NGHIÊN cứu xử lý nước THẢI dệt NHUỘM CHỨA PHẨM màu hữu cơ KHÓ PHÂN hủy BẰNG bùn đỏ BIẾN TÍNH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM CHỨA PHẨM MÀU HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY BẰNG BÙN ĐỎ BIẾN TÍNH LỜI CẢM ƠN Được sự đồng ý của Khoa Quản lý Tài nguyên rừng và Môi trường, nhóm chúng em đã tiến hành thực hiện nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm tại làng nghề Vạn Phúc,Hà Đông,Hà Nội bằng bùn đỏ biến tính”.

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM CHỨA PHẨM MÀU HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY BẰNG BÙN ĐỎ BIẾN TÍNH

LỜI CẢM ƠN

Được sự đồng ý của Khoa Quản lý Tài nguyên rừng và Môi trường, nhóm chúng em đã tiến hành thực hiện nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm tại làng nghề Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội bằng bùn đỏ biến tính”

Trước hết nhóm tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa QLTNR&MT, các thầy cô tại Trung Tâm Thí nghiệm và Thực Hành T6_Trường Đại học Lâm Nghiệp, đã tạo điều kiện và giúp đỡ nhóm để chúng em có thể thực hiện tốt đề tài nghiên cứu khoa học Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo Vũ Huy Định và thầy Đặng Thế Anh, người đã định hướng, khuyến khích và chỉ dẫn giúp đỡ nhóm em xuyên suốt quá trình làm nghiên cứu khoa học Trong quá trình thực hiện đề tài, ngoài sự giúp đỡ của giáo viên và nỗ lực của

cả nhóm, chúng em còn nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình, các hộ gia đình tại Tại làng nghề Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do thời gian có hạn và bản thân còn nhiều hạn chế

về mặt chuyên môn và thực tế nên nghiên cứu khoa học không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và bạn bè đề bài nghiên cứu khoa học hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

1

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

ĐẶT VẤN ĐỀ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Nước thải dệt nhuộm

1.2 Đặc tính nước thải dệt nhuộm

1.3 Nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm

1.4 Các loại thuốc nhuộm thường dùng ở Việt Nam

1.5 Phương pháp xử lý hợp chất azo trong nước thải dệt nhuộm 1.6 Bùn đỏ

1.6.1 Nguồn gốc phát sinh

1.6.2 Đặc tính của bùn đỏ

1.6.3 Tác hại của bùn đỏ tới môi trường

1.7 Các hướng xử lí môi trường bằng sử dụng bùn đỏ

CHƯƠNG 2 MỤC TIÊU – ĐỐI TƯỢNG – NỘI DUNG –

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu của đề tài

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.3 Đối tượng – phạm vi nghiên cứu

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Biến tính bùn đỏ bằng phương pháp gia nhiệt vật lý.

2.4.2 Xác định thành phần, tính chất bùn đỏ trước và sau biến tính

bằng phương pháp đo SEM, EDX.

2.4.3 Nghiên cứu sử dụng bùn đỏ làm xúc tác cho phản ứng phân hủy

phẩm màu hữu cơ.

2.4.4 Phương pháp kế thừa tài liệu

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Xác định COD trước và sau xử lý của mẫu nước thải

3.2 Nghiên cứu sử dụng điều kiện tối ưu của phẩm màu vàng Reacive

Yellow 160 với các phẩm màu khác.

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN – TỒN TẠI – KIẾN NGHỊ

I Đặt vấn đề

Hiện nay, trước sự phát triển ngày càng lớn mạnh của đất nước về kinh tế và xã hội, đặc biệt là sự phát triển của các ngành công nghiệp đã ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sống của con người Bên cạnh sự lớn mạnh của nền kinh tế của đất nước là hiện trạng các cơ sở hạ tầng xuống cấp trầm trọng và sự ô nhiễm môi trường đang ở mức báo động Một trong những ngành gây ô nhiễm môi trường lớn là ngành dệt nhuộm Bên cạnh các công ty, nhà máy còn có các hàng ngàn cơ

sở nhỏ lẻ từ các làng nghề truyền thống Với quy mô sản xuất nhỏ, lẻ nên lượng nước thải sau sản xuất hầu như không được xử lí, mà được thải trực tiếp ra cống rãnh và đổ thẳng xuống sông, hồ, ao gây ô nhiễm nghiêm trọng tầng nước mặt, mạch nước ngầm và ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người

