Trong lĩnh vực chất keo tụ tự nhiên, Gel hạt cây MHY là một loại gel polysacarit và được xem như một chất keo tụ mới. Trong nhân của chúng chứa một lượng Galactomannan polysaccharides bao gồm các nhóm cis – hydroxyl tác động qua lại với hạt keo. Những nghiên cứu trước cho thấy, galactomannan bao gồm khung chính là 25 đơn vị β-D-mannopyranosyl liên kết với nhau qua liên kết (1→4) glycoside và 8 đơn vị D-galactopyranosyl gắn vào mạch chính bởi liên kết (1→6). Gum polysaccharid thuộc nhóm trung tính là Galactomannan mà phân tử gồm các gốc D-mannose và D-galactose, còn glucomannan là các polysaccaric mà các phân tử gồm các gốc D-mannose và D-glucose. Galactomannan của mỗi loại cây thì khác nhau về tỉ lệ giữa các gốc galactose và mannose, khác nhau về cấu trúc và phân tử lượng.
Quy trình trích ly và tinh chế gum hạt đơn giản, không gây ô nhiễm, nó có khả năng khử màu nhuộm. Thành phần hoạt tính có khả năng keo tụ trong hạt cây MHY là galactomannan. Trong gum, trọng lượng phân tử trung bình của các galactomannan
28
là 470.000 Daltons (1Daltons = 1đvC = 1g/mol) và chỉ số polydispersity (D) là 2,483. Với giá trị D cao, nên gum MHY hòa tan trong nước rất nhanh.
1.5 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều kỹ thuật hóa lý, sinh học được áp dụng để loại trừ màu trong nước thải. Các kỹ thuật hóa lý bao gồm: Màng lọc, keo tụ, hấp phụ, trao đổi ion, oxid hóa nâng cao... Trong khi các kỹ thuật sinh học được dùng là: hấp thu sinh học dùng nấm, vi khuẩn, phân hủy trong điều kiện hiếu khí, yếm khí, thiếu khí hoặc kết hợp hai quá trình yếm khí và hiếu khí. Việc sử dụng công nghệ xử lý nào còn tùy thuộc vào các thông số như loại màu, thành phần và tính chất nước thải, chi phí hóa chất, chi phí vận hành, xử lý các chất thải thứ cấp phát sinh.
Các nghiên cứu trên thế giới cho thấy rằng màu và COD có thể được loại bỏ trong nước thải bằng phương pháp keo tụ và tạo bông. Quá trình này thường được thực hiện trước hoặc sau quá trình xử lý chính. Giai đoạn này thường bắt buộc phải thêm hóa chất keo tụ để tạo bông với các chất ô nhiễm và tách ra khỏi nước thải. Các chất keo tụ thương dùng là vôi, muối sắt và nhôm. Gần đây, các chất keo tụ bằng polymer hữu cơ thường được thêm vào để giảm thể tích bùn thải, nhưng hầu hết các polymer trong trường hợp này đều độc cho hệ thống thủy sinh dù với liều lượng rất thấp. Vì vậy, các kỹ thuật xử lý hiện nay chưa cho thấy hiệu quả an toàn trong quá trình xử lý màu của nước thải dệt nhuộm.
Thời gian gần đây, nhiều nghiên cứu đã khảo sát khả năng thay thế chất trợ keo tụ polymer tổng hợp bằng các polymer tự nhiên thân thiện với môi trường – một số loại gel trích ly từ hạt một số loại cây đã được chứng minh là những chất trợ keo tụ hiệu quả, có thể giảm 40 – 50% lượng nhôm trong phèn nhôm hay PAC cần dùng. Một số nghiên cứu có thể kể đến như:
Hanif và cộng sự (2008) đã nghiên cứu về việc sử dụng sinh khối từ vỏ Muồng Hoàng Yến làm chất keo tụ trong xử lý nước thải dệt nhuộm. Kết quả cho thấy chất keo tụ có nguồn gốc tự nhiên mang lại hiệu quả kinh tế cho quá trình xử lý nước thải và có khả năng ứng dụng ở các nước đang phát triển. Hiệu quả của việc xử lý
29
