tìm hiểu về thuốc nhuộm hoạt tính và ứng dụng trong ngành may dệt

Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Môn: tổng hợp hữu GVHD: Nguyễn Văn Sơn Đề tài: tìm hiểu về thuốc nhuộm hoạt tính và ứng dụng ngành may dệt Thành viên nhóm 4: Mai Tiến Khang Nguyễn Trọng Hoàng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN Tổng quan thuốc nhuộm Giới thiệu thuốc nhuộm Khái niệm thuốc nhuộm Thuốc nhuộm tên chung hợp ch ất hữu có màu (gốc thiên nhiên t hợp) đa dạng màu sắc chủng loại, chúng có khả nhu ộm màu, ngh ĩa bắt màu hay gắn màu trực tiếp cho vật liệu khác 1.1 Các loại thuốc nhuộm Phần nhiều lọai thuốc nhuộm, dựa tính ch ất lý hóa chúng, s ẽ thâm nh ập vào tế bào cấu trúc tế bào Trong màu nhuộm, chất có tính tạo màu thường d ạng ion Khi ch ất màu có điện dương (+), chúng có tính cách kềm Khi ch ất màu có mang điện âm (-) chúng có tính acid Lệ thuộc vào độ pH dung môi chất màu s ẽ d ạng ion ho ặc không dạng ion 1.2 Cách gọi tên Gồm phần - Phần thứ 1: viết chữ, tên phân lớp kỹ thuật thuốc nhu ộm - Phần thứ 2: viết chữ, thường tính từ màu sắc thuốc nhu ộm - Phần thứ 3: viết chữ chữ số sắc thái cường độ thuốc nhuộm Để cường độ màu người ta dùng hai chữ liền với BB, RR …., thêm vào chữ số như: 2R, 6B, 4G… Cấu tạo màu sắc thuốc nhuộm 2.1 Ánh sáng màu sắc Màu sắc kết tương tác ánh sáng với vật thể Màu mà mắt nhận màu phụ với màu hấp thụ Mắt ch ỉ nh ận dao động điện từ ánh sáng vùng có bước sóng 400-750 micromet Khi ánh sáng trắng đập vào vật thể bị phản x hoàn toàn m ta th v ật th ể màu trắng Toàn tia sáng đập vật thể bị hấp thụ hết vật có màu đen Vật thể hấp thụ số tia tán xạ tia lại mắt cho ta th v ật có màu tia không bị hấp thụ tán xạ Như vậy, màu sắc nói hấp thụ chọn lọc miền xác định ph ổ liên tục ánh sáng đập vào mắt Bảng 1.1: Mối liên hệ bước sóng hấp thụ vào màu s ắc v ật h ấp th ụ Tên mau ̀ Bước song ́ nm Tim ́ luc_vang ̣ ̀ 400-435 Luc̣ vang ̀ 435-480 Lam_luc̣ nhaṭ da cam 480-490 Tên mau ̀ Luc̣ vang-tim ̀ ́ Vang ̀ lam Da cam lam_luc̣ Bước song ́ nm 560-580 580-590 595-600 nhaṭ Luc_lam ̣ nhaṭ đỏ 490-500 Luc̣ đỏ đỏ tia ́ 500-560 Dỏ luc_lam ̣ nhaṭ 605-750 Cấu tạo màu sắc Năng lượng xạ phụ thuộc vào bước sóng tần s ố x Vùng nhìn th hẹp có lượng từ 110-69 kcal/mol Trong hóa học hữu hợp chất có màu thường phân tử c t ạo thành t liên kết p liên kết d Các chất có màu có liên kết p liên hợp, phân t chúng có nh ững nhóm đặc bi ệt có tác dụng làm mở rộng hệ liên kết kéo dài h ệ liên hợp p Phân loại màu nhuộm + Màu (hoặc màu thiên nhiên): chất màu có s ẵn t ế bào nh chlorophyll, hemoglobin, anthocyane + Màu thứ cấp: loại màu sẵn tế bào, mà dùng để nhu ộm đưa vào tế bào Loại bao gồm màu thiên nhiên như: Safranin, ho ặc lo ại màu nhân tạo + Màu nhuộm sống (vitalis): tất loại màu dùng để nhu ộm tế bào ho ạt động, sống + Màu bright field (diachrome): loại màu h ấp thụ m ột ph ần ánh sáng ánh sáng trắng (bright field) kính màu Loại có t ự nhiên t ế bào chlorophyll, hemoglobin anthocyan + Màu fluorescence ( Fluorochrome): màu fluorescence có đặc tính không ch ỉ h ấp th ụ phần ánh sáng bright field, mà chúng phóng m ột ph ần ánh sáng h ấp th ụ ngược trở lại Cơ chế liên kết thuốc nhuộm với vật liệu 1.1.3.1 Liên kết ion Liên kết thực gốc mang màu tích điện âm thu ốc nhu ộm (axít, trực tiếp) tâm tích điện dương vật liệu Trong trình nhuộm, tiếp cận với vật liệu, ion âm thu ốc nhu ộm s ẽ b ị thu hút tâm tích điện dương thực liên kết ion hay g ọi liên kết mu ối sau: HOOC-P-NH3+ + -O3S-Ar HOOC-P-NH3+ O3S-Ar Nhờ có lượng lớn nên thuốc nhuộm liên kết với vật liệu m ạnh, t ốc độ b màu nhanh, phải điều chỉnh tốc độ nhuộm cách điều chỉnh trị số pH dung d ịch nhuộm 1.1.3.2 Liên kết Hydro Liên kết hydro thực nhóm định chức xơ thu ốc nhu ộm nh ư: hydroxyl, nhóm amin, nhóm amít nhóm carboxyl Khi phân tử thuốc nhuộm tiếp cận với vật liệu khoảng cách c ần thi ết lực liên k ết hydro phát sinh tương tác nhóm định chức với Liên kết hydro có vai trò quan tr ọng s ố trường hợp để c ố định thu ốc nhu ộm vật liệu 1.1.3.3 Liên kết hóa trị Liên kết hóa trị thực chủ yếu thuốc nhuộm hoạt tính với vật li ệu ch ứa nhóm hydroxyl nhóm amin Liên kết hóa trị giúp cho màu vật liệu nhu ộm b ằng thu ốc nhu ộm ho ạt tính có độ b ền màu cao với nhều tiêu, đặc biệt với xử lý ướt 1.1.3.4 Liên kết Vander Waals Liên kết Vander Waals thực hầu hết lớp thuốc nhu ộm tương tác với vật liệu Liên kết Vander Waals coi tổ hợp lực hút: lưỡng cực, phân c ực c ảm ứng lực phân tán 1.1.4 Phân loại thuốc nhuộm 1.1.4.1 Phân loại theo cấu tạo hóa học + Thuốc nhuộm Nitro: Phân tử thuốc nhuộm có từ hai nhi ều nhân đơn (benzen, naphtalen) nhóm nitro (NO2) nhóm cho ện tử (NH2,OH) + Thuốc nhuộm azo: loại thuốc nhuộm quan trọng có l ịch s phát tri ển r ất lâu đời, chiếm khoảng 50% tổng sản phẩm lượng thuốc nhuộm Trong phân tử chứa ho ặc nhiều nhóm azo + Thuốc nhuộm Antraquinon: phân tử có nhiều nhóm Antraquinon ho ặc dẫn xuất gốc + Thuốc nhuộm Indigoit: loại thuốc nhuộm trước có ngu ồn g ốc t th ực v ật màu xanh sẫm trích từ chàm + Thuốc nhuộm lưư huỳnh: gốc thuốc nhuộm có chứa nhiều nguyên t l ưu huỳnh Gốc mang màu: + Thuốc nhuộm Arylmetan: dẫn xuất mêtan, nguyên t cacbon trung tâm tham gia vào mạch liên kết hệ th ống mang màu + Thuốc nhuộm