Nghiên cứu cấu trúc xơ sen và tổng hợp vật liệu nanocomposite mno2diatomite ứng dụng cho xử lý nước thải dệt nhuộm sợi bông pha sen
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.26 MB, 67 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------
NGUYỄN VĂN THƯ
NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC XƠ SEN VÀ TỔNG HỢP
VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE MnO2/DIATOMITE
ỨNG DỤNG CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT
NHUỘM SỢI BÔNG PHA SEN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU DỆT MAY
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. ĐẶNG TRUNG DŨNG
PGS.TS. NGUYỄN MINH TUẤN
HÀ NỘI-2019
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cơ,
gia đình, bạn bè và đồng nghiệp cùng sự nỗ lực cố gắng của bản thân, luận văn tốt
nghiệp cao học của tơi đã hồn thành.
Tác giả chân thành cảm ơn Lãnh đạo Phịng Đào tạo, Bộ mơn Cơng Nghệ
Điện Hóa và Bảo Vệ Kim Loaị, Viện Dệt may - Da giầy & Thời trang - Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội cùng tồn thể các thầy cơ đã tận tình dạy bảo, tạo điều kiện
giúp đỡ tơi trong suốt hai năm học vừa qua.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Đặng Trung
Dũng, PGS.TS. Nguyễn Minh Tuấn người đã dành nhiều thời gian, tâm sức, tận
tình hướng dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Do cịn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo cũng như thời gian thực hiện
nên luận văn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự
góp ý, chỉ bảo thêm từ các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để đề tài được hoàn
chỉnh hơn.
Hà nội, ngày 5 tháng 4 năm 2019
Tác giả
Nguyễn Văn Thư
Nguyễn Văn Thư
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là: Nguyễn Văn Thư SHHV: CB170138
Chuyên ngành: Cơng nghệ Vật liệu Dệt may
Lớp: 2017B-VLDM
Khóa: CH2017B
Nơi cơng tác: Trường Đại học Công nghiệp Dệt May Hà Nội
Đề tài: Nghiên cứu cấu trúc xơ sen và tổng hợp vật liệu nanocomposite
MnO2/diatomite ứng dụng cho xử lý nước thải dệt nhuộm sợi vải bông pha
sen.
Tôi xin cam đoan các kết quả tơi trình bày trong luận văn là do tôi nghiên
cứu dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Trung Dũng, PGS.TS. Nguyễn Minh
Tuấn - Bộ môn Công Nghệ Điện Hóa và Bảo Vệ Kim Loaị, Cơng Nghệ Dệt,
Viện Dệt May- Da Giày & Thời trang Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố
trong bất kỳ cơng trình nào.
Hà Nội, ngày 5 tháng 4 năm 2019
Tác giả
Nguyễn Văn Thư
Nguyễn Văn Thư
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................
MỤC LỤC ...................................................................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................
LỜI NĨI ĐẦU ..........................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................3
1.1. Tổng quan về sợi sen .....................................................................................3
1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển ...............................................................3
1.1.2. Ứng dụng trong cơng nghiệp dệt may ......................................................6
1.2. Q trình nhuộm sợi và những tác động đến môi trường ..............................7
1.2.1. Lịch sử các quá trình nhuộm sợi [1,2] ......................................................7
1.2.2. Quá trình nhuộm vải bông pha sen và yêu cầu xử lý môi trường: ...........9
1.2.3. Thuốc nhuộm và tác hại đến môi trường:...............................................10
1.2.4. Xử lý thuốc nhuộm trong nước thải quá trình nhuộm sợi ......................14
1.2.4.1. Phương pháp hấp phụ [1,7] ..............................................................14
1.2.4.2. Phương pháp ơxy hóa [1,7] ...............................................................14
1.2.4.3. Phương pháp Fenton điện hóa ..........................................................15
1.2.4.4. Các phương pháp ơxy hố tiên tiến ...................................................17
1.3. Vật liệu nano và ứng dụng trong xử lý nước thải có chứa thuốc nhuộm ....19
1.3.1. Vật liệu nano và các hình thái của vật liệu nano ....................................19
1.3.2. Các phương pháp tổng hợp.....................................................................21
1.3.3. Ứng dụng của vật liệu nano [18, 19]: .....................................................22
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27
2.1. Đối tượng nghiên cứu: .................................................................................27
2.2. Nội dung nghiên cứu: ..................................................................................27
2.3. Phương pháp thực nghiệm và nghiên cứu: ..................................................27
2.3.1. Hóa chất, dụng cụ thí nghiệm và quy trình chế tạo vật liệu
nanocomposite MnO2/Diatomite .............................................................................27
Nguyễn Văn Thư
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
2.3.1.1. Hóa chất và dụng cụ ..........................................................................27
2.3.1.2. Quy trình thực nghiệm .......................................................................28
b. Quy trình tổng hợp mẫu ................................................................................28
Quy trình tổng hợp mẫu được trình bày trên hình 2.1 ........................................28
2.3.2. Các phương pháp nghiên cứu (SEM, XRD, TEM, UV-Vis) .................30
2.3.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ..................................................30
2.3.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM.............................................31
2.3.2.3 Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)..................................................32
2.3.2.4. Phương pháp hấp thụ đa lớp Brunauer-Emmett-Teller (BET) .........34
2.3.2.5. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ...............................35
2.3.2.6. Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis) ..................................36
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................................38
3.1. Nghiên cứu cấu trúc xơ sen: ........................................................................38
3.2. Tổng hợp vật liệu nanocomposit MnO2/diatomite và nghiên cứu các đặc
trưng hình thái, cấu trúc: .........................................................................................43
3.2.1. Hình thái bề mặt: ....................................................................................43
3.2.2. Thành phần, cấu trúc và độ xốp: ............................................................48
3.3. Nghiên cứu ứng dụng nanocomposite MnO2/ diatomite trong xử lý chất màu:
.................................................................................................................................51
3.3.1. Kết quả xử lý methyl da cam và methylene xanh: .................................51
3.3.2. Kết quả xử lý nước thải từ làng nghề: ....................................................53
KẾT LUẬN .............................................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................57
Nguyễn Văn Thư
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần hoá học của Diatomite tại mỏ Hoà Lộc (Phú
Yên): ................................................................................................ 24
Bảng 2.1. Hóa chất ........................................................................... 28
Bảng 2.2. Dụng cụ ............................................................................ 28
Bảng 3.1. Thành phần các nguyên tố có mặt trong mẫu nanocomposite
MO/diatomite ................................................................................... 49
Bảng 3.2. Kết quả đo diện tích riêng bề mặt và độ xốp bằng phương
pháp BET của các mẫu nanocomposite MO/diatomite, diatomite
ngun chất và MnO2 vơ định hình để so sánh. ................................ 51
Bảng 3.3. Kết quả phân tích khả năng phân hủy màu phụ thuộc vào
lượng chất xử lý nanocomposite MnO 2/diatomite. ............................ 53
Nguyễn Văn Thư
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Quy trình lấy tơ sen từ cọng sen ....................................................... 3
Hình 1.2. Rút tơ từ cọng sen ............................................................................. 4
Hình 1.3. Bàn vê lấy tơ sen ............................................................................... 4
Hình 1.4. Mắc lên guồng kéo sợi sen ................................................................ 5
Hình 1.5. Đánh suốt sợi sen lên guồng ............................................................. 5
Hình 1.6. Máy dệt thủ cơng vải sen. ................................................................. 6
Hình 1.7. Áo vest thương hiệu Lora Piana từ vài bơng pha sen. ...................... 7
Hình 1.8. Nhuộm vải bơng pha sen bằng nguyên liệu tự nhiên. ..................... 10
Hình 1.9. Các q trình hình thành gốc hydrơxyl ........................................... 18
Hình 1.10. Một số cấu trúc vật liệu nano ........................................................ 20
Hình 1.11. Quặng diatomite Phú Yên ............................................................. 24
Hình 1.12. Cấu trúc siêu xốp của vỏ tảo silic - diatomite ............................... 25
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình chế tạo mẫu MnO2 và nanocomposite
MnO2/diatomite ............................................................................................... 29
Hình 2.2. Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra trên các mặt mạng .............................. 30
Hình 2.3. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét SEM...................................... 32
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý ghi nhận tín hiệu phổ EDX trong SEM ............... 33
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện từ truyền qua .... 35
Hình 3.1. Ảnh SEM của xơ sen sau khi được lấy từ cuống sen và xử lý sơ bộ
......................................................................................................................... 38
Hình 3.2. Ảnh vi mô Sợ
i tơ sen; 1- Sợi tơ chụp ở độ phóng đại 10 lần; 2,3 –
Sợi tơ chụp ở độ phóng đại 40 lần .................................................................. 39
Hình 3.3. Ảnh SEM tiết diện của xơ sen (a, b) và ảnh SEM màu của xơ sen (c,
d, e) sau khi được lấy từ cuống sen và xử lý sơ bộ ......................................... 41
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc tế bào ....................................................................... 42
Nguyễn Văn Thư
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Hình 3.5. Ảnh SEM của diatomite .................................................................. 43
Hình 3.6. Ảnh SEM của diatomite trước khi phủ MnO2 (a) và nanocomposite
MnO2/diatomite (b) ......................................................................................... 44
Hình 3.7. Ảnh SEM của CMD với các tỷ lệ khối lượng KMnO4/diatomite lần
lượt là: a) 0.4; b) 1.6; c) 2.13; d) 3.2. .............................................................. 45
Hình 3.8. Ảnh TEM của MO/diatomite với tỷ lệ khối lượng phối hợp của
KMnO4/diatomite là 1,6. ................................................................................. 46
Hình 3.9. Ảnh SEM-Mapping của mẫu nanocomposite MO/diatomite. a); ảnh
SEM nền diatomite; b,c); ảnh SEM của nanocomposite MO/diatomite; ảnh
Mapping của nanocomposite MO/diatomite được phân tích từ chính ảnh c. . 47
Hình 3.10. Ảnh SEM và kết quả phân tích tán xạ tia X (EDX) của mẫu
nanocomposite MO/diatomite. ........................................................................ 49
Hình 3.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu MnO2 so sánh (a) và mẫu
nanocomposite MO/diatomite (b). .................................................................. 50
Hình 3.12. Sự biến đổi màu của methyl da cam (a) và methylene xanh (b) khi
tăng lượng chất xử lý màu – nanocomposite MnO2/diatomite . Phổ UV-Vis
của các dung dịch tương ứng khi xử lý methyl da cam (c) và methylene xanh
(d) .................................................................................................................... 52
Hình 3.13. Sự biến đổi màu của nước thải nhuộm vải bông pha sen bằng
thuốc nhuộm hồn ngun có nguồn gốc hữu cơ bằng nanocomposite
MnO2/diatomite và kết quả phân tích quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis).
......................................................................................................................... 54
Nguyễn Văn Thư
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm qua, cùng với sự phát triển của xã hội, ngành dệt may
cũng không ngừng phát triển, gia tăng nhanh chóng sản lượng sản xuất. Đây là
ngành thu hút một lượng lớn lao động khoảng hơn 2,5 triệu người, với hơn 6.000
doanh nghiệp. Hiện nay nhu cầu về việc tìm kiếm nhưng nguồn cung cấp các loại
nguyên liệu mới cho sản xuất sợi, vải cao cấp đang vơ cùng cấp thiết. Trong đó, sợi
từ xơ sen là một hướng đi có nhiều triển vọng. Vì vậy việc nghiên cứu cấu trúc và
các tính chất của xơ sen là một việc làm cần thiết, có tính ứng dụng lâu dài.
Sự phát triển của ngành dệt may cũng kéo theo các hệ lụy về ô nhiễm môi
trường. Để nâng cao năng lực sản xuất và giảm thiểu chất thải, tiết kiệm tài nguyên
thiên nhiên, ngành dệt may đã áp dụng các giải pháp sản xuất sạch hơn, nhằm thay
đổi mơ hình sản xuất theo hướng bền vững và thân thiện môi trường.
Bên cạnh các công ty, nhà máy được đầu tư bài bàn với các khu xử lý lý
nước thải hiện đại, tập trung, cịn có hàng ngàn cơ sở nhỏ lẻ từ các làng nghề truyền
thống. Với quy mô sản xuất nhỏ, lẻ nên lượng nước thải sau sản xuất hầu như không
được xử lý, mà được thải trực tiếp ra hệ thống cống rãnh và đổ thẳng ra môi trường
gây ô nhiễm nghiêm trọng cho các hệ thống cống, rãnh, ao, hồ, không những vậy nó
cịn thẩm thấu xuống mạch nước ngầm và ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người.
Với dây chuyền công nghệ phức tạp, bao gồm nhiều công đoạn sản xuất khác
nhau nên nước thải sau sản xuất dệt nhuộm chứa nhiều loại hợp chất hữu cơ độc
hại, đặc biệt là các công đoạn tẩy trắng và nhuộm màu. Việc tẩy, nhuộm vải bằng
các loại thuốc nhuộm khác nhau như thuốc nhuộm hoạt tính, thuốc nhuộm trực tiếp,
thuốc nhuộm hồn ngun, thuốc nhuộm phân tán… khiến cho lượng nước thải
chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau (chất tạo màu, chất làm bền màu...).
Trong những năm gần đây, đã có nhiều cơng trình nghiên cứu và sử dụng các
phương pháp khác nhau nhằm xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải
như: phương pháp vật lý, phương pháp sinh học, phương pháp hố học, phương
Nguyễn Văn Thư
1
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
pháp điện hố... Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế nhất định về
mặt kỹ thuật cũng như mức độ phù hợp với điều kiện kinh tế của từng quốc gia.
- Đề tài này với nội dung: Nghiên cứu cấu trúc xơ sen và tổng hợp vật liệu
nanocomposite MnO2/diatomite ứng dụng cho xử lý nước thải dệt nhuộm sợi vải
bông pha sen, xuất phát từ những nguyên nhân khách quan và chủ quan đó.
Đề tài được triển khai gồm các phần sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Kết luận của luận văn
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
Nguyễn Văn Thư
2
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về sợi sen
1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển
Trong khoảng một thập kỷ gần đây, việc nghiên cứu các loại nguồn cung cấp
sợi cho quá trình chế tạo sợi để dệt vải đã tìm ra được một số đối tượng mới, trong
đó có việc lấy tơ từ cây sen để chế tạo sợi và dệt thành vải thương phẩm.
Loại sen cho nhiều tơ là loại sen hồng, có tên khoa học hồn toàn như loài
của ta đang trồng nhiều, như loài sen làng Phùng Xá, Thạch Thất, Hà Nội. Để lấy tơ
sen phục vụ cho việc chế tạo sợi, cuống sen phải là loại cuống sen nhỏ, có mầu bên
ngồi nâu và xanh, đường kính chỉ khoảng 6 ÷ 7mm, chiều dài khoảng 1m. Các
cuống sen sau khi thu hoạch chưa kéo sợi thì được bó lại và ngâm dưới hồ nước, có
thể giữ cuống sen như vậy trong một tuần. Ở Myanmar, người ta thu hoạch các
cuống sen còn tươi, khi chưa kịp lấy sợi thì các bó cuống sen được giữ dưới hồ cho
tươi, nhiều nhất là 7 ngày trước khi lấy tơ.
Hình 1.1. Quy trình lấy tơ sen từ cọng sen
Các bước lấy tơ có thể được thực hiện như sau:
Bước 1-Lấy tơ: việc lấy tơ rất thủ công như trên các hình 1.1, 1.2 và 1.3. Khi
lấy tơ sen người ta dùng một bàn gỗ nhỏ, thấp, khoảng 30x80cm. Tùy loại cuống
sen to hoặc nhỏ, thợ dùng tay trái lấy và chập 4 ÷ 5 cuống sen cho một lần lấy tơ,
cắt bỏ đoạn đầu cho các cuộng sen đều nhau, tay phải dùng dao nhỏ, sắc để khía các
đoạn ngắn dài từ 3 ÷ 5 cm rồi bẻ và kéo tơ hai phía trên và dưới, tay phải đặt tơ sen
Nguyễn Văn Thư
3
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
sát xuống bàn, kéo dài tơ sen bằng tay trái, kéo lặp lại 4 ÷ 5 lần lấy tơ từ 4 ÷ 5 đoạn
nhỏ của cuống sen đó, vo miết các sợi cho chập lại bằng tay để tạo độ xoắn dai rồi
kéo gần hết sợi sen thu được xuống một khay trịn. Cơng việc lặp lại với các khúc
cuống sen tiếp theo, tơ sen được chập để nối với đoạn sợi tơ cũ thành tơ sợi dài. Sợi
tơ được khoanh tròn đặt trên một chậu đựng, lần lượt các sợi tơ này được cuốn vào
suốt khi sợi sen cịn chưa khơ.
Hình 1.2. Rút tơ từ cọng sen
Hình 1.3. Bàn vê lấy tơ sen
Bước 2-Đánh suốt: Sợi tơ từ khay được chuyển vào guồng rồi đánh vào các
suốt, guồng và các suốt sợi giống như của các quá trình chế tạo sợi truyền thống
khác của Việt Nam, nhưng các suốt được làm bằng tre, có thể để tăng độ bám dính.
Nguyễn Văn Thư
4
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Bước 3-Kéo sợi: Từ 4 ống suốt chứa sợi sen được lắp đặt vào các guồng, thợ
thao tác kiểm tra độ chắc của sợi, nối lại các đoạn sợi không chắc chắn. Việc kiểm
tra độ bền chắc theo kinh nghiệm, khơng dùng một thiết bị kiểm tra nào.
Hình 1.4. Mắc lên guồng kéo sợi sen
Bước 4-Phơi sợi: Các cuộn sợi sen được phơi trong nhà, tuyệt đối không
luộc hoặc phơi ngồi nắng.
