Loại bỏ phẩm màu hữu cơ khó phân hủy bằng oxi hóa nâng cao sử dụng bùn sắt biến tính

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
KHOA QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN RỪNG & MƠI TRƢỜNG
--------------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

LOẠI BỎ PHẨM MÀU HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY BẰNG
OXI HÓA NÂNG CAO SỬ DỤNG BÙN SẮT BIẾN TÍNH

Ngành

: KHMT

Mã số

: 306

Giáo viên hướng dẫn : TS. Vũ Huy Định
Ths. Đặng Thế Anh
Sinh viên thực hiện

: Nơng Thị Bình

MSV

: 1453061560

Lớp

: K59B – KHMT

Khóa học

: 2014 - 2018

Hà Nội - 2018


LỜI CẢM ƠN
Qua 4 năm học tập và rèn luyện tại Trƣờng Đại học Lâm Nghiệp, đƣợc sự
chỉ bảo và giảng dạy nhiệt tình của q thầy cơ, đặc biệt là các thầy cô Khoa
Quản lý tài nguyên rừng và môi trƣờng đã truyền đạt cho tôi những kiến thức về
lý thuyết và thực hành trong suốt thời gian học tập tại trƣờng. Và trong thời gian
làm khóa luận tốt nghiệp tại Trung tâm Phân tích mơi trƣờng và Ứng dụng cơng
nghệ địa khơng gian tơi đã có cơ hội áp dụng những kiến thức học ở trƣờng vào
thực tế, đồng thời học hỏi đƣợc nhiều kinh nghiệm thực tế tại trung tâm. Cùng
với sự giúp đỡ của các thầy cơ và nỗ lực của bản thân, tơi đã hồn thành luận
văn tốt nghiệp của mình.
Từ những kết quả đạt đƣợc này, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Vũ Huy
Định và ThS.Đặng Thế Anh đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi xun suốt q
trình làm khóa luận. Cảm ơn giám đốc trung tâm Phân tích mơi trƣờng và Ứng
dụng công nghệ địa không gian cùng các thầy cô tại trung tâm đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho tơi trong thời gian làm khóa luận tốt nghiệp.
Rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của quý thầy cơ để bài khóa luận
hồn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 09 tháng 04 năm 2018
Sinh viên

Nông Thị Bình

TĨM TẮT NỘI DUNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
1. Tên khóa luận tốt nghiệp: “Loại bỏ phẩm màu hữu cơ khó phân hủy
bằng oxi hóa nâng cao sử dụng bùn sắt biến tính”.
2. Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Vũ Huy Định
Ths. Đặng Thế Anh
3. Sinh viên thực hiện: Nơng Thị Bình
Chun ngành học: Khoa học môi trƣờng
4. Mục tiêu nghiên cứu.


Mục tiêu tổng qt: Góp phần tìm kiếm và sử dụng các vật liệu làm

xúc tác cho q trình oxi hóa nâng cao xử lý các chất hữu cơ khó phân
hủy.


Mục tiêu cụ thể:
- Biến tính và chế tạo xúc tác dị thể từ nguồn thải nguy hại (bùn sắt)
có khả năng phân hủy phẩm màu hữu cơ khó phân hủy.
- Xác định các điều kiện ảnh hƣởng đến quá trình Fenton từ đó tìm
ra các điều kiện thích hợp nhƣ: pH, H2O2, hàm lƣợng xúc tác,
nhiệt độ.
- Thu hồi và tái sử dụng xúc tác.
- Áp dụng các điều kiện nghiên cứu với phẩm màu RY160 với các
hợp chất màu phổ biến khác.

5. Nội dung nghiên cứu.
-

Nghiên cứu biến tính bùn sắt bằng muối sắt ở nhiệt độ cao.

- Nghiên cứu các điều kiện ảnh hƣởng đến quá trình Fenton khi sử
dụng xúc tác bùn sắt biến tính: hàm lƣợng bùn sắt, pH, nồng độ
H2O2, nhiệt độ.
- Nghiên cứu áp dụng quá trình Fenton/bùn sắt với phẩm RY 160
cho các hợp chất màu DR 239, DR 224, FBL 199, AR23.
- Nghiên cứu thu hồi và tái sử dụng xúc tác.
- Nghiên cứu thực hiện các mẫu đối chứng


6. Những kết quả đạt đƣợc.
Các kết quả chính của khóa luận thu đƣợc nhƣ sau:
- Biến tính thành cơng bùn sắt thành vật liệu có hoạt tính xúc tác cao, ứng
dụng cho quá trình Fenton dị thể phân hủy phẩm màu hữu cơ Reactive
Yellow 160 và các hợp chất màu Direct Red 239, Direct Red 224, Fast
Blue 199, Acid Red 23.
- Điều kiện biến tính bùn sắt: 1g Fe2(SO2)3 /10g bùn sắt, nung ở nhiệt độ
4000 C, 3 giờ.
- Xác định đƣợc thành phần bùn sắt trƣớc và sau biến tính.
- Điều kiện thích hợp tiến hành Kỹ thuật Fenton dị thể: Lƣợng bùn sắt xúc
tác 2,5 g/L, nồng độ H2O2 = 1,96 mM, pH = 2 đối với phẩm màu RY 160
có nồng độ 0,05 g/L.
- Thu hồi và tái sử dụng xúc tác với phẩm RY160.
- Xử lý đƣợc độ màu của các hợp chất màu khác trong điều kiện thích hợp
của q trình Fenton dị thể với phẩm màu RY160.
- Có thể trực tiếp dùng bùn sắt chƣa biến tính để xử lý phẩm màu hữu cơ
khó phân hủy mà khơng cần phải biến tính.

