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

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA MÔI TRƢỜNG & TNTN
-oOo-

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

ĐÀO MINH TRUNG

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, Năm 2018


TÓM TẮT
Nghiên cứu cải thiện chất lƣợng nƣớc thải dệt nhuộm và nƣớc thải xi mạ dựa
trên hai loại vật liệu keo tụ có nguồn gốc sinh học gồm Biogum (vật liệu ly
trích từ thực vật) và Biogum cải tiến (vật liệu kết hợp giữa nano oxit sắt từ với
Biogum) có khả năng thu hồi bằng nam châm và tái sử dụng. Các thí nghiệm
đƣợc tiến hành trên mô hình Jartest và mô hình Pilot để khảo sát khả năng loại
bỏ màu của nƣớc thải dệt nhuộm và loại bỏ ion kim loại trong nƣớc thải xi mạ,
trong đó bố trí nghiệm thức với vật liệu keo tụ hóa học PAC làm đối chứng.
Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất loại màu và COD trong nƣớc thải
nhuộm của vật liệu Biogum đạt đƣợc tƣơng ứng là 91,20% và 72,66% (RR);
82,30% và 78,92% (NMDN) và hiệu suất loại bỏ các ion kim loại Ni2+, Cu2+,
Zn2+ trên nƣớc thải giả định của Biogum đạt đƣợc lần lƣợt là 79,26%; 83,11%;
82,96%, trên nƣớc thải nhà máy xi mạ lần lƣợt là 58,91%; 71,78%; 78,06%.

Mặc dù có hiệu quả loại bỏ màu và kim loại nặng cao nhƣng Biogum khó thu
hồi do quá trình hòa tan và phân hủy, kết quả nghiên cứu cho thấy sau 15 ngày
Biogum phân hủy khoảng 55,83% trong nƣớc, do đó nghiên cứu cải tiến
Biogum rất quan trọng cho việc tái sử dụng nguồn vật liệu sinh học này.
Kết quả thí nghiệm với Biogum cải tiến cũng cho thấy khả năng cải thiện chất
lƣợng môi trƣờng nƣớc thải công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ. Hiệu quả loại bỏ
màu, COD tƣơng ứng lần lƣợt là 99,97% và 96% (RR); 99,03% và 95,13%
(NMDN); trong khi hiệu quả cải thiện kim loại nặng Ni2+, Cu2+, Zn2+ tƣơng
ứng đạt đƣợc là 92,93%; 97,17%; 94,97% (nƣớc giả định) và 89,10%;
94,51%; 94,92% (NMXM). Tính khả thi khi tái sử dụng vật liệu Biogum cải
tiến cho thấy qua kết quả sau: sau lần thu hồi 2 và 3 hiệu suất loại màu đạt
đƣợc là 96,60% và 93,27% (đối với mẫu nƣớc thải RR có độ màu 1052
Pt/Co); 96,73% và 92,50% (đối với mẫu nƣớc thải NMDN có độ màu 1378 PtCo). Với nƣớc thải xi mạ hiệu quả cải thiện kim loại sau lần thu hồi 2 và 3 đạt
lần lƣợt 82,49% và 76,37% (Ni2+); 81,72% và 76,73% (Cu2+); 83,79% và
76,69% (Zn2+).
Khi so sánh với chất keo tụ hóa học PAC, với nƣớc thải dệt nhuộm giả định
RR, vật liệu Biogum cải tiến cho hiệu suất loại màu tốt hơn PAC. Hiệu suất
loại màu PAC, Biogum và Biogum cải tiến tƣơng ứng là 99,97% (RR);
91,20% (RR); 99,97% (RR); và 94,10% (NMDN); 82,30% (NMDN); 99,03%
(NMDN) cho thấy Biogum cải tiến đạt hiệu suất loại màu cao hơn PAC và
Biogum. Bên cạnh đó khi vận hành trên mô hình Pilot, PAC, Biogum cải tiến
cho kết quả cao hơn Biogum, kết quả loại màu RR và NMDN tƣơng ứng đạt
đƣợc nhƣ sau: 94,64% và 94,04% (Biogum cải tiến); 92,77% và 93,83%

i


(Biogum); 94,90% và 93,83% (PAC). Đối với nƣớc thải xi mạ Ni2+, Cu2+,
Zn2+, kết quả nghiên cứu cho thấy Biogum cải tiến cho hiệu quả cao nhất,
Biogum và PAC cho hiệu quả cải thiện thấp hơn, tƣơng ứng là Biogum cải

tiến (92,93% Ni2+; 97,17% Cu2+; 94,97% Zn2+); Biogum (79,26% Ni2+;
83,11% Cu2+; 82,96% Zn2+) và PAC (59,77% Ni2+; 68,93% Cu2+; 66,13%
Zn2+). Khi khảo sát trên mô hình Pilot cũng cho kết quả tƣơng tự, Biogum cải
tiến cho hiệu quả cải thiện tốt nhất, kết quả thu đƣợc tƣơng ứng với 3 ion kim
loại Ni2+, Cu2+ và Zn2+ trong mẫu nƣớc thải giả định nhƣ sau: Biogum cải tiến
(99,15% Ni2+; 91,88% Cu2+; 86,97% Zn2+), Biogum (98,88% Ni2+; 89,45%
Cu2+; 86,37% Zn2+).
Các kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu có nguồn gốc sinh học Biogum và
Biogum cải tiến có đặc tính cải thiện chất lƣợng nƣớc tƣơng tự nhƣ vật liệu
hóa học PAC. Bên cạnh Biogum có khả năng tự phân hủy sinh học không gây
tồn dƣ hóa chất trong môi trƣờng tự nhiên; Biogum cải tiến có thể thu hồi và
tái sử dụng khi sử dụng cải thiện chất lƣợng nƣớc thải. Kết quả nghiên cứu mở
ra hƣớng tiếp cận mới khi sử dụng vật liệu có nguồn gốc sinh học để cải thiện
chất lƣợng môi trƣờng nƣớc theo hƣớng thân thiện môi trƣờng và phát triển
bền vững trong tƣơng lai.

ii


MỤC LỤC
TÓM TẮT.......................................................................................................... i
ABSTRACT..................................................................................................... iii
MỤC LỤC ........................................................................................................ v
LỜI CẢM ƠN................................................................................................ viii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... x
DANH MỤC BẢNG........................................................................................ xi
DANH MỤC HÌNH ...................................................................................... xiii
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU............................................................................. 1
1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 1

1.2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................. 2
1.2.1. Mục tiêu tổng quát ................................................................................... 2
1.2.2. Mục tiêu cụ thể ......................................................................................... 2
1.3. Nội dung nghiên cứu................................................................................. 2
1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................... 3
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................. 3
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 3
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................. 3

1.5.1. Ý nghĩa khoa học...................................................................................... 3
1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn ...................................................................................... 4
CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU......................................................... 5

2.1. Tổng quan về keo tụ.................................................................................. 5
2.1.1. Bản chất của các hạt keo trong nước ...................................................... 5
2.1.2. Cơ chế của quá trình keo tụ ..................................................................... 6
2.1.3. Các phương pháp keo tụ .......................................................................... 7
2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ và tạo bông cặn.................. 7
2.2. Vật liệu PAC trong cải thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp ....... 10
2.2.1. Đặc điểm ................................................................................................ 10
2.2.2. Một số kết quả nghiên cứu..................................................................... 10
2.3. Tổng quan về vật liệu keo tụ có nguồn gốc từ sinh học....................... 11
2.3.1. Phương pháp chế tạo vật liệu sinh học Biogum .................................... 12
v


2.3.2. Phương pháp chế tạo vật liệu nguồn gốc sinh học (Biogum cải tiến)... 12
2.4. Tổng quan về nƣớc thải dệt nhuộm và các phƣơng pháp xử lý ......... 13
2.4.1. Thành phần ô nhiễm .............................................................................. 14

2.4.2. Một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm ................................... 15
2.4.3. Một số nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm ...................................... 18
2.5. Tổng quan về nƣớc thải xi mạ và các phƣơng pháp xử lý .................. 19
2.5.1. Thành phần ô nhiễm trong nước thải xi mạ........................................... 19
2.5.2. Các phương pháp xử lý nước thải xi mạ ................................................ 20
2.5.3. Một số nghiên cứu xử lý nước thải xi mạ............................................... 23
CHƢƠNG 3. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............. 25
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu và hóa chất keo tụ ............................................. 25

