Nghiên cứu quá trình oxy hóa nâng cao fenton trong xử lí nước thải nhà máy dệt nhuộm phong phú – hòa khánh

1


2

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự đi lên không ngừng của xã hội là sự phát triển của các
ngành công nghiệp. Song song với những lợi ích to lớn của các ngành cơng nghiệp
mang lại như tạo sự phát triển cho đất nước, công ăn việc làm cho hàng ngàn người
lao động…chính là sự ơ nhiễm môi trường. Chủ đề chất thải và bảo vệ môi trường
luôn là những chủ đề nổi bật trong các hội nghị cấp quốc gia, quốc tế về môi
trường. Lượng chất thải chứa các chất độc hại do các ngành cơng nghiệp tạo ra tăng
liên tục nhanh. Điển hình như các ngành cơng nghiệp cao su, hóa chất, luyện kim,
xi mạ, giấy, thuốc bảo vệ thực vật đặc biệt là ngành công nghiệp dệt nhuộm đang
phát triển mạnh mẽ và chiếm kim ngạch xuất khẩu lớn của Việt Nam. Công nghiệp
dệt nhuộm Việt Nam những năm qua ln có sự tăng trưởng lớn. Tuy nhiên, bên
cạnh những lợi ích tạo ra giá trị thặng dư đóng góp cho sự phát triển kinh tế xã hội,
thì những tác hại gây ơ nhiễm môi trường đem lại cũng không phải là nhỏ.
Do đặc điểm của nước thải dệt nhuộm có nhiệt độ cao, chứa nhiều chất độc
hại, chất màu, sơ sợi và một lượng lớn các hợp chất hữu cơ khó phân hủy nên xử lí
nước thải dệt nhuộm khơng phải là một vấn đề đơn giản. Hầu hết các nhà máy, xí
nghiệp dệt nhuộm hiện nay ở nước ta đã có hệ thống xử lí nước thải, tuy nhiên vẫn
chưa xử lí triệt để và chưa đạt QCVN 13: 2008/BTNMT gây ảnh hưởng khơng ít
đến mơi trường sinh thái, sức khỏe con người và đời sống các sinh vật. Để xử lí, cần
phải kết hợp nhiều phương pháp. Trong phạm vi thành phố Đà Nẵng chúng ta cũng
có nhiều nhà máy dệt nhuộm lớn nhỏ, trong số đó có nhà máy dệt nhuộm Phong
Phú – Hòa Khánh. Đây là một nhà máy dệt nhuộm lớn, vì vậy, lượng nước thải mà
nhà máy đã xả vào mơi trường theo đó khơng phải là nhỏ. Mảng nghiên cứu về việc
xử lí nước thải ở nhà máy này gồm hai phần là đông tụ và oxy hóa nâng cao Fenton.
Vì q trình đơng tụ đã được một sinh viên khác nghiên cứu thực hiện, nên trong đề

tài này, chúng tôi xin chọn ra một phương pháp đơng tụ tối ưu nhất để xử lí, sau đó
tiến hành lọc phần nước trong để làm hệ Fenton. Tuy nhiên, theo chúng tơi được
biết q trình oxi hóa nâng cao của nhà máy dệt nhuộm Phong Phú sử dụng chất
oxy hóa là ozon tạo ra từ máy tạo ozon. Đây là một thiết bị phức tạp, đắt tiền lại


3

phải cần nguồn năng lượng cao để vận hành làm kinh phí xử lí cao, chiếm giá thành
lớn trong tổng giá thành xử lí. Với mong muốn tìm ra một phương pháp có khả
năng làm giảm giá thành xử lí nhưng mang lại hiệu quả xử lí cao, thế nên trong đề
tài này, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu q trình oxi hóa nâng cao Fenton oxalat
sử dụng nguồn năng lượng là ánh sáng mặt trời, đồng thời kết hợp áp dụng các hóa
chất dễ tìm, gần gũi với cuộc sống. Phương pháp này mang lại hiệu quả cao về xử lí
đặc biệt là về kinh tế. Chính vì những lí do trên, trong bài tiểu luận này chúng tơi
tiến hành trình bày đề tài: “Nghiên cứu q trình oxy hóa nâng cao Fenton trong
xử lí nước thải nhà máy dệt nhuộm Phong Phú – Hịa Khánh”.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu các quá trình phân hủy các chất ô nhiễm trong nước thải dệt
nhuộm với tác nhân Fe3+/C2O42-/H2O2/UV mặt trời.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu:
Nước thải dệt nhuộm nhà máy Phong Phú – Hòa Khánh.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Trong đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu những nội dung sau:
- Sử dụng phương pháp oxy hóa nâng cao Fenton để xử lý nước thải nhà máy
dệt nhuộm Phong Phú.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình với các thông số như pH, nồng
độ H2O2, nồng độ C2O42-, lượng xúc tác sử dụng.
4. Phương pháp nghiên cứu

4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Nghiên cứu các tài liệu có sẵn ở Việt Nam hay các bài báo nước ngoài kết
hợp nghiên cứu thêm các tài liệu tìm được thơng qua các mạng xã hội.
4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Sử dụng phương pháp quang phổ hấp phụ phân tử UV-VIS để xác định
hiệu suất xử lý độ màu của nước thải.
- Sau khi oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong nước thải trước và sau khi xử lý
Fenton bằng chất oxy hóa mạnh K2Cr2O7, sử dụng phương pháp chuẩn độ bằng


4

dung dịch FAS để xác định lượng dư K2Cr2O7. Phương pháp này được sử dụng để
xác định hiệu suất xử lý COD của nước thải.
5. Ý Nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
- Nghiên cứu quá trình oxy hóa Fenton để tìm phương pháp xử lí nước thải
đạt hiệu suất cao nhất.
- Nghiên cứu q trình oxy hóa nâng cao Fenton nhằm đưa đến một phương
án xử lý nước thải mới: đơn giản, rẻ tiền, hiệu quả cao.
6. Kết cấu:
Nội dung của báo cáo được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thực nghiệm
Chương 3: Kết quả - Bàn luận
Cuối cùng là phần kết luận


5

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN

1.1. Vài nét sơ lược về ngành công nghiệp dệt nhuộm Việt Nam
1.1.1. Sự phát triển của ngành dệt nhuộm [3]
Ngành dệt may là một trong những ngành đóng một vai trị quan trọng khơng
thể thiếu trong cuộc sống của con người từ khi họ có ý thức về nhu cầu may mặc
đan lát những thứ bằng cỏ cây làm thành nguyên liệu. Trong những năm gần đây sự
phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp dệt nhuộm đã góp một phần lớn vào sự
phát triển kinh tế chung của nước ta và ngành này đã đáp ứng nhu cầu lớn trong
nước và còn thu được một lượng ngọai tệ lớn nhờ xuất khẩu. Mặt khác ngành dệt
nhuộm còn giải quyết việc làm cho một số lượng lớn lao động. Hiện nay công
nghiệp dệt nhuộm đã trở thành một ngành mũi nhọn trong chiến lược phát triển kinh
tế xã hội của nước ta, đã và đang được sự quan tâm mạnh mẽ của nhà nước
Ngày nay, ngành dệt may không những gia tăng về sản lượng mà còn gia
tăng thêm chất lượng sản phẩm, đạt mức độ tinh vi và tạo ra các sản phẩm đa dạng
về mẫu mã và màu sắc.Các sản phẩm ngành này không chỉ dừng lại ở các vật dụng
quen thuộc như vải vóc, quần áo, khăn, chăn, drap gối nệm, mũ nón, rèm… mà cịn
đạt được mức độ tân tiến hơn khi cho ra đời những vật dụng hữu ích cho các ngành
nghề khác như lều, lưới bắt các, các loại dây nhợ, bao bì, vịng dây cua roa, chỉ
khâu, bơng băng trong ngành y tế và các vật liệu cần thiết khác.
Năm 2000, giá trị kinh doanh xuất khẩu các sản phẩm dệt may chỉ đạt gần
1,9 tỉ USD thì năm 2008 đã tăng lên 9,1 tỉ USD tăng 17,5% so với năm 2007. Năm
2009, kim ngạch xuất khẩu toàn ngành đạt 9,1 tỷ USD, trở thành ngành xuất khẩu
dẫn đầu cả nước, trong đó Vinatex đạt 1,7 tỷ USD, tăng 3% so cùng kỳ năm 2008.
Hai tháng đầu năm 2010, ngành Dệt May Việt Nam đã mang về 1 tỷ 510 triệu USD
kim ngạch xuất khẩu, tăng 16,8% so với cùng kỳ năm 2009, trong đó kim ngạch
xuất khẩu trong tháng 2 ước tính 700 triệu USD.
Song cùng với sự phát triển này là những quá trình phát sinh trong sản xuất.
Đây luôn là vấn đề khiến cho các nhà quản lí và các nhà khoa học quan tâm. Hàng
năm ngành dệt nhuộm sử dụng một lượng nước lớn để sản xuất sau đó thải ra mơi
trường khi chưa được xử lí hoặc đã xử lí nhưng chưa đạt tiêu chuẩn môi trường. Do

