CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình ô nhiễm và phương pháp xử lý chất màu hữu cơ 1. Tình hình ô nhiễm Khoa học phát triển, kinh tế thế giới tăng nhanh, tỷ lệ gia tăng dân số cao, và kéo theo các loại chất thải từ các hoạt động của con người tạo ra lượng lớn nước thải công nghiệp, nông nghiệp, và sinh hoạt thải trực tiếp vào môi trường. Các loại chất thải từ sinh hoạt và khu công nghiệp đang đe dọa nghiêm trọng đến môi trường.
Đặc biệt, chất thải từ các nhà máy, khu công nghiệp chứa rất nhiều chất độc hại, nếu không được xử lý tốt sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng đến môi trường. Trong đó, ô nhiễm môi trường nước bị ảnh hưởng nghiêm trọng nhất. Trên thế giới hiện nay có khoảng hơn một nửa số lượng sông ngòi bị khai thác quá mức dẫn đến ô nhiễm. Theo thống kê của Ngân hàng Thế giới (WB), một số sông lớn như Hoàng Hà (Trung Quốc), Nin (Bắc Phi), Volga (Nga), Hằng (Ấn Độ), Jordan (Tây Nam Á), v.
bị ô nhiễm nghiêm trọng. Bên cạnh đó, một số con sông vẫn chưa bị ô nhiễm như sông Amazon, sông Congo, vì những sông này đi qua khu vực rừng nhiệt đới, ít dân cư, và chưa phát triển công nghiệp. Việt Nam là một trong những nước đang phát triển, các ngành kinh tế đang ngày càng lớn mạnh, các khu công nghiệp mới được xây dựng ngày càng nhiều ở cả thành thị và nông thôn. Công nghiệp hóa hiện đại hóa đẩy mạnh phát triển kinh tế xã hội, tuy nhiên điều đó dẫn đến một số tác động tiêu cực tới môi trường nước.
Có nhiều nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường nước như nước thải từ các nguồn công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt, v. Nước thải của các ngành công nghiệp như: Dệt nhuộm, thuộc da, giấy, v.v được tìm thấy lượng lớn chất màu. Trong quá trình nhuộm màu, phần lớn thuốc nhuộm không bám vào sợi vải và bị thất thoát vào nước thải [1]. Khoảng 10 – 15 % thuốc nhuộm được thải ra ngoài môi trường trong quá trình nhuộm.
Ước tính trung bình nhuộm một chiếc áo phông sẽ sử dụng 16 – 20 lít nước, dẫn đến trung bình ngành dệt may toàn cầu thải 40.000 tấn thuốc nhuộm vào hệ thống xả thải được thể hiện ở hình 1. Nguồn nước thải này nếu không được xử lý tốt trước khi thải ra môi trường sẽ tiêu diệt sinh vật dưới nước và gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. Trong đó, các chất ô nhiễm hữu cơ được xem là độc tố hoặc nguyên nhân gây bệnh cho người như rối loạn chức năng gan, chất gây ung thư, cản trở sự phát triển của cơ thể 3 người và hệ thống nội tiết trong cơ thể [2]. Các chất hữu cơ, kim loại nặng, nồng độ chất rắn lơ lửng (total suspended solids – TSS), ô nhiễm chất hữu cơ như nhu cầu oxy hóa học (chemical oxygen demand – COD), nhu cầu oxy sinh học (biological oxygen demand – BOD), đặc biệt, độ màu trong nước thải đều vượt tiêu chuẩn cho phép.
Hậu quả gây ra ô nhiễm nước nghiêm trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước dùng trong sinh hoạt của người dân. Vì vậy, việc xử lý nguồn thải có chứa các chất màu rất quan trọng. Chất màu hữu cơ crystal violet là một trong những loại thuốc nhuộm phổ biến được tìm thấy trong nước thải.1: Nước thải thuốc nhuộm thải trực tiếp ra môi trường Crystal violet (CV) là một loại thuốc nhuộm cation hữu cơ thuộc nhóm triphenylmethane [3]. Thuốc nhuộm triphenylmethane là hợp chất tổng hợp được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau và gây khó khăn trong việc loại bỏ thuốc nhuộm này ra khỏi nước thải do có cấu trúc phức tạp [4].
CV có công thức phân tử là C25N3H30Cl (M = 407,979 g/mol) chứa ba nhóm aryl gắn với một cacbon trung tâm [5]. Công thức cấu tạo của CV được thể hiện như hình 1. Khi hòa tan trong nước, CV có màu tím lam (hình 1.2(b)) với độ hấp thu cực đại ở bước sóng 587 nm.u) 300 400 500 600 700 Bước sóng (nm) Hình 1. CV được dùng làm thuốc nhuộm màu tím cho các loại hàng dệt (bông và lụa), sơn, mực in, và làm chất chỉ thị pH [5].
CV dùng để nhuộm Gram trong sinh học từ năm 1884. Trong y học, CV có tính kháng khuẩn, kháng nấm, và kháng giun sán; CV còn được dùng như một chất khử trùng ngoài da, cuốn rốn trẻ sơ sinh; CV được sử dụng để kiểm soát nấm và ký sinh trùng đường ruột ở người; và ngăn ngừa nhiễm trùng ở bệnh nhân bỏng trước khi thuốc kháng sinh được phát hiện [7]. Trong ngành thú y, CV được dùng làm thuốc khử trùng ngoài da cho động vật, thuốc thú y, phụ gia vào thức ăn cho gia cầm để ức chế sự lan truyền của nấm mốc, ký sinh trùng đường ruột và nấm. Tuy nhiên, CV có mặt trong nước thải gây ô nhiễm nguồn nước và tạo ra nước thải đậm màu, có nồng độ COD và BOD cao dẫn đến các tác động tiêu cực đến hệ sinh thái dưới nước [4].
CV có màu sậm, tốc độ phân hủy thấp, và thành phần phức tạp nên làm giảm khả năng tái tạo oxy, giảm độ truyền qua của ánh sáng mặt trời, ảnh hưởng đến quá trình quang hợp, tác động đến đời sống thủy sinh, và ảnh hưởng xấu tới cảnh quan môi trường. CV chuyển hóa thành các chất có tác động độc hại, gây ung thư, và đột biến đối với hệ động vật và thực vật. Hơn nữa, do cấu trúc đa vòng, có cộng hưởng và liên hợp dẫn đến CV bền và khó bị phân hủy trong môi trường tự nhiên. Thuốc nhuộm này gây nguy hiểm do tính ổn định, độ màu, và nồng độ (ngay cả khi dưới 1 ppm).
CV được phân loại là hóa chất nguy hiểm, có thể gây tác động bất lợi đến động thực vật và 5 kể cả con người. Đặc biệt, CV được coi là chất gây ung thư tăng nhịp tim, sốc, kích ứng mắt khi tích tụ quá nhiều trong cơ thể và làm tổn thương nghiêm trọng kết mạc, giác mạc, và tổn thương hệ thần kinh trung ương [1], [3], [8]. Do đó, việc tìm ra phương pháp hiệu quả để xử lý chất màu hữu cơ CV là cần thiết. Phương pháp xử lý Công nghệ xử lý ô nhiễm chất màu hữu cơ trong nước được sử dụng như: Ozon hóa, điện hóa, sinh học, hấp phụ, quang phân hủy, v.
Ozon hóa Ozon (O3) là tác nhân oxy hóa mạnh với thế oxy hóa là 2,07 V có khả năng xảy ra phản ứng với nhiều chất hữu cơ, chất vô cơ trong nước, có thể làm sạch nước thải khỏi phenol, sản phẩm dầu mỏ, H2S, các hợp chất của asen, chất hoạt động bề mặt, xyanua, thuốc nhuộm, hydrocacbon thơm, thuốc kháng sinh, v. Quá trình ozon hóa sử dụng ánh sáng hồ quang điện hoặc nguồn chiếu xạ tia tử ngoại (Ultraviolet ‒ UV) tạo ra O3 để oxy hóa và phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Ưu điểm của quá trình này là diễn ra tự nhiên, tốc độ xử lý nhanh, không cần sự hỗ trợ của các tác nhân hóa học khác và khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ, hữu cơ, và vi sinh vật cao. Nhược điểm là vốn đầu tư lớn, tiêu tốn năng lượng, O3 dễ ăn mòn vật liệu, quá trình tạo O3 có thể phát sinh chất độc [10].
