Đặt vấn đề Ngày nay, bên cạnh sự khan hiếm nguồn tài nguyên nước thì việc ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm ngày càng trở nên nghiêm trọng do hoạt động xả thải của con người. Thuốc nhuộm công nghiệp được đánh giá là nguồn ô nhiễm hữu cơ lớn nhất và nhu cầu sử dụng các hợp chất này không ngừng gia tăng gây nên hiện trạng ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng [1, 2]. Theo nghiên cứu của Narayan và cộng sự các loại thuốc nhuộm tổng hợp như methyl orange, methyl red, MB, rhodamine B, … bị mất đi trong quá trình sử dụng của các ngành công nghiệp lên đến 12% [2]. Không những thế, khoảng 20% thuốc nhuộm trong tổng số thuốc nhuộm được sản xuất hàng năm bị thất thoát trong quá trình nhuộm mà không qua quá trình xử lý nào, điều này làm cho nguồn nước tiếp nhận bị ô nhiễm nghiêm trọng.
Những loại thuốc nhuộm gây ảnh hưởng với môi trường vì khả năng phân hủy sinh học thấp và điện trở suất cao đối với phương pháp xử lý cổ điển [3]. Sự có mặt của thuốc nhuộm trong nước có hại cho sức khỏe con người và môi trường do chúng độc hại và gây đột biến đối với con người [4]. Chúng gây ô nhiễm nghiêm trọng đến hệ sinh thái và đời sống thủy sinh, qua đó gây ra nguy cơ tích lũy sinh học có thể ảnh hưởng đến con người khi vận chuyển qua chuỗi thức ăn [5]. Để giảm thiểu tác động của thuốc nhuộm đến môi trường, các phương pháp xử lý thuốc nhuộm có trong nước thải đã nhận được nhiều sự quan của các nhà khoa học.
Cho đến nay, các phương pháp xử lý thuốc nhuộm được chia thành 3 nhóm phương pháp xử lý chính là phương pháp vật lý, phương pháp hóa học và phương pháp sinh học [6]. Mặc dù có nhiều phương pháp loại bỏ thuốc nhuộm ra khỏi môi trường nước nhưng một phương pháp lý tưởng phải vừa xử lý chất ô nhiễm trong khoảng thời gian ngắn và ít sinh ra sản phẩm phụ. Trong số các phương pháp hóa học, vật lý và sinh học thì phương pháp hóa học có khả năng khoáng hóa các chất ô nhiễm thành các sản phẩm vô cơ và khả năng xử lý tốt nhiều loại nước thải. Các quá trình oxy hóa nâng cao là một trong những phương pháp hóa học được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi hiện nay.
Các quá trình Fenton đồng thể và dị thể tạo ra tác nhân oxy hóa không chọn 2 lọc có thể phân hủy nhiều loại hợp chất hữu cơ có trong nước. So với quá trình đồng thể, quá trình dị thể có thể khắc phục được nhược điểm của quá trình đồng thể như hoạt động ở môi trường pH rộng hơn và giảm sinh ra sản phụ thứ cấp. Trong quá trình dị thể, bên cạnh tác nhân xúc tác chính là các ion kim loại chuyển tiếp thì việc gắn những ion kim loại này lên nền chất mang phù hợp cũng rất quan trọng. Ngày nay, có rất nhiều vật liệu nano được sử dụng để tổng hợp vật liệu xúc tác cho các quá trình Fenton và giống Fenton dị thể như như zeolites, đất sét [7], MOFs [8], vật liệu có nguồn gốc carbon như than sinh học [9] và carbon aerogel [10].
