Đặt vấn đề Trong những năm gần đây với sự phát triển của thế giới về mọi mặt, trong đó các ngành công nghiệp đã có những bƣớc phát triển mạnh mẽ, tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng có chất lƣợng cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trƣờng và con ngƣời. Bên cạnh những thành tựu to lớn đó, con ngƣời đang dần hủy hoại môi trƣờng sống của mình do nguồn chất thải phát sinh từ các công đoạn sản xuất không đƣợc xử lý hoặc xử lý không triệt để. Sử dụng hóa chất có nguồn gốc hóa học trong quá trình vận hành để cải thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp, xi mạ, dệt nhuộm, thủy sản… đƣợc ứng dụng khá rộng rãi. Tuy nhiên trong quá trình xử lý dƣ lƣợng của chúng gây ô nhiễm trực tiếp hoặc gián tiếp qua chất ô nhiễm thứ cấp đến môi trƣờng tiếp nhận (Vijayaraghavan, 2011).
Ngoài ra ô nhiễm thứ cấp còn làm thay đổi tính chất vật lý, hóa học, sinh học của hệ sinh thái của nƣớc theo chiều hƣớng xấu đi và đây là thực trạng cấp thiết cần có giải pháp thay đổi vật liệu trong quá trình vận hành để cải thiện chất lƣợng môi trƣờng tiếp nhận (Nguyễn Thị Phƣơng Loan, 2011). Hiện nay, đã có một số nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về việc ứng dụng các loại chất có nguồn gốc tự nhiên trong đó có các gum sinh học trong xử lý nƣớc thải để loại bỏ màu và COD ra khỏi nƣớc thải một số ngành công nghiệp dệt nhuộm, xi mạ (Mangale Sapanda, 2012; Muhammad Asif Hanif, 2008). Theo Đoàn Thị Thúy Ái (2013), Nguyễn Văn Cƣờng và Huỳnh Thị Kim Ngọc (2014); Luciano Carlos et al. (2013) có thể ứng dụng vật liệu nano trong xử lý nƣớc thải ngành công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ.
Kết quả nghiên cứu cho thấy gum sinh học và hạt nano từ tính có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nƣớc. Mặt khác, bản chất keo tụ của các gum sinh học là hình thành các liên kết và tƣơng tác hóa học với các chất ô nhiễm, do đó quá trình thu hồi gum sinh học khá tốn kém, cần sử dụng tác nhân để cắt đứt các liên kết hóa học và tái tạo lại gum dƣới dạng tủa. Vì vậy việc thu hồi gum sinh học không khả thi và tốn kém. Qua đó việc thu hồi các hạt nano từ tính rất đơn giản, dƣới tác dụng của lực các chất ô nhiễm trong lỗ trống của hạt nano sẽ bị đẩy ra ngoài và hạt nano đƣợc thu lại bằng nam châm một cách dễ dàng.
Tuy nhiên hiệu quả xử lý nƣớc thải của các hạt nano bị hạn chế do thiếu các nhóm chức hoạt động trên bề mặt hạt nano, do đó việc gắn gum sinh học lên bề mặt hạt nano nhằm tạo ra vật liệu nano sinh học mới vừa tăng khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nƣớc vừa giữ đƣợc đặc tính thu hồi và tái sử dụng của hạt nano từ tính. 1 Những nghiên cứu trên cho thấy vật liệu sinh học có tiềm năng thay thế vật liệu có nguồn gốc hóa học là một bƣớc tiến và cần nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt cần nghiên cứu vật liệu nano sinh học có thể thu hồi trong cải thiện chất lƣợng nƣớc thải cũng nhƣ môi trƣờng tiếp nhận. Trên cơ sở và ý tƣởng đó luận án “Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học chế tạo từ hạt muồng hoàng yến (Cassia fistula L.) để cải thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp” đƣợc thực hiện trên nƣớc thải ngành công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ góp phần cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣớc, bảo vệ môi trƣờng và phát triển bền vững. Mục tiêu nghiên cứu 1.
Mục tiêu tổng quát Khảo sát khả năng ứng dụng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện với môi trƣờng và vật liệu nano sinh học có khả năng thu hồi và tái sử dụng trong cải thiện chất lƣợng nƣớc thải một số ngành công nghiệp và đề xuất một quy trình công nghệ cải thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp, tập trung vào hai dạng ô nhiễm kim loại nặng và màu. Mục tiêu cụ thể - Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học từ cây Muồng Hoàng Yến (MHY). - Phát triển vật liệu keo tụ sinh học với nano từ tính. - Tối ƣu hóa quá trình loại bỏ màu (trong nƣớc thải dệt nhuộm) và kim loại nặng (trong nƣớc thải xi mạ) ra khỏi nƣớc thải.
Nội dung nghiên cứu - Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học từ hạt MHY từ đó phát triển vật liệu keo tụ sinh học kết hợp với nano từ tính. + Trích ly vật liệu keo tụ sinh học từ hạt MHY. + Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu. + Chế tạo vật liệu nano từ tính kết hợp với chất keo tụ sinh học MHY.
+ Nghiên cứu cấu trúc vật liệu mới. - Nghiên cứu loại bỏ màu trong nƣớc thải dệt nhuộm. + Nghiên cứu tối ƣu hóa các điều kiện keo tụ (pH, lƣợng vật liệu sử dụng) trong quy mô phòng thí nghiệm. + Nghiên cứu hiệu quả loại bỏ màu trên mô hình pilot công suất 30 lít.
+ Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu chế tạo từ nano từ tính kết hợp với vật liệu sinh học MHY. + Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất quy trình cho áp dụng vào thực tiễn. 2 - Nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng (Ni2+, Cu2+, Zn2+) trong nƣớc thải xi mạ. + Nghiên cứu tối ƣu hóa các điều kiện keo tụ (pH, lƣợng vật liệu sử dụng) trong quy mô phòng thí nghiệm.