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 1
TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ....................................... 3
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ 7
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. 8
DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. 9
ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU....................................... 3
1.1.Nƣớc thải dệt nhuộm chứa chất hữu cơ khó phân hủy ................................... 3
1.1.1. Chất hữu cơ khó phân hủy sinh học ............................................................ 3
1.1.2. Nguồn phát sinh nƣớc thải dệt nhuộm ........................................................ 4
1.1.3. Các loại thuốc nhuộm thƣờng dùng ở Việt Nam ........................................ 5
1.1.4. Ảnh hƣởng của nƣớc thải dệt nhuộm .......................................................... 8
1.2. Tổng quan các phƣơng pháp xử lý thuốc nhuộm trong nƣớc thải dệt nhuộm.......... 10
1.2.1. Các phƣơng pháp hóa lý............................................................................ 10
1.2.2. Các phƣơng pháp sinh học ........................................................................ 12
1.2.3. Các phƣơng pháp điện hóa ........................................................................ 13
1.2.4. Các phƣơng pháp hóa học ......................................................................... 13
1.3.Ứng dụng kỹ thuật Fenton trong xử lý thuốc nhuộm.................................... 16
1.3.1. Quá trình Fenton ....................................................................................... 16
1.3.2. Các ứng dụng quá trình Fenton xử lý thuốc nhuộm ................................. 20
1.4.Tổng quan về bùn sắt .................................................................................... 21
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG – MỤC TIÊU – NỘI DUNG – PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU .................................................................................................... 24
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu................................................................................... 24
2.2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 27
2.2.1. Mục tiêu tổng quát ................................................................................... 27
2.2.2. Mục tiêu cụ thể .......................................................................................... 27
2.3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 27

2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................. 28
2.4.1. Quy trình biến tính bùn sắt ...................................................................... 28
2.4.2. Phƣơng pháp phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX) .................................... 28
2.4.3. Quy trình xử lý phẩm màu ....................................................................... 28
2.4.4. Phƣơng pháp xác định nồng độ phẩm màu .............................................. 29
2.4.5. Phƣơng pháp xử lý số liệu....................................................................... 29
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 30
3.1. Nghiên cứu biến tính bùn sắt........................................................................ 30
3.1.1. Quy trình biến tính bùn sắt ........................................................................ 30
3.2.2. Thành phần bùn sắt trƣớc và sau biến tính ............................................... 30
3.2. Xác định bƣớc sóng hấp thụ đặc trƣng của dung dịch phẩm nhuộm và dựng
đƣờng chuẩn nồng độ dung dịch phẩm nhuộm ............................................. 32
3.2.1. Xác định bƣớc sóng hấp thụ đặc trƣng của phẩm màu ............................ 32
3.2.2. Dựng đƣờng chuẩn phẩm màu ................................................................. 34
3.3. Khảo sát các điều kiện ảnh hƣởng đến quá trình Fenton dị thể khi sử dụng
bùn sắt ........................................................................................................... 34
3.3.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng xúc tác ........................................................... 34
3.3.2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng hydropeoxit ................................................... 35
3.3.3. Ảnh hƣởng của pH .................................................................................... 36
3.3.4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ............................................................................ 38
3.4. Khảo sát khả năng tái sử dụng ..................................................................... 39
3.5. Nghiên cứu xử lý màu dung dịch DR 239, DR 224, FBL 199, AR 23....... 40
3.6. Nghiên cứu xử lý với mẫu đối chứng........................................................... 41
KẾT LUẬN – TỒN TẠI – KIẾN NGHỊ ............................................................ 44
1. Kết luận ........................................................................................................... 44
2. Tồn tại.............................................................................................................. 44
3. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo ............................................................................ 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 46

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

EDX

Engery dispersive X-ray spectroscopy :Phổ tán xạ năng lƣợng tia X

H

Hiệu suất phân hủy

UV-vis

Ultraviolet-visible spectroscopy :Phổ tử ngoại khả kiến

RY 160

Reactive Yellow 160 :Phẩm màu Reactive Yellow 160

DR 239

Direct Red 239 :Phẩm màu Direct Red 239

FBL 199

Fast Blue 199 :Phẩm màu Fast Blue199

DR 224

Direct Red 224 :Phẩm màu Direct Red 224

AR

Acid Rose 23 :Phẩm màu Acid Rose 23

POPs

Persistent Organic Pollutant :Chất ơ nhiễm hữu cơ khó phân hủy


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Điện thế oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa mạnh trong mơi trƣờng
lỏng ...................................................................................................................... 14
Bảng 1. 2. Các phản ứng chính của hệ phản ứng Fenton và hằng số tốc độ tƣơng
ứng ....................................................................................................................... 17
Bảng 3. 1. Thành phần bùn sắt trƣớc và sau biến tính ........................................ 32
Bảng 3. 2. Bƣớc sóng đặc trƣng của các phẩm màu FBL 199, DR 239, DR 224,
AR 23 .................................................................................................................. 33
Bảng 3. 3. Phƣơng trình đƣờng chuẩn cúa các phẩm màu RY 160, DR 239, DR
224, FBL 199, AR 23 .......................................................................................... 34


DANH MỤC HÌNH

Hình 1. 1. Các q trình hình thành gốc Hydroxyl ............................................. 15
Hình 1. 2. Bùn sắt tràn vào ruộng ngƣời dân xã Ngọc Phái năm 2014 .............. 23
Hình 2. 1. Bùn sắt ................................................................................................ 24
Hình 3. 1. Bùn sắt sau biến tính .......................................................................... 30
Hình 3. 2. Phổ EDX của bùn sắt trƣớc biến tính................................................. 31
Hình 3. 3. Phổ EDX của bùn sắt sau biến tính .................................................... 31

Hình 3. 4. Bƣớc sóng đặc trƣng phẩm nhuộm RY 160....................................... 33
Hình 3. 5. Ảnh hƣởng hàm lƣợng xúc tác tới hiệu quả xử lý ............................. 35
Hình 3.6. Ảnh hƣởng của nồng độ H2O2 tới hiệu quả xử lý ............................... 36
Hình 3. 7. Ảnh hƣởng của pH tới hiệu quả xử lý ............................................... 37
Hình 3. 8. Ảnh hƣởng của nhiệt độ tới hiệu quả xử lý........................................ 38
Hình 3. 9. Tái sử dụng xúc tác ............................................................................ 40
Hình 3. 10. Áp dụng điều kiện tối ƣu của phẩm màu RY 160 cho các phẩm màu
DR 239, DR 224, FBL 199, AR 23 ..................................................................... 41
Hình 3. 11. Kết quả thí nghiệm của các mẫu đối chứng ..................................... 42