6

vậy việc xử lí nước thải của nhà máy dệt nhuộm ngày càng trở thành vấn đề cấp
thiết để bảo đảm sức khỏe cộng đồng và đảm bảo phát triển bền vững lành mạnh.
1.1.2. Các thông số đánh giá chất lượng nước thải dệt nhuộm [3]
1.1.2.1. Độ pH
Độ pH là một trong một chỉ tiêu cần kiểm tra đối với chất lượng nước cấp và
nước thải. Giá trị pH cho phép ta quyết định xử lý theo phương pháp thích hợp hoặc
điều chỉnh lượng hóa chất trong q trình xử lí nước thải bằng phương pháp sinh
học. Sự thay đổi giá trị pH trong nước có thể dẫn tới những thay đổi về thành phần
các chất trong nước.
1.1.2.2. Màu sắc
Màu sắc của nước là do các chất bẩn có trong nước gây nên. Màu sắc của
nước cụ thể là do các chất hữu cơ và phần chiết của thực vật gọi là màu thực. Ngồi
ra, do các chất vơ cơ là những hạt rắn có màu gây ra gọi là màu biểu kiến.
1.1.2.3. Tổng lượng chất rắn (TS)
Tổng lượng chất rắn là trọng lượng khơ tính bằng mg của phần cịn lại sau
khi bay hơi 1 lít mẫu nước trên nồi cách thủy, sấy khô ở 103 oC cho tới khi trọng
lượng không đổi (đơn vị mg/L).
1.1.2.4. Chất rắn huyền phù (SS)
Là chất rắn ở dạng lơ lửng trong nước. Hàm lượng chất rắn huyền phù SS là
trọng lượng của phần chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh khi lọc 1 lít mẫu
nước qua nhiều phễu rồi sấy khơ (đơn vị: mg/L).
1.1.2.5. Chất rắn hịa tan (DS)
Hàm lượng chất rắn hịa tan chính là hiệu số của tổng lượng chất rắn và hàm
lượng chất rắn huyền phù (đơn vị: mg/L).
1.1.2.6. Hàm lượng oxy hòa tan trong nước (DO)
Là lượng oxy khơng khí có thể hịa tan vào nước trong điều kiện nhiệt độ áp
suất xác định.

Chỉ số DO thấp có nghĩa là nước có nhiều chất hữu cơ, nhu cầu oxy hóa tăng
nên tiêu thụ nhiều oxy trong nước.
Chỉ số DO cao, chứng tỏ trong nước có nhiều rong tảo tham gia vào quá trình


7

q trình quang hợp giải phóng oxy.
Chỉ số DO rất quan trọng để duy trì điều kiện hiếu khí và là cơ sở để xác
định nhu cầu oxy hóa sinh học.
1.1.2.7. Nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD)
Là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật tiêu thụ trong quá trình oxy hóa các
chất hữu cơ trong nước.
Chỉ số BOD là một chỉ số quan trọng của sự ô nhiễm nước thải, chỉ số này
chỉ ra mức độ ô nhiễm của nước ô nhiễm dựa trên các chất hữu cơ.
1.1.2.8. Nhu cầu oxy hóa hóa học (COD)
Là lượng oxy cần thiết cho q trình oxy hóa học các chất hữu cơ trong nước
thành CO2 và H2O.
COD biểu thị lượng chất hữu cơ có thể oxy hóa bằng hóa học.
Việc xác định BOD đòi hỏi thời gian lâu hơn xác định COD nên trong thực
tế thường xác định COD để đánh giá mức độ ô nhiễm.
1.1.3. Các nguồn phát sinh, đặc tính và ảnh hưởng của nước thải dệt nhuộm [3],
[5]
Do yêu cầu phong phú về mẫu mã, màu sắc và chủng loại nên q trình sản
xuất sử dụng nhiều cơng nghệ, nguồn nguyên liệu và hóa chất rất đa dạng..
Các cơng đoạn chính của q trình dệt nhuộm:
* Làm sạch nguyên liệu: Nguyên liệu là bông, xơ nhân tạo,len, tơ tằm được
đóng thành kiện chứa các sợi có kích thước khác nhau bị đánh tung, làm sạch và
trộn đều nhằm loại bỏ tuyến xơ, cặn bẩn.
* Chải, kéo sợi, đánh ống, mắc sợi: Các sợi bông được chải song song và tạo

thành các sợi thô và được kéo để giảm kích thước sợi, tăng độ bền và quấn sợi thành
các ống thích hợp cho việc dệt vải. Các ống sợi sẽ được máy mắc mắc thành những
trục sợi và được rẽ thành những sợi với số lượng sợi và chiều dài theo yêu cầu của
từng mặt hàng.
* Công đoạn hồ: Sợi được hồ hoá bằng hồ tinh bột và tinh bột biến tính để
tạo màng hồ xung quanh sợi nhằm tăng thêm cơ tính cho sợi, đảm bảo cho quy trình
dệt được thuận lợi. Sau khi dệt thành tấm, vải được đem tẩy tinh bột rồi mới thực


8

hiện các công đoạn khác (như nấu, nhuộm…).
* Dệt vải: Các trục dệt đã tẩm hồ sẽ được đem sang các máy dệt để thực hiện
công đoạn dệt nên sản phẩm, dệt vải là qúa trình kết hợp sợi ngang với sợi dọc đã
mắc để hình thành tấm vải mộc .
* Giũ hồ: Vải mộc đã kiểm tra được đốt lông và giũ nhằm loại bỏ lông xù và
các thành phần của hồ bám trên vải bằng phương pháp enzim ( 1% enzim, muối và
các chất ngấm) hoặc axit ( dung dịch H2SO4 0,5 %).
* Nấu vải: Công đoạn nấu để loại trừ phần hồ còn lại và các tạp chất thiên
nhiên của xơ xợi như dầu mỡ, sáp… Sau khi nấu, vải có khả năng thấm ướt cao, hấp
thụ hoá chất, thuốc nhuộm cao hơn, vải mềm mại và trắng đẹp hơn. Sau đó vải được
giặt lại nhiều lần.
* Tẩy trắng: Tẩy trắng nhằm mục đích tẩy màu tự nhiên của vải, làm sạch
các vết bẩn làm cho vải có độ trắng đúng yêu cầu chất lượng. Các chất tẩy thường
dùng là natri cloxit (NaClO2), natri hypoclorit (NaOCl) hoặc hyđro peroxide (H2O2)
cùng các chất phụ trợ. Sau đó vải được giặt lại nhiều lần nhằm tẩy trắng vải theo
yêu cầu chất lượng.
* Làm bóng: Làm bóng vải bơng thường bằng dung dịch kiềm NaOH. Sau đó
vải được giặt nhiều lần.( Đối với vải nhân tạo khơng cần làm bóng).
* In hoa, nhuộm vải: Trong giai đoạn này ta sử dụng các hóa chất như:

NaOH hay Axit (chất tạo mơi trường kiềm hay axit), phẩm nhuộm, chất hoạt động
bề mặt, chất khử, H2O2, chất điện ly... Để tăng hiệu quả của q trình nhuộm, sử
dụng các hóa chất như: axit (H2SO4, CH3COOH), các muối (Na2SO4, muối amon),
các chất cầm màu như Syntephix, tinofix.
* Tẩy giặt: Sau nhuộm và in, vải được giặt nóng, giặt lạnh nhiều lần nhằm
làm sạch vải, loại bỏ các tạp chất, màu thuốc nhuộm thừa... Phần thuốc nhuộm
khơng gắn vào vải và các hố chất sẽ đi vào nước thải và được thu gom vào bể xử lý
dệt nhuộm.
* Hồn tất: là cơng đoạn cuối cùng tạo ra vải có chất lượng tốt và theo đúng
yêu cầu như: chống mốc, chống cháy, mềm, chống nhàu...


9

Sau mỗi cơng đoạn sẽ có một lượng nước thải được thải ra, thành phần tính
chất của lượng nước thải này tùy thuộc vào loại hóa chất cần dùng cho mỗi cơng
đoạn đó. Nhìn chung cơng nghệ dệt nhuộm cũng tương đối đa dạng và còn phụ
thuộc vào loại sản phẩm, loại vải nguyên liệu, loại thuốc nhuộm
1.1.4. Đặc tính và ảnh hưởng của nước thải ngành dệt nhuộm đến mơi trường [5]
1.1.4.1. Đặc tính của nước thải ngành dệt nhuộm
Đặc trưng của ngành dệt nhuộm là sử dụng nhiều nước và hoá chất nên tạo ra
lượng nước thải với mức độ ô nhiễm cao, yêu cầu đặt ra cho công tác nghiên cứu là
phải thiết lập được các hệ thống xử lý hiệu quả các tác nhân chính gây ô nhiễm như
tính kiềm, hàm lượng kim loại nặng. Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học
trên thế giới, lượng nước sử dụng cho từng công đoạn dệt nhuộm: Tẩy mở len: 20 40 m3/tấn thành phẩm; hoàn thiện và nhuộm len: 70 - 200 m3/tấn thành phẩm. Các
kết quả phân tích đặc điểm nước thải dệt nhuộm cho thấy, trong nước thải có cả
những chất dễ phân giải vi sinh như bột sắn dùng hồ sợi dọc, những chất khó phân
giải vi sinh như polyvinyl axetat, thuốc nhộm phân tán, thuốc nhuộm hoạt tính và
các chất dùng tẩy trắng vải.
Nước thải tẩy giặt có pH dao động khá lớn từ 9 – 12, hàm lượng chất hữu cơ

cao (COD = 1000 – 3000 mg/l) do thành phần các chất tẩy gây nên. Độ màu của
nước thải khá lớn ở những giai đoạn tẩy ban đầu và có thể lên đến 10.000 Pt -Co,
hàm lượng cặn lơ lửng SS có thể đạt đến trị số 2000 mg/l, nồng độ này giảm dần ở
cuối chu kỳ xả và giặt. Thành phần chủ yếu của nước thải bao gồm: thuốc nhuộm
thừa, chất hoạt động bề mặt, các chất oxy hóa, cellulose, xáp, xút, chất điện ly…
Còn thành phần nước thải nhuộm thường không ổn định và đa dạng, thay đổi
ngay trong từng nhà máy khi nhuộm các loại vải khác nhau, thậm chí ngay cả khi
cùng một loại vải với loại thuốc nhuộm khác nhau. Mơi trường nhuộm có thể là acid
hoặc kiềm, hoặc trung tính. Ngồi ra, thành phần phẩm nhuộm thường chứa các gốc
như: R-SO3Na, R-SO3H, N-OH, R-NH2, R-Cl… pH nước thải thay đổi từ 2 – 14, độ
màu rất cao đôi khi lên đến 50.000 Pt-Co, hàm lượng COD thay đổi từ 80 – 18000
mg/l. Bên cạnh đó, thành phần nước thải chứa các nhóm hịa tan như: acid axetic,
formic, chất oxy hóa (NaClO, H2O2), phẩm nhuộm trực tiếp, crom, hoạt tính, acid,


10

bazơ, chất tẩy giặt, chất khử…và các nhóm khơng tan là: phẩm nhuộm azo, aniline
black, naphtine, phẩm nhuộm phân tán, tinh bột… dẫn đến độ màu, hàm lượng chất
hữu cơ, độ pH, hàm lượng cặn đều không ổn định.
1.1.4.2. Ảnh hưởng của nước thải đến môi trường:
Nước thải trong công nghệ dệt nhộm phát sinh từ các công đoạn hồ sợi, giũ
hồ, nấu tẩy, nhuộm và hồn tất, trong đó lượng nước thải chủ yếu do quá trình giặt
sau mỗi công đoạn. Hàm lượng các chất gây ô nhiễm nước thải trong từng loại hình
cơng nghệ và từng loại sản phẩm thường khác nhau ,… Độ kiềm cao làm tăng độ
pH của nước, gây độc hại với các loài thủy sinh, gây ăn mịn các cơng trình thốt
nước và hệ thống xử lý nước thải. Độ màu cao do lượng thuốc nhuộm dư đi vào
nước thải gây màu cho dòng tiếp nhận, ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của các
loài thủy sinh, ảnh hưởng xấu tới cảnh quan.
Đa số các loại thuốc nhuộm có tính bền vững và có thể được coi là khơng

manh tính sinh thái hoặc khá nguy hiểm đối với môi trường. Nhiều loại thuốc
nhuộm cho cấu trúc hố học có một số chất gây ung thư như hợp chất di, tri và
poly-azo. Một số loại thuốc nhuộm còn chứa các kim loại nặng như đồng, crom
hoặc cobalt. Các loại thuốc nhuộm phản ứng mầu và thuốc nhuộm trực tiếp thường
không độc. Các chất mang độc tố được tìm thấy trong phần dư của bồn nhuộm và
trong nước thải; tuy nhiên các chất này được coi là ít độc đối với các tổ chức nước
tuy nhiên vẫn có tính bền vững. Các chất độc như sunfit, kim loại nặng, hợp chất
halogen hữu cơ có khả năng tích tụ trong cơ thể sinh vật với hàm lượng tăng dần
theo chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái nguồn nước, gây ra một số bệnh mãn tính hay
ung thư đối với người và động vật.
1.2. Thuốc nhuộm
1.2.1. Giới thiệu về thuốc nhuộm [16]
Thuốc nhuộm là tên chỉ chung những hợp chất hữu cơ có màu rất đa dạng về
màu sắc và chủng loại, chúng có khả năng nhuộm màu nghĩa là gắn màu hay bắt
màu trực tiếp cho các vật liệu khác.
Nguồn gốc của thuốc nhuộm có thể từ tự nhiên hoặc do con người tổng hợp.
Hiện nay, hầu như chúng ta chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp. Đặc điểm nổi bật


