Nghiên cứu giảm ô nhiễm trong nước thải nhuộm hoạt tính bằng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử

Nước thải dệt nhuộm đã và đang là vấn nạn cho môi trường sinh thái tại Việt Nam. Trong nước thải dệt nhuộm có nhiều tác nhân gây hại cần phải được xử lý trước khi thải ra môi trường. Trong nghiên cứu này, nước thải dệt nhuộm được xử lý bằng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử (EB).

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN SAIGON UNIVERSITY TẠP CHÍ KHOA HỌC SCIENTIFIC JOURNAL ĐẠI HỌC SÀI GÒN OF SAIGON UNIVERSITY Số 65 (5/2019) No 65 (5/2019) Email: tcdhsg@sgu.edu.vn ; Website: https://tapchikhoahoc.sgu.edu.vn NGHIÊN CỨU GIẢM Ô NHIỄM TRONG NƯỚC THẢI NHUỘM HOẠT TÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾU XẠ CHÙM TIA ĐIỆN TỬ Treatment of reactive dyeing wastewater by electron beam irradiation TS Nguyễn Ngọc Duy(1), ThS Nguyễn Thị Kim Lan(2), ThS Đặng Văn Phú(3), ThS Nguyễn Thành Được(4), PGS.TS Nguyễn Quốc Hiến(5) Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam (1),(2),(3),(4),(5) TÓM TẮT Nước thải dệt nhuộm đã vấn nạn cho môi trường sinh thái Việt Nam Trong nước thải dệt nḥm có nhiều tác nhân gây hại cần phải xử lý trước thải môi trường Trong nghiên cứu này, nước thải dệt nhuộm xử lý phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử (EB) Kết quả cho thấy pH, độ màu, nhu cầu oxy hóa học (COD) sinh học (BOD5) nước thải giảm tăng liều xạ từ đến 20 kGy Cụ thể, độ giảm pH, COD, BOD5 độ màu đạt 14,3; 77; 66 98% liều xạ 20 kGy Ngoài ra, kết hợp chiếu xạ EB với H2O2 nồng đợ thích hợp mM làm giảm liều xạ gia tăng hiệu quả xử lý Phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử cho thấy tiềm ứng dụng để xử lý nước thải dệt nḥm quy mơ cơng nghiệp Từ khóa: nước thải dệt nhuộm, chiếu xạ chùm tia điện tử, COD, độ màu ABSTRACT Textile wastewater are now facing major problems in environment pollution, especially in Vietnam Textile dyeing wastewater contains lot of toxic substances which must be treated before discharging to environment In this study, textile wastewater was treated by electron beam irradiation method The results showed that the pH, color, chemical oxygen demand (COD), and biological oxygen demand (BOD5) of the wastewater decreased as the dose increased from to 20 kGy In detail, pH, COD, BOD and decoloration efficiencies are 14.3, 77, 66 and 98%, respectively Furthermore, the combination of EB and mM H2O2 increased the removal efficiencies Electron beam radiation could be an effective method for treatment of real textile wastewater in industrial scale Keyword: textile dyeing wastewater, electron beam radiation, COD, decoloration trình dệt nḥm có nhiều khâu thực thơng qua mơi trường nước tạo một lượng lớn nước thải Cần khoảng 70150 lít nước để xử lý kg vải sợi [3], [6], [7] Tính chất nước thải dệt nḥm phụ tḥc vào loại sợi, hóa chất quy trình cơng nghệ sử dụng Trong nước thải dệt Giới thiệu Trong công nghiệp chế tạo, ngành dệt nhuộm phân khúc quan trọng giải việc làm cho một lượng lớn người lao động Tuy nhiên, một vấn đề mà ngành cơng nghiệp dệt nhuộm phải đối mặt xử lý nước thải [1]-[5] Quá Email: ngocduy158@gmail.com 20 NGUYỄN NGỌC DUY Cộng TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN nḥm có nhiều tác nhân gây hại cho môi trường sức khỏe người bao gồm chất