Khóa luận về công nghệ xử lí nước thải dệt nhuộm

Thành phần nước thải của các quá trình đó rất phức tạp gồm nhiều loại hóa chất, chứa hàm lượng chất hữu cơ cao, pH dao động khoảng 8 - 12, đặc biệt là các loại phẩm màu bền trong môi trư

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận tốt nghiệp này đã được thực hiện tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, em đã nhận được rất nhiều sự hướng dẫn và góp ý nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, em xin chân thành cám ơn cô giáo TS

Hồ Phương Hiền – người đã giao đề tài, tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban chủ nhiệm khoa Hóa học, các thầy cô trong bộ môn Hóa Công nghệ - Môi trường, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã luôn quan tâm và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành khóa luận này

Em cũng xin chân thành cám ơn các thầy cô trong Khoa Hóa học – Trường Đại học

Sư phạm Hà Nội, cùng gia đình và bạn bè đã luôn động viên giúp đỡ em trong quá trình học tập và làm khóa luận tốt nghiệp này

Em xin chân thành cám ơn!

Hà Nội, tháng 05 năm 2017

Sinh viên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1

I.1 Tổng quan về nước thải dệt nhuộm 1

I.1.1 Sơ lược về ngành dệt nhuộm và ô nhiễm môi trường 1

I.1.2 Quy trình chung của công nghệ dệt nhuộm 2

I.1.3 Các loại hóa chất sử dụng trong sản xuất dệt nhuộm 4

I.1.4 Ảnh hưởng của nước thải dệt nhuộm đến môi trường 8

I.2 Các phương pháp xử lí nước thải dệt nhuộm 10

I.2.1 Phương pháp hấp thụ 10

I.2.2 Phương pháp keo tụ 11

I.2.3 Phương pháp tuyển nổi 12

I.2.4 Phương pháp pháp trao đổi ion 12

I.2.5 Phương pháp oxi hóa nâng cao 13

I.2.6 Phương pháp sinh học 13

I.3 Tình hình nghiên cứu xử lí nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp oxi hóa nâng cao (AOPs) ở Việt Nam và trên thế giới 14

I.3.1 Tình hình nghiên cứu xử lí nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp oxi hóa nâng cao (AOPs) trên thế giới 14

I.3.2 Tình hình nghiên cứu xử lí nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp oxi hóa nâng cao (AOPs) trên thế giới ở Việt Nam 14

I.4 Xử lí nước thải bằng sắt kim loại kết hợp với muối kali pesunfat 16

I.4.1 Sơ lược về tính chất của sắt kim loại và muối pesunfat 16

I.4.2 Cơ chế của phản ứng sắt kim loại với muối pesunfat 17

CHƯƠNG II: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

II.1 Quy trình thực nghiệm 19

II.2 Hóa chất và dụng cụ 19

II.2.1 Hóa chất 19

II.2.2 Dụng cụ 20

II.3 Xây dựng đường chuẩn COD 20

II.3.1 Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng COD 20

II.3.2 Xác định COD ở mẫu nước thải dệt nhuộm 21

II.4 Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng xanh metylen ở pH = 3 21

II.5 Khảo sát các điều kiện tối ưu của quá trình xử lí xanh metylen bằng sắt kim loại kết hợp với muối kali pesunfat 22

II.5.1 Khảo sát nồng độ kali pesunfat 22

II.5.2 Khảo sát hàm lượng sắt kim loại 22

II.5.3 Khảo sát pH 23

II.5.4 Khảo sát thời gian 24

II.5.5 Khảo sát khuấy trộn 24

II.6 Khảo sát các điều kiện tối ưu cho quá trình xử lí mẫu nước thải dệt nhuộm 24

II.6.1 Khảo sát nồng độ kali pesunfat 24

II.6.2 Khảo sát hàm lượng sắt kim loại 25

II.6.3 Khảo sát thời gian xử lí 25

II.7 Áp dụng quy trình xử lí bằng kim loại sắt kết hợp với kali pesunfat để xử lí mẫu nước thải dệt nhuộm ở làng Vạn Phúc – Hà Đông – Hà Nội (thể tích mẫu = 2 lít) 26

II.7.1 Mô tả mẫu 26

II.7.2 Xử lí mẫu nước thải 26

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28

III.1 Xây dựng đường chuẩn xác định COD 28

III.2 Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng xanh metylen ở pH=3 29

III.2.1 Khảo sát bước sóng hấp thụ tối ưu của dung dịch xanh metylen tại pH = 3 29

III.2.2 Đường chuẩn xác định hàm lượng xanh metylen ở pH = 3 29

III.3 Kết quả khảo sát các điều kiện tối ưu của quá trình xử lí xanh metylen bằng sắt kết hợp với muối kali pesunfat 30

III.3.1 Khảo sát nồng độ kali pesunfat 30

III.3.2 Khảo sát hàm lượng sắt kim loại 33

III.3.3 Khảo sát pH 35

III.3.4 Khảo sát thời gian xử lí 38

III.3.5 Khảo sát khuấy trộn 39

III.4 Kết quả khảo sát các điều kiện tối ưu của quá trình xử lí mẫu nước thải dệt nhuộm làng Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội bằng sắt kết hợp với muối kali pesunfat 40

III.4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ K2S2O8 đến khả năng xử lí nước thải dệt nhuộm làng Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội 41

III.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sắt đến khả năng xử lí nước thải dệt nhuộm làng Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội 41III.4.3 Khảo sát thời gian xử lí đến khả năng xử lí nước thải dệt nhuộm làng Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội 42III.4.4 Hiệu suất của quá trình xử lí nước thải dệt nhuộm làng Vạn Phúc, Hà Đông,

Hà Nội bằng sắt kim loại kết hợp với muối K2S2O8 (Vmẫu= 2 lít) 42KẾT LUẬN 45TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình I.1: Quy trình chung của công nghệ dệt nhuộm 2

Hình III 1: Đường chuẩn xác định COD 28

Hình III 2: Phổ hấp thụ UV – Vis của dung dịch xanh metylen 10 mg/l tại pH = 3 29

Hình III 3: Đường chuẩn xác định hàm lượng xanh metylen ở pH=3 30

Hình III 4: Ảnh hưởng của nồng độ K2S2O8 đến quá trình xử lí dung dịch xanh metylen 32

Hình III 5: Ảnh hưởng của hàm lượng sắt đến quá trình xử lí dung dịch xanh metylen 35 Hình III 6: Ảnh hưởng của pH đến quá trình xử lí xanh metylen bằng sắt kim loại kết hợp với muối kali pesunfat 37

Hình III 7: Khảo sát thời gian quá trình xử lí xanh metylen bằng sắt kim loại kết hợp với muối kali pesunfat 39

Hình III 8: Khảo sát sự ảnh hưởng của khuấy trộn đến quá trình xử lí xanh metylen bằng sắt kim loại kết hợp với muối kali pesunfat 40

Hình III 9: Quy trình xử lí nước thải dệt nhuộm làng Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội 43

Hình III 10: Hình ảnh mẫu nước thải dệt nhuộm tại làng Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội trước và sau khi xử lí 43

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng I 1: Cách lựa chọn thuốc nhuộm phù hợp với nguyên liệu sợi vải 7

Bảng I 2: Một vài thông số về nước thải dệt nhuộm ở Việt Nam 10

Bảng II 1: Bảng thể tích các dung dịch để xây dựng đường chuẩn COD 20

Bảng II 2: Các thể tích ddo cần lấy để chuẩn bị dd1 – dd8 21

Bảng II 3: Bảng thể tích và khối lượng các chất để khảo sát nồng độ K2S2O8 22

Bảng II 4: Bảng thể tích và khối lượng các chất để khảo sát hàm lượng sắt kim loại 23