hoàn nguyên đa vòng: phân tử có h ệ mang màu h ợp ch ất đa tụ antraquinon với vòng dị thể khác tạo nên mạch đa vòng Phân loại theo lớp kỹ thuật + Thuốc nhuộm hoạt tính: hợp chất màu mà phân tử c chúng có ch ứa nhóm nguyên tử thực mối liên kết cộng hóa trị với vật liệu nói chung nhờ nên độ bền màu cao Các loại thuốc nhuộm thuộc nhóm có công thức cấu tạo t quát là: S-R-T-X Trong đó: S: nhóm làm cho thuốc nhuộm có tính tan R: phần mang màu, thường hợp chất Azo(-N=N), antraquynon, axit chứa kim loại ftaloxiamin T: gốc mang nhóm phản ứng X: nguyên tử hay nhóm phản ứng Loại thuốc nhuộm thải vào môi trường có khả t ạo thành amin thơm xem tác nhân gây ung thư + Thuốc nhuộm axít: thuốc nhuộm có đặc điểm chung hòa tan nước thường dùng để nhuộm lông thú nhuộm da Theo cấu tạo hóa học, đa số loại thuốc nhuộm thuộc nhóm azo, m ột s ố tạo phức với kim loại Công thức tổng quát viết dạng: Ar-SO3Na Trong đó: Ar-SO3: ion mang màu + Thuốc nhuộm trực tiếp: loại thuốc nhuộm tự bắt màu, chúng nh ững h ợp ch ất màu tự hòa tan nước có khả tự bắt màu với vật liệu m ột cách tr ực tiếp nhờ lực hấp thụ môi trường trung tính ho ặc kiềm Hầu hết chúng thuộc nhóm azo, số dẫn xuất dioxazin ftaloxianin, nh ưng dạng tổng quát chung biểu diễn: Ar-SO3Na Với Ar gốc hữu mang màu thuốc nhuộm + Thuốc nhuộm hoàn nguyên: hợp ch ất màu hữu không hòa tan nước, có cấu tạo hóa học màu sắc khác chúng có chung m ột tính chất Tất chứa nhóm ceton phân tử có dạng t quát là: + Thuốc nhuộm phân tán: hợp chất màu không tan n ước phân tử không chứa nhóm tạo tính tan –SO3Na, -COONa, có kích thước phân t nh ỏ, kh ối lượng phân tử không lớn, cấu tạo không phức tạp Phân tử chứa nhóm –NH2, -HR2, -OH, -OR (R gốc alkyl, aryl, alkyl hydroxyl) Tổng quan thuốc nhuộm trực tiếp Đặc điểm Thuốc nhuộm trực tiếp hay gọi thuốc nhuộm tự bắt màu, hợp ch ất hoà tan nước, có khả tự bắt màu vào số vật liệu như: xơ xenlulô, gi ấy, tơ t ằm, da xơ polyamit màu cách trực tiếp nhờ lực h ấp phụ môi trường trung tính kiềm Hầu hết thuốc nhuộm trực tiếp thuộc nhóm azo, số d ẫn xu ất c đioxazin ftaloxianin, tất sản xuất dạng muối Natri axit sunfonic hay cacboxylic hữu cơ, vài trường hợp sản xuất dạng muối amoni kali, nên viết dạng tổng quát là: Ar – SO3Na Với Ar gốc hữu mang màu thuốc nhuộm Khi hoà tan vào nước thuốc nhuộm phân ly sau: Ar – SO3Na Ar – SO3- + Na+ Ion Ar – SO3- ion mang màu, tích điện âm Khả tự bắt màu thuốc nhuộm trực tiếp phụ thuộc vào yếu tố đây: - Phân tử thuốc nhuộm phải chứa hệ thống mối liên kết n ối đôi cách không d ưới tám kể từ đầu nhóm trợ màu đến đầu nhóm trợ màu kia, phân tử thu ốc nhuộm trạng thái chưa bảo hoà hoá trị có khả thực liên kết Vander Waals liên kết Hydro với vật liệu - Phân tử thuốc nhuộm phải thẳng xơ xenlulô nói riêng nh ững v ật li ệu mà thu ốc nhuộm có khả bắt màu điều có cấu tạo phân tử mạch th ẳng, có v ậy phân t thuốc nhuộm dễ dàng tiếp cận với vật liệu thực liên kết - Phân tử thuốc nhuộm phải có cấu tạo thẳng, nhân thơm ho ặc nhóm ch ức c thuốc nhuộm phải nằm mặt phẳng để có th ể ti ếp cận cao nh ất với m ặt phẳng phân tử vật liệu, yếu tố quan trọng cho vi ệc phát sinh trì lực liên kết với vật liệu Cấu tạo hóa học Thuốc nhuộm trực tiếp loại thuốc nhuộm mà ion mang màu thu ốc nhu ộm liên kết với xenlulô lực liên kết hóa học phân tử thu ốc nhu ộm xen k ẻ v ới x s ợi lực liên kết Vander Waals … - Chúng tan môi trường trung tính, môi trường t ốt để nhu ộm pH = 7, môi tr ường kiềm yếu Nhiệt độ tối ưu trình nhuộm từ 50-60oC - Thuốc nhuộm trực tiếp có cấu tạo muối sunfonat hợp ch ất hữu c ơ, thường muối diazo có gốc S SO3Na … - Đặc điểm chung phân tử có hệ thống nối đôi liên hợp thẳng phẳng, nhóm SO3Na xếp thẳng góc với phân tử thuốc nhuộm thẳng hàng nên có lực mạnh với sợi xenlulô - Công thức chung đơn giản loại chứa tám nối đôi liên hợp th ường nhiều nhân thơm tối thiểu có nhóm ưa nước SO3Na + Thuốc nhuộm trực tiếp azo: phân tử chứa m ột ho ặc nhiều nhóm azo (- N = N -), nhóm chiếm đại phận thuốc nhuộm trực tiếp xếp thành b ốn lo ại: lo ại thông thường, loại có độ bền màu cao, loại chứa có khả kết h ợp với ion kim loại thành phức không tan loại có khả điazo hoá sau nhu ộm + Thuốc nhuộm trực tiếp dẫn xuất đioxazin + Thuốc nhuộm trực tiếp dẫn xuất ftaloxyanin Dựa vào tiêu độ bền màu phương pháp sử dụng thu ốc nhu ộm trực ti ếp chia làm bốn nhóm: - Gồm màu có độ bền với ánh sáng cấp bốn (theo thang tám c ấp), độ bền với xử lý ướt cấp ba (theo thang năm cấp) - Gồm thuốc nhuộm trực tiếp có độ bền ánh sáng cấp b ốn, b ền v ới xử lý ướt mức trung bình, sau cầm màu độ bền tăng lên - Gồm thuốc nhuộm cần xử lý cầm màu với muối đồng nên tên g ọi có chữ “cupro”, độ bền màu với giặt đạt cấp ba, với ánh sáng không d ưới c ấp n ăm - Gồm thuốc nhuộm điazo hoá vải kết hợp tiếp với m ột thành ph ần azo để tăng độ bền màu với giặt lên p hãng tiếng th ế giới có th ể xem bảng sau: cấp bốn Nước sản xuất Hãng sản xuất Tên nhóm thuốc nhu ộm trực tiếp 1234 Anh ICI Chlorazol Durazol,fixazol Durazol cupro Chlorazol Balan Chemicolor Direct Helion Diazo Đức Bayer Benzo ánh Sirius bền Benzo cuprol Benzamin Đức Sirius supra Benzo cuper Benzo para Hochst Remastral Dianin BASF Lurantin Wolfen Columbia Solamin Cupracon Naftogen Solamin –fau Zambenzi