phụ thuộc vào liều lượng của chất keo tụ cũng như pH của nước thải. Liều lượng tối ưu cho quá trình là 1500 mg/l [15]. Nghiên cứu của Hanif là một nền tảng quan trọng đối với nghiên cứu được thực hiện trong đề tài này. Với những kết quả mà nghiên cứu của Hanif đã đưa ra, ta có thể khẳng định về tiềm năng ứng dụng Muồng Hoàng Yến trong xử lý nước thải dệt nhuộm. Bên cạnh đó, tính kinh tế của phương pháp này cũng được Hanif đề cập đến. Vì Muồng hoàng Yến là loại cây phổ biến trong đời sống hiện nay nên chất keo tụ từ hạt cây Muồng Hoàng Yến là chất dễ tìm, giá thành thấp hơn so với các chất keo tụ hóa học. Nên việc thay thế chất keo tụ bằng gel trích ly từ vỏ MHY có tính ứng dụng cao trong đời sống, nó sẽ giúp người xử lý nước thải tiết kiệm được chi phí mà vẫn đảm bảo yêu cầu về chất lượng nước thải ra môi trường. MHY còn là chất keo tụ thiên nhiên thân thiện với môi trường. Việc tồn dư một lượng MHY trong nước thải sau khi xử lý không phải là vấn đề đáng lo ngại như những chất keo tụ hóa học khác. Đây là những cơ sở quan trọng giúp chúng ta thực hiện đề tài này để ứng dụng MHY vào điều kiện thực tế ở Việt Nam. Hanif cũng đã khẳng định, hiệu quả xử lý của phương pháp này phụ thuộc vào tính chất của nước thải và liều lượng chất keo tụ. Vì tính chất nước thải khác nhau theo từng khu vực nên cần có nghiên cứu áp dụng riêng cho Việt Nam để đảm bảo quá trình xử lý nước được hiệu quả. Tương ứng với từng loại nước thải ta sẽ có các thông số vận hành riêng như liều lượng gel, pH của nước, các chất trợ keo tụ có thể được kết hợp trong quá trình xử lý. Tất cả các thông số này sẽ được khảo sát trong đề tài này với các điều kiện ở Việt Nam.
Nghiên cứu của Perng và cộng sự (2015) cho thấy tiềm năng của việc ứng dụng gel từ hạt MHY kết hợp với PAC trong quá trình xử lý hai loại màu nhuộm là blue 19 (RB19) và black 5 (RB5). Tỷ lệ kết hợp là 80 – 120 mg/L gel MHY và 132 mg/L PAC. Hiệu quả loại bỏ màu của quá trình đối với cả hai loại màu đạt trên 92%. Trong khi hiệu quả chỉ đạt 62% đối với màu RB19 và 55,7% đối với màu RB5 nếu chỉ sử dụng gel MHY như chất keo tụ. Hiệu quả loại bỏ màu của gel MHY phụ thuộc chủ yếu vào giá trị pH vì pH có khả năng ảnh hưởng đến cấu trúc của màu nhuộm, gel cũng như sự tương tác gữa chúng. Giá trị pH tối ưu nhất của quá trình là
30
10 [6]. Nghiên cứu của Perng đã cho ta thấy gel MHY có khả năng kết hợp với các chất keo tụ hóa học trong quá trình xử lý màu nhuộm. Khi sử dụng kết hợp gel MHY và PAC làm chất keo tụ sẽ làm tăng hiệu quả xử lý màu của MHY, đảm bảo chất lượng nước đầu ra. Đồng thời, việc bổ sung gel đồng nghĩa với việc giảm đi hàm lượng PAC cần sử dụng từ đó sẽ giảm khả năng gây ảnh hưởng xấu tới môi trường do lượng hóa chất tồn dư. Tuy nhiên, nếu chỉ sử dụng riêng gel MHY thì hiệu quả xử lý sẽ không được đảm bảo, các chất ô nhiễm còn lại trong nước cũng sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường tiếp nhận. Do đó, hướng nghiên cứu được Perng lựa chọn là một hướng đi mang tính khả thi cao. Đề tài này cũng sẽ kế thừa từ các kết quả nghiên cứu của Perng và mở rộng với màu nhuộm RB21 giả định và nước thải dệt nhuộm thực tế. Các điều kiện thí nghiệm sẽ được khảo sát để phù hợp với điều kiện tại Việt Nam.
Năm 2012, Verma và cộng sự đã thực hiện một nghiên cứu để đưa ra cái nhìn tổng quan về việc sử dụng các chất keo tụ hóa học trong xử lý nước thải dệt nhuộm. Theo đó, các chất keo tụ hóa học như PAC, PFC, PFS và PAFC là những chất keo tụ thường được dùng phổ biến do chúng có hiệu quả loại bỏ màu cao ở nồng độ thấp và hoạt động ở khoảng pH rộng. Tuy nhiên, định hướng nghiên cứu hiện nay mà con người đang hướng đến là các chất keo tụ tự nhiên, không độc hại, dễ phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường,... Do đó, chất keo tụ tự nhiên có tiềm năng ứng dụng cao trong xử lý nước thải dệt nhuộm [16]. Verma đã đưa ra kết luận về xu hướng phát triển của ngành xử lý nước thải hiện nay, điều này là cơ sở để ta phát triển việc nghiên cứu về gel MHY – một chất keo tụ tự nhiên và đưa nó đến gần với đời sống của con người hơn. Nếu gel MHY được nghiên cứu đầy đủ về tính chất, hiệu quả xử lý cũng như giá thành sẽ là một chất keo tụ đầy hứa hẹn trong ngành xử lý nước thải.