rắn phân tán, hóa chất tạo màu, mùi Thuốc nḥm nước thải tạo màu gây một số bệnh xuất huyết, viêm loét da, buồn nôn, Các chất màu nước thải ngăn ánh sáng mặt trời từ bề mặt nước cản trở trình quang hợp Chất màu làm tăng nhu cầu oxy sinh học (BOD) nước làm giảm trình tái tạo oxy cản trở phát triển sinh vật quang dưỡng Chất rắn phân tán nước thải tác động đến môi trường kết hợp với cặn dầu thay đổi chế chuyển oxy mặt nước [1], [3], [6]-[8] Vì vậy, nước thải dệt nḥm cần xử lý loại bỏ chất ô nhiễm trước thải mơi trường [9] Các phương pháp hóa lý hấp thụ, keo tụ, lọc, oxi hóa đã ứng dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm cho thấy hiệu quả định lại tạo bùn thải thứ cấp cần tiếp tục xử lý [2], [3], [10] Phương pháp sinh học sử dụng bùn hoạt tính để xử lý nước thải dệt nḥm làm giảm COD hiệu quả khử màu hồn tồn cần khơng gian xử lý lớn [8] Vì vậy, nghiên cứu sử dụng cơng nghệ xạ lượng cao để xử lý chất ô nhiễm nước thải, khí thải, bùn thải quan tâm nghiên cứu Ưu điểm cơng nghệ xạ gốc tự hoạt tính tạo q trình xạ ly nước mà khơng cần sử dụng hóa chất đợc hại, tốc đợ xử lý cao q trình xử lý nhiệt đợ thường Trong trình chiếu xạ, gốc tự hydroxy (OH), tạo tác nhân oxy hóa mạnh phản ứng với phân tử chất màu nước thải tạo phân đoạn nhỏ không màu dẫn đến loại màu nước thải [5], [10]-[13] Có nhiều nghiên cứu sử dụng chiếu xạ nguồn gamma Co-60 [6, 8] chiếu xạ chùm tia điện tử (EB) [5], [8], [10], [12], [14], [15] để xử lý màu nước thải dệt nḥm, phương pháp chiếu xạ EB cho thấy hiệu quả chiếu xạ gamma thời gian chiếu xạ, cơng suất xử lý, kiểm sốt q trình xử lý, ngắt kết nối với nguồn dễ dàng, phù hợp để ứng dụng công nghiệp [12], [8] Hiệu quả xử lý nước thải dệt nḥm phương pháp chiếu xạ EB tăng cường sử dụng kết hợp hydrogen peroxit (H2O2) Sử dụng H2O2 làm gia tăng hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm tăng nồng độ gốc OH tạo thành trình chiếu xạ [4], [6] Trong nghiên cứu này, khảo sát hiệu quả xử lý màu nước thải dệt nhuộm thực tế phương pháp chiếu xạ EB hiệu quả kết hợp chiếu xạ EB H2O2 đã thực Vật liệu phương pháp 2.1 Lấy mẫu nước thải chiếu xạ Nước thải dệt nhuộm lấy trực tiếp từ bể nước sau nhuộm Công ty Cổ Phần May Việt Thắng, Tp.HCM màu nhuộm hỗn hợp loại màu: Reactive Red 10 Yellow GR Nước thải cho vào hợp nhựa có nắp đậy cho bề dày dung dịch 2,5 cm Khảo sát hiệu quả xử lý màu, COD, BOD pH nước thải theo liều xạ 5-20 kGy khơng có H2O2 kết hợp chiếu xạ liều 5kGy nồng độ H2O2 5-20mM Chiếu xạ mẫu thực máy gia tốc chùm tia điện tử UELR-10-15S2 Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ Bức xạ H2O2 (30%) Merk, Đức Các hóa chất sử dụng khác dạng phân tích Aldrich, Sigma 2.2 Đánh giá nước thải sau chiếu xạ pH nước thải dệt nhuộm trước 21 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 65 (5/2019) sau chiếu xạ khảo sát theo tiêu chuẩn TCVN 6492:2011 hóa mạnh potasium dicromat (K2Cr2O7) mơi trường acid mạnh (H2SO4) có xúc tác bạc sulfat Mẫu hồi lưu 150 o C 2-3h Nhu cầu oxy hóa học một thông số sử dụng phổ biến để đặc tính nước thải COD hàm lượng oxy tính từ lượng K2Cr2O7 cần thiết để oxy hóa hợp chất hữu chứa mợt thể tích nước thải đã biết Đợ giảm COD (%) = , Độ giảm pH (%) = pHo pHi pH nước thải trước sau chiếu xạ khơng có H2O2 hay pH nước thải theo nồng độ H2O2 5-20mM chiếu xạ kGy Độ loại màu (%) = với Ao Ai độ màu