Bảng II 5: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ K2S2O8 đến hiệu quả xử lí mẫu nước thải 25

Bảng II 6: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sắt kim loại đến hiệu quả xử lí mẫu nước thải (pha loãng 2 lần) 25

Bảng III 1: Các giá trị COD với các giá trị mật độ quang tương ứng 28

Bảng III 2: Nồng độ xanh metylen với các giá trị mật độ quang tương ứng, pH = 3 29

Bảng III 3: Mật độ quang của các dung dịch sau các khoảng thời gian xử lí với nồng độ K2S2O8 khác nhau 31

Bảng III 4: Nồng độ xanh metylen còn lại sau các khoảng thời gian xử lí với nồng độ K2S2O8 khác nhau 32

Bảng III 5: Mật độ quang của dung dịch sau các khoảng thời gian xử lí với hàm lượng sắt kim loại khác nhau 33

Bảng III 6: Nồng độ xanh metylen còn lại sau các khoảng thời gian xử lí với hàm lượng sắt kim loại khác nhau 34

Bảng III 7: Giá trị mật độ quang và nồng xanh metylen còn lại 35

Bảng III 8: Giá trị mật độ quang và nồng xanh metylen còn lại 36

Bảng III 9: Giá trị mật độ quang và nồng xanh metylen còn lại sau các khoảng thời gian xử lí tại pH = 10 36

Bảng III 10: Khảo sát sự phụ thuộc của nồng độ xanh metylen theo thời gian xử lí bằng sắt kim loại kết hợp với muối kali pesunfat, pH = 3 38

Bảng III 11: So sánh nồng độ xanh metylen (mg/l) còn lại của hai quá trình có khuấy trộn và không khuấy trộn 40

Bảng III 12: Giá trị COD của mẫu nước thải trước khi xử lí (mẫu nước được pha loãng 2 lần) 41Bảng III 13: Hiệu suất xử lí và COD của mẫu nước thải dệt nhuộm sau 45 phút xử lí 41Bảng III 14: Hiệu suất xử lí và COD của mẫu nước thải dệt nhuộm sau 45 phút xử lí với các hàm lượng Fe khác nhau (CODđầu=262) 42Bảng III 15: Hiệu suất xử lí và COD của mẫu nước thải dệt nhuộm sau khoảng thời gian

xử lí khác nhau (CODđầu=262) 42

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp ở Việt Nam

đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế quốc dân Trong đó, ngành công nghiệp dệt may cũng là một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn đáp ứng nhu cầu việc làm, góp phần vào sự phát triển của kinh tế nước ta hiện nay Tuy nhiên sự phát triển

đó cũng có ảnh hưởng rất lớn đến vấn đề ô nhiêm môi trường Ngành công nghiệp dệt may có tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt là nước thải trong các công đoạn nấu, tẩy, nhuộm vải Thành phần nước thải của các quá trình đó rất phức tạp gồm nhiều loại hóa chất, chứa hàm lượng chất hữu cơ cao, pH dao động khoảng 8 - 12, đặc biệt là các loại phẩm màu bền trong môi trường, khó bị phân hủy, làm giảm khả năng truyền ánh sáng vào nước Trong quá trình sản xuất người ta sử dụng nhiều chất độc hại để tạo màu như: phẩm màu, chất điện li, chất hoạt động bề mặt, chất tạo môi trường, chất ngậm…Các chất này thường chứa kim loại hòa tan hoặc kim loại nặng độc hại Vì vậy, hàm lượng của chúng trong nước thải gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường, ảnh hưởng đến thủy sinh vật, thực vật, động vật và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người

Ngày nay, có rất nhiều phương pháp được ứng dụng để xử lí nước thải dệt nhuộm như: keo tụ, hấp thụ, phương pháp sinh học…Và một trong những phương pháp được sử dụng nhiều nhất hiện nay là phương pháp oxi hóa nâng cao Phương pháp này có khả năng phân hủy các chất hữu cơ cao, dễ áp dụng, công nghệ đơn giản, giá thành rẻ Những nghiên cứu gần đây cho thấy phản ứng phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy bằng sắt kim loại kết hợp với muối kali pesunfat (S2O82-) có hiệu suất xử lí cao Trong quá trình

xử lí xảy ra đồng thời quá trình khử các hợp chất hữu cơ và quá trình oxi hóa nâng cao nhờ sinh ra gốc tự do SO4*- Nhờ những ưu điểm trên chúng tôi đã lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu khả năng phân hủy xanh metylen bằng sắt kim loại kết hợp với muối kali pesunfat và ứng dụng xử lí nước thải dệt nhuộm”.

2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Trong khóa luận này, chúng tôi thực hiện các nhiệm vụ sau:

 Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng COD bằng phương pháp đo quang

 Xây dựng dường chuẩn xác định hàm lượng xanh metylen bằng phương pháp đo quang

 Xác định các điều kiện tối ưu của quá trình xử lí xanh metylen bằng sắt kim loại kết hợp với muối kali pesunfat

 Xác định các điều kiện tối ưu của quá trình xử lí mẫu nước thải dệt nhuộm làng Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội bằng sắt kim loại kết hợp với muối kali pesunfat

 Áp dụng các điều kiện tối ưu để xử lí mẫu nước thải dệt nhuộm của làng Vạn Phúc,

Hà Đông, Hà Nội Đánh giá hàm lượng COD của mẫu nước thải dệt nhuộm trước vàu sau xử lí

3 Ý nghĩa của đề tài

 Cung cấp cơ sở lý luận và thực tiễn về phương pháp xử lí hợp chất hữu cơ khó phân hủy bằng sắt kim loại kết hợp với muối kaili pesunfat

 Tiếp tục nghiên cứu quá trình xử lí hợp chất hữa cơ độc hại khó phân hủy theo quy

mô phòng thí nghiệm, từ đó là cơ sở cho việc xây dựng quy trình xử lý với quy mô công nghiệp

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

I.1 Tổng quan về nước thải dệt nhuộm

I.1.1 Sơ lược về ngành dệt nhuộm và ô nhiễm môi trường

Ngành dệt nhuộm là một trong những ngành lâu đời nhất vì nó gắn liền với nhu cầu cơ bản của loài người về may mặc Sản lượng của ngành ngày càng tăng cùng với gia tăng về chất lượng sản phẩm, đa dạng về màu sắc, mẫu mã của sản phẩm Ngày nay, ở các nước tiên tiến, các sản phẩm dệt may chủ yếu được nhập khẩu

từ các nước đang và chậm phát triển Với các quốc gia đang phát triển do nguyên vật liệu và nhân công rẻ nên ngành dệt nhuộm là ngành có khả năng đem lại lợi nhuận lớn nhờ xuất khẩu các sản phẩm dệt may Đó là những yếu tố khách quan thuận lợi giúp cho công nghiệp dệt nhuộm ở các nước đó có điều kiện cạnh tranh trên thị trường quốc tế Tuy nhiên, do điều kiện lịch sử và hoàn cảnh kinh tế, các cơ sở của ngành dệt nhuộm sử dụng các thiết bị và dây chuyền công nghệ với mức độ hiện đại khác nhau Các cơ sở mới xây dựng đã lựa chọn những dây chuyền công nghệ hiện đại với những hiết bị có độ tự động hóa và độ chính xác cao, trong khí đó nhiều cơ

sở khác vẫn tiếp tục sử dụng các thiết bị cũ kỹ, lạc hậu, gây ảnh hưởng tới điều kiện làm việc và chất lượng sản phẩm cũng như môi trường