3.1.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 25
3.1.2. Vật liệu nghiên cứu ................................................................................ 25
3.2. Thiết bị nghiên cứu ................................................................................. 27
3.2.1. Thiết bị Jartest ....................................................................................... 27
3.2.2. Thiết bị Pilot .......................................................................................... 28
3.3. Phƣơng pháp phân tích .......................................................................... 29

3.4. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu.................................................. 30
3.4.1. Phương pháp chung ............................................................................... 30
3.4.2. Các thí nghiệm nghiên cứu .................................................................... 30
3.5. Phƣơng pháp xử lý số liệu ...................................................................... 43
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................ 44
4.1. Xác định hiệu suất loại bỏ màu của các vật liệu trên nƣớc thải dệt
nhuộm ............................................................................................................. 44

4.1.1. Xác định pH tối ưu của vật liệu ............................................................. 44
4.1.2. Kết quả xác định lượng tối ưu của PAC ................................................ 50
4.1.3. Kết quả xác định lượng tối ưu của Biogum ........................................... 51
4.1.4. Kết quả xác định lượng Biogum cải tiến tối ưu ..................................... 53
4.1.5. Xác định hiệu quả xử lý của Biogum cải tiến ở các lần thu hồi ............ 57
4.1.6. Xác định hiệu suất cải thiện chất lượng nước thải dệt nhuộm khi vận

hành trên thiết bị Pilot sử dụng vật liệu keo tụ................................................ 58
4.2. Xác định hiệu quả xử lý của các vật liệu trên nƣớc thải xi mạ .......... 69

4.2.1. Xác định pH tối ưu ................................................................................. 69
4.2.2. Kết quả xác định lượng PAC tối ưu ....................................................... 72
vi


4.2.3. Kết quả xác định lượng Biogum tối ưu .................................................. 74
4.2.4. Kết quả xác định lượng Biogum cải tiến tối ưu ..................................... 75
4.2.5. Xác định hiệu quả xử lý của Biogum cải tiến thu hồi............................ 78
4.2.6. Xác định hiệu quả cải thiện chất lượng nước xi mạ khi ứng dụng vật liệu
nghiên cứu vận hành trên thiết bị Pilot ........................................................... 79
4.3. Kết quả nghiên cứu vật liệu ................................................................... 93
4.3.1. Thành phần cấu trúc vật liệu Biogum.................................................... 93
4.3.2. Đánh giá khả năng phân hủy của Biogum............................................. 95
4.3.3. Xác định dư lượng nhôm (Al3+) còn lại trong nước thải dệt nhuộm và xi
mạ khi sử dụng vật liệu keo tụ hóa học PAC ................................................... 96
4.3.4. Thành phần cấu trúc vật liệu Biogum cải tiến....................................... 97
4.4. Thảo luận chung.................................................................................... 101
4.5. Đề xuất quy trình cải thiện độ màu của nƣớc thải dệt nhuộm và kim
loại nặng của nƣớc thải xi mạ ứng dụng vật liệu Biogum cải tiến .......... 103

4.5.1. Quy trình cải thiện độ màu của nước thải dệt nhuộm ứng dụng vật liệu
Biogum cải tiến .............................................................................................. 103
4.5.2. Quy trình cải thiện độ màu của nước thải xi mạ ứng dụng Biogum cải
tiến.................................................................................................................. 105
CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT.................................................. 108

5.1. Kết luận.................................................................................................. 108

5.2. Đề xuất ................................................................................................... 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................... 111
PHỤ LỤC...................................................................................................... 122

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: pH thích hợp cho hoạt động của các chất keo tụ ............................. 10
Bảng 2.2: Một số thành phần ô nhiễm trong nƣớc thải dệt nhuộm ................. 15
Bảng 2.3: Các chỉ số ô nhiễm kim loại nặng của nƣớc thải xi mạ .................. 19
Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của mô hình Jartest...................................... 28
Bảng 3.2: Phƣơng pháp phân tích các thông số ô nhiễm nghiên cứu.............. 29
Bảng 3.3: Lƣợng chất keo tụ trong thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng của pH ... 31
Bảng 3.4: Bố trí thí nghiệm xác định pH tối ƣu của reactive red 3BS (RR) cho
Biogum............................................................................................................. 32
Bảng 3.5: Thí nghiệm xác định lƣợng Biogum tối ƣu trên mẫu nƣớc thải RR 33
Bảng 3.6: Lƣợng chất keo tụ dùng cho nƣớc thải RR theo các nồng độ đầu vào
.......................................................................................................................... 34
Bảng 3.7: Bảng giá trị D, xác định tƣơng quan giữa nồng độ đầu vào và lƣợng
Biogum cải thiện độ màu của nƣớc thải RR .................................................... 35
Bảng 3.8: Bố trí thí nghiệm xác định mối tƣơng quan giữa nồng độ đầu vào
với lƣợng Biogum trên mẫu nƣớc RR ............................................................. 35
Bảng 3.9: Lƣợng các chất keo tụ sử dụng trong thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng
của pH .............................................................................................................. 38
Bảng 3.10: Bố trí thí nghiệm xác định pH tối ƣu của Ni2+ cho Biogum. ........ 39
Bảng 3.11: Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng Biogum trên mẫu
nƣớc thải Ni2+................................................................................................... 39
Bảng 3.12: Lƣợng của các chất keo tụ theo từng loại nƣớc thải xi mạ ........... 41

Bảng 3.13: Bố trí thí nghiệm xác định mối tƣơng quan giữa nồng độ đầu vào
với lƣợng Biogum trên mẫu nƣớc Ni2+ ............................................................ 42
Bảng 4.1: Kết quả tính toán lƣợng PAC sử dụng vận hành cải thiện độ màu
nƣớc thải RR .................................................................................................... 60
Bảng 4.2: Kết quả tính toán lƣợng Biogum theo lý thuyết sử dụng vận hành cải
thiện độ màu nƣớc thải RR .............................................................................. 62
Bảng 4.3: Kết quả tính toán lƣợng Biogum cải tiến sử dụng vận hành cải thiện
độ màu nƣớc thải RR ....................................................................................... 64
Bảng 4.4: Kết quả tính toán lƣợng PAC sử dụng vận hành cải thiện độ màu
nƣớc thải NMDN ............................................................................................. 66
Bảng 4.5: Kết quả tính toán lƣợng Biogum sử dụng vận hành cải thiện độ màu
nƣớc thải NMDN ............................................................................................. 67
Bảng 4.6: Kết quả tính toán lƣợng Biogum cải tiến sử dụng vận hành cải thiện
độ màu nƣớc thải NMDN ................................................................................ 69
Bảng 4.7: Kết quả xác định liều lƣợng Biogum vận hành cải thiện ion Ni2+ trên
thiết bị Pilot...................................................................................................... 81

xi


Bảng 4.8. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum vận hành cải thiện ion Cu2+
trên thiết bị Pilot .............................................................................................. 83
Bảng 4.9. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum vận hành cải thiện ion Zn 2 trên
thiết bị Pilot...................................................................................................... 84
Bảng 4.10. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum cải tiến vận hành cải thiện ion
Ni2+ trên thiết bị Pilot....................................................................................... 86
Bảng 4.11. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum cải tiến vận hành cải thiện ion
Cu2+ trên thiết bị Pilot ...................................................................................... 88
Bảng 4.12. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum cải tiến vận hành cải thiện ion
Zn2+ trên thiết bị Pilot ...................................................................................... 90

Bảng 4.13. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum vận hành cải thiện ion Zn2+
của nƣớc NMXM trên thiết bị Pilot................................................................. 91
Bảng 4.14. Kết quả xác định liều lƣợng Biogum cải tiến vận hành cải thiện ion
Ni2+, Cu2+, Zn2+ của NMXM trên thiết bị Pilot................................................ 92

xii


DANH MỤC HÌNH
Hình 3.1: Cấu tạo mô hình Jartest ................................................................... 27
Hình 3.2: Thiết bị Pilot keo tụ tạo bông .......................................................... 29
Hình 3.3: Thí nghiệm với nƣớc thải dệt nhuộm trên thiết bị Jartest và Pilot .. 32
Hình 3.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định pH tối ƣu của Biogum, Biogum cải
tiến và PAC ...................................................................................................... 33
Hình 3.5: Bố trí thí nghiệm xác định lƣợng tối ƣu của Biogum, Biogum cải
tiến và PAC ...................................................................................................... 34
Hình 3.6: Sơ đồ thí nghiệm xác định mối tƣơng quan giữa lƣợng chất keo tụ
với nồng độ đầu vào......................................................................................... 35
Hình 3.7: Bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu quả thu hồi của Biogum cải tiến ... 37
Hình 3.8: Thí nghiệm vận hành nƣớc thải xi mạ trên thiết bị Jartest và Pilot. 37
Hình 3.9: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định pH tối ƣu của Biogum, Biogum cải
tiến và PAC ...................................................................................................... 38
Hình 3.10: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định lƣợng tối ƣu của Biogum, Biogum
cải tiến và PAC ................................................................................................ 40
Hình 3.11: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định mối tƣơng quan giữa lƣợng chất
keo tụ với nồng độ đầu vào.............................................................................. 41
Hình 3.12: Bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu quả thu hồi của Biogum cải tiến . 42
Hình 4.1: Xác định pH tối ƣu của PAC trên nƣớc thải RR ............................. 44
Hình 4.2: Xác định pH tối ƣu của PAC trên nƣớc thải NMDN ...................... 45
Hình 4.3: Xác định pH tối ƣu của Biogum trên nƣớc thải RR ........................ 46

Hình 4.4: Xác định pH tối ƣu của Biogum trên nƣớc thải NMDN ................. 46
Hình 4.5: Xác định pH tối ƣu của Biogum cải tiến trên nƣớc thải RR............ 49
Hình 4.6: Xác định pH tối ƣu của Biogum cải tiến trên nƣớc thải NMDN..... 49
Hình 4.7: Xác định liều lƣợng tối ƣu của PAC trên nƣớc thải RR.................. 50
Hình 4.8: Xác định liều lƣợng tối ƣu của PAC trên nƣớc thải NMDN ........... 51
Hình 4.9: Xác định liều lƣợng tối ƣu của Biogum trên nƣớc thải RR ............. 52
Hình 4.10: Xác định liều lƣợng tối ƣu của Biogum trên nƣớc thải NMDN.... 52
Hình 4.11: Khảo sát sơ bộ của Biogum cải tiến với nƣớc thải RR.................. 53
Hình 4.12: Khảo sát sơ bộ của Biogum cải tiến với nƣớc thải NMDN........... 54
Hình 4.13: Xác định liều lƣợng tối ƣu của Biogum cải tiến trên nƣớc thải RR
.......................................................................................................................... 54
Hình 4.14: Xác định liều lƣợng tối ƣu của Biogum cải tiến trên NMDN ....... 55
Hình 4.15: Nghiên cứu hiệu quả xử lý màu giữa các vật liệu trên nƣớc thải RR
.......................................................................................................................... 56
Hình 4.16: Nghiên cứu hiệu quả xử lý COD giữa các vật liệu trên nƣớc thải
NMDN ............................................................................................................. 56

xiii


Hình 4.17: Hiệu suất loại màu của Biogum cải tiến sau các lần thu hồi trên
nƣớc thải RR .................................................................................................... 57
Hình 4.18: Hiệu suất loại màu và COD của Biogum cải tiến sau các lần thu hồi
trên nƣớc thải NMDN ...................................................................................... 58
Hình 4.19: Mối tƣơng quan giữa độ màu nƣớc thải RR với hàm lƣợng PAC. 59
Hình 4.20: Mối tƣơng quan giữa hiệu suất loại màu nƣớc thải RR với hàm
lƣợng PAC ....................................................................................................... 59
Hình 4.21: Mối tƣơng quan giữa độ màu nƣớc thải RR với hàm lƣợng Biogum
.......................................................................................................................... 61
Hình 4.22: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại màu mẫu nƣớc thải RR (1051

Pt-Co) với hàm lƣợng Biogum ........................................................................ 61
Hình 4.23: Mối tƣơng quan giữa độ màu nƣớc thải RR với hàm lƣợng Biogum
cải tiến.............................................................................................................. 63
Hình 4.24: Mối tƣơng quan giữa hiệu suất loại màu nƣớc thải RR (1052 PtCo) với hàm lƣợng Biogum cải tiến ................................................................ 64
Hình 4.25: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại màu nƣớc thải NMDN với hàm
lƣợng Biogum .................................................................................................. 66
Hình 4.26: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại màu nƣớc thải NMDN với hàm
lƣợng Biogum .................................................................................................. 67
Hình 4.27: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại màu nƣớc thải NMDN với hàm
lƣợng Biogum cải tiến ..................................................................................... 68
Hình 4.28: Xác định pH tối ƣu của PAC trên nƣớc thải xi mạ giả định.......... 70
Hình 4.29: Xác định pH tối ƣu của Biogum trên nƣớc thải xi mạ giả định .... 71
Hình 4.30: Xác định pH tối ƣu của Biogum cải tiến trên nƣớc thải xi mạ giả
định .................................................................................................................. 71
Hình 4.31: Xác định liều lƣợng PAC tối ƣu trên nƣớc thải xi mạ giả định..... 73
Hình 4.32: Xác định liều lƣợng tối ƣu PAC trên nƣớc thải NMXM............... 73
Hình 4.33: Xác định liều lƣợng tối ƣu Biogum trên nƣớc thải xi mạ giả định 74
Hình 4.34: Xác định liều lƣợng tối ƣu Biogum trên nƣớc thải xi mạ nhà máy74
Hình 4.35: Xác định liều lƣợng tối ƣu Biogum cải tiến trên nƣớc thải xi mạ giả
định .................................................................................................................. 76
Hình 4.36: Xác định liều lƣợng tối ƣu Biogum cải tiến trên nƣớc thải ........... 76
Hình 4.37: Xác định hiệu suất cải thiện của các vật liệu nghiên cứu trên nƣớc
thải xi mạ giả định ........................................................................................... 77
Hình 4.38: Xác định hiệu suất cải thiện của các vật liệu nghiên cứu trên nƣớc
thải NMXM...................................................................................................... 77
Hình 4.39: Hiệu suất loại bỏ kim loại của Biogum cải tiến ở các lần thu hồi . 79
Hình 4.40: Mối tƣơng quan giữa nồng độ nƣớc thải Ni2+ với hàm lƣợng
Biogum............................................................................................................. 80
xiv

Hình 4.41: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại bỏ Ni2+ với hàm lƣợng Biogum
.......................................................................................................................... 80
Hình 4.42: Mối tƣơng quan giữa nồng độ nƣớc thải Cu2+ với hàm lƣợng
Biogum............................................................................................................. 82
Hình 4.43: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại bỏ Cu2+ với hàm lƣợng Biogum
.......................................................................................................................... 82
Hình 4.44: Mối tƣơng quan giữa nồng độ nƣớc thải Zn2+ với lƣợng Biogum 83
Hình 4.45: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại bỏ Zn2+ với hàm lƣợng Biogum
.......................................................................................................................... 84
Hình 4.46: Mối tƣơng quan giữa nồng độ nƣớc thải Ni2+ với hàm lƣợng
Biogum cải tiến ................................................................................................ 85
Hình 4.47: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại bỏ Ni2+ với hàm lƣợng Biogum
cải tiến.............................................................................................................. 86
Hình 4.48: Mối tƣơng quan giữa nồng độ nƣớc thải Cu2+ với hàm lƣợng
Biogum cải tiến ................................................................................................ 87
Hình 4.49: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại bỏ Cu2+ với hàm lƣợng Biogum
cải tiến.............................................................................................................. 88
Hình 4.50: Mối tƣơng quan giữa nồng độ nƣớc thải Zn2+ với hàm lƣợng
Biogum cải tiến ................................................................................................ 89
Hình 4.51: Mối tƣơng quan giữa hiệu quả loại bỏ Zn2+ với hàm lƣợng Biogum
cải tiến.............................................................................................................. 89
Hình 4.52: Kết quả FT-IR của Biogum ........................................................... 93
Hình 4.53: Phổ 13C-NMR của Biogum hạt Cassia nodosa (Kapoor, 2000) .... 94
Hình 4.54: Phổ 13C-NMR của Biogum hạt Muồng Hoàng Yến ...................... 94
Hình 4.55: Ảnh SEM của Biogum ly trích từ hạt Muồng Hoàng Yến ............ 95
Hình 4.56: Hiệu suất giảm khối lƣợng của Biogum theo thời gian................. 96
Hình 4.57: Dƣ lƣợng Al3+ còn lại trong nƣớc thải dệt nhuộm và xi mạ khi sử
dụng vật liệu keo tụ hóa học PAC ................................................................... 97
Hình 4.58: Giản đồ phổ FT-IR của (a) hạt nano; (b) Biogum sinh học trích ly

từ hạt MHY; (c) vật liệu Biogum cải tiến CoFe2O4 - Biogum ........................ 98
Hình 4.59: Đƣờng cong từ rễ của hạt CoFe2O4 và vật liệu Biogum cải tiến
(Biogum-CoFe2O4) .......................................................................................... 99
Hình 4.60: Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu Biogum cải tiến.................. 100
Hình 4.61: Kết quả chụp ảnh SEM của Biogum cải tiến............................... 100
Hình 4.62: Hình Biogum cải tiến bị hút bởi từ tính nam châm ..................... 101
Hình 4.63. Hình (a) PAC và (b) Biogum không bị hút bởi từ nam châm ..... 101
Hình 4.64: Quy trình công nghệ cải thiện độ màu của nƣớc thải dệt nhuộm 104
Hình 4.65: Quy trình công nghệ loại bỏ ion kim loại nặng trong nƣớc thải xi
mạ ................................................................................................................... 106
xv


CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây với sự phát triển của thế giới về mọi mặt,
trong đó các ngành công nghiệp đã có những bƣớc phát triển mạnh mẽ, tạo ra
nhiều sản phẩm đa dạng có chất lƣợng cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng
của thị trƣờng và con ngƣời. Bên cạnh những thành tựu to lớn đó, con ngƣời
đang dần hủy hoại môi trƣờng sống của mình do nguồn chất thải phát sinh từ
các công đoạn sản xuất không đƣợc xử lý hoặc xử lý không triệt để.
Sử dụng hóa chất có nguồn gốc hóa học trong quá trình vận hành để cải
thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp, xi mạ, dệt nhuộm, thủy sản… đƣợc
ứng dụng khá rộng rãi. Tuy nhiên trong quá trình xử lý dƣ lƣợng của chúng
gây ô nhiễm trực tiếp hoặc gián tiếp qua chất ô nhiễm thứ cấp đến môi trƣờng
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 nƣớc theo chiều hƣớng
xấu đi và đây là thực trạng cấp thiết cần có giải pháp thay đổi vật liệu trong
quá trình vận hành để cải thiện chất lƣợng môi trƣờng tiếp nhận (Nguyễn Thị
Phƣơng Loan, 2011).

Hiện nay, đã có một số nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về việc ứng dụng
các loại chất có nguồn gốc tự nhiên trong đó có các gum sinh học trong xử lý
nƣớc thải để loại bỏ màu và COD ra khỏi nƣớc thải một số ngành công nghiệp
dệt nhuộm, xi mạ (Mangale Sapanda, 2012; Muhammad Asif Hanif, 2008).
Theo Đoàn Thị Thúy Ái (2013), Nguyễn Văn Cƣờng và Huỳnh Thị Kim Ngọc
(2014); Luciano Carlos et al. (2013) có thể ứng dụng vật liệu nano trong xử lý
nƣớc thải ngành công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ. Kết quả nghiên cứu cho
thấy gum sinh học và hạt nano từ tính có tiềm năng ứng dụng trong xử lý
nƣớc. Mặt khác, bản chất keo tụ của các gum sinh học là hình thành các liên
kết và tƣơng tác hóa học với các chất ô nhiễm, do đó quá trình thu hồi gum
sinh học khá tốn kém, cần sử dụng tác nhân để cắt đứt các liên kết hóa học và
tái tạo lại gum dƣới dạng tủa. Vì vậy việc thu hồi gum sinh học không khả thi
và tốn kém. Qua đó việc thu hồi các hạt nano từ tính rất đơn giản, dƣới tác
dụng của lực các chất ô nhiễm trong lỗ trống của hạt nano sẽ bị đẩy ra ngoài
và hạt nano đƣợc thu lại bằng nam châm một cách dễ dàng. Tuy nhiên hiệu
quả xử lý nƣớc thải của các hạt nano bị hạn chế do thiếu các nhóm chức hoạt
động trên bề mặt hạt nano, do đó việc gắn gum sinh học lên bề mặt hạt nano
nhằm tạo ra vật liệu nano sinh học mới vừa tăng khả năng xử lý các chất ô
nhiễm trong nƣớc vừa giữ đƣợc đặc tính thu hồi và tái sử dụng của hạt nano từ
tính.
1


Những nghiên cứu trên cho thấy vật liệu sinh học có tiềm năng thay thế
vật liệu có nguồn gốc hóa học là một bƣớc tiến và cần nghiên cứu ứng dụng,
đặc biệt cần nghiên cứu vật liệu nano sinh học có thể thu hồi trong cải thiện
chất lƣợng nƣớc thải cũng nhƣ môi trƣờng tiếp nhận. Trên cơ sở và ý tƣởng đó
luận án “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” đƣợc thực hiện trên nƣớc thải ngành công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ

góp phần cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣớc, bảo vệ môi trƣờng và phát
triển bền vững.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
1.2.1. Mục tiêu tổng quát
Khảo sát khả năng ứng dụng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện
với môi trƣờng và vật liệu nano sinh học có khả năng thu hồi và tái sử dụng
trong cải thiện chất lƣợng nƣớc thải một số ngành công nghiệp và đề xuất một
quy trình công nghệ cải thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp, tập trung vào
hai dạng ô nhiễm kim loại nặng và màu.
1.2.2. Mục tiêu cụ thể
- Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học từ cây Muồng Hoàng Yến (MHY).
- Phát triển vật liệu keo tụ sinh học với nano từ tính.
- Tối ƣu hóa quá trình loại bỏ màu (trong nƣớc thải dệt nhuộm) và kim
loại nặng (trong nƣớc thải xi mạ) ra khỏi nƣớc thải.
1.3. Nội dung nghiên cứu
- Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học từ hạt MHY từ đó phát triển vật liệu
keo tụ sinh học kết hợp với nano từ tính.
+ Trích ly vật liệu keo tụ sinh học từ hạt MHY.
+ Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu.
+ Chế tạo vật liệu nano từ tính kết hợp với chất keo tụ sinh học MHY.
+ Nghiên cứu cấu trúc vật liệu mới.
- Nghiên cứu loại bỏ màu trong nƣớc thải dệt nhuộm.
+ Nghiên cứu tối ƣu hóa các điều kiện keo tụ (pH, lƣợng vật liệu sử
dụng) trong quy mô phòng thí nghiệm.
+ Nghiên cứu hiệu quả loại bỏ màu trên mô hình pilot công suất 30 lít.
+ Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu chế tạo từ nano từ tính kết
hợp với vật liệu sinh học MHY.
+ Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất quy trình cho áp dụng vào thực
tiễn.

2


- Nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng (Ni2+, Cu2+, Zn2+) trong nƣớc thải xi
mạ.
+ Nghiên cứu tối ƣu hóa các điều kiện keo tụ (pH, lƣợng vật liệu sử
dụng) trong quy mô phòng thí nghiệm.
+ Nghiên cứu hiệu quả loại bỏ kim loại nặng trên thiết bị pilot công
suất 30 lít.
+ Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu chế tạo từ nano từ tính kết
hợp với vật liệu sinh học MHY.
+ Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất quy trình cho áp dụng thực
tiễn.
1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
- Vật liệu keo tụ sinh học thân thiện môi trƣờng.
- Vật liệu chế tạo từ hạt nano từ tính kết hợp với vật liệu sinh học MHY
có khả năng thu hồi và tái sử dụng.
- Thành phần màu và kim loại nặng trong nƣớc thải công nghiệp.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
- Vật liệu sinh học: Biogum ly trích từ hạt MHY đƣợc lấy tại Bình
Dƣơng.
- Thí nghiệm đƣợc tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm và trên mô
hình pilot công suất 30 lít.
- Nƣớc thải dệt nhuộm giả định gồm hai loại màu có tên thƣơng mại
Reactive red 3 BS (RR). Nƣớc thải dệt nhuộm thực tế đƣợc lấy từ nhà máy tại
Bình Dƣơng.
- Nƣớc thải xi mạ giả định gồm Ni2+, Cu2+, Zn2+. Nƣớc thải xi mạ thực
tế đƣợc lấy từ nhà máy tại Bình Dƣơng.
- Các nghiên cứu đƣợc thực hiện và phân tích tại Trƣờng Đại học Thủ

Dầu Một, Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh và Đại học Khoa học
Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh.
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.5.1. Ý nghĩa khoa học
- Kết quả nghiên cứu là nguồn số liệu khoa học trong nghiên cứu ứng
dụng vật liệu mới trong xử lý nƣớc và nƣớc thải công nghiệp.
- Công trình nghiên cứu là các số liệu khoa học cơ bản sử dụng cho
giảng dạy và nghiên cứu các đề tài tƣơng tự.
- Kết quả có thể dùng tham khảo cho các nhà máy có thành phần và tính
chất ô nhiễm tƣơng tự.
3


1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Luận án cung cấp những thông tin khoa học hiệu quả cải thiện chất lƣợng
nƣớc thải của một số ngành công nghiệp ô nhiễm kim loại nặng và ô nhiễm
màu. Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khuyến khích sử dụng vật liệu
sinh học trong cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣớc thải vừa thân thiện môi
trƣờng vừa có khả năng tái sử dụng từ đó tạo ra một môi trƣờng sinh thái bền
vững.

4


CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Tổng quan về keo tụ
2.1.1. Bản chất của các hạt keo trong nước
Hạt keo là các hạt có kích thƣớc rất nhỏ biến thiên từ 0,001 mm đến 10
mm. Tỉ lệ giữa khối lƣợng và diện tích bề mặt hạt keo rất nhỏ nên tác động của
diện tích bề mặt chiếm ƣu thế hơn so với tác động của trọng lực. Mặc khác, do

diện tích bề mặt lớn và có mang điện tích nên hạt keo có khuynh hƣớng hấp
thụ ion vào môi trƣờng xung quanh nó. Một yếu tố quan trọng tạo nên tính ổn
định của hạt keo là sự hiện diện của điện tích bề mặt. Tùy theo thành phần hóa
học của nƣớc thải và các hạt keo mà điện tích bề mặt đƣợc hình thành bằng
nhiều cách khác nhau (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014).
Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) cho rằng tùy thuộc vào nguồn gốc xuất xứ,
thông thƣờng các hạt cặn trong nƣớc đều có thể mang điện tích âm hoặc
dƣơng. Khi thế cân bằng điện động của nƣớc bị phá vỡ, các thành phần mang
điện tích sẽ kết dính với nhau nhờ lực liên kết phân tử và lực điện từ, tạo thành
một tổ hợp các nguyên tử, phân tử hoặc các ion tự do, các tổ hợp tạo thành
đƣợc gọi là hạt keo.
Theo Trịnh Xuân Lai và Nguyễn Trọng Dƣơng (2005) các hạt keo tụ
trong nƣớc có thể là keo kỵ nƣớc hoặc keo háo nƣớc. Keo kỵ nƣớc là loại keo
không hút và chứa nƣớc, dễ dàng mất tính ổn định khi tiếp xúc với các ion
mang điện tích của các chất điện ly hòa tan trong nƣớc. Keo kỵ nƣớc đóng vai
trò chủ yếu trong công nghệ xử lý nƣớc và nƣớc thải. Ngƣợc lại keo háo nƣớc
luôn ngậm nƣớc, làm chậm và giảm tác dụng của chất keo tụ, thƣờng phải áp
dụng cách xử lý đặc biệt mới đạt đƣợc hiệu quả nhƣ mong muốn. Keo kỵ nƣớc
hình thành sau quá trình thủy phân các chất xúc tác nhƣ phèn nhôm, phèn sắt.
Các phân tử mới đƣợc hình thành liên kết với nhau thành một khối đồng nhất.
Nhờ có điện tích bề mặt lớn, các khối này có khả năng hấp phụ chọn lọc một
loại ion có tính chất và kích thƣớc giống hoặc gần giống với một trong các ion
trong khối, tạo thành lớp vỏ bọc ion. Bề mặt nhân keo mang điện tích lớp ion
gắn chặt trên nó, có khả năng hút một số ion tự do mang điện tích trái dấu để
bù lại một phần điện tích (hai lớp điện tích trái dấu đƣợc gọi là lớp điện tích
kép của hạt keo).
Tuy nhiên, lớp ion ngoài cùng do lực liên kết yếu nên thông thƣờng
không có đủ điện tích để trung hòa với lớp điện tích bên trong (chúng bị hút
bám một cách lỏng lẻo và dễ dàng bị trƣợt ra). Để cân bằng điện tích trong
môi trƣờng, hạt keo lại thu hút quanh mình một số ion trái dấu ở trạng thái

5


khuếch tán. Do chuyển động Brown, lớp ion khuếch tán không chuyển động
đồng thời với hạt keo, bởi vì lực liên kết không bền vững. Do đó, hạt keo trong
nƣớc luôn là hạt keo mang điện tích (Trịnh Xuân Lai, 2005).
2.1.2. Cơ chế của quá trình keo tụ
Kết quả nghiên cứu của Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga (2006) cho thấy
trong quá trình keo tụ tạo bông diễn ra quá trình phá vỡ ổn định trạng thái keo
của các hạt nhờ trung hòa điện tích. Hiệu quả keo tụ phụ thuộc vào hóa trị của
ion, chất keo tụ mang điện tích trái dấu với điện tích của hạt. Hóa trị càng lớn
thì hiệu quả keo tụ càng cao.
Thực chất cơ chế làm mất ổn định và trung hòa điện tích bề mặt của các
hạt keo là do các hoạt chất trung gian tạo ra trong quá trình thủy phân của các
chất keo tụ. Theo Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) trích dẫn
từ tài liệu của Wang et al. (2005) cho thấy quá trình làm mất ổn định của các
hạt keo có thể diễn ra theo 4 cơ chế chính:
Làm giảm độ dày 2 lớp điện tích của hạt keo: khi cho chất điện phân
với nồng độ cao vào trong nƣớc thải nó sẽ phân ly tạo thành các ion. Các ion
trái dấu sẽ len lỏi vào trong khu vực các ion làm phân tán và điện tích ở khu
vực này bị giảm đi hay thậm chí là bị mất hẳn, do đó các hạt keo bị mất lực
đẩy và có thể tiến gần nhau, kết lại với nhau để hình thành các bông cặn.
Hấp phụ và trung hòa điện tích bề mặt của hạt keo: các ion dƣơng
trái dấu bị hấp phụ bởi các hạt keo mang điện tích âm. Điện tích của hạt keo sẽ
bị trung hòa, lực đẩy tĩnh điện của nó sẽ giảm hoặc mất hẳn, phá vỡ trạng thái
bền vững của hạt keo. Tuy nhiên khi sử dụng ở liều lƣợng vƣợt mức cần thiết
nó có thể đảo điện tích bề mặt của các hạt keo và các hạt keo trở về trạng thái
ổn định.
Kết dính các hạt keo và các chất kết tủa: khi cho chất keo tụ vào trong

nƣớc thải sẽ tạo thành các chất có độ hòa tan kém, độ nhờn cao và tỉ trọng hơi
lớn hơn nƣớc. Các chất này sẽ lắng chậm xuống, trên đƣờng đi nó sẽ kết dính
các hạt keo và đƣa các hạt keo này lắng xuống.
Hấp phụ và tạo cầu nối giữa các hạt keo: các chất cao phân tử
(Polymer) với cấu trúc mạch dài và các nhóm chức có khả năng giữ các hạt
keo lại sẽ tạo ra các cầu nối liên kết các hạt keo lại với nhau, làm mất tính ổn
định của hạt keo. Khi sử dụng Polymer quá liều có thể dẫn đến việc các hạt
keo trở lại trạng thái ổn định.

6


2.1.3. Các phương pháp keo tụ
Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) trong công nghệ xử lý nƣớc thải
bằng phƣơng pháp keo tụ, ngƣời ta thƣờng sử dụng các phƣơng pháp sau:
a) Keo tụ bằng các chất điện ly đơn giản
Bản chất của phƣơng pháp này là cho vào nƣớc các chất điện ly ở dạng
ion đơn giản ngƣợc dấu. Khi nồng độ các ion ngƣợc dấu tăng lên thì sẽ có
nhiều ion đƣợc chuyển từ lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép, dẫn đến làm
giảm điện thế zeta, đồng thời lực đẩy tĩnh điện cũng giảm.
Nhờ chuyển động Brown, các hạt keo có điện tích nhỏ khi va chạm dễ
kết dính bằng lực hút phân tử Van der Wall tạo thành các bông cặn lớn hơn.
Khi kích thƣớc của bông cặn đạt đến 1 mm thì chuyển động Brown hết tác
dụng. Nếu muốn tăng thêm kích thƣớc của bông cặn thì cần phải khuấy trộn để
các bông cặn xích lại gần nhau hơn.
b) Keo tụ bằng hệ keo ngƣợc dấu
Trong quá trình này ngƣời ta sử dụng muối nhôm hoặc sắt hóa trị 3 (còn
gọi là phèn nhôm hoặc phèn sắt) để làm chất keo tụ. Các muối này đƣợc đƣa
vào nƣớc ở dạng dung dịch hòa tan, trong dung dịch chúng phân ly thành các
cation và anion theo phản ứng sau:

Al2(SO4)3
FeCl3

2Al3+ + 3SO42Fe3+ + 3Cl-

Nhờ hóa trị cao của các ion kim loại, chúng có khả năng ngậm nƣớc tạo
thành phức chất Me(H2O)63+ (Me3+ có thể là Al3+ hoặc Fe3+). Tùy thuộc vào
pH và các điều kiện của quá trình, các hydroxit nhôm hoặc sắt đƣợc tạo thành
khác nhau, song chúng đều là những hợp chất mang điện dƣơng và có hoạt
tính tạo bông keo tụ cao nhờ hoạt tính bề mặt lớn. Các bông keo này khi lắng
xuống sẽ hấp thụ, cuốn theo các hạt keo, cặn bẩn chất hữu cơ, chất mang mùi
vị… tồn tại ở trạng thái hòa tan hoặc lơ lửng trong nƣớc.
2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ và tạo bông cặn
Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình keo tụ và tạo bông cặn. Lê
Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) trích dẫn tài liệu của Wang et
al. (2005) các yếu tố sau:
a) Mật độ hạt keo
Mật độ các hạt keo ảnh hƣởng đến liều lƣợng và hiệu quả keo tụ. Mật độ
hạt keo cao kéo theo liều lƣợng chất keo tụ cần sử dụng cao. Tuy nhiên ở mật

7


độ hạt keo thấp, tốc độ keo tụ sẽ diễn ra rất chậm do bị hạn chế cơ hội tiếp xúc
với nhau. Trong trƣờng hợp này không nên tăng liều lƣợng chất keo tụ mà nên
thêm chất trợ keo tụ hoặc hoàn lƣu bùn về cho bể keo tụ.

b) Liều lƣợng chất keo tụ
Ảnh hƣởng của liều lƣợng phèn nhôm và phèn sắt sử dụng có thể chia ra

làm 4 trƣờng hợp sau:
Trƣờng hợp 1: liều lƣợng quá thấp, không đủ để làm mất tính ổn định
của hạt keo.
Trƣờng hợp 2: liều lƣợng đủ để làm mất tính ổn định của hạt keo.
Trƣờng hợp 3: liều lƣợng cao hơn mức cần thiết có thể làm tái ổn định
của hạt keo.
Trƣờng hợp 4: liều lƣợng vƣợt mức bão hòa, tạo thành các hydroxide
kim loại kết tủa, các kết tủa kết dính các hạt keo và đƣa chúng ra khỏi nƣớc
thải.

c) Hiệu điện thế zeta (hiệu số điện năng giữa lớp cố định và lớp chuyển
động)
Hiệu điện thế zeta càng lớn thì lực đẩy tĩnh điện của các hạt keo càng lớn
và các hạt keo càng ổn định.
d) Ái lực của hạt keo với nƣớc
Các hạt keo ƣa nƣớc có độ ổn định cao vì các chất keo tụ khó thay thế vị
trí của các phân tử nƣớc trên bề mặt hạt keo. Độ ổn định của hạt keo ƣa nƣớc
phụ thuộc vào ái lực của nó với nƣớc hơn là điện tích bề mặt. Theo một số ƣớc
tính để loại bỏ keo này cần phải có một liều lƣợng keo tụ nhiều gấp 10 – 20
lần liều lƣợng cần sử dụng cho các hạt keo kỵ nƣớc.
e) Ion âm trong dung dịch
Khi sử dụng phèn nhôm hay phèn sắt ở liều lƣợng cao có thể dẫn đến
việc tái ổn định của các hạt keo. Tuy nhiên hiện tƣợng này có thể không xảy ra
nếu trong nƣớc thải có chứa nhiều ion âm nhƣ sunfat, photphat. Ngƣời ta thấy
rằng nếu nồng độ SO42- trong nƣớc lớn hơn 10 – 14 mg/L có thể ngăn hiện
tƣợng tái ổn định của các hạt keo.
f) Ion dƣơng trong dung dịch
Sự hiện diện của các ion dƣơng Ca2+, Mg2+ trong nƣớc thải giúp việc keo
tụ các hạt keo có điện tích âm tốt hơn vì nó làm giảm điện tích âm và lực đẩy
tĩnh điện các hạt keo.

g) Độ kiềm (alkalinity)
8


Các chất keo tụ nhƣ phèn nhôm, phèn sắt có thể tạo ra các sản phẩm
Al(OH)3, Fe(OH)3 tham gia vào quá trình keo tụ và tạo bông, nƣớc thải phải
có chứa một hàm lƣợng alkalinity đủ để phản ứng với lƣợng chất keo tụ cho
vào. Trong trƣờng hợp hàm lƣợng akalinity trong nƣớc thải thấp, ngƣời ta sử
dụng vôi hay soda để bổ sung lƣợng akalinity cho nƣớc thải giúp quá trình keo
tụ đạt hiệu quả cao hơn.
h) Nhiệt độ của nƣớc và hàm lƣợng cặn
Wang et al. (2005) và Trịnh Xuân Lai (2004) cho rằng nhiệt độ của nƣớc
có ảnh hƣởng đến quá trình keo tụ. Khi nhiệt độ của nƣớc tăng thì liều lƣợng
của phèn cần thiết để keo tụ giảm, thời gian và cƣờng độ khuấy trộn giảm
theo. Hàm lƣợng, tính chất cặn cũng ảnh hƣởng đến quá trình keo tụ vì số va
chạm giữa các hạt phụ thuộc vào nồng độ còn hiệu quả va chạm phụ thuộc vào
tính chất phân tán, hoạt tính bề mặt của cặn và phèn. Khi hàm lƣợng cặn tăng
lên thì liều lƣợng phèn cần thiết để keo tụ tăng.
i) Điều kiện khuấy trộn và thời gian khuấy trộn
Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) trong quá trình keo tụ, cần thiết phải
tiến hành trộn hóa chất. Hiệu quả của quá trình trộn phụ thuộc vào cƣờng độ
khuấy trộn biểu thị bằng gradient vận tốc (G) và thời gian khuấy trộn (T). Quá
t nh khuấy trộn đƣợc thực hiện theo 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: trộn nhanh trong thời gian ngắn với mục đích khuếch tán
nhanh hóa chất keo tụ, phá vỡ trạng thái ổn định của hệ keo trong nƣớc. Ở giai
đoạn này giá trị gradient vận tốc G thƣờng từ 500 đến 1000 s-1, thời gian
khuấy trộn T thông thƣờng vào khoảng 30 giây đến 120 giây là có thể đạt hiệu
quả.
Giai đoạn 2: khuấy trộn chậm với mục đích làm cho các phần tử kết
bông, phần tử gây đục, gây màu cho nƣớc có điều kiện tiếp xúc với nhau tốt

hơn. Để tránh cho các bông cặn lớn hình thành không bị phá vỡ phải giảm dần
cƣờng độ khuấy trộn. Thông thƣờng gradient vận tốc trung bình khoảng 30
giây-1 đến 70 giây-1 và thời gian phản ứng từ 15 đến 45 phút.

j) pH
pH đóng vai trò quan trọng trong quá trình keo tụ tạo bông vì nó quyết
định các loại sản phẩm thủy phân. Khi chất keo tụ nhƣ muối nhôm hay muối
sắt đƣợc thêm vào nƣớc, các phản ứng thủy phân xảy ra tạo thành nhiều sản
phẩm thủy phân hòa tan. Tùy thuộc vào pH của dung dịch mà các sản phẩm
thủy phân này mang điện tích dƣơng hay âm. Khi giá trị pH thấp (pH < 6)
chúng sẽ mang điện tích dƣơng và mang điện tích âm ở giá trị pH cao hơn.