Một trong những vật liệu có nguồn gốc carbon được quan tâm nhiều trong thế kỷ này là carbon aerogel (CA) – vật liệu có cấu trúc xốp (3D) và bên trong cấu trúc chứa phần lớn là không khí. Carbon aerogel có các tính chất đặc biệt như diện tích bề mặt riêng, cấu trúc xốp, độ dẫn nhiệt thấp [11]. Những tính chất trên làm cho CA trở nên tiềm năng trong việc tổng hợp vật liệu xúc tác cho quá trình giống Fenton dị thể. Việt Nam là đất nước có thế mạnh nông nghiệp, việc tận dụng nguồn phụ phẩm này để tổng hợp vật liệu thay thế cho nguồn tài đang bị cạn kiệt là cần thiết.
Nếu sử dụng tốt nguồn nguyên liệu thô vừa có thể giảm thiểu chi phí sản xuất vật liệu vừa giảm phát sinh chất thải rắn ra môi trường. Nguồn nguyên liệu thô từ xơ mít được đánh giá có tiềm năng lớn bởi đây là loại cây trồng khá phổ biến ở Việt Nam và đặc biệt hơn xơ mít đã có sẵn cấu trúc xốp – rất phù hợp để tổng hợp nên vật liệu carbon aerogel. Do đó, đề tài “Tổng hợp vật liệu carbon tẩm kim loại từ xơ mít và ứng dụng xử lý thuốc nhuộm trong nước thải” sẽ cung cấp thêm những cơ sở dữ liệu cần thiết, quan trọng trong việc xử lý thuốc nhuộm có trong nước bằng quá trình giống Fenton dị thể. Mục tiêu nghiên cứu Tổng hợp thành công vật liệu carbon tẩm kim loại từ xơ mít nhằm ứng dụng xử lý thuốc nhuộm trong nước thải.
3 Nội dung nghiên cứu Đề tài được thực hiện với những nội dung nghiên cứu sau: Đề tài được thực hiện với những nội dung nghiên cứu sau: − Tổng hợp vật liệu aerogel từ xơ mít bằng phương pháp thủy nhiệt. − Tổng vật liêu xúc tác Co-Carbon aerogel (Co-CA) bằng phương pháp ngâm tẩm và nhiệt phân. − Khảo sát đặc tính hình thái, bề mặt và cấu trúc của vật liệu bằng các phương pháp phân tích hiện đại như SEM/EDX, FTIR, XRD, TGA và BET. − Thử nghiệm khả năng phân hủy thuốc nhuộm bằng quá trình như Fenton dị thể với vật liệu xúc tác đã tổng hợp.
Khảo sát các yếu tố bao gồm: • Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân và tốc độ gia nhiệt đến khả năng loại bỏ MB. • Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác, nồng độ H2O2, pH dung dịch phản ứng và nồng độ MB ban đầu đến hiệu suất xử lý. • Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng và các anion vô cơ đến khả năng xử lý MB. • Thử nghiệm khả năng xử lý thuốc nhuộm khác.
• So sánh khả năng xử lý với vật liệu aerogel khác. • Xác định điều kiện phản ứng tối ưu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng nghiên cứu gồm có: • Vật liệu xúc tác: Co-Carbon aerogel • Chất màu ô nhiễm: Methylene blue, methyl orange, rhodamine B.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện tại Trung Tâm Nghiên Cứu Công Nghệ Lọc Hóa Dầu – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM và Viện Nhiêt đới môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. 4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học Đóng góp của đề tài nhằm cung cấp các yếu tố ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp đến đặc tính cấu trúc và khả năng xúc tác cho phản ứng phân hủy MB của vật liệu. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý như nồng độ xúc tác, H2O2, pH dung dịch, nhiệt độ, nồng độ MB và anion vô cơ đều được khảo sát.
Những kết quả từ nghiên cứu này góp phần vào cơ sở dữ liệu cho những nghiên cứu xử lý thuốc nhuộm có trong nước bằng quá trình như Fenton dị thể. Ý nghĩa thực tiễn Trong những thập kỷ gần đây, ô nhiễm nguồn nước gây ra bởi nước thải dệt nhuộm ngày càng trở thành vấn đề nhận được rất nhiều sự quan tâm do nhu cầu sử dụng thuốc nhuộm trong các ngành công nghiệp không ngừng tăng lên. Do đó, việc nghiên cứu các quá trình xử lý nước thải dệt nhuộm là việc tất yếu. Mặc dù các quá trình oxy hóa nâng cao như Fenton đồng thể có thể xử lý được loại nước thải này, nhưng chi phí vận hành cao và sinh ra sản phẩm phụ không mong muốn.