Mỹ D- pont pontamine Pomtamin fast Pontamin cuper Pontamin diazo 1.1.4.2 Tính chất kỹ thuật thuốc nhuộm trực tiếp Khi chuẩn bị dung dịch nhuộm với thuốc nhuộm trực tiếp khó tan c ần ph ải thêm natri cacbonat vào máng để tạo môi trường kiềm yếu + Nhiệt độ nhuộm độ hấp phụ tối ưu: tiêu xác định theo mức độ hấp phụ tối đa vải dung dịch thuốc nhu ộm có n ồng độ khác để nhận màu có nồng độ trung bình Nhiệt độ nhuộm tối ưu thu ốc nhu ộm trực tiếp khoảng từ 750C đến 950C tuỳ thu ộc vào m ỗi màu loại v ật li ệu Độ h ấp phụ tối ưu xác định nhuộm sợi làm bóng nhiệt độ tối ưu với dung tỷ 40 có mặt 15% muối ăn Số liệu hay đồ thị hấp phụ tối ưu m ỗi thu ốc nhuộm sử dụng ghép màu với thuốc nhuộm khác + Độ bền màu biến sắc: thuốc nhuộm trực tiếp có ưu điểm có đủ gam màu từ vàng đến đen, màu tương đối tươi, song nhiều thuốc nhuộm trực tiếp b ền màu với giặt ánh sáng Độ bền màu ánh màu thuốc nhu ộm trực tiếp s ẽ thay đổi nhuộm cho vật liệu khác Để nâng cao độ bền màu cho vật liệu nhu ộm b ằng thuốc nhuộm trực tiếp người ta dùng biện pháp khác ph ổ bi ến h ơn c ả dùng chế phẩm từ nhựa cao phân tử tích điện trái dấu với thu ốc nhu ộm muối kim loại nặng Sau cầm màu chế phầm độ bền với gi ặt ánh sáng tăng lên 1-2 cấp màu tươi (bị biến sắc) Các chế phẩm cầm màu cho vật liệu nhuộm thuốc nhuộm trực tiếp hãng sản xuất sử dụng phổ biến ngành dệt gồm có: mu ối copratin II, mu ối copratin TS, Sapamin, Sapamin A, Sapamin CH, Sapamin BCH, Sapamin MS, Sapamin KW, muối ăn không cần hãm màu Phạm vi sử dụng Do có khả tự bắt màu, công nghệ nhuộm đơn giản rẻ nên thu ốc nhu ộm tr ực tiếp sử dụng nhiều lĩnh vực khác như: để nhuộm ngành d ệt (v ải, sợi,bông, hàng dệt kim từ bông, lụa visco, lụa, tơ tằm, sợi polyamit, sợi đay), để nhu ộm giấy, nhuộm sản phẩm từ tre nứa, mành trúc, để nhu ộm da chế mực viết Một số thuốc nhuộm trực tiếp có độ bền màu cao dùng để nhuộm m ột số vải sợi kể hàng dệt kim từ sợi có thành ph ần v ải pha Thuốc nhuộm trực tiếp dùng phổ biến để nhuộm lụa visco kể thành ph ần visco vải pha Do xơ visco có cấu trúc xốp nên dễ b màu b ằng lo ại thu ốc nhuộm này, màu bền tươi so với nhu ộm v ải Tơ t ằm m ặt hàng dệt quý nhuộm thuốc nhuộm trực tiếp Thành ph ần nhu ộm công nghệ nhuộm tương tự vải bông, điều khác chủ yếu phải kh ống chế tr ị số pH để không ảnh hưởng đến độ bền tơ (pH=8-8,5), phải dùng phẩm dệt từ xơ polyamit với gam màu nhạt Đặc biệt dùng để nhuộm vải lanh, sợi đay sợi từ xơ libe cho màu bền tươi Trong công nghiệp giấy thuốc nhuộm trực tiếp dùng để nhuộm gi ho ặc b ằng cách đưa vào bể chứa bột giấy trước xeo nhuộm ph ủ mặt b ằng cách cán ép quét dung dịch thuốc nhuộm lên giấy Trong công nghi ệp thu ộc da m ột s ố thuốc nhuộm trực tiếp dùng để nhuộm da màu đen, nâu s ố màu xanh Ở nước ta thuốc nhuộm trực tiếp dùng để nhuộm hàng mây tre, mành trúc, đồ dùng đan từ tre nứa, tăm hương nhuộm gỗ trước phủ vecni Nước thải ngành dệt nhuộm 1.1.1 Thành phần tính chất nước thải dệt nhu ộm Đề tài chúng em nghiên cứu khả khừ màu thuốc nhu ộm trục ti ếp, m ột ph ần việc xử lý nước thải dệt nhuộm Để hiểu rõ nước thải dệt nhuộm có hướng ứng dụng đề tài hợp lý nhất, chúng em tìm hiểu phần nước thải mà chủ yếu nước thải dệt nhuộm Ngành dệt nhuộm ngành công nghiệp có dây truy ền công ngh ệ ph ức t ạp, áp d ụng nhiều loại hình công nghệ khác Đồng thời trình s ản xu ất s d ụng nguồn nguyên liệu, hóa chất khác sản xu ất nhi ều m ặt hàng có m ẫu mã, màu sắc, chủng loại khác Ở nước ta đạt 2000 triệu mét vải/năm Công nghệ dệt sợi, in hoa ngày phát triển hi ện đại, đồng thời dùng lượng nước ngày tăng, lượng nước thải l ớn Trong trình dệt nhuộm phải sử dụng nhiều hóa ch ất phụ gia thu ốc nhu ộm, nên n ước thải công nghệ dệt nhuộm bị ô nhiễm nặng có độc tính Nguồn nước thải phát sinh công nghệ dệt nhuộm từ công đo ạn h sợi, gi ũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm hoàn tất, lượng nước thải chủ yếu trình gi ặt sau công đoạn Nhu cầu sử dụng nước nhà máy dệt nhu ộm r ất lớn thay đổi theo mặt hàng khác Các kết phân tích đặc điểm nước thải cho thấy: - Lượng nước thải thường lớn (khoảng 50 đến 3000m3 nước cho hàng dệt) chủ yếu từ công đoạn dệt nhuộm nấu tẩy - Nước thải chứa hỗn hợp phức tạp hóa chất dư thừa (phẩm nhu ộm, chất hoạt động bề mặt, chất điện ly, chất ngấm, chất tạo môi trường, men, chất oxy hóa) dạng ion, kim loại nặng tạp chất tách từ x s ợi Nước th ải gi ặt có pH dao động từ 9-12, hàm lượng chất hữu cao (COD lên tới 1000-3000mg/l) Độ màu nước thải lớn giai đoạn tẩy ban đầu lên tới 10.000 PtCo, hàm lượng cặn lơ lửng đạt giá trị 2000mg/l Nước thải nhu ộm thường không ổn định đa dạng (hiệu hấp thụ thuốc nhuộm v ải đạt 60-70%, 30-40% phẩm nhuộm thừa dạng nguyên thủy bị phân hủy d ạng khác, n ước có độ màu cao lên đến 50.000 Pt-Co COD thay đổi từ 80-18.000 mg/l Các phẩm nhuộm hoạt tính, hoàn nguyên, thường thải trực tiếp môi tr ường, l ượng ph ẩm nhuộm thừa lớn dẫn đến gia tăng chất hữu độ màu - Mức độ ô nhiễm nước thải dệt nhuộm phụ thuộc lớn vào lo ại lượng hóa chất sử dụng, vào kết cấu mặt hàng sản xuất (tẩy trắng, nhuộm, in hoa…), vào t ỷ l ệ s dụng sợi tổng hợp, vào loại hình công nghệ sản xuất (gián đo ạn, liên t ục hay bán liên tục), vào đặc tính máy móc thiết bị sử dụng… Các chất rắn