CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. CHẤT MÀU, TÌNH HÌNH Ô NHIỄM CHẤT MÀU VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT MÀU ĐẾN MÔI TRƯỜNG, SỨC KHỎE 1. Chất màu: Đặc điểm và phân loại Chất màu hay chất màu, thuốc nhuộm là những chất hữu cơ phức hợp được thêm vào hoặc được sử dụng để làm thay đổi màu sắc của vật liệu hoặc bề mặt [6].
Chúng có khả năng hòa tan cao trong nước nên rất khó loại bỏ bằng các phương pháp thông thường [7]. Một trong những đặc tính của thuốc nhuộm là khả năng truyền màu cho một chất nền nhất định [8] vì sự hiện diện của các nhóm chromophoric trong cấu trúc phân tử của nó. Tuy nhiên, khả năng cố định màu trên vật liệu lại phụ thuộc vào bản chất của thuốc nhuộm và các chất phụ gia thêm vào. Tùy theo cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng, chất màu được chia thành nhiều nhóm khác nhau.
Có hai cách phân loại chính: - Phân loại theo cấu trúc hóa học: Nhóm azo, nhóm anthraquinone, nhóm lưu huỳnh, nhóm triphenylmethane, nhóm indigod, nhóm phthalocyanine,…. - Phân loại theo kỹ thuật hay phạm vi sử dụng: Thuốc nhuộm hoạt tính, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm axit/bazo, thuốc nhuộm trực tiếp,… [6]. Tình hình ô nhiễm nước thải chứa chất màu Hiện nay, chất màu, đặc biệt là chất màu tổng hợp đang được xem là nguồn nguyên liệu thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như da, giấy, dệt may. Ước tính mỗi năm có đến 700.000 tấn chất màu thuộc 100.000 loại thuốc nhuộm thương mại được sản xuất và sử dụng [9-13].
Tuy nhiên, theo tính toán, chỉ có tối đa 80% chất màu được hấp thụ trong quá trình nhuộm [14], cá biệt, trong một số trường hợp chỉ có 25% chất màu được sử dụng một cách hữu ích [15]. Điều đó có nghĩa là có đến 20-75% lượng chất màu bị thất thoát 5 trong quá trình sử dụng và theo nước thải thải ra môi trường. Người ta ước tính con số này có thể lên đến 280. Mặt khác, tùy theo từng ngành công nghiệp, nhiều loại hóa chất phụ trợ độc hại như xút ăn da, chất phân tán, HCl, H2SO4, nhựa hữu cơ, dung môi hữu cơ, nhũ tương polyethylen, xà phòng,… thường được thêm vào trong quá trình sử dụng chất màu để làm tăng khả năng hòa tan, bám dính,….
làm cho nước thải đầu ra có độc tính cao [17-19]. Trong đó, ngành công nghiệp dệt may được xem là ngành sử dụng nhiều chất màu nhất, tạo ra lượng nước thải chứa chất màu lớn nhất (khoảng 54% tổng lượng nước thải chứa chất màu), thải ra môi trường khoảng 100 tấn chất màu mỗi năm. Tiếp đó là ngành công nghiệp nhuộm 21%, công nghiệp giấy 10%, công nghiệp thuộc da và sơn 8% [20, 21]. Theo thống kê, Trung Quốc và Nam Á là nơi tập trung đa số các nhà máy vải sợi và chất dẻo hàng hóa và cũng là nơi có tình trạng ô nhiễm do nước thải chứa chất màu nặng nề nhất trên thế giới.
Ở Trung Quốc, mỗi năm có khoảng 1,6 tỷ tấn nước thải chứa chất màu được tạo ra và con số này có xu hướng tăng lên qua các năm, gây ra tình trạng ô nhiễm tại nhiều địa phương. Ở Bangladesh, ước tính mỗi ngày có khoảng 40.000 m3 nước thải chứa chất màu từ ngành công nghiệp dệt may được đổ trực tiếp vào môi trường mà không qua bất kỳ công nghệ xử lý nào. Gây ra tình trạng ô nhiễm tại nhiều đoạn trên sông Turag, sông Bangsai và khu vực Bắc Trung Bộ [22]. Không những vậy, nước thải từ các nhà máy dệt may còn gây ra tình trạng ô nhiễm đất, kết quả nghiên cứu tại Narshindi và Gazipur cho thấy có đến 40% khu vực bị ô nhiễm nặng, 35% vừa phải, 20% ít hơn ô nhiễm và chỉ 5% không ô nhiễm [23, 24].