ĐẶT VẤN ĐỀ
Một vấn đề nóng, gây bức xúc trong tồn cầu hiện nay là tình trạng ơ
nhiễm mơi trƣờng sinh thái do các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con
ngƣời gây ra. Vấn đề này ngày càng trầm trọng, đe doạ trực tiếp sự phát triển
kinh tế - xã hội, sự tồn tại, phát triển của các thế hệ hiện tại và tƣơng lai. Một
trong các ngành gây ô nhiễm môi trƣờng lớn là ngành dệt nhuộm. Ngành dệt
nhuộm sử dụng một lƣợng nƣớc thải lớn để sản xuất và đồng thời thải ra một
lƣợng nƣớc thải đáng kể cho môi trƣờng. Nhắc đến nƣớc thải ngành dệt nhuộm
là một trong những loại nƣớc thải ô nhiễm nặng, hàm lƣợng các chất hữu cơ cao,
khó phân hủy, pH dao động từ 9- 12 do thành phần các chất tẩy. Trong q trình
sản xuất có rất nhiều hóa chất độc hại đƣợc sử dụng để sản xuất tạo màu: nhƣ là
phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chất điện ly, chất ngậm, chất tạo môi
trƣờng, tinh bột, men, chất ơxy hố….[1] Các chất này thƣờng có chứa các ion
kim loại hịa tan, hay kim loại nặng rất khó phân hủy trong mơi trƣờng, có thể
gây ơ nhiễm mơi trƣờng trầm trọng trong thời gian dài. Nếu chƣa đƣợc xử lý và
xử lý chƣa đạt quy chuẩn việt Nam mà thải ra ngồi thì các hóa chất này có thể
giết chết vi sinh vật xung quanh, làm chết cá và các loại động vật sống dƣới
nƣớc, các chất độc này cịn có thể thấm vào đất, tồn tại lâu dài và ảnh hƣởng tới
nguồn nƣớc ngầm và bên cạnh đó cịn ảnh hƣởng đến đời sống của con ngƣời.

Ngồi ra, nƣớc thải dệt nhuộm thƣờng có độ màu rất lớn và thay đổi thƣờng
xuyên tùy loại thuốc nhuộm, và có nhiệt độ cao nên cần phải đƣợc xử lý triệt để
trƣớc khi thải ra, tránh gây ô nhiễm môi trƣờng.
Trong những năm gần đây, đã có nhiều cơng trình nghiên cứu và sử
dụng các phƣơng pháp khác nhau nhằm xử lý các chất hữu cơ độc hại trong
nƣớc thải nhƣ: Phƣơng pháp vật lý, phƣơng pháp hóa học, phƣơng pháp sinh
học, phƣơng pháp điện hóa . . . Trong đó, việc xử lý các hợp chất hữu cơ độc
hại bằng kỹ thuật Fenton dị thể sử dụng vật liệu thải là một trong những hƣớng
nghiên cứu mới đã và đang đƣợc nhiều nhà khoa học trong và ngoài nƣớc quan
tâm nghiên cứu do có thể góp phần vào việc khắc phục nhƣợc điểm cơ bản của
1


kỹ thuật Fenton đồng thể là chi phí cho hóa chất cao, Nguyên vật liệu khó kiếm
và khó thu hồi xúc tác. Ngoài ra việc phát triển các vật liệu xúc tác dị thể trên
nền tảng các nguồn thải công nghiệp, nơng nghiệp…cịn góp phần giải quyết,
giảm thiểu ảnh hƣởng của các nguồn thải đó tới mơi trƣờng. [1]
Trong bài báo cáo khóa luận tốt nghiệp ―Loại bỏ phẩm màu hữu cơ
bằng oxi hóa nâng cao, sử dụng bùn sắt biến tính‖, bùn sắt đƣợc biến tính sử
dụng nhƣ một loại xúc tác Fenton dị thể trong mục tiêu phân hủy phẩm màu
hữu cơ và biến nguồn thải nguy hại bùn sắt thành nguồn tài ngun hữu ích cho
mơi trƣờng.

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.

Nƣớc thải dệt nhuộm chứa chất hữu cơ khó phân hủy

1.1.1. Chất hữu cơ khó phân hủy sinh học
Chất hữu cơ khó phân hủy sinh học (POPs) là những chất hóa học có
nguồn gốc từ các hoạt động sản xuất của con ngƣời. Chúng đã đƣợc sử dụng
rộng rãi nhƣ thuốc trừ sâu hoặc các hóa chất dùng trong cơng nghiệp và nó có
khả năng gây hại cho con ngƣời và hệ sinh thái.
Do tính chất độc hại nguy hiểm đối với sức khỏe con ngƣời, lại là chất
khá phổ biến gây ô nhiễm môi trƣờng nên ngày 22/05/2001 tại Stockholm (Thụy
Điển), 92 quốc gia đã đăng ký công ƣớc về các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân
hủy sinh học, thƣờng đƣợc gọi là công ƣớc Stockholm. Ngày 22/07/2002, Việt
Nam đã trở thành quốc gia thứ 14 trên thế giới phê chuẩn công ƣớc này. Công
ƣớc Stockholm nhằm giảm thiểu và loại bỏ 12 chất POPs nguy hiểm nhất từng
đƣợc sản xuất và sử dụng trƣớc đây ra khỏi cuộc sống nhân loại.[9]
 Đặc điểm
-

Bền vững: POPs là các hóa chất có thể tồn tại một thời gian dài trong môi

trƣờng. Một số chất có thể chống lại sự phân hủy trong nhiều năm và thậm chí
nhiều thập kỷ và chúng có khả năng chuyển hóa thành các chất độc khác.
-

Khả năng tích tụ: POPs có thể tích lũy trong cơ thể động vật và con

ngƣời, thƣờng là trong các mô mỡ và thực phẩm mà chúng tiêu thụ. Khi những
chất này di chuyển lên lƣới và chuỗi thức ăn thì độc tính của nó tăng theo cấp số
nhân.
-

Độc hại: POPs có thể gây ra các ảnh hƣởng tới sức khỏe con ngƣời, động

vật hoang dã và cá. Chúng đã đƣợc liên kết với các hiệu ứng trên hệ thống thân
kinh, các vấn đề về sinh sản và phát triển, ức chế đáp ứng miễn dịch, ung thƣ,
rối loạn nội tiết.
-

