Nghiên cứu ứng dụng chotosan bentonite xử lý nước thải dệt nhuộm

Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN MỸ LINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHITOSAN/ BENTONITE
XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM
Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH 12/2008


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
VÀ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: GS.TS Lâm Minh Triết
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS. Đặng Viết Hùng

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Quốc Bình..................................

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Tấn Phong...................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Tp.HCM, ngày 15 tháng 12 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN MỸ LINH

Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 09/11/1983

Nơi sinh: TP HCM

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

MSHV: 02506579

I- TÊN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHITOSAN XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
- Nhiệm vụ:
Nghiên cứu và đánh giá khả năng ứng dụng chitosan để xử lý nước thải dệt nhuộm.
- Nội dung:
+ Khảo sát mối quan hệ giữa chitosan và bentonite.

+ Xác định pH tối ưu cho quá trình keo tụ bằng chitosan/bentonite.
+ Đánh giá hiệu quả xử lý của chitosan/bentonite ở với nước thải đầu vào có độ màu ≈
4000; 2000; 1000 Pt-Co.
+ Khảo sát ảnh hưởng của độ màu ban đầu lên hiệu quả xử lý.
+ Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lắng lên hiệu quả xử lý.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong Quyết định giao
đề tài): Tháng 1 năm 2008
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Tháng 12 năm 2008
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

1. GS.TS LÂM MINH TRIẾT
2. TS. ĐẶNG VIẾT HÙNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thơng qua.
Ngày
TRƯỞNG PHỊNG ĐT-SĐH

tháng

năm 2008

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy
cơ trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh và trường Đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh.
Tơi xin chân thành cảm ơn GS.TS Lâm Minh Triết, TS.Đặng
Viết Hùng và TS. Nguyễn Văn Sức đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ
trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại phịng thí nghiệm Mơi
trường, trường đại học Sư phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Cảm ơn sinh viên Lê Chí Linh và Ngơ Hồng Long đã giúp tơi
trong q trình nghiên cứu.
Cảm ơn q thầy cô đã dành thời gian phản biện khoa học cho đề
tài này.
Cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên và giúp đỡ tôi trong
chặng đường học tập và nghiên cứu.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2008

Nguyễn Mỹ Linh


i

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Ơ nhiễm do nước thải ngành cơng nghiệp dệt nhuộm đã và đang là vấn đề đáng
quan tâm khi ngày càng nhiều cơ sở dệt nhuộm được hình thành. Hiện nay có nhiều
phương pháp khác nhau được sử dụng trong công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm, trong
đó phương pháp keo tụ-tạo bơng đã và đang được áp dụng rất phổ biến.

Trong nghiên cứu này, chất keo tụ được sử dụng là chitosan. Chitosan là một
polyme sinh học được sản xuất từ phế phẩm ngành chế biến thủy hải sản như vỏ tôm, vỏ
cua ... Chitosan có những đặc tính ưu việt mà những polyme tổng hợp khác khơng có như
khả năng tự phân hủy, dễ tương thích, khơng độc hại, tính hấp phụ tốt và khả năng kết
hợp với các hạt keo trong nước cao. Chitosan được kết hợp với chất trợ keo tụ bentonite,
một dạng khống sét, giúp cho q trình keo tụ tạo bơng đạt hiệu quả xử lý tốt hơn và
giảm chí phí xử lý.
Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ chitosan/bentonite rất thích hợp cho xử lý nước
thải dệt nhuộm. Hiệu quả khử màu khi nghiên cứu ở lần lượt ba độ màu ban đầu : 4000 ;
2000; 1000 Pt-Co đều đạt trên 80%. Độ màu sau xử lý gần đạt tới tiêu chuẩn loại BTCVN 5945:2005. Đồng thời, hiệu quả khử độ đục đạt cao nhất là 99.22%, độ đục sau xử
lý chỉ còn 0.8 NTU ứng với độ đục ban đầu 103 NTU. Hiệu quả khử COD luôn đạt trên
40% ứng với các tỉ lệ chitosan/bentonite và độ màu ban đầu. COD đạt tiêu chuẩn loại C –
TCVN 5945:2005 khi COD đầu vào 1205 mg/l.Liều lượng chitosan và bentonite được sử
dụng rất thấp; chỉ nằm trong khoảng 2 – 8 mg/l đối với chitosan và 40 – 80 mg/l đối với
bentonite. Do hàm lượng chất keo tụ thấp nên lượng bùn sinh ra không đáng kể đồng thời
loại bùn này có khả năng tự phân hủy sinh học do sử dụng polyme sinh học. Đây cũng
chính là một ưu điểm khi sử dụng chitosan làm chất keo tụ.


ii

MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................i
MỤC LỤC… .....................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT – KÍ HIỆU...........................................................viii

Chương 1: MỞ ĐẦU ................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................................1

1.2 Mục tiêu ....................................................................................................................2
1.3 Phạm vi nghiên cứu...................................................................................................2
1.4 Nội dung nghiên cứu..................................................................................................2
1.5 Phương pháp nghiên cứu............................................................................................2
1.6

Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và tính mới của đề tài .................................2

1.4.1 Ý nghĩa khoa học.................................................................................................2
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn .................................................................................................3
1.4.3 Tính mới của đề tài..............................................................................................3