Vùng ven biển Sri Lanka là nơi tập trung của hơn 40 nhà máy dệt may, và do vậy mỗi ngày nơi đây tiếp nhận khoảng 7.300 m3 nước thải dệt nhuộm với tải lượng BOD5 và COD lần lượt là 4.979 kg/ngày và 11.310 kg/ngày, lớn hơn gấp nhiều lần giới hạn xả thải cho phép. Điều này đã gây ra tình trạng ô nhiễm ở cấp độ từ trung bình đến nặng ở nhiều nơi [25]. Trong đó sông Kelani 6 là con sông bị ô nhiễm nặng nhất. Theo số liệu thống kê của Ngân hàng thế giới, nguyên nhân gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường nước ở Sri Lanka có đến 43,56% đến từ nước thải ngành dệt may.
Ở Việt Nam, cùng với sự phát triển của ngành Dệt may, tình trạng ô nhiễm môi trường do nước thải dệt nhuộm cũng đang là vấn đề cần được quan tâm. Theo kết quả khảo sát tại một số đơn vị được trình bày trong Báo cáo sản xuất sạch hơn ngành Dệt may, lượng chất màu thất thoát trong quá trình dệt nhuộm khoảng 25,4 kg/1 tấn sản phẩm. Điều này đã làm cho chỉ tiêu độ màu trong nước thải dệt nhuộm luôn ở mức cao, từ 800 đến 1. Theo khảo sát của Nguyễn Thị Phương Loan tại 25 nhà máy dệt may ở các quy mô nhỏ, vừa đến quy mô lớn thì nồng độ COD trong nước thải dao động trong khoảng 245-11.150 mg O2/l, tỷ lệ BOD5/COD thấp, khoảng 0,2-0,5 và đặc biệt là có độ màu cao.
Trong đó, nước thải tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ thường có cường độ màu cao hơn (495-3.680 Pt-Co) so với các doanh nghiệp quy mô lớn (245- 1. Ảnh hưởng của chất màu đến môi trường và sức khỏe 1. Ảnh hưởng của chất màu đến môi trường Chất màu cùng với một số lượng lớn các chất ô nhiễm công nghiệp đã và đang là nguyên nhân chính gây ra các tác động tiêu cực đến môi trường và con người [28]. Nếu không được xử lý hoặc xử lý không triệt để, các chất màu không chỉ gây ảnh hưởng về mặt thẩm mỹ cho các thủy vực tiếp nhận [29] mà còn ngăn cản sự xuyên sâu của ánh sáng trong nước, dẫn đến giảm tỷ lệ quang hợp, ảnh hưởng đến nồng độ ôxy hòa tan trong nước và do đó gây ảnh hưởng đến toàn bộ hệ sinh vật thủy sinh [7].
Bên cạnh đó, do mục đích sử dụng nên các chất màu thường khá bền, rất khó phân hủy bởi các vi sinh vật do vậy khó xử lý loại bỏ một cách triệt để bằng các phương pháp sinh học hoặc các phương pháp hóa lý thông thường. Thay vào đó, chúng lại dễ dàng tích tụ trong lớp bùn thải của các hệ xử lý hiếu khí [30], trầm tích đáy các thủy vực tiếp nhận và tồn tại như một chất gây ô nhiễm môi trường sau đó đi vào cơ thể sinh vật trong quá trình tích lũy sinh học 7 [31, 32]. Trong điều kiện yếm khí tại các trầm tích đáy, một số loại chất màu có thể bị phân hủy hoặc biến đổi tạo thành các chất nguy hiểm hơn đối với môi trường và con người. Điều này được nhận thấy khi nghiên cứu qua trình khử các chất màu nhóm azo, sản phẩm của quá trình này là các amin thơm nguy hiểm [33].