Trong những năm gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu và sử dụng những phương pháp khác nhau nhằm xử lí các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải như: phương pháp vật lí, phương pháp sinh học, phương pháp hóa học, phương pháp điện hóa,…mỗi phương pháp đều có ưu điểm và hạn chế nhất định về mặt

kỹ thuật cũng như mức độ phù hợp với điều kiện kinh tế của từng quốc gia Trong

đó việc xử lí các hợp chất hữu cơ độc hại bằng phương pháp hấp phụ kết hợp với oxy hóa nâng cao với hiệu ứng Fenton là một trong những hướng nghiên cứu mới

đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu Bùn đỏ là nguồn thải công nghiệp sản xuất nhôm gây ô nhiễm môi trường trầm trọng, và ảnh hưởng đến sức khỏe con người nếu không được xử lí Với thành phần chứa hơn 50% (về khối lượng) là Fe2O3, bùn đỏ có thể là nguồn vật liệu tiềm năng để biến tính và sử dụng như vật liệu xúc tác Fenton dị thể, ứng dụng trong mục tiêu phân hủy các chất hữu cơ độc hại

Đề tài: “Nghiên cứu xử lí nước thải chứa phẩm màu hữu cơ khó phân hủy bằng

bùn đổ biến tính” tập trung nghiên cứu xử lí phẩm màu Reactive Yellow 160 có

trong nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp Fenton dị thể sử dụng xúc tác bùn đỏ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Nước thải đệt nhuộm

Nguồn nước thải phát sinh trong công nghiệp dệt nhuộm từ các công đoạn hồ sợi, giữ hồ, nấu tẩy, nhuộm và hoàn tất Trong đó lượng nước thải chủ yếu do quá trình giặt sau mỗi công đoạn Nhu cầu sử dụng nước trong nhà máy dệt nhuộm rất lớn và thay đổi tùy theo mặt hàng khác nhau Theo phân tích của các chuyên gia, lượng nước được sử dụng trong các công đoạn sản xuất chiếm 72,3%, chủ yếu từ các công đoạn nhuộm và hoàn tất sản phẩm Người ta có thể tính sơ lược nhu cầu sử dụng nước nước cho 1 mét vải nằm trong phạm vi từ 12

– 65 lít và thải ra 10 – 40 lít nước Vấn đề chủ yếu trong nghành công nghiệp dệt nhuộm là sự ô nhiễm nguồn nước

1.2.Đặc tính nước thải dệt nhuộm

Đặc tính của nước thải dệt nhuộm nói chung và nước thải dệt nhuộm làng nghề Vạn phúc, Dương Nội nói riêng dều chứa loại hợp chất tạo màu hữu cơ, do đó có các chỉ số PH, DO, BOD, COD rất cao ,vượt quá tiêu chuẩn cho phép được thải

ra môi trường sinh thái

Như vậy, nước thải dệt nhuộm để đạt tiêu chuẩn cho phép thải ra môi trường cần tuân thủ nghiêm nghặt khẩu xử lý các hóa chất gây ô nhiễm môi trường có mặt trong nước thải sau khi sản xuất hoặc chế biến các sản phẩm công nghiệp

1.3.Nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm

Các chất ô nhiễm chủ yếu có trong nước thải dệt nhuộm là thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt, các hợp chất halogen hữu cơ, muối trung tính làm tăng tổng hàm lượng chất rắn, nhiệt độ cao và pH của nước thải cao do lượng kiềm lớn

Trong đó, thuốc nhuộm là thành phần khó xử lý nhất, chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trong những điều kiện nhất định (tính gắn màu)

Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp Hiện nay, con người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp Đặc điểm nổi bật của các loại thuốc nhuộm là độ bền màu - tính chất không bị phân hủy bởi những điều kiện, tác động khác nhau của môi trường, đây vừa là yêu cầu với thuốc nhuộm, vừa là thị hiếu của người tiêu dùng, nhưng cũng là vấn đề với xử lý nước thải dệt nhuộm Màu sắc của thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học của nó: một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu Nhóm

mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử π linh động như

>C=C<, >C=N-, >C=O, -N=N- Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận điện tử, như -SO¬H, -COOH, -OH, NH2 , đóng vai trò tăng cường màu của nhóm mang màu bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử [12,13,15]

Thông thường, các chất màu có trong thuốc nhuộm không bám dính hết vào sợi vải trong quá trình nhuộm mà còn lại một lượng dư nhất định tồn tại trong nước thải Lượng thuốc nhuộm dư sau công đoạn nhuộm có thể lên đến 50% tổng lượng thuốc nhuộm được sử dụng ban đầu [24] Đây chính là nguyên nhân làm cho nước thải dệt nhuộm có độ màu cao và nồng độ chất ô nhiễm lớn

1.4.Các loại thuốc nhuộm thường dùng ở Việt Nam

Thuốc nhuộm được sử dụng chủ yếu ở Việt Nam trước đây là các hợp chất mang màu dạng hữu cơ hoặc dạng phức của các kim loại như Cu, Co, Ni, Cr…Tuy nhiên, hiện nay dạng phức kim loại không còn sử dụng nhiều do nước thải sau khi nhuộm chứa hàm lượng lớn các kim loại nặng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Ở nước ta hiện nay, thuốc nhuộm thương phẩm vẫn chưa được sản xuất, tất

cả các loại thuốc nhuộm đều phải nhập của các hãng sản xuất thuốc nhuộm trên thế giới Thuốc nhuộm dạng hữu cơ mang màu hiện rất phổ biến trên thị trường Tuỳ theo cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng của chúng mà người ta chia thuốc nhuộm thành các nhóm khác nhau

Có hai cách cơ bản để phân loại thuốc nhuộm:

Phân loại thuốc nhuộm theo cấu trúc hóa học [12,13,15]:

Đây là cách phân loại dựa trên cơ sở là cấu tạo của nhóm mang màu, các họ chính theo số lượng thuốc nhuộm được tổng hợp là:

 Thuốc nhuộm azo: nhóm mang màu là nhóm azo (-N=N-), phân tử thuốc nhuộm có một (monoazo) hay nhiều nhóm azo (diazo, triazo,

polyazo) Đây là họ thuốc nhuộm quan trọng nhất và có số lượng lớn nhất, chiếm khoảng 60-70% số lượng các thuốc nhuộm tổng hợp, chiếm 2/3 các phẩm màu hữu cơ trong Color Index

 Thuốc nhuộm antraquinon: trong phân tử thuốc nhuộm chứa một hay nhiều nhóm antraquinon hoặc các dẫn xuất của nó:

Họ thuốc nhuộm này chiếm đến 15% số lượng thuốc nhuộm tổng hợp

 Thuốc nhuộm triaryl metan: triaryl metan là dẫn xuất của metan mà trong đó nguyên tử C trung tâm sẽ tham gia liên kết vào mạch liên kết của hệ mang màu:

diaryl metan

triaryl metan

Họ thuốc nhuộm này phổ biến thứ 3, chiếm 3% tổng số lượng thuốc nhuộm

 Thuốc nhuộm phtaloxianin: hệ mang màu trong phân tử của chúng là hệ liên hợp khép kín Đặc điểm chung của họ thuốc nhuộm này là những nguyên tử H trong nhóm imin dễ dàng bị thay thế bởi ion kim loại còn các nguyên tử N khác thì tham gia tạo phức với kim loại làm màu sắc

của thuốc nhuộm thay đổi Họ thuốc nhuộm này có độ bền màu với ánh sáng rất cao, chiếm khoảng 2% tổng số lượng thuốc nhuộm

Ngoài ra, còn các họ thuốc nhuộm khác ít phổ biến, ít có quan trọng hơn như: thuốc nhuộm nitrozo, nitro, polymetyl, arylamin, azometyn, thuốc nhuộm lưu huỳnh…