Các quá trình Fenton dị thể có thể cải thiện được nhược điểm của quá trình đồng thể. Vì vậy, đề tài này được kỳ vọng có thể sử dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp làm nguyên liệu tổng hợp vật liệu xúc tác cho quá trình Fenton dị thể. Việc sử dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp làm nguyên liệu vừa giảm chi phí nguyên liệu đầu vào vừa giúp giảm lượng chất thải nông nghiệp phát sinh. Kết quả từ nghiên cứu này là cơ sở ban đầu cho việc phát triển vật liệu xúc tác cho những quy mô lớn hơn nhằm xử lý nước thải thực tế.
TỔNG QUAN Tổng quan về nước thải dệt thuốc nhuộm và các phương pháp xử lý 2. Thuốc nhuộm Ngày nay, việc phát triển nhiều ngành công nghiệp đã gây ra các vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Dựa theo tính chất các chất gây ô nhiễm có thể được chia thành ba loại bao gồm chất ô nhiễm hóa học, vật lý và sinh học [12]. Các chất ô nhiễm hóa học gồm hai nhóm chính là vô cơ (thường là kim loại) và hữu cơ (các chất ô nhiễm có nguồn gốc carbon).
Các chất ô nhiễm như vi sinh vật, virus, ký sinh trùng, … được gọi là chất ô nhiễm sinh học và các chất phóng xạ hoặc nhiệt được xem là chất ô nhiễm vật lý. Trong 3 nhóm ô nhiễm được nêu trên, chất ô nhiễm hóa học chủ yếu là các chất ô nhiễm hữu cơ là nguyên nhân chính gây ô nhiễm nước và nước thải. Chất ô nhiễm hữu cơ gồm chất ô nhiễm không hòa tan (dầu) và chất ô nhiễm dạng dung dịch (thuốc nhuộm, thuốc kháng sinh, thuốc bảo vệ thực vật) [13]. Thuốc nhuộm tổng hợp là hóa chất cần thiết trong các ngành công nghiệp quan trọng khác nhau như da, giấy và ngành dệt may vì đặc tính tạo màu của nó.
Hiện nay, năm ngành công nghiệp chính như trong Hình 2.1 là nguyên nhân chính gây nên sự ô nhiễm chất hữu cơ trong nước thải [14].1 Các ngành công nghiệp có lượng nước thải dệt nhuộm cao nhất [14] 6 Trong năm ngành công nghiệp này, ngành dệt may và ngành nhuộm có lượng nước thải lớn nhất. Theo báo cáo, ngành dệt sử dụng lượng thuốc nhuộm rất lớn khoảng 10.000 tấn mỗi năm và thải ra 100 tấn nước thải nhuộm mỗi năm do nhu cầu sử dụng nguồn nước cao trong quá trình sản xuất [15]. Nước thải dệt nhuộm là phần còn lại sau quá trình nhuộm vì các phân tử thuốc nhuộm và hóa chất không thể bám hoàn toàn vào vải hoặc vật liệu dệt [16]. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng hỗn hợp thuốc nhuộm (các phân tử thuốc nhuộm và hóa chất) không có khả năng tự bám hoàn toàn vào vải hoặc đồ dệt, chỉ có khoảng 80% thuốc nhuộm và các phân tử hóa học từ hỗn hợp thuốc nhuộm có thể được hấp phụ bởi các vật liệu dùng để tạo màu [16, 17].
Đặc biệt, vải chỉ có thể hấp thụ tối đa 25% hỗn hợp thuốc nhuộm lên chính nó do khả năng hấp thụ kém [18]. Nước thải dệt nhuộm chứa nhiều hóa chất độc hại.