Chương 2: TỔNG QUAN ............................................................................ 4
2.1 Nước thải dệt nhuộm:.................................................................................................4
2.1.2 Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm: ....................................................6
2.2 Tổng quan về công nghệ keo tụ tạo bơng: .................................................................6
2.2.1 Bản chất q trình keo tụ: ..................................................................................6
2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ :.....................................................11
2.2.3 Một số loại chất keo tụ thường được sử dụng:..................................................12
2.3 Chitosan...................................................................................................................16
2.3.1 Lịch sử hình thành và phát triển........................................................................16
2.3.2 Cấu trúc hóa học................................................................................................17
2.3.3 Điều chế Chitosan .............................................................................................17
2.3.4 Tính chất hóa lý.................................................................................................19


iii
2.3.5 Độc tính chitosan...............................................................................................22
2.3.6 Ứng dụng chitosan.............................................................................................23
2.4 Bentonite ..................................................................................................................38

2.4.1 Giới thiệu về bentonite ......................................................................................38
2.4.2 Tính chất hóa lý của bentonie ...........................................................................39
2.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước :............................................................41

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................... 45
3.1 Đối tượng nghiên cứu ..............................................................................................45
3.1.1 Nước thải dệt nhuộm .........................................................................................45
3.1.2 Chất keo tụ và hố chất .....................................................................................45
3.2 Mơ hình nghiên cứu .................................................................................................46
3.3 Nội dung thí nghiệm: ...............................................................................................46
3.3.1 Khảo sát mối quan hệ giữa chitosan và bentonite.............................................46
3.3.2 Xác định pH tối ưu cho quá trình keo tụ bằng chitosan/bentonite....................47
3.3.3 Đánh giá hiệu quả xử lý của chitosan/bentonite ở với nước thải đầu vào có độ
màu ≈ 4000 Pt-Co.......................................................................................................47
3.3.4 Đánh giá hiệu quả xử lý của chitosan/bentonite ở với nước thải đầu vào có độ
màu ≈ 2000 Pt-Co......................................................................................................47
3.3.5 Đánh giá hiệu quả xử lý của chitosan/bentonite ở với nước thải đầu vào có độ
màu ≈ 1000 Pt-Co......................................................................................................48
3.3.6 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lắng lên hiệu quả xử lý ...............................48
3.4 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu: .......................................................................48

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .................................................... 50
4.1 Mối tương quan giữa bentonite và chitosan:............................................................50
4.2 Thí nghiệm xác định giá trị pH tối ưu:.....................................................................51
4.3 Nghiên cứu khả năng xử lý của chitosan/bentonite đối với nước thải có độ màu ≈
4000 Pt- Co: ...................................................................................................................54
4.4 Hiệu quả xử lý của chitosan/bentonite đối với nước thải có độ màu ≈ 2000 Pt-Co 59
4.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ màu ban đầu lên hiệu quả xử lý:.............................69
4.7 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian lắng lên hiệu quả xử lý :.....................................70
4.8 Phân tích hiệu quả kinh tế ........................................................................................72

iv

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................... …….73
Kết luận .........................................................................................................................73
Kiến nghị.......................................................................................................................74

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................... 75
PHỤ LỤC……………………………………………………………… PL 1


v

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1: Thế năng tương tác giữa các hạt keo .........................................................7
Hình 2.2 Liên hệ giữa lực liên kết phân tử và khoảng cách .....................................9
Hình 2.3 Phản ứng tạo cầu nối liên kết giữa các hạt keo......................................... 10
Hình 2.4 Cơng thức cấu tạo phân tử chitosan.......................................................... 17
Hình 2.5 Sơ đồ điều chế chitin ................................................................................ 18
Hình 2.6 Sơ đồ điều chế chitosan ............................................................................ 19
Hình 2.7 Đồ thị biểu hiện sự phụ thuộc vào pH và thời gian đối với khả năng hấp
phụ của chitosan....................................................................................................... 24
Hình 2.8 Hấp phụ ion Fe3+ (10mM) bởi Chitosan................................................... 25
Hình 2.9 Hấp phụ ion Fe3+ (1mM) bởi Chitosan ..................................................... 25
Hình 2.10 Hấp phụ ion Fe3+ (10mM) bởi Chitosan................................................. 26
Hình 2.11 Hấp phụ ion Fe3+ bởi Chitosan................................................................ 26
Hình 2.12 : Nồng độ nitrat sau khi hệ cân bằng thay đổi theo pH. ......................... 27
Hình 2.13 : Sự phụ thuộc giữa hiệu quả khử nitrat với nồng độ ban đầu................ 28
Hình 2.14 Sự phụ thuộc của hệ số phân tách m vào pH ở nhiều nguồn nước khác

nhau…………………….......................................................................................... 29
Hình 2.15 : Đường cong hấp thụ khi sử dụng các hạt có đường kính 1.5; 4.5 m.... 30
Hình 2.16: Kết quả chuẩn độ bằng NaOH 0.5M ..................................................... 31
Hình 2.17: Đường cong cân bằng với sự có mặt của các ion khác nhau................. 32
Hình 2.18: Mức hấp thụ và phản hấp thụ sau 12 lần sử dụng ................................. 33
Hình 2.19 Liên kết giữa chitosan và các phân tử màu............................................. 34
Hình 2.20 Xử lý nước mặt bằng chitosan ................................................................ 35
Hình 4.1 Sự biến thiên độ màu và hiệu quả xử lý độ màu trong thí nghiệm pH tối
ưu…………………….. ........................................................................................... 51
Hình 4.2 Sự biến thiên độ đục và hiệu quả xử lý độ đục trong thí nghiệm pH tối
ưu……………………….. ....................................................................................... 52
Hình 4.3 Sự biến thiên COD và hiệu quả xử lý COD trong thí nghiệm pH tối ưu. 52
Hình 4.4 Độ màu sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ màu ban đầu
≈ 4000 Pt-Co)…………........................................................................................... 54