Hình 1.5. Đánh suốt sợi sen lên guồng
Bước 5-Dệt vải sen pha bông hoặc tơ tằm: Sợi sau khi khô được đánh lại vào
các suốt sợi và lắp vào máy dệt. Loại máy dệt thủ công dùng chung cho dệt sợi
bông, sợi tơ tằm. Máy để dệt với sợi dọc là sợi bông, hai loại sơi ngang là tơ tằm và
tơ sen. Để tránh rối, 40m sợi được lấy ra từ cột sợi dọc và quấn vào túi nhựa, sợi
Nguyễn Văn Thư
5
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
ngang được quấn vào các suốt bằng tre nhỏ. Một spinner có thể gia cơng 30kg cọng
sen để kéo 250m sợi sen/ngày. Từ hình 1.6 có thể thấy các sợi dọc là các sợi bông
được sắp xếp đơn giản bằng cách luồn qua hàng loạt mắt go, còn sợi ngang được
quấn lên các suốt và đưa qua khổ vải bằng tay. Thông thường cần khoảng 25 phụ nữ
chỉ sản xuất đủ sợi để cho một người dệt. Một thợ dệt thủ cơng kinh nghiệm có thể
dệt 1 mét vải/ngày. Các tơ lấy từ 70 ÷ 120.000 cọng sen đủ để dệt một bộ quần áo
bằng sợi sen.
Hình 1.6. Máy dệt thủ cơng vải sen.
Sen là một lồi cây hoa đẹp và có nhiều đặc tính chữa bệnh, có thể sử dụng
tất cả các phần của cây trong đời sống. Vải dệt từ sợi sen kết hợp với sợi bông có
nhiều đặc tính tốt như: bền, tiện nghi và khơng nhầu. Ngoài ra, một ưu điểm đặc
biệt của việc lấy sợi từ tơ sen là “thân thiện mơi trường”, vì đây là xơ tự nhiên, được
ni trồng hồn tồn hữu cơ.
Tuy nhiên, quá trình thu tơ sen, và chế tạo vải từ sợi sen vẫn còn một số
nhược điểm như: phương pháp thu gom xơ nguyên liệu để kéo sợi và dệt vải hồn
tồn thủ cơng nên tốn thời gian, nhiều cơng lao động và có chi phí sản xuất quá cao.
Vải từ sợi sen cần dệt ngay trong ngày tránh bị xơ bị hư hỏng.
1.1.2. Ứng dụng trong công nghiệp dệt may
Sợi từ tơ sen có thể pha với tơ tằm hay sợi bông để sản xuất vải cho các mặt
hàng may mặc thời trang. Hỗn hợp 15% xơ sen và 85% xơ bơng có thể sử dụng cho
bọc đệm và làm khăn quàng và khăn trải bàn. Hãng Kyarchi đã ứng dụng thành
công loại vải này cho các sản phẩm khăn, vải và quần áo tâm linh. Hãng thời trang
Nguyễn Văn Thư
6
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Ý - Lora Piana cũng đã bước đầu cho ra mắt các sản phẩm thời trang cao cấp như
complet, áo sơ mi, áo vest… từ vải bơng pha sen.
Hình 1.7. Áo vest thương hiệu Lora Piana từ vài bông pha sen.
Bên cạnh vải bông pha sen, phân khúc vải lụa pha sen – loại vải được dệt kết
hợp từ sợi sen và tơ tằm cũng có những ưu điểm đặc biệt. Không chỉ mềm, mịn,
mát, nhẹ như lụa tơ tằm, lụa sen cịn có ưu điểm là xốp, thấm nước. Lụa thường có
mầu trắng ngà, nâu nhạt nguyên thủy vì các nghệ nhân rất hạn chế nhuộm (kể cả
bằng mầu tự nhiên). Thân thiện với mơi trường, có mùi hương dịu nhẹ đặc trưng
của sen, được làm hoàn toàn bằng phương pháp thủ công tốn thời gian, công sức...
Do đó lụa sen có giá rất đắt. Một chiếc khăn chiều dài 1,7 m, bề rộng 20 cm có giá
bán khơng dưới năm triệu đồng.
1.2. Q trình nhuộm sợi và những tác động đến môi trường
1.2.1. Lịch sử các quá trình nhuộm sợi [1,2]
Nhuộm là một qui trình cần thiết trong dây chuyền dệt và làm tăng đáng kể
giá trị kinh tế của sản phẩm. Xơ, sợi, vải, và thậm chí cả hàng may mặc có thể được
nhuộm. Hai kỹ thuật chính được sử dụng để nhuộm là nhuộm tận trích và nhuộm
ngấm ép.
Trong nhuộm tận trích, vật liệu được đưa đến trạng thái cân bằng bằng một
dung dịch chứa thuốc nhuộm trong khoảng thời gian vài phút đến vài giờ. Nhuộm
tận trích là một qui trình khơng liên tục (theo đợt). Các loại máy khác nhau được sử
dụng trong nhuộm vải, tùy thuộc vào các chất nền được nhuộm và sản phẩm cuối
Nguyễn Văn Thư
7
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
của hàng dệt được nhuộm. Mỗi máy được đặc trưng bởi một tỷ lệ dung dịch điển
hình (trọng lượng dệt (kg)/thể tích dung dịch nhuộm).
Trong nhuộm ngấm ép, thuốc nhuộm được sử dụng cơ học cho các chất nền
(mức độ tiếp nhận dung dịch khoảng từ 50% đến 100%, tùy thuộc vào chất nền và
qui trình nhuộm) và sau đó được cố định trong một q trình bán liên tục hoặc liên
tục (thường là bằng cách chưng hấp). Thông thường, nhuộm diễn ra tại các cơ sở
chuyên về các hoạt động như vậy và xử lý hàng thô mà chúng thuộc về khách hàng
(các nhà hoàn thiện ăn hoa hồng), nhưng các nhà máy tích hợp có thể bao gồm một
xưởng nhuộm để xử lý nguyên liệu riêng của họ.
Như đã đề cập trước đó, các thuốc nhuộm được thải một phần vào nước thải
tùy thuộc vào mức độ cố định của chúng. Gần như tất cả các chất hữu cơ và vô cơ
được sử dụng như các trợ chất trong qui trình nhuộm được thải ra như là chất thải
trong nước thải. Đối với một số chất (ví dụ, hệ thống chất mang), việc phát thải khí
(khơng khí nơi làm việc, khí thải trong xử lý nhiệt) phải được xem xét.