Bản chất hóa học: POPs là các chất có khả năng chống suy thối bằng các

hình thức sinh học, phân hủy quang học, phân hủy hóa học…..POPs thƣờng là
dẫn xuất của Halogen. Các liên kết Cacbon-Clo là rất ổn định, với số lƣợng lớn
3


vị trí thế clo hay các nhóm chức nên chúng có khả năng chống phân hủy sinh
học và quang phân. Clo liên kết với vòng thơm ổn định nên chúng khó phân hủy
hơn so với clo trong các cấu trúc hợp chất béo. Nhờ mức độ cao của họ Halogen,
các chất ơ nhiễm hữu cơ khó phân hủy có khả năng hòa tan trong nƣớc thấp, độ
hòa tan trong lipid cao dẫn đến xu hƣớng dễ dàng xâm nhập thông qua các
phospholipid trong cấu trúc màng sinh học và tích lũy trong các hợp chất béo.[2]
Việt Nam là quốc gia đang trong thời kỳ đẩy mạnh cơng nghiệp hóa, hiện
đại hóa đất nƣớc với sự mở rộng sản xuất và phát triển nhanh chóng của các
ngành cơng nghiệp. Bên cạnh những lợi ích to lớn mà sản xuất cơng nghiệp
mang lại, không thể phủ nhận những ảnh hƣởng xấu tới môi trƣờng do chất thải
công nghiệp gây ra. Với đặc tính tồn tại lâu trong mơi trƣờng, khơng bị vi sinh
phân hủy, chất hữu cơ khó phân hủy sinh học trong chất thải công nghiệp là một
mối nguy hại lớn.[3]
Theo Niên giám Thống kê Việt Nam, dệt may đã vƣợt khai thác và xuất
khẩu dầu, vƣơn lên thành ngành có kim ngạch xuất cao nhất, đem lại nguồn thu
lớn cho ngân sách quốc gia. Tuy nhiên, do đặc thù của một ngành sản xuất phức
tạp, sử dụng nhiều nguyên, nhiên liệu, hóa chất, nên ơ nhiễm mơi trƣờng nói

chung, ơ nhiễm nƣớc thải bởi nhiều thành phần trong đó đáng quan tâm hàng
đầu là các loại phẩm nhuộm khó phân hủy sinh học (nhiều nhóm có tiềm năng
gây ung thƣ cao trên động vật và con ngƣời) là điều không thể tránh khỏi. Việc
nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện các kỹ thuật phù hợp để xử lý các nguồn
thải dệt nhuộm vì thế có ý nghĩa an sinh xã hội rất cao. Vấn đề này, từ lâu đã trở
thành bài tốn mơi trƣờng nóng ở Việt Nam và kéo dài cho tới ngày nay.[6]
1.1.2. Nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm
Các chất ơ nhiễm chủ yếu có trong nƣớc thải dệt nhuộm là thuốc nhuộm,
chất hoạt động bề mặt, các hợp chất halogen hữu cơ, muối trung tính làm tăng
tổng hàm lƣợng chất rắn, nhiệt độ cao và pH của nƣớc thải cao do lƣợng kiềm
lớn.

4


Trong đó, thuốc nhuộm là thành phần khó xử lý nhất, chứa các hợp chất hữu cơ
khó phân hủy. Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một
phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào
vật liệu dệt trong những điều kiện nhất định (tính gắn màu).
Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp. Hiện nay,
con ngƣời hầu nhƣ chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp. Đặc điểm nổi bật của các
loại thuốc nhuộm là độ bền màu - tính chất khơng bị phân hủy bởi những điều
kiện, tác động khác nhau của môi trƣờng, đây vừa là yêu cầu với thuốc nhuộm,
vừa là thị hiếu của ngƣời tiêu dùng, nhƣng cũng là vấn đề với xử lý nƣớc thải
dệt nhuộm. Màu sắc của thuốc nhuộm có đƣợc là do cấu trúc hóa học của nó:
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 đơi liên hợp với hệ điện
tử π linh động nhƣ >C=C<, >C=N-, >C=O, -N=N-... Nhóm trợ màu là những
nhóm thế cho hoặc nhận điện tử, nhƣ –SO3H, -COOH, -OH, NH2..., đóng vai trị
tăng cƣờng màu của nhóm mang màu bằng cách dịch chuyển năng lƣợng của hệ

điện tử. [6,7]
Thơng thƣờng, các chất màu có trong thuốc nhuộm khơng bám dính hết
vào sợi vải trong q trình nhuộm mà cịn lại một lƣợng dƣ nhất định tồn tại
trong nƣớc thải. Lƣợng thuốc nhuộm dƣ sau cơng đoạn nhuộm có thể lên đến 50
% tổng lƣợng thuốc nhuộm đƣợc sử dụng ban đầu. Đây chính là nguyên nhân
làm cho nƣớc thải dệt nhuộm có độ màu cao và nồng độ chất ô nhiễm lớn.[3]
1.1.3. Các loại thuốc nhuộm thường dùng ở Việt Nam
Thuốc nhuộm là các hợp chất mang màu dạng hữu cơ hoặc dạng phức của
các kim loại nhƣ Cu, Co, Ni, Cr…Tuy nhiên, hiện nay dạng phức kim loại
khơng cịn sử dụng nhiều do nƣớc thải sau khi nhuộm chứa hàm lƣợng lớn các
kim loại nặng gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng. Thuốc nhuộm dạnghữu cơ
mang màu hiện rất phổ biến trên thị trƣờng.
Tuỳ theo cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng của chúng mà ngƣời ta
chia thuốc nhuộm thành các nhóm khác nhau. Ở nƣớc ta hiện nay, thuốc nhuộm
5


thƣơng phẩm vẫn chƣa đƣợc 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: ƣu điểm của phân loại
này là thuận tiện cho việc tra cứu và sử dụng, ngƣời ta đã xây dựng từ điển
thuốc nhuộm. Từ điển thuốc nhuộm đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới, trong
đó mỗi loại thuốc nhuộm có chung tính chất kỹ thuật đƣợc xếp trong cùng lớp
nhƣ: nhóm thuốc trực tiếp, thuốc axit, thuốc hoạt tính… Trong mỗi lớp lại xếp
theo thứ tự gam màu lần lƣợt từ vàng da cam, đỏ, tím, xanh lam, xanh lục, nâu
và đen. Sau đây là một số nhóm thuốc nhuộm thƣờng dùng ở Việt Nam :[7,8]
 Thuốc nhuộm trực tiếp

Thuốc nhuộm trực tiếp hay còn gọi là thuốc nhuộm tự bắt màu là những
hợp chất màu hồ tan trong nƣớc, có khả năng tự bắt màu vào một số vật liệu
nhƣ: các tơ xenlulozơ, giấy… nhờ các lực hấp phụ trong mơi trƣờng trung tính
hoặc mơi trƣờng 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 hợp chất hữu cơ độc hại nên hiện nay loại thuốc
này khơng cịn đƣợc khuyến khích sử dụng nhiều. Mặc dù vậy, do thuốc nhuộm
trực tiếp dễ sử dụng và rẻ nên vẫn đƣợc đa số các cơ sở nhỏ lẻ từ các làng nghề
truyền thống sử dụng để nhuộm các loại vải, sợi dễ bắt màu nhƣ tơ, lụa, cotton...
 Thuốc nhuộm axit
Theo cấu tạo hố 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 thƣờng sử dụng để nhuộm
trực tiếp các loại sợi động vật tức là các nhóm xơ sợi có tính bazơ nhƣ len, tơ
tằm, sợi tổng hợp polyamit trong môi trƣờng axit.

