cho vào nước thải xi mạ (Cu2+) sau 15 ngày giảm
30,55% khối lượng so với ban đầu. Từ đó cho thấy Biogum có khả năng phân hủy
trong môi trường nước tự nhiên và môi trường nước nghiên cứu.
Từ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy Biogum vừa có khả năng phân hủy sinh
học trong môi trường nước vừa có khả năng cải thiện các chất ô nhiễm, kim loại nặng,

màu, COD trong nước thải do khả năng hấp phụ của Biogum.
4.5. Cấu trúc vật liệu Biogum và Biogum cải tiến
4.5.1. Cấu trúc vật liệu Biogum
Kết quả nghiên cứu từ Hình 4.13 cho thấy phổ hấp thu bước sóng hồng ngoại có
sự dao động mạnh tại tần số 3425,5 cm-1 và vùng 980 - 1200 cm-1, đây là những dao
động giãn đặc trưng của nhóm -OH và các nhóm C-OH, C-O (Cerqueira et al., 2011),
từ đó xác nhận cấu tạo của Biogum chứa nhiều nhóm nhóm chức -OH. Các nhóm -OH
là cầu nối hình thành các liên kết hóa học giữa Biogum với chất ô nhiễm giúp Biogum
có khả năng keo tụ và loại bỏ chất ô nhiễm.

15


FT-IR

Gum

100

Transmittance (%)

95

90

85

80

75

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

Wavenumber (cm-1)

Hình 4.13: Kết quả FT-IR của Biogum
Kết quả nghiên cứu của Kapoor (2000) về galactomannan trích ly từ hạt thực vật
chi Cassia cho thấy galactomannan có cấu trúc gồm mạch chính là các phân tử đường
β-D-mannozơ liên kết với nhau bằng liên kết (1→4) glycosid và mạch nhánh là các
đường α-D-galactozơ liên kết với mạch chính bằng liên kết (1→6) glycosid. Kết quả
phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR của Biogum (Hình 4.15) cho thấy các
tín hiệu cacbon trong Biogum nghiên cứu tương đồng với các tín hiệu cacbon của tác
giả Kapoor (Hình 4.14), từ đó xác định thành phần hoạt tính trong Biogum là
galactomannan.
Từ kết quả phân tích dữ liệu phổ hồng ngoại FT-IR (Hình 4.13) và kết quả phân
tích phổ 13C-NMR (Hình 4.14) của Biogum cho thấy sự có mặt của nhóm chức -OH
trong Biogum, kết quả một lần nữa xác nhận Biogum trong hạt Muồng Hoàng Yến là

galactomannan.

Hình 4.14: Phổ 13C-NMR của Biogum hạt Cassia nodosa (Kapoor, 2000)

16


Hình 4.15: Phổ 13C-NMR của Biogum hạt Muồng Hoàng Yến
Theo kết quả nghiên cứu của Tegshi Muschin (2012); Verma et al. (2012) cơ chế
keo tụ của Biogum được giải thích là do sự hình thành liên kết giữa các nhóm -OH
phân cực trên phân tử galactomannan của Biogum với các cặp electron trên nguyên tử
Nitơ hoặc electron của vòng benzen trong phân tử chất ô nhiễm để tạo thành các
bông cặn lớn và được loại bỏ nhờ trọng lực. Theo kết quả nghiên cứu của Srivastava et
al. (2005), khi cho Biogum vào trong nước thải chứa các ion kim loại, các nhóm cis OH của Biogum sẽ kết hợp với các ion kim loại này để hình thành hợp chất phức
không tan dẫn đến các ion kim bị loại ra khỏi nước.

Hình 4.16: Ảnh SEM của Biogum ly trích từ hạt Muồng Hoàng Yến
Kết quả chụp ảnh SEM (Hình 4.16) cho thấy Biogum ly trích từ hạt Muồng
Hoàng Yến là chất bột vô định hình với bề mặt gồ ghề. Từ kết quả nghiên cứu thành
phần và cấu trúc được hiển thị trên Hình 4.16 cho thấy bề mặt gồ ghề, lồi lõm của vật
liệu có thể dự đoán Biogum có khả năng loại bỏ cation kim loại nặng, chất màu và các
chất hữu cơ khác có trong nước thải bằng hấp phụ bề mặt.
4.5.2. Cấu trúc vật liệu Biogum cải tiến
Với mục đích đánh giá cấu trúc và thành phần của Biogum cải tiến các phương
pháp nhiễu xạ tia X (XRD), SEM, phổ hồng ngoại (FT-IR), phương pháp đo độ từ hóa
17


bằng từ kế mẫu rung (VSM) được sử dụng. Cấu trúc của hạt nano từ tính CoFe 2O4
điều chế được kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), SEM và phổ hồng

ngoại (FT-IR), tính chất từ được kiểm tra bằng từ kế mẫu rung (VSM).