11

của các loại thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất khơng bị phân huỷ. Màu sắc
của thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hố học. Một cách chung nhất cấu trúc
thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu. Nhóm mang màu là
những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử π khơng cố định như: >C=C<,
>C=N-, -NO2….Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận điện tử như: NH2, -COOH, -SO3H, -OH…đóng vai trị tăng cuờng màu của nhóm mang màu
bằng cách dịch chuyển năng luợng của hệ điện tử.
1.2.2. Phân loại, đặc điểm của thuốc nhuộm [8], [5]
Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hóa học, màu sắc , phạm
vi sử dụng. Tùy thuộc cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng, thuốc nhuộm được

phân chia thành các họ, các loại khác nhau. Có hai cách phân loại thuốc nhuộm:
- Theo cấu tạo hóa học:
Căn cứ đặc điểm giống nhau trong cấu tạo của chúng. Sự phân loại này giúp
các nhà sản xuất thuốc nhuộm dễ dàng định hướng phương pháp tổng hợp các loại
thuốc nhuộm và giúp cho con người dễ dàng sử dụng nắm vững các tính chất hóa
học của thuốc nhuộm
- Theo tính chất và kĩ thuật sử dụng thuốc nhuộm:
Cách phân loại này được sử dụng để nhuộm in hoa các sản phẩm dệt, da,
giấy, vật liệu cao phân tử và các vật liệu khác. Theo cách phân lớp này thì những
thuốc nhuộm tuy được xếp cùng một lớp theo phân lớp hóa học có thể nằm các lớp
khác nhau theo phân lớp kĩ thuật. Người ta thường sử dụng phương pháp này.
Dưới đây là một số tính chất chung của chúng theo phân lớp kĩ thuật. Có hai
phân lớp là : Hịa tan trong nước và khơng hịa tan trong nước.
1.2.2.1. Thuốc nhuộm hòa tan
* Thuốc nhuộm trực tiếp:
Thuốc nhuộm trực tiếp là loại thuốc nhuộm mà các ion mang màu của thuốc
nhuộm liên kết với xenlulozo bằng lực liên kết hóa học và các phân tử thuốc nhuộm
xem kẻ với xơ sơ sợi bằng lực liên kết Vander Waals. Thuốc nhuộm trực tiếp hòa
tan trong nước, nhưng ở nhiệt độ nhỏ hơn 250C khó hịa tan hơn, nhiệt độ tối ưu của
q trình nhuộm từ 50 – 60oC. Có công thức tổng quát là Ar-SO3Na. Khi nhuộm


12

hoặc in hoa, thuốc nhuộm trực tiếp bắt màu thẳng vào vật liệu khơng phải qua khâu
xử lí trung gian, thường sử dụng để nhuộm các loại vật liệu từ xenlulo như: vải sợi
bông, lụa vixco, đay, gai... Thuốc nhuộm trực tiếp có đủ gam màu từ vàng đến đen,
màu tương đối tươi.
* Thuốc nhuộm axit:
Đa số loại này là những hợp chất sunfonic hóa chứa một hoặc nhiều nhóm

SO3H và một vài dẫn xuất cacboxyl hóa chứa nhóm -COOH dễ tan trong nước.
Chúng được sử dụng để nhuộm trực tiếp các loại sợi động vật, tức là các loại xơ sợi
có chứa nhóm bazo như len, tơ tằm, sợi tổng hợp polyamit trong mơi trương axit và
cũng có thể nhuộm sơ sợi xenlulozo với sự có mặt của ure. Xét về cấu tạo hóa học
có 79% thuốc nhuộm axit azo, 10% là antraquinon, 5% triarylmetan và 6% các lớp
hóa học khác.
* Thuốc nhuộm hoạt tính:
Là những hợp chất màu mà trong phân tử của chúng có chứa các nhóm
nguyên tử có thể được thực hiện mối liên kết hóa trị với vật liệu nói chung và sơ sợi
dệt nói riêng trong q trình nhuộm. Thuốc nhuộm hoạt tính có đủ gam màu, màu
tươi và thuần sắc, công nghệ dệt nhuộm đa dạng và không quá phức tạp. Chúng
được sử dụng để in hoa cho các vật liệu như xenlulo, tơ tằm, len...
Các loại thuốc nhuộm thuộc nhóm này có cơng thức cấu tạo tổng qt là SAr-T-X.
Trong đó:

S là nhóm làm cho thuốc nhuộm có tính tan;
Ar là gốc Ar là gốc thuốc nhuộm, thường là các hợp chất Azo

(-N=N-), antraquinon, axit chứa kim loại hoặc ftaloxiamin;
T là gốc mang nguyên tử phản ứng;
X là nguyên tử phản ứng.
Là loại thuốc nhuộm duy nhất có liên kết cộng hóa trị với xơ sợi tạo độ bền
màu giặt và độ bền màu ướt rất cao nên thuốc nhuộm hoạt tính là một trong những
thuốc nhuộm được phát triển mạnh mẽ nhất trong thời gian qua đồng thời là lớp
thuốc nhuộm quan trọng nhất để nhuộm vải sợi bông và thành phần bông trong vải
sợi pha.


13

Tuy nhiên, thuốc nhuộm hoạt tính có nhược điểm là: trong điều kiện nhuộm,
khi tiếp xúc với vật liệu nhuộm (xơ sợi), thuốc nhuộm hoạt tính khơng chỉ tham gia
vào phản ứng với vật liệu mà còn bị thủy phân.
Loại thuốc nhuộm này khi thải vào mơi có khả năng tạo thành các amin thơm
được xem là tác nhân gây ung thư.
* Thuốc nhuộm bazo – cation:
Thuốc nhuộm bazo là những hợp chất màu, có cấu tạo khác nhau, hầu hết
chúng là các muối Cl¯, oxalat hoặc muối kép của bazo hữu cơ. Cấu tạo trong phân
tử thuốc nhuộm bazo có nhóm mang màu thường là nhóm azo –N=N– và nhóm
mang màu thường là NH2, NR2... ngồi ra cịn có gốc NH4+, Cl¯, SO42-...vì vậy
chúng dễ tan trong nước.
Thuốc nhuộm cation là một loại thuốc nhuộm bazơ đặc biệt được sản xuất về
sau. Chúng có đặc điểm như thuốc nhuộm bazơ, chỉ khác là chúng bắt màu mạnh
vào xơ polyacrylnitril và chỉ dùng cho thuốc nhuộm in hoa các loại vải, hàng dệt
kim từ loại xơ này. Chúng bắt màu tốt ở nhiệt độ 90 – 100oC, chúng có đủ gam màu
từ vàng đến đen và hòa tan tốt trong nước.
1.2.2.2. Thuốc nhuộm khơng hịa tan trong nước
* Thuốc nhuộm hồn ngun khơng tan:
Thuốc nhuộm hồn ngun là những chất màu hữu cơ khơng hịa tan trong
nước,tuy có cấu tạo hóa học và màu sắc khác nhau nhưng chúng có chung một tính
chất đó là tất cả đều chứa các nhóm xeton trong phân tử và có dạng tổng quát là:
R=C=O. Khi bị khử, dạng không tan này sẽ chuyển về dạng lâycơ axit, nó chưa tan
trong nước, nhưng tan trong kiềm và chuyển thành dạng lâycô bazo.