6


 Thuốc nhuộm hoạt tính
Thuốc nhuộm hoạt tính là những hợp chất màu mà trong phân tử của
chúng có chứa các nhóm nguyên 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 thƣờng là monoazo và diazo, gốc thuốc nhuộm axit
antraquinon, hồn ngun đa vịng…
T: nhóm ngun tử phản ứng, làm nhiệm vụ liên kết giữa thuốc nhuộm
với xơ và có ảnh hƣởng 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 hoá học
với xơ.
Mức độ khơng gắn màu của thuốc nhuộm hoạt tính tƣơng đối cao,
khoảng 30 %, có chứa gốc halogen hữu cơ (hợp chất AOX) nên làm tăng tính
độc khi thải ra mơi trƣờng. Hơn nữa hợp chất này có khả năng tích luỹ sinh học,
do đó gây nên tác động tiềm ẩn cho sức khoẻ con ngƣời 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.
 Thuốc nhuộm hoàn nguyên
Đƣợc 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 hoàn nguyên thƣờng không tan trong nƣớc, kiềm nên thƣờng phải sử
dụng các chất khử để chuyển về dạng tan đƣợc (thƣờng là dung dịch NaOH +
Na2S2O3 ở 50 - 600C). ở dạng tan đƣợc này, thuốc nhuộm hoàn nguyên khuyếch
tán vào xơ .
7


 Thuốc nhuộm lưu huỳnh
Thuốc nhuộm lƣu huỳnh là những hợp chất màu chứa nguyên tử lƣu
huỳnh trong phân tử thuốc nhuộm ở các dạng -S-, -S-S-, -SO-, -Sn-. Trong nhiều
trƣờng hợp, lƣu huỳnh nằm trong các dị vòng nhƣ: tiazol, tiazin, tiantren và
vịng azin. Thuốc nhuộm nhóm này rất phức tạp, đến nay vẫn chƣa xác định
đƣợc chính xác cấu tạo tổng quát của chúng.
 Thuốc nhuộm phân tán
Là những chất màu không tan trong nƣớc, phân bố đều trong nƣớc dạng
dung dịch huyền phù, thƣờng đƣợc dùng nhuộm xơ kị nƣớc nhƣ 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 nƣớc.
Mức độ gắn màu của thuốc nhuộm phân tán đạt tỉ lệ cao (90 - 95 %) nên nƣớc
thải khơng chứa nhiều thuốc nhuộm và mang tính axit.
 Thuốc nhuộm azo khơng tan
Thuốc nhuộm azo khơng tan cịn có tên gọi khác nhƣ thuốc nhuộm lạnh,
thuốc nhuộm đá, thuốc nhuộm naptol, chúng là những hợp chất có chứa nhóm
azo trong phân tử nhƣng khơng có mặt các nhóm có tính tan nhƣ SO3Na, COONa nên khơng hồ tan trong nƣớc.
 Thuốc nhuộm pigment
Pigment là những hợp chất có màu, có đặc điểm chung là khơng tan trong
nƣớc 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 nƣớc. Thuốc
nhuộm này phải đƣợc gia công đặc biệt để khi hồ tan trong nƣớc nóng nó phân
bố trong dung dịch nhƣ một thuốc nhuộm thực sự và bắt màu lên xơ sợi theo lực
hấp phụ vật lý.
1.1.4. Ảnh hưởng của nước thải dệt nhuộm
Mức độ ô nhiễm của nƣớc thải cơng nghiệp tẩy nhuộm nói chung phụ
thuộc rất lớn vào loại, lƣợng hóa chất sử dụng, kết cấu mặt hàng sản xuất (tẩy
8


trắng, nhuộm, in hoa), tỷ lệ sử dụng sợi tổng hợp, loại hình cơng nghệ sản xuất
(gián đoạn, liên tục hay bán liên tục), đặc tính máy móc sử dụng. Các tác nhân ơ
nhiễm chính trong nƣớc thải và ảnh hƣởng của công nghiệp tẩy nhuộm nhƣ sau:
-

Nƣớc thải chứa tinh bột xả từ khâu hồ sợi làm giảm nồng độ oxy hịa tan

trong nƣớc, ảnh hƣởng đến q trình hơ hấp của các lồi động thực vật thủy
sinh. Ngồi ra, nƣớc thải chứa tinh bột còn dễ xảy ra q trình phân hủy yếm

khí, phát sinh ra mùi hơi thối, đó là mùi của hỗn hợp các chất khí CH4, CO2,
NH3, H2S, ảnh hƣởng đến sức khỏe cộng đồng, mất vẻ đẹp mỹ quan, hủy diệt
các động thực vật thủy sinh.[6]
-

