CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, sự phát triển của các ngành công nghiệp đã và đang đóng góp rất lớn cho sự tăng trưởng của nền kinh tế. Tuy nhiên, chính sự phát triển một cách thiếu toàn diện và bền vững của một số ngành công nghiệp đã gây ra những thiệt hại và ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sống, mà cụ thể là môi trường không khí, đất và đặc biệt là các nguồn nước. Điều này xuất phát từ thực tế rằng các ngành công nghiệp một mặt tiêu thụ một lượng rất lớn nguồn tài nguyên, mặt khác cũng đồng thời để lại một lượng lớn các chất thải độc hại với nồng độ cao và rất khó xử lý khi được thải trực tiếp ra môi trường xung quanh.
Những ngành công nghiệp có mức độ ô nhiễm cao hiện nay bao gồm thủy sản, dệt nhuộm, sản xuất giấy và bột giấy. Trong đó, dệt nhuộm là một trong những ngành có truyền thống lâu đời ở Việt Nam. Dù là ngành mang lợi nhiều lợi ích kinh tế, nhưng dệt nhuộm lại được coi là một ngành công nghiệp thiếu thân thiện với môi trường do thành phần nước thải chứa nhiều loại hóa chất độc hại như các chất bẩn, dầu, sáp, các hóa chất được sử dụng trong quy trình xử lý vải (như hồ tinh bột, NaOH, H2SO4, HCl, Na2CO3,…), các loại thuốc nhuộm, chất tẩy rửa, phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chất tạo môi trường, hồ, men, chất oxy hóa… Bên cạnh đó, hiện nay các làng nghề dệt nhuộm tại Việt Nam chủ yếu được phát triển ở quy mô nhỏ với công nghệ thủ công nên các quy trình và hệ thống xử lý đối với nước thải dệt nhuộm thường không được quan tâm và đầu tư đúng mực. Đây là một thực trạng đáng lo ngại khi hằng năm có khoảng hơn 5000 tấn chất thải dệt nhuộm được xả thải trực tiếp ra môi trường trên toàn thế giới.
Các chất thải dệt nhuộm có thể gây ra nhiều ảnh hưởng nghiêm trọng đối với hệ sinh thái, sự đa dạng sinh học, chất lượng nguồn nước, và sức khỏe con người. Do có độ bền cao đối với ánh sáng, phẩm nhuộm dư với độ màu cao trong nước thải không những gây màu cho nguồn tiếp nhận mà còn gây cản trở sự truyền ánh sáng qua nước, từ đó làm chậm các quá trình quang hợp, ức chế sự phát triển và sinh sản của nhiều loại sinh vật 1 thủy sinh. Ngoài ra, sử dụng các nguồn nước chứa hàm lượng phẩm nhuộm cao sẽ có thể dẫn tới nhiều bệnh lý nghiêm trọng bao gồm kích ứng da, viêm da, buồn nôn, tiêu chảy, liệt, hủy hoại mô, gây đột biến và thậm chí là ung thư ở người. Do đó, tìm kiếm, đề xuất và phát triển các giải pháp xử lý chất thải phẩm nhuộm phù hợp và hiệu quả đã và đang là mối quan tâm của nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam.
Hầu hết các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm phổ biến hiện nay, đặc biệt là quá trình keo tụ - tạo bông, dù mang lại hiệu quả xử lý tốt nhưng nhìn chung đều có những hạn chế nhất định. Có thể kể đến như chi phí vận hành cao, mức năng lượng tiêu thụ lớn, vật liệu xử lý khó thu hồi và tái sử dụng hoặc hiệu quả thấp khi được nhân rộng và áp dụng ở quy mô công nghiệp. Đối với phương pháp xử lý dựa trên quá trình keo tụ - tạo bông, việc sử dụng một lượng lớn các chất keo tụ hóa học, thường là các hợp chất muối sulphate và chloride của nhôm và sắt, hoặc các hợp chất polymer tổng hợp như polyacrylamide và polyaluminum chloride – PAC, có thể gián tiếp gây độc và ảnh hưởng nghiên trọng đến sức khỏe con người [1]. Không những có giá thành cao, hiệu quả xử lý nước thải của các chất keo tụ kể trên còn phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố môi trường như thành phần, nhiệt độ, giá trị pH [2, 3], và do đó không mang lại hiệu quả xử lý tốt đối với các phẩm nhuộm axit, azo,…Chính vì những hạn chế đã nêu, điều chế các hợp chất keo tụ từ những nguyên liệu thân thiện với môi trường, đặc biệt là những sản phẩm thu được từ cây trồng trong nông nghiệp như hạt cây Bò cạp vàng, đã và đang trở thành một hướng đi mới và cần thiết.