vi
Hình 4.5 Hiệu quả khử độ màu sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ
màu ban đầu ≈ 4000 Pt-Co) ..................................................................................... 55
Hình 4.6 Độ đục sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ màu ban đầu ≈
4000 Pt-Co)………….............................................................................................. 56
Hình 4.7 Hiệu quả khử độ đục sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ
màu ban đầu ≈ 4000 Pt-Co) ..................................................................................... 56
Hình 4.8 COD sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ màu ban đầu ≈
4000 Pt-Co)………….............................................................................................. 57
Hình 4.9 Hiệu quả khử COD sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ
màu ban đầu ≈ 4000 Pt-Co) ..................................................................................... 58
Hình 4.10 Độ màu sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ màu ban đầu
≈ 2000 Pt-Co)…………………. ............................................................................. 59
Hình 4.11 Hiệu quả khử màu sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ

màu ban đầu ≈ 2000 Pt-Co) ..................................................................................... 60
Hình 4.12 Độ đục sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ màu ban đầu
≈ 2000 Pt-Co)…………........................................................................................... 61
Hình 4.13 Độ đục sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ màu ban đầu
≈ 2000 Pt-Co)…………........................................................................................... 61
Hình 4.14 COD sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ màu ban đầu ≈
2000 Pt-Co)………….............................................................................................. 62
Hình 4.15 Hiệu quả khử COD sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ
màu ban đầu ≈ 2000 Pt-Co) ..................................................................................... 63
Hình 4.16 Độ màu sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ màu ban đầu
≈ 1000 Pt-Co)………………................................................................................... 64
Hình 4.17 Hiệu quả khử màu sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ
màu ban đầu ≈ 1000 Pt-Co) ..................................................................................... 65
Hình 4.18 Độ màu sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ màu ban đầu ≈
1000 Pt-Co)………………………………………………………………………….65
Hình 4.19 Hiệu quả khử độ đục sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ
màu ban đầu ≈ 1000 Pt-Co) ..................................................................................... 66
Hình 4.20 COD sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ màu ban đầu ≈
1000 Pt-Co)………………….................................................................................. 67


vii
Hình 4.21 Hiệu quả khử COD sau keo tụ ở các nồng độ bentonite khác nhau ( Độ
màu ban đầu ≈ 1000 Pt-Co) ..................................................................................... 68
Hình 4.22 Hiệu quả khử màu sau keo tụ ở các độ màu đầu vào khác nhau ứng với
nồng độ bentonite ban đầu:60mg/l. ......................................................................... 69
Hình 4.23 Ảnh hưởng của thời gian lắng lên độ đục sau keo tụ. ............................ 70


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Thành phần tính chất nước thải dệt nhuộm....................................................5
Bảng 2.2 Kết quả đánh giá độc tính chitosan. .............................................................23
Bảng 3.1 Tính chất nước thải dệt nhuộm sử dụng trong q trình nghiên cứu. ..........45
Bảng 3.3 Thí nghiệm khảo sát mối quan hệ giữa chitosan và bentonite. ....................46
Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm về mối tương quan giữa betonite và chitosan...............50
Bảng 4. 2 Chi phí xử lý cho 1 m3 nước thải. ...............................................................72

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT – KÍ HIỆU
BOD

Biochemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy sinh hóa

COD

Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy hóa học

SS

Suspended Solid - Chất rắn lơ lửng

NTU

Neophelometric Turbidity Unit - Đơn vị đo độ đục

PAC

Poly Aluminum Chloride

LC50

Median lethal concentration - Nồng độ gây chết 50% động vật thí
nghiệm.

UASB

Upflow Anaerobic Sludge Blanket – Hệ thống sử dụng lớp bùn kị khí
dịng chảy ngược

ppm

Parts per million - Phần triệu


1

Chương 1:

MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển của xã hội, ngành công nghiệp dệt nhuộm ở Việt Nam
đang gia tăng nhanh chóng. Phát triển ngành nhuộm nhằm giải quyết công ăn việc làm,
nâng cao đời sống của nhân dân. Tuy nhiên, công nghiệp dệt nhuộm thải ra một lượng
lớn chất thải gây ô nhiễm môi trường. Các cơ sở dệt nhuộm chưa có sự đầu tư thích
đáng cho công tác xử lý chất thải và chưa quan tâm đúng mức đến vấn đề bảo vệ môi
trường.
Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng trong công nghệ xử lý
nước thải ngành dệt nhuộm đã được áp dụng ở Việt nam và các nước trên thế giới.