Thông thường, chất thải trong nước thải của qui trình nhuộm liên tục (đặc
biệt là đối với các lơ nhuộm lớn) thì thấp hơn so với nhuộm từng đợt (tận trích).
Chất thải trong nước thải liên quan đến nhuộm liên tục được gây ra bởi các dư
lượng từ máy nhuộm ngấm ép và rửa vải đã nhuộm.
Với nhuộm tận trích, chất thải trong nước thải có thể được ước tính nếu có
các thơng tin sau đây: cơng thức nhuộm (có sự nhận biết về nồng độ các hoạt chất
COD, AOX, hàm lượng kim loại, v.v… trong thuốc nhuộm và các chất trợ nhuộm);
mức độ cố định của các thuốc nhuộm. Các trường hợp ngoại lệ có thể có (đặc biệt là
các chất mang) như các chất mà chúng được cố định một phần trên các chất nền
(thuốc nhuộm) hoặc các chất mà chúng phản ứng trong quá trình nhuộm (các chất
khử, v.v…).
Nồng độ của thuốc nhuộm trong dung dịch trong nhuộm tận trích dao động
từ 0,1 g/l và 1 g/l (tối đa 10 g/l); đối với các qui trình bán liên tục, nồng độ thuốc
nhuộm trong dung dịch là giữa 1 g/l và 10 g/l (tối đa 100 g/l). Đối với nhuộm liên
tục, nồng độ từ 10 g/l đến 100 g/l thường được sử dụng.
Nguyễn Văn Thư
8
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Việc tiêu thụ nước, năng lượng, thuốc nhuộm, và các chất trợ nhuộm thì khác
nhau trong một phạm vi đáng kể tùy thuộc vào chất nền được nhuộm (loại xơ (PES,
CO, PA, v.v…), cấu trúc (xơ mềm, sợi, vải), sản phẩm dệt cuối cùng, máy nhuộm
khác nhau, trọng tải của máy, qui trình nhuộm được sử dụng, kích thước của lô
nhuộm, yêu cầu chất lượng của khách hàng và các khía cạnh kinh tế, v.v… Hơn
nữa, mức tiêu thụ thuốc nhuộm phụ thuộc vào sắc thái màu (bình thường các màu
tối cần có nhiều thuốc nhuộm hơn các màu sáng).
1.2.2. Q trình nhuộm vải bơng pha sen và u cầu xử lý môi trường:
Hiện nay để tạo mầu cho vải pha từ sợi bơng và tơ sen nhóm nghiên cứu
đang tiến hành quá trình nhuộm xử dụng các loại thuốc khác nhau. Với các thuốc
nhuộm có nguồn gốc thiên nhiên như dùng nhựa cây xoài để cho màu đỏ, nhựa cây
mít cho màu nâu… thì qui trình nhuộm ít gây hại môi trường nhưng mầu của vải
kém bền. Đặc biệt, khi nhuộm bằng mầu tự nhiên, quá trình nhuộm yêu cầu nhiệt độ
cao có thể dẫn đến hỏng sợi tơ sen (hình 1.8).
Hiện nay nhóm đang thử nghiệm sử dụng thuốc nhuộm hoàn nguyên (nguồn
gốc hữu cơ) để nhuộm sợi đảm bảo chất lượng và độ bền của vải. Tuy nhiên điều
này lại dẫn đến nhu cầu phải xử lý nước thải sau quá trình nhuộm.
Quá trình nghiên cứu chế tạo sợi sen và vải bông pha sen được nhóm phối
hợp với làng nghề truyền thống mà cụ thể tại khu vực Vạn Phúc - Hà Đơng, nơi
chưa có hệ thống xử lý nước thải tập trung đảm bảo. Do đó u cầu về việc nghiên
cứu một quy trình kỹ thuật xử lý nước thải có chứa thuốc nhuộm (có nguồn gốc hữu
cơ) trong qui mơ nhỏ ỨNG DỤNG CHO CƠ SỞ SẢN XUẤT VẢI TỪ SỢI BÔNG
PHA SEN là cần thiết [1-3].
Nguyễn Văn Thư
9
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Hình 1.8. Nhuộm vải bơng pha sen bằng ngun liệu tự nhiên.
1.2.3. Thuốc nhuộm và tác hại đến môi trường:
Các chất ơ nhiễm chủ yếu có trong nước thải dệt nhuộm là các chất hữu cơ
khó phân hủy, thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt, các hợp chất halogen hữu cơ,
muối trung tính làm tăng tổng hàm lượng chất rắn, nhiệt độ cao và pH của nước thải
cao do lượng kiềm lớn. Trong đó, thuốc nhuộm là thành phần khó xử lý nhất, đặc
biệt là thuốc nhuộm azo - loại thuốc nhuộm được sử dụng phổ biến nhất hiện nay,
chiếm tới 60 ÷ 70% thị phần [4-6]. Thơng thường, các chất màu có trong thuốc
nhuộm khơng bám dính hết vào sợi vải trong q trình nhuộm mà cịn lại một lượng
dư nhất định tồn tại trong nước thải. Lượng thuốc nhuộm dư sau cơng đoạn nhuộm
có thể lên đến 50% tổng lượng thuốc nhuộm được sử dụng ban đầu [4,5]. Đây chính
là nguyên nhân làm cho nước thải dệt nhuộm có độ màu cao và nồng độ chất ơ
nhiễm lớn.
Thuốc nhuộm là các hợp chất mang màu dạng hữu cơ hoặc dạng phức của
các kim loại như Cu, Co, Ni, Cr…Tuy nhiên, hiện nay dạng phức kim loại không
Nguyễn Văn Thư
10
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
còn sử dụng nhiều do nước thải sau khi nhuộm chứa hàm lượng lớn các kim loại
nặng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Thuốc nhuộm dạng hữu cơ mang màu
hiện rất phổ biến trên thị trường.