Dạng lâycô do có ái lực lớn với xơ và hịa tan trong nước nên nó hấp thụ rất
mạnh vào xơ xenlulo, mặt khác nó dễ bị thủy phân và oxi hóa về dạng khơng tan
ban đầu.
* Thuốc nhuộm hồn ngun tan:

14

Là muối este sunfonat của hợp chất layco axit của thuốc nhuộm hồn ngun
khơng tan, R≡C-O-SO3Na. Nó dễ bị thủy phân trong mơi trường axit và bị oxi hóa
về dạng khơng tan ban đầu. Khoảng 80% thuốc nhuộm hồn ngun thuộc nhóm
antraquinon.
* Thuốc nhuộm lưu huỳnh
Chứa nhóm disunfua đặc trưng (D-S-S-D, D- nhóm mang màu thuốc nhuộm)
có thể chuyển về dạng tan (layco: D-S-) qua quá trình khử. Giống như thuốc nhuộm
hồn ngun, thuốc nhuộm lưu hóa dùng để nhuộm vật liệu xenllulo qua 3 giai
đoạn: hòa tan, hấp phụ vào xơ sợi và oxi hóa trở lại.
* Thuốc nhuộm phân tán:
Là những hợp chất màu hòa tan rất thấp khơng tan trong nước do khơng chứa
cho tính tan như –SO3Na, -COONa. Nhóm thuốc nhuộm này có cấu tạo phân tử từ
gốc azo và antraquinon và nhóm amin (-NH2, -NHR, -NR2, -NROH), dùng chủ yếu
để nhuộm các loại sợi tổng hợp (sợi axetat, sợi polieste...) không ưa nước. Xét về
mặt hóa học có đến 59% thuốc nhuộm phân tán thuộc cấu trúc azo, 32% thuộc cấu
trúc antraquinon, còn lại thuộc các lớp hóa học khác.
* Thuốc nhuộm Pigment:
Là những chất màu khơng hịa tan trong nước do trong phân tử khơng có
chứa các nhóm cho tính tan như –SO3Na, -COOH hoặc các nhóm này bị chuyển về
dạng muối bari, canxi không tan trong nước. Một số pigment hữu cơ tuy không tan
trong nước nhưng tan trong các dung môi hữu cơ được dùng để nhuộm dầu mỡ,
xăng, sáp. Chúng không có ái lực với xơ sợi và các vật liệu khác.
Thuốc in, nhuộm pigment có chứa nhóm azo, hồn ngun đa vịng,
ftaoxianin, dẫn xuất của antraquinon.
* Thuốc nhuộm azo khơng tan:
Trong phân tử của chúng có chứa nhóm mang màu azo (-N = N-) nhưng
khơng chứa các nhóm có tính tan (-SO3Na, -COONa) nên chúng không tan trong
nước.

Thuốc nhuộm azo đượcdùng nhiều để nhuộm nền và in hoa theo kiểu in phá
gắn màu nhưng không bền dưới tác dụng của ánh sáng.


15

1.3. Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm
1.3.1. Phương pháp cơ học [5]
Ứng dụng của phương pháp này là tách các tạp chất rắn hoặc các chất phân
tán khô ra khỏi nước thải bằng cách lắng và lọc.
1.3.1.1. Lọc qua song chắn rác
Mục đích của phương pháp này là loại các tạp chất bẩn (như: giẻ rác, vỏ đồ
hộp, các mẫu đá…)có thể gây sự cố trong quá trình vận hành hệ thống xử lí nước
thải như tắc ống bơm, ống dẫn… Đây là bước đầu tiên bảo đảm sự an tồn của hệ
thống xử lí nước thải. Song chắn rác được làm bằng các vật liệu kim loại, chúng
được đặt cố định hay di động và đặt nghiêng một góc 6075o.
1.3.1.2. Bể lắng
Trong nước thải có khoảng 20% là chất bẩn không tan bao gồm cát, xỉ được
giữ ở bể lắng cát khoảng 20% lượng 20% trên. Lượng chất khơng tan hữu cơ thì
chiếm khoảng 60% được giữ lại ở bể lắng đợt một và các chất hữu cơ khơng tan
được xử lí trong q trình sinh học thì được lắng ở bể lắng đợt 2. Các loại nước thải
khác nhau sẽ có thành phần bùn cặn khác nhau do đó vận tốc lắng các hạt khác
nhau.
1.3.2. Phương pháp sinh học [1], [5]
Cơ sở của phương pháp này là dựa trên hoạt động của vi sinh vật để phân
hủy các hợp chất hữu cơ nhiễm bẩn có trong nước thải. Vi sinh vật nhận chất dinh
dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng, sinh sản, làm tăng sinh khối. Phương pháp
này được sử dụng để làm sạch các loại nước thải có chất các chất hữu cơ hòa tan
hoặc các chất phân tán nhỏ, keo. Do vậy, chúng được dùng sau khi loại các tạp chất
phân tán thô ra khỏi nước thải. Đối với các loại nước thải khác nhau thì có các loại

vi sinh vật khác nhau. Mỗi loại loại nước thải có một số loại vi sinh vật thích nghi
riêng. Chúng cần có chất hữu cơ để làm thức ăn hoặc làm chất dinh dưỡng, phân
hủy các hợp chất hữu cơ nhiễm bẩn về các hợp chất đơn giản hơn. Sản phẩm cuối
cùng của quá trình phân hủy sinh hóa các chất bẩn sẽ là CO2, H2O, N2, SO42-…
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học gồm các phương pháp sau:


16



Phương pháp hiếu khí (aerobic): là phương pháp phân hủy các hợp

chất hữu cơ nhờ vi sinh vật với sự có mặt của O2. Phương pháp này được áp dụng
nhiều trong xử lí nước thải cơng nghiệp.


Phương pháp kị khí (anaerobic): là phương pháp phân hủy các hợp

chất hữu cơ dưới điều kiện thiếu hoặc khơng có O2.


Phương pháp thiếu khí (anoxic): là phương pháp chuyển hóa Nito

trong điều kiện khơng cấp oxi từ ngồi vào. Phương pháp này cịn gọi là phương
pháp Nitorat kị khí.
1.3.3. Phương pháp hóa lí
Các phương pháp hóa lí được ứng dụng trong trường hợp cần loại ra khỏi nước
thải các chất bẩn có nguồn gốc vô cơ mà phương pháp làm sạch sinh học không thể
loại được.

1.3.3.1. Phương pháp keo tụ [5], [17]
Để loại ra khỏi nước thải những hạt có kích thước nhỏ hơn 10-4mm và cho
hiệu quả cao, người ta thường sử dụng phương pháp keo tụ. Các chất keo tụ thường
được sử dụng là FeCl3, các polime của nhôm, sắt như PAC, PFC... các chất này một
mặt phá vỡ tính bền nhiệt động của hệ keo, mặc khác tạo bông giúp cho sự sa lắng
diễn ra nhanh hơn. Để giúp cho quá trình lắng, người ta cần sử dụng thêm các chất
trợ keo tụ như Polime Anion, Polime Cation…, các chất này làm tăng khối lượng
của bơng keo nên q trình lắng được dễ dàng hơn.
Khi hòa tan FeCl3 trong nước xảy ra quá trình thủy phân
FeCl3 +

H2 O



Fe(OH)3

+

HCl

Fe(OH)3 tổ hợp với nhau tạo nên cấu trúc rắn, bền gọi là nhân. Do điện tích
bề mặt lớn nên chúng hấp phụ những ion có trong thành phần của tổ hợp hoặc ion
gần giống ion có trong tổ hợp về tính chất và kích thước tạo thành nhân mixen. Ion
được hấp phụ gọi là ion quyết định thế hiệu. Thế nên bề mặt nhân gọi là thế nhiệt
động, bằng điện tích của tất cả ion lớp ion bề mặt nhân ( ion QĐTH)
[mFe(OH)3]

+

nFe3+



[mFe(OH)3]. nFe 3+

Cả hai lớp ion dương Fe3+ và ion âm Cl- tạo thành lớp điện tích kép trên bề
mặt hạt keo.


