MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngành dệt nhuộm là ngành công nghiệp có dây chuyền công nghệ phức tạp, áp dụng nhiều loại hình công nghệ khác nhau. Đồng thời trong quá trình sản xuất sử dụng các nguồn nguyên liệu, hoá chất khác nhau và cũng sản xuất ra nhiều mặt hàng có mẫu mã, màu sắc, chủng loại khác nhau. Nguyên liệu chủ yếu là xơ bông, xơ nhân tạo để sản xuất các loại vải cotton và vải pha.
Ngoài ra còn sử dụng các nguyên liệu như lông thú, đay gai, tơ tằm để sản xuất các mặt hàng tương ứng. Trong năm 2018, một số ngành công nghiệp cấp II có chỉ số sản xuất tăng cao so với năm trước, đóng góp chủ yếu vào tăng trưởng chung của toàn ngành công nghiệp mà trong đó dệt may tăng 12. 29 mặt hàng đạt kim ngạch xuất khẩu trên 1 tỷ USD, chiếm tới 91.7% tổng kim ngạch xuất khẩu của cả nước, trong đó 9 mặt hàng đạt trên 5 tỷ USD và 5 mặt hàng đạt trên 10 tỷ USD mà hàng dệt may đạt 30.4 tỷ USD, tăng 16. Theo số liệu của Hiệp hội Dệt May Việt Nam, tính đến năm 2017, tổng số doanh nghiệp dệt may cả nước đạt xấp xỉ 6000 doanh nghiệp, trong đó số lượng các doanh nghiệp gia công hàng may mặc là 5101 doanh nghiệp, chiếm tỷ lệ 85%; số lượng doanh nghiệp sản xuất vải, nhuộm hoàn tất là 780 doanh nghiệp, chiếm tỷ lệ 13%; số lượng doanh nghiệp sản xuất chế biến bông, sản xuất xơ, sợi là 119 doanh nghiệp, chiếm tỷ lệ 2% [2].
Bên cạnh những đóng góp to lớn vào sự phát triển kinh tế của đất nước và những đóng góp trong vấn đề đảm bảo an sinh xã hội thì hoạt động sản xuất của ngành dệt may cũng mang lại không ít những tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Trong chuỗi giá trị của ngành dệt may, công đoạn nhuộm và hoàn tất vải lại là những công đoạn phát thải ô nhiễm cao nhất khi sử dụng nhiều loại thuốc nhuộm, hóa chất, tiêu thụ nhiều nước, phát sinh nhiều nước thải với nồng độ ô nhiễm hữu cơ (BOD, COD), các kim loại nặng độc hại, các chất rắn lơ lửng,. cũng như độ màu rất cao. Để nhuộm 130 – 600 m3/tấn vải, có đến 88% lượng nước sạch sử dụng sẽ trở thành nước thải trong quá trình xử lý vải ướt.
Do sử dụng rất nhiều loại hóa chất như axit, dung môi hữu cơ kiềm tính, thuốc nhuộm và chất màu, các hoạt chất bề mặt nên ngành công nghiệp dệt nhuộm được xem là lĩnh vực gây ô nhiễm nghiêm trọng. 11 do an Ngân hàng Thế giới ước tính, mỗi năm, dệt nhuộm sử dụng 1/4 lượng hóa chất toàn thế giới và 1/5 lượng nước ô nhiễm toàn cầu do ngành công nghiệp dệt nhuộm thải ra. Các hóa chất nguy hại là độc tố tiêu diệt thủy sinh vật và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. Trong nước thải dệt nhuộm có cả những chất dễ phân giải vi sinh như bột sắn dùng hồ sợi dọc và những chất khó phân giải vi sinh như polyvinyl axetat, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm hoạt tính và các chất dùng tẩy trắng vải.