Tuỳ theo cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng của chúng mà người ta chia
thuốc nhuộm thành các nhóm khác nhau. Ở nước ta hiện nay, thuốc nhuộm thương
phẩm vẫn chưa được sản xuất, tất cả các loại thuốc nhuộm đều phải nhập của các
hãng sản xuất thuốc nhuộm trên thế giới.
Có hai cách để phân loại thuốc nhuộm:
- Phân loại thuốc nhuộm theo cấu trúc hoá học: thuốc nhuộm trong cấu trúc
hố học có nhóm azo, nhóm antraquinon, nhóm nitro,…
- Phân loại theo lớp kỹ thuật hay phạm vi sử dụng: ưu điểm của phân loại
này là thuận tiện cho việc tra cứu và sử dụng, người ta đã xây dựng từ điển thuốc
nhuộm. Từ điển thuốc nhuộm được sử dụng rộng rãi trên thế giới, trong đó mỗi loại
thuốc nhuộm có chung tính chất kỹ thuật được xếp trong cùng lớp như: nhóm thuốc
trực tiếp, thuốc axit, thuốc hoạt tính… Trong mỗi lớp lại xếp theo thứ tự gam màu
lần lượt từ vàng da cam, đỏ, tím, xanh lam, xanh lục, nâu và đen. Sau đây là một số
nhóm thuốc nhuộm thường dùng ở Việt Nam [7]:
Thuốc nhuộm trực tiếp
Thuốc nhuộm trực tiếp hay còn gọi là thuốc nhuộm tự bắt màu là những hợp
chất màu hoà tan trong nước, có khả năng tự bắt màu vào một số vật liệu như: các tơ
xenlulô, giấy… nhờ các lực hấp phụ trong mơi trường trung tính hoặc mơi trường kiềm.
Tuy nhiên, khi nhuộm màu đậm thì thuốc nhuộm trực tiếp khơng cịn hiệu suất bắt màu
cao, hơn nữa trong thành phần có chứa gốc azo (-N=N-), đây là loại hợp chất hữu cơ
độc hại nên hiện nay loại thuốc này khơng cịn được khuyến khích sử dụng nhiều. Mặc
dù vậy, do thuốc nhuộm trực tiếp dễ sử dụng và rẻ nên vẫn được đa số các cơ sở nhỏ lẻ
từ các làng nghề truyền thống sử dụng để nhuộm các loại vải, sợi dễ bắt màu như tơ, lụa,
cotton...
Nguyễn Văn Thư
11
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Thuốc nhuộm axit
Theo cấu tạo hoá học thuốc nhuộm axit đều thuộc nhóm azo, một số là dẫn
xuất của antraquinon, triarylmetan, xanten, azin và quinophtalic, một số có thể tạo
phức với kim loại. Các thuốc nhuộm loại này thường sử dụng để nhuộm trực tiếp
các loại sợi động vật tức là các nhóm xơ sợi có tính bazơ như len, tơ tằm, sợi tổng
hợp polyamit trong môi trường axit.
Thuốc nhuộm hoạt tính
Thuốc nhuộm hoạt tính là những hợp chất màu mà trong phân tử của chúng
có chứa các nhóm ngun tử có thể thực hiện liên kết hố trị với vật liệu nói chung
và xơ dệt nói riêng trong q trình nhuộm. Dạng cơng thức hố học tổng qt của
thuốc nhuộm hoạt tính là: S-R-T-X
Trong đó:
S: là các nhóm -SO3Na, -COONa, -SO2CH3.
R: phần mang màu của phân tử thuốc nhuộm, quyết định màu sắc, những gốc
mang màu này thường là monoazo và diazo, gốc thuốc nhuộm axit
antraquinon, hoàn nguyên đa vịng…
T: nhóm ngun tử phản ứng, làm nhiệm vụ liên kết giữa thuốc nhuộm với
xơ và có ảnh hưởng quyết định đến độ bền của liên kết này, đóng vai trị
quyết định tốc độ phản ứng nucleofin.
X: nhóm ngun tử phản ứng, trong q trình nhuộm nó sẽ tách khỏi phân tử
thuốc nhuộm, tạo điều kiện để thuốc nhuộm thực hiện phản ứng hố học với
xơ.
Mức độ khơng gắn màu của thuốc nhuộm hoạt tính tương đối cao, khoảng
30%, có chứa gốc halogen hữu cơ (hợp chất AOX) nên làm tăng tính độc khi thải ra
mơi trường. Hơn nữa hợp chất này có khả năng tích luỹ sinh học, do đó gây nên tác
động tiềm ẩn cho sức khoẻ con người và động vật.
Thuốc nhuộm bazơ
Thuốc nhuộm bazơ là những hợp chất màu có cấu tạo khác nhau, hầu hết
chúng là các muối clorua, oxalat hoặc muối kép của bazơ hữu cơ.
Nguyễn Văn Thư
12
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Thuốc nhuộm hoàn nguyên
Được dùng chủ yếu để nhuộm chỉ, vải, sợi bơng, lụa Visco. Thuốc nhuộm
hồn ngun phần lớn dựa trên hai họ màu indigoit và antraquinon. Các thuốc
nhuộm hồn ngun thường khơng tan trong nước, kiềm nên thường phải sử dụng
các chất khử để chuyển về dạng tan được (thường là dung dịch NaOH + Na2S2O3 ở
50 ÷ 60oC). Ở dạng tan được này, thuốc nhuộm hoàn ngun khuyếch tán vào xơ
sau đó được ơxy hóa để trở về dạng khơng hịa tan ban đầu.
Thuốc nhuộm lưu huỳnh
Thuốc nhuộm lưu huỳnh là những hợp chất màu chứa nguyên tử lưu huỳnh
trong phân tử thuốc nhuộm ở các dạng -S-, -S-S-, -SO-, -Sn-. Trong nhiều trường
hợp, lưu huỳnh nằm trong các dị vòng như: tiazol, tiazin, tiantren và vịng azin.
Thuốc nhuộm nhóm này rất phức tạp, đến nay vẫn chưa xác định được chính xác
cấu tạo tổng quát của chúng.
