- Giảm tiêu thụ nước: Công nhiệp dệt sử dụng rất nhiều nước. Tỉ lệ lượng nước tiêu hao so với lượng vải sản xuất được rất cao.Để sản xuất 1000 m vải thì lượng nước cần sử dụng dao động trong khoảng 15 – 20 m3. Vì vậy, việc giảm thiểu tiêu thụ nước như thu hồi, tuần hoàn nước làm mát, thu hồi nước ngưng quay vòng sử dụng là rất cần thiết [10, 11].
- Lựa chọn sử dụng thay thế hóa chất, chất trợ màu và phẩm nhuộm: ngành công nghiệp dệt sử dụng rất nhiều loại hóa chất và các chất trợ với một khối lượng khổng lồ. Để sản xuất một tấn vải thông thường phải tiêu thụ khoảng 350 – 500 kg các loại hóa chất [1, 4]. Trong ngành dệt, chỉ có khoảng 15 – 20% các hóa chất sử dụng trong công nghệ được lưu lại trên sản phẩm, lượng còn lại đi vào môi trường dưới dạng chất thải, nước thải và khí thải. Do đó, việc lựa chọn các hóa chất công nghệ, các chất trợ cũng
như loại phẩm nhuộm thích hợp là công đoạn quyết định để giảm thiểu tác động đến môi trường.
1.3.2. Các phƣơng pháp sử dụng trong xử lý nƣớc thải dệt nhuộm
1.3.2.1. Phương pháp hóa lí
Các phương pháp hóa lí được sử dụng phổ biến để xử lý màu nước thải dệt nhuộm bao gồm: Trao đổi ion, hấp phụ với cacbon, chiếu xạ, màng lọc và đông keo tụ. Các phương pháp này đã được áp dụng thành công để thu hồi các phân tử có trọng lượng cao và một số loại phẩm nhuộm không hòa tan (ví dụ: phẩm nhuộm phân tán), các hóa chất phụ trợ (như polyvinyl alcohol) và nước [22, 29, 49]. Tuy nhiên, với những phương pháp này không loại bỏ hoặc ít loại bỏ được các phân tử có trọng lượng thấp và phẩm nhuộm hòa tan, nhưng đạt được hiệu quả bằng cách lọc nano và thẩm thấu ngược [26, 28]. Liên quan đến phương pháp trao đổi ion, một hệ thống trao đổi ion sẽ làm giảm màu trong một mẫu nước khi được pha loãng [32]. Tuy nhiên, bởi vì các chất màu nhanh chóng làm mất khả năng hấp phụ và khó khăn trong việc phục hồi vật liệu hấp phụ nên công nghệ này dường như ít hiệu quả về mặt kinh tế. Theo Robinson vcs. (2001) cũng ghi nhận rằng trao đổi ion không thể sử dụng để xử lý nước thải phẩm nhuộm chủ yếu là do chi phí bất lợi và thiếu hiệu quả đặc biệt với thuốc nhuộm phân tán.
“Quá trình đông keo tụ” là một phương pháp khá linh hoạt được sử dụng hoặc một mình hoặc kết hợp với các phương pháp xử lý khác (phương pháp sinh học) để loại bỏ chất rắn lơ lửng, các chất hữu cơ cũng như loại bỏ màu trong nước thải ngành công nghệ dệt nhuộm [30]. Các hợp chất được sử dụng rộng rãi cho quá trình đông keo tụ như Al2(SO4)3, FeSO4, polyalumiumchlorua (PAC), các chất trợ keo tụ (C508, A101, N208, C525, ….)[6, 9,10].
Hấp phụ là một trong các phương pháp xử lý khá hiệu quả, vật liệu hấp phụ chính được sử dụng trong loại bỏ phẩm nhuộm là than hoạt tính. Nhược điểm chính của phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính là tái sinh vật liệu hấp phụ - giải hấp cần chi phí cao [21]. Hơn nữa, màu của nước thải từ các loại phẩm nhuộm tổng hợp mới hiện nay rất khó xử lý bằng các kỹ thuật hóa lý như hấp phụ và các chất đông keo tụ, đặc
biệt là đối với phẩm nhuộm hòa tan cao [33]. Mặt khác, các phương pháp đông keo tụ hay hấp phụ bằng cacbon hoạt tính chỉ có thể thu gom các chất gây ô nhiễm để sang một giai đoạn xử lý khác, vấn đề đặt ra là màu sắc trong nước thải dệt nhuộm cơ bản chưa được giải quyết. Do đó, nhiều ý kiến đã yêu cầu phát triển kỹ thuật xử lý nước phải dẫn đến việc phá hủy các phân tử phẩm nhuộm [39].