Ở Việt Nam, công nghiệp dệt may đang trên đà phát triển mạnh và đem lại nhiều lợi nhuận trong thu nhập kinh tế Tuy nhiên, do đặc thù của ngành mà ngành công nghiệp dệt may luôn là một trong những ngành công nghiệp có mức độ ô nhiễm môi trường trầm trọng, đặc biệt là ô nhiễm nước thải Cho dù cải tiến trang thiết bị hiện đại, các hóa chất nhuộm được thay đổi và cải tiến, nguyên nhân ô nhiễm cơ bản không thể thay đổi được đó là ngành dệt may sử dụng các hóa chất mang màu làm nguyên liệu chính trong công đoạn nhuộm và hàng loạt các hóa chất khác Cải tiến trang thiết bị cũng đem lại những giảm thiểu ô nhiễm môi trường đáng kể Cho đến nay, toàn ngành dệt may của Việt Nam đã đổi mới thiết bị đạt 7% Tuy nhiên, tỷ lệ này vẫn còn thấp hơn so với các nước trong khu vực 20 - 25% [4] Thiết bị còn lại ngành dệt hư mòn nặng nề, nhiều thiết bị quá cũ kỹ, ngành không có đủ phụ tùng

thay thế, khôi phục các tính năng công nghệ Đây cũng là một nguyên nhân làm gia

tăng chất thải, cần được khảo sát kỹ và nghiên cứu các phương pháp xử lý kịp thời

I.1.2 Quy trình chung của công nghệ dệt nhuộm [4]

Dây chuyền công nghệ sản xuất dệt nhuộm tổng quát được thể hiện trong Hình 1.1, bao gồm các bước sau:

Hình I.1: Quy trình chung của công nghệ dệt nhuộm

Kéo sợi, chải

Dệt vải

Hồ sợi

Nấu Giũ hồ

Tẩy trắng Giặt trung hòa

Làm bóng Giặt

Giặt Nhuộm, in hoa

Hoàn tất, văng khổ

Nguyên liệu đầu vào

Tinh bột, phụ gia, hơi

Nước thải chứa

hồ tinh bột

Nước thải

 Nhập nguyên liệu: nguyên liệu được nhập dưới các điều kiện bông thô chứa các sợi

bông có kích thước khác nhau cùng các tạp chất tự nhiên như bụi đất, hạt cỏ rác Ngoài ra còn sử dụng các nguyên liệu như lông thú, đay gai, tơ tằm để sản xuất các mặt hàng

 Làm sạch: đánh tung, làm sạch và trộn đều bong thô để thu nguyên liệu sạch và

đồng đều Sau quá trình làm sạch, bông thu được dưới dạng các tấm bông phẳng đều

 Chải: các sợi bông được chải song song và tạo thành các sợi thô xoắn trên máy chải

 Kéo sợi: kéo sợi để giảm kích thước và tăng độ bền sợi

 Hồ sợi: đối với sợi bông sử dụng hồ tinh bột và tinh bột biến tính, đối với sợi nhân

tạo sử dụng PVA (Polyvinylancol), polycrylat Mục đích của quá trình này là tạo màng hồ bao quanh sợi, tăng độ bền, độ bôi trơn và độ bông của sợi để tiến hành dệt

 Dệt vải: kết hợp các sợi ngang và sợi dọc để hình thành các tấm vải

 Giũ hồ: sử dụng xút hoặc enzyme amilaza để tách các phần hồ còn lại trên tấm vải

 Nấu vải: loại trừ phần hồ còn lại và các tạp chất thiên nhiên bám vào sợi và tách dầu

mỡ

 Tẩy trắng: làm cho vải sạch màu, sạch các vết dầu mỡ và làm cho vải đạt độ trắng

đúng theo yêu cầu đặt ra Chất tẩy trắng thường dùng NaClO, NaClO2, H2O2 cùng các hoá chất phụ trợ khác để tạo môi trường Nếu sử dụng H2O2 tuy giá thành sản phẩm cao hơn nhưng không ảnh hưởng đến môi trường sinh thái Nước thải chủ yếu chứa kiềm dư và các chất hoạt động bề mặt Nếu sử dụng các chất tẩy chứa Clo: giá thành thấp hơn nhưng tạo ra hàm lượng AOX (hợp chất halogen hữu cơ dễ hấp phụ) trong nước thải Các chất này khả năng gây ung thư và ảnh hưởng đến môi trường sinh thái

 Nhuộm vải: đây là công đoạn phức tạp, sử dụng nhiều loại thuốc nhuộm và hóa chất

để tạo màu sắc khác nhau cho vải Thuốc nhuộm có nhiều loại như: trực tiếp, hoàn nguyên, lưu huỳnh, hoạt tính… tồn tại ở dạng tan hay phân tán trong dung dịch Tỉ

lệ màu của thuốc nhuộm gắn vào sợi từ 50-98%, phần còn lại đi vào trong nước thải

Quá trình nhuộm xảy ra theo 4 bước:

• Di chuyển các phần tử thuốc nhuộm đến bề mặt sợi

• Gắn màu vào bề mặt sợi

• Khuếch tán màu vào sợi, quá trình này xảy ra chậm

• Cố định màu vào sợi

 In hoa: để tạo vân hoa, có 1 hay nhiều màu trên vải Các loại thuốc in hoa ở dạng hoà tan hay dung môi chất màu Các thuốc in hoa là chất màu, hoạt tính, hoàn nguyên azo không tan và Indigozol Hồ in hoa là hồ tinh bột dextrin, natrialginat,

hồ nhũ tương tổng hợp

 Văng khô, hoàn tất: mục đích ổn định kích thước của vải chống màu và ổn định nhiệt Trong đó sử dụng một số hoá chất chống nhàu, chất làm mềm và hoá chất như metylic, axitaxetic, focmandehit

I.1.3 Các loại hóa chất sử dụng trong sản xuất dệt nhuộm [8]

Trong sản xuất dệt nhuộm, ngoài các loại thuốc nhuộm thường dùng, người ta còn sử dụng các loại hoá chất sau:

 NaOH và Na2CO3 dùng trong nấu tẩy, làm bóng với số lượng lớn

 H2SO4 dùng để giặt trung hoà và hiện màu thuốc nhuộm

 H2O2, NaOCl dùng để tẩy trắng vật liệu

 Các chất khử vô cơ như: Na2S2O3 dùng trong nhuộm hoàn nguyên, Na2S dùng để khử thuốc nhuộm lưu huỳnh

 Các chất cầm màu thường là nhựa cao phân tử như syntephix, tinofic

 Những chất này khó tan trong nước nhưng lại dễ tan trong dung dịch axit axetic, chúng tạo thành phức khó tan giữa cation chất cầm màu và anion của thuốc nhuộm Nó được sử dụng để nâng cao độ bền màu cho vải khi nhuộm bằng thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm hoàn nguyên…

 Các chất hoạt động bề mặt (như chất ngấm, chất đều màu, chất chống bọt, chất chống nhăn…), xà phòng hoặc các chất tẩy giặt tổng hợp được sử dụng trong tất

cả các công đoạn là các nhóm anion, cation Các chất này làm giảm sức căng bề

mặt nước thải và ảnh hưởng tới đời sống thuỷ sinh, đôi khi có những sản phẩm khó phân giải vi sinh