Với những ưu điểm nổi trội như giá thành rẻ, nguồn nguyên liệu dồi dào, không gây độc, không gây ô nhiễm môi trường nhờ tính phân hủy sinh học cao. Vật liệu keo tụ sinh học là nhân tố quan trọng trong thúc đẩy quá trình xử lý nước thải và nâng cao chất lượng nguồn nước hiện nay [1, 4]. Trên cơ sở đã trình bày, đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu keo tụ sinh học gel từ hạt cây Bò cạp vàng (Cassia fistula) để xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm” được đề xuất, nghiên cứu. Mục tiêu đề tài Điều chế vật liệu gel sinh học thân thiện môi trường từ hạt cây Bò cạp vàng nhằm ứng dụng làm chất keo tụ trong xử lý phẩm nhuộm Reactive red 195 (RR-195), Reactive blue 19 (RB-19) và nước thải dệt nhuộm thực tế, dựa trên quá trình keo tụ - tạo bông ở quy mô phòng thí nghiệm và trên mô hình pilot.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu - Hạt Bò cạp vàng; - Phẩm nhuộm: Reactive red 195 (RR-195), Reactive blue 19 (RB-19); - Nước thải dệt nhuộm. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm và trên mô hình pilot với công suất 30 L; - Nghiên cứu được thực hiện và phân tích tại Trường Đại học Thủ Dầu Một và Đại học Quốc Tế, ĐHQG Tp. Ý nghĩa của đề tài 1.
Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở khoa học trong việc ứng dụng vật liệu sinh học điều chế từ hạt cây Bò cạp vàng nói riêng và vật liệu sinh học điều chế từ nguồn chất thải rắn từ thực vật nói chung để xử lý nước thải dệt nhuộm. Các kết quả từ nghiên cứu này có thể được sử dụng để phục vụ công tác giảng dạy và là tiền đề cho các nghiên cứu tương tự. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu cho thấy việc thay thế các công nghệ xử lý nước thải từ các vật liệu, hóa chất truyền thống bằng vật liệu sinh học điều chế từ nguồn nguyên liệu thu được từ thực vật có ý nghĩa bảo vệ môi trường và góp phần giải quyết tình trạng phát sinh 3 chất thải rắn. Kết quả nghiên cứu góp phần giải quyết được các vấn đề ô nhiễm do phẩm nhuộm trong nước thải dệt nhuộm và có thể dùng để tham khảo trong xây dựng quy trình xử lý nước thải ở các nhà máy có thành phần và tính chất ô nhiễm tương tự.
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 2. Tổng quan về nước thải dệt nhuộm Ô nhiễm nguồn nước do sự phát triển không ngừng của các hoạt động công nghiệp và gia tăng dân số hiện nay đã trở thành một vấn đề nan giải mang tính toàn cầu [5]. Các nguồn nước tự nhiên đã và đang bị nhiễm bẩn bởi ion kim loại nặng, phẩm nhuộm, các anion độc hại hay các hợp chất hữu cơ bắt nguồn từ các quá trình tự nhiên và nhân tạo [6- 8]. Trong đó, phẩm nhuộm được coi là một trong những chất thải điển hình [9].