Hình 4.17: Giản đồ phổ FT-IR của (a) hạt nano; (b) Biogum sinh học trích ly từ hạt
Muồng Hoàng Yến; (c) vật liệu Biogum cải tiến CoFe2O4 - Biogum
Giản đồ Hình 4.17 phù hợp với kết quả nghiên cứu của Pui (2011). Theo kết quả
nghiên cứu của Gherca (2011) và Pui (2011), kết quả nghiên cứu này cho thấy hai
nhóm dao động mạnh tại khoảng 409 cm-1 và trong khoảng 594 cm-1 tương ứng với
dao động mạnh bên trong của hợp chất có cấu trúc tứ diện phối hợp với bát diện trong
cấu trúc spinel. Sự khác nhau trong độ truyền qua giữa các đặc tính dao động có thể
được cho là độ dài liên kết của oxy với các ion kim loại trong các lỗ trống bát diện
ngắn hơn độ dài liên kết của oxy với các ion kim loại trong lỗ trống tứ diện.
Tập hợp hạt CoFe2O4 có kích thước nano mét nên diện tích bề mặt riêng lớn,
phân tán tốt do đó có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải nhờ khả năng hấp phụ
các ion kim loại, các chất hữu cơ, các chất màu… Mặt khác các hạt CoFe 2O4 từ tính
rất dễ thu hồi và tái sử dụng lại sau quá trình hấp phụ nhờ từ trường ngoài, phương
pháp tổng hợp đơn giản. Việc có thể tách ra bằng từ trường ngoài tạo điều kiện thuận
lợi trong quá trình điều chế, tách cũng như tái sử dụng vật liệu, đảm bảo tính kinh tế
vừa tiết kiệm được thời gian.
Biogum cải tiến là vật liệu dạng bột màu đen và có từ tính được điều chế bằng
phương pháp đồng kết tủa và sử dụng chất hoạt động bề mặt sodium dodecyl sulfat.
Kết quả phân tích phổ hồng ngoại mẫu Biogum cải tiến (Hình 4.17) cho thấy sự hiện
diện của các pic đặc trưng của hạt nano từ tính gồm các dao động tại tần số 586 và 412
cm-1 đặc trưng cho dao động liên kết kim loại với oxy nằm trong phổ của Biogum cải
18


tiến. Và sự có mặt các pic tại tần số 1134 và 983 cm-1 đặc trưng cho các liên kết tương
ứng gồm C-O, C-O-H.

Hình 4.18: Đường cong từ trễ của hạt CoFe2O4 và vật liệu Biogum cải tiến (BiogumCoFe2O4)

Ghi chú: - a. Nano. - b. Biogum

Đường cong từ trễ của hạt nano từ tính CoFe2O4 và vật liệu Biogum cải tiến
(Hình 4.18) cho thấy có sự giảm rõ rệt từ độ bão hòa của vật liệu khi kết hợp Biogum
sinh học với hạt nano CoFe2O4. Khi có mặt của Biogum sinh học, từ tính của vật liệu
tổng hợp giảm đi đáng kể (từ 65 emu/g còn 25 emu/g). Sự bao phủ của Biogum lên hạt
nano còn làm giảm lực kháng từ của vật liệu, từ 208 Oe lực kháng từ giảm còn 115
Oe.
Giản đồ phân tích nhiệt TGA (Hình 4.19) cho thấy vật liệu Biogum cải tiến tổng
hợp được thay đổi khối lượng trong 3 khoảng nhiệt độ chính, gồm khoảng 63 - 150oC;
200 - 250oC và 317 - 400oC. Khi nung đến khoảng 150oC, khối lượng giảm đi 5,54%;
nguyên nhân có thể là do sự bốc hơi nước của các phân tử nước hấp phụ trên bề mặt và
sự bẻ gãy liên kết của nước hóa học trong vật liệu. Giai đoạn thứ 2, với nhiệt độ
khoảng 200 - 250oC khối lượng của mẫu giảm 6,37%, có thể giải thích là do sự khử
các gốc -OH trên cấu trúc spinel và sự phân hủy dưới tác dụng nhiệt của các phân tử
Biogum được gắn lên bề mặt hạt CoFe2O4. Giai đoạn cuối cùng 400 - 600oC, độ giảm
khối lượng là 4,6%, tại giai đoạn này Biogum trên bề mặt hạt CoFe2O4 tiếp tục bị phân
hủy vì nhiệt và sự hình thành pha tinh thể kim loại liên kết với oxy. Trên giản đồ TGA
không có sự giảm khối lượng đáng kể khi tăng nhiệt độ đến 850 oC, điều này cho thấy
tại giá trị nhiệt độ này các hạt tinh thể đã hình thành hoàn toàn và tinh khiết (Hasxhim
et al., 2013).

