Nghiên cứu biến tính tro bay làm vật liệu xử lý chất màu Red Congo trong nước”.

Trong thời đại đổi mới và phát triển hiện nay, có thể nói, công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đã, đang và sẽ tiếp tục đem đến những sự đổi thay kỳ diệu trong chất lượng đời sống của con người. Tuy nhiên, cùng với đó tình trạng ô nhiễm môi trường trong sản xuất công nghiệp đang là một vấn đề đáng báo động, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái, đời sống sinh hoạt của con người. Ở Việt Nam, dệt may là ngành giữ vị trí chiến lược quan trọng trong sự phát triển của nền kinh tế quốc dân. Đây là ngành công nghiệp có kim ngạch xuất khẩu lớn thứ hai, chỉ sau khai thác, chế biến và xuất khẩu dầu thô 1. Tuy nhiên, do đặc thù của một ngành sản xuất phức tạp (quá trình dệt nhuộm), sử dụng nhiều loại hóa chất (đặc biệt là phẩm màu) nên ô nhiễm môi trường gây ra cho ngành công nghiệp này là điều không thể tránh khỏi và là mối quan tâm lớn của xã hội. Dệt nhuộm là ngành đào thải ra một lượng lớn nước thải (khoảng 130 m3tấn sản phẩm), có pH biến thiên trong một dải rộng (phụ thuộc vào loại phẩm và phụ gia sử dụng), thường chứa nhiều phẩm màu, các chất hữu cơ và muối, làm giảm khả năng truyền ánh sáng vào nước, gây cản trở quá trình quang hợp, thường có độc tính cao và khó bị phân hủy sinh học 1; gây ảnh hưởng trầm trọng tới sự sống của các loài thủy sinh và con người ở gần nguồn nước tiếp nhận. Vì lí do đó, nhiều nghiên cứu trên thế giới đã được tiến hành nhằm xử lí, hạn chế ảnh hưởng của nước thải dệt nhuộm tới môi trường và sức khỏe con người. Về mặt nguyên lý và kỹ thuật, để xử lý thuốc nhuộm trong nước thải dệt nhuộm, người ta có thể dùng nhiều kĩ thuật khác nhau, trong đó phương pháp hấp phụ là phương pháp xử lý thuốc nhuộm trong nước thải có hiệu suất khá cao. Than hoạt tính được sử dụng rộng rãi nhất để hấp phụ các chất hữu cơ, kể cả thuốc nhuộm, do đặc tính hấp phụ của nó cao. Tuy nhiên, cacbon hoạt tính là nguyên liệu rất đắt. Do đó, một số nhà khoa học đã nghiên cứu ra chất hấp phụ thay thế có hiệu quả cao để loại bỏ thuốc nhuộm với chi phí hợp lý. Tro bay là một vật liệu thải ra từ các nhà máy sản xuất điện bằng các nguyên liệu cháy khác nhau, như than đá, sinh khối thực vật và chất thải đô thị rắn. Kể từ khi nhu cầu về năng lượng tăng cao, tro bay có xu hướng được sản xuất với số lượng ngày càng tăng và đã nhận được nhiều quan tâm trong việc ứng dụng và quá trình xử lý môi trường, điển hình ở đây là một chất hấp phụ để loại bỏ thuốc nhuộm trong nước thải dệt nhuộm 2. Tuy nhiên khả năng hấp phụ của tro bay ban đầu đối với việc loại bỏ thuốc nhuộm là tương đối thấp. Vì vậy việc nghiên cứu biến tính tro bay thành một sản phẩm có đặc tính hấp phụ cao hơn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Trên cơ sở này dưới sự hướng dẫn của TS. Tống Thị Thanh Hương, em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu biến tính tro bay làm vật liệu xử lý chất màu Red Congo trong nước”. Trong đề tài này em thực hiện quá trình biến tính tro bay bằng dung dịch NaOH và hấp phụ thuốc nhuộm Red Congo bằng tro bay sau biến tính, tập trung ở các vấn đề sau: Nghiên cứu biến tính tro bay ở các điều kiện khác nhau: + Nhiệt độ khuấy khác nhau. + Nồng độ NaOH khác nhau. + Thời gian khuấy khác nhau. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ thuốc nhuộm của tro bay sau biến tính: + Thời gian khuấy. + pH. + Nồng độ thuốc nhuộm Red Congo.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 06 năm 2013

Sinh viên

Cao Xuân Kháng

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT vii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về ngành dệt nhuộm và vấn đề ô nhiễm môi trường của nước thải dệt nhuộm 3

1.1.1 Tổng quan về ngành dệt nhuộm 3

1.1.2 Vấn đề ô nhiễm môi trường của nước thải dệt nhuộm 6

1.1.3 Các chỉ tiêu đánh giá độ ô nhiễm của nước thải 7

1.1.4 Ảnh hưởng của các chất gây ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm đến nguồn tiếp nhận 9

1.2 Một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm 9

1.2.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học 9

1.2.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học 11

1.2.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 12

1.2.4 Phương pháp O3/UV/H2O2 13

1.2.5 Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa - lý 13

1.3 Tổng quan về tro bay và chất màu Red Congo 18

1.3.1 Tổng quan về tro bay 18

1.3.2 Tổng quan về chất màu Red Congo 22

CHƯƠNG 2 – THỰC NGHIỆM 24

2.1 Đối tượng nghiên cứu 24

2.2 Mục tiêu nghiên cứu 24

2.3 Dụng cụ và hóa chất 25

2.3.1 Dụng cụ 25

2.3.2 Hóa chất 26

2.4 Phương pháp nghiên cứu 26

2.4.1 Chuẩn bị vật liệu hấp phụ 26

2.4.2 Nghiên cứu xử lý chất màu Red Congo bằng phương pháp hấp phụ 28

2.5 Các phương pháp phân tích, đánh giá thực nhiệm 34

2.5.1 Phương pháp XRD 34

2.5.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 36

2.5.3 Phương pháp hấp thụ đơn lớp BET 37

2.5.4 Phương pháp phân tích trắc quang UV – VIS 39

CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 Xây dựng đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp phụ quang (Abs) vào nồng độ màu 42

3.2 Khảo sát các điều kiện biến tính tro bay 44

3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ của NaOH đến khả năng hấp phụ RC của tro bay biến tính 44

3.2.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính tro bay với NaOH đến khả năng hấp phụ Red Congo của tro bay 45

3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian biến tính với NaOH đến khả năng hấp phụ chất màu của tro bay 47

3.3 Phân tích, đánh giá tro bay trước và sau biến tính 48

3.4 Khảo sát khả năng xử lý chất màu Red Congo của tro bay đã biến tính 52

3.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ 52

3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất màu Red Congo 53

3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của pH trong dung dịch chất màu ban đầu 55

KẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

hình ảnh

1 Hình 1.1 Hình dạng và màu sắc của tro bay Phả Lại 19

2 Hình 1.2 Bãi chứa phế thải tro bay ở nhà máy nhiệt điện PhảLại 21

3 Hình 1.3 Nhà máy sản xuất tro bay tại nhà máy nhiệt điện Phả

5 Hình 2.1 Sơ đồ biến tính tro bay bằng dung dịch NaOH 27

6 Hình 2.2 Sơ đồ khối khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá

7 Hình 2.3 đến khả năng xử lý chất màu RC của tro bay biến tínhSơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ 31

8 Hình 2.4 Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng của nồng độ RC đếnkhả năng xử lý RC của tro bay biến tính 32

9 Hình 2.5 Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch RCban đầu đến khả năng xử lý RC của tro bay biến tính 33

10 Hình 2.6 Sơ đồ pha các tia X phản xạ trên tinh thể 34

11 Hình 2.7 Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét 36

12 Hình 2.8 Kính hiển vi điện tử quét Hitachi S4800 37

13 Hình 2.9 Hệ thiết bị đo BET Micrometrics Gemini VII 38Hình 2.10 Máy đo quang phổ UV – VIS (Lambda LUIV – 310S) 39

14 Hình 3.1 Phổ U-VIS của phẩm nhuộm Red Congo 42

15 Hình 3.2 Đường chuẩn độ hấp thụ quang phụ thuộc vào nồngđộ 43

16 Hình 3.3 Hiệu suất hấp phụ RC của tro bay biến tính ở các

17 Hình 3.4 Hiệu suất hấp phụ RC của tro bay biến tính ở cácnhiệt độ khuấy khác nhau 46

18 Hình 3.5 Hiệu suất hấp phụ RC của tro bay biến tính ở các thờigian khuấy khác nhau 48

19 Hình 3.6 Phổ nhiễu xạ tia X tro bay trước biến tính 49

20 Hình 3.7 Phổ nhiễu xạ tia X tro bay sau biến tính 50

21 Hình 3.8 Kết quả đo BET của tro bay trước (a) và sau (b) biếntính 51

22 Hình 3.9 Ảnh SEM của tro bay trước (a) và sau (b) biến tính 51

23 Hình 3.10 Hiệu suất hấp phụ RC của tro bay biến tính ở các thời

24 Hình 3.11 Dung lượng hấp phụ RC của tro bay biến tính ở cácnồng độ RC khác nhau 54

25 Hình 3.12 Hiệu suất hấp phụ RC của tro bay biến tính ở các pHRC ban đầu khác nhau 55

DANH MỤC CÁC BẢNG

3 Bảng 1.2 Thành phần hoá học của tro bay ứng với các

4 Bảng 1.3 Thành phần hóa học của các loại tro bay 20

6 Bảng 2.2 Danh mục các hóa chất sử dụng trong nghiêncứu 26

7 Bảng 2.3 Các mẫu tro bay và điều kiện biến tính 28

8 Bảng 3.1 Kết quả xây dựng đường chuẩn sự phụ thuộcnồng độ phẩm nhuộm vào Abs 43

9 Bảng 3.2 Hiệu suất hấp phụ Red Congo của các mẫu tro

bay biến tính với nồng độ NaOH khác nhau 44

10 Bảng 3.3 Hiệu suất hấp phụ Red Congo của các mẫu tro

bay biến tính với nhiệt độ khuấy khác nhau 46

11 Bảng 3.4 bay biến tính với các thời gian khuấy khác nhauHiệu suất hấp phụ Red Congo của các mẫu tro 48

12 Bảng 3.5 Hiệu suất hấp phụ RC của tro bay biến tính ở cácthời gian hấp phụ khác nhau 53

13 Bảng 3.6 Dung lượng hấp phụ RC của tro bay biến tính ởcác nồng độ chất màu khác nhau 54

14 Bảng 3.7 Hiệu suất hấp phụ RC của tro bay biến tính ở cácpH khác nhau 55

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

COD Nhu cầu oxi hóa học

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại đổi mới và phát triển hiện nay, có thể nói, công cuộc côngnghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đã, đang và sẽ tiếp tục đem đến những sự đổi thay

kỳ diệu trong chất lượng đời sống của con người Tuy nhiên, cùng với đó tình trạng

ô nhiễm môi trường trong sản xuất công nghiệp đang là một vấn đề đáng báo động,làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái, đời sống sinh hoạt của conngười

Ở Việt Nam, dệt may là ngành giữ vị trí chiến lược quan trọng trong sự pháttriển của nền kinh tế quốc dân Đây là ngành công nghiệp có kim ngạch xuất khẩulớn thứ hai, chỉ sau khai thác, chế biến và xuất khẩu dầu thô [1] Tuy nhiên, do đặcthù của một ngành sản xuất phức tạp (quá trình dệt nhuộm), sử dụng nhiều loại hóachất (đặc biệt là phẩm màu) nên ô nhiễm môi trường gây ra cho ngành công nghiệpnày là điều không thể tránh khỏi và là mối quan tâm lớn của xã hội

Dệt nhuộm là ngành đào thải ra một lượng lớn nước thải (khoảng 130 m3/tấnsản phẩm), có pH biến thiên trong một dải rộng (phụ thuộc vào loại phẩm và phụgia sử dụng), thường chứa nhiều phẩm màu, các chất hữu cơ và muối, làm giảm khảnăng truyền ánh sáng vào nước, gây cản trở quá trình quang hợp, thường có độctính cao và khó bị phân hủy sinh học [1]; gây ảnh hưởng trầm trọng tới sự sống củacác loài thủy sinh và con người ở gần nguồn nước tiếp nhận Vì lí do đó, nhiềunghiên cứu trên thế giới đã được tiến hành nhằm xử lí, hạn chế ảnh hưởng của nướcthải dệt nhuộm tới môi trường và sức khỏe con người

Về mặt nguyên lý và kỹ thuật, để xử lý thuốc nhuộm trong nước thải dệtnhuộm, người ta có thể dùng nhiều kĩ thuật khác nhau, trong đó phương pháp hấpphụ là phương pháp xử lý thuốc nhuộm trong nước thải có hiệu suất khá cao Thanhoạt tính được sử dụng rộng rãi nhất để hấp phụ các chất hữu cơ, kể cả thuốcnhuộm, do đặc tính hấp phụ của nó cao Tuy nhiên, cacbon hoạt tính là nguyên liệurất đắt Do đó, một số nhà khoa học đã nghiên cứu ra chất hấp phụ thay thế có hiệuquả cao để loại bỏ thuốc nhuộm với chi phí hợp lý Tro bay là một vật liệu thải ra từcác nhà máy sản xuất điện bằng các nguyên liệu cháy khác nhau, như than đá, sinhkhối thực vật và chất thải đô thị rắn Kể từ khi nhu cầu về năng lượng tăng cao, trobay có xu hướng được sản xuất với số lượng ngày càng tăng và đã nhận được nhiềuquan tâm trong việc ứng dụng và quá trình xử lý môi trường, điển hình ở đây là mộtchất hấp phụ để loại bỏ thuốc nhuộm trong nước thải dệt nhuộm [2] Tuy nhiên khảnăng hấp phụ của tro bay ban đầu đối với việc loại bỏ thuốc nhuộm là tương đối

thấp Vì vậy việc nghiên cứu biến tính tro bay thành một sản phẩm có đặc tính hấpphụ cao hơn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Trên cơ sở này dưới sự hướng dẫn của

TS Tống Thị Thanh Hương, em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu biến tính tro bay làm vật liệu xử lý chất màu Red Congo trong nước”.

Trong đề tài này em thực hiện quá trình biến tính tro bay bằng dung dịchNaOH và hấp phụ thuốc nhuộm Red Congo bằng tro bay sau biến tính, tập trung ởcác vấn đề sau:

- Nghiên cứu biến tính tro bay ở các điều kiện khác nhau:

+ Nhiệt độ khuấy khác nhau

+ Nồng độ NaOH khác nhau

+ Thời gian khuấy khác nhau

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ thuốc nhuộmcủa tro bay sau biến tính:

+ Thời gian khuấy

+ pH

+ Nồng độ thuốc nhuộm Red Congo

1.1.1.1 Các quá trình cơ bản trong công nghệ dệt nhuộm

Thông thường công nghệ dệt – nhuộm gồm ba quá trình cơ bản: kéo sợi, dệtvải và xử lý (nấu tẩy), nhuộm và hoàn thiện vải Trong đó được chia thành các côngđoạn sau:

Chuẩn bị nguyên liệu: Nguyên liệu thường được đóng dưới dạng các kiện thô

chứa các sợi bông có kích thước khác nhau cùng với các tạp chất tự nhiên như bụi,đất, hạt, cỏ rác Nguyên liệu bông thô được đánh tung, làm sạch và trộn đều Chấtthải chủ yếu của quá trình này là bụi

Hồ sợi: hồ sợi bằng hồ tinh bột, tăng độ bền của vải Chất thải chủ yếu của

quá trình này là các chất hữu cơ, hóa chất trong phụ gia

Giũ hồ: tách các thành phần của hồ bám trên vải bằng enzyme hoặc axit Vải

sau khi được giũ hồ được giặt bằng nước, xà phòng, xút, chất ngâm, rồi tẩy

Nấu vải: là quá trình loại trừ phần còn lại của các tạp chất thiên nhiên của sơ

sợi, tách dầu mỡ bằng quá trình nấu Do đó nước thải của quá trình này chứa mộtlượng kiềm rất lớn, các tạp chất thiên nhiên từ sơ sợi khó phân hủy màu

Làm bóng vải: mục đích làm cho sợi cotton trương nở, làm tăng kích thước

các mao quản giữa các phần tử làm cho xơ sợi trở nên xốp hơn, dễ thấm nước hơn,bóng hơn, tăng khả năng bắt màu thuốc nhuộm

Tẩy trắng: mục đích tẩy màu tự nhiên của vải, làm sạch các vết bẩn, làm

cho vải có độ trắng đúng yêu cầu chất lượng Các chất tẩy thường dùng là natriclorit NaClO2, NaOCl hoặc H2O2 cùng với các chất phụ trợ Trong đó đối với vảibông có thể dùng các loại chất tẩy H2O2, NaOCl hay NaClO2

Nhuộm vải: là quá trình gia công nhằm đưa thuốc nhuộm tổng hợp, cùng

nhiều hóa chất trợ khác tạo điều kiện cho sự bắt màu của thuốc nhuộm vào sợi vải.Vải sau khi nhuộm được giặt sạch để tách phần thuốc nhuộm và các hóa chất dư rakhỏi sợi vải Lượng thuốc nhuộm dư sau khi nhuộm khá lớn tùy thuộc vào độ đậm

nhạt của màu cần nhuộm Màu càng đậm lượng hóa chất dư càng lớn, với màu nhạtlượng này khoảng 10-20%, với màu đậm lượng này lên đến 30-50%.

Trong nguồn phát sinh nước thải của nhà máy dệt nhuộm thì nước thải củaquá trình nhuộm là gây ô nhiễm nặng nhất và khó xử lý nhất

Thuốc nhuộm trong dung dịch nhuộm có thể ở dạng tan hay dạng phân tán.Quá trình nhuộm xảy ra theo 4 bước:

- Di chuyển các phân tử thuốc nhuộm đến bề mặt sợi

- Gắn màu vào bề mặt sợi

- Khuyết tán màu vào trong sợi, quá trình xảy ra chậm hơn quá trình trên

- Cố định màu và sợi

1.1.1.2 Sơ lược về thuốc nhuộm dùng trong ngành dệt nhuộm

Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhấtđịnh của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệttrong những điều kiện quy định (tính gắn màu)

Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp Hiện nay conngười hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp Đặc điểm nổi bật của các loạithuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy Màu sắc của thuốcnhuộm có được là do cấu trúc hóa học: một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộmbao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu Nhóm mang màu là những nhóm chứacác nối đôi liên hợp với hệ điện tử π không cố định như: > C = C <,  C = N  ,

Khái quát về một số loại thuốc nhuộm

- Thuốc nhuộm hoạt tính

Các loại thuốc nhuộm thuộc nhóm này có công thức cấu tạo tổng quát là:

S-F-T-XTrong đó:

- F: là phần mang màu, thường là các hợp chất Azo (-N=N),antraquinon, axit chứa kim loại hoặc ftaloxiamin

- T: là gốc mang nhóm phản ứng

- X: là nhóm phản ứng

Loại thuốc nhuộm này khi thải vào môi trường có khả năng tạo thành cácamin thơm được xem là tác nhân gây ung thư

- Thuốc nhuộm trực tiếp

Đây là loại thuốc nhuộm bắt màu trực tiếp với xơ sợi không qua giai đoạn xử

lý trung gian, thường sử dụng để nhuộm sợi 100% cotton, sợi protein (tơ tằm) và sợipoliamid, phần lớn thuốc nhuộm trực tiếp có chứa azo và một số là dẫn xuất củadioxazin Ngoài ra, trong thuốc nhuộm còn có chứa các nhóm làm tăng độ bắt màunhư triazin và salicylic axit có thể tạo phức với các kim loại để tăng độ bền màu

- Thuốc nhuộm hoàn nguyên

Thuốc nhuộm hoàn nguyên gồm 2 nhóm chính: nhóm đa vòng có chứa nhânantraquinon và nhóm indigoit có chứa nhân indigo Công thức tổng quát là R=C-0;trong đó R là hợp chất hữu cơ nhân thơm, đa vòng Các nhân thơm đa vòng trongloại thuốc nhuộm này cũng là tác nhân gây ung thư, vì vậy khi không được xử lý,thải ra môi trường, có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người

- Thuốc nhuộm phân tán

Nhóm thuốc nhuộm này có cấu tạo phân tử tư gốc azo và antraquinon vànhóm amin (NH2, NHR, NR2, NR-OH), dùng chủ yếu để nhuộm các loại sợi tổnghợp (sợi axetat, sợi polieste ) không ưa nước

- Thuốc nhuộm lưu huỳnh

Là nhóm thuốc nhuộm chứa mạch dị hình như tiazol, tiazin, zin trong đó cócầu nối -S-S- dùng để nhuộm các loại sợi cotton và viscose

- Thuốc nhuộm axit

Là muối của axit mạnh và bazơ mạnh chúng tan trong nước phân ly thànhion: Ar-SO Na3 Ar-SO3  Na

  , anion mang màu thuốc nhuộm tạo liên kết ion vớitâm tĩnh điện dương của vật liệu Thuốc nhuộm axit có khả năng tự nhuộm màu xơsợi protein (len, tơ tằm, polyamit) trong môi trường axit Xét về cấu tạo hoá học có

79% thuốc nhuộm axit azo, 10% là antraquinon, 5% là triarylmetan và 6% là lớphoá học khác.

- Thuốc in, nhuộm pigmen

Có chứa nhóm azo, hoàn nguyên đa vòng, ftaoxianin, dẫn suất củaantraquinon

- Thuốc nhuộm azo

Thuốc nhuộm azo chứa nhóm azo ( N=N )  trong phân tử và các nhóm trợmàu tuỳ theo đặc tính của nhóm trợ màu Nếu nhóm trợ màu mang tính bazơ có cácnhóm đẩy electron mạnh như –NH2, –NR2… gọi là thuốc nhuộm azo-bazơ Nếunhóm trợ màu có tính axit do các nhóm thế – OH, –COOH, –SO3H gọi là thuốcnhuộm azo-axit Đây là họ thuốc nhuộm quan trọng nhất và có số lượng lớnnhất chiếm khoảng 60-70% số lượng các thuốc nhuộm tổng hợp

Nước thải được sinh ra trong chính quá trình sản xuất và là một thành phầntham gia sản xuất Do vậy nước thải chứa nguyên liệu hóa chất, phụ gia của quátrình sản xuất với nồng độ từ thấp đến cao, trong nhiều trường hợp chúng có thểđược thu gom và tái sử dụng

Trong công nghệ dệt nhuộm công các đoạn in, nhuộm phát sinh ô nhiễmđáng chú ý nhất vì công đoạn này chứa nhiều hóa chất dệt nhuộm và tẩy rửa Nếudùng nhiều sợi tổng hợp thì khi xử lý phải dùng nhiều chất hữu cơ thuộc nhómCOD, có nghĩa là hóa chất và thuốc nhộm càng khó xử lý bấy nhiêu Các đặc trưng

cơ bản của nước thải dệt nhuộm như sau:

Thứ nhất: nước thải dệt nhuộm có chỉ số BOD, COD rất cao so với mức cho

phép COD có khi lên đến 1000-3000 mg/L

Thứ hai: nước thải ngành công nghiệp dệt nhuộm có độ pH cao trong môi

trường kiềm khoảng 9-11 Môi trường này không thích hợp để sử dụng vi sinh vật

Thứ ba: ô nhiễm kim loại nặng do sử dụng các hóa chất thuốc nhuộm, phụ

gia, chất tẩy dưới dạng các hợp chất với kim loại

Thứ tư: độ màu trong đó độ ô nhiễm phụ thuộc vào khả năng gắn màu của

Mỗi công đoạn của công nghệ có các dạng nước thải và đặc tính của chúng.Bảng 1.1 giới thiệu một số chất gây ô nhiễm chính và đặc tính nước thải dệt nhuộm.

Bảng 1.1 Các chất gây ô nhiễm và đặc tính nước thải dệt nhuộm

BOD cao (34-50% tổng sản

lượng BOD)

Nấu tẩy

NaOH, chất sáp và dầu mỡ,tro, soda, silicat natri và xosợi vụn

Độ kiềm cao, màu tối, BOD cao(30% tổng BOD)

clo, NaOH, AOX, axit

Độ kiềm cao, chiếm 5%BOD

1% tổng BOD)

Nhuộm

Các loại thuốc nhuộm, axitaxetic và các muối kim loai

Độ màu rất cao, BOD khá cao(6% tổng BOD), TS cao

In Chất màu, tinh bột, dầu, đất

sét, muối kim loại,axit

Độ màu cao, BOD cao và dầumỡ

1.1.3.2 Mùi vị

Nước sạch là nước không có mùi Nước bị ô nhiễm có mùi do sự phân hủycủa các chất hữu cơ có trong nước

1.1.3.3 Độ đục

Độ đục của nước gây ra bởi các chất rắn lơ lửng có trong nước Độ đục củanước làm giảm khả năng truyền qua của ánh sáng vào nước, dẫn đến làm hạn chếquá trình quang hợp của các loài thực vật trong nước và do đó, làm giảm DO củanước

1.1.3.4 Chất rắn

Tổng chất rắn TS: là thành phần đặc trưng quan trọng của nước thải, bao

gồm các chất rắn nổi, lơ lửng, keo và tan

Tổng chất huyền phù TSS

Chất huyền phù là các chất rắn tồn tại lơ lửng trong nước trong thời giantương đối dài Chúng bao gồm các phân tử có kích thước từ 10-1 đến 10-4 cm và có

tỷ trọng xấp xỉ tỷ trọng của nước Chất huyền phù làm tăng độ đục của nước

Hàm lượng TSS là khối lượng chất rắn còn lại trên giấy lọc sau khi sấy khôđến khối lượng không đổi ở 105oC

Tổng chất rắn hòa tan DS

DS = TS – TSS (mg/L)

Đây là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước và cũng là chỉ tiêu

để đánh giá mức độ ô nhiễm nước Nó được dùng để chỉ lượng oxi hòa tan trongnước ở một nhiệt độ xác định Nhiệt độ càng cao thì DO càng thấp Giá trị DO trongnước càng cao, mức độ ô nhiễm của nước càng thấp

1.1.3.6 Nhu cầu oxi sinh học COD

COD biểu thị sự oxi hóa toàn bộ chất hữu cơ có trong mẫu nước, gồm cả chấthữu cơ có thể bị phân hủy sinh học và không bị phân hủy sinh học

COD cho biết lượng oxi cần thiết để oxi hóa hóa học các hợp chất hữu cơtrong mẫu nước thành CO2 và nước (mg/L) Lượng oxi này tương đương với hàmlượng các chất hữu cơ có thể bị oxi hóa bởi các tác nhân oxi hóa mạnh như K2Cr2O7hay KmnO4 trong môi trường axit

1.1.3.7 Nhu cầu oxi sinh học BOD

BOD là thông số rất quan trọng để tính toán cho các thiết bị xử lý các loạinước thải cần xử lý sinh học.

1.1.4 Ảnh hưởng của các chất gây ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm đến nguồn tiếp nhận

 Độ kiềm cao làm tăng pH của nước Nếu pH > 9 sẽ gây độc hại đối vớithủy tinh, gây ăn mòn các công trình thoát nước và hệ thong xử lý nướcthải

 Muối trung tính làm tăng hàm lượng tổng rắn Lượng thải lớn gây tác hạiđối với đời sống thủy sinh do làm tăng áp suất thẩm thấu, ảnh hưởng đếnquá trình trao đổi của tê bào

 Hồ tinh bột biến tính làm tăng BOD, COD của nguồn nước, gây tác hạiđối với đời sống thủy sinh do làm giảm oxy hòa tan trong nguồn nước

 Độ màu cao do lượng thuốc nhuộm dư đi vào nước thải gây màu chodòng tiếp nhận, ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của các loài thủy sinh,ảnh hưởng xấu tới cảnh quan

 Hàm lượng ô nhiễm các chất hữu cơ cao sẽ làm giảm oxi hòa tan trongnước ảnh hưởng tới sự sống của các loài thủy sinh

Do đặc thù của công nghệ, nước thải dệt nhuộm chứa tổng hàm lượng chấtrắn TS, chất rắn lơ lửng, độ màu, BOD, COD cao nên chọn phương pháp xử lýthích hợp phải dựa vào nhiều yếu tô như lượng nước thải, đặc tính nước thải, tiêuchuẩn thải, xử lý tập trung hay cục bộ Về nguyên lý xử lý, nước thải dệt nhuộm cóthể áp dụng các phương pháp sau:

1.2.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học

Thường được áp dụng ở giai đoạn đầu của quy trình xử lý, quá trình đượcxem như bước đệm để loại bỏ các tạp chất vô cơ và hữu cơ không tan hiện diện

trong nước nhằm đảm bảo tính an toàn cho các thiết bị và các quá trình xử lý tiếptheo Tùy vào kích thước, tính chất hóa lý, hàm lượng cặn lơ lửng, lưu lượng nướcthải và mức độ làm sạch mà ta sử dụng một trong các quá trình sau: lọc qua songchắn rác hoặc lưới chắn rác, lắng dưới tác dụng của lực ly tâm, trọng trường, lọc vàtuyển nối.

Xử lý cơ học nhằm mục đích

- Tách các chất không hòa tan, những vật chất có kích thước lớn nhưnhánh cây, gỗ, nhựa, lá cây, giẻ rách, dầu mỡ ra khỏi nước thải

- Loại bỏ cặn nặng như sỏi, thủy tinh, cát

- Điều hòa lưu lường và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải

- Nâng cao chất lượng và hiệu quả của các bước xử lý tiếp theo

1.2.1.1 Song chắn rác

Song chắn rác gồm các thanh kim loại tiết diện chữ nhật hình tròn, hình chữnhật hoặc hình bắu dục Song chắn rác được chia làm 2 loại, loại di động và loại côđịnh Song chắn rác được đặt nghiêng mộr góc 60o - 90° theo hướng dòng chảy.Song chắn rác nhằm chắn giữ các cặn bẩn có kích thước lớn ở dạng sợi: giấy, rau

cỏ, rác

1.2.1.2 Lưới chắn rác

Để khử các chất lơ lửng có kích thước nhỏ hoặc các sản phẩm có giá trị,thường sử dụng lưới lọc có kích thước lỗ từ 0,5 – l mm Khi tang trống quay,thường với vận tốc 0,1 đến 0,5 m/s, nước thải thường lọc qua bề mặt trong hayngoài, tùy thuộc vào sự bô trí đường ống dẫn nước vào Các vật thải được cào rakhỏi mặt lưới bằng hệ thống cào

1.2.1.3 Bể điều hòa

Do đặc điểm của công nghệ sản xuất một sô ngành công nghiệp, lưu lượng

và nồng độ nước thải thường không đều theo các giờ trong ngày, sự dao động lớn vềlưu lượng này sẽ ảnh hưởng không tốt đến những công trình xử lý phía sau Để duytrì dòng thải và nồng độ vào công trình xử lý ổn định, khắc phục được những sự cốvận hành do sự dao động về nồng độ và lưu lượng của nước thải và nâng cao hiệu

- Bể điều hòa lưu lượng.

- Bể điều hòa nồng độ

- Bể điều hòa cả lưu lượng và nồng độ

Các phương pháp hóa học xử lý nước thải gồm có: trung hòa, oxy hóa vàkhử Tất cả các phương pháp này đều dùng tác nhân hóa học nên tốn nhiều tiền.Người ta sử dụng các phương pháp hóa học để khử các chất hòa tan và trong các hệthống nước khép kín Đôi khi phương pháp này được dùng để xử lý sơ bộ trước khi

xử lý sinh học hay sau công đoạn này như là một phương pháp xử lý nước thải lầncuối để thải vào nguồn

1.2.2.1 Phương pháp trung hòa

Trung hòa nước thải được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau

- Trộn lẫn nước thải với axit hoặc kiềm

- Bổ sung các tác nhân hóa học

- Lọc nước axit qua vật liệu lọc có tác dụng trung hòa

- Hấp thụ khí axit bằng chất kiềm hoặc hấp thụ amoniac bằng nướcaxit Trong quá trình trung hòa một lượng bùn cặn được tạo thành.Lượng bùn này phụ thuộc vào nồng độ và thành phần của nước thảicũng như loại và lượng các tác nhân xử dụng cho quá trình

1.2.2.2 Phương pháp oxy hóa và khử

Để làm sạch nước thải có thể dùng các chất oxi hóa như: clo ở dạng khí vàhóa lỏng, dioxyt clo, clorat canxi, hypoclorit canxi và natri, pemanganat kali,bicromat kali, oxi không khí, ozon

Trong quá trình oxi hóa, các chất độc hại trong nước thải được chuyển thànhcác chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước thải Quá trình này tiêu tốn một lượng lớntác nhân hóa học, do đó quá trình oxy hóa học chỉ được dùng trong những trườnghợp khi các tạp chất gây nhiễm bẩn trong nước thải không thể tách bằng nhữngphương pháp khác

Oxi hóa bằng clo

Clo và các chất có chứa clo hoạt tính là chất oxy hóa thông dụng nhất Người

ta sử dụng chúng để tách H2S, hydrosiinfit, các hợp chất chứa metylsunfit, phenol,xyanua ra khỏi nước thải

Khi clo tác dụng với nước thải xảy ra phản ứng

Cl2 + H2O = HOC1 + HC1

HOCl H+ + OCl

-Tổng clo, HOC1 và OCl- được gọi là clo tự do hay clo hoạt tính

Các nguồn cung cấp clo hoạt tính còn có clorat canxi (CaOCl2), hypoclorit,clorat, dioxyt clo, clorat canxi được nhận theo phản ứng

Ca(OH)2 + Cl2 = CaOCl2 + H2O

Lượng clo hoạt tính cắn thiết cho một đơn vị thể tích nước thải là: 10 g/m3đối với nước thải sau xử lý cơ học, 5 g/m3 sau xử lý sinh học hoàn toàn

Phương pháp Ozon hóa

Ozon tác động mạnh mẽ với các chất khoáng và chất hữu cơ, oxi hóa bằngozon cho phép đồng thời khử màu, khử mùi, tiệt trùng của nước Sau quá trình ozonhóa số lượng vi khuẩn bị tiêu diệt đến hơn 99%, ozon còn oxi hóa các hợp chất nitơ,photpho

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình chuyển hóa vậtchất, quá trình tạo cặn lắng, quá trình tự làm sạch nguồn nước của các sinh vật dịdưỡng và tự dưỡng có trong tự nhiên nhờ rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau cótrong nước thải Đây là cơ sở của phương pháp sinh học để xử lý nước thải

Trong nước thải của ngành công nghệp dệt nhuộm chứa rất nhiều các hợpchất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học mặt khác cũng có nhiều hợp chất phânhủy sinh học thấp với những hợp chất kim loại nặng tạo màu

Phương phương pháp sinh học có nhiều ưu điểm:

- Có khả năng thu nhận kim loại nặng ở mức độ cao

- Hệ thống xử lý sinh học không cần các thiết bị hóa chất đắt tiền, dễvận hành, phù hợp với điều kiện lý hóa khác nhau nên giá thành thấp.

- Làm giảm hiệu ứng nhà kính, ngăn ngừa, khắc phục tình trạng phúdưỡng của môi trường nước

- Đơn giản, giá thành thấp và thân thiện với môi trường

Tuy nhiên phương pháp này tốn thời gian, hiệu quả chậm, tốc độ phản ứngchậm, thể tích để sử dụng lớn

Lượng nước thải trong công nghệ dệt nhuộm thường rất lớn mặt khác chứarất nhiều các hợp chất, ion kim loại tạo màu vì vậy yêu cầu cần được xử lý trongmột khoảng thời gian ngắn

Phương pháp sử dụng O3/UV là sự kết hợp giữa UV và ozon để tạo ra mộtsản phẩm có khả năng oxi hóa diễn ra triệt để Tại bước sóng 254 nm thì O3 đượchấp phụ cũng như phân hủy tốt nhất [3,4]

Đối với ngành dệt nhuộm O3/UV khiến các photon UV tấn công các phân tửozon tạo thành các gốc tự do OH* làm tăng hiệu quả xử lý

Do mình bức xạ UV không có khả năng làm giảm COD và TOC (tổng lượngcacbon hữu cơ, là thước đo để theo dõi toàn bộ lượng chất hữu cơ trong nước) củanước thải nhiễm chứa chất hữu cơ (Theo Beltrán và Malato) Nhưng khi kết hợp

UV với ozon hoặc H2O2 lại cho kết quả rất tốt

Dưới tác dụng của bức xạ-UV tác động vào phản ứng phân hủy ozon khi nó

ở trong môi trường nước đồng thời phân hủy H2O2 để tạo thành nhiều gốc OH* từđây làm tăng khả năng oxy hóa Chuyển chất hữu cơ từ trạng thái cơ bản lên trạngthái kích thích tạo điều kiện cho chúng tham gia phản ứng oxi hóa-khử và phân hủy.1.2.5.Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa - lý

Cơ chế của phương pháp hóa lý là đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó,chất này phản ứng với các tạp chất bẩn trong nước thải và có khả năng loại chúng rakhỏi nước thải dưới dạng cặn lắng hoặc dạng hòa tan không độc hại

Các phượng pháp hóa lý thường sử dụng để khử nước thải là quá trình keo

tụ, hấp phụ, trích ly, tuyển nổi

1.2.5.1 Phương pháp keo tụ tạo bông

Quá trình lắng chỉ có thể tách được các hạt rắn huyền phù nhưng không thểtách được các chất gây nhiễm bẩn ở dạng keo và hoà tan vì chúng có kích thước quánhỏ Để tách các hạt rắn đó một cách hiệu quả bằng phương pháp lắng cần tăng kíchthước của chúng nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán, liên kết thành tậphợp các hạt nhằm tăng vận tốc lắng của chúng Quá trình keo tụ đòi hỏi trước hếtcần trung hòa điện tích các hạt keo, sau đó liên kết chúng với nhau bằng các chấtđông keo tụ tạo thành các khối kết tủa bông lớn, các khối bông này sẽ lắng xuốngkéo theo các hạt lơ lửng và tạp chất khác làm giảm màu của nước Ngoài khử màu,phương pháp này còn làm giảm 60 – 70% COD Các chất keo tụ thường dùng là cácmuối nhôm, sắt hoặc hỗn hợp của chúng Việc lựa chọn chất keo tụ phụ thuộc vàotính chất hoá lý, chi phí, nồng độ tạp chất trong nước, pH, thành phần muối trongnước Trong thực tế, người ta thường dùng các chất keo tụ sau: Al2(SO4)3.18H2O,NaAlO2, Al2(OH)5Cl, KAl(SO4)2.12H2O, PAC (là loại phèn nhôm tồn tại ở dạng caophân tử , có công thức phân tử [Al2(OH)nCl6-n]m )… để loại bỏ một phần hay toàn bộcác chất lơ lửng có trong nước thải Để tăng hiệu quả của quá trình tạo bông keo,tăng tốc độ lắng thường bổ sung chỉ cần một lượng nhỏ (vài phần triệu) các chất trợkeo tụ và chỉ có tác dụng khi sử dụng với liều lượng thích hợp nếu dùng nhiều quáthì xảy ra hiện tượng tái bền hệ keo pH ảnh hưởng rất lớn tới khả năng keo tụ nênkhi dùng phương pháp này cần điều chỉnh pH phù hợp Các chất keo tụ khác nhau

sẽ cho hiệu quả xử lý khác nhau ở pH khác nhau Ví dụ, phèn sắt cho hiệu quả xử lýcao nhất ở pH = 10 rất thích hợp để xử lý nước thải dệt nhuộm (pH > 7), còn phènnhôm ở pH = 5 - 6 là tốt nhất

Ưu điểm của phương pháp keo tụ là khả thi về mặt kinh tế, có thể khử màu

và làm giảm lượng COD, BOD đáng kể đặc biệt không tạo ra các sản phẩm phụ,trung gian độc hại Tuy nhiên, nó sinh ra một lượng bùn lớn từ 0.5 đến 2.5 kgTS/1m3 nước thải nên lại sinh ra một vấn đề môi trường mới cần xử lý đặc biệt.Thêm vào đó, phương pháp này không xử lý được nhiều loại phẩm nhuộm Cácphẩm nhuộm phân tán keo tụ tốt, kết tủa dễ dàng, trong khi đó các loại phẩm nhuộmtrực tiếp, axit, hoàn nguyên, cũng keo tụ tốt nhưng kết tủa dạng bông, khó kết lắng,phẩm nhuộm cation nói chung khó keo tụ Do đó, hiện nay người ta thường sửdụng keo tụ để tiền xử lý phẩm nhuộm, xử lý COD, độ màu, độ đục đến một giới

1.2.5.2 Phương pháp trích ly

Trích ly pha lỏng được ứng dụng để làm sạch nước thải chứa phenol, dầu,axit hữu cơ, các ion kim loại Phương pháp này được ứng dụng khi nồng độ chấtthải lớn hơn 3 - 4g/l, vì khi đó giá trị chất thu hồi mới bù đắp chi phí cho quá trìnhtrích

Làm sạch nước bằng trích ly gồm 3 giai đoạn

- Trộn mạnh nước thải với chất trích ly (dung môi hữu cơ) trong điềukiện bể mặt tiếp xúc phát triển giữa các chất lỏng hình thành 2 phalỏng, một pha là chất trích ly với chất được trích ly, một pha là nướcthải với chất trích ly

- Phân riêng hai pha lỏng nói trên

- Tái sinh chất trích ly

Để giảm nồng độ chất tan thấp hơn giới hạn cho phép cần phải chọn đúngchất trích ly và vận tốc của nó khi cho vào nước thải

1.2.5.3 Phương pháp hấp phụ

a) Hiện tượng hấp phụ

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí-rắn, lỏng-rắn,khí-lỏng, lỏng-lỏng) Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấpphụ; còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ goi là chất bị hấp phụ

Bản chất của của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chấthấp phụ và chất bị hấp phụ Tùy theo bản chất của lực tương tác mà người ta phânbiệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [5]

Hấp phụ vật lý

Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân

tử, các ion ) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu Đó là tổnghợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng.Lực liên kết này yếu nên dễ bị phá vỡ Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bịhấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành cácliên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bịgiữ lại trên bề mặt chất hấp phụ Ở hấp phụ vật lý nhiệt hấp phụ không lớn [5]

Hấp phụ hóa học

Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa họcvới các phân tử chất bị hấp phụ Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa họcthông thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí ) Lực liên kết nàymạnh nên khó bị phá vỡ Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol[5]

b) Hấp phụ trong môi trường nước

Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức tạphơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác: nước, chất hấp phụ

và chất bị hấp phụ Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấpphụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ Cặp nào

có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó Tính chọn lọc của cặp tương tácphụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc

kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của các chất bị hấp phụ trong môi trườngnước So với hấp phụ trong pha khí, sự hấp phụ trong môi trường nước thường cótốc độ chậm hơn nhiều Đó là do tương tác giữa chất bị hấp phụ với dung môi nước

và với bề mặt chất hấp phụ làm cho quá trình khuếch tán của các phân tử chất tanchậm

Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH của môitrường Sự thay đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất chất bị hấp phụ(các chất có tính axit yếu, bazơ yếu hay trung tính phân li khác nhau ở các giá trị pHkhác nhau) mà còn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề mặt chất hấp phụ [5]

Trong môi trường nước, các chất hữu cơ có độ tan khác nhau Khảnăng hấp phụ trên vật liệu hấp phụ (VLHP) đối với các chất hữu cơ có độ tan cao sẽyếu hơn với các chất hữu cơ có độ tan thấp hơn Như vậy, từ độ tan của chất hữu cơtrong nước có thể dự đoán khả năng hấp phụ chúng trên VLHP

Phần lớn các chất hữu cơ tồn tại trong nước dạng phân tử trung hoà, ít bịphân cực Do đó quá trình hấp phụ trên VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơchế hấp phụ vật lý Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụ thuộc vào:

pH của dung dịch, lượng chất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ… [5]

- Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấpphụ chứa các hệ mao quản - Giai đoạn khuếch tán màng.

- Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấpphụ - Giai đoạn khuếch tán vào trong mao quản

- Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ - Giaiđoạn hấp phụ thực sự

Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyếtđịnh hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình hấp phụ [5]

d) Cân bằng hấp phụ

Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch Các phân tử chất bị hấp phụkhi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha mang.Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc

độ di chuyển ngược lại pha mang càng lớn Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấpphụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng

Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vịkhối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định về nồng độ vànhiệt độ

Dung lượng hấp phụ cân bằng được tính theo công thức:

m: khối lượng chất hấp phụ (g)

Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L)

Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/L)

Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch giảm đi do hấp phụ vớinồng độ dung dịch ban đầu:

- Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L)

- Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt đến trạng thái cân bằng hấp phụ(mg/L)

1.3.1.1 Khái niệm và tính chất của tro bay

Tro bay (tên tiếng Anh là Fly Ash), là phần mịn nhất của tro xỉ than Tro bayđược sản xuất từ việc đốt than cám trong lò hơi đốt than của nhà máy nhiệt điệnthan đá ở dạng bột mịn, những hạt bụi được đưa ra qua các đường ống khói sau đóđược thu hồi bằng phương pháp kết sương tĩnh điện học hoặc nhà kín hoặc máy thuchuyên dụng bằng phương pháp lốc xoáy Gọi là tro bay vì người ta dùng các luồngkhí để phân loại tro: khi thổi một luồng khí nhất định thì hạt to sẽ rơi xuống trước

và hạt nhỏ sẽ bay xa hơn Tro bay là một loại puzzolan nhân tạo, là tro đốt của thancám nên bản thân nó đã rất min, có cỡ hạt từ 1 – 10µm, trung bình 9 - 15µm; diệntích bề mặt từ 3000 – 6000 cm2/g khối lượng riêng khoảng 2,1g/cm3; màu sắc thayđổi từ xám tới đen Phụ thuộc vào nguồn và đặc điểm của than được đốt cháy màthành phần của tro bay thay đổi đáng kể, nhưng tất cả tro bay đều chứa một hàmlượng lớn Silic đioxit (SiO2) ở trạng thái vô định hình

Hình 1.1 Hình dạng và màu sắc của tro bay Phả Lại [8].

Dựa vào thành phần hóa học, tro bay được chia thành hai loại: loại C và loại

F Tro bay được nghiên cứu ở đây là tro bay của nhà máy nhiệt điện Phả Lại thuộcloại F Theo ASTM C 618-99, thành phần hoá học của tro bay loại C và loại F đượcthể hiện ở bảng 1.4

Bảng 1.2 Thành phần hoá học của tro bay ứng với các nguồn than khác nhau

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của các loại tro bay

1.3.1.2 Nguồn vật liệu tro bay

Hằng năm ước tính các Nhà máy nhiệt điện trên cả nước thải ra khoảng 1,3triệu tấn tro bay, tính đến năm 2010 thải ra khoảng 2,3 triệu tấn/ năm Trung bình,hiện mỗi ngày Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại 2 (Hải Dương) thải ra 3.000 tấn tro xỉ,trong đó 30% là than chưa cháy hết, còn lại là tro bay rất mịn Do hàm lượng than

dư này không cao, nên khó tận thu làm nhiên liệu đốt, mà thường được thải thẳng ra

hồ chứa Cùng với lượng tro xỉ tương đương của Nhiệt điện Phả Lại 1, mỗi ngày hainhà máy này đang xả lượng chất thải khổng lồ vào môi trường, lấp đầy hai hồ chứasâu mấy chục mét.Vấn đề hiện nay là sản xuất tro bay như thế nào Hiện công nghệ

từ nước ngoài không thể áp dụng cho tuyển tro bay ở Việt Nam, nhất là ở Nhà máynhiệt điện Phả Lại do đặc điểm khác biệt về công nghệ đốt và chất lượng than củanhà máy như: hàm lượng than trong tro bay quá cao (khoảng 30%) Những nghiêncứu gần đây, đã xây dựng nhà máy thu hồi chế biến tro bay Dự án được tiến hànhtháng 7/2006 với công suất thiết kế 80 nghìn tấn sản phẩm/ năm Thiết bị máy mócđược nhập từng phần từ Trung Quốc, xây dựng trên khu đất gần 10 nghìn m2, tổngvốn đầu tư là 17,7 tỉ đồng Hiện nay dây chuyền đã đi vào sản xuất ổn định với côngxuất 200 tấn/ngày, dự kiến công suất sẽ được nâng lên khi một dây chuyền nữađược đưa vào hoạt động vào cuối năm nay Sản phẩm làm ra đã được thị trường, cácnhà thầu đánh giá cao

Hình 1.2 Bãi chứa phế thải tro bay ở nhà máy nhiệt điện Phả Lại [9].

Hình 1.3 Nhà máy sản xuất tro bay tại nhà máy nhiệt điện Phả Lại [10].

1.3.1.3 Ứng dụng của tro bay

 Trong ngành sản xuất xi măng

- Nguyên liệu xi măng: có thể tháy thế gấp 4 – 5 lần lượng nguyên liệutrong xi măng bằng đất sét

- Hỗn hợp xi măng với tro bay: với xi măng Portland có thể trộn 5 –30%

- Hỗn hợp Re-me-con: đối với hợp chất Re-mo-con thông thường tùytheo mục đích sử dụng có thể thay thế 10 – 30% xi măng [11].

 Trong ngành xây dựng công trình dân dụng

- Đường xá: giảm co ngót, tăng cường độ đông đặc lâu dài, giảm ănmòn

- Cảng: tăng độ vững chắc, sức đề kháng hóa học

- Đập: giảm nhiệt thủy hóa, tăng độ vững chắc

- Kênh đào: tăng độ vững chắc, hiệu quả thi công cao

- Các trạm cứu trợ dưới nước: tăng độ vững chắc, sức đề kháng hóahọc

- Các công trình Grouting: tăng khoảng cách di chuyển với hiệu quả thicông vượt trội, giảm co ngót, làm chậm đông đặc [11]

 Trong các công trình kiến trúc

- Các công trình chống thấm: hiệu quả chống thấm vượt trội bằng việctăng sức đẩy nước

- Các công trình xây trát: tăng năng suất thi công, giảm nguyên liệu[11]

 Ứng dụng làm vật liệu hấp phụ trong xử lý môi trường

Tro bay thải Việt Nam chứa hàm lượng nhôm oxit và silic oxit cao đồng thờicòn một lượng cacbon chưa cháy hết, có thể tạo thành vật liệu hấp phụ có diện tích

bề mặt lớn, thể tích lỗ xốp cao

1.3.1.4 Ảnh hưởng của việc tồn trữ tro bay đến môi trường

- Gây bụi bẩn, ảnh hưởng đến bầu khí quyển( gây ra các bệnh về đường hôhấp)

- Do trong tro bay có chứa các chất độc hại nên tồn trữ ở các bãi chứatrong quá trình lâu dài sẽ làm ô nhiễm nguồn nước ngầm

Hình 1.4 Cấu tạo phân tử Red Congo [12]

- Ứng dụng trong ngành dệt may làm thuốc nhuộm vải

- Sử dụng trong dịch tễ học để nhanh chóng xác định sự hiện diện củađộc huyết thanh 2a Shigella flexneri

 Tác hại

Vì chất màu Red Congo là loại chất màu thuộc nhóm thuốc nhuộm azo nên

nó cũng có những tác hại giống như nhóm thuốc nhuộm này:

- Gây dị ứng da

- Tác nhân gây ung thư

CHƯƠNG 2 – THỰC NGHIỆM

2.1 Đối tượng nghiên cứu

 Tro bay (Fly Ash, viết tắt: FA), tro bay được sử dụng trong đồ án này làtro bay của nhà máy nhiệt điện Phả Lại

 Chất màu Red Congo (xuất xứ Trung Quốc) có độ tinh khiết 99%

2.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu biến tính tro bay Phả Lại làm vật liệu hấp phụ,ứng dụng trong xử lý chất màu Red Congo

 Xử lý nguồn rác thải tro bay công nghiệp

 Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý phẩmnhuộm bằng tro bay sau biến tính, nhằm tìm ra điều kiện tốt nhất để xử lýmàu chất màu Red Congo nói riêng và lấy cơ sở xử lý màu phẩm nhuộmnói chung sao cho kết quả xử lý là tốt nhất với giá thành hợp lý

2.3 Dụng cụ và hóa chất

Bảng 2.1 Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm

2 NaOH khan (98%) (nguồn gốc Trung quốc) Chất biến tính

3 Phẩm nhuộm Red Congo (99%), (nguồn

- Các mẫu sau đó được bảo quản ở nhiệt độ 100oC trong 24h Dungdịch cuối cùng thu được, được lọc rửa sạch bằng nước cất rồi đem sấykhô ở nhiệt độ 70oC trong 24h

Sơ đồ quá trình biến tính tro bay được đưa ra trên hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ khối biến tính tro bay bằng dung dịch NaOH

Kết quả thu được các mẫu tro bay biến tính được tổng hợp ở bảng 2.3

Bảng 2.3 Các mẫu tro bay và điều kiện biến tính

Lượng NaOH (M)

Nhiệt độ khuấy(C)

Thời gian khuấy(h)

2.4.2 Nghiên cứu xử lý chất màu Red Congo bằng phương pháp hấp phụ

2.4.2.1 Chuẩn bị dung dịch Red Congo

- Cân các lượng phẩm nhuộc khác nhau để pha các dung dịch với những nồng

độ nhất định nhằm xây dựng đường chuẩn theo phương pháp đo UV-Vis vàkhảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ Red Congo đến khả năng hấp phụ của trobay sau biến tính

- Cân một lượng phẩm nhuộm nhất định cho vào 100ml nước cất (nồng độRed Congo trong dung dịch được thay đổi tùy theo từng thí nghiệm khảosát)

- Khuấy đều bằng máy khuấy từ trong thời gian 10 phút, thu được dung dịchRed Congo có nồng độ xác định

2.4.2.2 Khảo sát khả năng xử lý chất màu Red Congo của tro bay.

- Mỗi thí nghiệm sử dụng 0,25g tro bay biến tính bằng dung dịch NaOH tạicác điều kiện xác định

- Lượng dung dịch Red Congo ở các nồng độ khác nhau được sử dụng trongmỗi thí nghiệm là 100ml

- Cho một lượng thích hợp dung dịch NaOH 0,1M và HCl 0,1M để điều chỉnh

pH của dung dịch Red Congo ban đầu theo từng thí nghiệm khảo sát

- Khuấy đều bằng máy khuấy từ theo những khoảng thời gian nhất định tùytheo từng thí nghiệm khảo sát.

- Sau khoảng thời gian xác định, mẫu được ly tâm, tách loại phần rắn, dungdịch tách ra được xác định nồng độ Red Congo theo phép đo UV – VIS

Quá trình xử lý Red Congo của tro bay được thể hiện cụ thể qua những nghiên cứu khảo sát sau đây:

 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính tro bay

Trình tự tiến hành nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trìnhbiến tính tro bay được thể hiện cụ thể qua sơ đồ ở hình 2.2

SV: Cao Xuân Kháng 29 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53

Tro bay biến tính

(0,25g)

Dung dịch RC (100ml)

Ly tâm loại bỏ phần rắn

Đo UV-VIS dung dịch thu đượcKhuấy (400 vòng/phút) trong 30 phút

ở nhiệt độ phòng

Hình 2.2 Sơ đồ khối khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính tro bay

 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý chất màu Red Congo củatro bay biến tính

- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ

Quá trình nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến khả năng

xử lý chất màu RC của tro bay biến tính được thể hiện cụ thể qua sơ đồ ở hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến khả năng xử lý

chất màu RC của tro bay biến tính

- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Red Congo

Quá trình nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của nồng độ RC đến khả năng xử

lý RC của tro bay biến tính được thể hiện cụ thể qua sơ đồ ở hình 2.4

SV: Cao Xuân Kháng 31 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53

KMS10 (0,25g)

Dung dịch RC 100ml(nồng độ: 20mg/l, 30mg/l, 40mg/l, 50mg/l, 60mg/l, 70mg/l, 80mg/l)

Khuấy (400 vòng/phút) trong 40 phút ở nhiệt độ phòng

Ly tâm loại bỏ phần rắn

Đo UV-VIS dung dịch thu được

Hình 2.4 Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng của nồng độ RC đến khả năng xử lý RC

của tro bay biến tính

- Khảo sát ảnh hưởng pH của dung dịch RC ban đầu

Quá trình nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch RC ban đầu đếnkhả năng xử lý RC của tro bay biến tính được thể hiện cụ thể qua sơ đồ ở hình 2.5

Dung dịch HCl 0,1M, NaOH 0,1M

Dung dịch RC 100ml (60mg/l)

Dung dịch RC pH: 4, 5, 6,

Khuấy (400 vòng/phút) trong 40 phút ở nhiệt độ phòng

Ly tâm loại bỏ phần rắn

Đo UV-VIS dung dịch thu được

Hình 2.5 Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch RC ban đầu đến khả

năng xử lý RC của tro bay biến tính

2.5 Các phương pháp phân tích, đánh giá thực nhiệm

2.5.1 Phương pháp XRD

a) Nguyên tắc

Theo lí thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được cấu tạo từ những nguyên

tử hay ion phân bố một cách đều đặn trong không gian theo một quy luật xác định

Có khoảng 95% chất rắn tồn tại dưới dạng tinh thể

Khoảng cách giữa các nguyên tử hay ion trong tinh thể chỉ khoảng vàiangstrom, xấp xỉ bước sóng của tia X Khi chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi vàobên trong mạng lưới tinh thể thì mạng lưới này đóng vai trò như một cách tử nhiễu