1.5.Phương pháp xử lý hợp chất azo trong nước thải dệt nhuộm

- Phương pháp oxi hóa Fenton :

Trong xử lý nước thải, nó được đặt tên là oxi hóa nâng cao (AOPs- Advanced Oxidation Processes) Giải pháp này đòi hỏi tạo ra một chất trung gian có hoạt tính cao, có khả năng oxi hóa hiệu quả các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, trong xử

lý nước thải đó là gốc hydroxyl tự do (*OH) Trong việc áp dụng giải pháp này (AOPs), quá trình Fenton và các quá trình kiểu Fenton (Fenton – like processes) được cho là giải pháp hiểu quả cao Công trình nghiên cứu này được J.H Fenton công bố vào năm 1894 trong tạp chí Fe2+ làm tác nhân oxi hóa, thực tế đã chứng minh hiệu quả xử lý và kinh tế của phương pháp này khá cao Nhược điểm của nó

là, việc oxi hóa có thể dẫn tới khoáng hóa hoàn các chất hữu cơ thành CO2, H2O, các ion vô cơ và do vậy phải sử dụng nhiều hóa chất sau xử lý làm cho chi phí xử

lý cao Vì vậy, chuyển các chất khó phân hủy sinh học thành có khả năng phân hủy sinh học rồi tiếp tục dùng các quá trình xử lý sinh học tiếp sau

1.6.Bùn đỏ

I.6.1 Nguồn gốc phát sinh

 Bùn đỏ là tên một sản phẩm của chất thải của công nghệ bayer, phương pháp chủ yếu được sử dụng trong quá trình tinh luyện bauxite để sản xuất nhôm

Nó bao gồm một hỗn hợp các tạp chất rắn và kim loại, và là một trong

những vấn đề về chất thải của nghành luyện nhôm Màu đỏ là do hiện nay sắt bị oxy hóa, có thể chiếm 60% khối lượng của bùn đỏ

 Bùn đỏ không thể dễ dàng xử lý Trong hầu hết các quốc gia mà bùn đỏ đc tạo ra, nó đc bơm vào ao bùn đỏ Những “ao” chỉ đơn giản là khu vực đầy bùn đỏ Bùn đỏ là 1 vấn đề vì nó chiếm diện tích đất chứa lớn và khu vực đất này không thể dùng cho xây dựng hay làm trang trại ngay khi nó đã khô

I.6.2 Đặc tính của bùn đỏ

 Trong thành phần bùn đỏ có chứa các oxi và cac hidroxit các nguyên tố Al,

Mn, Cr, Cu,Cd Bản chất kiềm và thành phần kim loại nặng độc hại của bùn đỏ tác động xấu đến môi trường và sức khỏe con người

1.6.3 Tác hại của bùn đỏ tới môi trường

 Đầu tiên là về diện tích lưu trữ : trên thế giới, năm 2007 khoảng 2,5 tỉ tấn bùn

đỏ thải, ước tính đến năm 2020 thế giới sẽ có khoảng 6 tỉ tấn bùn đỏ thải Với lượng bùn đỏ khổng lồ như vậy thì phả cần một diện tích rộng lớn để lưu trữ chờ xử lý, do đó người dân sẽ mất diện tích đất trong một thời gian dài

 Nguy cơ mất an toàn: trên thế giới đã chứng kiến không ít các sự cố vỡ đập hoặc tràn đập chứa bùn đỏ gây nên các ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái điển hình là Sự cố nhà máy alumin Ajka là một vụ tai nạn tràn bùn đỏ tại một chuỗi hồ chứa chất thải độc hại của nhà máy alumina Ajkai Timföldgyár tại làng Ajka, hạt Veszprém, ở phía tây Hungary vào lúc 12h25 giờ địa phương ngày4 tháng 10 năm 2010 khi góc tây bắc của các đập của hồ chứa số 10 bị sụp đổ, làm thoát ra khoảng một triệu mét khối chất thải lỏng từ hồ bùn đỏ

 Ô nhiễm nguồn đất, nước: các chất ô nhiễm có trong bùn đỏ như ion kim loại nặng, thạch tín, các hợp chất không phân hủy… ngấm vào đất và nước gây độc cho các loại thủy sinh cũng như động thực vật sống lân cận Đặc biệt với tính kiềm mạnh sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến nuôi trồng thủy sản, tác động xấu đên kinh tế địa phương

