Chương 1 TỔNG QUAN
1.3. THUỐC NHUỘM VÀ PHENOL
1.3.1. Giới thiệu về thuốc nhuộm và nước thải dệt nhuộm
Thuốc nhuộm là cỏc hợp chất hữu cơ cú khả năng nhuộm màu cho vật liệu và cú độ bền màu, khụng bị phõn huỷ trong những điều kiện nhất định. Thuốc nhuộm được sử dụng trong nhiều ngành cụng nghiệp như dệt may, giấy, thuộc da, mỹ phẩm, cao su,… Màu sắc của thuốc nhuộm phụ thuộc vào cấu trỳc hoỏ học của nú và thường gồm nhúm mang màu (azo –N=N–, methan –CH=, nitro –NO2, –NO– OH, carbonyl =C=O, ethylene =C=C=,…) và nhúm trợ màu (amino –NH2, hydroxyl –OH, carboxyl –COOH, sulphonat –SO3H,…). Nhúm trợ màu cú thể làm tăng khả năng bỏm vào vật liệu, tăng cường màu sắc, độ tan, khả năng hấp phụ ỏnh sỏng,…
1.3.1.1. Phõn loại
Cú nhiều cỏch phõn loại thuốc nhuộm như dựa vào nguồn gốc, là thuốc nhuộm tự nhiờn hay nhõn tạo. Hiện nay cú đến trờn 100.000 loại thuốc nhuộm và chủ yếu là thuốc nhuộm nhõn tạo. Cũng cú thể phõn loại dựa vào cấu trỳc như thuốc nhuộm azo, antraquinon, indigoid, nitro, triarylmetan, phthalocyanine,… (hỡnh 1.15).
nitro
azo indigoid
antraquinon triarylmetan
Phthalocyanine
Hỡnh 1.15. Một số cấu trỳc thuốc nhuộm thường gặp
Bờn cạnh đú, cú thể phõn loại thuốc nhuộm theo đặc tớnh và kỹ thuật sử dụng. Theo cỏch này thỡ thuốc nhuộm được chia thành:
- Thuốc nhuộm acid: là muối natri của acid hữu cơ sulfonic, carboxylic hoặc phenol. Loại thuốc nhuộm này cú thể hũa tan trong nước, cú ỏi lực với cỏc sợi lưỡng tớnh và thường được sử dụng cho nylon, len, giấy, da, thực phẩm, mỹ phẩm,…
- Thuốc nhuộm base: sinh ra cỏc cation cú màu trong dung dịch và thường được gọi là thuốc nhuộm cation. Loại thuốc nhuộm này được sử dụng trong ngành giấy, nylon, polyeste biến tớnh, y học,…
- Thuốc nhuộm trực tiếp (direct dyes): là những thuốc nhuộm anion trong nước. Chỳng được sử dụng để nhuộm bụng, tơ tằm, giấy, da,…
- Thuốc nhuộm phõn tỏn (disperse dyes): là thuốc nhuộm khụng hũa tan và sử dụng chủ yếu trờn polyester, sợi nylon, cellulose, acrylic,…
- Thuốc nhuộm lưu huỳnh: là loại thuốc nhuộm cú cấu trỳc trung gian, giỏ thành thấp và bền màu, thường dựng để nhuộm vải cotton và rayon.
- Thuốc nhuộm hoạt tớnh (reactive dyes): Cú một nhúm mang màu gắn với một nhúm thế cú khả năng phản ứng trực tiếp với vật liệu. Thuốc nhuộm loại này là
một trong những thuốc nhuộm bền nhất nhờ tạo thành liờn kết cộng húa trị và được ứng dụng nhiều trong nhuộm bụng, len và nylon.
- Thuốc nhuộm dung mụi: Ít hoặc khụng phõn cực và khụng tan trong nước, được sử dụng cho nhựa, xăng, chất bụi trơn, dầu,…
- Thuốc nhuộm Vat (vat dyes): khụng tan trong nước và khụng cú khả năng nhuộm màu trực tiếp. Tuy nhiờn, quỏ trỡnh khử trong dung dịch kiềm tạo ra muối kim loại kiềm hũa tan trong nước. Ở dạng này, chỳng cú ỏi lực với sợi dệt và được sử dụng chủ yếu cho bụng, len và nylon.
1.3.1.2. Nước thải dệt nhuộm
Nước thải dệt nhuộm là nước thải từ tất cả cỏc cụng đoạn hồ sợi, nấu tẩy, tẩy trắng, làm búng sợi, nhuộm in và hoàn tất. Vỡ thế nước thải dệt nhuộm chứa rất nhiều cỏc loại tạp chất như thuốc nhuộm, cỏc hợp chất hữu cơ khú phõn hủy, kiềm, muối, cỏc chất hoạt động bề mặt,… Trong đú, thuốc nhuộm là thành phần khú xử lớ nhất. Theo Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 13-MT:2015/BTNMT, cỏc thụng số ụ nhiễm trong nước thải cụng nghiệp dệt nhuộm khi xả ra nguồn nước khụng dựng cho mục đớch cấp nước sinh hoạt thỡ pH 5,5~9, độ màu là 150 Pt-Co, nhu cầu oxy sinh học sau 5 ngày (BOD5) ở 20oC là 50 mg L-1, nhu cầu oxy húa học (COD) là 150 mg L-1, tổng chất rắn lơ lửng (TSS) là 100 mg L-1, tổng cỏc chất hoạt động bề mặt là 10 mg L-1. Để xử lớ nước thải, cỏc nhà mỏy dệt nhuộm tại Việt Nam thường ỏp dụng cỏc cụng nghệ truyền thống gồm: i) xử lớ sơ bộ loại bỏ cỏc tạp chất thụ cứng, vật nổi, nặng, một phần tạp chất ở dạng lơ lửng, dầu mỡ,…; ii) xử lớ phần lớn chất ụ nhiễm trong nước thải bằng sự kết hợp cỏc quỏ trỡnh húa - lớ, húa học, sinh học, cơ học; iii) khử khuẩn (clo húa nước, ozone, tia cực tớm) và nõng cao chất lượng nước bằng cỏc phương phỏp xử lớ riờng biệt phụ thuộc vào yờu cầu của nguồn tiếp nhận.