 Các polyme tổng hợp dùng trong hồ sợi và hồ vải như PAC, polycrylat Khi đi vào trong nước thải là những chất khó phân huỷ sinh

 Các chất làm mềm vải dùng trong khâu hoàn tất phần lớn là hợp chất cao phân tử

có gốc silion như: polisiloxan, silicon biến tính Các chất này có khả năng tạo thành lớp màng mỏng trên vải làm cho vải mềm và mịn

Để sản xuất các mặt hàng vải màu và in hoa trong công nghiệp dệt nhuộm người

ta phải sử dụng nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau Thuốc nhuộm chủ yếu là các hợp chất hữu cơ có màu, khi tiếp xúc với các vật liệu khác nhau thì khả năng bắt màu và giữ màu trên vật liệu khác nhau bằng các lực liên kết vật lý và hoá học Hầu hết thuốc nhuộm là những hợp chất màu hữu cơ trừ thuốc nhuộm pigment có một số màu từ hợp chất vô cơ

Các loại thuốc nhuộm thường gặp, bao gồm:

• Thuốc nhuộm trực tiếp

Thuốc nhuộm trực tiếp hay còn gọi là thuốc nhuộm tự bắt màu là những hợp chất màu hoà tan trong nước, có khả năng bắt màu vào một số vật liệu như các sợi xenlulo, giấy, tơ tằm và sợi polyamit một các trực tiếp nhờ các lực hấp phụ trong môi trường trung tính hoặc kiềm

Hầu hết thuốc nhuộm trực tiếp có nhóm azo, một số ít là dẫn xuất dioazin và flatoxianim, tất cả được sản xuất dưới dạng muối natri của axit sunforic hoặc cacbonyl hữu cơ, một vài trường hợp được sản xuất dưới dạng muối amoni va kali nên được viết dưới dạng tổng quát là:

Ar-SO3-Na (Ar:gốc hữu cơ mang màu thuốc nhuộm) Khi hoà tan vào nước thuốc nhuộm phân ly như sau:

Ar-SO3- Na → Ar-SO3- + Na+

Ar-SO3-: là ion mang màu có điện tích âm

Thuốc nhuộm trực tiếp chỉ có hiệu suất bắt màu cao 90% khi nhuộm màu nhạt ở nồng độ thấp, còn đối với những màu đậm, lượng thuốc nhuộm bị thải ra tương đối lớn

Do có khả năng tự bắt màu, đơn giản trong sử dụng và rẻ tiền nên thuốc nhuộm trực tiếp

được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như ngành dệt vải, sợi bông, hàng dệt kim từ bông, một số sản phẩm dệt từ polyamit trong ngành thuộc da cũng sử dụng thuốc nhuộm trực tiếp nhất là màu nâu, đen và một số màu xanh

Gần đây phát hiện thấy một trong những nguyên nhân gây ung thư là do amin thơm thoát ra từ các thuốc nhuộm có chứa gốc azo, nên các nước EU đã cấm không sử dụng loại thuốc nhuộm này, vì vậy phạm vi sử dụng loại thuốc nhuộm này thu hẹp dần

• Thuốc nhuộm hoạt tính

Là loại thuốc nhuộm anion, có phần mang màu thường là từ thuốc azo, antraquinon, axit chứa kim loại hoặc ftaloxianin nhưng chứa một vài nguyên tử hoạt tính có độ hòa tan

trong nước cao và khả năng chịu ẩm tốt Công thức tổng quát của thuốc nhuộm hoạt tính là:

S - F - T - X trong đó:

S: là nhóm cho thuốc nhuộm có tính tan

F: là phần mang màu của phân tử thuốc nhuộm, nó quyết định màu của thuốc nhuộm

T: là gốc mang nhóm phản ứng

X: là nhóm mang phản ứng và nhóm này rất khác nhau, có thể là nhóm halogen hữu

cơ hoặc nhóm nguyên tử chưa no như CH2 = CH2 và trong mỗi phân tử thuốc nhuộm có thể chứa một hoặc nhiều nhóm phản ứng

Mức độ không gắn màu của thuốc nhuộm hoạt tính tương đối cao khoảng 30% và nó

có chứa gốc Halogen hữu cơ nên làm tăng lượng độc hại (AOX) trong nước thải Mặt khác quá trình nhuộm phải sử dụng chất điện li khá lớn (NaCl, Na2SO4) và chúng bị thải hoàn toàn sau khi nhuộm và giặt Vì vậy, nước thải có hàm lượng muối cao có hại cho thủy sinh và cản trở xử lí nước thải bằng phương pháp vi sinh

• Thuốc nhuộm hoàn nguyên

Thuốc nhuộm hoàn nguyên được dùng chủ yếu để nhuộm chỉ, sợi vải bông, lụa visco Thuốc nhuộm hoàn nguyên bao gồm 2 nhóm chính: nhóm indigoit (có chứa nhân indigo và dẫn xuất của nó) và nhóm hoàn nguyên đa vòng (có chứa nhân Antraguinon và các dẫn xuất)

Tuy có cấu tạo và màu sắc khác nhau nhưng tất cả đều có nhóm axeton (C=O) trong phân tử nên công thức tổng quát là R=C=O Tất cả các thuốc nhuộm hoàn nguyên đều không tan trong nước và trong kiềm Để nhuộm và in hoa, người ta khử nó trong môi trường kiềm bằng chất khử mạnh như NaHSO3, H2O2, hay dùng nhất là dung dịch Na2SO4

+ NaOH ở nhiệt độ 50 – 600oC Tùy thuộc vào công nghệ nhuộm khác nhau mà tỷ lệ bắt màu của thuốc nhuộm hoàn nguyên khác nhau, dao động trong khoảng 70 - 80% Phần không bắt màu đi vào nước thải, có cấu trúc bền vững và đang là một vấn đề đáng quan tâm trong xử lý nước thải dệt nhuộm

• Thuốc nhuộm lưu huỳnh

Trong phân tử có chứa disunfua (-S-S) và nhiều nguyên tử lưu huỳnh Là hợp chất không màu tan trong nước và một số dung môi hữu cơ Dùng để nhuộm sợi coton thuốc nhuộm này tương đối đủ màu trừ màu tím và màu đỏ chưa tổng hợp được Môi trường nhuộm mang tính kiềm và độ hấp phụ các loại thuốc này khoảng 60 - 70%, phần còn lại

đi vào nước thải làm cho nước thải có chứa các hợp chất của lưu huỳnh và các chất điện ly

• Thuốc nhuộm phân tán

Là những chất màu không tan trong nước, được sản xuất dưới dạng hạt phân tán cao thể keo nên có thể phân bố đều trong nước kiểu dung dịch huyền phù, đồng thời có khả năng chịu ẩm cao, có cấu tạo phân tử từ các gốc azo (-N=N-) và antraquinon, có chứa nhóm amin tự do hoặc đã bị thế (-NH2, -NHR, -NR2, -NH-CH2=CH2-OH) nên thuốc nhuộm dễ dàng phân tán trong nước

Mức độ gắn màu của thuốc nhuộm phân tán đạt tỉ lệ cao 90 - 95%, nên mức độ thải

ra môi trường không cao Môi trường thuốc nhuộm có tính axit và có nhiều chất hoạt động bề mặt có thể kết hợp trung hòa với dòng thải kiềm tính