17

Bằng cách sử dụng quá trình keo tụ, người ta cịn có thể tách được hoặc làm
giảm đi thành phần có trong nước như kim loại nặng, các chất lơ lửng,…và có thể
cải thiện được độ đục và màu sắc của nước, giảm một phần COD ( lượng oxy tương
đương tiêu tụ để oxy hoá chất hữu cơ bằng hoá chất kali cromat). Khi tiếp tục tăng
liều lượng chất keo tụ, hiệu quả tách loại COD và màu ( có lẽ chủ yếu do cơ chế hấp
thụ) tăng khi pH của hệ giảm. Phương pháp keo tụ được sử dụng rộng rãi trong xử
lý nước thải dệt nhuộm có các thuốc nhuộm phân tán và không tan. Đây là phương
pháp khả thi về mặt kinh thế tuy nhiên nó khơng xử lý được tất cả các loại thuốc
nhuộm: thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm trực tiếp; thuốc nhuộm hoàn nguyên keo tụ
tốt nhưng không kết lắng dễ dàng, bông cặn chất lượng thấp; thuốc nhuộm hoạt tính
rất khó xử lý bằng các tác nhân keo tụ thơng thường và cịn ít được nghiên cứu. Bên
cạnh đó phương pháp keo tụ cũng tạo ra một lượng bùn thải lớn và không làm giảm
tổng chất rắn hịa tan nên gây khó khăn cho tuần hoàn nước.
1.3.3.2. Phương pháp tuyển nổi [2], [4], [5]
Đây là một q trình hóa lí phức tạp trong đó các phần tử có bề mặt kị nước
sẽ có khả năng kết dính vào các bọt khí. Khi các bọt khí bám vào các phân tử phân
tán vận động trong nước thì chúng tập trung lại nổi lên trên mặt nước
Trong công nghiệp, tuyển nổi được áp dụng để xử lý chất khoáng, tái sinh

nguyên liệu từ nước rửa, làm sạch nước thải, xử lý bùn và thu hồi khoáng sản q.
Trong xử lý nước cấp, q trình tuyển nổi được kết hợp với q trình keo tụ tạo
bơng, đặc biệt là đối với chất mùn và tảo sau quá trình keo tụ tạo bơng được tách ra
khỏi nước bằng tuyển nổi.
1.3.3.3. Phương pháp hấp phụ [16]
Để làm sạch bể nước thải công nghiệp khỏi các chất hữu cơ khi hàm lượng
rất nhỏ được hịa tan sau xử lí sinh học người ta dùng phương pháp hấp phụ. Những
chất hữu cơ này khơng bị phân hủy sinh học và có độc tính cao. Q trình hấp phụ
là q trình tập hợp các chất hòa tan trong dung dịch lên bề mặt chung của chất lỏng
và khí, hai chất lỏng hoặc giữa chất lỏng và chất rắn thích hợp.
Có hai loại hấp phụ:


18

* Hấp phụ vật lý: Hấp phụ vật lý xảy ra khi các phân tử của chất bị hấp phụ
và chất hấp phụ khơng tạo thành hợp chất hóa học (khơng hình thành các liên kết
hóa học) mà chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt bằng
lực liên kết phân tử yếu và liên kết hidro. Sự hấp phụ vật lý ln thuận nghịch.
* Hấp phụ hóa học: Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử hấp phụ tạo hợp
chất hóa học với các phân tử bị hấp phụ và hình thành trên bề mặt phân chia pha.
Lực hấp phụ khi đó là lực liên kết hóa học thơng thường (liên kết ion, liên kết cơng
hóa trị, phối trí…), sự hấp phụ hóa học ln bất thuận nghịch. Các chất hấp phụ
thường dùng là: Cacbon hoạt tính, Bentonite, silicagen, keo nhôm, một số chất tổng
hợp hoặc chất thải sản xuất như: xỉ, mạt sắt,…
1.3.3.4. Phương pháp trao đổi ion [4], [5], [2]
Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hóa học giữa ion trong pha
lỏng và ion trong pha rắn. Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hóa học
đổi chỗ (phản ứng thế) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn. Nhìn
chung, cấu tạo của các chất trao đổi ion gồm hai phần: phần gốc và phần mang

nhóm ion được trao đổi. Một số chất trao đổi ion: zeolic, silicagen, than đá,….
Phương pháp này được ứng dụng để làm sạch nước cấp hoặc nước thải.
Trong xử lí nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử dụng để khử các
muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại có trong nước. Cịn
trong xử lý nước thải, phương pháp này được sử dụng để loại ra khỏi nước kim loại
như: Cu, Pb, Cr…., các hợp chất của kim loại và các chất phóng xạ. Phương pháp
này cho phép thu hồi các chất có giá trị với độ làm sạch nước cao.
3.1.4. Phương pháp hóa học [5]
3.1.4.1. Phương pháp trung hịa
Có nhiều cách khác nhau để thực hiện trung hòa nước thải:
* Trung hòa bằng cách trộn nước thải chứa axit và nước thải chứa kiềm:
Phương pháp này được áp dụng khi nước thải của xí nghiệp này có tính axit
gần với nước thải của xí nghiệp khác có tính bazo và hai loại nước thải này khơng
chứa các chất gây ơ nhiễm.
* Trung hịa bằng cách dùng tác nhân hóa học


19

Khi nước thải có chứa quá nhiều axit hay kiềm tới mức khơng thể trung hịa
bằng cách trộn lẫn chúng với nhau, khi đó người ta dùng thêm hóa chất. Thường thì
để trung hịa nước thải axit. Việc chọn hóa chất phụ thuộc vào đặc tính của nước
thải, nồng độ nước thải và muối tạo thành sau khi trung hòa có thể lắng được hay
khơng. Dạng muối tạo thành tốt nhất là dạng kết tủa.
* Trung hòa bằng cách cho qua vật liệu trung hòa
Thường áp dụng cho nước thải có tính axit. Cho nước thải có chứa HCl,
HNO3, H2SO4 với hàm lượng < 5mg/l nhưng không chứa các muối kim loại nặng
dội qua lớp vật liệu lọc như đá vơi, đơlơmit, manhetit, …ở dạng hạt với tốc độ thích
hợp nhưng khơng q 5m3/h.
* Trung hịa nước thải bằng cách dùng khí thải, khói lị hơi

Được áp dụng cho nước thải có chứa kiềm. Để trung hịa nước thải kiềm,
trong những năm gần đây, người ta đã dùng khí thải chứa CO2 , SO2, NO2,… Việc
sử dụng CO2 để trung hịa nước thải kiềm có nhiều ưu điểm với việc dùng H 2SO4
hay HCl và cho phép giảm rất đáng kể chi phí cho q trình trung hịa.
1.3.4.2. Phương pháp oxi hóa-khử
Phương pháp này sẽ chuyển các chất độc hại thành ít độc hại hơn hoặc tách
ln ra khỏi nước. Các chất oxy hóa được sử dụng thơng thường thường như clo,
clodioxit, natri hipoclorit, kali permanganate, ozon, dicromat, hidropeoxit… có thể
được dùng để oxy hóa các chất ơ nhiễm nói chung và thuốc nhuộm nói riêng.
* Oxy hóa bằng Clo
Được áp dụng để tách H2S, phenol, CN¯, các hợp chất chứa metylsunfit ra
khỏi nước thải.
Cl2

+

HClO →

H2 O



HClO

HCl

+

O˙

+

HCl

Các nguồn cung cấp Clo: Hợp chất CaOCl2, các loại hipocloric ClO¯, clorat
ClO3¯, dioxxit Clo ClO2.Nhìn chung, clo khơng được ưa thích trong xử lý màu
nước thải vì sinh ra các hợp chất cơ clo gây ung thư và độc hại với môi trường


20

* Oxy hóa bằng hydro peoxit H2O2
H2O2 là chất lỏng, khơng màu, dùng để oxy hóa Nitrit, andehit, CN¯, thuốc
nhuộm. Trong môi trường axit, H2O2 thể hiện rõ chức năng oxy hóa, cịn trong mơi
trường kiềm là chức năng khử:
H2 O2 +

2H+

+

2e

→

2H2O

H2 O2 +

2OH¯ -

2e

→

2H2O

+

2O2-

Ngồi tính oxy hóa, người ta cịn dùng tính khử của H2O2 để loại Clo ra khỏi
nước:
H2 O2 +

Cl2 → O2 + 2 HCl

H2O2 + NaClO →

O2 + NaCl + H2O.