9


Các sản phẩm thủy phân mang điện tích dƣơng có thể bám vào bề mặt hạt keo
và làm mất tính ổn định của hạt keo. Cơ chế này đƣợc gọi là trung hòa điện
tích.
Bảng 2.1: pH thích hợp cho hoạt động của các chất keo tụ
Hóa chất

pH thích hợp

Al2(SO)3

4,0 – 7,0

FeSO4

> 8,5

FeCl3

4,0 – 6,5 và > 8,5

Fe2(SO4)3

3,5 – 7,0 và > 9,0
(Wang et al., 2005 – Trích từ Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

2.2. Vật liệu PAC trong cải thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp
Thông thƣờng trong cải thiện chất lƣợng nƣớc thải chất keo tụ đƣợc sử
dụng rộng rãi là phèn nhôm, phèn sắt, Al2(SO4)3.FeSO4 (kết tinh), Fe2(SO4)3,
FeCl3, Ca(OH)2 (Unlu, 2009). Ngoài ra, các muối cao phân tử của sắt và nhôm
(phổ biến nhất là PAC) hay các chất hữu cơ cao phân tử cũng đƣợc sử dụng
làm chất keo tụ (Trịnh Lê Hùng, 2009). Những vật liệu keo tụ có thể có nguồn
gốc hóa học hoặc sinh học, đối với các vật liệu có nguồn gốc hóa học có thể
chia làm 3 loại PAC, phèn và Polymer.
2.2.1. Đặc điểm
PAC là loại phèn nhôm tồn tại ở dạng hợp chất cao phân tử (Polymer) có
công thức hóa học là [Al2(OH)nCl6-n]m và có thể tồn tại ở dạng rắn hoặc dạng
lỏng (Blackburn, 2015). PAC dạng rắn là bột màu trắng ngà ánh vàng hoặc
màu vàng nghệ, tan hoàn toàn trong nƣớc. PAC sử dụng để cải thiện chất
lƣợng môi trƣờng nƣớc ở dạng dung dịch 10% hoặc 20%. PAC dạng lỏng có
màu nâu vàng, có thể đựng trong chai hoặc can nhựa để bảo quản lâu dài.
2.2.2. Một số kết quả nghiên cứu
Nghiên cứu của Đào Minh Trung và ctv. (2015) nghiên cứu hiệu quả xử
lý nƣớc thải dệt nhuộm bằng chất trợ keo tụ hóa học và sinh học, kết quả khảo
sát cho thấy khi sử dụng vật liệu keo tụ PAC-HA01T với lƣợng 200 mg/L và ở
pH = 7 cho hiệu quả cải thiện màu là 85,3%; hiệu quả cải thiện COD là 57,8%

và SS là 91,4%. Quá trình xử lý nƣớc thải dệt nhuộm bằng vật liệu PAC kết
hợp với chất trợ keo tụ sinh học cho kết quả thấp hơn khi sử dụng chất trợ keo
tụ hóa học trong cùng điều kiện nghiên cứu. Với hiệu suất cải thiện COD lần
lƣợt là 59,7% và 60,3%; hiệu suất cải thiện độ màu lần lƣợt là 87,1% và
87,3%; TSS là 92,6% và 93,2%.
10


Nghiên cứu của Yuan Shing Perng et al. (2014) cho thấy khi nồng độ
màu đầu vào (IDC) của màu nhuộm RB 19 tăng lên tới 100 mg/L, hiệu quả
loại bỏ màu RB 19 của PAC là tƣơng đối ổn định (48,1%). Tuy nhiên, nếu trên
nồng độ này, hiệu quả loại bỏ màu của PAC giảm xuống còn 20,8%. Trong
nghiên cứu này, khi cho chất keo tụ sinh học kết hợp với PAC, chất keo tụ
sinh học đƣợc thêm vào 40%, hiệu quả cải thiện màu tăng đến 92,6% (RB 19)
và 94,2% (RB5). Khi tăng phần chất keo tụ sinh học lên 40 - 100%, việc loại
bỏ thuốc nhuộm giảm đáng kể, giải thích điều này có thể liên quan đến lƣợng
không thích hợp giữa chất keo tụ sinh học và PAC, vì vậy dẫn đến sự tƣơng
tác giữa chất keo tụ sinh học và PAC kém hiệu quả.
Kết quả nghiên cứu của Joo et al. (2005), Ngô Kim Định và ctv. (2014)
đã tiến hành xử lý nƣớc thải dệt nhuộm bằng phèn nhôm, phèn sắt và sử dụng
thêm chất trợ lắng Polymer tổng hợp. Kết quả cho thấy khi sử dụng lƣợng
phèn sắt lớn hơn 1 g/L thì hiệu quả loại bỏ màu đạt đƣợc nhỏ hơn 20%, khi kết
hợp phèn sắt và chất trợ lắng thì màu của nƣớc thải đƣợc loại hầu nhƣ hoàn
toàn.
Nghiên cứu của Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv. (2015) về hiệu quả cải
thiện chất lƣợng nƣớc thải dệt nhuộm bằng chất trợ keo tụ hóa học và sinh học
trên thiết bị Jartest. Nghiên cứu này nhằm tạo ra loại phèn hỗn hợp dựa trên
hai loại phèn có sẵn là phèn nhôm (Al2(SO4)3.12H2O) và phèn sắt (FeCl3)
nhằm nâng cao hiệu quả xử lý COD và độ màu nƣớc thải dệt nhuộm. Kết quả
nghiên cứu cho thấy với tỉ lệ FeCl3/Al2(SO4)3.12H2O là 3 : 1 cho hiệu suất loại

bỏ màu và COD đạt lần lƣợc là 87,3% và 90%.
Kết quả nghiên cứu của Mohamed et al. (2014) cho thấy 6 g/L phèn
nhôm loại bỏ 90% màu nhuộm, khi tăng lƣợng chất keo tụ PAC từ 0,8 g/L đến
2 g/L hiệu suất loại màu tăng từ 98% lên 100%. Kết quả nghiên cứu cũng cho
thấy tiếp tục tăng lƣợng chất keo tụ sau lƣợng tối ƣu không gia tăng hiệu suất
loại màu.
2.3. Tổng quan về vật liệu keo tụ có nguồn gốc từ sinh học
Thuật ngữ Biogum dùng để chỉ gum ly trích từ thực vật, gum đƣợc định
nghĩa là những polysaccarit có cấu tạo gồm nhiều đơn vị đƣờng 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 đƣờng đơn giản nhƣ arabinose, galactose,
glucozơ, manozơ, xylozơ hay axit uronic. Gum có nhiều trong tự nhiên và
thƣờng đƣợc tìm thấy ở các loài thực vật bậc cao, gum có ƣu 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).
11


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 tƣơng 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 đƣợc 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.
2.3.1. Phương pháp chế tạo vật liệu sinh học Biogum
Phƣơng pháp chung để chiết tách polysaccarit từ thực vật là phƣơng
pháp hòa tan với các kỹ thuật hòa tan trong nƣớc cất hoặc hòa tan trong dung
dịch nƣớc 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 đƣợc kết tủa lại trong dung môi etanol hoặc axeton. Trong
nghiên cứu này phƣơng pháp hòa tan trong nƣớc cất đƣợc sử dụng để ly trích
Biogum - chất thu đƣợc từ thực vật (Hanif, 2008).

Phƣơng pháp ly trích bằng nƣớc cất đƣợc sử dụng để chế tạo vật liệu
sinh học ứng dụng trong cải thiện chất lƣợng nƣớc thải để giảm chi phí sản
xuất Biogum và ngăn sự phá hủy cấu trúc Biogum trong môi trƣờng axit.
2.3.2. Phương pháp chế tạo vật liệu nguồn gốc sinh học (Biogum cải tiến)
Vật liệu có nguồn gốc sinh học là vật liệu đƣợc tổng hợp từ hạt nano oxit
từ tính với vật liệu sinh học Biogum, nên vật liệu có nguồn gốc sinh học
(Biogum cải tiến) vừa có đặc điểm sinh học (có khả năng tự phân hủy trong tự
nhiên và thân thiện với môi trƣờng) vừa có khả năng thu hồi và tái sử dụng
nhiều lần.
Thông thƣờng trong cải thiện chất lƣợng nƣớc thải thƣờng sử dụng các
chất keo tụ truyền thống nhƣ PAC, phèn sắt, phèn nhôm… Tuy nhiên các vật
liệu này không thân thiện môi trƣờng do lƣợng dƣ trong nƣớc gây độc cho
ngƣời và động vật thủy sinh (Bodlund, 2014), bên cạnh đó chất keo tụ Biogum
không có khả năng tái sử dụng. Do đó vật liệu Biogum cải tiến đƣợc đề xuất
thay thế các chất keo tụ truyền thống trong nghiên cứu cải thiện chất lƣợng
nƣớc thải dệt nhuộm và xi mạ.