Bảng I 1: Cách lựa chọn thuốc nhuộm phù hợp với nguyên liệu sợi vải

1 Xơ – sợi gốc cellulose Azoic, trực tiếp, hoạt tính, lưu hóa, hoàn nguyên, acid

2 Xơ – sợi gốc protein Acid, phức kim loại, hoạt tính

3 Xơ – sợi cellulose tái sinh

(rayon, viscose rayon…) Azoic, trực tiếp, hoạt tính, lưu hóa, hoàn nguyên

4 Xơ – sợi ester cellulose

(acetate, triacetate…) Azoic, phân tán, hoàn nguyên

5 Xơ – sợi polyacrylic Cationic, phân tán

6 Xơ – sợi nylon Acid, azoic, phức kim loại, hoạt tính, hoàn nguyên, phân tán

7 Xơ – sợi polyester Phân tán

I.1.4 Ảnh hưởng của nước thải dệt nhuộm đến môi trường[4]

Sự gia tăng đáng kể của ngành dệt may là nhờ sự đóng góp rất lớn của ngành dệt nhuộm Chất lượng vải, màu sắc và kiểu dáng ưa chuộng là những yếu tố không thể thiếu trong lĩnh vực thời trang Tuy nhiên, với nhu cầu ngày càng cao về màu sắc và độ bền của thuốc nhuộm, dưới góc độ môi trường thì sự đa dạng về màu sắc và độ bền màu ngày một tăng cao của thuốc nhuộm lại là sự ô nhiễm môi trường mức độ ngày càng trầm trọng hơn

và càng khó khăn hơn trong nghiên cứu cơ chế và công nghệ xử lý nước thải

Hàng năm, ngành công nghiệp dệt may sử dụng hàng nghìn tấn các loại hoá chất nhuộm Hiệu suất sử dụng các loại thuốc nhuộm nằm trong khoảng từ 70 - 80% và đối đa chỉ đạt 95% Như vậy, một lượng lớn hoá chất, thuốc nhuộm sẽ bị thải ra môi trường Theo số liệu thống kê, ngành dệt may thải ra môi trường khoảng 24 - 30 triệu m3 nước thải/năm Trong đó mới chỉ có khoảng 10% tổng lượng nước thải đã được qua xử lý, số còn lại đều thải trực tiếp ra môi trường tiếp nhận

Ở một số nước, tiêu chuẩn cho phép đối với các thông số ô nhiễm của công đoạn nhuộm đã ngày càng giảm xuống, như vậy cũng cho thấy sự tiến bộ trong công nghệ sản xuất của các nước để có thể tuân thủ được theo tiêu chuẩn này Các cơ sở sản xuất buộc phải thay đổi quy trình công nghệ, thay đổi những hóa chất sử dụng trong đó và các hệ thống xử lý phù hợp cũng phải thay đổi theo Ví dụ, các thông số tiêu chuẩn đối với nước thải dệt ở Tây Ban Nha hiện nay đã giảm xuống, đối với COD chỉ còn là 160mg/l (vì đây là loại chất hữu cơ khó phân hủy nên ở nước Tây Ban Nha có quy

định riêng) Đối với Việt Nam, mặc dù COD cho phép thải ra là 80mg/l (TCVN

5945-2005 loại B), nhưng lại là quy định cho tất cả các loại nước thải của sản xuất, không phân biệt các ngành khác nhau Tiêu chuẩn ngày càng cao cũng đồng nghĩa với việc cần các phương pháp công nghệ xử lý tiên tiến hơn, hiệu quả hơn Một trong những phương pháp xử lý hiệu quả đối với nước thải nhuộm là kết hợp phương pháp cổ điển như keo tụ với những biện pháp xử lý tiên tiến như sử dụng O3, TiO2

Công nghệ nhuộm cần sử dụng 20 – 100 m3 nước/tấn sản phẩm, tương ứng với lượng nước thải từ vài trăm đến hơn 1000m3/ngày Do vậy, nhu cầu về số lượng cũng như chất lượng nước sử dụng là một vấn đề rất lớn đặt ra đối với từng cơ sở sản xuất

Sử dụng hợp lý nước là một vấn đề kinh tế quan trọng, đòi hỏi phải có sự quản lý nghiêm ngặt và phải làm giảm tối thiểu lượng nước sử dụng cũng như tái sử dụng nguồn nước thải Theo nghiên cứu của D.Orhon, F.Germirii Babuna và et al (2001) cho thấy nồng độ các chất ô nhiễm từ công đoạn nhuộm rất khác nhau: độ pH của các quá trình khá chênh lêch, phụ thuộc vào đặc tính riêng của từng công đoạn Nhưng phần lớn nước thải của các công đoạn chủ yếu có tính kiềm Giá trị COD cao ở các công đoạn làm sánh huỳnh quang, công đoạn làm mềm, công đoạn nhuộm và công đoạn tẩy trắng, đều lớn hơn 2000mg/l Đặc biệt là công đoạn nhuộm thải ra lượng nước thải lớn có chứa hàm lượng chất hữu cơ khó phân hủy cao, còn những công đoạn khác phần lớn là chất hữu cơ dễ phân hủy Công đoạn nhuộm có độ màu cao nhất, lên đến 25.000 theo thang độ màu Pt - Co Còn các thông số TDS (tổng lượng chất rắn hòa tan) và tổng Photpho của nước thải dệt nhuộm không cao Hàm lượng chất lơ lửng trong công đoạn nhuộm, công đoạn chuội vải là cao nhất

Như vậy, các chất thải có trong nước thải công nghiệp dệt nhuộm có thể được chia thành hai loại:

 Chất thải của các loại hóa chất và chất phụ gia trong nước thải do sử dụng dư thừa, chủ yếu là các loại chất vô cơ và chất hữu cơ dễ phân hủy

 Chất thải từ thuốc nhuộm dư thừa, đây là chất hữu cơ khó phân hủy

Do tính chất khác nhau của hai loại chất thải này, cần lưu ý tách dòng riêng biệt khi đưa vào xử lý trong nhà máy Đặc trưng quan trọng nhất của nguồn nước thải từ các cơ sở dệt nhuộm là sự dao động rất lớn về cả số lượng và tải lượng ô nhiễm

Thay đổi theo mùa, theo mặt hàng sản xuất và theo chất lượng sản phẩm Nhìn chung nước thải từ các cơ sở dệt nhuộm có độ kiềm cao, độ màu và hàm lượng chất hữu cơ cao Hiệu quả hấp phụ của vải chỉ đạt 60 - 70% Ngoài ra một số chất điện ly, chất hoạt động bề mặt, chất tạo môi trường cũng tồn tại trong thành phần nước thải tạo ra

độ màu cao của nước thải Nước thải của ngành dệt nhuộm nếu không được xử lý, khi thải vào môi trường sẽ làm mất cân bằng sinh thái của nguồn tiếp nhận gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng lớn đến sức khoẻ con người

Ngoài ra, vấn đề chất thải rắn và khí thải của ngành dệt nhuộm ở Việt Nam là một trong những vấn đề cần hết sức quan tâm Chất thải rắn của ngành dệt nhuộm bao gồm xỉ than, phế liệu, vải vụn, bụi bông, bao bì, các loại thuốc nhuộm bị hỏng Mỗi năm lượng chất thải rắn khoảng trên 700.000 tấn /năm Hiện nay, lượng chất

thải rắn này được các cơ sở sản xuất thu gom, xử lý và tái sử dụng

Bảng I 2: Một vài thông số về nước thải dệt nhuộm ở Việt Nam Thông số

Mặt hàng

Lượng nước thải (m 3 /tấn)

TS (mg/l)

BOD (mg/l)

COD (mg/l) pH

Độ màu (Pt.Co)