Đối với ngành công nghiệp dệt nhuộm, phẩm nhuộm đóng vai trò quan trọng trong tạo màu giấy, vải hoặc nhựa [10]. Nhìn chung, nước thải dệt nhuộm được thải ra với độ màu khá cao [11, 12] và được phân thành ba loại chính: nước thải phẩm nhuộm hoạt tính, nước thải phẩm nhuộm sunfua và nước thải tẩy, với thành phần, tính chất đặc trưng và phương thức xử lý khác nhau. Về phân loại, hóa chất sử dụng trong ngành công nghiệp dệt nhuộm có thể chia thành phẩm nhuộm (các chất hòa tan được) và bột màu (các chất không hòa tan). Theo các công nghệ ứng dụng, phẩm nhuộm có thể chia lại thành phẩm nhuộm hoạt tính, phẩm nhuộm phân tán, phẩm nhuộm hoàn nguyên, phẩm nhuộm cầm màu, phẩm nhuộm axit/bazơ, phẩm nhuộm trực tiếp, phẩm nhuộm phức hợp kim loại và các bột màu.
phẩm nhuộm cũng có thể phân loại theo thành phần hóa học của chúng như azo, anthraquinone, lưu huỳnh, triphenylmethane, indigoid, phthalocyanine,…Hầu hết các chất tạo màu được sử dụng trong công nghiệp dệt là những phẩm nhuộm hòa tan. Đa số trong các chất này là phẩm nhuộm azo (70 - 80%), tiếp theo là các phthalocyanine. Gần như tất cả các loại phẩm nhuộm được mô tả hiện đang được sử dụng trong ngành công nghiệp dệt và không thể dễ dàng được thay thế, bởi vì mỗi loại phẩm nhuộm đều có những lợi ích cụ thể của nó khi so với những loại phẩm nhuộm khác [13]. Đặc trưng quan trọng nhất của nguồn nước thải từ các cơ sở dệt nhuộm là sự dao động rất lớn về cả số lượng và tải lượng ô nhiễm cũng như thay đổi theo mùa và mặt hàng sản xuất và theo chất lượng sản phẩm.
Hiệu quả hấp thụ phẩm nhuộm của vải chỉ đạt trong khoảng 60 - 70%, các phẩm nhuộm thừa còn lại sẽ trở thành nước thải ở dạng phẩm nhuộm nguyên thủy hoặc bị phân hủy một phần/toàn phần. Nhìn chung nước thải 5 từ các cơ sở dệt nhuộm có độ kiềm cao, độ màu và hàm lượng chất hữu cơ cao. Ngoài ra, một số chất điện ly, chất hoạt động bề mặt, chất tạo môi trường cũng tồn tại trong thành phần nước thải tạo ra độ màu cao của nước thải [13-15]. Các thông số ô nhiễm và các chất gây ô nhiễm có trong nước thải dệt nhuộm được trình bày ở Bảng 2.
Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm. CÁC THÔNG SỐ NỒNG ĐỘ pH 2-14 COD (mg/L) 60-5000 BOD (mg/L) 20-3000 SO42- (mg/L) <5 Độ màu (Pt-Co) 40-5000 Q (m3/tấn sản phẩm) 4-4000 (Nguồn: Viện Tài nguyên môi trường – Viện kĩ thuật nhiệt đới và BVMT) Bảng 2. Các chất gây ô nhiễm và đặc tính nước thải ngành dệt nhuộm. Công đoạn Chất ô nhiễm trong nước thải Đặc tính của nước thải Tinh bột, glucozo, carboxyl methyl Hồ sợi, xenlulozo, polyvinyl alcol, nhựa, BOD cao (34-50% tổng sản lượng BOD).
giũ hồ chất béo và sáp. NaOH, chất sáp và dầu mỡ, tro, Độ kiềm cao, màu tối, BOD cao (30% Nấu, tẩy soda, natri silicate và xo sợi vụn. Hypochlorite, hợp chất chứa clo, Tẩy trắng Độ kiềm cao, chiếm 5% BOD. NaOH, AOX, axit… Độ kiềm cao, BOD thấp (dưới 1% tổng Làm bóng NaOH, tạp chất.
BOD) Các loại thuốc nhuộm, axit acetic Độ màu rất cao, BOD khá cao (6% tổng Nhuộm và các muối kim loại BOD), TS cao.