Trong luận ỏn này, thuốc nhuộm hoạt tớnh màu đỏ (Reactive Red 195, ký hiệu là RR 195) được chọn làm đối tượng để nghiờn cứu khả năng hấp phụ của THT tổng hợp được. Một số thụng số của RR 195 được giới thiệu trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Một số thụng số của RR 195Cụng thức Cụng thức 19,5 Å C31H19O19N7S6Na5Cl Tờn gọi khỏc Phõn loại
Khối lượng phõn tử (g mol-1) λmax (nm)
Reactive Red 3BS, Reactive Red M-3BE, Reactive Red M-3BF, Reactive Red SP-3B, Red F3B, … thuốc nhuộm anion, thuốc nhuộm azo
1136,32 541
1.3.2. Giới thiệu về phenol
Phenol cú mặt trong nước thải của nhiều ngành như lọc húa dầu, dược phẩm, luyện cốc, sản xuất nhựa, chất dẻo, sơn, bột giấy và cỏc sản phẩm gỗ,… Một số thụng số của phenol được giới thiệu trong bảng 1.4.
Bảng 1.4. Một số thụng số của phenol
Cụng thức
4,3 Å C6H5OH
Khối lượng phõn tử (g mol-1) Nhiệt độ núng chảy (oC) Nhiệt độ sụi (oC)
Độ tan (g L-1 ở 25oC) pKa
Giới hạn chỏy trong khụng khớ (% thể tớch) Điểm chớp chỏy (oC) 94.11 40,9 181,75 87 9,89 1,7 – 8,6 79 13,5 Å 5,6 Å
Tựy thuộc phạm vi nồng độ, thời gian tiếp xỳc, phenol cú ảnh hưởng cấp tớnh và món tớnh đến sức khỏe con người. Nhiễm độc phenol theo đường tiờu húa từ 1 đến 5 g cú thể gõy tử vong. Phenol gõy kớch ứng da, mắt và niờm mạc. Khi tiếp xỳc thời gian ngắn, phenol cú thể gõy đau đầu, chúng mặt, mệt mỏi, suy nhược, buồn nụn,… Khi tiếp xỳc lõu hơn, phenol cú thể gõy suy thận, co giật, hụn mờ,… Theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 20:2009/BTNMT, nồng độ tối đa cho phộp của phenol trong khớ thải cụng nghiệp phỏt thải vào mụi trường là 19 mg Nm-3. Theo quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt thỡ giỏ trị giới hạn của tổng phenol trong nước tưới tiờu, thủy lợi là 0,01 mg L-1.
1.3.3. Xử lớ nước thải dệt nhuộm và nước thải chứa phenol
Cú rất nhiều phương phỏp xử lớ nước thải dệt nhuộm và nước thải chứa phenol. Cỏc phương phỏp này cú thể được xếp vào ba nhúm chớnh là phương phỏp húa lớ (hấp phụ, lọc màng, trao đổi ion, chiếu xạ, keo tụ điện húa,…), phương phỏp húa học (oxi húa, phản ứng Fenton, ozon húa, quang húa, điện phõn, oxi húa tiờn tiến, NaOCl, điện phõn,…) và phương phỏp sinh học [125]. Trong đú phương phỏp hấp phụ được đỏnh giỏ cao nhờ giỏ thành thấp, cụng nghệ đơn giản, chi phớ lắp đặt hợp lý, dễ dàng kết hợp với cỏc phương phỏp khỏc và đặc biệt cú thể xử lớ được cỏc chất ụ nhiễm ở nồng độ thấp. Vật liệu hấp phụ sử dụng cần cú bề mặt riờng lớn với mao quản cú kớch thước phự hợp, cú nhiều nhúm chức bề mặt, dễ hoàn nguyờn, tuổi thọ cao, bền nhiệt, bền húa học, bền cơ học. Hơn nữa, vật liệu hấp phụ cần dễ tổng hợp với độ lặp lại cao, nguồn nguyờn liệu dồi dào và giỏ thành thấp, ớt/khụng gõy ụ nhiễm mụi trường thứ cấp. Vật liệu chứa nhiều mao quản nhỏ thường được dựng để hấp phụ cỏc ion kim loại nặng và cỏc phõn tử chất ụ nhiễm hữu cơ cú kớch thước nhỏ như phenol; vật liệu mao quản trung bỡnh và mao quản lớn thường dựng để hấp phụ cỏc phõn tử chất hữu cơ cú kớch thước lớn, cồng kềnh như thuốc nhuộm.
Cú nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quỏ trỡnh hấp phụ như nồng độ đầu của chất bị hấp phụ, lượng chất hấp phụ sử dụng, nhiệt độ hấp phụ, thời gian tiếp xỳc, pH của dung dịch, tốc độ khuấy,… Trong nghiờn cứu hấp phụ, tham số quan trọng nhất để đỏnh giỏ khả năng hấp phụ của vật liệu là dung lượng hấp phụ chất ụ nhiễm của
vật liệu hấp phụ và tốc độ hấp phụ.