Hàng bông

dệt thoi 394 400-1000 70-135 350-600 8-10 350-600 Hàng pha dệt

với nồng độ chất bẩn trong dung dịch và trên bề mặt chất hấp phụ Khi nồng độ chất bẩn trong dung dịch ở giá trị cao nhất thì tốc độ hấp phụ cũng lớn nhất Khi nồng độ chất hấp phụ trên bề mặt tăng lên thì số phân tử (đã bị hấp phụ) sẽ di chuyển trở lại dung dịch cũng ngày càng nhiều hơn

Trong một đơn vị thời gian, số phân tử bị hấp phụ từ dung dịch lên bề mặt hấp phụ cũng bằng số phân tử di chuyển ngược lại từ bề mặt chất hấp phụ vào dung dịch thì nồng

độ chất ô nhiễm hoà tan trong dung dịch sẽ là một đại lượng không đổi, và đạt nồng độ cân bằng

Trong quá trình hấp phụ, thường dùng than hoạt tính, xỉ, tro và một số khoáng chất như đất sét, silicagen Phương pháp hấp phụ thường dùng để tách các hợp chất hữu cơ hoà tan và khử màu của nước thải Các chất hữu cơ khi được đưa qua cột trao đổi và cột chất hấp phụ sẽ được giữ lại trên bề mặt Phương pháp này cho hiệu quả cao, chi phí thấp, nguyên vật liệu đơn giản, nhƣng điều kiện nghiên cứu áp dụng thực tế còn gặp khó khăn

ở Việt Nam

I.2.2 Phương pháp keo tụ[2]

Muối kim loại thủy phân như muối nhuôm hoặc muối sắt được sử dụng rộng rãi làm chất keo tụ trong xử lý nước từ đầu thế kỷ 20 và đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ chất ô nhiễm trong nước Các chất ô nhiễm bao gồm các chất vô cơ và các chất hữu cơ tan trong nước Phương pháp keo tụ được định nghĩa là một hiện tượng làm mất sự ổn định của các hạt huyền phù dạng keo “ổn định” để cuối cùng tạo ra các cụm hạt lớn hơn khi có sự tiếp xúc giữa các hạt keo Cũng có thể nói keo tụ là một phương pháp làm biến mất hoặc làm giảm điện tích bề mặt hạt keo Có 4 biện pháp keo tụ hoá học gồm: Tăng lực ion, thay đổi pH, đưa vào hệ một muối kim loại hoá trị III, đưa vào một polyme tự nhiên hoặc polyme tổng hợp

Trong quá trình keo tụ, người ta sử dụng muối nhôm hoặc muối sắt hoá trị 3 còn gọi là phèn nhôm hoặc phèn sắt làm chất keo tụ Việc đưa các muối kim loại đa hoá trị này vào nước làm cho các hạt keo tập hợp thành chùm xung quanh ion kim loại Các chất phân tán trong nước có thể tác động với nhau theo nhiều cách, sự tác động đó ảnh hưởng đến sự ổn định hoặc bất ổn định của các hạt vật chất Sự ổn định của các hạt là kết quả của sự tương tác giữa lực hấp dẫn Vander Wall và lực đẩy tĩnh điện (do các

hạt vật chất luôn luôn tích điện) Khi lực hấp dẫn Vander Wall và lực đẩy tĩnh điện cân bằng thì các hạt keo tồn tại trong nước được ổn định Lực đẩy có thể bị ảnh hưởng khi thay đổi nồng độ ion hoặc điện tích bề mặt của các hạt keo Khi nồng độ ion tăng sẽ làm cản trở lực đẩy tĩnh điện và lực hấp dẫn chiếm ưu thế, làm các hạt keo tiến đến gần nhau Vì vậy, khi thêm muối nhôm và muối sắt (điện tích trái dấu với các hạt keo) vào dung dịch, điện tích bề mặt keo có thể bị giảm xuống hoặc được trung hòa, làm cho lực đẩy giữa các hạt keo giảm xuống Sự thủy phân các ion thường được thể hiện qua một loạt các phản ứng thay thế các phân tử nước bằng các ion hydroxyl Khi hàm lượng cation kim loại có mặt trong dung dịch rất nhỏ, các chùm hạt hình thành cũng đã

có khả năng lắng nhanh hơn Tuy nhiên, kích thước hạt vẫn còn nhỏ nên tốc độ lắng chưa đáng kể Khi hàm lượng cation kim loại tăng lên đủ lớn thì xảy ra hiện tượng keo

tụ, các hạt keo tập hợp thành cụm Ngoài ra, để giúp quá trình keo tụ nhanh hơn và có hiệu quả hơn người ta thường sử dụng hợp chất cao phân tử Các chất trợ lắng thường dùng là polyacrylamit (CH2CHCONH2)n, polyacrylic (CH2CHOOH)n

Tuy nhiên, quá trình làm sạch nước chỉ xảy ra khi sử dụng lượng polyme tối ưu, còn khi sử dụng quá dư, hạt keo lơ lửng lại tái bền và làm cho nước có độ đục Phương pháp keo tụ có thể loại bỏ được kim loại nặng trong nước thải, làm giảm độ đục và các thành phần rắn lơ lửng Bên cạnh đó còn làm giảm chất ô nhiễm khác nhau như dầu mỡ, COD, BOD…

I.2.3 Phương pháp tuyển nổi

Dùng để tách các tạp chất dầu mỡ trong dòng thải, còn gọi là quá trình tách bọt Một thiết bị tuyển nổi bao gồm: ống cấp khí, bộ phận gạt, máng bom bọt, cặn và ống thu nước sau xử lý

I.2.4 Phương pháp pháp trao đổi ion

Để tạch các kim loại và thu hồi những sản phẩm có giá trị Quá trình trao đổi ion là quá trình trong đó các ion trên bề mặt pha rắn trao đổi với các ion của dung dịch khi cho nước thải đi qua Các chất trao đổi ion gồm các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo Trong thực tế, các biện pháp như hấp phụ bằng than hoạt tính, trao đổi ion, lọc khử nước, tuyển nổi… Còn ít đước áp dụng trong trường hợp xử lý nước thải nhuộm ở Việt Nam

I.2.5 Phương pháp oxi hóa nâng cao [5]

Ngày nay người ta thường nói đến phương pháp xử lý nước thải bằng AOPs (Advanced Oxidation Processes) – quá trình oxi hóa tiên tiến Phương pháp này là nhằm

sử dụng những tác nhân hóa học có khả năng oxi hoá mạnh như TiO2, O3, H2O2 hoặc kết hợp chúng với nhau… để xử lý nước thải Đặc điểm của những chất oxi hoá mạnh này là trong điều kiện phản ứng cụ thể, sẽ sinh ra gốc tự do hydroxyl (HO*), có khả năng oxi hóa rất mạnh, tốc độ phản ứng oxi hóa rất nhanh và không lựa chọn khi phản ứng với các hợp chất khác nhau Các gốc hydroxyl tự do này có thể tấn công vào các phân tử chất hữu cơ nhờ vào lực hút của nguyên tử hydro Các gốc hydroxyl tự do khoáng hóa toàn bộ chất hữu cơ để tạo thành các hợp chất không độc như CO2 và H2O Vì vậy, trong mấy thập kỷ qua nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện để tìm ra quá trình tạo gốc HO* trên

cơ sở các tác nhân oxy hóa thông thường như O3, H2O2 thông qua các phản ứng hóa học (H2O2/Fe2+, O3/H2O2), hoặc nhờ năng lượng bức xạ tia cực tím UV (O3/UV, H2O2/UV, O3

+ H2O2/UV, TiO2/UV) và các nguồn năng lượng cao (siêu âm, tia Gamma, tia X, chùm electron)