nước thải dệt nhuộm Chất rắn chủ yếu nhà máy dệt nhuộm báo gồm chất th ải hiệu qu ả sử lý sinh học như: vải vụn, bụi bông, bao bì, chai lọ thủy tinh đựng hóa ch ất, gi v ụn, két nhựa, xỉ than, cặn dầu bụi cặn xử lý nước Crom VI, kim loại nặng, polime t hợp, xơ sợi, muối trung tính, chất hoạt động bề mặt 1.1.2 Các thông số đánh giá chất lượng nước thải dệt nhuộm + Nhiệt độ + pH + BOD5 + COD + Hàm lượng cặn lơ lửng + Oxi hòa tan + Độ đục + Tổng N + Tổng P + Kim loại nặng + Coliform Nhu cầu nước nước thải xí nghiệp dệt nhuộm Nhu cầu sử dụng nước cho công nghệ dệt nhuộm lớn: từ 12 đến 65 lít n ước cho 1m vải thải từ 10 đến 40 lít nước Nước dùng nhà máy dệt đại thể phân bổ sau: - Sản xuất nước 5,3% - Làm mát thiết bị 6,4% - Phun mù khử bụi phân xưởng 7,8% - Nước dùng công đoạn công nghệ 72,3% - Nước vệ sinh sinh hoạt 7,6% - Phòng hỏa cho việc khác 0,6% 100,0% Nước thải mặt hàng dệt tính theo H.Ruffer sau: - Hàng len nhuộm, dệt thoi (bao gồm c ả xử lí sơ b ộ nhu ộm 100 đến 250 m3/1 t ấn vải) - Hàng vải bông, nhuộm, dệt thoi 80 đến 240m3/1 v ải, bao g ồm: Hồ sợi: 0,02 m3 Nấu, giũ hồ, tẩy: 30 đến 120 m3 Nhuộm: 50 đến 120 m3 - Hàng vải in hoa, dệt thoi 65¬ đến 280m3/1 t ấn v ải, bao g ồm: Hồ sợi: 0,02 m3 Giũ hồ, nấu tẩy: 30 đến 120 m3 In, sấy: - 20 m3 Giặt: 30 - 140 m3 - Chăn len màu từ sợi polyacrylonitrit 40 - 140 m3/1 t ấn, bao g ồm: Nhuộm sợi: 30 - 80 m3 Giặt sau dệt: 10 - 70 m3 - Vải trắng từ polyacrylonitrit 20 - 60 m3/1t ấn Tác nhân gây ô nhiễm đặc tính dòng thải Các chất gây ô nhiễm nước thải dệt nhuộm là: - Tạp chất tách từ xơ sợi dầu mỡ, hợp chất chứa nitơ, pectin, ch ất b ẩn dính vào sợi ( trung bình 6% khối lượng xơ sợi) - Các hóa chất dùng trình công nghệ: h tinh b ột, tinh b ột bi ến tính, dextrin, alginat, loại acid, NaOH, NaOCl, H2O2, Na2CO3, Na2SO3…các lo ại thu ốc nhu ộm, chất trợ, chất ngấm, chất cầm màu, chất tẩy giặt Lượng hóa ch ất sử d ụng đối v ới loại vải, loại màu thường khác chủ yếu vào nước thải c t ừng công đoạn tương ứng + Nhu cầu ôxy sinh hoá: số quan trọng ô nhiễm nước th ải; s ố mức độ ô nhiễm nước ô nhiễm dựa chất hữu Theo đó, nước sục khí đủ đưa vào bình nút kín với Nitơ, Phôt pho, Magiê chất dinh dưỡng khác Trong bình khác, b ỏ vào m ột l ượng xác định nước ô nhiễm, vi sinh vật bổ sung vào bình Sau n ăm ngày để yên, hàm lượng ôxy (ôxy hoà tan) bình đo để lấy giá trị ch ất gây ô nhi ễm hữu nước ô nhiễm Lượng ôxy tiêu thụ tỷ lệ thuận với lượng chất hữu theo cách trình chuyển hoá người Thông thường bình để yên năm ngày 20 0C Giá trị nh ận gọi BOD + Nhu cầu oxy hóa học: COD khác với BOD chỗ đo nhu cầu ôxy c ần để phân hu ỷ chất hữu nước ô nhiễm; sử dụng chất ôxy hoá m ạnh pecmanganat kali bicromat kali Trong BOD nồng độ chất dễ bị phân huỷ sinh học COD ch ỉ nồng độ chất dễ dàng bị phân huỷ “hoá học” Kết số đo COD không ch ỉ nguồn chất dinh dưỡng cho vi sinh vật sunphat sắt (II) axit nit hoá tr ị III, giá trị cao nước chứa chất dễ liên kết hoá h ọc với ôxy M ặc dầu axit axetic nguồn dinh dưỡng tương tự cho vi sinh v ật có th ể đo BOD, chúng đo COD BOD COD sinh giá tr ị hoàn toàn khác nhau, hai ngày dùng nh s ố s ự ô nhiễm Có thể sử dụng nhiều số khác để phân loại cường độ dòng th ải từ trình xử lý dệt bảng 2.1 Bảng 2.1 Các đặc tính dòng thải tổng thể cho nhà máy d ệt Các số Vải dệt thoi Vải dệt kim Nhuộm/Xử lý hoàn tất sợi Nhu cầu ôxy sinh học (mg/l) 550 250 200 Các chất rắn lơ lửng (mg/l) 185 300 50 Nhu cầu ôxy hoá học (mg/l) 850 850 524 Sunphit (mg/l) 0-2 Màu (ADMI) 325 400 600 pH 7-11 6-9 7-12 Sử dụng nước (l/kg) 297 277 297 Qua thực tế thấy: ngành công nghiệp dệt nhuộm có nhiều v ẻ, r ất đa d ạng, đặc trưng, tác động làm ô nhiễm nước thải Mỗi công đo ạn c công ngh ệ có dạng nước thải đặc tính chúng Công đoạn Chất ô nhiễm nước thải Đặc tính nước thải Hồ sợi, giũ hồ Tinh bột, glucozơ, carboxy metyl xelulozơ, polyvinyl alcol, nh ựa, ch ất béo sáp BOD cao (34-50% tổng sản lượng BOD) Nấu, tẩy NaOH, chất sáp dầu mỡ, tro, soda, silicat natri sơ sợi v ụn Độ kiềm cao, màu tối, BOD cao (30% tổng BOD) Tẩy trắng Hipoclorit, hợp chất chứa clo, NaOH, AOX, acid… Độ kiềm cao, chi ếm 5% BOD Làm bóng NaOH, tạp chất Độ kiềm cao, BOD thấp (dưới 1% t BOD) Nhuộm Các loại thuốc nhuộm, acid axetic mu ối kim loại Độ màu r ất cao, BOD cao (6% tổng BOD), TS cao In Chất màu, tinh bột, dầu, đất sét, muối kim loại, acid… Độ màu cao, BOD cao d ầu mỡ Hoàn thiện Vệt tinh bột, mỡ động vật muối Kiềm nhẹ, BOD thấp, l ượng nh ỏ Thực tế ô nhiễm nước thải phụ thuộc vào: - Loại sợi tự nhiên hay tổng hợp - Phương pháp nhuộm (bề rộng, máy nhuộm, nồi hấp cao c ấp…) in hoa - Hóa chất làm phẩm nhuộm, in hoa làm chất ph ụ trợ, ch ất dùng để x lý s nước thải có số đặc tính sau: + pH từ - 12, thường kiềm; 4,5 cho dệt len tơ tằm, 11 cho s ợi + COD: 250 - 1500 mg/l (50 - 150 kg/tấn) + BOD: 80 - 500 mg/l với tỉ lệ COD:BOD5 = đến + Mầu sắc từ 500 - 2000 đơn vị Pt-Co + Chất rắn lơ lửng (huyền phù SS): 30 - 40 mg/l ( phong phú, s s ợi, lông t ơ), tới 1000mg/l (trường hợp với bông) Trong công đoạn t ẩy trắng, nước th ải thường mang theo hóa chất dùng để tẩy vải làm vải như: NaOH, cacbonat, tripolyphosphat, loại xà phòng, thuốc tẩy, l ơ, d ẫn xu ất clo - Hàm lượng chất gây ô nhiễm nước thải loại hình