Nhìn chung, các nhà khoa học trên thế giới đang ngày càng quan tân nhiều hơn đến việc ứng dụng các chất có nguồn gốc tự nhiên vào xử lý nước thải. Đây sẽ là xu hướng phát triển chung của ngành xử lý nước trong tương lai. Vì thế, Việt Nam
31
cũng cần nắm bắt và có những đóng góp tích cực hơn vào việc nghiên cứu về các chất xử lý nước có nguồn gốc tự nhiên, điển hình là gel từ hạt cây MHY.
1.6 Nghiên cứu trong nước
Năm 2014 nước ta đã là một trong những nước hàng đầu trên thế giới về xuất khẩu dệt may, kéo theo đó ngành nhuộm cũng tạo ra một mối lo ngại lớn trong môi trường. Vì vậy, công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm gần đây cũng có những bước tiến đáng kể. Nhiều nhà máy xử lý nước thải dệt nhuộm đã được xây dựng bằng công nghệ nước ngoài lẫn trong nước, hầu hết các nhà máy xử lý có dây chuyền công nghệ xử lý khá phức tạp, chiếm nhiều diện tích xây dựng, nhưng nước thải sau xử lý có độ màu chưa đạt tiêu chuẩn QCVN 13 – 2015/BTNMT [17].
Tại Việt Nam, nước thải dệt nhuộm đã được nghiên cứu xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau. Trong đó, phương pháp hóa lý – keo tụ tạo bông là một trong những phương pháp được quan tâm hàng đầu và ứng dụng rộng rãi do có hiệu quả xử lý cao. Tuy nhiên, vấn đề ô nhiễm thứ cấp do các chất keo tụ hóa học gây ra vẫn đang là mối lo ngại lớn cho môi trường. Do đó, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu về các chất keo tụ và trợ keo tụ có nguồn gốc tự nhiên.
Năm 2015, nhóm tác giả thuộc trường đại học Sài Gòn đã nghiên cứu về việc sử dụng gel trích ly từ hạt cây MHY trong việc loại bỏ màu trong nước thải dệt nhuộm. Kết quả cho thấy gel Muồng Hoàng Yến có khả năng loại bỏ màu đạt 67,7% và COD đạt 42,4%. Tuy hiệu quả chưa cao so với các chất keo tụ hóa học như phèn nhôm PAC, phèn sắt II, nhưng với đặc tính thân thiện với môi trường, gel Muồng Hoàng Yến có tiềm năng sử dụng như 1 chất keo tụ trong xử lý nước thải dệt nhuộm [12].
Ngoài các phương pháp truyền thống, phương pháp oxy hóa nâng cao sử dụng chiếu xạ Gamma nguồn Cobalt-60 kết hợp với H2O2 là một phương pháp mới, đã được tác giả Luân Nhật Huy (2015) nghiên cứu. Kết quả cho thấy, hiệu suất khử màu có thể đạt 100% ở liều chiếu xạ 7 kGy [18]. Ngoài ra, phương pháp sử dụng siêu âm để phân hủy màu nhuộm cũng đã được tác giả Bùi Mạnh Hà và cộng sự nghiên cứu
32
năm 2011. Nghiên cứu đã bước đầu tìm ra điều kiện thích hợp cho sự phân hủy hoàn toàn màu nhuộm hoạt tính bằng thanh siêu âm [11].
Các nghiên cứu hiện nay tại Việt Nam về chất keo tụ có nguồn gốc tự nhiên vẫn còn rất hạn chế. Vì thế, cần có những nghiên cứu sâu hơn để góp phần đưa các chất có nguồn gốc tự nhiên vào việc xử lý nước thải, bảo vệ môi trường xanh và phát triển bền vững.
1.7 Tóm lược tổng quan tài liệu
Từ tổng quan tài liệu cho thấy việc tìm ra một phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm là một vấn đề được quan tâm cả trên thế giới và tại Việt Nam. Hiện nay quá trình xử lý hóa lý bằng phương pháp keo tụ tạo bông trong xử lý màu và nước thải dệt nhuộm đang được coi là một phương pháp quan trọng trước khi nước thải đi qua công trình xử lý tiếp theo. Nhưng trong quá trình xử lý hóa lý thường sử dụng một lượng lớn hóa chất gây tốn kém chi phí xử lý và gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường khi thải ra ngoài. Vì vậy việc tìm ra một loại hóa chất keo tụ hay trợ keo tụ có nguồn gốc sinh học đang được quan tâm nghiên cứu. Tại Việt Nam các nghiên cứu về chất keo tụ và trợ keo tụ đang được nghiên cứu và cần được nghiên cứu sâu hơn không chỉ trên mẫu giả định pha chế tại phòng thí nhiệm mà cần nghiên cứu cả trên mẫu nước thải thực tế.