* Oxy hóa bằng ozon
Trong số các chất oxy hóa thường được sử dụng vì nó là một chất oxy hóa rất
mạnh. Ozon có thể oxi hóa thuốc nhuộm trong nước thải mà khơng sinh ra các hợp
chất hữu cơ thứ cấp độc hại. pH < 5, ozon tồn tại ở dạng O3 và oxi hóa chọn lọc nối
đôi trong thuốc nhuộm. pH > 8, ozon phân hủy tạo gốc tự do ˙OH phản ứng không
chọn lọc với các chất hữu cơ. Ozon có hiệu quả nhất trong loại bỏ thuốc nhuộm
hoạt tính. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này nằm ở giá thành cao và thời
gian tồn tại của ozon ngắn, chi phí cho thiết bị tạo ozon cao.
* Khử hóa học

Được ứng dụng trong trường hợp nước thải chứa các chất dễ bị khử. Phương
pháp khử hóa học hiệu quả với các thuốc nhuộm azo nhờ phân giải liên kết azo tạo
thành các amin thơm khơng màu có khả năng phân giải vi sinh hiếu khí tốt hơn
thuốc nhuộm gốc. Khử hóa học trên cơ sở natri bohidrid, xúc tác bisunfit áp dụng
với thuốc nhuộm tan trong nước như thuốc nhuộm trực tiếp, axit, hoạt tính chứa các
nhóm azo hoặc các nhóm khử được và thuốc nhuộm phức đồng. Quy trình này có
thể khử màu trên 90%.
1.3.5. Phương pháp điện hóa [5]
Phương pháp này đã được ứng dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm. Phương
pháp này dựa trên cơ sở quá trình oxy hóa-khử xảy ra trên các điện cực. Đây là
phương pháp được chứng minh hiệu quả đối với việc xử lý độ màu, COD, BOD,


21

TOC, kim loại nặng, chất rắn lơ lửng của nước thải dệt nhuộm. Tuy nhiên phương
pháp có các nhược điểm là tốn kém tiêu tốn năng lượng, kim loại làm điện cực và
vận hành khó.
1.4. Các q trình oxy hóa nâng cao Fenton
Hiện nay, để xử lý nguồn nước thải từ các quá trình dệt nhuộm, người ta
thường sử dụng các q trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxydation Processes –
AOPs). Các quá trình này dựa trên cơ sở oxy hóa các hợp chất hữu cơ (thuốc
nhuộm) thành CO2 và H2O với tác nhân oxy hóa là các gốc tự do hoạt động hydroyl
˙

OH được tạo ra ngay trong quá trình hoạt động từ tác nhân ban đầu an tồn, ít độc

tính chứ khơng phải là q trình sử dụng trựa tiếp sử dụng các chất oxy hóa mạnh
như Cl2, O3…
Gốc hydroxyl là tác nhân oxy hóa rất mạnh với thế oxy hóa là 2,80 V (chỉ

đứng sau F2), có khả năng phân hủy oxy hóa khơng chọn lựa mọi hợp chất hữu cơ
dù là loại khó phân hủy nhất, biến chúng thành những hợp chất vơ cơ (cịn gọi là
khống hóa) khơng độc hại như CO2, H2O, axit vơ cơ… Các q trình oxi hóa nâng
cao phân biệt nhau ở cách thức tạo ra gốc tự do. Gốc tự do có thể được tạo ra bằng
nhiều cách: chiếu tia UV, sự phân ly của H2O2 (có xúc tác), O3.
Các quá trình AOPs dùng xử lý nước thải dựa trên cơ sở các tác nhân:
* O3

* H2 O2

* O3 + H 2 O2

* UV + H2O2

* UV + O3 + H2O2

* Phương pháp Fenton

* Phương pháp Fenton quang hoá
1.4.1. Ozon [7]
Thời gian bán hủy của ozon trong nước thải công nghiệp có thể kéo dài từ 1
– 30 phút, điều đó phụ thuộc vào loại và cường độ phản ứng của ozon đối với chất ô
nhiễm cũng như pH. Khi pH tăng mức độ phân hủy của Ozon tăng lên. Ví dụ tại
pH = 10, Thời gian bán hủy của Ozon trong nước thải có thể nhỏ hơn 1 phút. Ozon
có thể phản ứng với các chất hữu cơ một cách trực tiếp hoặc gián tiếp qua sự phân
hủy và tạo thành của các gốc tự do Hydroxyl hoặc sự oxy hóa dạng hữu cơ có thể


22

làm xuất hiện một tổ hợp các phản ứng với Ozon phân tử và các phản ứng với gốc
tự do hydroxyl.
Chi phí chủ yếu cho q trình oxy hóa bằng Ozon là chi phí cho việc tạo
thành Ozon. Nhờ cải tiến việc sản xuất Ozon từ Oxy nguyên chất, giá xuất xưởng
Ozon đã giảm xuống từ 1 – 1,5 Eur/Kg và nồng độ Ozon trong ống dẫn khí tăng 1015% do làm tăng sự chuyển khối nên tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành. Tuy nhiên
chi phí cho việc tạo Ozon cũng khá cao trong quá trình xử lý nước thải.
1.4.2. Ozon + H2O2 [7]
Tại điều kiện pH thấp, tỉ lệ phản ứng của O3/H2O2 = 2/1 thì quá trình Ozon
hóa tăng tốc độ cho sự phân hủy Ozon dẫn đến sự làm tăng sự tao thành các gốc tự
do hydroxyl. Khi nồng độ H2O2 > 10-7 M và pH < 12, H2O2 phản ứng với O3 như là
với HO2- tạo ra 2 gốc tự do OH• từ 2 phân tử ozon. H2O2 mặc dù là một hóa chất
tương đối rẻ, khả năng hòa tan tốt, và tương đối phổ biến nhưng chỉ được sử dụng
như một chất oxy hóa đơn giản bởi vì tốc độ phản ứng.
1.4.3. Oxy hóa quang hóa [7]
Thơng thường sự oxy hóa các chất hữu cơ bằng ozon hoặc hydro peroxyt
trong nhiều trường hợp khơng thể oxy hóa hồn tồn đến CO2 và H2O. Trong một
số phản ứng, vẫn còn tồn tại trong dung dịch các sản phẩm oxy hóa trung gian có
thể độc hại hoặc độc hại hơn so với các hợp chất ban đầu. Sự kết thúc các phản ứng
oxy hóa, hay sự phá hủy oxy hóa các hợp chất bền vững đối với ozon hoặc hydro
peroxyt độc lập, có thể đạt được bằng cách bổ sung cho phản ứng luồng bức xạ UV.
Nhiều chất gây ô nhiễm hữu cơ hấp thụ năng lượng UV và bị phân ly quang
hóa hoặc trở nên bị kích thích và phản ứng tốt hơn đối với các chất oxy hóa hóa
học.
Quan trọng hơn là bức xạ UV làm tăng tốc độ phân hủy phân tử O3 và H2O2.
Mặc dù phân ly quang hóa của H2O2 là phương pháp đơn giản nhất để tạo ra gốc tự
do hydroxyl, nhưng sự hấp thụ phân tử yếu của H2O2 tại bước sóng 254 nm hạn chế
việc sinh ra gốc tự do OH• trong dung dịch. Độ hấp thụ của H2O2 có thể được tăng
lên bằng cách sử dụng đèn UV với năng lượng ứng với bước sóng thấp hơn. Ngược
lại, ozon hấp thụ dễ dàng bức xạ UV tại bước sóng 254 nm dẫn đến sự tạo thành