Các loại vải càng sử dụng nhiều xơ sợi tổng hợp như polyester càng dùng nhiều thuốc nhuộm và các chất phụ trợ khó phân giải vi sinh, dẫn tới lượng chất gây ô nhiễm môi trường trong nước thải càng cao. Như vậy việc nghiên cứu tìm ra các quy trình để xử lý được nước thải mang màu từ các cơ sở dệt nhuộm là nhu cầu của thực tiễn sản xuất, nhằm giải quyết triệt để những tồn tại lâu nay trong nước thải từ ngành dệt nhuộm. Hiện nay, phương pháp quang xúc tác sử dụng các vật liệu bán dẫn là các oxit của kim loại chuyển tiếp như TiO2, MnO2, ZnO,… đã và đang được sử dụng và nghiên cứu để phân hủy chất màu dệt nhuộm, các dư lượng thuốc trừ sâu, chất kháng sinh trong nước thải và nguồn nước bị ô nhiễm [3]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý cao bằng xúc tác quang đã mở ra một hướng phát triển mới trong xử lý nước và nước thải.
Một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp xúc tác quang là không tạo ra chất thải rắn và sản phẩm cuối cùng là những hợp chất không độc hại. Mặt khác nguồn ánh sáng sử dụng trong xúc tác quang có thể là ánh sáng mặt trời. Đây là nguồn sáng vô tận, không tốn kém. Điều này giúp cho quá trình xúc tác quang trở nên hấp dẫn với các nhà đầu tư trong xử lý nước thải.
Tuy nhiên, một vấn đề khó khăn cần phải khắc phục trong phương pháp xúc tác quang là việc thu hồi lại chất xúc tác sau khi xử lý. Điều này là cần thiết vì chất xúc tác có kích thước bé, khó lắng và dễ đi qua hệ thống xử lý ra môi trường gây thất thoát dẫn đến lượng chất xúc tác sử dụng tăng lên nâng cao giá thành. Để khắc phục điều này, chất xúc tác đã được gắn cố định lên một vật liệu có kích thước hạt lớn hơn chất xúc tác [4]. Hiện nay vật liệu sử dụng làm chất mang xúc tác thường là những vật liệu hấp phụ như các khoáng sét, than hoạt tính,… Việc cố định chất xúc tác lên vật liệu hấp phụ sẽ đạt được các mục đích sau: Sử dụng lượng nhỏ chất xúc tác để giảm giá thành.
12 do an Nâng cao hiệu quả xử lý vì có sự đồng vận của quá trình xúc tác và phân hủy quang. Dễ thu hồi chất xúc tác vì cải thiện được quá trình lắng, lọc. Việt Nam là một nước nhiệt đới rất giàu về nguồn sáng mặt trời, thời gian chiếu sáng có thể kéo dài từ 10 – 12 giờ rất phù hợp cho việc sử dụng quang xúc tác. Nếu sử dụng chất xúc tác quang thích hợp bị kích thích cả trong vùng quang phổ ánh sáng mặt trời (vùng tử ngoại và vùng khả kiến) sẽ là một lợi thế rất lớn cho nghiên cứu và triển khai xúc tác quang phân hủy chất màu dệt nhuộm – là một nhu cầu rất lớn ở nước ta.
Do đó, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng xúc tác quang của nano ZnO và nano composite ZnO/bentonite để phân hủy chất màu acid blue 193 trong điều kiện chiếu sáng ánh sáng mặt trời” để xem xét hiệu quả cũng như tính ứng dụng trong thực tế nhằm góp phần giảm thiểu ô nhiễm của chất màu trong dệt nhuộm đến môi trường bên ngoài. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu điều chế nano ZnO bằng phương pháp kết tủa kết hợp với chiếu xạ vi sóng để đạt được sản phẩm có khả năng xúc tác quang cao. Cố định nano ZnO trên bentonite Lâm Đồng để nâng cao hiệu suất xử lý nhờ hiệu ứng đồng vận (synergistic effect).
