Nghiên cứu điều chế vật liệu composite có nguồn gốc sinh học ứng dụng xử lý màu nước thải dệt nhuộm và kim loại nặng nước thải xi mạ đồng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG
••

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU COMPOSITE
CĨ NGUỒN GỐC SINH HỌC ỨNG DỤNG XỬ LÝ MÀU
NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM VÀ KIM LOẠI NẶNG
NƯỚC THẢI XI MẠ ĐỒNG
Mã số:

Chủ nhiệm đề tài: ThS. ĐÀO MINH TRUNG

Bình Dương, Tháng Năm


TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG
••

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU COMPOSITE
CĨ NGUỒN GỐC SINH HỌC ỨNG DỤNG XỬ LÝ
MÀU NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM VÀ KIM LOẠI
NẶNG NƯỚC THẢI XI MẠ ĐỒNG

••

Mã số:
Xác nhận của đơn vị chủ trì đề tài
••

PGS.TS Nguyễn Thanh Bình

Chủ nhiệm đề tài

Th.S Đào Minh Trung

Bình Dương, Tháng Năm


MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG
•

DANH MỤC HÌNH
•

Hình 3.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định pH tối ưu của Biogum, Composite và PAC
.................................................................................................................................................36

Hình

3.7: Bố trí thí nghiệm xác định lượng tối ưu của Biogum, Composite và PAC.. 37 Hình 3.8: Sơ đồ
thí nghiệm xác định mối tương quan giữa lượng chất keo tụ với nồng độ đầu vào ...............38

3


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Biogum

Tên ti ếng Anh

Tên tiếng Việt
Gum sinh học Muồng Hồng Yến ly
trích từ hạt MHY

Biogum cải
tiến

Vật liệu kết hợp giữa Gum sinh học
ly trích từ hạt MHY và nano oxit sắt từ

BTNMT
COD

Chemical Oxygen Demand

Emu
FT-IR
MF

Electromagnetic unit

Fourier Transform Infrared
Micro Filtration

Bộ Tài nguyên Môi truờng
Nhu cầu oxy hóa học
Đơn vị điện từ
Quang phổ chuyển đổi hồng ngoại
Vi lọc
Muồng Hoàng Yến

MHY
NMDN

Nuớc thải nhà máy dệt nhuộm

Oe
PAC
QCVN
RB
RR

Oersted
Poly Aluminium chloride

Đơn vị cuờng độ từ truờng
Phèn nhơm

SDS

Sodium Dodecyl Sulfate

SEM

Scanning Electron microscope

Kính hiển vi quét điện tử

TGA
UV

Thermogravimetry Analysis
Ultraviolet

Phân tích nhiệt trọng luợng
Tia cực tím

VSM
XRD

Vibrating Sample Magnetometer
X-ray Diffraction

Từ kế mẫu rung
Nhiễu xạ tia X

Quy chuẩn Việt Nam
Reactive Blue
Reactive Red

4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
Đơn vị: Khoa Khoa Học Tự Nhiên

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu điều chế vật liệu Composite có nguồn gốc sinh học ứng dụng xử lý
màu nước thải dệt nhuộm và kim loại nặng nước thải xi mạ đồng.
-

Mã số:

-

Chủ nhiệm: Th.S Đào Minh Trung

-

Đơn vị chủ trì: Khoa Khoa Học Tự Nhiên

-

Thời gian thực hiện: Tháng 12/2017 đến tháng 12/2018

2. Mục tiêu: Khảo sát khả năng ứng dụng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện với mơi
trường và vật liệu nano sinh học có khả năng thu hồi và tái sử dụng trong cải thiện chất
lượng nước thải một số ngành công nghiệp và đề xuất một quy trình cơng nghệ cải thiện chất
lượng nước thải công nghiệp, tập trung vào hai dạng ô nhiễm kim loại nặng và màu.
3. Tính mới và sáng tạo: Thay thế các chất hóa học khác bằng sử dụng vật liệu Composite có

nguồn gốc sinh học, thân thiện môi trường.
4. Kết quả nghiên cứu: nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu khoa học của
sinh viên và giáo viên.
5. Sản phẩm: Báo cáo tổng hợp
6. Hi ệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Báo cáo,
tài liệu.
Ngày tháng năm
Đơn vị chủ trì

Chủ nhiệm đề tài

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN
PGS.TS NGUYỄN THANH BÌNH

Th.S ĐÀO MINH TRUNG


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1.

Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây với sự phát triển của thế giới về mọi mặt, trong đó các ngành
cơng nghiệp đã có những bước phát triển mạnh mẽ, tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng có chất
lượng cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường và con người. Bên cạnh những thành
tựu to lớn đó, con người đang dần hủy hoại mơi trường sống của mình do nguồn chất thải phát
sinh từ các công đoạn sản xuất không được xử lý hoặc xử lý khơng triệt để.
Sử dụng hóa chất có nguồn gốc hóa học trong q trình vận hành để cải thiện chất lượng
nước thải công nghiệp, xi mạ, dệt nhuộm, thủy sản... được ứng dụng khá rộng rãi. Tuy nhiên
trong q trình xử lý dư lượng của chúng gây ơ nhiễm trực tiếp hoặc gián tiếp qua chất ô nhiễm

thứ cấp đến mơi trường tiếp nhận (Vijayaraghavan, 2011). Ngồi ra ơ nhiễm thứ cấp cịn làm
thay đổi tính chất vật lý, hóa học, sinh học của hệ sinh thái của nước theo chiều hướng xấu đi
và đây là thực trạng cấp thiết cần có giải pháp thay đổi vật liệu trong q trình vận hành để cải
thiện chất lượng mơi trường tiếp nhận (Nguyễn Thị Phương Loan, 2011).
Hiện nay, đã có một số nghiên cứu trong và ngồi nước về việc ứng dụng các loại chất có
nguồn gốc tự nhiên trong đó có các gum sinh học trong xử lý nước thải để loại bỏ màu và cải
thiện chỉ số COD trong nước thải một số ngành công nghiệp dệt nhuộm, xi mạ (Sapanda M.,
2012; Hanif, 2008). Theo Đoàn Thị Thúy Ái (2013), Nguyễn Văn Cường và Huỳnh Thị Kim
Ngọc (2014); Carlos L. et al. (2013) có thể ứng dụng vật liệu nano trong xử lý nước thải ngành
công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ. Kết quả nghiên cứu cho thấy gum sinh học và hạt nano từ
tính có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước. Mặt khác, bản chất keo tụ của các gum sinh học
là hình thành các liên kết và tương tác hóa học với các chất ơ nhiễm, do đó q trình thu hồi
gum sinh học khá tốn kém, cần sử dụng tác nhân để cắt đứt các liên kết hóa học và tái tạo lại
gum dưới dạng tủa. Vì vậy việc thu hồi gum sinh học khơng khả thi và tốn kém. Qua đó việc
thu hồi các hạt nano từ tính rất đơn giản, dưới tác dụng của lực các chất ô nhiễm trong lỗ trống
của hạt nano sẽ bị đẩy ra ngoài và hạt nano được thu lại bằng nam châm một cách dễ dàng. Tuy
nhiên hiệu quả xử lý nước thải của các hạt nano bị hạn chế do thiếu các nhóm chức hoạt động
trên bề mặt hạt nano, do đó việc gắn gum sinh học lên bề mặt hạt nano nhằm tạo ra vật liệu
nano sinh học mới vừa tăng khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nước vừa giữ được đặc tính
thu hồi và tái sử dụng của hạt nano từ tính.
Cây Muồng Hồng Yến được trồng làm cây đô thị, trái và hạt thường thải bỏ, do đó việc
tận dụng hạt để làm vật liệu xử lý nước rất thuận lợi, vừa có chi phí thấp, đồng thời góp phần
giải quyết vấn đề xử lý chất thải rắn đơ thị. PAC là hóa chất sử dụng thơng dụng nhất trong các
hệ thống xử lý nước thải công nghệp, do tính chất ít làm thay đổi pH, khả năng keo tụ với
nhiều đối tượng ô nhiễm, đặt biệt là tính phổ biến vì dễ tìm, dễ mua và có giá thành thấp.
Các nghiên cứu trước đây đã xác định thành phần có hoạt tính keo tụ trong gum hạt thuộc
chi Cassia là các galactomannan, một loại polysaccharide trung tính tan tốt trong nước và là tác
6