Một khả năng khác liên quan đến việc kết hợp giữa chất màu với các hợp chất tổng hợp trung gian hoặc các sản phẩm phân hủy của chúng tạo ra các chất gây đột biến và gây ung thư khác [30]. Các chất này có thể tác động đến cấu trúc và hoạt động của hệ sinh thái, đặc biệt là khi phơi nhiễm trong thời gian dài [34]. Ảnh hưởng của chất màu đến sức khỏe Ảnh hưởng của chất màu đến sức khỏe con người là khá đa dạng, có thể là độc cấp tính, cũng có thể là độc mãn tính thông qua phơi nhiễm trong một thời gian dài với các chất màu hoặc sản phẩm trung gian trong quá trình phân hủy chúng. Nói chung, các bệnh do chất màu gây ra bao gồm từ viêm da, đến rối loạn hệ thần kinh trung ương [28], ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ enzym trong cơ thể [35], thậm chí là gây đột biến, ung thư [36, 37].
Độc tính cấp tính của chất màu là do uống hoặc hít phải qua đường miệng, đặc biệt là do tiếp xúc với bụi [36], gây kích ứng da và mắt [38]. Công nhân sản xuất hoặc xử lý thuốc nhuộm hoạt tính có thể bị viêm da tiếp xúc, viêm kết mạc dị ứng, viêm mũi, hen hoặc các phản ứng dị ứng khác [36]. Độc tính gen của chất màu là mối nguy hiểm tiềm ẩn lâu dài nhất đối với sức khỏe con người. Nghiên cứu của Tiwari và cộng sự trên tế bào gốc Allium cepa đã cho thấy có sự tác động mạnh mẽ của chất màu dẫn đến sự thay đổi cấu trúc nhiễm sắc thể của tế bào [39].
Các công nghệ xử lý chất màu Trước những ảnh hưởng tiêu cực của chất màu đến môi trường và sức khỏe con người, việc xử lý chất màu đang ngày càng nhận được sự quan tâm tại nhiều quốc gia. Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý chất màu đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng. Dưới đây là một vài phương pháp phổ biến. Phương pháp lý-hóa: Phương pháp lý-hóa thường là phương pháp đơn giản được thực hiện trên cơ chế truyền khối như: hấp phụ, keo tụ tạo bông, trao đổi ion, chiếu xạ, lọc màng, lọc nano hoặc siêu lọc và thẩm thấu ngược.
- Phương pháp hấp phụ: Đây là phương pháp thường xuyên được áp dụng để loại bỏ các chất màu. Than hoạt tính là một chất hấp phụ hiệu quả cho nhiều loại thuốc nhuộm, tuy nhiên chi phí cao và sự phức tạp khi tái sinh làm hạn chế khả năng ứng dụng của than hoạt tính trong xử lý ở quy mô công nghiệp [38]. Để giải quyết vấn đề này, một số nghiên cứu đã được thực hiện với các vật liệu hấp phụ giá rẻ như than bùn, đất sét, tro bay, hydrôxyt sắt dạng hạt, zeolit, đất sét bentonit, chất thải nông nghiệp, dăm gỗ, đá bọt, silica gel, đất sét palygorskite,. và bước đầu đã thu được một số kết quả tích cực [42-44].
- Phương pháp keo tụ - tạo bông: Đây cũng là một phương pháp được áp dụng phổ biến trong các nhà máy xử lý nước thải dệt nhuộm để làm mất màu và giảm tổng lượng chất thải rắn lơ lửng. Hạn chế của phương pháp này sử dụng một lượng lớn hóa chất và tăng lượng bùn thải từ đó làm tăng chi phí xử lý. Mặt khác, các chất màu thường không được xử lý mà được tích tụ trong lớp bùn thải và vẫn có khả năng gây tác động đến môi trường. - Phương pháp màng lọc: Phương pháp này cho phép cô đặc và tách thuốc nhuộm ra khỏi nước thải, nhờ đó có thể tái chế thuốc nhuộm hoạt tính thủy phân [45].