19


Hình 4.19: Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu Biogum cải tiến

Hình 4.20: Hình Biogum cải tiến bị hút bởi từ tính nam châm
Ghi chú: (a) Dung dịch chứa vật liệu Biogum cải tiến cốt hạt nano từ tính, (b) Vật liệu Biogum cải tiến
cốt hạt nano từ tính được lắng bằng nam châm và (c) sau khi lấy nam châm ra

a

b

Hình 4.21: Hình (a) PAC và (b) Biogum không bị hút bởi từ nam châm
Kết quả nghiên cứu cho thấy Biogum cải tiến bị hút bởi từ tính nam châm về một
phía trong khi Biogum và PAC không bị ảnh hưởng gì của lực từ Hình 4.21, qua đó có
thể tiến hành khảo sát khả năng cải thiện chất lượng nước của vật liệu biogum cải tiến
sau khi thu hồi và tái sử dụng của vật liệu này.

20


CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
5.1. Kết luận
Kết quả đề tài “Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học chế tạo từ hạt Muồng
Hoàng Yến (Cassia fistal L.) để cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp” có kết
quả vật liệu keo tụ sinh học Biogum và Biogum cải tiến cho kết quả cải thiện chất
lượng nước thải công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ cụ thể như sau:
Với nước thải dệt nhuộm
Nghiên cứu cải thiện chất lượng nước thải dệt nhuộm giả định RR (reactive red
3BS) và nước thải NMDN (nhà máy dệt nhuộm) cho thấy PAC, Biogum và Biogum
cải tiến đều cho kết quả đạt hiệu suất loại màu cao, với hiệu suất loại bỏ màu của nước
thải RR đạt 99,97% khi sử dụng vật liệu PAC, 91,20% khi sử dụng Biogum và 99,97%
khi sử dụng vật liệu Biogum cải tiến. Mặt khác khi khảo sát trên đối tượng nước thải
NMDN, hiệu suất loại bỏ màu của PAC đạt 94,10%, Biogum đạt 82,30% và Biogum
cải tiến đạt 99,03%. Mặt khác khi ứng dụng các thông số tối ưu pH và liều lượng đã
xác định từ thiết bị Jartest vào vận hành trên thiết bị Pilot, kết quả nghiên cứu cho thấy
Biogum cải tiến đạt hiệu suất loại bỏ màu cao hơn PAC và Biogum, đạt hiệu suất loại

bỏ màu cao hơn 94%.
Với nước thải xi mạ
Khi nghiên cứu cải thiện chất lượng nước thải xi mạ Ni2+, Cu2+ và Zn2+, kết quả
nghiên cứu cho thấy hiệu quả loại bỏ ion kim loại PAC đạt thấp nhất và cao nhất là
Biogum cải tiến trên cả hai đối tượng nước thải xi mạ giả định và nhà máy. PAC cho
hiệu xuất loại bỏ ion kim loại giả định đạt cao nhất với Cu2+ (68,93%) trong khi
Biogum đạt thấp nhất với nước thải Ni2+ (79,26%) và cao nhất với nước thải Cu2+
(83,11%). Trong khi đó hiệu suất loại bỏ ion kim lại của Biogum cải tiến đạt rất cao
Ni2+ (92,93%) ; Cu2+ (97,17%) và Zn2+ (94,97%). Kết quả cho thấy Biogum và
Biogum cải tiến cho hiệu suất cải thiện chất lượng nước thải xi mạ giả định cao nhất,
đồng nghĩa với hiệu quả xử lý tốt nhất.
Mặt khác khi nghiên cứu hiệu quả loại bỏ ion kim loại trên nước thải NMXM,
kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu PAC cho hiệu suất loại bỏ ion kim loại đạt cao
nhất đối với ion Zn2+ (58,73%). Vật liệu Biogum đạt hiệu suất loại bỏ cao hơn và đạt
cao nhất với ion Zn2+ (78,06%) trong khi đó Biogum cải tiến đạt hiệu suất loại bỏ ion
kim loại cao nhất so với PAC và Biogum, Ni 2+ đạt 89,10%, Cu2+ đạt 94,51% và Zn2+
đạt 94,92%. Kết quả cho thấy Biogum và Biogum cải tiến cho hiệu quả cải thiện chất
lượng nước thải xi mạ Cu, Zn và Ni đạt hiệu suất cao hơn nhiều so với vật liệu đối
chứng PAC. Và thực tế khi khảo sát vận hành nước thải xi mạ giả định trên thiết bị
Pilot, kết quả nghiên cứu cho thấy Biogum cho hiệu suất loại bỏ cao nhất đối với Ni 2+
(98,88%) trong khi Biogum cải tiến đạt cao nhất cũng với Ni2+ (99,15%). Mặt khác khi
vận hành với nước thải NMXM cho hiệu quả thấp hơn nước thải giả định, Biogum đạt
21