Các chất H2SO4, NaOCl, Na2SO2, NaCl, Na2S, Na2S2O4, chất tẩy rửa

khơng ion, các hợp chất vịng thơm, tạo chất dầu xả ra từ khâu giặt sau nhuộm.
Các chất formaldehyde, K2Cr2O7, tạp chất chứa kim loại nặng, NaCl, halogen
hữu cơ, Na2SO4, thuốc nhuộm Na2S2O4, hơi H2SO4, CH3COOH thải ra từ khâu
nấu. Dầu hỏa, các chất hồ sợi dọc, chất nhũ hóa, chất làm mềm, chất tạo phứ.
Tất cả các chất ô nhiễm này gây ảnh hƣởng rất lớn đến quá trình phân hủy của
các vi sinh vật làm sạch nƣớc. Anh hƣởng đến quá trình quang hợp của thực vật
thủy sinh gây sự thiếu hụt oxy hòa tan trong nƣớc. Gốc hữu cơ kết hợp với các
ion kim loại tạo thành các phức chất bền, khó phân hủy, gây tác hại nghiệm
trọng đến mơi trƣờng. Các ion kim loại cịn tham gia vào chuỗi thức ăn, từ đó
dây ảnh hƣởng cho sức khỏe con ngƣời. Đặc biệt nguy hại hơn nữa là sự có mặt
của chất Clo hoạt tính trong nƣớc thải sẽ kết hợp với các chất hữu cơ vòng thơm
tạo thành những chất gây tiền ung thƣ. Xơ sợi và các tạp chất thiên nhiên có
trong xơ sợi bị loại bỏ trong các công đoạn xử lý nƣớc, gây tắc nghẽn dòng
chảy.[6]
Tác hại gây ung thƣ và nghi ngờ gây ung thƣ: khơng có loại thuốc nhuộm
nào nằm trong nhóm gây ung thƣ cho ngƣời. Các thuốc nhuộm azo đƣợc sử
dụng nhiều nhất trong ngành dệt, tuy nhiên chỉ có một số màu azo, chủ yếu là
thuốc nhuộm benzidin, có tác hại gây ung thƣ. Các nhà sản xuất châu Âu đã

9


ngừng sản xuất loại này, nhƣng trên thực tế chúng vẫn đƣợc tìm thấy trên thị

trƣờng do giá thành rẻ và hiệu quả nhuộm màu cao.[6]
Mức độ độc hại với cá và các loài thủy sinh: các thử nghiệm trên cá của
hơn 3000 thuốc nhuộm đƣợc sử dụng thông thƣờng cho thấy thuốc nhuộm nằm
trong tất cả các nhóm từ không độc, độc vừa, độc, rất độc đến cực độc. Trong đó
có khoảng 37% thuốc nhuộm gây độc vừa đến độc cho cá và thủy sinh, chỉ 2%
thuốc nhuộm ở mức độ rất độc và cực độc cho cá và thủy sinh.[6]
Khi đi vào nguồn nƣớc nhận nhƣ sông, hồ,… với một nồng độ rất nhỏ
thuốc nhuộm đã cho cảm nhận về màu sắc. Thuốc nhuộm hoạt tính sử dụng càng
nhiều thì màu nƣớc thải càng đậm. Màu đậm của nƣớc thải cản trở sự hấp thụ
oxy và ánh sáng mặt trời, gây bất lợi cho sự hô hấp, sinh trƣởng của các lồi
thủy sinh vật. Nó tác động xấu đến khả năng phân giải của vi sinh đối với các
chất hữu cơ trong nƣớc thải. Các nghiên cứu cho thấy khả năng phân giải trực
tiếp thuốc nhuộm hoạt tính bằng vi sinh rất thấp. Ở Việt Nam, qua số liệu điều
tra tại các công ty dệt may lớn đều cho thấy màu nƣớc thải dệt nhuộm chủ yếu
do thuốc nhuộm hoạt tính và một phần do các loại thuốc nhuộm khơng tận trích
hết khác gây ra.[6]
1.2.

Tổng quan các phƣơng pháp xử lý thuốc nhuộm trong nƣớc thải dệt nhuộm

1.2.1. Các phương pháp hóa lý
a. Phương pháp hấp phụ
Phƣơng pháp hấp phụ đƣợc dùng để phân hủy các chất hữu cơ khơng hoặc
khó phân hủy sinh học. Trong cơng nghệ xử lý nƣớc thải dệt nhuộm, thƣờng
dùng chúng để khử màu nƣớc thải dệt nhuộm hòa tan và thuốc nhuộm hoạt tính.
Cơ sở của q 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 thƣờng đƣợc 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. Ngoài ra
ngƣời ta cịn dùng xenlulo biến tính và lignoxenlulo để hấp phụ thuốc nhuộm

10


axit và thuốc nhuộm cation. Các vật liệu thiên nhiên nhƣ lõi ngơ, mạt cƣa, thân
cây mía, trấu,… cũng đƣợc thử nghiệm khả năng hấp phụ thuốc nhuộm.
Phƣơng pháp này có nhiều ƣu điểm nhƣng nằm trong chính bản chất của
nó là chuyển chất màu từ pha này sang pha khác và đòi hỏi thời gian tiếp xúc,
tạo một lƣợng thải sau hấp phụ, không xử lý triệt để chất ô nhiễm nên không
đƣợc sử dụng rộng rãi trong xử lý thuốc nhuộm.[5]
b. Phương pháp keo tụ
Hiện tƣợng keo tụ là hiện tƣợng các hạt keo cùng loại có thể hút nhau tạo
thành những tập hợp hạt có kích thƣớc và khối lƣợng đủ lớn để có thể lắng
xuống do trọng lực trong một thời gian đủ ngắn.
Phèn nhôm Al2(SO4)3.nH2O (n=14÷18), muối sắt Fe2(SO4)3.nH2O hoặc
FeCl3.nH2O (n=1÷6) đƣợc coi là những chất keo tụ cổ điển, trong đó phèn nhơm
là chất keo tụ phổ biến nhất tại Việt Nam, trong khi đó muối sắt lại là chất keo tụ
phổ biến ở các nƣớc công nghiệp phát triển do khoảng pH keo tụ tối ƣu rộng
hơn (5 ÷ 9), bơng cặn nặng, bền hơn và dƣ lƣợng sắt trong nƣớc thấp hơn so với
dùng phèn nhơm (pH keo tụ 5,5 ÷ 7). Polime nhơm (PAC): khi hịa tan PAC tạo
các hạt polime Al13 (thực chất là Al13O4(OH)247+) có điện tích vƣợt trội (7+) và
kích thƣớc lớn gây keo tụ mạnh, bơng cặn lớn và thủy phân chậm nên tăng tác
dụng củ a chúng lên các hạt keo cần xử lý.
Phƣơng pháp keo tụ đƣợc sử dụng rộng rãi trong xử lý nƣớc thải dệt
nhuộm chứa các thuốc nhuộm phân tán và không tan. Đây là phƣơng pháp khả
thi về mặt kinh thế tuy nhiên nó khơng xử lý đƣợc tất cả các loại thuốc nhuộm:
thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm trực tiếp; thuốc nhuộm hồn ngun keo tụ tốt
nhƣng khơng kết lắng dễ dàng, bơng cặn chất lƣợng thấp; thuốc nhuộm hoạt tính
rất khó xử lý bằng các tác nhân keo tụ thơng thƣờng và cịn ít đƣợc nghiên cứu.
Bên cạnh đó phƣơng pháp keo tụ cũng tạo ra một lƣợng bùn thải lớn và khơng

làm giảm tổng chất rắn hịa tan nên gây khó khăn cho tuần hồn nƣớc.[5]