Sử dụng các vật liệu quang xúc tác để phân hủy chất màu acid blue 193, một loại chất nhuộm được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp dệt nhuộm. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu đặc trưng của vật liệu nano xúc tác quang ZnO và ZnO/bentonite như hình thái bề mặt, kích thước hạt nano, cấu trúc và năng lượng vùng cấm (band gap) bằng các phương pháp phân tích TEM, SEM, XRD,… Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm: khảo sát khả năng xử lý màu nhuộm của nano ZnO và nano ZnO/bentonite và ảnh hưởng của các yếu tố (pH, nồng độ ban đầu, lượng chất xúc tác) đến khả năng quang hóa xúc tác dưới điều kiện có chiếu sáng mặt trời. Đối tượng, phạm vi của đề tài 1. Đối tượng nghiên cứu Vật liệu xúc tác quang nano ZnO và nano ZnO/bentonite điều chế trong phòng thí nghiệm và khả năng quang xúc tác của chúng; Xử lý chất màu dệt nhuộm – một loại chất ô nhiễm khá phổ biến trong môi trường nước do công nghiệp dệt nhuộm gây ra.
Phạm vi của đề tài Thực hiện thí nghiệm với mẫu nước pha bằng chất màu acid blue 193 dạng bột. Các thí nghiệm nghiên cứu quang xúc tác của nano ZnO và nano ZnO/bentonite được tiến hành trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp gián đoạn, trong những ngày có cường độ ánh sáng lớn nhất (từ 30 000 – 32 000 lux). Chất màu dệt nhuộm là acid blue 193, một loại chất màu sử dụng khá phổ biến trong công nghệ dệt nhuộm. Ý nghĩa của đề tài 1.
Ý nghĩa khoa học Thử nghiệm một vật liệu quang hóa xúc tác mới nhằm tạo ra sự đột phá trong việc xử lý nước thải ô nhiễm màu và mở đường cho những nghiên cứu tiếp theo trong việc xử lý các loại chất ô nhiễm khác. Ý nghĩa kinh tế Sử dụng nano ZnO và nano ZnO/Bentonite làm chất xúc tác để phân hủy chất màu dệt nhuộm trong điều kiện ánh sáng mặt trời có hiệu quả cao, giá thành thấp và thân thiện với môi trường. Ý nghĩa xã hội Màu là chỉ tiêu rất khó để xử lý. Các nhà máy, xí nghiệp dệt nhuộm đang cần có quy trình công nghệ thích hợp để xử lý hiệu quả màu trong dòng thải.
Trong khi đó, công nghệ xử lý này với ưu điểm là nguyên liệu rẻ, dễ tìm, hệ thống xử lý dễ vận hành, giá thành thấp nên có nhiều ưu thế. Vì vậy, kết quả nghiên cứu sẽ góp phần xây dựng quy trình xử lý phù hợp và cải tiến quy trình để nâng cao hiệu quả xử lý màu trong nước thải từ các nhà máy nhuộm. Tính mới của đề tài Đề xuất một nghiên cứu với các vật liệu mới sẵn có ở nước ta, không độc hại có chi phí rẻ, hiệu quả cao trong xử lý chất màu dệt nhuộm. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thu thập số liệu Từ tài liệu tham khảo: phương pháp này dựa trên nguồn thông tin sơ cấp và thứ cấp thu thập được từ những tài liệu nghiên cứu trước đây để xây dựng cơ sở luận cứ để chứng minh giả thuyết.
Từ thực nghiệm: - Phân tích hình thái bề mặt và cấu trúc của nano ZnO và nano ZnO/bentonite bằng phương pháp TEM (Transmission Electron Microscopy) và SEM (Scanning Electron Microscope with Electron Dispersive X-ray Spectrocopy). - Phân tích cấu trúc của ZnO nano và nano ZnO/bentonite bằng phổ XRD (X-Ray Diffraction). - Xác định năng lượng vùng cấm (band gap) của nano ZnO bằng phương pháp phân tích quang phổ UV-Vis (DRS).