nước thải trước sau chiếu xạ khơng có H2O2 hay đợ màu mẫu theo nồng độ H2O2 5-20mM chiếu xạ kGy (Phương pháp đo độ màu Pt-Co: Theo tiêu chuẩn SMEWW 2120B-2012) Nhu cầu oxy hóa học (COD) thực phương pháp dicromat theo tiêu chuẩn SMEWW5220C:2012, nước thải cho vào dung dịch có tính oxy với Co Ci giá trị COD nước thải trước sau chiếu xạ khơng có H2O2 hay COD mẫu theo nồng độ H2O2 5-20 mM chiếu xạ kGy Các mẫu nước thải sau chiếu xạ xác định nhu cầu oxy sinh hoá ngày (BOD5) theo TCVN 6001–2:2008 (ISO 5815–2:2003) Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng liều xạ Hình Ảnh hưởng liều xạ đến đợ màu mẫu nước thải Hình cho thấy, mẫu nước thải ban đầu có màu đỏ, chiếu xạ kGy màu chuyển sang cam nhạt màu hoàn toàn liều xạ tăng đến 20 kGy Kết quả chi tiết giảm độ màu tăng liều xạ Bảng cho thấy, độ màu ban đầu mẫu nước thải 330 (Pt–Co) giảm dần xuống 61, 16, 10 (Pt-Co) liều xạ tăng từ đến 20 kGy, hiệu suất xử lý màu đạt 81% liều xạ kGy tăng lên đến 98% liều xạ 20 kGy 22 NGUYỄN NGỌC DUY Cộng TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN Bảng Ảnh hưởng liều xạ pH, COD, BOD5 độ màu mẫu nước thải Liều xạ (kGy) pH COD (mg/l) BOD5 (mg/l) Độ màu (Pt-Co) 10 15 20 9,46±0,25 8,75±0,30 8,46±0,25 8,30±0,15 8,10±0,20 150±2,0 84±1,5 61±0,5 49±1,5 35±0,5 77±1,5 46±1,0 40±0,5 35±0,5 26±1,0 330±2,0 61±1,5 16±1,0 10±1,0 8±0,5 Tiêu chuẩn cột B theo QCVN 13– MT:2015/BTNMT 5,5 – 200 50 200 Các thông số pH, COD, BOD nước thải dệt nhuộm trước sau chiếu xạ Bảng Kết quả cho thấy thông số pH, COD, BOD nước thải giảm liều xạ tăng Trong đó, pH nước thải trước chiếu xạ 8,9, sau chiếu xạ kGy, 20 kGy đạt giá trị 8,75 8,10, tương ứng với độ giảm pH 7,5% 14,4% Sự thay đổi pH phụ thuộc vào thay đổi cấu trúc phân tử chất màu nước thải Các phân tử chất màu có khối lượng phân tử lớn bị phân đoạn thành phân tử nhỏ dẫn đến hình thành acid hữu acid dicarboxylic, acid acetic, hợp chất benzoic acid cacbonic tạo thành khống hóa hồn tồn mợt số phân tử chất màu [10], [15] Giá trị COD nước thải trước chiếu xạ 150 mg/l Độ giảm COD nước thải tăng từ 36,7% đến 59,3%, 67,3% 76,7% liều chiếu xạ tăng tương ứng từ lên 10, 15 20 kGy Kết quả cho thấy hiệu quả giảm COD phụ thuộc vào liều xạ Giá trị COD hàm lượng oxy cần để oxy hóa hồn tồn hợp chất hữu nước thải Vì vậy, COD tương ứng với hàm lượng tất cả hợp chất hữu nước thải mức độ giảm COD phụ tḥc vào khống hóa hồn tồn hợp chất hữu Gốc OH tác nhân oxy hóa mạnh có vai trò chủ yếu q trình oxy hóa phân hủy chất hữu Khi liều xạ tăng, gốc OH tạo nhiều làm phân hủy nhiều chất hữu nước [4] Xu hướng tương tự nhận thấy giá trị BOD tăng liều xạ BOD5 trước chiếu xạ 77 mg/l, giảm xuống 46; 40; 35; 26 mg/l chiếu xạ 5; 10; 15; 20 kGy (hiệu quả xử lý đạt ~66,2% liều xạ 20 kGy) Sự giảm giá trị BOD5 (mg/l) chiếu xạ chùm tia điện tử cho thấy chất hữu nước thải dệt nhuộm sau chiếu xạ dễ dàng bị phân hủy sinh học Kết quả độ giảm màu phù hợp với kết quả giảm COD theo liều xạ Tuy nhiên, thấy liều chiếu xạ tăng đến 20 kGy, độ giảm màu nước thải đạt 98% đợ giảm COD 77% Điều độ màu xác định từ cắt mạch phân tử chất màu thành phân đoạn nhỏ độ giảm COD xác định phụ tḥc vào khống hóa hồn tồn phân tử chất màu tạo thành CO2 H2O [13] Vì vậy, tốc đợ giảm COD thấp so với tốc độ giảm màu 23 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 65 (5/2019) Chất màu + OH  sản