Mỗi phương pháp chỉ đạt được một hiệu quả nhất định đối với một vài chất ô nhiễm
tương ứng, do vậy phải kết hợp cùng một lúc nhiều phương pháp khác nhau. Công
nghệ xử lý nước thải ngành dệt nhuộm thường ứng dụng các q trình xử lý cơ học,
hóa học, hóa lý và sinh học nhằm loại bỏ các chất ô nhiễm như: chất rắn lơ lửng (SS),
các chất hữu cơ (COD, BOD), độ màu, độ đục, kim loại nặng. Người ta chủ yếu áp
dụng phương pháp keo tụ bằng phèn sắt, phèn nhơm hay PAC, sau đó tiến hành oxy
hóa bậc cao hoặc dùng phương pháp sinh học sau keo tụ. Thường thì một hệ thống xử
lý được đánh giá bởi hiệu quả của việc xử lý như khả năng loại bỏ SS, độ đục, độ màu,
chất hữu cơ … khả năng áp dụng của chúng cũng như giá thành của hệ thống và quá
trình vận hành, bảo dưỡng thiết bị.
Ngày nay, ngành công nghiệp chế biến thủy hải sản; đặc biệt là chế biến tôm
trên thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng đang phát triển rất mạnh mẽ và thải ra
một lượng lớn vỏ tôm; là nguồn nguyên liệu sản xuất ra chitosan, chất có giá trị cao.
Chitosan có những đặc tính ưu việt mà những polyme tổng hợp khác khơng có như khả
năng tự phân hủy, dễ tương thích, khơng độc hại và tính hấp phụ cao. Chính vì vậy
hàng ngàn tấn chitosan đã được sản xuất và sử dụng trên thế giới (Hirano,1996).
Chitosan có đặc tính lý học, sinh học như khả năng tạo gel, liên kết với chất màu, lipid
và khả năng kháng khuẩn (Knorr, 1983; Hirano, 1996). Chính vì vậy việc keo tụ tạo
bông bằng chitosan-một dạng polyme sinh học có chất bentonite làm chất trợ keo tụ là
một trong những phương pháp keo tụ khá đơn giản, rẻ tiền và mang lại hiệu quả cao.


2
Ngoài ra, việc sử dụng chitosan làm chất keo tụ sẽ ít gây ảnh hưởng đến cơng trình xử
lý sinh học phía sau. Luận văn: “ Nghiên cứu ứng dụng chitosan xử lý nước thải dệt
nhuộm.” được đưa ra nhằm giải quyết những hạn chế do chất keo tụ thông thường và
tận dụng được một nguồn nguyên liệu dồi dào, sẵn có từ phế phẩm ngành chế biến
thủy hải sản.
1.2 Mục tiêu
Mục tiêu cuả luận văn là nghiên cứu và đánh giá khả năng ứng dụng hệ chất

keo tụ / chất trợ keo tụ - chitosan/bentonite trong xử lý nước thải dệt nhuộm.
1.3 Phạm vi nghiên cứu
Vùng nghiên cứu lựa chọn: Khu công nghiệp Lê Minh Xuân-TP.HCM
Đối tượng nghiên cứu: nước thải dệt nhuộm từ Công ty TNHH SX-TM Phước
Hải tại khu công nghiệp Lê Minh Xuân .
1.4 Nội dung nghiên cứu
Khảo sát mối quan hệ giữa chitosan và bentonite.
Xác định pH tối ưu cho quá trình keo tụ bằng chitosan/bentonite
Đánh giá hiệu quả xử lý của chitosan/bentonite ở với nước thải đầu vào có độ
màu ≈ 4000; 2000; 1000 Pt-Co.
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lắng lên hiệu quả xử lý
1.5 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp tổng quan tài liệu.
Phương pháp mơ hình hóa.
Phương pháp thống kê, xử lý số liệu.
Phương pháp lấy mẫu và phân tích.
1.6 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và tính mới của đề tài
1.4.1 Ý nghĩa khoa học
Luận văn sử dụng chitosan làm chất keo tụ dựa trên cơ sở keo tụ - tạo bông
và được kế thừa kết quả từ những nghiên cứu trong và ngoài nước trước đây. Ngoài
ra, nghiên cứu đưa ra một hướng mới trong việc tận dụng phế phẩm ngành chế biến


3
thủy hải sản là chitosan. Hiện nay tại Việt Nam, PAC, phèn sắt… chủ yếu được sử
dụng làm chất keo tụ trong xử lý nước thải. Các chất keo tụ này có khả năng sinh ra
một lượng bùn kim loại lớn sau xử lý đồng thời có khả năng gây độc tính cho nước.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu chitosan - một loại chất keo tụ sinh học không gây
ảnh hưởng đến môi trường sau xử lý là điều cần thiết và hợp lý.
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Với những ưu điểm về chitosan đã nêu, việc ứng dụng chitosan vào thực tiễn rất
có khả năng cao vì:
-

Chitosan là một polyme sinh học được trích ly từ chitin – một nguyên liệu
phong phú trong thiên nhiên

-

Hiệu quả cao, mức tiêu thụ hóa chất thấp, chi phí thấp.

1.4.3 Tính mới của đề tài
Trong luận văn này, chitosan được sử dụng là một dạng chất keo tụ sinh học
khơng có độc tính gây hại đến mơi trường có khả năng keo tụ tốt các cặn lơ lững và
loại bỏ độ màu trong nước thải dệt nhuộm. Ngồi ra, tính mới của đề tài là chitosan
được kết hợp với bentonite tạo thành hệ có khả năng cho hiệu quả xử lý cao.