nhân hiệu quả trong việc loại bỏ các chất lơ lửng, chất màu ra khỏi nước bị ô nhiễm. Theo kết
quả nghiên cứu của Trần Văn Nhân (2002) cho thấy nước thải xi mạ chứa các muối vô cơ và
hàm lượng kim loại nặng cao, tùy theo lớp mạ mà nguồn gây ơ nhiễm có thể là đồng, kẽm hay
các kim loại nặng khác. Theo nghiên cứu của Mukesh Parmar & Lokendra Singh Thakur
(2013), công nghiệp mạ điện và gia công kim loại thải ra lượng lớn kim loại nặng, trong đó có
ion kim loại đồng (Cu2+) và là vấn nạn lớn ảnh hưởng đến sức khỏe con người và đời sống thủy
sinh. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng kim loại đồng khơng thể phân hủy và có thể gây ung
thư cũng như bệnh Wilson. Bên cạnh tác hại của đồng, niken gây dị ứng da, dễ gây tổn thương
cho hệ hô hấp, hệ thần kinh cũng như màng nhầy tế bào. Kẽm gây rối loại tiêu hóa và dẫn đến
tiêu chảy khi vào cơ thể qua đường thức ăn.
Những nghiên cứu trên cho thấy vật liệu sinh học có tiềm năng thay thế vật liệu có nguồn
gốc hóa học là một bước tiến và cần nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt cần nghiên cứu vật liệu
nano sinh học có thể thu hồi trong cải thiện chất lượng nước thải cũng như môi trường tiếp
nhận. Trên cơ sở và ý tưởng đó luận án “Nghiên cứu điều chế vật li ệu composite có nguồn
gốc sinh học ứng dụng xử lý màu nước thải dệt nhuộm và kim loại nặng nước thải xi mạ
đồng” được thực hiện trên nước thải ngành cơng nghiệp dệt nhuộm và xi mạ góp phần cải
thiện chất lượng môi trường nước, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
1.2.

Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1.

Mục tiêu tổng quát

Xác định khả năng ứng dụng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện với môi trường
(vật liệu nano sinh học được chế tạo từ gum trích ly từ hạt Muồng Hồng Yến và Nano từ tính)
và có khả năng thu hồi, tái sử dụng trong quá trình cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp
dệt nhuộm và xi mạ.
1.2.2.

-

Mục tiêu cụ thể

Cải tiến vật liệu từ nền vật liệu sinh học Biogum (được điều chế từ hạt cây MHY) và
hạt Nano từ tính để được vật liệu Composite.

-

Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Composite trong việc cải thiện độ màu của nước thải dệt
nhuộm.

-

Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Composite trong việc cải thiện thành phần ô nhiễm kim
loại nặng của nước thải xi mạ.
1.3.
Nội dung nghiên cứu
-

Nội dung 1: Nghiên cứu cải tiến Biogum phục vụ cho mục tiêu nâng cao hiệu quả khử
màu trong nước thải dệt nhuộm và kim loại nặng trong nước thải xi mạ;
+ Trích ly vật liệu keo tụ sinh học từ hạt MHY.
+ Chế tạo vật liệu nano từ tính kết hợp với chất keo tụ sinh học MHY.

-

Nội dung 2: Nghiên cứu ứng dụng Composite nâng cao hiệu quả khử màu trong nước
thải dệt nhuộm;
7

+ Nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện keo tụ (pH, lượng vật liệu sử dụng) trong quy
mơ phịng thí nghiệm.
+ Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu chế tạo từ nano từ tính kết hợp với vật liệu
sinh học MHY.
-

Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng Composite nâng cao hiệu quả khử kim loại nặng
trong nước thải xi mạ đồng;
+ Nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện keo tụ (pH, lượng vật liệu sử dụng) trong quy
mơ phịng thí nghiệm.
+ Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu chế tạo từ nano từ tính kết hợp với vật liệu
sinh học MHY.

1.4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

1.4.1.

Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả khử màu trong nước thải dệt
nhuộm và khử kim loại nặng Cu2+ trong nước thải xi mạ;
Phạm vi nghiên cứu:
1.4.2.
-

Phạm vi nghiên cứu:

Tập trung cho q trình xử lý hóa lý trên quy mơ Phịng thí nghiệm và Pilot trên đối
tượng nước thải dệt nhuộm và xi mạ:
+ Thí nghiệm được tiến hành ở quy mơ phịng thí nghiệm.
+ Nước thải dệt nhuộm giả định gồm hai loại màu có tên thương mại Reactive red 3 BS
(RR).
+ Nước thải xi mạ giả định Cu2+. Nước thải xi mạ thực tế được lấy từ nhà máy trong Khu
cơng nghiệp Nam Tân Un tại Bình Dương.

-

Các nghiên cứu được thực hiện và phân tích tại Trường Đại học Thủ Dầu Một.

1.5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.5.1.

Ý nghĩa khoa học

- Kết quả nghiên cứu là nguồn số liệu khoa học trong nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới
trong xử lý nước và nước thải cơng nghiệp.
-

Cơng trình nghiên cứu là các số liệu khoa học cơ bản sử dụng cho giảng dạy và nghiên
cứu các đề tài tương tự.

-

Kết quả có thể dùng tham khảo cho các nhà máy có thành phần và tính chất ơ nhiễm
tương tự.

1.5.2.
Ý nghĩa thực tiễn
Kếtlà
cải
quả
thiện
nghiên
chất
cứu
lượng
cung
nước
thải
những
của
thơng
một
số
tin
ngành
khoa
cơng
học
hiệu
nghiệp
quả
ơ

nhiễm
án
kim
cơ
sở
loại
khuyến
nặng
khích
và
ơcấp
nhiễm
sử
dụng
màu.
vật
Kết
liệu
quả
sinh
nghiên
học
cứu
trong
của
cải
luận
thiện
vừa
có

chất
khả
lượng
năng
tái
mơi
sử
trường
dụng
nước
từ
đó
thải
tạo
vừa
ra
một
thân
mơi
thiện
trường
mơi
sinh
trường
thái
bền
vững.

8

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1.

Tổng quan về nước thải dệt nhuộm và các phương pháp xử lý

Đối với nước thải công nghiệp dệt nhuộm, kết quả nghiên cứu của Rachakornkij et al. (2004)
cho rằng thành phần tính chất nước thải quyết định phương pháp để xử lý nước. Hai cơng nghệ
chính được sử dụng để loại màu là oxy hóa và hấp phụ.
2.1.1.

Thành phần ơ nhiễm

Hai nguồn ơ nhiễm màu chính là cơng nghiệp dệt may và cơng nghiệp nhuộm vải. Nước thải
của các ngành cơng nghiệp này có độ màu cao và rất khó xử lý do thuốc nhuộm được sử dụng
là các phân tử tổng hợp phức tạp chống lại sự phân hủy của vi khuẩn ưa khí và bền với ánh
sáng cũng như nhiệt độ. Màu nhuộm là những hợp chất hữu cơ được sử dụng để nhuộm vải,
giấy, nhựa, sơn và chất màu tổng hợp, hầu hết màu nhuộm không phân hủy sinh học và gây độc
cao. Trong quá trình nhuộm, nồng độ thuốc nhuộm dao động từ 10 - 200 mg/L và có đến 10 15% màu nhuộm không bám hết vào vật liệu cần nhuộm và luôn hiện diện trong nước thải
(Kumar, 2012; Bell et al., 2000).
Kết quả nghiên cứu của Demirer et al. (2003) nước thải dệt nhuộm là tổng hợp nước thải phát
sinh từ tất cả các công đoạn hồ sợi, nấu tẩy, tẩy trắng, làm bóng sợi, nhuộm in và hồn tất.
Thành phần nước thải dệt nhuộm khơng ổn định, thay đổi theo từng nhà máy khi nhuộm và các
loại vải khác nhau, môi trường nhuộm là axit hay kiềm hoặc trung tính. Kết quả nghiên cứu của
Yuan Yu-Li et al. (2006), Thitame et al. (2016) cho rằng đặc tính của nước thải dệt nhuộm hầu
hết là các hợp chất từ dẫn xuất phenol, dẫn xuất anilin, axit hữu cơ và các dẫn xuất benzen, với
nồng độ ô nhiễm tùy thuộc vào cơng nghệ nhuộm.
Mặt khác trong q trình sản xuất có rất nhiều hóa chất độc hại được sử dụng để sản xuất tạo
màu, như phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chất điện ly, chất ngậm, chất tạo mơi trường,
tinh bột, men, chất oxy hóa... (Kumar, 2017; Unlu et al., 2009; Ahmad et al., 2002). Bên cạnh