phẩm cắt mạch  CO2 + H2O (1) 3.2 Ảnh hưởng nồng độ H2O2 liều xạ kGy Với mục đích giảm liều chiếu xạ để tăng hiệu quả kinh tế áp dụng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử việc xử lý nước thải dệt nhuộm, hydro peroxit đã thêm vào để gia tăng hiệu quả khử màu Liều xạ kGy đã lựa chọn sau tham khảo một số cơng trình đã cơng bố lĩnh vực [2], [4], [8], [10] Hình Ảnh hưởng nồng đợ H2O2 đối với độ màu nước thải chiếu xạ liều xạ KGy Kết quả ảnh hưởng nồng độ H2O2 liều xạ kGy mẫu nước thải thể Hình cho thấy mẫu nước thải chiếu liều xạ kGy màu hồn tồn có diện mM H2O2 Vì vậy, đối với mẫu nước thải dệt nhuộm khảo sát, nồng độ H2O2 mM phù hợp làm tăng hiệu quả xử lý nước thải Điều thể rõ kết quả Bảng Cụ thể với độ màu giảm từ 330 xuống 15 (95%) liều xạ kGy + mM H2O2 độ màu thay đổi không đáng kể tăng nồng độ H2O2 tương ứng 10, 15 20 mM Bảng Ảnh hưởng nồng độ H2O2 đối với pH, COD độ màu nước thải chiếu xạ KGy Nồng độ H2O2 (mM) pH COD (mg/l) BOD5 (mg/l) Độ màu (mgPt/l) 8,75±0,20 84±1,5 46±0,6 95±1,0 8,20±0,30 55±1,0 40±1,0 15±1,0 10 8,00±0,15 61±1,0 37±1,5 18±0,5 15 7,90±0,30 76±1,5 30±1,0 20±0,6 20 7,60±0,20 114±2,0 25±1,5 19±0,5 24 NGUYỄN NGỌC DUY Cộng TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN Ảnh hưởng nồng đợ H2O2 đối với pH, COD BOD mẫu nước thải dệt nhuộm chiếu xạ kGy bảng Kết quả cho thấy, pH mẫu nước thải khơng có H2O2 8,75 Khi thêm mM H2O2, pH giảm đến giá trị 8,20 giảm đến 7,60 nồng đợ H2O2 20 mM Trong đó, COD mẫu nước thải khơng có H2O2 84 mg/l Khi thêm 5mM H2O2, giá trị COD giảm xuống 55 mg/l (63%) Tuy nhiên nồng độ H2O2 tiếp tục tăng đến 10, 15 20 mM giá trị COD tăng đến giá trị 61, 76 114 mg/l Kết quả cho thấy, liều chiếu xạ kGy, hiệu quả xử lý nước thải tăng lên nồng độ H2O2 sử dụng phù hợp mM Điều có diện H2O2 trình chiếu xạ làm tăng nồng đợ gốc hoạt tính OH Tuy nhiên, nồng độ H2O2 lớn 5mM, gốc OH bị bẫy phân tử H2O2 dư tạo gốc HO2 có hoạt tính oxy hóa thấp gốc OH theo phương trình [16] H2O2 + OH  HO2 + H2O (2) H2O2 + HO2  OH + H2O + O2 (3) gặp chất có hoạt tính oxy hóa mạnh ion dicromat (Cr2O72-), H2O2 bị oxy hóa (phương trình 4) làm tăng số COD K2Cr2O7 + 3H2O2 + 4H2SO4  K2SO4 + Cr2 (SO4)3 + 7H2O + 3O2 (4) Giá trị BOD giảm tăng liều xạ, BOD ban đầu mẫu nước thải 77 mg/l, sau tăng nồng độ H2O2 lên mM BOD giảm 40 mg/l (~48%) giảm nồng độ H2O2 10, 15, 20 mM 37 mg/l (~52%), 30 mg/l (~ 61%) 25 mg/l (~68%) Kết quả phù hợp với kết quả nghiên cứu Bumsoo Han cộng nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử qui mô công nghiệp [10] Kết luận Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế phương pháp chiếu xạ EB đã thực Liều chiếu xạ EB có ảnh hưởng đến pH, COD, BOD độ màu nước thải nghiên cứu Khi liều chiếu xạ tăng, giá trị pH, COD, BOD độ màu nước thải giảm Sự kết hợp phương pháp chiếu xạ EB H2O2 nồng đợ thích hợp 5mM cho thấy làm tăng hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm Vì vậy, chiếu xạ EB xem phương pháp hiệu quả thân thiện để xử lý nước thải dệt nhuộm quy mô công nghiệp trước thải mơi trường Ngồi ra, theo nghiên cứu Bhuiyan cợng [6], lượng H2O2 dư phản ứng với K2Cr2O7 thí nghiệm xác định COD Mặc dù, H2O2 chất oxy hóa mạnh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Al-Kdasi A, Idris A, Saed K, Guan CT (2004) Treatment of textile wastewater by advanced oxidation processes-A