4

Chương 2:

TỔNG QUAN

2.1 Nước thải dệt nhuộm:
2.1.1 Thành phần, tính chất nước thải dệt nhuộm:
Tính chất nước thải giữ vai trò rất quan trọng trong thiết kế, vận hành hệ thống
xử lý và quản lý chất lượng môi trường. Sự dao động về lưu lượng và tính chất nước
thải quyết định tải trọng thiết kế cho các cơng trình đơn vị.
Nước thải công nghiệp dệt nhuộm là một trong những loại nước thải mang tính

ơ nhiễm mạnh và tác động sâu sắc đên môi trường. Các chất thải ngành công nghiệp
tẩy nhuộm chứa các gốc hữu cơ độc hại nằm dưới dạng ion và một số kim loại nặng.
Nước thải công nghiệp dệt nhuộm rất đa dạng, phức tạp và thành phần không ổn định.
Hai nguồn nước thải gây ô nhiễm chủ yếu là:
- Nước thải từ công đoạn nấu : Trong cơng đoạn này nước thải có độ pH khá cao 9-12;
Hàm lượng COD dao động trong khoảng 1.000 - 3.000mg/l. Ở giai đoạn tẩy ban đầu
độ màu của nước thải lên tới 1.000 Pt - Co. Hàm lượng các chất rắn lơ lửng 2.000mg/l;
chất hoạt động bề mặt 10 -12mg/l. Ngồi ra cịn chứa thuốc nhuộm thừa, các chất oxy
hóa, xenlulo, sáp, xút và các chất điện ly…
- Nước thải trong công đoạn nhuộm : Thành phần của loại nước thải này đa dạng và
không ổn định. Trong nước thải còn khoảng từ 30 đến 40 % thuốc nhuộm tồn tại ở
nhiều dạng khác nhau làm cho độ màu lên đến 10000 Pt - Co. Hàm lượng COD thay
đổi trong khoảng 80 - 1800mg/l, pH từ 2 đến 14.


5
Bảng 2.1 Thành phần tính chất nước thải dệt nhuộm.
THÀNH PHẦN
Nhiệt độ

ĐƠN VỊ
o

GIÁ TRỊ

C

>40

COD

mg/l

250-3000

BOD5

mg/l

80-900
0.2-0.3

BOD5/COD
Độ màu

Pt-Co

500-10000

SS

mg/l

30-400

S2-

mg/l

0-50

Chất hoạt động bề mặt

mg/l

10-50

[ Nguồn: Theo số liệu do các cơ quan chuyên ngành khảo sát đối với các xí nghiệp dệt
nhuộm tại các tỉnh phía nam- đề tài NCKH cấp bộ KT0204 ]
Các phẩm nhuộm thường được sử dụng như phẩm nhuộm phân tán, phẩm
nhuộm hoạt tính, phẩm nhuộm axít,... Phẩm nhuộm phân tán là loại phẩm không tan
trong nước nhưng ở trạng thái phân tán và huyền phù trong dung dịch có thể phân tán
trên sợi, mạch phân tử nhỏ. Thuốc nhuộm phân tán có họ antharaquinon, nitroanillamin
được dùng để nhuộm sợi polyester, polyamid…Thuốc nhuộm phân tán thừơng được
gọi là phẩm nhuộm AZO. Loại phẩm nhuộm này được giới thương mại ưa chuộng vì
chúng dễ mua, dễ bảo quản đặc biệt là giá thành rẻ, độ ăn màu cao, quá trình nhuộm
ngắn và dễ dàng.
Các ảnh hưởng của phẩm nhuộm lên con người trong q trình nhuộm cũng như tiếp
xúc với dịng thải :
Hơi bốc lên từ dung dịch nhuộm có thể gây ngộ độc cho người, làm đau đầu,
buồn nôn.
Khi thuốc nhuộm tiếp xúc trực tiếp trên da, chúng có thể gây rát.
Nếu thâm nhập vào cơ thể, gây tổn thương các cơ quan nội tạng và gây ung thư.
Đối với trẻ em, liều lượng gây độc nhỏ hơn và ảnh hưởng mạnh hơn. Khi bị
nhiễm độc thuốc nhuộm, trẻ hay có cảm giác buồn ngủ, đau đầu, chóng mặt
buồn nơn, thiếu tập trung.Với liều lượng lớn, trẻ có thể mất cảm giác ngon
miệng, yếu tứ chi thậm chí gây tử vong.