Thuốc nhuộm phân tán
Là những chất màu không tan trong nước, phân bố đều trong nước dạng
dung dịch huyền phù, thường được dùng nhuộm xơ kị nước như xơ axetat,
polyamit, polyeste, polyacrilonitrin. Phân tử thuốc nhuộm có cấu tạo từ gốc azo (N=N -) và antraquinon có chứa nhóm amin tự do hoặc đã bị thay thế (- NH2, - NHR,
NR2, - NH - CH2 - OH) nên thuốc nhuộm dễ dàng phân tán vào nước. Mức độ gắn
màu của thuốc nhuộm phân tán đạt tỉ lệ cao (90 ÷ 95 %) nên nước thải không chứa
nhiều thuốc nhuộm và mang tính axit.
Thuốc nhuộm azo khơng tan
Thuốc nhuộm azo khơng tan cịn có tên gọi khác như thuốc nhuộm lạnh,
thuốc nhuộm đá, thuốc nhuộm naptol, chúng là những hợp chất có chứa nhóm azo
trong phân tử nhưng khơng có mặt các nhóm có tính tan như - SO3Na, -COONa nên
khơng hồ tan trong nước.
Nguyễn Văn Thư
13
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Thuốc nhuộm pigment
Pigment là những hợp chất có màu, có đặc điểm chung là khơng tan trong
nước do phân tử khơng chứa các nhóm có tính tan (-SO3H, -COOH) hoặc các nhóm
này bị chuyển về dạng muối bari, canxi không tan trong nước.
Thuốc nhuộm này phải được gia công đặc biệt để khi hồ tan trong nước
nóng nó phân bố trong dung dịch như một thuốc nhuộm thực sự và bắt màu lên xơ
sợi theo lực hấp phụ vật lý.
1.2.4. Xử lý thuốc nhuộm trong nước thải quá trình nhuộm sợi
1.2.4.1. Phương pháp hấp phụ [1,7]
Phương pháp hấp phụ được dùng để phân hủy các chất hữu cơ không hoặc
khó phân hủy sinh học. Trong cơng nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm, thường dùng
chúng để khử màu nước thải dệt nhuộm hịa tan và thuốc nhuộm hoạt tính.
Cơ sở của quá trình là sự hấp phụ chất tan lên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ),
sau đó giải hấp để tái sinh chất hấp phụ.
Các chất hấp phụ thường được sử dụng là than hoạt tính, than nâu, đất sét,
magie cacbonat. Trong số đó, than hoạt tính hấp phụ hiệu quả nhất là do có bề mặt
riêng lớn 400 - 1500 m2/g. Nhu cầu lượng than hoạt tính để xử lý chất thải màu là khác
nhau, trong đó có sự tổn thất do q trình hoạt hóa nhiệt cho than.
Phương pháp này có nhiều ưu điểm nhưng khơng kinh tế nên không được sử
dụng rộng rãi.
1.2.4.2. Phương pháp ôxy hóa [1,7]
Cơ sở của phương pháp này là dùng các chất ơxy hóa mạnh để phá vỡ một
phần hay toàn bộ phân tử thuốc nhuộm chuyển thành dạng đơn giản khác. Các chất
ơxy hóa thường dùng gồm O3, H2O2, Cl2...
Ozơn là chất ơxy hóa mạnh, được dùng để phá hủy các hợp chất hữu cơ đặc
biệt là các hợp chất màu azo có mặt trong nước thải dệt nhuộm. Ưu điểm của nó là
dễ tan trong nước, tốc độ phản ứng nhanh, xử lý triệt để, không tạo bùn cặn, cải
thiện phân giải vi sinh, giảm chỉ số COD của nước. Ơzơn có thể sử dụng đơn lẻ hay
Nguyễn Văn Thư
14
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
kết hợp với hydroperoxit, tia tử ngoại, siêu âm, hấp phụ than hoạt tính để phá huỷ
nhiều thuốc nhuộm azo như: N-rot-green, N-orange và indigo rabinol.
Hydroperoxit cũng là một chất ơxy hóa mạnh, có khả năng ơxy hóa nhiều
hợp chất hữu cơ và vô cơ. Tuy nhiên nếu phản ứng ơxy hóa chỉ bằng hydroperoxit
khơng đủ hiệu quả để ôxy hóa các chất màu có nồng độ lớn. Sự kết hợp giữa H2O2
và FeSO4 tạo nên hiệu ứng Fenton, cho phép khống hóa rất nhiều hợp chất hữu cơ
và nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau (hoạt tính, trực tiếp, bazơ, axit và phân tán),
làm giảm chỉ số COD của nước.
Các chất chứa clo hoạt tính (NaClO, Cl2, …) có thể xử lý nhiều thuốc nhuộm
khác nhau tương đối hiệu quả, tuy nhiên nó cũng có các hạn chế nhất định. Các
nghiên cứu của Hamada và cộng sự đã chỉ ra rằng việc xử lý các chất màu họ azo có
thể được ơxy hóa nhờ natri hypoclorơ (NaClO), nhưng sau khi phá hủy các hợp chất
hữu cơ, các halogen dễ dàng hình thành các trihalogenmetan và gây ơ nhiễm mơi
trường thứ cấp [7].
1.2.4.3. Phương pháp Fenton điện hóa
Phương pháp Fenton điện hóa tạo ra tại chỗ các tác nhân ơxy hóa như hydro
peoxit hoặc gốc hydrơxyl [8-10] đã được phát triển trong các năm gần đây để xử lý
nước thải chứa các hợp chất hữu cơ.
Hiệu ứng Fenton điện hóa khác so với các phương pháp ơxy hóa tiên tiến
khác là hình thành gốc hydrơxyl do phản ứng Fenton xảy ra dưới sự hỗ trợ của dịng
điện. Ưu điểm chính của q trình này là dưới tác dụng của dịng điện, cùng một lúc
hydro peoxit có thể được tạo ra nhờ phản ứng khử ơxy hịa tan trên điện cực catôt
(phản ứng 1.1) và chất xúc tác ion sắt Fe2+ được tái tạo nhờ phản ứng khử điện hóa
(phản ứng 1.2) và cho phép tăng hiệu quả quá trình Fenton.