review J Global Nest: the Int 6:222-230 [2] Anvari F, Kheirkhah M, Amraei R (2014) Treatment of synthetic textile wastewater by combination of coagulation/flocculation process and electron beam irradiation J Community Health Res 3:31-38 [3] Ghaly AE, Ananthashankar R, Alhattab M, Ramakrishnan VV (2014) Production, characterization and treatment of textile effluents: A critical review J Chem Eng Process Technol 5:doi: 10.4172/2157-7048.1000182 25 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 65 (5/2019) [4] Ha MB, Duy NN, Hien NQ (2016) Effects of gamma irradiation on color removal from reactive red 24 aqueous solutions Sci Technol Dev 19: 38-45 [5] Kim TH, Lee JK, Lee MJ (2007) Biodegradability enhancement of textile wastewater by electron beam irradiation Radiat Phys Chem 76:1037-1041 [6] Bhuiyan MAR, Shaid A, Hossain MA, Khan MA (2016) Decolorization and degradation of textile wastewater by gamma irradiation in presence of H2O2 Life Sci J 13:56-62 [7] Holkar CR, Jadhav AJ, Pinjari DV, Mahamuni NM, Pandit AB (2016) A critical review on textile wastewater treatments: Possible approaches J Environ Manage 182:351366 [8] Selambakkannu S, Bakar KA, Ming TT, Sharif J (2011) Effect of gamma and electron beam irradiation on textile waste water J Sains Nuklear Malaysia, 23:67-73 [9] QCVN 13-MT:2015/BTNMT, National technical regulation on the effluent of textile industry [10] Han B, Kim J, Kang W, Choi JS, Jeong KY (2016) Development of mobile electron beam plant for environmental applications Radiat Phys Chem 124:174-178 [11] Han B, Kim JK, Kim Y, Choi JS, Jeong KY (2012) Operation of industrial-scale electron beam wastewater treatment plant Radiat Phys Chem 81:1475-1478 [12] Hossain K, Maruthi YA, Das NL, Rawat KP, Sarma KSS (2018) Irradiation of wastewater with electron beam is a key to sustainable smart/green cities: a review Appl water sci 8:6 [13] Paul J, Rawat KP, Sarma KSS, Sabharwal S (2011) Decoloration and degradation of Reactive Red-120 dye by electron beam irradiation in aqueous solution Appl Radiat Isotopes 69:982-987 [14] Rawat KP, Sarma KSS (2013) Enhanced biodegradation of wastewater with electron beam pretreatment Appl Radiat Isotopes 74:6-8 [15] Sampa MHO, Takács E, Gehringer P, Rela PR, Ramirez T, Amro H, Trojanowicz M, Botelho ML, Han B, Solpan D, Cooper WJ, Emmi SS, Wojnárovits L (2007) Remediation of polluted waters and wastewater by radiation processing Nukleonika 52:137-144 [16] Abdou LAW, Hakeim OA, Mahmoud MS, El-Naggar AM (2011) Comparative study between the efficiency of electron beam and gamma irradiation for treatment of dye solutions Chem Eng J 168:752-758 Ngày nhận bài: 29/4/2019 Biên tập xong: 15/5/2019 26 Duyệt đăng: 20/5/2019 ... xạ chùm tia điện tử qui mô công nghiệp [10] Kết luận Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế phương pháp chiếu xạ EB đã thực Liều chiếu xạ EB có ảnh hưởng đến pH, COD, BOD ô màu nước... liều xạ 5-20 kGy khơng có H2O2 kết hợp chiếu xạ liều 5kGy nồng ô H2O2 5-20mM Chiếu xạ mẫu thực máy gia tốc chùm tia điện tử UELR-10-15S2 Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ Bức xạ H2O2... [6] Trong nghiên cứu này, khảo sát hiệu quả xử lý màu nước thải dệt nhuộm thực tế phương pháp chiếu xạ EB hiệu quả kết hợp chiếu xạ EB H2O2 đã thực Vật liệu phương pháp 2.1 Lấy mẫu nước thải