đó, trong quá trình sản xuất, hiệu quả hấp phụ thuốc nhuộm chỉ đạt từ 60 - 70%, các phẩm
nhuộm thừa còn lại ở dạng nguyên thủy hay ở dạng phân hủy và các chất này thường có chứa
các ion kim lo ại nặng.
Nếu nước thải chưa được xử lý hoặc xử lý chưa đạt tiêu chuẩn xả thải ra nguồn tiếp nhận, hóa
chất có trong nước thải sẽ gây chết hệ vi sinh vật có lợi trong nguồn tiếp nhận, làm chết cá và
các loại động vật sống dưới nước, các chất độc này cịn có thể thấm vào đất, tồn tại lâu dài và
ảnh hưởng tới nguồn nước ngầm, ảnh hưởng đến đời sống của con người. Nước thải dệt nhuộm
thường có độ màu rất lớn, thay đổi thường xuyên tùy loại thuốc nhuộm và có nhiệt độ cao nên
cần phải được xử lý triệt để trước khi thải ra nguồn tiếp nhận (Hussein, 2013).
Bảng 2.1: Một số thành phần ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm
Thông số
Nhiệt độ

Đơn vị
o

C

Giá trị tiêu biểu
60 - 80


pH

-

4 - 13

COD

mg/L

1500 - 5000

Màu

mg/L

4000 - 5000

TSS

mg/L

1300 - 1400

SO42-

mg/L

500 - 1000

Với tính chất phức tạp nên việc chọn phương pháp xử lý cần phải dựa vào nhiều yếu tố như lưu
lượng nước thải, đặc tính nước thải, quy chuẩn xả thải... Thông thường công nghệ xử lý luôn
kết hợp nhiều phương pháp khác nhau như cơ học, sinh học, hóa lý hay hóa học. Nhiều cơng
trình nghiên c ứu trước đây cho thấy keo tụ bằng phèn nhơm có thể khử màu hiệu quả 50 90%, đặc biệt hiệu quả cao với loại thuốc nhuộm sunfua (Trịnh Xuân Lai, 2011).
Với đặc trưng ô nhiễm nước thải dệt nhuộm thông thường chủ yếu ô nhiễm màu, COD và một
số kim loại nặng do đó phương pháp phổ biến sử dụng để loại bỏ ô nhiễm thường dùng trong
công nghệ cải thiện chất lượng nước là hóa lý, hóa học và sinh học.
2.1.2.

Một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm

Có nhiều kỹ thuật hóa lý, hóa học và sinh học được áp dụng để giảm độ màu trong nước
thải, hiện nay phương pháp chủ yếu để xử lý nước thải dệt nhuộm là phương pháp vật lý và
phương pháp hóa học (Ahmad et al., 2002). Các kỹ thuật hóa lý và hóa học thường dùng bao
gồm: màng lọc (Verma et al., 2012), hấp phụ, trao đổi ion, oxy hóa nâng cao (Al-Kdasi et al.,
2004; Rachakornkij et al., 2004). Trong khi các kỹ thuật sinh học được sử dụng như dùng nấm,
vi khuẩn để phân hủy trong điều kiện hiếu khí, yếm khí hoặc kết hợp hai q trình xử lý yếm
khí và hiếu khí (Trịnh Lê Hùng, 2009).
a) Phương pháp hóa lý
Trong cải thiện chất lượng nước thải tùy vào thành phần tính chất nước thải mà có
phương pháp cải thiện khác nhau, phương pháp hóa lý thường được dùng phổ biến để xử lý
một số loại ô nhiễm vô cơ và hữu cơ cao, thường dùng là phương pháp lọc màng và hấp phụ
(Archna et al., 2012).
- Phương pháp lọc màng gồm các kỹ thuật thẩm thấu ngược, màng lọc nano, màng siêu
lọc, màng vi lọc. Lọc màng có thể tách hai hay nhiều thành phần (phân tử hữu cơ, ion vơ cơ có
hàm lượng cao) dựa vào kích thước phân tử. Theo kết quả nghiên cứu của Wu et al. (1998) khí
kết hợp lọc màng với q trình ozon hóa trong xử lý nước thải dệt nhuộm chứa màu nhuộm
hoạt tính, muối NaCl và kim lo ại Cu2+, kết quả cho thấy loại bỏ được 99% màu và ion Cu2+.
- Về giải pháp hấp phụ, tác nhân keo tụ sẽ hình thành bơng cặn với màu nhuộm nhờ lực
hút Van der Waals, liên kết hydro, tương tác lưỡng cực - lưỡng cực hoặc sự phân cực giữa chất
hấp phụ và chất bị hấp phụ. Hấp phụ là hiện tượng chỉ xảy ra trên bề mặt của các chất mà
khơng có bất kỳ phản ứng hóa học nào nên lực hấp phụ yếu và xảy ra thuận nghịch (Grande et
al., 2015). Theo kết quả nghiên cứu của Jain et al., (2010) cho thấy khi tăng lượng chất hấp


phụ cacbon hoạt tính từ 0,1 - 0,5 g/L hiệu quả loại màu tăng và giảm dần khi tăng từ 0,5 - 0,6
g/L. Kết quả cũng cho thấy khi tăng nồng độ màu đầu vào thì hiệu suất loại màu tăng từ 82,60 94,41%.
b) Phương pháp hóa học

Phương pháp hóa học bao gồm keo tụ hoặc tạo bông kết hợp với tuyển nổi và lọc, kết tủa
hóa học, tuyển nổi điện hóa, oxi hóa (oxi hóa fenton, ozon hóa nâng cao, quang hóa học...).
Trong đó ozon hóa là kỹ thuật cho hiệu quả loại bỏ màu nhuộm hoạt tính tốt nhất. Với hiệu suất
loại màu từ 98 - 99% (Archna et al., 2012).
Kết quả nghiên cứu của Mehmet Kobya et al. (2014) cho thấy phương pháp điện phân
dung dịch với điện cực bằng sắt cho cải thiện COD tốt hơn điện cực bằng nhôm. Kết quả
nghiên cứu của Agustina & Ang (2012) cho thấy khi sử dụng phương pháp oxy hóa nâng cao
fenton hiệu quả cải thiện chất lượng màu đạt 99,8% ở pH = 3 trong thời gian phản ứng 60 phút.
Ngồi ra cịn nhiều tác giả nghiên cứu cải thiện độ màu bằng phương pháp oxy hóa như
Arizbeth Pérez et al. (2013); Hinda Lachheb et al. (2002) sử dụng quang xúc tác TiO2/UV để
xử lý màu nước thải nhà máy dệt nhuộm cho hiệu quả cải thiện tốt.
Theo kết quả nghiên cứu của Bell et al. (2000) xử lý và loại màu nước thải dệt nhuộm sử
dụng công nghệ phản ứng kỵ khí dạng vách ngăn, kết quả cho thấy hiệu suất loại bỏ COD đạt
60% và hiệu suất loại màu đạt 95%.
Trong kỹ thuật keo tụ - tạo bông, các chất keo tụ thường được sử dụng là phèn nhôm,
phèn sắt, PAC và anion (Polymer anion) để tạo bông với các chất ô nhiễm và tách ra khỏi nước
thải. Phèn và PAC đều loại màu tốt, tuy nhiên chất keo tụ này sản sinh ra một khối lượng lớn
bùn thải, rất khó xử lý (bùn thải nguy hại) và làm tăng chi phí xử lý chung cho nhà máy. Việc
thêm hóa chất hóa học vào nước để keo tụ dễ gây độc cho động vật thủy sinh nguồn tiếp nhận
và gây ung thư cho con người về lâu dài sử dụng nguồn thủy sinh này (Perng et al., 2015;
Vijayaraghavan et al., 2011). Kết quả nghiên cứu của Yuan Yu-li et al. (2006) cho thấy vật liệu
kết hợp PSAFC (clorua polysilicat nhôm sắt) và PFC kết hợp (clorua polyferric) cho hiệu quả
cải thiện COD của nước thải dệt nhuộm. Kết quả nghiên cứu của Gordana Bogoeva-Gaceva et
al. (2008) cho thấy hiệu quả của PAC cải thiện chất lượng nước thải dệt nhuộm tốt hơn phèn
nhôm tương ứng là 100% cho PAC và 80% cho phèn nhơm. Ngồi ra kết quả nghiên cứu của
Gohary và Tawfik (2009) cho thấy hiệu quả cải thiện độ màu đạt 100% khi sử dụng chất keo tụ
phèn nhôm Al2(SO4)3 kết hợp với vôi (CaO) cũng như MgCl2 kết hợp với vôi khi tiến hành thí
nghiệm keo tụ nhiều bậc (SBR), nhưng hiệu suất cải thiện COD chỉ đạt tương ứng 50% và
40%.
c) Phương pháp sinh học

Phương pháp cải thiện chất lượng nước sử dụng phương pháp hóa lý hay hóa học một
mặt cho hiệu quả cải thiện chất lượng môi trường mặt khác dư lượng của chúng khó kiểm sốt
khi vào nguồn tiếp nhận. Những vật liệu có tính sinh học dùng để cải thiện chất lượng nước đã


được một số tác giả nghiên cứu như kết quả nghiên cứu của Perng et al. (2014); Hanif (2008)
sử dụng vật liệu ly trích từ hạt từ một số cây thực vật làm chất keo tụ nước.
Một số nghiên cứu đã chứng minh phương pháp sinh học thân thiện với mơi trường vì
phương pháp này tạo ra lượng bùn ít hơn so với phương pháp vật lý và hóa học, đồng thời có
hiệu quả kinh tế vì chi phí vận hành thấp (Grande et al., 2015). Trong phương pháp sinh học,
kỹ thuật thường được sử dụng để loại màu gồm hấp phụ sinh học, phân hủy bằng enzym hoặc
kết hợp hấp phụ và phân hủy màu bằng enzym, phân hủy các thành phần trong nước thải bằng
vi khuẩn (vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn kị khí) thành CO 2 và nước. Hấp phụ sinh học là công
nghệ được sử dụng để loại màu nhuộm ra khỏi nước thải nhờ sinh khối từ thực vật, kỹ thuật
này thường chọn lọc hơn so với nhựa trao đổi ion và cacbon hoạt tính. Các sinh khối như tảo,
nấm men, nấm sợi và vi khuẩn thường được sử dụng để loại bỏ màu. Sinh khối có thể hấp thụ
màu nhờ cấu trúc trên thành tế bào: các nhóm chức như amino, carboxyl, phosphat và các
nhóm tích điện khác) tạo ra lực hút với các nhóm chức trong thuốc nhuộm như (-N=N-) và (SO3). Sinh khối vi sinh sống được sử dụng để loại bỏ thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính
và thuốc nhuộm trực tiếp. Hơn nữa, chúng có khả năng loại bỏ các ion kim loại như Cu 2+ và
Cr2+ có mặt trong thuốc nhuộm). Sinh khối chết cũng được sử dụng như chất hấp thụ sinh học:
chúng không cần chất dinh dưỡng, có thể lưu giữ và sử dụng trong thời gian dài và có thể được
tái tạo bằng dung mơi hữu cơ (Grande et al., 2015). Theo kết quả nghiên cứu của Fernandes et
al. (2007) cho thấy hiệu suất loại màu methyl blue của than bùn đạt cao nhất ở 99,6% và hiệu
suất giảm từ khoảng 99% đến 40% khi tăng dần nồng độ màu đầu vào từ 200 mg/L đến 1500
mg/L.


2.1.3.

Một số nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm

Sục Kh
í

Hóa Chất

Hình 2.1: Hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm sử dụng hiện nay
Hiện nay có nhiều nghiên cứu trong và ngồi nước đã tiến hành ly trích vật liệu keo tụ có
nguồn gốc sinh học từ hạt cây Chùm ngây, Ơ mơi, Thảo quyết minh (T- Nkurunziz et al., 2009;
Pal et al., 2014; Lea et al., 2014; Malavika, 2010; Eman et al., 2010; Shak et al., 2014;
Subramonian et al., 2014...). Phương pháp ly trích được sử dụng chủ yếu là ly trích hạt bằng
phương pháp hịa tan và kết tủa trong dung mơi hữu cơ. Quy trình ly trích gum MHY được
thực hiện bằng phương pháp hịa tan trong nước cất và kết tủa lại gum trong axeton, sản phẩm
sau ly trích được ứng dụng trong xử lý nước.
Yuan Shing Perng et al. (2014) đã nghiên cứu khả năng khử màu của Biogum đối với
nước thải dệt nhuộm áp dụng cho hai phẩm nhuộm hoạt tính RB5 và RB19. Kết quả chỉ ra rằng
điều kiện pH và lượng chất keo tụ có vai trị quan trọng trong q trình lắng và việc sử dụng
Biogum kết hợp với PAC có thể là một phương pháp hiệu quả trong việc xử lý nước thải màu
nhuộm.
Hanif et al. (2008) cũng đã nghiên cứu chi tiết về khả năng của Biogum trong xử lý nước
thải ngành công nghiệp dệt sợi. Kết quả chỉ ra rằng hiệu quả xử lý nước thải bằng Biogum


MHY phụ thuộc vào lượng chất keo tụ cũng như pH của nước thải. Lượng tối ưu để xử lý nước
tốt nhất là 1500 mg/L.
Kết quả nghiên cứu Rachakornkij et al. (2004) cho thấy chất keo tụ từ tro của bã mía có
khả năng loại bỏ được 5 - 98% màu nhuộm hoạt tính, kết quả đạt được cao nhất khi tiến hành
với nồng độ đầu vào của nước thải là 50 mg/L và ở pH ban đầu của mẫu nước thải.
Trong khi đó kết quả nghiên cứu của Maruthi et al. (2013) cho thấy sự hấp thụ sinh học
ion kim loại Fe2+ bằng bột hạt Nirmali cho hiệu quả loại bỏ được 30% ion Fe 2+. Theo kết quả

nghiên cứu của Harpreet et al. (2015) các chất thải nông nghiệp gồm rơm, mùn cưa, lõi bắp
được sử dụng như chất hấp phụ màu nhuộm, hiệu suất loại bỏ màu nhuộm đạt được từ 70 75%.
Khả năng khử màu từ nước dệt nhuộm nhân tạo của Biogum đã được nghiên cứu bởi
nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước. Kết quả đã chỉ ra hướng ứng dụng chất keo tụ và trợ
keo tụ có nguồn gốc sinh học thân thiện môi trường trong cải thiện chất lượng môi trường nước
và nước thải.
2.2. Tổng quan về nước thải xi mạ và các phương pháp xử lý
Hiện nay, mơi trường nước có ba loại ô nhiễm chủ yếu là ô nhiễm kim loại nặng, ô nhiễm
màu và ô nhiễm hữu cơ (Amaral et al., 2014; Tran N. H. et al., 2015). Nước thải chưa xử lý
thải ra từ những nhà máy này chứa các chất ô nhiễm độc hại sẽ gây ô nhiễm đến nguồn tiếp
nhận như đất, nước và gián tiếp ảnh hưởng đến chất lượng khơng khí xung quanh, làm thay đổi
tính chất vật lý - hóa học - sinh học của môi trường nước cũng như đất theo chiều hướng ngày
càng xấu. Yêu cầu đặt ra cho các nhà khoa học và quản lý là tìm giải pháp để cải thiện chất
lượng môi trường tiếp nhận trong thời gian tới (Patel et al., 2015).
Có nhiều phương pháp hóa học, sinh học, hóa lý được sử dụng để cải thiện chất lượng
nước thải công nghiệp bao gồm keo tụ, hấp phụ, lọc cát, kết tủa hóa học, ozon hóa, phân hủy
bằng vi khuẩn kị khí, hiếu khí, tách màng, điện hóa, lọc, tuyển nổi, xúc tác peroxit (Unlu et al.,
2009; Buscio et al., 2015; Rachakornkij et al., 2004). Do mỗi loại nước thải có thành phần và
tính chất khác nhau, tùy vào từng đặt tính nước thải mà có giải pháp xử lý phù hợp.
Tùy loại chất ơ nhiễm có trong nước thải mà có phương pháp xử lý hiệu quả. Thông
thường, nước thải xi mạ được xử lý bằng quy trình hóa học bởi vì các chất ơ nhiễm khơng chỉ
chống lại quy trình xử lý sinh học mà cịn gây độc tính đến sinh vật. Một số phương pháp đặc
trưng xử lý nước thải bao gồm trung hòa bằng axit hoặc bazơ, kết tủa hydroxit hoặc sunfit các
ion kim loại nặng, trao đổi ion, bay hơi... (CSU, 1986).
2.2.1.

Thành phần ô nhiễm trong nước thải xi mạ

Theo kết quả nghiên cứu của Trần Văn Nhân (2002) cho thấy nước thải xi mạ chứa các
muối vô cơ và hàm lượng kim loại nặng cao, tùy theo lớp mạ mà nguồn gây ơ nhiễm có thể là

đồng, kẽm hay các kim loại nặng khác. Theo kết quả nghiên cứu của Srisuwan et al. (2002) cho
thấy thành phần chủ yếu kim loại nặng trong nước thải xi mạ như sau:


Bảng 2.2: Các chỉ số ô nhiễm kim loại nặng của nước thải xi mạ
Đơn vị
pH

-

Niken (Ni)

mg/L

Kẽm (Zn)

mg/L

Đồng (Cu)

mg/L

QCVN 40 -2011/BTNMT Chỉ tiêu
Nước thải chưa xử lý-------------------------------------------------AB
1-8
6-9
5,5 - 9,0
96,1

0,2

0,5

8,7

3

3

1020

2

2
(Srisuwan et al., 2002)

Theo nghiên cứu của Mukesh Parmar & Lokendra Singh Thakur (2013), công nghiệp
mạ điện và gia công kim loại thải ra lượng lớn kim loại nặng, trong đó có ion kim loại đồng
(Cu2+), niken (Ni2+) và kẽm (Zn2+) và là vấn nạn lớn ảnh hưởng đến sức khỏe con người và đời
sống thủy sinh. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng kim loại đồng không thể phân hủy và có
thể gây ung thư cũng như bệnh Wilson. Bên cạnh tác hại của đồng, niken gây dị ứng da, dễ gây
tổn thương cho hệ hô hấp, hệ thần kinh cũng như màng nhầy tế bào. Kẽm gây rối loại tiêu hóa
và dẫn đến tiêu chảy khi vào cơ thể qua đường thức ăn.
Với thành phần ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải xi mạ, một số phương pháp cải
thiện chất lượng nước được đề xuất, phương pháp hóa lý, hóa học, phương pháp màng hay vật
liệu tự nhiên (Mukesh Parmar & Lokendra Singh Thakur, 2013).
2.2.2.

Các phương pháp xử lý nước thải xi mạ

Hiện nay có nhiều kỹ thuật khác nhau được sử dụng để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi
nước và nước thải bao gồm: trao đổi ion, hấp phụ, kết tủa hóa học, lọc màng, keo tụ kết bơng,
tuyển nổi và điện hóa. Điện hóa là phương pháp điện hóa học trong đó sử dụng dịng điện để
loại bỏ kim loại ra khỏi dung dịch, keo tụ điện hóa có hiệu quả trong loại bỏ chất rắn lơ lửng,
kim loại hòa tan, tannin và màu nhuộm. Phương pháp chủ yếu được sử dụng để xử lý ion kim
loại là kết tủa với NaOH và keo tụ với phèn nhơm hoặc phèn sắt, mặc dù có hiệu quả cao trong
loại bỏ kim loại nhưng các chất keo tụ hóa học lại gây ơ nhiễm thứ cấp đến nguồn nước sau xử
lý, trong khi đó phương pháp keo tụ điện hóa cho hiệu quả xử lý kim loại cao và khơng gây ơ
nhiễm thứ cấp nhưng lại có nhược điểm do chi phí điện cao dẫn đến chi phí vận hành cao.
a) Phương pháp hóa lý
Đối với phương pháp này, việc xử lý dựa vào thành phần lơ lửng ô nhiễm trong nước:
-

d > 10-4 mm: dùng phương pháp lắng lọc.

-

d < 10-4 mm: phải kết hợp phương pháp cơ học và hóa học.
Để thúc đẩy q trình lắng của các chất lơ lửng ở dạng hòa tan hoặc phân tán có thể sử

dụng PAC hoặc phèn để kết dính chúng thành các bơng cặn lớn hơn và loại ra khỏi bể lắng, đây
gọi là phương pháp keo tụ. Trường hợp nếu muốn đẩy nhanh tốc độ lắng vật liệu Polymer được
sử dụng sau khi cho phèn hoặc PAC (Lee, 2012).


b) Phương pháp kết tủa hóa học
Kết tủa hóa học là phương pháp hiệu quả và được sử dụng phổ biến để loại bỏ ion kim
loại vì quá trình vận hành tương đối đơn giản và ít tốn kém. Trong q trình kết tủa, chất hóa
học phản ứng với với ion kim loại để hình thành chất rắn khơng tan. Chất rắn này được tách
khỏi nước bằng cách lắng hoặc lọc. Hai phương pháp kết tủa truyền thống là kết tủa hydroxit

và kết tủa sunfit (Fu et al., 2011).
Kết tủa hydroxit là kỹ thuật kết tủa hóa học được sử dụng phổ biến nhất vì thực hiện đơn
giản, chi phí thấp và dễ kiểm sốt. Thơng thường ở pH > 7 các ion kẽm, niken tạo ra các bông
cặn hydroxit không tan Zn(OH)2, Ni(OH)2, Cu(OH)2 và dễ dàng tách ra khỏi nước thải (Trần
Văn Nhân và ctv., 2002; Hase, 2017). Nguyên lý chính của phương pháp này dựa trên tính chất
hình thành kết tủa hydroxit kim loại nặng khi cho các bazơ (Ca(OH) 2, NaOH) vào nước thải xi
mạ. Phản ứng xảy ra như sau:
Ni2+ + 2OH-

Ni(OH)2

Cu2+ + 2OH-

Cu(OH)2

Zn2+ + 2OH-

Zn(OH)2

Kết tủa được cho qua bể lắng, tách ra, làm khô và tái sử dụng hoặc bỏ đi. Nước thải sau
khi loại bỏ kim loại nặng còn chứa các muối vơ cơ như Na2SO4, NaCl và đưa ra ngồi.
Kết tủa sunfit cũng là một kỹ thuật hiệu quả để loại bỏ ion kim loại nặng ra khỏi nước
thải. Ưu điểm của phương pháp này là độ tan của kết tủa sunfit thấp hơn nhiều so với kết tủa
hydroxit và kết tủa sunfit khơng phải chất lưỡng tính do đó có thể loại bỏ ion kim loại ở pH
rộng hơn so với kết tủa hydroxit. Sử dụng sắt sunfit để loại bỏ các
ion kim loại nặng, cơ chế xảy ra như sau:
FeS + 2H-

H2S + Fe2+

M2+ + H2S^ MS + 2H+

xảy ra ở pH thấp
xảy ra ở pH cao

Kết tủa hydroxit có nhược điểm khơng an tồn vì các ion kim loại thường cho môi
trường axit và kết tủa sunfit trong mơi trường axit lại giải phóng chất độc H2S.
Để tăng hiệu quả xử lý, kết tủa hóa học thường kết hợp với các phương pháp khác.
Kết quả nghiên cứu của Ghosh et al. (2011) cho thấy khi kết hợp phương pháp kết tủa hóa
học với q trình fenton cho hiệu suất loại COD đạt 88% và loại ion Zn 2+ đạt 99 - 99,3%.
Kết quả nghiên cứu của Papadopoulos et al. (2004) cho thấy khi sử dụng một phương pháp
trao đổi ion hiệu suất loại bỏ ion Ni 2+ đạt 74,8% nhưng khi kết hợp trao đổi ion với kết tủa
hóa học hiệu suất loại Ni 2+ đạt 98,3%. Do đó cần tạo kết tủa sunfit trong mơi trường trung
tính hoặc bazơ.
c) Phương pháp hấp phụ
Loại bỏ ion kim loại nặng bằng phương pháp hấp phụ là phương pháp hiệu quả và có
lợi về kinh tế. Hấp phụ là quá trình xảy ra thuận nghịch nên các chất hấp phụ có thể tái sử