 Ô nhiễm không khí: với kích thước hạt tương đối nhỏ, trong quá trình làm khô dễ bị vỡ cấu trúc, gây bụi mù trong gió và khả năng phát tán vào không khí rất cao Không khí chứa bụi bùn đỏ gây kích ứng mắt, ảnh hưởng đến hô hấp của con người và động vật

1.7 Các hướng xử lí môi trường bằng sử dụng bùn đỏ

 Bùn đỏ làm phân bón tạo kiềm trên đất cát nhờ khả năng của bùn đỏ có độ

pH cao và khả năng trung hòa axit lớn Các nghiên cứu so sánh hiệu ứng tạo kiềm của bùn đỏ với phân bón tạo kiềm truyền thống là vôi (CaCO3) và NaOH cho thấy bùn đỏ chưa có khả năng cạnh tranh với CaCO3 để sử dụng làm chất tạo kiềm

 Bùn đỏ sử dụng làm vật liệu xây dựng, chủ yếu trong san lấp mặt bằng, đường gia thông, sản xuất xi măng, phụ gia xi măng, phụ gia màu cho men gốm sứ,

 Gần đây, một hướng mới trong nghiên cứu sử dụng bùn đỏ là nghiên cứu thu hồi Fe, Al, Si có trong bùn Hoặc sử dụng tính chất của bùn đỏ về bề mặt, thành phần kim loại để làm chất hấp phụ các khí độc và hấp phụ kim loại nặng, làm xúc tác cho các phản ứng sản xuất công nghiệp

 Đề tài tập trung nghiên cứu dựa vào hàm lượng oxit sắt cao của bùn đỏ, có thể chiếm tới 65% về khối lượng để sử dụng sắt làm xúc tác cho phản ứng Fenton xử lí nước thải chứa phẩm màu hữu cơ khó phân hủy

CHƯƠNG 2 : MỤC TIÊU - ĐỐI TƯỢNG - NỘI DUNG- PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu của đề tài

 Xác định COD nước thải dệt nhuộm trước và sau xử lý của làng lụa Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội

 Áp dụng điều kiện tối ưu của phẩm màu Reactive Yellow 160 cho các phẩm màu khác

2.2 Nội dung nghiên cứu

 Nghiên cứu sử dụng bùn đỏ biến tính xử lý nước thải dệt nhuộm chứa phẩm màu hữu cơ khó phân hủy tại làng Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội

2.3 Đối tượng – phạm vi nghiên cứu

 Nước thải dệt nhuộm chứa phẩm màu hữu cơ khó phân hủy tại làng lụa Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Biến tính bùn đỏ bằng phương pháp gia nhiệt vật lý

 Bùn đỏ được ngâm tẩm trong dung dịch chứa muối Fe2(SO4)3 và axit H2SO4

 Hỗn hợp thu được sấy khô ở 1200C qua đêm để loại bỏ nước

 Nung chất rắn thu được ở 5000C, thời gian 1h Chất rắn thu được là bùn đỏ biến tính

2.4.2 Xác định thành phần ,tính chất bùn đỏ trước và sau biến tính bằng phương pháp đo SEM, EDX.

 Bùn đỏ trước và sau biến tính được xác định bề mặt vật liệu bằng phương pháp chụp ảnh dưới kính hiển vi điện tử SEM

 Hàm lượng sắt có trong bùn đỏ trước và sau biến tính được xác định bằng phương pháp phổ tán xạ tia X (EDX)

2.4.3 Nghiên cứu sử dụng bùn đỏ làm xúc tác cho phản ứng phân hủy phẩm màu hữu cơ

 Nghiên cứu xử lý mẫu thí nghiệm chứa phẩm màu hữu cơ Reactive Yellow

160 bằng phương pháp Fenton dị thể: Sử dụng hidropeoxit 30% về thể tích, bùn đỏ biến tính và phẩm màu vàng RY160 ở nhiệt độ 300C, pH = 2, thời gian 120 phút