6

Đối với thai nhi có thể chậm phát triển, hỏng xương, mù hoặc thậm chí gây tử
vong.
Các thuốc nhuộm độc tính thường chứa nhóm AZO trong phân tử của chúng
như các chất tạo màu. Trong quá trình nhuộm, phần AZO tách ra và tạo thành các
amine thâm nhập vào các chất hữu cơ gây độc tính.
Một vài amine có chứa các kim loại nặng đính trên nó như kẽm, đồng, cadmium được
sử dụng như các chất tạo màu cho nhuộm vải. Các kim loại nặng khi thâm nhập vào cơ
thể sẽ được giữ lại trong đó và gây ảnh hưởng về lâu dài.
Các amine kim loại nặng sẽ bám vào sợi vải mà khơng bị mất đi trong q trình giặt. Ở
đây chúng có cơ hội thâm nhập vào cơ thể qua nhiều đường khác nhau như hơ hấp, tiêu
hóa…
2.1.2 Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm:
Phương pháp xử lý hóa lý: Keo tụ tạo bơng .
Phương pháp hấp thụ: Than hoạt tính .
Phương pháp xử lí sinh học: Xử lí bằng bùn hoạt tính hiếu khí, kị khí hoặc xử lí
sinh học hiếu khí tiếp xúc.
2.2 Tổng quan về công nghệ keo tụ tạo bông:
2.2.1 Bản chất quá trình keo tụ:
Hạt keo
Hạt keo là những phần tử nhỏ có kích cỡ từ 10-6 cm đến 10-3 cm, khơng lắng bởi
trọng lực . Bởi vì hạt keo có diện tích bề mặt lớn nên có xu hướng hấp phụ các chất
như các phân tử nước và ion. Vì vậy, hạt keo lớn dần hay có thể tích điện với môi
trường nước xung quanh.
Trong môi trường nước chia ra 2 loại keo:
Hệ keo kị nước:
Hệ keo kị nước phần lớn là các chất vơ cơ chứa điện tích bề mặt và có khả năng
chuyển động trong điện trường, tốc độ keo tụ rất nhanh khi đưa vào hệ một chất điện li
và đạt tốc độ keo tụ tối đa với một nồng độ chất điện li tới hạn nào đó. Độ bền của hệ
keo chủ yếu là do điện tích của bề mặt hạt keo quyết định. Hệ keo có tính bền được là
do hạt keo cùng loại tích điện cùng dấu, khi tiến lại gần nhau sinh ra tương tác tĩnh

7
điện. Đồng thời với lực đẩy tĩnh điện, các hạt keo cũng hút lẫn nhau do lực tương tác
phân tử Valder Walls. Chỉ khi lực đẩy tĩnh điện vượt trội so với lực hút phân tử thì các
hạt keo khơng hoặc ít có điều kiện tạo thành tập hợp lớn. Lực đẩy của hệ keo tăng khi
khoảng cách của chúng được giảm. Qúa trình đẩy do lực tĩnh điện xuất hiện khi lớp
khuyếch tán của chúng tiếp cận lẫn nhau và xen phủ vào nhau. Khi có mặt chất điện li
trong dung dịch, độ dày của lớp khuếch tán bị co lại làm giảm khoảng cách giữa chúng.
Sự co lại của lớp khuếch tán phụ thuộc vào cường độ ion của chất điện li, hóa trị lớn,
nồng độ cao có tác động làm co mạnh lớp khuếch tán.
Song song với quá trình đẩy do lực tĩnh điện, khi hai hạt keo tiến sát gần nhau
đến một khoảng cách nhất định chúng sẽ hút nhau do lực hấp phụ phân tử. Lực tương
tác Valder Walls phụ thuộc vào bản chất của hạt keo, mật độ của chúng và không phụ
thuộc vào thành phần hóa học của dung dịch nước.
Thế năng tương tác tổng hợp ( lực đẩy và lực hút ) và thế năng của hệ được thể
hiện :
Cường độ ion thấp

Rào thế năng

ΨA

đẩy

Cường độ ion cao

ΨA- ΨR
0

Ψmax

Hút

ΨA- ΨR

Năng
táctác
Nănglượng
lượngtương
tương

ΨR

ΨR

ΨA

khoảng cách

Hình 2.1: Thế năng tương tác giữa các hạt keo
Đối với hệ có cường độ ion thấp, thế năng tương tác tổng có giá trị dương ở
vùng có khoảng cách nằm giữa các hạt keo, tức là lục đẩy chiếm ưu thế. Muốn tiến sát
lại gần nhau và có sự xen phủ của lớp khuếch tán, các hạt keo cần phải có năng lượng
lớn hơn hàng rào thế năng.
Với hệ có cường độ ion cao, tương tác giữa các hạt keo dễ dàng hơn do độ dày
của lớp khuếch tán thấp, giá trị cực đại của thế năng tương tác tổng có giá trị nhỏ, thậm
chí bằng khơng.

8
Để tạo điều kiện cho quá trình keo tụ, cần giảm giá trị của hàng rào thế năng
bằng cách đưa vào hệ những chất điện li có hóa trị cao ( cường độ ion lớn ) hoặc tăng
nhiệt độ ( tăng động năng ) hoặc khuấy trộn tạo điều kiện cho quá trình tạo tập hợp lớn.
Hệ keo ưu nước :
Độ bền của hệ keo ưa nước không chỉ do lực tương tác tĩnh điện mà còn do vỏ
hydrat của hạt keo. Lớp vỏ hydrat gồm hai lớp, lớp đầu được tạo thành do tương tác
dipol định hướng của phân tử nước với bề mặt của hệ keo có liên kết khá bền, tiếp theo
là lớp vỏ có tương tác thấp hơn do chịu chuyển động nhiệt.
Hấp phụ các hợp chất tồn tại trong môi trường trên bề mặt hạt keo ưa nước cũng
làm tăng tính bền so sự che chắn, ngăn cản chúng tiếp xúc với nhau.
Lớp điện tích kép
Trên ranh giới phân chia giữa hai pha có thành phần hóa học khác nhau xảy ra
q trình phân bố điện tích kèm theo sự chuyển hóa các phần tử mang điện (ion, điện
tử) từ pha này sang pha khác. Kết quả là điện tích được tạo nên trên bề mặt của một
pha bằng điện tích trong pha kia nhưng trái dấu nhau. Bằng cách đó người ta nói rằng
trên ranh giới phân chia các pha có xuất hiện lớp điện tích kép.
Sự xuất hiện lớp điện kép dẫn đến sự thiết lập giữa hai pha điện thế ϕ. Ở lớp
Helmholtz, sự thay đổi điện thế giữa pha rắn và pha lỏng sẽ từ giá trị ϕ đến 0 và là
đường thẳng.
Thế điện động (điện thế zeta)
Hiệu điện thế giữa phần không chuyển động và phần chuyển động của lớp điện
tích kép được gọi là thế điện động ξ (cịn gọi là điện thế zeta).
Như vậy, ở ranh giới giữa pha rắn và pha lỏng, giữa lớp chuyển động và lớp
khơng chuyển động có xuất hiện điện thế ϕ và ξ .
Trong dung dịch khá loãng, thế điện động ξ ≈ ϕ vì ψ1 → 0
ϕ = ψ1 + ξ
Trong đó:

9
ϕ: bước nhảy điện thế giữa pha rắn và pha lỏng (hay thế nhiệt động).
Thế điện động ξ :
ξ = ϕ - ψ1
Thực nghiệm cho thấy rằng thế điện động không chỉ nhỏ hơn thế nhiệt động mà
hai đại lượng đó thay đổi rất khác nhau dưới ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Thí dụ: khi
thay đổi nồng độ chất điện li của hệ thì thế nhiệt động hầu như không đổi nhưng thế
điện động tahy đổi nhiều. Sở dĩ như vậy là vì thế điện động ξ phụ thuộc vào số lượng
ion đối ở lớp khuếch tán mà lượng ion đối ở lớp này lại thay đổi tùy theo nồng độ của
chất điện li trong dung dịch.
Các cơ chế của quá trình keo tụ :
Cơ chế này xảy ra chủ yếu với hệ keo có thế năng cao, độ dày của lớp khuếch
tán không lớn, cường độ ion của dung dịch nhỏ. Ion của chất điện li cùng dấu với điện
tích bề mặt thì bị đẩy và ion đối của nó thì bị hút. Khi tương tác hút giữa hai loại điện
tích khác nhau thì lớp khuếch tán bị co lại, độ co lại tỉ lệ thuận với nồng độ hóa trị của
ion. Thể tích cần thiềt để duy trì trung hịa sẽ nhỏ đi và vì vậy độ dày cũng giảm theo.
Khoảng cách để lực đẩy phát huy tác dụng bị giảm tạo điều kiện cho tương tác Valder

Lực hút

Lực tương tác

Lực đẩy

Wall, làm giảm hàng rào thế năng giữa các hạt keo.

Lực đẩy dựa vào thế
năng zeta

Lực tương tác tổng

hợp
Lực hút phân tử Valder
Walls

Hình 2.2 Liên hệ giữa lực liên kết phân tử và khoảng cách


10

Hấp phụ và tạo cầu liên kết giữa các hạt keo, gồm 5 phản ứng:
Phản ứng 1 : Hấp phụ ban đầu ở liều lượng polime tối ưu . Phân tử polime dính
vào hạt keo .
Phản ứng 2 : Hình thành bơng cặn . Đi polime đã hấp phụ có thể duỗi ra và gắn
kết với vị trí trống trên bề mặt hạt keo khác

hình thành bơng cặn.

Phản ứng 3 : Hấp phụ lần hai của polime . Nếu đoạn cuối duỗi ra và khơng tiếp
xúc với vị trí trống trên hạt khác
hạt đó

gấp lại và tiếp xúc với mặt khác của chính

ổn định lại .

Phản ứng 4 : khi liều lượng polime dư . Nếu polime thêm vào dư nhiều , bề mặt
hạt bảo hịa các đoạn polime

khơng có vị trí trống để hình thành cầu nối

hạt keo ổn định trở lại .
Phản ứng 5 : Vỡ bông cặn , vỡ vụn bơng cặn khi xáo trộn nhiều .

Hình 2.3 Phản ứng tạo cầu nối liên kết giữa các hạt keo.


11

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ :
pH
pH ảnh hưởng đến độ hòa tan của chất keo tụ, ví dụ như phèn nhơm, ở pH< 5.5
hàm lượng Al3+ trong nước tăng nhiều; ở pH >7.5 Al(OH)3 có tác dụng như một
axit làm cho gốc AlO2- xuất hiện.
pH ảnh hưởng đến điện tích hạt keo. Điện tích của hạt keo trong dung dịch
nước có quan hệ với thành phần của ion trong nước, đặc biệt là với nồng độ ion
H+.
pH ảnh hưởng đến các chất hữu cơ: chất hữu cơ trong nước như các thực vật bị
thối rữa, khi pH thấp, dung dịch keo của acid humic mang điện tích âm, lúc này
dễ dàng dùng chất keo tụ khử đi. Khi pH cao, nó trở thành muối acid humic dễ
tan.
pH ảnh hưởng đến tốc độ keo tụ dung dịch keo. Tốc độ keo tụ dung dịch keo và
điện thế ξ của nó có quan hệ. Trị số điện thế ξ càng nhỏ, lực đẩy giữa các hạt
càng yếu, vì vậy tốc độ keo tụ của nó càng nhanh. Khi điện thế bằng 0, nghĩa là
đạt đến điểm đẳng điện, tốc độ keo tụ của nó là lớn nhất.
Liều lượng chất keo tụ
Q trình keo tụ khơng phải là phản ứng hóa học đơn thuần nên lượng chất keo
tụ cần cho vào khơng thể căm cứ vào tính toán để xác định mà phải dựa vào thực
nghiệm chuyên mơn tìm ra.
Tốc độ khuấy trộn
Tốc độ khuấy tốt nhất là từ nhanh sang chậm. Khi mới cho chất keo tụ vào nước,

phải khuấy nhanh, vì sự thủy phân của các chất keo tụ trong nước và tốc độ hình thành
keo rất nhanh, do đó phải khuấy nhanh để các hạt keo đến tác dụng với những tạp chất
trong nước. Sau khi đã hình thành bơng phèn phải khuấy chậm để không làm vỡ bông .
Nhiệt độ keo tụ
Khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, nhiệt độ nước ảnh hưởng đến quá trình
keo tụ. Khi nhiệt độ nước thấp (< 5oC), bông sinh ra to mà xốp, chứa phần nước nhiều,