33
CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Vật liệu nghiên cứu
Phẩm nhuộm Reactive Blue 21 (RB21) công thức phân tử C40H25CuN9O14S5 là hóa chất tinh khiết, sử dụng trong công nghiệp;
Mẫu nước thải dệt nhuộm được lấy từ nhà máy dệt nhuộm Công ty dệt nhuộm Liên Phương hoặc một số công ty dẹt nhuộm tương đương.
Gel MHY được ly trích từ hạt cây MHY. Hạt MHY được thu hái ở ven đường đô thị (thị xã Thủ Dầu Một, tỉnh Bình Dương) vào tháng 7 năm 2015, tên khoa học được xác định tại Bộ môn Thực vật, khoa Sinh học, Đại học Khoa học Tự Nhiên Tp. HCM. Quá trình chiết xuất gel được thực hiện tại Khoa Hóa hữu cơ, Đại học Khoa học Tự Nhiên Tp. HCM;
PAC công nghiệp 10%;
Polymer 0,5%;
NaOH 1M;
H2SO4 1M;
34
2.2 Thiết bị, dụng cụ
Bảng 2.1 Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
Stt Tên thiết bị, dụng cụ Hình ảnh I Thiết bị 1 Mô hình Jartest - Số vị trí: 6 - Xuất xứ: Daihan-Hàn Quốc 2 Tủ sấy - Model: SG01-2
- Hãng sản xuất: Shellab- Mỹ
- Dung tích: 28 lít
- Thang nhiệt độ: + 8
200oC
- Nhiệt độ đồng nhất: ± 4oC tại 100oC
- Nguồn điện: 220V/50-60 Hz
3
Máy đo pH, TDS, EC, nhiệt độ Hanna HI98130 - Độ chính xác:
pH: ± 0,05
EC/TDS: ± 2% FS Nhiệt độ: ± 0,5oC/ ± 1oF
35
Stt Tên thiết bị, dụng cụ Hình ảnh
4
Cân phân tích AND model EK-i
- Sai số: 0,01g
- Xuất xứ: AND - Nhật Bản
Khả năng cân: 120g-6000g
5
Máy quang phổ khả kiến Geneys 20 - Bước sóng: 325-1100nm - Độ chính xác: ± 2,0 nm - Độ lặp lại: ± 0,5 nm - Hệ quang học: 1 chùm tia - Bề rộng khe phổ: 8 nm - Hiển thị: 20 ký tự, 2 dòng. II Dụng cụ 6 Cuvet
36
Stt Tên thiết bị, dụng cụ Hình ảnh
7 Hình tam giác
8 Cốc thủy tinh
9 Đũa thủy tinh, pipet
37
2.3 Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Phương pháp trích ly gel Muồng Hoàng Yến
Quả MHY được thu hái ở ven đường đô thị (thị xã Thủ Dầu Một, tỉnh Bình Dương) vào tháng 7 năm 2015, tên khoa học được xác định tại Bộ môn Thực vật, khoa Sinh học, Đại học Khoa học Tự Nhiên Tp. HCM. Trái già có màu đen được phơi khô, sau đó tách vỏ chọn hạt to đều dùng làm cho thí nghiệm chiết xuất gel. Quá trình chiết xuất gel được thực hiện tại Khoa Hóa hữu cơ, Đại học Khoa học Tự Nhiên Tp. HCM.
Hình 2.1 Quả và hạt dùng trong chiết xuất gel (nguồn: Internet)
- Thiết bị ly trích: Bộ Soxhlet, cân phân tích, cân kỹ thuật, máy xay nguyên liệu, máy ly tâm.
- Bước 1: Loại màu và béo
Xay nhuyễn 1 kg hạt khô, rồi sàng bằng rây 500 µm để thu lấy bột mịn. Sấy bột này ở 80oC trong 6 giờ. Ngâm 300 g bột hạt trong ethanol 99% trong beacher 1000 ml từ vài ngày đến một tuần tùy theo loài. Bột sau khi ngâm ethanol tiếp tục được tẩm trích với ethanol bằng hệ thống Soxhlet.
38
Bột hạt sau khi loại màu và béo được để khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng từ 12-24