công ngh ệ loại sản phẩm thường khác thay đổi từ sở sang sở khác Các giá trị phải đo lấy mẫu phân tích cho sở nh thời ểm khác sở Qua khảo sát số sở dệt nhuộm Việt Nam, nước thải sở sơ phân tích thu bảng 2.3 (Số liệu TT khoa học CN môi trường, Bách Khoa, Hà Nội, 1997) Các thông số (xí nghiệp) Đơn vị Đặc tính sản phẩm Hàng dệt thoi Hàng pha dệt kim Hàng pha dệt kim Hàng len Sợi Nước thải m3/1tấn vải 394 264 280 114 236 pH 8-11 9-10 9-10 9-11 TS (tổng hàm lượng chất rắn) mg/l 400-1000 950-1380 800-1100 420 800-1300 BOD5 mg/l 70-135 90-220 120-400 120-130 90-130 COD mg/l 150-380 230-500 570-1200 400-450 210-230 Độ màu Pt-Co 350-600 250-500 1000-1600 260-300 Các chất ô nhiễm nước thải dệt nhuộm bao gồm chất hữu ( thu ốc nhu ộm, tinh bột, tạp chất) chất vô ( muối trung tính, ch ất trợ nhu ộm, ch ất dùng trình tẩy…) Ảnh hưởng chất gây ô nhiễm nước thải ngành dệt nhu ộm t ới ngu ồn ti ếp nhận tóm tắt sau: - Độ kiềm cao làm tăng độ pH nước Nếu pH >9 gây độc hại với loài thủy sinh, gây ăn mòn công trình thoát nước hệ thống xử lý nước th ải - Muói trung tính làm tăng hàm lượng tổng chất rắn TS Lượng thải lớn gây tác h ại loài thủy sinh làm tăng áp suất th ẩm thấu, ảnh hưởng tới trình trao đổi chất tế bào - Hồ tinh bột biến tính làm tăng BOD, COD nguồn nước, gây tác h ại đối v ới đời sống thủy sinh làm giảm oxy hòa tan nước - Độ màu cao lượng thuốc nhuộm dư vào nước thải gây màu cho dòng tiếp nh ận, ảnh hưởng tới trình quang hợp loài thủy sinh, ảnh hưởng x ấu t ới c ảnh quan - Các chất độc sunfit, kim loại nặng, hợp chất halogen hữu (AOX) có kh ả n ăng tích tụ thể sinh vật với hàm lượng tăng dần theo chuỗi thức ăn h ệ sinh thái nguồn nước, gây số bệnh mãn tính hay ung thư người động v ật - Hàm lượng ô nhiễm chất hữu cao làm giảm oxy hòa tan nước, ảnh hưởng tới sống loài thủy sinh 1.1.3 Các phương pháp ngăn ngừa ô nhiễm nước thải ngành dệt nhu ộm Nước thải loại chất thải gây ô nhiễm môi trường đáng quan tâm hàng đầu loại chất thải ngành dệt nhuộm Vì s ố liệu tải lượng ô nhi ễm c ũng đặc tính ô nhiễm nước thải mang tính tổng quan cho ngành nên l ựa ch ọn phương án ngăn ngừa giảm thiểu xử lý nước thải cần có khảo sát nghiên c ứu cụ thể cho trường hợp Các phương pháp ngăn ngừa, giảm thiểu ô nhiễm nước thải ngành dệt nhu ộm có th ể thực trình sản xuất như: - Giảm nhu cầu sử dụng nước thường xuyên kiểm tra hệ thống nước cấp, tránh rò rỉ nước Sử dụng môđun đẩy, nhuộm, giặt hợp lý Tự động tối ưu hóa trình giặt giặt ngược chiều Tuần hoàn, sử dụng lại dòng nước gi ặt ô nhi ễm nước làm nguội - Sử dụng nhiều lần dịch nhuộm vừa tiết kiệm hóa chất, thuốc nhu ộm gi ảm ô nhiễm môi trường - Giảm chất gây ô nhiễm môi trường trình t ẩy như: NaOCl, NaClO2 - Giảm ô nhiễm kiềm nước thải từ công đoạn làm bóng - Tái sử dụng nước sau xử lý sơ số giai đoạn sản xuất thấy - Tiết kiệm sử dụng hóa chất sản xuất thay hóa ch ất độc h ại b ằng hóa chất độc hại Các phương pháp xử lý nước thải Nước thải nhà máy dệt, nhuộm thường nước thải độc hại môi trường sống Do đó, việc làm giảm khối lượng tính ch ất độc hại điều cần ph ải tính toán từ giai đoạn thiết kế nhà máy Ngay sau áp dụng tất biện pháp để giảm thiểu ô nhiễm, ta ch ọn phương pháp thích hợp để xử lý nước thải dệt, nhuộm Xử lý sơ bộ: + Song-lưới chắn: Trong nước thải có mặt nhiều xơ sợi, yêu c ầu đặt m ột lưới chắn mịn song chắn rác thông thường Trong trường hợp có lượng lớn váng tr ắng cần phải loại bỏ dầu + Đồng hóa (hay bể điều hòa trộn lẫn): Bắt buộc phải có m ột bể đệm v ới th ể tích tương đương 6-12h lưu nước bể với lưu lượng xử lí trung bình cho phép mở rộng tới 24h 16h (hai trạm) Ở bể loại thường dùng th ổi không khí để khuấy trộn + Trung hoà: Sau trộn đồng nhất, pH nước thải có tr ị s ố từ 9-10 Do v ậy, cần phải tiến hành trung hòa acid Sulfuric Phương pháp hóa lý: + Đông keo tụ: Đây phương pháp thích hợp áp dụng cho x lý nước th ải d ệt nhuộm Quá trình đông keo tụ làm giảm đáng kể hàm lượng ch ất ô nhi ễm COD, BOD5, kim loại nặng đặc biệt độ màu Trong phương pháp người ta hay sử dụng loại phèn nhôm hay phèn sắt, có th ể k ết h ợp thêm sữa vôi V ề nguyên lý đưa chất vào nước tạo thành hydroxit không tan Trong trình lắng xuống chất màu chất khó phân hu ỷ sinh h ọc s ẽ b ị h ấp phụ vào keo lắng xuống tạo thành bùn Đôi để t ăng trình tạo trợ lắng người ta bổ sung chất trợ tạo polyme hữu Phương pháp sinh học: Quá trình xử lý sinh học có khả làm giảm BOD, COD, TS nhg ch ất có kh ả n ăng phân huỷ sinh học phương pháp hiệu qu ả để kh màu ph ải ti ến hành khử màu trước dưa vào xử lý sinh học Mặt khác để xử lý sinh học nước thải phải đáp ứng điều kiện tối thiểu sau + pH = 6.5-8 + 0.5 BOD5/COD + Không có tác nhân gây ức chế hoạt động VSV kim lo ại n ặng… + Tỷ lệ chất dinh dưõng thích hợp C:N:P = 100:5:1 Vì muốn áp dụng hệ thống xử lý sinh học bắt buộc ph ải trung hoà dòng th ải, kh chất gây độc, giảm tỷ lệ chất khó bị phân huỷ sinh học b ổ sung chất dinh dưõng cần thiết (từ nước thải sinh hoạt ) Do với nước thải ngành dệt nhuộm hàm lượng COD, BOD5 không cao xử lý phương pháp hiếu khí có hiệu Trong bao g ồm: x lý n ước th ải nhờ trình bùn hoạt tính (bể Aeroten), lọc sinh h ọc, h oxy hoá hay k ết h ợp x lý sinh học nhiều bậc Hay dùng bể Aeroten thiết kế v ận hành t ương đối d ễ dàng, giá thành laị không cao Trong phương pháp h sinh h ọc đòi h ỏi di ện tích lớn mà hiệu xử lý không cao Sử dụng bể lọc sinh h ọc hi ệu qu ả x lý cao chi phí lớn phải sử dụng vật liệu lọc, vận hành phức t ạp h ơn c ần thi ết phải thường xuyên vệ sinh thiết bị Dây chuyền xử lý nước thải Sơ đồ khối hệ thống nước thải Cơ sở lựa chọn thiết kế hệ thống nước thải Do đặc thù công nghệ nước thải dệt nhuộm có độ màu, COD, BOD5 cao Ngoài có kim loại nặng pH cao Nước thải dệt nhuộm có dao động lưu lượng tải lượng chất ô nhiễm Do mà có nhiều phương án xử lý khác nhau, việc lựa chọn công nghệ xử lý thích hợp ph ải dựa vào nhi ều thông số lưu lượng thải, tiêu chuẩn dòng thải .cũng nh phải phù h ợp đạt hi ệu qu ả mặt kinh tế Đặc tính nước thải yêu cầu nước thải sau xử lý Trong phạm vi đồ án môn học, nhiệm vụ thiết kế hệ th ống nước th ải c m ột c sở dệt nhuộm với thông số đặc trưng sau: - Lưu lượng trung bình: 500m3/ngày đêm Đặc trưng ô nhiễm chính: + pH = + COD = 774 mg/l + BOD5 = 182 mg/l + TS = 850 mg/l + SS = 174 mg/l + Độ màu (Pt -Co) = 1784 Yêu cầu đặt hệ thống xử lý nước thải phải đạt tiêu chuẩn loại B (TCVN 5945-1995) Tức phép thải vào nguồn nước dùng cho giao thông thu ỷ, t ưới tiêu, bơi lội, trồng trọt Giá trị giới hạn thông số nồng độ chất ô nhiễm theo TCVN 5945-1995 Thông số Đơn vị đo Giá trị giới hạn Nhiệt độ 00C 40 pH 5.5-9 BOD5 (2000C) mg/l 50 COD mg/l 100 SS mg/l 100 Độ màu Pt-Co Độ màu nước thải tiêu chuẩn thải không nêu yêu c ầu đặt phải khử tối đa độ màu nước thải trước thải vào nguồn tiếp nh ận để tránh gây tác hại cho môi trường Lựa chọn hệ thống xử lý nước thải Từ việc phân tích so sánh phương pháp ta có th ể l ựa chọn h ệ th ống xử lý nước thải có đặc tính nêu phần 2.8 gồm có công đo ạn: - Xử lý sơ bộ: Song chắn rác, bể lắng cát, bể điều hoà - Xử lý cấp I: Bể đông keo tụ, bể lắng cấp I - Xử lý cấp II: Bể trung hoà, bể Aeroten, bể lắng cấp II - Khử trùng dòng thải Đây sơ đồ phổ biến sử dụng rộng rãi thực tế Sử dụng lại dung dịch dệt nhuộm Tái tạo lại thành phần dung dịch nhuộm sử dụng l ại trình t ốt gi ảm chi phí, tiết kiệm lượng giảm ô nhiễm Sử dụng lại dung dịch nhu ộm sử dụng cho nhiều thuốc nhuộm nhiều nguyên liệu Ph ần s ẽ bàn lu ận quy trình đưa ví dụ sử dụng kỹ thuật cách thành công Nhu ộm m ẻ không hiệu việc sử dụng hoá chất, lượng nước Lượng hoá ch ất trợ sử dụng thay đổi từ vài phần trăm tới 100% so với khối lượng vải H ầu hết hoá chất không hấp thụ vào vải làm tăng t ải lượng th ải c dòng thải nhà máy Lượng thuốc nhuộm thường vài phần trăm khối lượng v ải Bằng cách tái tạo lại thành phần sử dụng lại dung dịch nhu ộm, hi ệu su ất c trình nhuộm mẻ tăng lên, giảm lượng sử dụng hoá chất trợ, nước lượng cách đáng kể Hiện chưa tìm thấy báo bàn luận sử dụng lại dung dịch nhuộm trình nhuộm liên tục Đi ều có th ể khả thi dung dịch nhuộm giữ lại loại nguyên li ệu nhuộm đơn nhuộm, sử dụng lại dung dịch nhu ộm để nhu ộm nguyên liệu với ánh màu khác + Lưu giữ dung dịch nhuộm tận trích: Dung dịch nhuộm t ận trích b ợm vào bể chứa, dung dịch nhuộm phân tích tái tạo l ại thành ph ần Trong chờ đợi vải rũ máy nhuộm Có thể làm điều hai máy nhuộm giống hệt Một máy chuẩn bị sợi v ải để nhuộm máy nhuộm Sau nhuộm, dung dịch nhuộm máy thứ hai bơm vào máy th ứ để phân tích tái tạo lại thành phần Máy thứ hai rũ v ải máy m ột chu kỳ nhuộm Một cách khác lấy vải khỏi máy nhuộm sau nhu ộm để lại dung dịch nhuộm tận trích máy để phân tích tái t ạo l ại thành ph ần Vi ệc loại bỏ cần thiết phải có bể chứa + Phân tích dung dịch nhuộm để tìm hóa ch ất: Có thể đo thuốc nhu ộm không tận trích khỏi dung dịch nhuộm máy quang ph ổ N ếu dung d ịch nhu ộm đục, dùng phương pháp chiết Hầu hết hoá chất trợ không lo ại b ỏ kh ỏi dung dịch nhuộm Định lượng thành phần ước lượng xác định lượng phân tích Theo nhà nghiên cứu, việc ước lượng t ổn hao, hầu hết trường hợp đủ Một số nhà nghiên cứu phát triển chương trình máy tính giúp đỡ xác định lượng hoá ch ất trợ thuốc nhuộm cần để tái tạo lại thành phần dung d ịch nhu ộm + Các hạn chế: Thành công việc sử dụng lại dung dịch nhu ộm ph ụ thu ộc vào lo ại thuốc nhuộm loại vải Có thể sử dụng lại thuốc nhu ộm dễ nh ất cho m ột s ố l ượng hạn chế chu kỳ nhuộm có tích tụ tạp chất Các hoá ch ất sử dụng bước xử lý trước tạp chất từ vải tích lại dung dịch nhuộm Tạp chất có mặt chất trợđược bổ sung vào dung dịch nhuộm Một số t ạp chất làm chậm lại trình nhuộm ho ặc gây đốm màu Khi nhu ộm thuốc nhuộm hoạt tính, thuốc nhuộm hoàn nguyên ho ặc thu ốc nhu ộm sunphua, yêu cầu vải xử lý sau hoá chất Kết cần có thiết b ị b ảo quản để giữ dung dịch nhuộm tận trích vải nhu ộm xử lý sau Điều làm tăng chi phí thiết bị lượng nước cần để làm vệ sinh máy Phân tích dung d ịch nhu ộm khó khăn sử dụng thuốc nhuộm hoạt tính máy quang ph ổ không th ể phân bi ệt thuốc nhuộm thuỷ phân thuốc nhuộm nguyên Kết luận: Xử lý nước thải nhuộm có màu khử màu nước thải nhiệm vụ khó khăn Dải pH rộng, nồng độ muối cấu trúc hoá chất thường làm cho công việc thêm ph ức t ạp ác phương pháp vật lý hoá học để loại bỏ thuốc nhuộm hữu hiệu ch ỉ thể lượng thải nhỏ Ngoài cố gắng để loại bỏ thuốc nhuộm thoái biến thuốc nhu ộm m ột lúc, trình hấp phụ đưa cách khác để phân chia trình thành hai