1.3.2.2. Phương pháp sinh học
Cơ sở của phương pháp sinh học là sử dụng vi sinh vật để phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thải. Phương pháp sinh học đạt hiệu quả cao trong việc xử lý các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học với pH, nhiệt độ, chủng vi sinh vật thích hợp và không chứa các chất độc làm ức chế vi sinh vật. Có hai phương pháp xử lý sinh học: xử lý hiếu khí và xử lý kỵ khí [22, 24, 38]. Phương pháp xử lý hiếu khí được sử dụng rộng rãi hơn nhờ hiệu quả cao và vận hành đơn giản hơn.
Quá trình oxy hóa sinh học là quá trình xử lý dựa vào hoạt động của bùn hoạt tính [16, 22]. Đây là quá trình xử lý rất hiệu quả đối với các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy. Tuy nhiên, với nước thải của các ngành công nghiệp có chứa nhiều chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy như các hợp chất mạch vòng, các loại phẩm nhuộm có nitơ vòng thơm, các hợp chất béo phức tạp ... phương pháp này tỏ ra không hiệu quả. Nguyên nhân là do các chất này có những chất có độc tính cao, rất khó chuyển hóa. Trong phẩm nhuộm nói chung thường tồn tại khả năng chống phân hủy sinh học và tạo môi trường bất lợi cho sự thích nghi của các vi sinh vật. Môi trường thích nghi cho vi sinh vật là một vấn đề với nước thải dệt nhuộm do sự thay đổi sản phẩm liên tục và hoạt động nhuộm hàng loạt. Bên cạnh đó, trong quá trình nhuộm thường sử dụng thêm các loại hóa chất như: Kim loại, muối, chất hoạt động bề mặt, chất trợ, sunfua và fomandehyde với mục đích cải thiện sự hấp phụ phẩm nhuộm vào các xơ sợi [24], những hóa chất này có tính chất độc tính tự nhiên và làm giảm hiệu quả xử lý sinh học trong việc loại bỏ màu nước thải dệt nhuộm. Quá trình sinh học không cho kết quả mong muốn, đặc biệt là áp dụng cho việc xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm, do đó thông thường người ta thường kết hợp phương pháp xử lý sinh học với một số phương pháp khác như đông tụ, keo tụ, tuyển nổi để làm tăng hiệu quả xử lý [33, 34].
"Các phương pháp vật lý và hóa học có hiệu quả hơn để loại bỏ màu, nhưng sử dụng nhiều năng lượng và hóa chất hơn so với quá trình sinh học” [31, 38]. Vì vậy, xu hướng trong những năm gần đây là sử dụng các công nghệ thay thế, đặc biệt là quá trình oxy hóa tiên tiến cho việc loại bỏ các màu phẩm nhuộm hầu như không phân huỷ sinh học [17, 19, 37].
1.3.2.3. Phương pháp hóa học
Trong xử lý nước thải dệt nhuộm, phương pháp xử lý hóa học với các tác nhân oxy hóa được biết là hiệu quả hơn nhiều so với các phương pháp khác trong việc phá vỡ cấu trúc thẳng và không bão hòa của các phân tử phẩm nhuộm [6, 20]. Trong đó, Oxy hóa hóa học được định nghĩa là một quá trình mà trong đó có sự trao đổi electron từ chất này qua chất khác. Khả năng oxy hóa của các chất khác nhau là khác nhau, được thể hiện thông qua thế oxy hóa khử của nó. Bảng 1.10 cho biết thế oxy hóa của một số chất oxy hóa phổ biến [8, 16].
Bảng 1.7. Thế oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa phổ biến
Tác nhân oxy hóa Thế oxy hóa (V)
Gốc hydroxyl (OH* ) 2.80 Oxy nguyên tử 2.42 Ozon 2.07 Hydrogen peroxide 1.77 Permanganate 1.67 Axit Hypobrom 1.59 Chlorine dioxide 1.50 Axit HypoChlor 1.49 Axit Hypoiod 1.45 Chlorine 1.36 Bromide 1.09 Iodine 0.54
Phương pháp oxy hóa cũng được coi là một giải pháp có hiệu quả kinh tế, có thể lắp đặt kết hợp với hệ thống xử lý sinh học để xử lý các hợp chất hữu cơ khó hoặc không bị phân hủy sinh học. Quá trình này đạt tối ưu khi các hợp chất không phân hủy sinh học bị khử với lượng chất oxy hóa tối thiểu. Có thể xem đây là phương pháp phù hợp với những nguồn thải có tải lượng nhỏ. Còn đối với những nguồn thải có tải lượng lớn, phương pháp này đòi hỏi một lượng lớn chất oxy hóa, dẫn đến chi phí xử lý cao. Trong trường hợp này, người ta thường lựa chọn các phương pháp xử lý khác như hấp phụ (đối với dòng thải có nồng độ chất ô nhiễm cao) hoặc xử lý sinh học (đối với dòng thải có nồng độ ô nhiễm thấp).