12
lắng xuống chậm nên hiệu quả kém. Nhiệt độ tốt cho q trình keo tụ bằng phèn nhơm
là 25 – 30 oC. Nếu keo bằng phèn sắt thì nhiệt độ ảnh hưởng không lớn.
Tạp chất trong nước
Nếu cho các ion ngược dấu vào dung dịch có thể khiến dung dịch keo tụ. Khi
có các anion HCO32-, SO42-, Cl- với lượng quá nhiều đều làm cho quá trình keo tụ xấu
đi. Khi có các cation Ca2+, Mg2+ , cation này làm giảm thế điện động zeta có tác dụng
tốt đến keo tụ.
Mơi chất tiếp xúc
Khi keo tụ, nếu có lớp cặn bùn nhất định dưới đáy sẽ làm cho quá trình kết tủa
càng hoàn toàn, làm cho tốc độ kết tủa nhanh thêm. Lớp bùn đó có tác dụng làm mơi
chất tiếp xúc trên bề mặt của nó có tác dụng hấp phụ, thúc đẩy, tác dụng của các hạt
bùn đó như những hạt nhân kết tinh.
2.2.3 Một số loại chất keo tụ thường được sử dụng:
Chất vô cơ
Trong thực tiễn, người ta thường dùng muối sắt ( Fe2+, Fe3+ ), muối nhôm
( Al3+ ), phèn bùn, polyaluminium chloride (PAC) cùng một số chất trợ keo tụ : oxit
silic hoạt tính, polymer, bentonite, canxi carbonate.
Các chất keo tụ này được cho vào nước thải ở dạng dung dịch hòa tan. Trong dung
dịch, chúng phân ly thành các anion và cation. Nhờ hóa trị cao của các ion kim loại,
chúng có khả năng ngậm nước tạo thành các phức chất hexa mang nhiều điện tích. Tùy
thuộc vào pH mơi trừơng mà chúng có khả năng tồn tại ở các điều kiện pH khác nhau.

o

Muối nhôm
Với phèn nhôm, ở pH quá thấp sẽ tạo thành dạng Al(OH)2+ và ở pH cao (trên

8) thì dạng Al(OH)4- sẽ được tạo thành.. Khoảng pH tối ưu phụ thuộc vào tính chất và
nồng độ chất ơ nhiễm trong nước thải.
Phản ứng tạo bazơ, khi thêm ion Al+3 vào nước tạo ra kết tủa hydroxit nhôm và tạo
môi trường acid :
Al3+ + 3 H2O ↔ Al(OH)3 + 3 H+


13

Trong mơi trường acid, một vài loại chất hịa tan, đặc biệt các ion bicacbonate có thể
phản ứng với H+ tạo ra CO2 và nước :
HCO3- + H+ ↔ H2O + CO2
Độ acid này có thể được tăng lên khi các chất làm keo tụ liên kết với bazơ (NaOH,
vôi, cacbonate natri )
Al3+ + 3 OH- ↔ Al(OH)3
Sunfat nhôm :
Độ kiềm phải có trong nước thải để phản ứng với aluminum sulfate để tạo
bơng hydroxit. Trong dãy pH thích hợp, độ kiềm thường ở dạng ion bicarbonate. Phản
ứng tạo bông:
Al2(SO4)3.14 H2O + Ca(HCO3)2

2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 + 14 H2O + 6 CO2

Nếu nước không đủ độ kiềm để phản ứng với alum thì độ kiềm sẽ được nâng
lên bằng cách cho thêm vôi tôi hoặc canxi hydroxide, NaOH.

Al2(SO4)3.14 H2O + 3 Ca(OH)2

2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 + 14 H2O

Đối với phèn nhôm, pH tối ưu khoảng 4.5 đến 8.0
Polymer nhơm
Dùng polymer nhơm để trung hịa và cũng là cầu kết nối chất keo làm cho sự
keo tụ có hiệu quả hơn. Hơn nữa, dùng polymer cho phép xích lại gần các loại tinh thể
hydroxit nhôm, như bayerite hay gibbsite. Polymer hóa hydroxit nhơm trong dung dịch
tạo ra mần tinh thể, hợp nhất các gốc có dạng Al6(OH)126+ . Polymer hóa bắt đầu bằng
một phản ứng nối cầu:
OH
Al

Al
OH

Tồn tại một dãy liên tục các polymer mà độ lớn của chúng tăng với mức độ
hydroxyl hóa ( tỷ số mol R = OH / Al). Polymer hóa trị càng xảy ra sớm, các bơng keo
tụ càng xích gần tới cấu trúc tinh thể, nó càng rắn chắc và đặc hơn.