bước Một thuốc nhuộm hấp phụ vào giá thể nông nghiệp, d ạng dex xử lý hơn, sau xử lý Tổng quan điện phân Khái niệm Sự điện phân trình oxi hóa-khử xảy bề mặt điện cực có dòng ện chiều qua chất điện li nóng chảy dung dịch ch ất điện li Sự điện phân trình sử dụng điện để tạo biến đổi hóa h ọc Trong trình điện phân, tác dụng điện trường cation ch ạy v ề cực âm (catot) anion chạy điện cực dương (anot), x ảy ph ản ứng điện cực (sự phóng điện) Hình 3.1 Điện phân dung dịch Tại catot xảy trình khử cation (Mn+ + ne → M) t ại anot x ảy trình oxi hóa anion (Xn- → X + ne) Người ta phân biệt: điện phân chất điện li nóng ch ảy, điện phân dung d ịch ch ất ện li nước, điện phân dùng điện cực dương tan 1.1.4 Sự điện phân chất điện li 1.3.2.1 Sự điện phân chất điện li nóng chảy Trong thực tế, người ta thường tiến hành điện phân hợp ch ất (mu ối, baz ơ, oxit) nóng chảy kim loại có tính khử mạnh Li, Na, K, Ba, Ca, Mg, Al Ví dụ 1: Điện phân NaCl nóng chảy biểu diễn b ằng sơ đồ: Catot (-) NaCl Anot (+) 2| Na+ + e → Na 2Cl- → Cl2 + 2e Phương trình điện phân là: 2NaCl 2Na + Cl2 Cần có màng ngăn không cho Cl2 tác dụng trở lại với Na tr ạng thái nóng ch ảy làm giảm hiệu suất trình điện phân Một s ố chất phụ gia nh NaF, KCl giúp làm giảm nhiệt độ nóng chảy hệ… Hình 3.2 Điện phân nóng chảy Ví dụ 2: Điện phân NaOH nóng chảy biểu diễn sơ đồ: Catot ( – ) NaOH Anot ( + ) 4| Na+ + 1e → Na 4OH- → O2 + 2H2O + 4e Phương trình điện phân là: 4NaOH 4Na + O2 + 2H2O Ví dụ 3: Điện phân Al2O3 nóng chảy pha thêm criolit (Na3AlF6) có th ể bi ểu di ễn b ằng sơ đồ: Catot ( – ) Al2O3 Anot ( + ) 4| Al3+ + 3e → Al 3| 2O2 → O2 + 4e Phương trình điện phân là: 2Al2O3 4Al + 3O2 Criolit (Na3AlF6) có vai trò quan trọng làm gi ảm nhiệt độ nóng ch ảy c Al2O3 từ 2050oC xuống khoảng 900oC, làm t ăng độ d ẫn ện c h ệ t ạo lớp ngăn cách sản phẩm điện phân môi trường Anot làm b ằng than chì điện cực bị ăn mòn dần chúng cháy oxi sinh: C + O2 CO2 2C + O2 2CO 1.3.2.2 Điện phân dung dịch chất điện li nước Trong điện phân dung dịch, ion ch ất điện li phân li có ion H+ OH- nước Do việc xác định sản phẩm điện phân phức t ạp Tùy thuộc vào tính khử tính oxi hóa ion có bình ện phân mà ta thu sản phẩm khác Ví dụ: Khi điện phân dung dịch NaCl, ion Na+, H+(H2O) ch ạy v ề catot ion Cl-, OH-(H2O) chạy anod Ion số chúng phóng ện ện c ực Cơ sở để giải đề dựa vào giá trị oxi hóa-khử cặp Trong trình điện phân, catot diễn khử Vì v ậy có nhi ều d ạng oxi hóa trước hết dạng oxi hóa cặp lớn bị khử trước Ngược lại anot diễn oxi hóa dạng khử cặp oxi hóa-khử nh ỏ trước 1.3.2.2.1 Khả phóng điện cation catot: Ở catot xảy trình khử sau đây: - Mn+ + ne → M - 2H+(axit) + 2e → H2 - Hoặc ion hiđro nước bị khử: 2H2O + 2e → H2 + 2OHDạng oxi hóa cặp lớn dễ bị khử Theo dãy th ế oxi hóa – khử khả bị khử ion kim loại sau: - Các cation từ Zn2+ đến cuối dãy Hg2+, Cu2+, Fe3+, Ag+…d ễ b ị khử nh ất thứ tự tăng dần - Từ Al3+ đến ion đầu dãy Na+, Ca2+, K+…không bị khử dung d ịch - Các ion H+ axit dễ bị khử ion H+ nước 1.3.2.2.2 Khả phóng điện anion anot: Ở anot xảy trình oxi hóa anion gốc axit Cl-, S2-…ho ặc ion OH- c bazơ kiềm nước - 2Cl- → Cl2 + 2e - 4OH- → O2 + 2H2O + 4e - Hoặc ion OH- nước bị oxi hóa: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e Dạng khử cặp oxi hóa – khử nhỏ dễ bị oxi hóa Theo dãy oxi hóa – khử khả bị oxi hóa anion sau: - Các anion gốc axit không chứa oxi dễ bị oxi hóa nh ất theo thứ t ự: RCOO- < Cl- < Br- < I- < S2-… - Các anion gốc axit NO3-, SO42-, PO43-, CO32-, ClO4-…không b ị oxi hóa - Riêng ion OH- kiềm nước khó bị oxi hóa ion S2-, I-, Br-, Cl… - Nếu điện phân không dùng anot trơ graphit, platin (Pt) mà dùng kim loại Ni, Cu, Ag…thì kim loại dễ bị oxi hóa anion oxi hóa – khử chúng thấp hơn, chúng tan vào dung d ịch (anot tan) 1.3.2.2.3 Một số ví dụ: + Điện phân dung dịch CuCl2 với anot trơ biểu diễn s đồ: Catot ( – ) CuCl2 Anot ( + ) Cu2+ + 2e Cu 2Cl- Cl2 + 2e Phương trình điện phân là: CuCl2 Cu + Cl2 + Điện phân dung dịch NaCl bão hòa với điện cực trơ có màng ng ăn bi ểu di ễn sơ đồ: Catot ( – ) NaCl Anot ( + ) H2O, Na+ (H2O) Cl-, H2O 2H2O + 2e H2 + 2OH- 2Cl- Cl2 + 2e Phương trình điện phân là: 2NaCl + 2H2O 2NaOH + H2 + Cl2 Nếu màng ngăn thì: Cl2 + 2NaOH NaCl + NaClO + H2O Nên phương trình điện phân là: NaCl + H2O NaClO + H2 + Điện phân dung d ịch CuSO4 với anot Cu ( hình vẽ đây): Ở catot ( – ): Cu2+(dd) + 2e Cu làm giảm nồng độ ion Cu2+ bên nhánh trái c ống chữ U Ở anot ( + ): Cu(r) Cu2+(dd) + 2e làm tăng nồng độ ion Cu2+ bên nhánh trái c ống chữ U anot bị hòa tan Phương trình điện phân là: Cu(r) + Cu2+(dd) Cu2+(dd) + Cu(r) Hình 3.3 Điện phân dung dịch CuSO4 1.1.5 Định luật FaRaDay Khối lượng chất giải phóng điện cực tỉ lệ với điện lượng qua dung dịch đương lượng chất Trong đó: - m : Khối lượng chất giải phóng điện cực (gam) - A: Khối lượng mol nguyên tử chất thu điện cực - n: Số electron mà nguyên tử ion cho ho ặc nh ận - I: Cường độ dòng điện (A) - t: Thời gian điện phân (s) - F: Hằng số Faraday điện tích mol electron hay điện l ượng c ần thi ết để mol electron chuyển dời mạch catot anot (F=1,602.10-19.6,022.1023 ≈ 96500 C.mol-1) - : đương lượng gam hóa học + Biểu thức liên hệ: ne số mol electron trao đổi điện cực Ví dụ: Điện phân 100 ml dung dịch NaCl với điện cực trơ có màng ng ăn v ới cường độ dòng điện I = 1,93A Dung dịch thu sau điện phân có pH = 12 Biết th ể tích dung dịch không đổi, clo không hòa tan nước hiệu su ất điện phân 100% Th ời gian tiến hành điện phân là: A 50s B.60s C.100s D 200 s Giải: pH = 12 [OH-] = 10-2 nOH- = 10-3 M Tại catot (–) xảy phản ứng: 2H2O + 2e H2 + 2OH- ne = 10-3 mol mH2 =10-3 gam Đáp án A 1.1.6 Ứng dụng điện phân Sự điện phân có nhiều ứng dụng công nghiệp Điều chế kim loại (xem điều chế kim loại) 2.