23

gốc tự do OH• với tốc độ nhanh hơn khoảng 20 lần so với từ H2O2. Sự phân ly
quang hóa O3 trong nước tạo ra sản phẩm trung gian là H2O2 sau đó phân ly thành
gốc tự do OH•.
1.4.4. Phản ứng Fenton [19]
Hệ Fenton là hệ phản ứng trong đó gốc tự do HO• được tạo ra do sự phân ly
của H2O2 xúc tác bởi Fe2+, Fe3+ :
Fe2+

+

H 2 O2



Fe3+ + •OH

+

Fe3+

+

H 2 O2



Fe2+ + •HO2

+ H+

•

OH

+

Fe2+



OH - +

Fe3+

(3)

•

OH

+

H2 O2



H2 O +

•

(4)

Fe2+

+

•

HO2



Fe3+

+

•



Fe2+

+O2

Fe3+

+

HO2

OH – (1)
(2)

HO2
HO2 -

(5)
+ H+

(6)

Ngồi ra, người ta cũng nhận thấy khả năng oxi hóa của q trình Fenton có
thể được tăng mạnh khi có sự chiếu sáng bằng tia UV. Khi có mặt của bức xạ thì
gốc •OH có thể được hình thành theo các phản ứng dưới đây:
h
Fe3+ + H2O 
Fe2+ + HO• + H +

H2 O2

h

2HO• (λ < 400 nm)

Hơn nữa sự có mặt của ánh sáng cịn giúp cho q trình hồn ngun Fe2+ từ
Fe3+ được dễ dàng.
Phản ứng Fenton được phát hiện từ 1894 nhưng cho đến gần đây mới được

quan tâm như một phương pháp khá hiệu quả để xử lý ô nhiễm chất hữu cơ. Hệ
Fenton có khả năng xử lý thuốc nhuộm tan (hoạt tính, axit, trực tiếp), thuốc nhuộm
khơng tan (hồn ngun, phân tán) ngay cả khi nước thải có nồng độ màu cao. Sự
oxi hóa cũng làm giảm COD của nước thải đồng thời tăng khả năng phân hủy sinh
học của các sản phẩm sau phản ứng. So sánh với các q trình oxi hóa - khử xử lý
thuốc nhuộm như điện hóa, ozon, hypoclorit thì Fenton đạt được hiệu quả xử lý tốt
nhất. Nhược điểm của phương pháp này là sản sinh lượng bùn thải lớn từ quá trình
keo tụ của chất phản ứng với thuốc nhuộm. Hơn nữa, do hệ Fenton thực hiện ở pH
axit cỡ 2,5÷4 nên sau phản ứng tốn hóa chất để trung hịa lại nước thải đã xử lý.


24

1.4.5. Phản ứng Fenton sử dụng hệ Fe(III)-Oxalat/H2O2/ánh sáng mặt trời [12],
[13], [16], [20].
UV là nguồn sáng được sử dụng phổ biến trong q trình quang oxy hóa
nhưng việc tạo nguồn sáng UV lại chiếm giá thành lớn trong tổng giá thành xử lý.
Do đó, ánh sáng mặt trời được xem là nguồn ánh sáng mang lại giá trị kinh tế.
Vấn đề trong ứng dụng của phản ứng Fenton là ở chỗ sự bổ sung muối sắt là
nguyên nhân kết tủa của hydroxyt sắt tại điểm trung hòa. Cặn bùn có thể chứa các
hợp chất hữu cơ và các kim loại nặng được coi là sản phẩm phụ của quá trình phân
hủy thuốc nhuộm và phải được tách loại hoặc xử lý với chi phí cao. Cách giải quyết
đối vấn đề này là sự tái sinh Fe(III), từ đó có thể cho rằng phản ứng Fenton cũng
được xúc tác bởi Fe(III) và khơng chỉ một mình Fe(II). Ngồi ra làm giảm bùn cũng
là cách giảm tổn thất hóa học đối với muối sắt. Sự oxy hóa và sự khử liên tiếp của
muối sắt khơng làm ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của nó, đến sự giảm COD và
sự giảm màu. Đương nhiên thời gian xử lý sẽ tăng gấp đôi với việc sử dụng Fe(III)
so với sử dụng Fe(II). Một khả năng khác tránh tạo thành bùn bằng cách cố định Fe
lên màng Nafion (11) hoặc khử quang hóa Fe(III) hoặc phức của ion Fe(III) thành
ion Fe(II) còn được gọi là quá trình Fenton quang học.

Phức sắt oxalate được biết là hấp thụ ánh sáng mạnh ở bước sóng dài hơn
đến   550nm và phát sinh gốc hydroxyl với hiệu suất lượng tử cao trong quá trình
Fenton/ mặt trời, cải thiện hiệu suất q trình oxy hóa các hợp chất ô nhiễm hữu cơ.
Sắt oxalate đã từng được sử dụng rộng rãi để làm quang kế hóa trong nhiều thập
niên. Trong những năm gần đây, sắt oxalate được ứng dụng trong phân hủy chất ơ
nhiễm. Vì vậy, phương pháp này mong đợi sẽ là phương pháp có nhiều triển vọng.
Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng dùng Fe(III) – oxalat làm xúc tác tốt hơn là dùng
Fe(II), đã thúc đẩy sự cộng kết các hạt với khoảng cách tới 570 nm so với 300 nm
của Fe(OH)2+ và như vậy việc tạo bùn Fe bị giảm một cách mạnh mẽ. Hơn nữa,
năng lượng đầu vào giảm tới 30% khi dùng Fe(III)- oxalat so với dùng Fe(II).[13]
Cơ chế tác dụng của xúc tác Oxalic:
Oxalat là một phối thể tuyệt vời cho các ion kim loại, trong đó nó thường
liên kết dưới dạng phối thể kiểu "hai răng", tạo thành một vòng 5 thành viên dạng


25

MO2C2. Một phức chất để minh họa là [Fe(C2O4)3]3-. Ái lực của các ion kim loại đôi
khi được thể hiện trong xu hướng tạo thành các chất kết tủa. Vì vậy, axít oxalic
cũng kết hợp với các kim loại như canxi, sắt, natri, magiê và kali. Nhờ vậy khi có
axit Oxalic trong dung dịch sẽ tránh được ảnh hưởng xấu của các ion kim loại đến
quá trình khử COD, các phức chất sẽ lôi kéo các chất rắn lơ lửng, các chất hữu cơ
cùng lắng xuống đáy làm giảm độ màu, giảm COD [20].
Sắt(III) oxalat hấp thụ ánh sáng mạnh ở bước sóng λ = 550 nm và tạo ra gốc
OH• với hiệu suất lượng tử cao [12], [13]
FeIII(C2O4)33- + hFe2+ + 2C2O42- + C2O4
C2O4



CO2+ CO2

CO2+ FeIII(C2O4)33- Fe2+ + CO2 + 3C2O42Từ ba phản ứng trên, có thể thu gọn lại thành một phản ứng như sau:
2FeIII(C2O4)33- + hFe2+ + 5C2O42- + 2CO2
Và như vậy Fe2+ sẽ được tạo thành và phản ứng với H2O2 có trong dung dịch
để tạo gốc OH• bằng phản ứng Fenton.
Fe2+ + H2O2 + 3C2O42-FeIII(C2O4)33- + OH- + OH•
Trong sự có mặt của một lượng lớn oxalate, Fe(III) sẽ tạo phức với 2 hoặc 3
phối tử oxalate. Trong phản ứng quang Fenton, sắt quay vòng giữa những trạng thái
oxi hóa. Do đó, sự tạo thành của •OH bị giới hạn bởi sự có mặt của ánh sáng, H2O2
và ion oxalat. H2O2 và ion oxalat được dùng cạn dần trong quá trình phản ứng [16].
Cơ chế phản ứng của hệ Fe(III)-Oxalat/H2O2/ánh sáng mặt trời sẽ được tóm tắt
trong sơ đồ sau đây: