Nghiên cứu xử lý màu nhuộm trong nước thải công nghiệp bằng vật liệu than biến tính điều chế từ vỏ trái macca

Luận án tiến sĩ Hóa học MỞ ĐẦU  Lí chọn đề tài: Ngày nay, với trình phát triển kinh tế q trình cơng nghiệp hóa phát triển mạnh mẽ Các ngành công nghiệp thải lượng lớn nước thải gây hại đến môi trường không xử lý Nguồn gây ô nhiễm quan tâm ô nhiễm từ ngành công nghiệp dệt nhuộm thải ao hồ, sông rạch … (Mukesh Doble et al., 2005; A K Verma et al., 2011 Himanshu Patel, 2015), gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái, động thực vật, gây hại cho sức khỏe người Thực tế giải pháp để xử lý nước ô nhiễm nước thải dệt nhuộm chứa loại phẩm màu thường ứng dụng kết hợp nhiều phương pháp vật lý, hóa lý, hóa học sinh học …về kĩ thuật khác Điển hình có các kĩ tḥt hóa lí keo tụ; hấp phụ màng lọc kĩ thuật sinh học; các kĩ thuật hóa học ozon hóa, oxy hóa tiên tiến Đã ứng nhiều vào thực tiễn có kết tốt với công nghệ, kỹ thuật phức tạp đầu tư giá thành lớn với chi phí cao vận hành khó khăn Ngày ứng dụng vật liệu sinh học xử lý ô nhiễm môi trường nước từ nguyên liệu thân thiện môi trường sống xu quan tâm đến cho kết khả quan giới Viêt Nam Nghiên cứu nguyên liệu thân thiện môi trường từ phế phẩm sinh học nông nghiệp, làm vật liệu xử lý nguồn ô nhiễm đối tượng ý nghiên cứu Việc xử lý nước ô nhiễm màu phẩm nhuộm công nghiệp ngun liệu có sẳn thân thiện mơi trường cần thiết để hạn chế chất thải rắn, làm giảm nguy ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái, sức khỏe người Vì đề tài: “Nghiên cứu xử lý màu nhuộm nước thải công nghiệp vật liệu than biến tính điều chế từ vỏ trái Macca” đã thực Nhằm nghiên cứu ứng dụng vật liệu thân thiện môi trường từ phế phẩm nông sản vỏ trái Macca để xử lý màu nhuộm Nghiên cứu đề xuất công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam Luận án tiến sĩ Hóa học xử lý nước thải nói riêng mơi trường nói chung cần thiết Tìm vật liệu thân thiện môi trường xử lý ô nhiễm xu ngày giới Việt Nam Kết đề tài bước đầu cho các cơng trình nghiên cứu áp dụng than hoạt tính thân thiện môi trường từ nguyên liệu xanh tự nhiên việc xử lý nước thải nhuộm, góp phần hồn thiện thêm sở lý thuyết cho chuyên ngành công nghệ môi trường Là công trình nghiên cứu hiệu xử lý than hoạt tính, than biến tính có nguồn gốc từ thiên nhiên (thực vật), độc, thân thiện với hệ sinh thái môi trường Than hoạt tính tận dụng từ nguồn thải nơng nghiệp giúp giảm lượng chất thải rắn mang lại lợi ích kinh tế Mục tiêu nghiên cứu * Mục tiêu chung - Điều chế than hoạt tính, biến tính hấp phụ màu nhuộm nước thải giả định tìm thông số tối ưu để ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm * Mục tiêu cụ thể - Điều chế vỏ hạt Macca thành than cốc, than hoạt tính, than biến tính vật liệu hấp phụ chất bẩn - Khảo sát xác định thông số tối ưu nhiệt độ nung, thời gian nung, tỉ lệ ngâm, thời gian lắc yếu tố ảnh hưởng pH, liều lượng than, thời gian hấp phụ, nồng độ dung dịch màu với nước màu nhuộm giả định - Khảo sát khả xử lý màu nhuộm nước giả định than biến tính điều chế với thơng số tối ưu * Đối tượng nghiên cứu - Than biến tính nước thải dệt nhuộm giả định * Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu thực nước thải dệt nhuộm giả định - Không gian nghiên cứu: Phòng thí nghiệm trường Đại học Thủ Dầu Một, Trường Đại học Việt Đức, Trường Đại học Bách Khoa-TP.Hồ Chí Minh -Thời gian nghiên cứu: tháng năm 2020 đến tháng 12 năm 2020 Luận án tiến sĩ Hóa học *Nội dung nghiên cứu - Nội dung 1: Điều chế than than biến tính từ vỏ hạt Macca - Thí nghiệm 1: Khảo sát nhiệt độ thời gian nung thích hợp than cốc hóa - Thí nghiệm 2: Khảo sát tỉ lệ ngâm K2CO3, nhiệt độ thời gian nung hoạt hóa thích hợp điều chế than hoạt tính - Thí Nghiệm 3: Khảo sát nồng độ hóa chất H2O2 thời gian ngâm lắc thích hợp điều chế than biến tính - Nội dung 2: Xác định cấu trúc vật liệu than điều chế Xác định cấu trúc vật lý (đo TEM, SEM, BET, XRD, Kính hiển vi điện tử…) Cấu trúc hóa học (phổ FT-IR ) - Nội dung 3: Xác định các thơng số vận hành phù hợp (tối ưu) - Thí Nghiệm 4: Khảo sát khả than hấp phụ màu nhuộm nước theo pH mơi trường - Thí Nghiệm 5: Khảo sát khả than hấp phụ màu nhuộm nước theo thời gian ngâm lắc - Thí nghiệm 6: Khảo sát khả than hấp phụ màu nhuộm nước theo lượng than cho vào - Thí nghiệm 7: Khảo sát khả than hấp phụ màu nhuộm nước theo nồng độ màu nhuộm Luận án tiến sĩ Hóa học CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước ngồi nước 1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi Ở nước giới đã quan tâm nhiều xử lý môi trường ô nhiễm, xử lý nước thải có màu nhuộm cơng nghiệp từ lâu, ứng dụng kết hợp nhiều phương pháp khoa học biện pháp tiên tiến khác để xử lý nước xả thải Theo nghiên cứu Jiangning Wu (1998) ứng dụng phương pháp phản ứng bậc cao Ozon kết hợp sinh học, theo nghiên cứu S Karcher et al (2002) đã loại bỏ thuốc nhuộm hoạt tính từ nước thải dệt nhuộm hấp thụ vào loại nhựa dễ tái sinh lọc cố định Đã hoạt động tốt nước thải ban đầu Còn báo cáo A Al-Kdasi et al (2004) nghiên cứu xử lý màu thuốc nhuộm nước thải quá trình oxy hóa nâng cao khác như: ozon hóa, hydro peroxide, xạ UV kết hợp chúng Theo khảo sát Nobuyuki (2008) đã sử dụng phương pháp Ơzơn hóa xử lý tốt màu thuốc nhuộm nước thải Nghiên cứu A Naimabadi et al (2009) áp dụng xử lý sinh học cho thuốc nhuộm, từ hiếu khí đến yếm khí đạt khống hóa hồn tồn thuốc nhuộm azo, có hiệu thân thiện với mơi trường Đã loại bỏ màu trung bình 89,5%, loại bỏ nhu cầu oxy hóa học 69% đạt cân bể phản ứng bùn hoạt tính cố định hiếu khí Với khảo sát A.K Verma et al (2012) sử dụng chất đông tụ thủy phân Polyaluminium clorua (PACl), Polyaluminium ferric clorua (PAFCl), Polyferpy sulphate (PFS) Polyferric clorua (PFCl) cho việc khử màu nước thải dệt may Theo nghiên cứu Y Zheng et al (2013) nghiên cứu dùng hệ thống màng lọc nano nước cho thấy tỷ lệ loại bỏ màu 99,3% giảm COD 91,5% Hơn nữa, làm nước cao 93% Với kết báo cáo V Buscio et al (2015) xử lý màu nhuộm màng lọc polyvinylidene difluoride đạt hiệu suất loại bỏ tới 99% màu sắc giảm 80% nhu cầu oxy hóa học (COD) Bên cạnh đó, theo báo cáo P.S Yuan and B.M Ha (2014) sử dụng Luận án tiến sĩ Hóa học phương pháp hệ thống điện hóa loại gần hồn tồn màu nhuộm với hiệu suất đạt 99 % pH=11, nồng độ màu 50 mg/L nồng độ muối Na2SO4 1200 mg/L khoảng thời gian phút Và theo nghiên cứu A.K Verma et al (2012) khuyến cáo đã nhấn mạnh khuyến khích nên sử dụng các chất keo tụ tự nhiên, thay khả thi, để xử lý nước thải dệt may vì tính chất thân thiện với môi trường chúng Đối với hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue (BM) có các chất hấp phụ chi phí thấp khác chẳng hạn rơm ngơ (Ge et al., 2016), bã mía (Said et al 2018), dăm gỗ (Jano s et al., 2009) … đã sử dụng Tuy nhiên, có nghiên cứu việc sử dụng chất thải từ dừa để hấp phụ Methylene Blue (MB) (Kavitha Namasivayam, 2007; Hameed et al., 2008 Tan et al., 2008) Các nghiên cứu cho thấy vỏ dừa, loại nông sản rẻ tiền dễ kiếm có sẵn, than hoạt tính sử dụng để loại bỏ Methylene Blue (MB) khỏi dung dịch thuốc nhuộm tốt, Theo nghiên cứu thực nghiệm V Vadivelan and K V Kumar (2005) thí nghiệm hàng loạt đã thực để hấp thụ màu Methylene Blue (MB) lên hạt trấu Khả hấp phụ đơn lớp vỏ trấu hấp phụ nầy tìm thấy 40,5833 mg/g nhiệt độ phòng 32oC Và theo báo cáo D Kavitha and C Namasivayam (2007) đã nghiên cứu than sơ dừa hoạt tính với thay đổi thông số, thấy khả hấp phụ Methylene Blue (MB) 5,87 mg/g với kích thước hạt 250-500 microm Còn pH=6,9 cho liều hấp phụ 100 mg/50 mL với thời gian cân 30 phút 60 phút nồng độ thuốc nhuộm tương ứng 10 mg/L 20 mg/L loại bỏ tối đa 97% Và pH cho liều hấp phụ 600 mg/50 mL thời gian cân 100 phút loại bỏ đến 100% nồng độ thuốc nhuộm 10 mg/L Và theo báo cáo B H Hameed and A A Ahmad (2009) đã nghiên cứu cho kết vỏ tỏi chất hấp phụ tốn để loại bỏ thuốc nhuộm Methylene Blue (MB) Khả hấp phụ đơn lớp tối đa tìm thấy Luận án tiến sĩ Hóa học 82,64, 123,45 142,86 mg/g với nồng độ ban đầu 25-200 mg/L, pH.4-12 nhiệt độ 303, 313 323 K Còn theo kết nghiên cứu M T Uddin et al (2009) chất thải bả trà hấp phụ loại bỏ Methylene Blue (MB) khỏi dung dịch nước Cân hấp phụ đạt 85,16 mg/g với nồng độ 20-50 mg/L, cao nhiều lần so với khả hấp phụ số chất hấp phụ tiềm khác nghiên cứu gần Thêm nữa, theo báo cáo M Baysal et al (2018) nghiên cứu sản xuất than hoạt tính mật độ thấp có độ xốp cao từ Hướng dương (SP), chất thải nơng nghiệp, hoạt hóa hóa học với KOH NaOH (K-SPAC N-SPAC) Khả hấp phụ tối đa N-SPAC tính 965 mg/g 580 mg/g K-SPAC Và nghiên cứu P.Yuan and B.M Ha (2015) Với gum chiết xuất từ hạt Cassia (CF) Kết tối ưu cho thấy gum thô không đạt mức độ khử màu cao so sánh với chất keo tụ Polyaluminium clorua (PACl) với điều kiện Nhưng chất keo tụ màu xanh Cassia (CF) yếu tố góp phần loại bỏ màu nước thải dệt may mà thân thiện mơi trường Trong nước ta có các công trình nghiên ứng dụng nguyên liệu thân thiện môi trường vào xử lý ô nhiễm, xử lý nước thải màu dệt nhuộm cơng nghiệp 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước Ở Việt Nam, để xử lý màu nhuộm nước xả thải đã có số nghiên cứu ứng dụng như: Phương pháp truyền thống xử lý sinh học (Nguyễn Thị Hà, 2006 Đồng Thị Mai Anh, 2011), áp dụng phương pháp oxy hóa hóa học (Nguyễn Thị Hường, 2009; Đào Sỹ Đức, 2012 Ngô Hồng Ánh Thu, 2015), hay phương pháp lọc (Trịnh Văn Tuyên, 2012), cột trao đổi chất hấp phụ (Hoàng Trung Thành, 2003) Cũng các phương pháp đại như: phương pháp Fenton dị thể sử Luận án tiến sĩ Hóa học dụng tro tính (Đào Sỹ Đức cs., 2013), phản ứng quang hóa với chất xúc tác TiO2 (Nguyễn Thị Tuyết Nam, 2013), sử dụng phương pháp Keo tụ kết hợp oxy hóa (Trần Ngọc Phú, 2004 Bùi Thị Vụ, 2010), xử lý vật liệu nano pha tạp (Nguyễn Thị Thu Trang, 2016) số phương pháp khác Tuy nhiên, các kỹ thuật phức tạp vận hành khó với chi phí xử lý khá lớn nên giá thành cao dù phương pháp đạt hiệu tốt Cần có quy trình đơn giản dễ thực vận hành với kinh phí đầu tư tốn đạt hiệu suất xử lý cao Ngày nay, xu sử dụng nguyên vật liệu thân thiện môi trường từ phế phẩm sinh học nông nghiệp thải bỏ để xử lý màu nước thải dệt nhuộm đặc biệt quan tâm Đã đạt kết khả quan với độ hấp phụ lớn hiệu suất hấp phụ cao với công nghệ đơn giản dễ thực dễ vận hành Các nguyên liệu sinh khối nông nghiệp khác điều chế thành vật liệu hấp phụ chất thải có chi phí thấp chẳng hạn như: vỏ cây, vỏ đậu phộng đã nghiên cứu ứng dụng hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue (MB) (Đinh cs., 2014) Theo nghiên cứu Ngô Thị Lan Anh (2011), vật liệu bả mía hấp thụ màu nhuộm Methylene Orange (MO) với thời gian đạt cân 90 phút dung lượng hấp phụ 11,6 mgMO/g, báo cáo Nguyễn Văn Thanh (2012) nghiên cứu vật liệu xơ dừa biến tính hấp phụ Methylene Orange (MO) có thời gian đạt cân 120 phút, với dung lượng hấp phụ 14,71 mgMO/g, với dung dịch Methylene Blue (MB) thời gian 180 phút đạt dung lượng hấp phụ cực đại 41,67 mg MB/g Với nghiên cứu Dương Thị Bích Ngọc cs (2013) nghiên cứu khả hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue (MB) vật liệu chế tạo từ lõi ngô vỏ ngô, ghi nhận sau 20 phút hiệu suất hấp phụ lõi ngô pH.3-11 vỏ ngô pH.3-8,8 đã lên 97% Năm 2013, Đào Sỹ Đức với cộng nghiên cứu biến tính tro bay làm Luận án tiến sĩ Hóa học xúc tác cho quá trình Fenton dị thể, mục tiêu phân hủy phẩm màu RB.181 Với hàm lượng xúc tác 0,4 g/L pH=3 hàm lượng hydro peoxit 3,92 mM, thời gian xử lí 90 phút đạt kết hiệu suất phân hủy 92,21 % các nguồn thải dệt nhuộm Theo báo cáo Phạm Thị Ngọc Huyền cs (2015) nghiên cứu gum muồng Hồng Yến có khả làm giảm màu nhuộm hoạt tính triazine, đạt hiệu suất khử màu 55%, khử COD 39,9%, điều kiện pH môi trường kiềm Đây chất keo tụ xanh ứng dụng để xử lý nước thải môi trường Phan Phước Toàn cs (2016) than tro trấu hoạt hóa có khả hấp phụ Methylene Orange (MO) đạt cao 33,5 mgMO/g, cao gấp 1,7 lần so với than hoạt tính (19,2 mgMO/g) 33,2 lần so với tro trấu thô (1,01 mgMO/g) Theo Nguyễn Vân Hương (2017), nghiên cứu sử dụng than hoạt tính Trà Bắc hấp phụ số phẩm màu nước thải dệt nhuộm đạt kết quả: với màu nhuộm Methylene Red (MR) đạt dung lượng hấp phụ cao 9,80 mg/g pH=4; với dung dịch thuốc màu Methylene Orange (MO) ghi nhận dung lượng hấp phụ đạt cao đến 9,34 mg/g pH=4; với dung dịch nhuộm Alizarin vàng G hấp phụ đạt cao 7,25 mg/g pH=7 với thời gian cân 60 phút Báo cáo Đào Minh Trung (2018; 2019a; 2019b; 6/2020) Kết nghiên cứu khả hấp phụ màu Methylene Blue (MB ) than hoạt tính điều chế từ vỏ trái Macca với tác nhân hoạt hóa KOH, hóa chất H2O2, hoạt tính với tác nhân H3PO4 biến tính H2O2 , hoạt tính K2CO3 biến tính HNO3 cho thấy tương ứng với hiệu suất xử lý tốt đạt 83,41%, 93,26%, 99,07%, 79,36 % Việt Nam đã nghiên cứu nguyên liệu phế phẩm sinh học nông nghiệp ứng dụng sản xuất than hoạt tính thành cơng dùng xử lý nước xả thải màu nhuộm, với kỹ thuật điều chế than đơn giản dễ thực hiện, giá đầu tư thấp từ nguồn nguyên liệu sẳn có rẻ tiền đạt xử lý tốt với độ hấp phụ lớn, hiệu suất hấp phụ cao mong Luận án tiến sĩ Hóa học đợi Tóm lại: Xử lý chất thải màu dệt nhuộm các phương pháp vật lý, hóa lý, hóa học, sinh học kết hợp có kỹ thuật cao, giá vốn đầu tư lớn cho xây dựng, máy móc, vật liệu, hóa chất… chi phí xử lý cao thao tác vận hành với kỹ thuật phức tạp Xử lý màu nhuộm vật liệu thân thiện môi trường, phế phẩm sinh học nông lâm nghiệp thải bỏ nhiều đa dạng, xu Vừa giải lượng lớn chất thải rắn thu mua giá thấp Nó dùng sản xuất than hoạt tính, than biến tính dễ thực chi phí khơng cao, ứng dụng rộng rãi giải ô nhiễm môi trường xử lý triệt để 1.2 Hiện trạng ô nhiễm chất ô nhiễm phẩm màu nhuộm Đối với môi trường, đa dạng màu sắc độ bền màu thuốc nhuộm ô nhiễm ngày trầm trọng (Slokar and Le Marechal, 1998; Pinheiro et al., 2004 Mittal et al., 2007) khó xử lý nghiên cứu chế cơng nghệ xử lý nước thải mà ngành dệt nhuộm xả thải lớn gây nên ô nhiễm nặng Theo thống kê, ngành cơng nghiệp dệt nhuộm có khoảng 24 - 30 triệu m3 nước thải/năm, thì khoảng 10% qua xử lý còn lại thải môi trường tiếp nhận Mà hiệu suất sử dụng các loại thuốc nhuộm nằm khoảng từ 70 80% tối đa đạt 95% Mà hàng năm đã tiêu thụ hàng nghìn các loại hoá chất thuốc nhuộm… Vậy lượng lớn còn dư thừa lại thải vào môi trường gây ô nhiễm nặng (Nguyễn Thị Tuyết Nam, 2014; Himanshu Patel R.T Vashi, 2015) Đây lãng phí lớn gây khó khăn xử lý nhiễm phẩm màu nhuộm nhiều Trên giới quan tâm các thông số ô nhiễm công đoạn nhuộm đã giảm xuống buộc các sở sản xuất phải thay đổi quy trình cơng nghệ, hóa chất sử dụng Trong các hệ thống xử lý phù hợp phải thay đổi theo, để đạt tiêu chuẩn quy chuẩn Như vậy có tiến cơng nghệ sản xuất các nước Giảm thiểu nhiều cho ô nhiễm mơi trường 1.3 Đặc tính nước thải sản xuất dệt nhuộm Theo Nguyễn Thị Tuyết Nam (2014), cơng nghệ nhuộm cần sử dụng 20÷100m3 nước/tấn sản phẩm, tương ứng nước thải vài trăm đến ngàn Luận án tiến sĩ Hóa học m3/ngày Nồng độ các chất ô nhiễm công đoạn nhuộm khác nhau: độ pH các quá trình khá chênh lệch Nước thải chủ yếu có tính kiềm Giá trị COD cao (đều lớn 2000mg/L), công đoạn khác thải chất hữu dễ phân hủy Còn các thông số TDS tổng Photpho nước thải dệt nhuộm không cao, hàm lượng chất lơ lửng nhuộm, chuội vải cao Đặc biệt công đoạn nhuộm màu thải lượng nước lớn chứa hàm lượng chất hữu khó phân hủy cao có độ màu lớn (đến 25.000 theo thang độ màu Pt – Co) Như vậy, các chất thải có nước thải cơng nghiệp dệt nhuộm chia thành hai loại: - Chất thải hóa chất chất phụ gia sử dụng dư thừa, chất vô chất hữu dễ phân hủy - Chất thải từ thuốc nhuộm dư thừa, chất hữu khó phân hủy Do đặc tính khác hai loại chất thải trên, cần phải tách dòng đưa vào xử lý nhà máy Đặc trưng quan trọng nguồn nước thải dệt nhuộm dao động lớn số lượng tải lượng nhiễm Nó thay đổi theo mùa, mặt hàng sản xuất chất lượng sản phẩm Hiệu hấp phụ vải đạt 60÷70%, nên nước thải nầy có độ kiềm cao, độ màu hàm lượng chất hữu lớn Ngồi có số chất điện ly, chất hoạt động bề mặt, chất tạo môi trường … tồn nước thải làm độ màu cao (Nguyễn Thị Tuyết Nam, 2014; Himanshu Patel and R.T Vashi, 2015) Nước thải ngành dệt nhuộm không xử lý thải vào môi trường làm cân sinh thái nguồn tiếp nhận, gây ô nhiễm môi trường ảnh hưởng lớn đến động thực vật sống sức khoẻ người (Lê Quốc Tuấn cs., 2013) Đây vấn đề quan trọng cần quan tâm sâu sát giải tốt trả nguồn nước cho sinh vật 10 Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học Luận án tiến sĩ Hóa học