I. Tổng quan về nước thải dệt nhuộm công nghiệp
Nước thải dệt nhuộm là một trong những nguồn ô nhiễm nghiêm trọng trong ngành công nghiệp dệt may. Nó chứa nhiều hợp chất hữu cơ khó phân hủy, độc tính cao, và có chỉ số COD và độ màu vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Các nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm bao gồm các công đoạn như nhuộm, nấu, tẩy trắng, và giặt. Đặc biệt, nước thải từ công đoạn nhuộm có thành phần phức tạp và khó xử lý do chứa nhiều thuốc nhuộm và hóa chất còn dư thừa. Việc xử lý hiệu quả nước thải dệt nhuộm đòi hỏi sự kết hợp của nhiều công nghệ như hấp phụ, đông keo tụ, oxy hóa hóa học, và xử lý sinh học.
1.1. Nguồn phát sinh và đặc tính ô nhiễm
Các nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm bao gồm các công đoạn như hồ sợi, nấu, tẩy trắng, nhuộm, và hoàn tất. Mỗi công đoạn đều có đặc tính ô nhiễm riêng. Ví dụ, nước thải từ công đoạn nhuộm chứa nhiều thuốc nhuộm và muối kim loại, trong khi nước thải từ công đoạn tẩy trắng có độ kiềm cao và chứa các hợp chất clo. Đặc tính ô nhiễm của nước thải dệt nhuộm phụ thuộc vào loại thuốc nhuộm và hóa chất sử dụng, cũng như quy trình công nghệ của từng nhà máy.
1.2. Các loại thuốc nhuộm và tác động môi trường
Các loại thuốc nhuộm thường được sử dụng trong công nghiệp dệt nhuộm bao gồm thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm anthraquinone, và thuốc nhuộm phức kim loại. Những thuốc nhuộm này có cấu trúc bền vững, khó phân hủy sinh học, và có thể gây độc hại cho môi trường và sức khỏe con người. Độ gắn màu của thuốc nhuộm là yếu tố quan trọng quyết định lượng thuốc nhuộm thải ra môi trường. Việc xử lý nước thải dệt nhuộm cần tập trung vào việc loại bỏ các hợp chất màu và giảm tải lượng hữu cơ.
II. Vật liệu nano TiO2 và ứng dụng trong xử lý nước thải
Vật liệu nano TiO2 đã được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực xử lý nước thải dệt nhuộm nhờ khả năng quang xúc tác mạnh mẽ. TiO2 có thể phân hủy các hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của ánh sáng UV, tạo ra các gốc tự do có khả năng oxy hóa mạnh. Tuy nhiên, TiO2 có nhược điểm là chỉ hoạt động hiệu quả trong vùng UV do độ rộng vùng cấm lớn (3,2 eV). Để khắc phục điều này, pha tạp các nguyên tố như đồng (Cu) và crom (Cr) vào cấu trúc TiO2 đã được nghiên cứu nhằm mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến.
2.1. Cơ chế quang xúc tác của TiO2
Cơ chế quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 dựa trên việc tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống khi hấp thụ ánh sáng UV. Các cặp điện tử-lỗ trống này tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử, phân hủy các hợp chất hữu cơ thành các sản phẩm vô hại. Tuy nhiên, hiệu suất quang xúc tác của TiO2 bị hạn chế do tốc độ tái kết hợp cao của các cặp điện tử-lỗ trống. Pha tạp các nguyên tố kim loại vào TiO2 giúp giảm tốc độ tái kết hợp và tăng hiệu suất quang xúc tác.
2.2. Ứng dụng của TiO2 pha tạp trong xử lý nước thải
TiO2 pha tạp đã được ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước thải dệt nhuộm, đặc biệt là trong việc loại bỏ các hợp chất màu như metyl da cam và metylen xanh. Các nghiên cứu cho thấy TiO2 pha tạp đồng (Cu) và crom (Cr) có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến, giúp tăng hiệu quả xử lý nước thải. Ngoài ra, việc cố định vật liệu nano TiO2 trên các chất nền như thủy tinh, than hoạt tính, và polyuretan cũng được nghiên cứu nhằm tăng tính ứng dụng thực tế của công nghệ này.
III. Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm bằng TiO2 pha tạp
Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu nano TiO2 pha tạp. Các mẫu TiO2 pha tạp đồng (Cu) và crom (Cr) đã được tổng hợp và đánh giá hoạt tính quang xúc tác. Kết quả cho thấy TiO2 pha tạp có khả năng phân hủy hiệu quả các hợp chất màu trong nước thải dệt nhuộm, đặc biệt là dưới ánh sáng khả kiến. Ngoài ra, việc cố định TiO2 pha tạp trên các chất nền như than hoạt tính và polyuretan cũng được nghiên cứu nhằm tăng tính ứng dụng thực tế của công nghệ này.
3.1. Tổng hợp và đặc trưng vật liệu TiO2 pha tạp
Các mẫu TiO2 pha tạp đồng (Cu) và crom (Cr) đã được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel và đặc trưng bằng các kỹ thuật như XRD, TEM, và XPS. Kết quả cho thấy việc pha tạp các nguyên tố kim loại vào TiO2 đã làm thay đổi cấu trúc tinh thể và tính chất quang học của vật liệu, giúp mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến.
3.2. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải
Hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm bằng TiO2 pha tạp đã được đánh giá thông qua các thí nghiệm phân hủy metyl da cam và metylen xanh. Kết quả cho thấy TiO2 pha tạp có khả năng phân hủy hiệu quả các hợp chất màu, đặc biệt là dưới ánh sáng khả kiến. Ngoài ra, việc cố định TiO2 pha tạp trên các chất nền như than hoạt tính và polyuretan cũng giúp tăng hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành.