11


c. Phương pháp lọc
Các kỹ thuật lọc thông thƣờng là quá trình tách chất rắn ra khỏi nƣớc khi
cho nƣớc đi qua vật liệu lọc có thể giữ cặn và cho nƣớc đi qua. Các kỹ thuật lọc
thông thƣờng không xử lý đƣợc các tạp chất tan nói chung và thuốc nhuộm nói
riêng.
Các kỹ thuật lọc màng, có thể tách đƣợc thuốc nhuộm tan ra khỏi nƣớc
thải dệt nhuộm gồm có vi lọc, siêu lọc, thẩm thấu ngƣợc... Điểm khác biệt giữa
ba kỹ thuật trên là kích thƣớc hạt mà chúng có thể lọc đƣợc. Q trình vi lọc có
đƣờng kớnh l mng t 0,1 ữ 10 àm, siờu lc có kích thƣớc lỗ màng trong
khoảng 2 ÷ 100nm, cịn trong thẩm thấu ngƣợc lỗ màng có kích thức từ 0,5 ÷ 2
nm. Siêu lọc có thể lọc đƣợc các phần tử ở kích cỡ nano, cùng với các hiệu ứng
hấp phụ, tạo màng thứ cấp, siêu lọc cho phép lọc các phân tử. Trong phƣơng
pháp thẩm thấu ngƣợc, màng chỉ cho phép nƣớc đi qua trong khi muối, axit và
các phân tử hữu cơ không đi qua do đặt vào dung dịch nƣớc thải cần xử lý một
áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu của dung dịch đó. Trong các kỹ thuật màng thì
kỹ thuật siêu lọc có thể loại bỏ các chất tan với khối lƣợng phân tử lớn cỡ 1000
÷ 100.000 g/mol. Tuy nhiên nó khơng lọc đƣợc các loại thuốc nhuộm tan và có
phân tử lƣợng thấp, kích thƣớc nhỏ. Việc loại bỏ các loại thuốc nhuộm này đƣợc
thực hiện bằng phƣơng pháp lọc nano và thẩm thấu ngƣợc. Lọc nano đã đƣợc
chứng minh là có thể tách thuốc nhuộm hoạt tính có khối lƣợng phân tử khoảng
400 g/mol ra khỏi nƣớc thải.[5]
Tuy với những ƣu điểm trên nhƣng giá thành của màng, thiết bị lọc cao và
năng suất giảm dần do thuốc nhuộm lắng xuống làm bẩn màng lọc
1.2.2. Các phương pháp sinh học
Cơ sở của phƣơng pháp sinh học là sử dụng các vi sinh vật để phân hủy

các hợp chất hữu cơ trong nƣớc thải. Phƣơng pháp sinh học đạt hiệu quả cao
trong xử lý nƣớc thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học với pH, nhiệt
độ, chủng vi sinh thích hợp và khơng chứa các chất độc làm ức chế vi sinh. Tuy
nhiên nƣớc thải xƣởng nhuộm chứa thuốc nhuộm rất bền vi sinh hầu nhƣ không
12


bị phân hủy sinh học. Vì vậy để xử lý nƣớc thải dệt nhuộm cần qua hai bƣớc:
tiền xử lý chất hữu cơ khó phân giải sinh học chuyển chúng thành những chất có
thể phân hủy sinh học, tiếp theo là dùng phƣơng pháp vi sinh.
Xử lý sinh học có thể là xử lý vi sinh hiếu khí hoặc yếm khí tùy thuộc vào
sự có mặt hay khơng có mặt oxi. Q trình yếm khí xảy ra sự khử cịn q trình
hiếu khí xảy ra sự oxi hóa các chất hữu cơ. Q trình yếm khí có thể chạy với tải
lƣợng hữu cơ lớn, loại bỏ một lƣợng lớn các chất hữu cơ đồng thời tạo ra khí
sinh học, tiêu tốn ít năng lƣợng. Lƣợng bùn thải của q trình yếm khí rất thấp.
Tuy nhiên, hiệu quả khử màu của q trình này khơng cao (đối với thuốc nhuộm
axit là 80 – 90 %, thuốc nhuộm trực tiếp là 81 %). Ngƣợc lại, q trình hiếu khí
có hiệu suất cao trên 85 % nhƣng nó lại tiêu tốn năng lƣợng cho sục khí và tạo
lƣợng bùn thải lớn.[5]
1.2.3. Các phương pháp điện hóa
Phƣơng pháp này dựa trên cơ sở quá trình oxi hóa/ khử xảy ra trên các
điện cực. Ở anot, nƣớc và các ion clorua bị oxi hóa dẫn đến sự hình thành O2,
O3, Cl2 và các gốc là tác nhân oxi hóa các chất hữu cơ trong dung dịch. Q
trình khử điện hóa các hợp chất hữu cơ nhƣ thuốc nhuộm, ở catot, kết hợp với
phản ứng oxi hóa điện hóa và q trình tuyển nổi, keo tụ điện hóa dẫn đến hiệu
suất xử lý màu và khống hóa cao. Phƣơng pháp điện hóa với điện cực nhơm
hoặc sắt là công nghệ xử lý hiệu quả độ màu, COD, BOD, TOC, kim loại nặng,
chất rắn lơ lửng. Nghiên cứu cho thấy hiệu suất xử lý các loại nƣớc thải từ
xƣởng nhuộm chứa nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau có khả năng đạt tới 90%.
Đây là phƣơng pháp đƣợc chứng minh hiệu quả đối với việc xử lý độ màu,