dụng bằng quy trình giải hấp phụ phù hợp (Fu et al., 2011).
Theo kết quả nghiên cứu của Ashutosh Tripathi & Manju Rawat Ranjan, (2015) cho
rằng các phương pháp truyền thống bao gồm kết tủa hóa học, q trình oxy hóa hóa học,
trao đổi lon... thường có chi phí vận hành và phát sinh chất ô nhiễm thứ cấp độc hại do đó
phương pháp hấp phụ sinh học sử dụng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên được nghiên như
zeolit, đất sét, than bùn và chitin, vỏ cà phê, bột củ cải đường để loại bỏ các ion kim loại
nặng Cu2+, Ni2+, Zn2+... ngày càng được quan tâm.
Kết quả nghiên cứu của Wan Ngah & Hanafiah (2007) cho thấy chất hấp phụ
xenlulozơ từ thực vật vỏ trấu, hạt tiêu, mùn cưa, bã mía, rác thải trái cây, cỏ dại có tiềm
năng ứng dụng trong cải thiện các ion kim loại nặng Cu 2+, Zn2+ và Ni2+ ra khỏi nước thải xi
mạ. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy vật liệu có nguồn gốc sinh học vừa thân thiện mơi

trường vừa tiết kiệm chi phí là giải pháp mới trong cải thiện chất lượng nước thải ngành
công nghiệp xi mạ.
d) Phương pháp sinh học
Phương pháp sinh học là phương pháp loại bỏ ion kim loại nặng ra khỏi nước thải
bằng cách sử dụng chất hấp phụ sinh học. Có ba loại chất hấp phụ sinh học điển hình gồm:
sinh khối chết từ thực vật và động vật (vỏ cây, gỗ, vỏ tôm, nhuyễn thể, mực, vỏ cua, vỏ hạt,
vỏ trứng, bã trấu); sinh khối tảo, sinh khối vi sinh vật (vi khuẩn, nấm, men) (Fu et al.,
2011).


Đã có những nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng trong nước thải bằng tảo với hiệuquả
xử lý cao. Đã có nhiều nghiên cứu bằng tảo cho kết quả cao, trên 80% đối với ion kim loại
Cd2+, Cu2+, Ni2+... (Kaewsarn et al, 2001; Yu et al., 2000; Omar, 2008). Kết quả nghiên cứu về
nấm Saccharomyces cerevisine (S.C) cho thấy khả năng hấp thu Cu2+, Pb2+ và Zn2+ của loại
nấm này tăng khi nồng độ ban đầu của kim loại cao. Nếu nồng độ ban đầu của Cu 2+ là 250
mg/L thì sau 48 giờ, nấm S.C có thể hấp thu được 63% nhưng nếu nồng độ ban đầu là 50 mg/L
thì khả năng hấp thu Cu2+ chỉ đạt 25% trong khi Zn 2+ chỉ đạt 21% (Nguyễn Thị Hà và ctv.,
2007).
2.2.3. Một số nghiên cứu xử lý nước thải xi mạ
Theo kết quả nghiên cứu của Salehzadeh (2013), vật liệu hấp phụ từ tự nhiên
Xanthium Pensylvanicum có hiệu quả trong việc loại bỏ các ion kim loại nặng ra khỏi nước
thải, hiệu quả loại bỏ ion kim loại phụ thuộc vào pH của dung dịch và nồng độ nước thải
đầu vào, ở pH = 4 và nồng độ đầu vào 10 mg/L, hiệu suất loại bỏ các ion kim loại Ni 2+,
Cu2+, Zn2+ đạt được tương ứng là 80%, 70% và 20%.

Máy
nén khí O-'
Hóa Chất
Keo Tụ

Hình 2.2: Hệ thống xử lý nước thải xi mạ hiện nay
Theo kết quả nghiên cứu của Annadurai et al. (2002) vật liệu hấp phụ từ vỏ cam và vỏ chuối có
khả năng hấp phụ các ion kim loại (Ni2+, Cu2+, Zn2+) và khả năng hấp


phụ giảm theo thứ tự sau: Ni2+ > Zn2+ > Cu2+. Kết quả nghiên cứu cho thấy vỏ cam cho hiệu quả
hấp phụ kim loại nặng đạt hiệu quả hấp phụ 6,01 mg/g (Ni2+); 5,25 mg/g (Zn2+); 3,65 mg/g
(Cu2+) cao hơn vỏ chuối 6,88 mg/g (Ni2+); 5,80 mg/g (Zn2+); 4,75 mg/g (Cu2+).
Kết quả nghiên cứu của Liu et al. (2016) cho thấy nanocomposite xanthat Fe3O4chitosan gắn trên nền graphen oxit có khả năng hấp phụ ion Cu2+ cao nhất tại pH ban đầu của
mẫu nước thải với dung lượng hấp phụ đạt 442,48 mg/g. Khả năng hấp phụ ion Cu 2+ của
xanthat Fe3O4-chitosan gắn trên nền graphen oxit là do hai nhân tố - nhân tố thứ nhất là số
lượng lớn các nhóm chức (-COO -, -NH2, -CS2-) trên bề mặt phân tử nanocomposite tạo ra nhiều
vị trí hấp thụ, nhân tố thứ hai là số lượng lớn các nhôm chức (-COO -, -NH2) trên chitosan giúp
nanocomposit dễ dàng hút nước và phân tán trong dung dịch. Xanthat Fe 3O4-chitosan gắn trên
nền graphen oxit được coi là chất hấp phụ Cu 2+ hiệu quả và tương đối thân thiện với môi
trường, dễ phục hồi, thuận tiện để sử dụng trong thực tế.
Đỗ Thị Hoài Thanh và ctv. (2011) đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bột gỗ và nhựa PP
(Polypropylen) đến tính chất Composite gỗ nhựa, các kết quả nghiên cứu là cơ sở xây dựng
quy trình cơng nghệ và lựa chọn được tỷ lệ gỗ/nhựa phù hợp cho quá trình tạo vật liệu này,
đồng thời đã mở ra các định hướng mới cho nghiên cứu tiếp theo về Composite.
Kết quả nghiên cứu của Shaoping Tong et al. (2010) cho thấy chất xúc tác Fe 3O4CoO/Al2O3 cho phép cải thiện đáng kể hiệu quả ozon hóa trong q trình phân hủy các hợp
chất hữu cơ như axit propionic, nitrobenzen và axit oxalic có trong nước thải.
Nghiên cứu của Thitame et al. (2016) cũng cho kết quả cải thiện màu nhuộm từ than hoạt
tính được chế tạo từ vỏ hạt hạnh nhân và xơ dừa.
Ngoài ra vật liệu lọc màng cũng được Unlu et al. (2009) nghiên cứu, kết quả cho thấy
màng lọc nano (NF) và màng lọc micro (MF) cải thiện độ màu đạt 99% và COD đạt được 97%.
Mặc dù Biogum thể hiện khá tốt hiệu quả xử lý nước thải cơng nghiệp nhưng có nhược
điểm là khơng thể thu hồi và tái sử dụng. Ngày nay, khoa học ngày càng phát triển do đó nhu
cầu tìm ra một loại vật liệu sinh học thân thiện với môi trường vừa có khả năng xử lý hiệu quả
vừa có thể thu hồi tái sử dụng rất cần thiết và thiết thực.

2.3.

Tổng quan về vật liệu keo tụ

2.3.1.