Có nhiều phƣơng pháp hóa học đƣợc sử dụng để tổng hợp vật liệu nano
từ tính bao gồm: đồng kết tủa, phân hủy nhiệt, phƣơng pháp vi nhũ, phƣơng
pháp thủy nhiệt, …
2.3.2.1. Phƣơng pháp đồng kết tủa
Đồng kết tủa là phƣơng pháp chế tạo hạt nano từ tính đơn giản và hiệu

12

quả nhất bằng việc điều chỉnh điều kiện thí nghiệm (tác chất hoặc nhiệt độ
phản ứng). Với phƣơng pháp đồng kết tủa: chất gốc là các muối vô cơ nhƣ
FeCl2, FeCl3, FeSO4, … đƣợc hòa tan trong môi trƣờng nƣớc, sau đó đƣợc cho
phản ứng với dung dịch bazơ nhƣ KOH, NaOH, NH4OH và chất oxi hóa nhẹ,
… để tạo kết tủa. Sản phẩm kết tủa đƣợc lọc rửa sạch bằng nƣớc cất và đƣợc
làm khô ở nhiệt độ 40 - 60oC trong chân không. Các hạt đƣợc tổng hợp có kích
thƣớc từ vài nanomet đến vài chục nanomet. Bằng cách thay đổi các yếu tố
nhƣ tỉ lệ vật liệu ban đầu, trạng thái oxy hóa, pH dung dịch, lực ion, … kích
thƣớc hạt có thể đƣợc kiểm soát từ 2 – 15 nm (Laurent et al., 2008).
2.3.2.2. Phƣơng pháp sol - gel
Phƣơng pháp sol - gel tạo ra các hợp chất ở dạng khối, siêu mịn, màng
mỏng và sợi. Phƣơng pháp này bao gồm hai loại phản ứng cơ bản là phản ứng
thủy phân và Polymer hóa ngƣng tụ. Hạt đƣợc tạo thành tồn tại ở dạng gel.
Quá trình tạo sol bao gồm sự hòa tan các ion kim loại hoặc các oxit kim loại
kiềm, các muối kim loại hữu cơ trong dung môi rƣợu hoặc các muối kim loại
vô cơ trong dung môi nƣớc (Hasany et al., 2012; Laurent et al., 2008).
2.3.2.3. Phƣơng pháp vi nhũ
Vi nhũ là một phƣơng pháp phổ biến để chế tạo hạt nano. Vi nhũ là sự
phân tán của chất lỏng trong một chất lỏng khác, vi nhũ nƣớc trong dầu bao
gồm các giọt nƣớc có kích thƣớc nano phân tán trong pha dầu và đƣợc ổn định
bằng màng phân cách của các chất hoạt động bề mặt. Trong phƣơng pháp này,
các hạt dung dịch nƣớc bị bẫy bởi các phân tử hoạt động bề mặt phân tán trong
pha dầu liên tục. Các hốc hoạt hóa bề mặt tạo ra sự giới hạn về không gian,
làm cho sự hình thành và phát triển các hạt nano bị hạn chế. Do đó các hạt
nano đƣợc tạo thành rất đồng nhất (Hasany et al., 2012).

2.3.2.4. Phƣơng pháp thủy nhiệt
Phƣơng pháp thủy nhiệt đƣợc sử dụng rộng rãi để chế tạo nhiều loại cấu
trúc nano của cả vật liệu hữu cơ và vô cơ. Phản ứng đƣợc thực hiện trong môi
trƣờng nƣớc trong bình phản ứng hoặc nồi chƣng áp ở áp suất cao hơn 2000

psi và nhiệt độ hơn 200oC. Phƣơng pháp này gồm hai quá trình: thủy phân và
oxi hóa hoặc trung hòa hỗn hợp hydroxit kim loại. Điều kiện phản ứng nhƣ
dung môi, nhiệt độ, thời gian ảnh hƣởng quan trọng đến sản phẩm (Laurent et
al., 2008).

2.4. Tổng quan về nƣớc thải dệt nhuộm và các phƣơng pháp xử lý
Đối với nƣớc thải công nghiệp dệt nhuộm, kết quả nghiên cứu của
Rachakornkij et al. (2004) cho rằng thành phần tính chất nƣớc thải quyết định

13


phƣơng pháp để xử lý nƣớc. Hai công nghệ chính đƣợc sử dụng để loại màu là
oxy hóa và hấp phụ.

2.4.1. Thành phần ô nhiễm
Hai nguồn ô nhiễm màu chính là công nghiệp dệt may và công nghiệp
nhuộm vải. Nƣớc thải của các ngành công nghiệp này có độ màu cao và rất
khó xử lý do thuốc nhuộm đƣợc sử dụng là các phân tử tổng hợp phức tạp
chống lại sự phân hủy của vi khuẩn ƣa khí và bền với ánh sáng cũng nhƣ nhiệt
độ. Màu nhuộm là những hợp chất hữu cơ đƣợc sử dụng để nhuộm vải, giấy,
nhựa, sơn và chất màu tổng hợp, hầu hết màu nhuộm không phân hủy sinh học
và gây độc cao. Trong quá trình nhuộm, nồng độ thuốc nhuộm dao động từ 10
- 200 mg/L và có đến 10 - 15% màu nhuộm không bám hết vào vật liệu cần
nhuộm và luôn hiện diện trong nƣớc thải (Kumar, 2012; Bell et al., 2000).
Kết quả nghiên cứu của Demirer et al. (2003) nƣớc thải dệt nhuộm là
tổng hợp nƣớc thải phát sinh từ tất cả các công đoạn hồ sợi, nấu tẩy, tẩy trắng,
làm bóng sợi, nhuộm in và hoàn tất. Thành phần nƣớc thải dệt nhuộm không
ổn định, thay đổi theo từng nhà máy khi nhuộm và các loại vải khác nhau, môi
trƣờng nhuộm là axit hay kiềm hoặc trung tính. Kết quả nghiên cứu của Yuan

Yu-Li et al. (2006), Thitame et al. (2016) cho rằng đặc tính của nƣớc thải dệt
nhuộm hầu hết là các hợp chất từ dẫn xuất phenol, dẫn xuất anilin, axit hữu cơ
và các dẫn xuất benzen, với nồng độ ô nhiễm tùy thuộc vào công nghệ nhuộm.
Mặt khác trong quá trình sản xuất có rất nhiều hóa chất độc hại đƣợc sử
dụng để sản xuất tạo màu, nhƣ phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chất điện
ly, chất ngậm, chất tạo môi trƣờng, tinh bột, men, chất oxy hóa… (Kumar,
2017; Unlu et al., 2009; Ahmad et al., 2002). Bên cạnh đó, trong quá trình sản
xuất, hiệu quả hấp phụ thuốc nhuộm chỉ đạt từ 60 - 70%, các phẩm nhuộm
thừa còn lại ở dạng nguyên thủy hay ở dạng phân hủy và các chất này thƣờng
có chứa các ion kim loại nặng.
Nếu nƣớc thải chƣa đƣợc xử lý hoặc xử lý chƣa đạt tiêu chuẩn xả thải ra
nguồn tiếp nhận, hóa chất có trong nƣớc thải sẽ gây chết hệ vi sinh vật có lợi
trong nguồn tiếp nhận, làm chết cá và các loại động vật sống dƣới nƣớc, các
chất độc này còn có thể thấm vào đất, tồn tại lâu dài và ảnh hƣởng tới nguồn
nƣớc ngầm, ảnh hƣởng đến đời sống của con ngƣời. Nƣớc thải dệt nhuộm
thƣờng có độ màu rất lớn, thay đổi thƣờng xuyên tùy loại thuốc nhuộm và có
nhiệt độ cao nên cần phải đƣợc xử lý triệt để trƣớc khi thải ra nguồn tiếp nhận
(Hussein, 2013).

14