Theo Cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ, dựa theo đặc tính của quá trình có sử dụng nguồn năng lượng bức xạ tử ngoại UV hay không, phân loại các quá trình oxi hóa tiên tiến thành hai nhóm: nhóm các quá trình oxi hóa tiên tiến không sử dụng tác nhân ánh sáng (quá trình Fenton) và nhóm các quá trình oxi hóa tiên tiến nhờ tác nhân ánh sáng: quá trình UV/H2O2, UV/O3, UV/H2O2/O3 (quá trình quang Fenton)

I.2.6 Phương pháp sinh học

Bản chất của phương pháp sinh học được sử dụng trong công nghệ xử lý nước thải

là sử dụng khả năng tồn tại, phát triển của vi sinh vật để phân hủy các chất bẩn hữu cơ trong nước thải Phương pháp sinh hóa có thể dùng để làm sạch hoàn toàn các loại nước thải sản xuất chứa các chất hữu cơ hòa tan hoặc phân tán nhỏ Sản phẩn cuối cùng của quá trình phân hủy sinh hóa các chất bẩn thường là: khí cacbonic, nitơ, ion sunfat… Nước thải sau xử lý sẽ được kiểm tra các chỉ số đặc trưng như BOD, COD hoặc DO

Yêu cầu của nước thải khi xử lý bằng phương pháp này là không chứa các chất độc

và tạp chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không vượt quá nồng độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD/COD ≥ 0,5

I.3 Tình hình nghiên cứu xử lí nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp oxi hóa nâng cao (AOPs) ở Việt Nam và trên thế giới

I.3.1 Tình hình nghiên cứu xử lí nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp oxi hóa

nâng cao (AOPs) trên thế giới [7]

Hiện nay, có rất nhiều quá trình khác nhau được áp dụng để xử lý nước thải ngành dệt nhuộm như: keo tụ - tạo bông, xử lý hiếu khí, Trong đó, đáng chú ý nhất là quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced oxidation processes – AOPs) do khả năng loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ bền mà không cần bất kì quá trình oxy hóa thông thường nào cũng có thể thực hiện được, đồng thời dễ quản lý, không phức tạp khi vận hành và lượng bùn thải sinh

ra ít hơn nhiều so với quá trình xử lý sinh học hay các quá trình oxy khác Do đó, quá trình oxy hóa nâng cao đã và đang thu hút sự quan tâm lớn trong ngành xử lý nước từ những năm 1990 Trên thế giới cũng đã có những nghiên cứu về ứng dụng quá trình quang Fenton xử lý nước thải Nghiên cứu của A.N Módenes và cộng sự (2012), đã tiến hành xử lý nước thải dệt nhuộm dựa trên quá trình quang Fenton sử dụng nguồn ánh sáng mặt trời và đèn UV Kết quả cho thấy tại các điều kiện tối ưu pH = 3, nồng độ H2O2 và

Fe2+ tối ưu lần lượt là 6 g/L và 0,05 g/L cho hiệu quả loại bỏ COD và độ màu đạt giá trị cao nhất trong khoảng 88–98 % trong 90 phút phản ứng Chi phí tính toán để xử lý cho 1

m3 nước thải là 6,85 $ và 17,95 $ đối với nguồn sáng là ánh sáng mặt trời và đèn UV Ngoài ra, T.M Elmorsi và cộng sự (2010) đã tiến hành xử lý thuốc nhuộm Mordant red

73, kết quả cho thấy hiệu quả xử lý màu của thuốc nhuộm đạt 99 % chỉ trong 15 phút phản ứng

I.3.2 Tình hình nghiên cứu xử lí nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp oxi hóa

nâng cao (AOPs) ở Việt Nam

Nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa Việc phát triển các khu công nghiệp ở Việt Nam luôn đi kèm với yêu cầu phát triển bền vững, tức là phát triển phải song hành với giữ gìn và bảo vệ môi trường Thực tế là ở Việt Nam hiện nay

là đa số các nhà máy, xí nghiệp có công nghệ sản xuất và trang thết bị lạc hậu, không đồng đều dẫn đến sự lãng phí năng lượng và nguyên vật liệu, đồng thời thải ra nhiều phế liệu gây ô nhiễm đất, nước, không khí Trong số các loại chất thải, đáng lưu ý là một số loại nước thải có chứa các chất ô nhiễm nguy hiểm, độc hại, rất bền vững và

khó bị phân hủy trong môi trường theo thời gian Việc xử lý các chất ô nhiễm này đang là một vấn đề nan giải Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống như: phương pháp cơ học, phương pháp sinh học, phương pháp hóa lý… đều không xử lý được hoặc xử lý không triệt để các chất ô nhiễm này Do đó sự tồn đọng của chúng trong môi trường gây ảnh hường nghiêm trọng đến sức khỏe con người và động vật kể

cả khi chúng chỉ hiện diện với hàm lượng nhỏ Để có thể giải quyết triệt để các loại nước thải khó phân hủy mà các phương pháp xử lý truyền thống không áp dụng được, phương pháp oxy hóa nâng cao đã chứng tỏ được hiệu quả và ưu điểm của nó Do vậycác quá trình oxy hóa nâng cao đã nổi lên trong những năm gần đây như là một công nghệ cao có tầm quan trọng trong việc thúc đẩy mạnh quá trình oxy hóa, giúp phân hủy nhiều loại chất hữu cơ ô nhiễm khác nhau trong nước Phương pháp này có thể được áp dụng cho nhiều loại nước thải với thành phần các chất khó phân hủy có bản chất khác nhau, từ nước rỉ rác, nước thải dệt nhuộm đến nước thải sản xuất thuốc trừ sâu hay nước thải sản xuất giấy …

Tại Việt Nam, trong số hàng loạt các quá trình oxy hóa nâng cao, chỉ một số phương pháp đã và đang được áp dụng rộng rãi bao gồm Fenton (đồng thể và dị thể), quang Fenton, Peroxon(O3/H2O2) do chúng có các ưu điểm như không phức tạp trong vận hành, chi phí xử lý có thể chấp nhận được, đã có nghiên cứu thử nghiệm hiệu quả

xử lý trên cả quy mô nhỏ (lab scale, pilot scale) và quy mô lớn (full scale) Ngoài ra, các ưu điểm khác của phương pháp Fenton là không cần năng lượng kích thích tác nhân phản ứng, gốc hydroxyl được thành tạo với chi phí không quá cao, các hóa chất liên quan đều dễ kiếm, dễ sử dụng và ít độc hại

Xử lý nước thải dệt nhuộm ở nước ta chỉ mới bắt đầu những năm gần đây đối với các cơ sở mới xây dựng liên doanh với các nước ngoài hoặc công ty nước ngoài 100% tại Tp HCM, Đồng Nai, Lâm Đồng, Long An, Phú Thọ, Hà Nội, Huế, Nha Trang Xử

lý nước thải dệt nhuộm bằng các phương pháp truyền thống có khả năng làm giảm đáng kể các tải lượng ô nhiễm COD, BOD, SS, và một phần màu của nước thải Tuy nhiên, việc loại bỏ màu nước thải ở các xí nghiệp nhuộm và in hoa dùng nhiều thuốc nhuộm hoạt tính thì vẫn là vấn đề nan giải Và Fenton là một phướng pháp hiệu quả cho vấn đề giảm màu nước thải ở các xí nghiệp trên Thông thường, phương pháp oxy

hóa bằng Fenton được kết hợp với xử lý sinh học để khử triệt để màu và chất hữu cơ thông qua thông số COD trong nước thải công nghiệp nhuộm