Điện hóa Phương pháp này dựa trên cơ sở quá trình oxy hóa/khử xảy ra trên các điện cực. Ở anot, nước và các ion clorua bị oxy hóa dẫn đến sự hình thành O2, O3, Cl2, và các gốc là tác nhân oxy hóa các chất hữu cơ trong dung dịch. Quá trình khử các hợp chất hữu cơ ở catot, kết hợp với phản ứng oxy hóa và keo tụ điện hóa giúp tăng hiệu suất xử lý. Đây là phương pháp được chứng minh hiệu quả đối với việc xử lý chất màu, kim loại nặng, chất rắn lơ lửng của nước thải dệt nhuộm, và các hợp chất kháng sinh.
Tuy nhiên, phương pháp điện hóa có nhược điểm là tiêu tốn năng lượng và chi phí cho điện cực cao [11]. Sinh học Phương pháp sinh học dựa vào các hệ nấm sợi, nấm men, vi khuẩn kỵ khí, và hiếu khí để phân hủy các hợp chất hữu cơ [12]. Cấu trúc vòng thơm của hợp chất kháng sinh được sử dụng làm nguồn nguyên liệu cho quá trình sinh trưởng của nấm và vi khuẩn. Phương pháp sinh học có khả năng loại bỏ các hợp chất kháng sinh với 6 độ chọn lọc cao, hiệu quả cao, chi phí thấp, điều kiện vận hành dễ dàng, và thân thiện môi trường.
Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp là yêu cầu phải thiết lập, duy trì môi trường của hệ nấm, vi khuẩn, và thời gian xử lý dài. Hấp phụ Hấp phụ thường được sử dụng để loại bỏ các tác nhân ô nhiễm trong nước với ưu điểm là hiệu quả xử lý cao, tiết kiệm chi phí, và có thể tái sử dụng chất hấp phụ. Hiệu quả của quá trình hấp phụ chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau [13]: (1) Bản chất của chất hấp phụ; (2) Hóa tính của dung dịch; (3) Bản chất của chất bị hấp phụ. Tuy nhiên, vấn đề giải hấp và tái sử dụng vật liệu sau hấp phụ vẫn còn khó khăn và có thể tạo ra chất ô nhiễm mới.
Quang phân hủy Phương pháp quang phân hủy sử dụng các oxit kim loại với vai trò là chất xúc tác để loại bỏ các chất ô nhiễm có trong nước thải. Tính chất quang của oxit kim loại dựa vào sự giải phóng các electron (e‒) từ vùng hóa trị sang vùng dẫn dưới sự chiếu xạ của ánh sáng có bước sóng thích hợp. Quá trình này tạo thành các e‒ ở vùng dẫn và lỗ trống (h+) ở vùng hóa trị, từ đó, các cặp e‒ và h+ bắt đầu quá trình quang phân hủy. Các h+ phản ứng với phân tử nước tạo thành các gốc tự do hydroxyl (•OH) và e‒ ở vùng dẫn khử các phân tử oxy tạo ra các gốc tự do superoxide (•O2‒).
Các gốc tự do này phản ứng chuyển đổi chất ô nhiễm thành các sản phẩm khoáng hóa đơn giản, CO2, H2O, v. Phương pháp quang phân hủy có các ưu điểm như hiệu quả xử lý cao, thời gian ngắn, quy trình đơn giản, dễ sử dụng, vật liệu có khả năng thu hồi, và tái sử dụng. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là quá trình xử lý phụ thuộc nhiều vào điều kiện xử lý, vật liệu dễ bị phân hủy, và phạm vi ứng dụng vật liệu hẹp. Vì vậy, phương pháp quang phân hủy được sử dụng để xử lý chất màu hữu cơ CV trong nước.