+ Nghiên cứu hiệu quả loại bỏ kim loại nặng trên thiết bị pilot công suất 30 lít. + Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu chế tạo từ nano từ tính kết hợp với vật liệu sinh học MHY. + Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất quy trình cho áp dụng thực tiễn. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.
Đối tượng nghiên cứu - Vật liệu keo tụ sinh học thân thiện môi trƣờng. - Vật liệu chế tạo từ hạt nano từ tính kết hợp với vật liệu sinh học MHY có khả năng thu hồi và tái sử dụng. - Thành phần màu và kim loại nặng trong nƣớc thải công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu - Vật liệu sinh học: Biogum ly trích từ hạt MHY đƣợc lấy tại Bình Dƣơng.
- Thí nghiệm đƣợc tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm và trên mô hình pilot công suất 30 lít. - Nƣớc thải dệt nhuộm giả định gồm hai loại màu có tên thƣơng mại Reactive red 3 BS (RR). Nƣớc thải dệt nhuộm thực tế đƣợc lấy từ nhà máy tại Bình Dƣơng. - Nƣớc thải xi mạ giả định gồm Ni2+, Cu2+, Zn2+.
Nƣớc thải xi mạ thực tế đƣợc lấy từ nhà máy tại Bình Dƣơng. - Các nghiên cứu đƣợc thực hiện và phân tích tại Trƣờng Đại học Thủ Dầu Một, Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh và Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học - Kết quả nghiên cứu là nguồn số liệu khoa học trong nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới trong xử lý nƣớc và nƣớc thải công nghiệp.
- Công trình nghiên cứu là các số liệu khoa học cơ bản sử dụng cho giảng dạy và nghiên cứu các đề tài tƣơng tự. - Kết quả có thể dùng tham khảo cho các nhà máy có thành phần và tính chất ô nhiễm tƣơng tự. Ý nghĩa thực tiễn Luận án cung cấp những thông tin khoa học hiệu quả cải thiện chất lƣợng nƣớc thải của một số ngành công nghiệp ô nhiễm kim loại nặng và ô nhiễm màu. Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khuyến khích sử dụng vật liệu sinh học trong cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣớc thải vừa thân thiện môi trƣờng vừa có khả năng tái sử dụng từ đó tạo ra một môi trƣờng sinh thái bền vững.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Tổng quan về keo tụ 2. Bản chất của các hạt keo trong nước Hạt keo là các hạt có kích thƣớc rất nhỏ biến thiên từ 0,001 mm đến 10 mm. Tỉ lệ giữa khối lƣợng và diện tích bề mặt hạt keo rất nhỏ nên tác động của diện tích bề mặt chiếm ƣu thế hơn so với tác động của trọng lực.
Mặc khác, do diện tích bề mặt lớn và có mang điện tích nên hạt keo có khuynh hƣớng hấp thụ ion vào môi trƣờng xung quanh nó. Một yếu tố quan trọng tạo nên tính ổn định của hạt keo là sự hiện diện của điện tích bề mặt. Tùy theo thành phần hóa học của nƣớc thải và các hạt keo mà điện tích bề mặt đƣợc hình thành bằng nhiều cách khác nhau (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014). Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) cho rằng tùy thuộc vào nguồn gốc xuất xứ, thông thƣờng các hạt cặn trong nƣớc đều có thể mang điện tích âm hoặc dƣơng.
Khi thế cân bằng điện động của nƣớc bị phá vỡ, các thành phần mang điện tích sẽ kết dính với nhau nhờ lực liên kết phân tử và lực điện từ, tạo thành một tổ hợp các nguyên tử, phân tử hoặc các ion tự do, các tổ hợp tạo thành đƣợc gọi là hạt keo. Theo Trịnh Xuân Lai và Nguyễn Trọng Dƣơng (2005) các hạt keo tụ trong nƣớc có thể là keo kỵ nƣớc hoặc keo háo nƣớc. Keo kỵ nƣớc là loại keo không hút và chứa nƣớc, dễ dàng mất tính ổn định khi tiếp xúc với các ion mang điện tích của các chất điện ly hòa tan trong nƣớc. Keo kỵ nƣớc đóng vai trò chủ yếu trong công nghệ xử lý nƣớc và nƣớc thải.
Ngƣợc lại keo háo nƣớc luôn ngậm nƣớc, làm chậm và giảm tác dụng của chất keo tụ, thƣờng phải áp dụng cách xử lý đặc biệt mới đạt đƣợc hiệu quả nhƣ mong muốn. Keo kỵ nƣớc hình thành sau quá trình thủy phân các chất xúc tác nhƣ phèn nhôm, phèn sắt. Các phân tử mới đƣợc hình thành liên kết với nhau thành một khối đồng nhất. Nhờ có điện tích bề mặt lớn, các khối này có khả năng hấp phụ chọn lọc một loại ion có tính chất và kích thƣớc giống hoặc gần giống với một trong các ion trong khối, tạo thành lớp vỏ bọc ion.
Bề mặt nhân keo mang điện tích lớp ion gắn chặt trên nó, có khả năng hút một số ion tự do mang điện tích trái dấu để bù lại một phần điện tích (hai lớp điện tích trái dấu đƣợc gọi là lớp điện tích kép của hạt keo). Tuy nhiên, lớp ion ngoài cùng do lực liên kết yếu nên thông thƣờng không có đủ điện tích để trung hòa với lớp điện tích bên trong (chúng bị hút bám một cách lỏng lẻo và dễ dàng bị trƣợt ra).