hiệu suất cao nhất với ion kim loại Cu2+ đạt 63,87% trong khi Biogum cải tiến đạt
hiệu suất cao nhất với ion Zn2+ 95,06%. Kết quả nghiên cứu xác định Biogum và
Biogum cải tiến có tiềm năng cải thiện tốt với nước thải xi mạ đồng và kẽm trong các
loại xi mạ nghiên cứu.
Với kết quả nghiên cứu thấy Biogum cải tiến có tiềm năng thay thế vật liệu có

nguồn gốc hóa học như PAC trong công nghệ xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm
và xi mạ.
Khả năng thu hồi và tái sử dụng vật liệu Biogum cải tiến
Vật liệu sử dụng trong cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp thông thường
tan trong nước, do đó khó thu hồi sau khi sử dụng. Với Biogum cải tiến là sự kết hợp
của oxit sắt từ và Biogum sinh học vừa có khả năng cải thiện chất lượng nước thải mặt
khác rất dễ thu hồi sau khi sử dụng, dựa vào tính từ của oxit sắt có thể thu hồi dễ dàng
bằng nam châm. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu sau khi thu hồi và tái sử dụng
ngay sau thu hồi đạt hiệu suất loại màu đạt trên 92,50% sau lần thu hồi và tái sử dụng
lần 3.
Tóm lại, kết quả nghiên cứu cho thấy Biogum cải tiến vật liệu có nguồn gốc sinh
học có khả năng thu hồi và tái sử dụng lại cho hiệu suất loại bỏ màu của nước thải dệt
nhuộm cũng như ion kim loại trong nước thải xi mạ. Qua đó có thể khẳng định tiềm
năng của vật liệu và cần nghiên cứu ứng dụng vào quy trình xử lý nước thải thực tế, từ
đó góp phần vào bảo vệ môi trường ngày càng bền vững.
5.2. Đề xuất
Về vật liệu nghiên cứu tương tự, đề xuất nghiên cứu vật liệu Biogum và Biogum
cải tiến từ các loại hạt và cây có tính chất tương tự Muồng Hoàng Yến như xương
rồng, bột mì, vỏ cam, vỏ bưởi, có thể chế tạo làm vật liệu cải thiện chất lượng nước và
thân thiện môi trường.

22


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
1. Dao Minh Trung, Tran Thi Thanh Ngoc, Nguyen Thi Thao Tran, Ngo Kim Dinh,
Nguyen Vo Chau Ngan (2016). Natural auxiliary coagulants – perspectives for the
treatment of textile westwater. J.Viet.Env.2016, Vol. 8, No. 3, pp 190 – 194. ISSN: 2193 6471.
2. Đào Minh Trung, Nguyễn Võ Châu Ngân, Ngô Kim Định (2016). Hiệu quả xử lý nước
thải dệt nhuộm của chất trợ keo tụ hóa học và sinh học. Tạp chí Khoa Học Trường Đại

Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh. Số 9 (87)/2016, tr 127 - 137. ISSN: 1859 – 3100.
3. Đào Minh Trung, Bùi Thị Thu Hương, Nguyễn Võ Châu Ngân (2016). Ứng dụng chất
trợ keo tụ sinh học trong cải thiện chất lượng nước thải thủy sản. Tạp chí Khoa Học
Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh. Số 6 (84)/2016, tr 134 -146. ISSN:
1859 – 3100.
4. Đào Minh Trung, Bùi Thị Thu Hương, Ngô Kim Định và Nguyễn Võ Châu Ngân
(2016). Hiệu quả cải thiện chất lượng nước thải chế biến thủy sản bằng một số chất trợ keo
tụ chiết xuất từ thực vật. Tạp chí Phát triển khoa học và Công nghệ, Đại Học Quốc Gia
Thành Phố Hồ Chí Minh. Tập 19, Số T6-2016, tr 265- 277. ISSN: 1859 - 0128.
5. Đào Minh Trung, Nguyễn Võ Châu Ngân (2017). Đánh giá chất lượng nước thải xi
mạ đồng (Cu2+) của chất keo tụ sinh học trích ly từ hạt muồng hoàng yến (biogum). Tạp
chí Khoa Học Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh. Số T2 - 2017, tr 101 –
110. ISSN: 1859 – 3100.
6. Đào Minh Trung, Nguyễn Võ Châu Ngân, Nguyễn Xuân Dũ, Lê Văn Huỳnh, Ngô
Kim Định (2017). Nghiên cứu xử lý tách ion Cu2+ từ nước thải mạ đồng bằng GumHYCoFe2O4 (Biogum cải tiến). Tạp chí xúc tác và Hấp phụ Việt Nam, Hội xúc tác và Hấp
phụ Việt Nam. Số T6 - No4/2017, tr 117 - 120. ISSN: 0866 - 7411.

23