Một số chất oxy hóa thường sử dụng:
Clo: Clo là chất oxi hoá hoá học tốt được sử dụng để khử Fe2+ trong nước ngầm hoặc nước mặt, trong khử trùng nước sau xử lý, các nguồn cung cấp clo hoạt tính là Cl2, CaOCl2, NaClO, Ca(ClO)2... Vì clo là chất oxi hoá tương đối mạnh, rẻ tiền và dễ sử dụng nên được dùng rất phổ biến trong ngành xử lý nước và nước thải cho đến ngày nay.Tuy được đánh giá cao về hiệu quả xử lý màu nhưng khi sử dụng ở nồng độ cao để khử màu sẽ để lại dư lượng clo lớn trong nước thải.Nó có thể khử màu nhanh phẩm nhuộm axit và phẩm nhuộm hoạt tính. Với phẩm nhuộm phân tán và phẩm nhuộm trực tiếp thì ngay ở nồng độ clo cao cũng không thu được hiệu quả đáng kể.
Nhìn chung, clo không được ưa thích trong xử lý màu nước thải vì sinh ra các hợp chất cơ clo gây ung thư và độc hại với môi trường.
Kali permanganat (KMnO4): Kali permanganat là chất oxi hoá được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước. Đó là chất oxi hoá mạnh hơn clo, có thể làm việc trong khoảng pH rộng, nhưng đắt tiền.
Nhược điểm đáng kể của Kali pecmanganat khi sử dụng trong xử lý nước là tạo ra mangan dioxit trong quá trình oxi hoá, chất này kết tủa và do vậy phải tách ra bằng cách lọc hoặc lắng, gây tăng thêm chi phí.
Hydrogen peroxit (H2O2): Hydrogen peroxit là chất oxi hoá mạnh hơn clo và Kali permanganat, được sử dụng phổ biến trong xử lý nước thải để phân huỷ các chất hữu cơ và khử màu nước thải.
Ưu điểm của hydrogen peroxit là không sinh ra chất độc hoặc chất có màu trong quá trình sử dụng. Tuy vậy, khả năng oxi hoá của hydrogen peroxit không đủ mạnh để khoáng hoá hoàn toàn chất ô nhiễm hữu cơ như yêu cầu đòi hỏi.
Ozon (O3): Ozon là chất oxi hoá mạnh nhất trong số các chất oxi hoá thông dụng kể trên, được sử dụng để khử trùng, phân huỷ các chất hữu cơ hoặc để khử màu nước thải ngành giấy hoặc dệt nhuộm [12], khử mùi hôi, khử sắt hoặc mangan trong nước sinh hoạt.
Ưu điểm của ozon là tự phân huỷ, không để lại các phụ phẩm lạ và nguy hiểm trong nước sau khi phản ứng [12, 40]. Ozon có thể oxi hóa phẩm nhuộm trong nước thải mà không sinh ra các hợp chất hữu cơ thứ cấp độc hại [25, 27]. Với pH < 5, ozon tồn tại ở dạng O3 và oxi hóa chọn lọc nối đôi trong phẩm nhuộm. Với pH > 8, ozon phân hủy tạo gốc tự do *
OH phản ứng không chọn lọc với các chất hữu cơ [14, 16, 18, 33, 40]. Ozon có hiệu quả nhất trong quá trình loại bỏ phẩm nhuộm hoạt tính.
Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này nằm ở giá thành cao và thời gian tồn tại của ozon ngắn, chi phí cho thiết bị tạo ozon cao.
Các quá trình oxi hóa nâng cao [6, 16, 39]
Quá trình oxy hóa nâng cao được đặc trưng bởi sản xuất của các gốc *OH được tạo ra ngay trong quá trình xử lý. Gốc hydroxyl *OH là một tác nhân oxi hóa mạnh nhất trong số các tác nhân oxi hóa được biết từ trước đến nay, có khả năng phản ứng nhanh mạnh, có thể phân hủy được hầu hết các hợp chất hữu cơ [14, 16]. Thế oxi hóa của gốc hydroxyl *OH là 2,8V, cao nhất trong số các tác nhân oxi hóa thường gặp.
Đặc tính của các gốc tự do là trung hòa về điện. Mặt khác, các gốc này không tồn tại có sẵn như những tác nhân oxi hóa thông thường, mà được sản sinh ngay trong quá trình phản ứng, có thời gian sống rất ngắn, khoảng vài nghìn giây nhưng liên tục được sinh ra trong suốt quá trình phản ứng.