O2 + 2H+ + 2e → H2O2
(1.1)
Fe3+ + e → Fe2+
(1.2)
Quá trình khử ơxy hồ tan diễn ra theo cơ chế nhận 2 electron tạo H2O2 hoặc
nhận 4 electron tạo -OH phụ thuộc vào bản chất vật liệu làm catốt. Do đó vật liệu điện
cực có khả năng xúc tác điện hóa cho phản ứng khử ơxy tạo H2O2 là một trong các
Nguyễn Văn Thư
15
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
yếu tố quan trọng nhất, quyết định hiệu suất của quá trình xử lý nước thải bằng
phương pháp Fenton điện hóa. Bên cạnh đó, các tiêu chí cơ bản cho sự lựa chọn vật
liệu điện cực phải có quá thế hydro lớn đối với điện cực catốt và quá thế ơxy lớn đối
với q trình anốt.
- Điện cực anốt: Thường sử dụng nhiều nhất là Pt, ngồi ra cịn có thể sử
dụng các loại vật liệu khác như PbO2, kim cương pha tạp nguyên tố Bo (BDD). Khi
sử dụng điện cực anốt platin, phản ứng ơxy hóa nước giải phóng ơxy có thể xảy ra
theo phản ứng 1.3, lượng ôxy này được khuếch tán sang catốt làm tăng hiệu suất
phản ứng tạo hydro peoxit ở catốt. Các phản ứng này hồn tồn được điều khiển bởi
dịng điện.
2H2O + O2 + 4H+ + 4e
(1.3)
Điện cực catốt: Phản ứng tạo H2O2 trong dung dịch lỏng chỉ được đảm bảo bởi
phản ứng khử hai điện tử của phân tử ôxy trên điện cực catốt thích hợp như điện cực
thủy ngân, graphit, phớt cacbon hoặc catốt khuếch tán ôxy [11,12].
Khi sử dụng phớt cacbon làm điện cực catốt, do diện tích bề mặt lớn, ôxy dễ
dàng khử trên điện cực catốt tạo hydro peroxit với lượng gấp 10 lần so với cacbon
kính. Tuy nhiên Grimm và cộng sự [13] cho rằng độ xốp của vật liệu điện cực lại
làm giảm hiệu quả của q trình chuyển khối các chất ơ nhiễm đến bên trong các lỗ
xốp của điện cực thực hiện quá trình xử lý. Brillas và cộng sự [14] đã chỉ ra rằng
điện cực catốt khuếch tán ơxy cũng có thể được sử dụng để khử O2 tạo H2O2 trong
mơi trường axit.
Ngồi vật liệu điện cực và các thông số pH của môi trường, nồng độ xúc tác,
nhiệt độ, bản chất chất xúc tác và mật độ dòng điện cũng là các thơng số chính ảnh
hưởng đến cơ chế và hiệu suất của hiệu ứng Fenton điện hóa:
+ Bản chất xúc tác.
+ Mật độ dòng điện.
Một số ưu điểm của hiệu ứng Fenton điện hóa:
- Sản phẩm H2O2 được tạo ra tức thời và liên tục, cho phép điều khiển tốt
nhất sự hình thành gốc hydrơxyl. Nồng độ xúc tác Fe2+ sử dụng chỉ cần đủ để làm
Nguyễn Văn Thư
16
Khóa 2017B
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
hoạt động hệ Fenton nhờ chu kỳ tái tạo Fe2+ bằng dòng điện, việc này một mặt cho
phép loại bỏ sự kết tủa tạo bùn sắt (III) so với quá trình Fenton;
- Vận hành tối ưu ở nhiệt độ thường và áp suất khí quyển;
- Q trình này dễ dàng kết hợp với các phương pháp ơxy hóa tiên tiến khác
như UV, siêu âm và xử lý vi sinh;
- Lượng chất xúc tác (cation kim loại) đưa vào trong dung dịch có nồng độ
thường rất nhỏ, tồn tại dưới dạng ion tự do hoặc dưới dạng phức với các chất hữu
cơ tự nhiên. Sử dụng phương pháp này có ưu điểm kép: không cần bổ sung chất xúc
tác trong q trình xử lý nước thải ơ nhiễm và có thể thải trực tiếp nước sau khi xử
lý ra môi trường không cần thông qua khâu xử lý nhằm loại bỏ các ion kim loại xúc
tác được bổ sung ban đầu.
Một trong các nhược điểm của quá trình Fenton điện hóa là giống như q
trình Fenton, kỹ thuật này u cầu giá trị pH của dung dịch phải được khống chế
xung quanh pH = 3 do quá trình phụ thuộc vào pH của dung dịch.
1.2.4.4. Các phương pháp ơxy hố tiên tiến
Q trình ơxy hóa tiên tiến là một trong các phương pháp hiệu quả nhằm xử
lý các chất hữu cơ gây ô nhiễm, đặc biệt là các chất độc hại có nồng độ cao, khó
phân hủy bằng các phương pháp hóa, lý và vi sinh truyền thống.
Q trình ơxy hóa tiên tiến là những q trình phân hủy dựa vào gốc tự do
hoạt động hydrôxyl *OH được tạo ra trong mơi trường lỏng ngay trong q trình xử
lý. Các gốc hydrơxyl rất hoạt hóa và là tác nhân ơxy hóa gần như mạnh nhất từ
trước đến nay (Eo = +2,8V), chỉ đứng sau flo (Eo = +2,87 V).
Đặc tính của các gốc tự do là trung hòa về điện. Mặt khác, các gốc này
không tồn tại sẵn trong môi trường như những tác nhân ơxy hóa thơng thường, mà
được sản sinh ngay trong q trình phản ứng, có thời gian sống rất ngắn, khoảng vài
nghìn giây nhưng liên tục được sinh ra trong suốt quá trình phản ứng.
Đặc điểm nổi trội của phương pháp ơxy hóa tiên tiến là các gốc hydrơxyl tạo
ra có khả năng phản ứng nhanh và không chọn lọc với hầu hết các hợp chất hữu cơ
(hằng số tốc độ phản ứng trong khoảng 107 và 1010mol-1.l.s-1). Đặc tính ơxy hóa
Nguyễn Văn Thư
17
Khóa 2017B