COD, BOD, TOC, kim loại nặng, chất rắn lơ lửng của nƣớc thải dệt nhuộm. Tuy
nhiên phƣơng pháp điện hóa có giá thành cao do tiêu tốn năng lƣợng và kim loại
làm điện cực.[5]
1.2.4. Các phương pháp hóa học
a. Khử hóa học
Đƣợc ứng dụng trong trƣờng hợp nƣớc thải chứa các chất dễ bị khử.
Phƣơng pháp khử hóa học hiệu quả với các thuốc nhuộm azo nhờ phân giải liên
13


kết azo tạo thành các amin thơm khơng màu có khản 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 nƣớc nhƣ thuốc nhuộm trực tiếp, axit, hoạt tính chứa các nhóm
azo hoặc các nhóm khử đƣợc và thuốc nhuộm phức đồng. Quy trình này có thể
khử màu trên 90% với các loại thuốc nhuộm kể trên [1,5,6].
b. Oxi hóa hóa học
 Oxi hóa bằng tác nhân thơng thƣờng
Cơ sở của phƣơng pháp này là dùng các chất oxi hóa mạnh để phá vỡ một
phần hay toàn bộ phân tử thuốc nhuộm chuyển thành dạng đơn giản khác. Các
chất oxi hóa thƣờng dùng gồm O3, H2O2, Cl2...
 Oxi hóa tiên tiến
Q trình oxi hóa tiên tiến là những q trình phân hủy dựa vào gốc tự do
hoạt động hydroxyl OH• đƣợc tạo ra trong mơi trƣờng lỏng ngay trong q trình
xử lý. Các gốc hydroxyl rất hoạt hóa và là tác nhân oxi hóa gần nhƣ mạnh nhất
từ trƣớc đến nay (Eo = +2,8V), chỉ đứng sau flo (Eo = +2,87 V). Điện thế oxi hóa
của các chất sử dụng phổ biến trong môi trƣờng lỏng đƣợc giới thiệu trên bảng
1.1.[1]
Bảng 1. 1. Điện thế oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa mạnh trong mơi
trường lỏng

Tác nhân oxi hóa

Điện thế oxi hóa (V)

F2

+ 2,87

OH•

+ 2,80

O3

+ 2,07

H 2 O2

+ 1,77

ClO2

+ 1,50

Cl2

+ 1,36

O2

+ 1,23
14


Đặc điểm nổi trội của phƣơng pháp oxi hóa tiên tiến là các gốc hydroxyl
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 1010 mol-1.l.s-1). Đặc tính
oxi hóa khơng chọn lọc này vô cùng quan trọng, cho phép mở rộng phạm vi áp
dụng của phƣơng pháp với các nƣớc thải không đồng nhất, chứa các hợp chất ô
nhiễm khác nhau. Khả năng hoạt hóa nhanh phù hợp với thời gian sống ngắn và
nồng độ tức thời thấp của các gốc tự do hydroxyl. Đặc biệt, phản ứng của gốc
hydroxyl với các anken và các hợp chất thơm rất nhanh, hằng số tốc độ phản
ứng trong khoảng 108-1010 mol-1.l.s-1, do đó các gốc hydroxyl này cho phép
khống hóa các chất hữu cơ ơ nhiễm, khó phân hủy sinh học trong thời gian từ
vài phút đến vài giờ. Các gốc hydroxyl có thể đƣợc hình thành bằng các phƣơng
pháp khác nhau nhƣ đƣợc mơ tả trên hình 1.1.[4]

Hình 1. 1. Các q trình hình thành gốc Hydroxyl
Hiệu quả của quá trình xử lý các chất ô nhiễm phụ thuộc vào rất nhiều
thông số nhƣ nồng độ tác nhân oxi hóa, cƣờng độ ánh sáng UV, pH, nhiệt độ…
cũng nhƣ thành phần của mơi trƣờng cần xử lý. Ngồi ra, hiệu quả của q trình
oxi hóa có thể bị ảnh hƣởng do sự tiêu thụ gốc hydroxyl của các hợp chất vô cơ

15


hoặc hữu cơ có mặt trong mơi trƣờng. Hằng số tốc độ phản ứng giữa gốc
hydroxyl với cacbonat và bicacbonat lần lƣợt là 1,5.107 và 4,2.108 mol-1.l.s-1.[3]
Các quá trình oxi hóa tiên tiến đƣợc phân loại dựa vào trạng thái pha
(đồng thể hoặc dị thể) hoặc dựa vào phƣơng pháp tạo gốc hydroxyl (phƣơng

pháp hóa học, quang hóa, điện hóa…). Nhìn chung các phản ứng của các q
trình oxi hóa tiên tiến tƣơng tự nhau, tuy nhiên hiệu quả xử lý và hiệu quả kinh
tế của quá trình phụ thuộc vào phƣơng pháp hình thành gốc OH• và các điều
kiện vận hành của hệ thống.
1.3.

Ứng dụng kỹ thuật Fenton trong xử lý thuốc nhuộm

1.3.1. Q trình Fenton
Khả năng oxi hóa của H2O2 khi có mặt Fe2+ (phản ứng Fenton) đã đƣợc phát
hiện từ 1984 khi J.H. Fenton thực hiện oxi hóa axit tartaric bằng hydro peoxit
khi có mặt của Fe2+, kết quả cho thấy tốc độ oxi hóa axit tăng mạnh so với
khơng có Fe2+. Bốn mƣơi năm sau, Haber và Weiss đã chứng minh gốc hydroxyl
là tác nhân oxi hóa đƣợc hình thành và là ngun nhân làm tốc độ xử lý tăng
mạnh, phản ứng hình thành gốc đƣợc thể hiện trên phƣơng trình sau:[10]
H2O2 + Fe2+ → Fe3+ + OH− + OH·
Ion Fe3+ hình thành có thể tiếp tục phản ứng với hydro peoxit để hình
thành ion Fe2+ theo phản ứng:
Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HO2·+ H+
Về mặt động học, phản ứng thứ hai không nhanh bằng phản ứng thứ nhất,
đặc biệt là trong môi trƣờng axit. Hạn chế này là do sự hình thành hợp chất phức
hydro peoxit của ion sắt (III) (Fe(OOH)2+) trong môi trƣờng axit mạnh. Trong
mơi trƣờng trung tính hoặc axit yếu, ion sắt (III) có xu hƣớng hình thành
hydroxit. Trong nghiên cứu về sự phân hủy hydro peoxit khi có mặt muối sắt,
Haber và Weiss đã chỉ ra rằng khi hydro peoxit tƣơng đối dƣ so với sắt, chúng bị
phân hủy tạo ra phân tử oxi nhiều hơn so với sự hình thành ion sắt (III). Hệ phản
ứng Fenton đƣợc duy trì bởi hai phản ứng trung gian giúp duy trì phản ứng dây
chuyền trong mơi trƣờng axit:[10]
OH• + H2O2 → H2O + HO2•
H2O + HO2• → OH• + H2O2

16