I.4 Xử lí nước thải bằng sắt kim loại kết hợp với muối kali pesunfat

I.4.1 Sơ lược về tính chất của sắt kim loại và muối pesunfat

a) Sơ lược về tính chất của kim loại sắt và vai trò của sắt trong xử lí môi trường

Sắt là kim loại được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 95% tổng khối lượng kim loại sản xuất trên toàn thế giới Nó là một kim loại rẻ tiền và hiệu quả Ở điều kiện thường, sắt có tính khử trung bình

𝐸0

𝐹𝑒2+/𝐹𝑒= -0.440V

𝐸0

𝐹𝑒3+/𝐹𝑒= - 0.0363V Vai trò của Fe0 trong quá trình loại bỏ, xử lý các hợp chất hữu cơ bền gây ô nhiễm môi trường được thể hiện như sau:

 Vai trò là chất hấp phụ: Sắt kim loại trong dung dịch dưới tác dụng của oxi không khí và nước hoặc dưới tác dụng của dòng điện (dòng anot), sắt kim loại hòa tan tạo thành

Fe2+ và Fe3+ Tồn tại chủ yếu dưới dạng hợp chất Fe(OH)2, Fe(OH)3, FeOOH Đây là các chất có bề mặt xốp có tính hấp phụ cao, có thể hấp phụ tối đa các hợp chất hữu cơ trong dung dịch Chính vì vậy, việc dùng sắt để xử lý môi trường đạt hiệu suất cao

 Vai trò là chất khử: Sắt kim loại là chất khử trung bình nên các chất hữu cơ có tính oxi hóa cũng phản ứng với Fe Điển hình là các chất hữu cơ chứa các nhóm NO2- (các hợp chất nitro thơm), các hợp chất hữu cơ chứa clo sẽ phản ứng với sắt giải phóng ra ion Cl-

làm giảm tính độc hại của các hợp chất này

Phản ứng diễn ra như sau: Fe + RCl + H+ → Fe2+ + RH + Cl-

Trong dung dịch yếm khí (không có mặt O2) chỉ có nước, các tác nhân nhận electron

có thể là H+ và H2O, chúng bị khử tạo ra OH– và H2 Quá trình tổng thể và ăn mòn sắt trong hệ Fe – H2O được biểu diễn như sau:

Fe + 2H+→ Fe2++ H2

Fe + 2H2O → Fe2+ + H2 + 2OH– Trong trường hợp môi trường nước có oxi hòa tan, oxi sẽ dễ dàng nhận electron theo phương trình:

2Fe + O + 2H O →2Fe2++ 4OH–

Phản ứng của các chất oxi hóa dạng hữu cơ này với sắt kim loại được chứng minh bằng sự khử clo hoặc chuyển nhóm –NO2 sang nhóm –NH2 Các phản ứng tổng quát được

mô tả như sau:

Fe + RX + H+ → Fe2+ + RH + X–

Fe + RNO2 + 4H+ → Fe2+ + RNH2 + 2H2O Các hợp chất hữu cơ này sau khi bị khử bởi sắt kim loại, tính độc hại sẽ giảm và sau đó có thể loại bỏ ra khỏi môi trường bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp sinh học, hấp phụ

b) Sơ lược về muối kali pesunfat

Trong điều kiện khô ráo, kali pesunfat là một chất bền, không bị phân hủy ở điều kiện thường và dễ bảo quản Khi đun nóng, kali pesunfat giải phóng oxi và tạo ra K2S2O7 Trong môi trường nước hoặc axit, nó bị thủy phân chậm ở nhiệt độ thường và nhanh khi đun nóng S2O82- + 2H2O→2HSO4- + H2O2 Khi có chất xúc tác thích hợp H2O2 có thể chuyển thành gốc hiđroxyl là một gốc tự do có khả năng oxi hóa mạnh ứng dụng trong xử

lí chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, các phản ứng oxi hóa bằng pesunfat thường chậm ở nhiệt độ thường Khi có các chất xúc tác như Fe2+, Ag+, Co2+thì tốc độ phản ứng tăng lên nhanh chóng Khi đó ion S2O82- bị hoạt hóa nhanh chóng thành gốc sunfat tự do (SO4*-) và supeoxit bằng phản ứng kết hợp sau:

I.4.2 Cơ chế của phản ứng sắt kim loại với muối pesunfat

Theo một số tác giả nước ngoài đã nghiên cứu, việc kết hợp giữa Fe với pesunfat rất hiệu quả vì tạo ra gốc SO4*- có thời gian tồn tại lâu và hoạt tính oxi hóa rất mạnh (E0= 2,5

- 3,1V) Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm: độ hòa tan cao trong nước, phản ứng không chọn lọc và có hiệu quả rộng rãi với các chất gây ô nhiễm môi trường

Quá trình tạo gốc tự do sunfat SO4*- từ sắt kim loại và amoni pesunfat được thực bởi hai giai đoạn

+ Giai đoạn 1: là giai đoạn oxi hóa Fe0 thành Fe2+ bằng oxi không khí theo phương trình sau: 2Fe + O2 + 2H2O → 2Fe2+ + 4OH-

Trong điều kiện không có O2 không khí:

2Fe + 2H2O → 2Fe2+ + H2 + 2OH− Quá trình này cũng có thể được thực hiện trong môi trường axit do quá trình:

-SO4*- + H2O → OH* + H+ + SO4

2-SO4*- + OH- → OH* + SO4

2-Khi hệ sắt hóa trị không và muối pesunfat tham gia phản ứng với các chất hữu cơ khó bị phân hủy, khi đó gốc tự do SO4*- là một chất oxi hóa mạnh sẽ tương tác với hợp chất hữu cơ, khoáng hóa chúng thành các hợp chất vô cơ như CO2, H2O, muối khoáng, với hiệu suất khá cao và được mô tả bằng sơ đồ sau:

R + SO4*- → CO2 + H2O + …

CHƯƠNG II: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

II.1 Quy trình thực nghiệm

Thực nghiệm được tiến hành với 3 giai đoạn:

 Giai đoạn 1: Xây dựng đường chuẩn xác định COD, đường chuẩn xác định hàm lượng xanh metylen

 Giai đoạn 2: Khảo sát các điều kiện tối ưu của quá trình xử li mẫu giả (dung dịch xanh metylen) và mẫu thật (nước thải dệt nhuộm) bằng sắt kim loại kết hợp với muối kali pesunfat

 Giai đoạn 3: Áp dụng các điều kiện tối ưu đã khảo sát được để xử lí nước thải dệt nhuộm của làng Vạn Phúc – Hà Đông – Hà Nội

II.2 Hóa chất và dụng cụ

II.2.1 Hóa chất

Hóa chất được dùng tinh khiết phân tích, xuất xứ Trung Quốc

 K2Cr2O7: kali đicromat , dạng tinh thể

 H2SO4: axit sunfuric đặc 98%

 Ag2SO4: bạc sunfat

 HgSO4: thủy ngân sunfat

 KHP: kali hidrogen phtalat

 Xanh metylen: dạng bột, xuất xứ Đức

 CTPT của xanh metylen: C16H18N3SCl.xH2O ( x= 2-3), M = 319,86

 CTCT của xanh metylen:

 Bột sắt tinh khiết có thành phần hóa hoc là C: 0,02%, S: 0,008%, Si: 0,003%, P: 0,002%, Mn: 0,002%, Fe: 99,965%

 Các hóa chất khác: Na2HPO4,.10H2O, NaH2PO4