Bản chất của các hạt keo trong nước

Hạt keo là các hạt có kích thước rất nhỏ biến thiên từ 0,001
Lim đến 10 Lim. Tỉ lệ giữa khối lượng và diện tích bề mặt hạt
keo rất nhỏ nên tác động của diện tích bề mặt chiếm ưu thế hơn
so với tác động của trọng lực. Mặc khác, do diện tích bề mặt
lớn và 15


có mang điện tích nên hạt keo có khuynh hướng hấp thụ ion vào mơi trường xung quanh nó.
Một yếu tố quan trọng tạo nên tính ổn định của hạt keo là sự hiện diện của điện tích bề mặt.
Tùy theo thành phần hóa học của nước thải và các hạt keo mà điện tích bề mặt được hình thành
bằng nhiều cách khác nhau (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014).
Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) cho rằng tùy thuộc vào nguồn gốc xuất xứ, thông thường
các hạt cặn trong nước đều có thể mang điện tích âm hoặc dương. Khi thế cân bằng điện động
của nước bị phá vỡ, các thành phần mang điện tích sẽ kết dính với nhau nhờ lực liên kết phân
tử và lực điện từ, tạo thành một tổ hợp các nguyên tử, phân tử hoặc các ion tự do, các tổ hợp
tạo thành được gọi là hạt keo.
Theo Trịnh Xuân Lai và Nguyễn Trọng Dương (2005) các hạt keo tụ trong nước có thể là
keo kỵ nước hoặc keo háo nước. Keo kỵ nước là loại keo không hút và chứa nước, dễ dàng mất
tính ổn định khi tiếp xúc với các ion mang điện tích của các chất điện ly hịa tan trong nước.
Keo kỵ nước đóng vai trị chủ yếu trong công nghệ xử lý nước và nước thải. Ngược lại keo háo
nước luôn ngậm nước, làm chậm và giảm tác dụng của chất keo tụ, thường phải áp dụng cách
xử lý đặc biệt mới đạt được hiệu quả như mong muốn. Keo kỵ nước hình thành sau quá trình

thủy phân các chất xúc tác như phèn nhôm, phèn sắt. Các phân tử mới được hình thành liên kết
với nhau thành một khối đồng nhất. Nhờ có điện tích bề mặt lớn, các khối này có khả năng hấp
phụ chọn lọc một loại ion có tính chất và kích thước giống hoặc gần giống với một trong các
ion trong khối, tạo thành lớp vỏ bọc ion. Bề mặt nhân keo mang điện tích lớp ion gắn chặt trên
nó, có khả năng hút một số ion tự do mang điện tích trái dấu để bù lại một phần điện tích (hai
lớp điện tích trái dấu được gọi là lớp điện tích kép của hạt keo).
Tuy nhiên, lớp ion ngoài cùng do lực liên kết yếu nên thơng thường khơng có đủ điện
tích để trung hịa với lớp điện tích bên trong (chúng bị hút bám một cách lỏng lẻo và dễ dàng bị
trượt ra). Để cân bằng điện tích trong mơi trường, hạt keo lại thu hút quanh mình một số ion
trái dấu ở trạng thái khuếch tán. Do chuyển động Brown, lớp ion khuếch tán không chuyển
động đồng thời với hạt keo, bởi vì lực liên kết khơng bền vững. Do đó, hạt keo trong nước ln
là hạt keo mang điện tích (Trịnh Xn Lai, 2005).
2.3.2.

Cơ chế của q trình keo tụ

Kết quả nghiên cứu của Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga (2006) cho thấy trong quá trình
keo tụ tạo bơng diễn ra q trình phá vỡ ổn định trạng thái keo của các hạt nhờ trung hịa điện
tích. Hiệu quả keo tụ phụ thuộc vào hóa trị của ion, chất keo tụ mang điện tích trái dấu với điện
tích của hạt. Hóa trị càng lớn thì hiệu quả keo tụ càng cao.
Thực chất cơ chế làm mất ổn định và trung hịa điện tích bề mặt của các hạt keo là do các
hoạt chất trung gian tạo ra trong quá trình thủy phân của các chất keo tụ. Theo Lê Hồng Việt
và Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) trích dẫn từ tài liệu của Wang et al. (2005) cho thấy q trình
làm mất ổn định của các hạt keo có thể diễn ra theo 4 cơ chế chính:
Làm giảm độ dày 2 lớp điện tích của hạt keo: khi cho chất điện phân với nồng độ cao
20


vào trong nước thải nó sẽ phân ly tạo thành các ion. Các ion trái dấu sẽ len lỏi vào trong khu
vực các ion làm phân tán và điện tích ở khu vực này bị giảm đi hay thậm chí là bị mất hẳn, do

đó các hạt keo bị mất lực đẩy và có thể tiến gần nhau, kết lại với nhau để hình thành các bơng
cặn.
Hấp phụ và trung hịa điện tích bề mặt của hạt keo: các ion dương trái dấu bị hấp phụ
bởi các hạt keo mang điện tích âm. Điện tích của hạt keo sẽ bị trung hịa, lực đẩy tĩnh điện của
nó sẽ giảm hoặc mất hẳn, phá vỡ trạng thái bền vững của hạt keo. Tuy nhiên khi sử dụng ở liều
lượng vượt mức cần thiết nó có thể đảo điện tích bề mặt của các hạt keo và các hạt keo trở về
trạng thái ổn định.
Kết dính các hạt keo và các chất kết tủa: khi cho chất keo tụ vào trong nước thải sẽ tạo
thành các chất có độ hịa tan kém, độ nhờn cao và tỉ trọng hơi lớn hơn nước. Các chất này sẽ
lắng chậm xuống, trên đường đi nó sẽ kết dính các hạt keo và đưa các hạt keo này lắng xuống.
Hấp phụ và tạo cầu nối giữa các hạt keo: các chất cao phân tử (Polymer) với cấu trúc
mạch dài và các nhóm chức có khả năng giữ các hạt keo lại sẽ tạo ra các cầu nối liên kết các
hạt keo lại với nhau, làm mất tính ổn định của hạt keo. Khi sử dụng Polymer quá liều có thể
dẫn đến việc các hạt keo trở lại trạng thái ổn định.
2.3.3.

Các phương pháp keo tụ

Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) trong công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp
keo tụ, người ta thường sử dụng các phương pháp sau:
a) Keo tụ bằng các chất điện ly đơn giản
Bản chất của phương pháp này là cho vào nước các chất điện ly ở dạng ion đơn giản
ngược dấu. Khi nồng độ các ion ngược dấu tăng lên thì sẽ có nhiều ion được chuyển từ lớp
khuếch tán vào lớp điện tích kép, dẫn đến làm giảm điện thế zeta, đồng thời lực đẩy tĩnh điện
cũng giảm.
Nhờ chuyển động Brown, các hạt keo có điện tích nhỏ khi va chạm dễ kết dính bằng lực
hút phân tử Van der Wall tạo thành các bông cặn lớn hơn. Khi kích thước của bơng cặn đạt đến
1 Lim thì chuyển động Brown hết tác dụng. Nếu muốn tăng thêm kích thước của bơng cặn thì
cần phải khuấy trộn để các bơng cặn xích lại gần nhau hơn.
b) Keo tụ bằng hệ keo ngược dấu

Trong quá trình này người ta sử dụng muối nhơm hoặc sắt hóa trị 3 (cịn gọi là phèn
nhôm hoặc phèn sắt) để làm chất keo tụ. Các muối này được đưa vào nước ở dạng dung dịch
hòa tan, trong dung dịch chúng phân ly thành các cation và anion theo phản ứng sau:
Al2(SO4)3
FeCl3

2Al3+ + 3SO42Fe3+ + 3Cl-

Nhờ hóa trị cao của các ion kim loại, chúng có khả năng ngậm nước tạo thành phức chất
Me(H2O)63+ (Me3+ có thể là Al3+ hoặc Fe3+). Tùy thuộc vào pH và các điều kiện của quá trình,
21


các hydroxit nhôm hoặc sắt được tạo thành khác nhau, song chúng đều là những hợp chất mang
điện dương và có hoạt tính tạo bơng keo tụ cao nhờ hoạt tính bề mặt lớn. Các bơng keo này khi
lắng xuống sẽ hấp thụ, cuốn theo các hạt keo, cặn bẩn chất hữu cơ, chất mang mùi vị... tồn tại ở
trạng thái hòa tan hoặc lơ lửng trong nước.
2.3.4.

Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình keo tụ và tạo bơng cặn

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến q trình keo tụ và tạo bơng cặn. Lê Hồng Việt và
Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) trích dẫn tài liệu của Wang et al. (2005) các yếu tố sau:
a) Mật độ hạt keo
Mật độ các hạt keo ảnh hưởng đến liều lượng và hiệu quả keo tụ. Mật độ hạt keo cao kéo
theo liều lượng chất keo tụ cần sử dụng cao. Tuy nhiên ở mật độ hạt keo thấp, tốc độ keo tụ sẽ
diễn ra rất chậm do bị hạn chế cơ hội tiếp xúc với nhau. Trong trường hợp này không nên tăng
liều lượng chất keo tụ mà nên thêm chất trợ keo tụ hoặc hoàn lưu bùn về cho bể keo tụ.
b) Liều lượng chất keo tụ
Ảnh hưởng của liều lượng phèn nhơm và phèn sắt sử dụng có thể chia ra làm 4 trường

hợp sau:
Trường hợp 1: liều lượng q thấp, khơng đủ để làm mất tính ổn định của hạt keo.
Trường hợp 2: liều lượng đủ để làm mất tính ổn định của hạt keo.
Trường hợp 3: liều lượng cao hơn mức cần thiết có thể làm tái ổn định của hạt keo.
Trường hợp 4: liều lượng vượt mức bão hòa, tạo thành các hydroxide kim loại kết tủa,
các kết tủa kết dính các hạt keo và đưa chúng ra khỏi nước thải.
c) Hiệu điện thế zeta (hiệu số điện năng giữa lớp cố định và lớp chuyển động)
Hiệu điện thế zeta càng lớn thì lực đẩy tĩnh điện của các hạt keo càng lớn và các hạt keo
càng ổn định.
d) Ái l ực của hạt keo với nước
Các hạt keo ưa nước có độ ổn định cao vì các chất keo tụ khó thay thế vị trí của các phân
tử nước trên bề mặt hạt keo. Độ ổn định của hạt keo ưa nước phụ thuộc vào ái lực của nó với
nước hơn là điện tích bề mặt. Theo một số ước tính để loại bỏ keo này cần phải có một liều
lượng keo tụ nhi ều gấp 10 - 20 lần liều lượng cần sử dụng cho các hạt keo kỵ nước.
e) Ion âm trong dung dịch
Khi sử dụng phèn nhôm hay phèn sắt ở liều lượng cao có thể dẫn đến việc tái ổn định của
các hạt keo. Tuy nhiên hiện tượng này có thể khơng xảy ra nếu trong nước thải có chứa nhiều
ion âm như sunfat, photphat. Người ta thấy rằng nếu nồng độ SO 42- trong nước lớn hơn 10 - 14
mg/L có thể ngăn hiện tượng tái ổn định của các hạt keo.
f) Ion dương trong dung dịch
Sự hiện diện của các ion dương Ca 2+, Mg2+ trong nước thải giúp việc keo tụ các hạt keo
có điện tích âm tốt hơn vì nó làm giảm điện tích âm và lực đẩy tĩnh điện các hạt keo.
22


g) Độ kiềm (alkalinity)
Các chất keo tụ như phèn nhôm, phèn sắt có thể tạo ra các sản phẩm Al(OH) 3, Fe(OH)3
tham gia vào quá trình keo tụ và tạo bơng, nước thải phải có chứa một hàm lượng alkalinity đủ
để phản ứng với lượng chất keo tụ cho vào. Trong trường hợp hàm lượng akalinity trong nước
thải thấp, người ta sử dụng vôi hay soda để bổ sung lượng akalinity cho nước thải giúp quá

trình keo tụ đạt hiệu quả cao hơn.
h) Nhiệt độ của nước và hàm lượng cặn
Wang et al. (2005) và Trịnh Xuân Lai (2004) cho rằng nhiệt độ của nước có ảnh hưởng
đến q trình keo tụ. Khi nhiệt độ của nước tăng thì liều lượng của phèn cần thiết để keo tụ
giảm, thời gian và cường độ khuấy trộn giảm theo. Hàm lượng, tính chất cặn cũng ảnh hưởng
đến quá trình keo tụ vì số va chạm giữa các hạt phụ thuộc vào nồng độ cịn hiệu quả va chạm
phụ thuộc vào tính chất phân tán, hoạt tính bề mặt của cặn và phèn. Khi hàm lượng cặn tăng
lên thì liều lượng phèn cần thiết để keo tụ tăng.
i) Điều kiện khuấy trộn và thời gian khuấy trộn
Theo(G)
thiết
Nguyễn
phải
tiến
Thị
Thu độ
hành
Thủy
trộn
(2006)
hóa
chất.
trong
Hiệu
q
quả
trình
của
keo
qtụ,

trình
cần
trộn
phụ
tốc
thuộc
vàvào
thời
cường
gian
khuấy
khuấy
trộn
trộn
(T).
biểu
Q
thị
trình
bằng
khuấy
gradient
trộn
vận
được
thực

23

hiện theo 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: trộn nhanh trong thời gian ngắn với mục đích khuếch tán nhanh hóa chất
keo tụ, phá vỡ trạng thái ổn định của hệ keo trong nước. Ở giai đoạn này giá trị gradient vận
tốc G thường từ 500 đến 1000 s-1, thời gian khuấy trộn T thông thường vào khoảng 30 giây đến
120 giây là có thể đạt hiệu quả.
Giai đoạn 2: khuấy trộn chậm với mục đích làm cho các phần tử kết bơng, phần tử gây
đục, gây màu cho nước có điều kiện tiếp xúc với nhau tốt hơn. Để tránh cho các bơng cặn lớn
hình thành khơng bị phá vỡ phải giảm dần cường độ khuấy trộn. Thông thường gradient vận
tốc trung bình khoảng 30 giây-1 đến 70 giây-1 và thời gian phản ứng từ 15 đến 45 phút.
j) pH
pH đóng vai trị quan trọng trong q trình keo tụ tạo bơng vì nó quyết định các loại sản
phẩm thủy phân. Khi chất keo tụ như muối nhôm hay muối sắt được thêm vào nước, các phản
ứng thủy phân xảy ra tạo thành nhiều sản phẩm thủy phân hòa tan. Tùy thuộc vào pH của dung
dịch mà các sản phẩm thủy phân này mang điện tích dương hay âm. Khi giá trị pH thấp (pH <
6) chúng sẽ mang điện tích dương và mang điện tích âm ở giá trị pH cao hơn. Các sản phẩm
thủy phân mang điện tích dương có thể bám vào bề mặt hạt keo và làm mất tính ổn định của
hạt keo. Cơ chế này được gọi là trung hịa điện tích.
Bảng 2.3: pH thích hợp cho hoạt động của các chất keo tụ
Hóa chất

pH thích hợp

Al2(SO)3

4,0 - 7,0

FeSO4
FeCl3
Fe2(SO4)3

> 8,5
4,0 - 6,5 và >
8,5

3,5 - 7,0 và >

9,0

(Wang et al., 2005 — Trích từ Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

2.4. Phương pháp chế tạo vật li ệu sinh học Biogum
Phương pháp chung để chiết tách polysaccarit từ thực vật là phương pháp hòa tan với các
kỹ thuật hòa tan trong nước cất hoặc hòa tan trong dung dịch nước muối 1% (NaCl, KCl...)
hoặc hòa tan trong dung dịch axit axetic 1% (Montakhab, 2010; Pawar, 2011; Nguyễn Kim Phi
Phụng, 2010). Sau khi hòa tan, Biogum được kết tủa lại trong dung môi etanol hoặc axeton.
Trong nghiên cứu này phương pháp hòa tan trong nước cất được sử dụng để ly trích Biogum chất thu được từ thực vật (Hanif, 2008).
Phương pháp ly trích bằng nước cất được sử dụng để chế tạo vật
liệu sinh học ứng dụng trong cải thiện chất lượng nước thải để
giảm chi phí sản xuất Biogum và 20


ngăn sự phá hủy cấu trúc Biogum trong môi trường axit.
Q trình ly trích Biogum hạt MHY được tiến hành như sau:
-

Chuẩn bị ngun liệu: Quả Muồng Hồng Yến chín già.

-

Xử lý nguyên liệu: Bóc tách hạt, xay, nghiền, rây bột qua lưới có kích thước lỗ 0,18

mm.

-

Loại màu và chất béo: Sử dụng phương pháp trích bằng hệ thống chiết Soxhlet với dung
mơi etanol.

-

Ly trích Biogum:

o Bột sau loại màu và béo được hòa tan trong nước cất, khuấy từ 1 giờ, để lắng 30 phút rồi
đem ly tâm và lọc.
o Dung dịch sau lọc được thêm axeton 90% (tỷ lệ 1:1), kết tủa xuất hiện, ly tâm thu lấy kết
tủa, đông khô. Biogum được nghiền nhỏ, trữ trong tủ lạnh và sử dụng như một chất keo
tụ trong xử lý nước.
Thành phần hóa học của mẫu Biogum được xác định bằng phương pháp phân tích phổ hấp
thụ hồng ngoại FT-IR, phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR.

25