1- Phân loại: Theo cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (USEPA), dựa theo đặc tính của quá trình có hay không có sử dụng nguồn năng lượng bức xạ tử ngoại UV mà có thể phân loại các quá trình oxi hóa nâng cao thành hai nhóm:
Các quá trình oxi hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng
Các quá trình oxi hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng là các quá trình không nhờ năng lượng bức xạ tia cực tím UV trong quá trình phản ứng.
Bảng 1.8.Các quá trình oxi hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng
Tác nhân phản ứng Phản ứng đặc trƣng Tên quá trình
H2O2 và Fe2+
H2O2 +Fe2+ Fe3++OH- +*HO Fenton H2O2 và O3 H2O2 + 2O3 2*HO + 3O2 Peroxon O3 và các chất xúc tác 3O3+H2O 2*HO+4O2 Catazon
H2O và NL điện hóa H2O *HO + *H Oxi hóa điện hóa H2O và NL siêu âm H2O *HO+*H (20-40 kHz) Siêu âm
H2O và năng lượng cao H2O *HO +*H ( 1-10 Mev) Bức xạ năng lượng cao
Các quá trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng:
Các quá trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng là các quá trình nhờ năng lượng bức xạ của tia cực tím UV,
Bảng1.9. Các quá trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng [8, 39]
Tác nhân phản ứng Phản ứng đặc trƣng Tên quá trình
H2O2 và năng lượng
photon UV H2O2 2*HO ( = 220 nm) UV/H2O2 O3 và năng lượng
photon UV O3 + H2O 2*HO( = 253,7 nm) UV/O3 H2O2/O3 và năng lượng H2O2 +O3 + H2O 4*HO + O2 UV/H2O2+ O3
photon UV ( = 253,7 nm) H2O2/Fe3+ và năng lượng
photon UV
Fe3++H2O *HO +Fe2++ H+
Fe2+ + H2O2 Fe3++ OH- +*HO Quang Fenton TiO2 và năng lượng
photon UV TiO2 e- + h+ ( > 387,5 nm) h+ + H2O *HO + H+ h+ + OH- *HO + H+ Quang xúc tác bán dẫn
1.3.3. Lựa chọn phƣơng pháp xử lý nƣớc thải phẩm nhuộm:
Các nghiên cứu, ứng dụng của Ozon
Ngày nay, Ozon được sử dụng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày, với việc sử dụng máy tạo Ozon để khử khuẩn và các chất bẩn cũng như dư lượng thuốc bảo vệ thực vật cho các loại rau quả. Đối với nước uống, quá trình Ozon được áp dụng để xử lý các chất gây mùi, vị khó chịu như geosamin, 2-metyliosboneol (MIB), các hợp chất hữu cơ chứa clo, đồng thời còn sử dụng O3 là tác nhân khử trùng mạnh, tiêu diệt được những loài vi khuẩn hoặc các loài dễ bị khử bởi clo như: Giaardia và Cryptosporium [37].
Đối với nước thải, quá trình oxy hóa với tác nhân Ozon được sử dụng để xử lý các chất mang màu, các hợp chất hữu cơ halogen, các hợp chất của phenol và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học khác. Tuy vậy, quá trình Ozon hóa thường được dừng lại ở mức độ phân hủy nào đó, nhằm chuyển các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học thành những chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học tạo điều kiện thuận lợi để thực hiện các quá trình xử lý sinh học tiếp theo.
Một số nghiên cứu, ứng dụng phương pháp oxi hóa bằng tác nhân Ozon trên thế giới:
- Xử lý clorofooc trong nước ngầm ở Commerce City, Colordo, Mỹ với nồng độ 33,4 mg/l đã được Zappi vcs. (1992) nghiên cứu. Với lượng ozon liên tục cho vào thiết bị phản ứng dung tích 1lít với lượng 3mg/l. Kết quả là trong vòng 20 phút khoảng 90% clorofooc được xử lý.
của Ku (1999) đã tiến hành phân hủy monocrotophos pha trong nước đã loại bỏ các ion. Kết quả thấy sau 20 phút đã phân hủy được trên 95% thuốc diệt cỏ. …
Một số nghiên cứu, ứng dụng phương pháp oxi hóa bằng tác nhân Ozon ở Việt Nam
- Trần Mạnh Trí và các đồng tác giả (2005) đã nghiên cứu và sử dụng O3 và áp dụng hệ O3/H2O2 để xử lý màu của nước thải sản xuất bột giấy từ gỗ cây keo lai. Kết quả đã có thể xử lý giảm được 98-99% so với độ màu ban đầu [8].
1.3.3.1. Quá trình Ozon hóa
Cấu tạo và tính chất của Ozon:
Ozon được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1840 bởi nhà hóa học người Đức tên là C.F. Schonbein (1799 – 1868), khi ông tình cờ ngửi thấy mùi lạ của một chất khi phát