Điều chế số phi kim H2, O2, F2, Cl2 Điều chế số hợp chất NaOH, H2O2, nước Ja-Vel Tinh chế số kim loại Cu, Pb, Zn Fe Ag, Au… Mạ điện Điện phân với anot tan dùng m điện, nhằm b ảo v ệ kim lo ại kh ỏi b ị ăn mòn tạo vẻ đẹp cho vật mạ Anot kim loại dùng để mạ (như hình vẽ Hình3.4 vàng) catot vật cần mạ (cái thìa) Lớp mạ thường mỏng, có độ dày từ 5.10-5 ÷ 1.10-3 Hình 3.4 Ứng dụng điện phân mạ điện Các kết nghiên cứu cấp độ thử nghiệm Vlyssides et al (1998) nghiên cứu cấp độ thử nghiệm áp dụng trình ôxi hóa điện hóa để xử lý nước thải nhà máy dệt nhuộm Thrace, Hy Lạp Titan/Platin sử dụng làm điện cực anốt thép không rỉ 304 sử dụng làm điện cực catốt Các điện cực cung cấp dòng điện 20V 50A Thùng điện phân có dung tích lít, dùng bơm dung dịch lưu chuyển tuần hoàn với t ốc độ 10 l/phút H ệ thống làm lạnh trì nhiệt độ nước thải 420C Đặc tính nước thải sau: BOD5 450 mg/l; COD 1.200 mg/l; màu 3.400 đơn v ị ADMI; t nit Kjeldahl (TKN) 34 mg/l; pH 10 Trong trình thử nghiệm, cho th đưa thêm NaCl acid HCl, hiệu suất xử lý COD xử lý màu gia tăng Tải lượng COD giảm 93% sau 40 phút xử lý với mật độ dòng điện 890 mA/cm2 có thêm vào 2ml NACl 1% ( t ương ứng 10.000 mg NaCl/l) ml HCl 36% Độ màu theo đơn vị ADMI gi ảm 96%, BOD5 giảm 92% TKN giảm đến >99% CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM Phương pháp đo màu máy quang phổ Phương pháp đo Chia làm hai phần: phần quang học phần đo + Phần quang học: nguồn sáng (L), khe sáng điều ch ỉnh (E), ống chu ẩn tr ực (K), quang kế hệ tán sắc với lăng kính hay hai lăng kính, kính l ọc nhi ễu x hay cách tử nhiễu xạ… để tạo tia đơn sắc (P), thấu kính O, khe điều chỉnh ánh sáng thoát (A) + Phần đo: thu quang điện (F), khuyếch đại (V), vi xử lý hiển thị kết đo n ối với thiết bị ngoại vi hình, máy in Tiến hành đo màu Bức xạ xuất phát từ quang phổ kế thông qua khúc xạ, nhiễu x ạ, tán x thành m ột dải ánh sáng toàn sắc Ứng với góc xoay l ăng kính P, s ẽ cho b ức x đơn s ắc có bước sóng xác định vào khe hẹp A Khe A cho ánh sáng thoát ều chỉnh tương ứng với độ rộng Tia đơn sắc chiếu lên mẫu đo mẫu trắng chuẩn Tỷ lệ phần ánh sáng đơn sắc trả lại từ mẫu đo so với ánh sáng đơn sắc trả l ại từ m ẫu trắng chuẩn gọi độ phản xạ bước sóng R Độ phản xạ dẫn vào thu quang điện F, xử lý cuối cho số liệu đường cong phản xạ Từ sở lý thuyết chúng em tiến hành vào thực nghiệm để tìm hi ểu k ỹ khử màu thuốc nhuộm phương pháp điện phân Kế hoạch thực nghiệm - Quét phổ UV-VIS tìm max loại thuốc nhuộm acid - Sử dụng max dựng đường chuẩn loại thuốc nhuộm - Khảo sát ảnh hưởng yếu tố như: dòng điện, thời gian điện phân, pH, n ồng độ thuốc nhuộm, nồng độ muối NaCl nhiệt độ đến hiệu suất khử màu - Chọn khoảng khảo sát yếu tố để quy hoạch thực nghiệm - Quy hoạch thực nghiệm - Tối ưu hóa - Sau tối ưu hóa, chọn điều kiện tốt trình ện phân b ằng dung d ịch NaCl để xử lý màu thuốc nhuộm trực tiếp 2.1.1 Tiến hành thực nghiệm Bước 1: Quét phổ UV-VIS tìm max loại thuốc nhuộm trực tiếp Bước 2: Dựng đường chuẩn Dựa vàomax tìm màu thuốc nhuộm trực tiếp tương ứng để tiến hành đo quang dựng đường chuẩn tương ứng Từ ta có phương trình tương ứng với màu thuốc nhuộm trực tiếp Bước 3: Quy hoạch thực nghiệm Từ đường chuẩn chúng em tiến hành khảo sát yếu t ố ảnh hưởng đến hiệu suất khử màu thuốc nhuộm trực tiếp như: + Dòng điện ảnh hưởng ta tăng gi ảm + Thời gian điện phân nhiều hay có ảnh hưởng đến hi ệu su ất kh màu + pH ảnh hưởng đến khả khử màu thuốc nhuộm điện phân + Nồng độ muối NaCl ảnh hưởng nhiều hay đến khả khử màu thu ốc nhu ộm + Nhiệt độ có ảnh hưởng đến việc khử màu thuốc nhuộm trình điện phân khử màu thuốc nhuộm trực tiếp hay không? Từ số liệu chúng em chọn yếu tố có ảnh hưởng nh ất đến trình khử màu thuốc nhuộm phương pháp điện phân để quy ho ạch thực nghi ệm Bước 4: Tối ưu hóa Tiến hành quy hoạch thực nghiệm Sau tối ưu hóa, từ ch ọn điều kiện tốt trình điện phân dung dịch NaCl để xử lý màu thu ốc nhu ộm trực tiếp Bước 5: Tiến hành khử màu thuốc nhuộm phương pháp điện phân dựa theo điều kiện chọn Trên toàn kế hoạch thực nghiệm chúng em, có điều ki ện chúng em nghiên cứu sâu lĩnh vực điện phân ứng dụng ều ki ện t ối ưu để tiến hành xử lý nước thải nghành dệt nhuộm mà cụ thể xử lý màu c nước thải nghành dệt nhuộm CHƯƠNG III: KẾT LUẬN Sau tìm hiểu sở lý thuyết chúng em có số kiến thức b ản để ti ến hành thực nghiệm Nhưng kiến thức vô hạn, hiểu biết chúng em có gi ới hạn nên tránh khỏi sai sót Mặc dù chúng em tìm cách h ạn ch ế hoàn thành đồ án nghiên cứu khả khử màu thu ốc nhu ộm b ằng ph ương pháp ện phân cách tốt Bên cạnh chúng em hi v ọng khoa trung tâm công nghệ hóa hỗ trợ thêm cho chúng em, để chúng em nghiên cứu sâu h ơn v ề đề tài khả khử màu thuốc nhuộm trực tiếp phương pháp điện phân