I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vật Liệu Hấp Phụ Từ Nguồn Tái Chế
Nước sạch và vệ sinh môi trường là hai yếu tố đặc biệt quan trọng, tác động trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng. Nó tạo nên cơ sở vật chất để phát triển kinh tế, văn hóa, xã hội, là phương tiện sinh sống và phát triển bền vững của con người. Tuy nhiên, trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền công nghiệp, quá trình đô thị hóa với tốc độ chóng mặt kéo theo đó là sự thiếu ý thức của con người trong vấn đề bảo vệ môi trường, nhất là môi trường nước. Mỗi năm những nhà máy, khu chế xuất, khu công nghiệp thải ra một lượng lớn nước thải gây ô nhiễm môi trường. Việt Nam là đất nước có ngành công nghiệp dệt nhuộm phát triển vì vậy hàng năm nước thải của ngành công nghiệp này cũng chiếm một lượng đáng kể trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường. Lượng nước thải này chứa nhiều các chất hữu cơ mang màu độc hại do vậy nếu không được xử lý, loại bỏ các chất độc có trong nước, chúng sẽ xâm nhập vào cơ thể tích tụ lâu ngày ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, phá hủy cảnh quan môi trường tự nhiên, làm mất cân bằng hệ sinh thái.
1.1. Tình Trạng Ô Nhiễm Nước Thải Dệt Nhuộm Hiện Nay
Hiện nay, sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp ở các làng nghề đạt được những thành tựu đáng kể nhưng do công nghệ lạc hậu, quy mô nhỏ lẻ nên chưa xử lý được chất thải sau quá trình sản xuất dẫn đến ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng. Tại một số làng nghề như: Văn Phú, Dương Nội (Hà Đông – Hà Nội), nhu cầu oxy hóa học (COD) trong các công đoạn tẩy, nhuộm đo được từ 380 ÷ 890mg/L, cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 3 ÷ 8 lần, độ màu đo được là 750Pt - Co, cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Các vấn đề về sự ô nhiễm môi trường dưới sự tác động của ngành công nghiệp dệt nhuộm đã gia tăng trong nhiều năm qua. Các quá trình tẩy nhuộm có tỷ lệ mất mát chất tẩy nhuộm lên đến 50%. Nguyên nhân của việc mất mát chất tẩy, nhuộm là do các chất này không bám dính hết vào sợi vải, số phẩm nhuộm này sẽ đi theo đường nước thải ra ngoài. Vì vậy, việc xử lý nước thải dệt nhuộm là vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu.
1.2. Quy Chuẩn Quốc Gia Về Nước Thải Công Nghiệp
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may được trình bày trong bảng 1.1: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may. Cột A quy định giá trị giới hạn của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Cột B quy định giá trị giới hạn của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Như vậy, nước thải công nghiệp nói chung và nước thải ngành dệt nhuộm nói riêng, để đạt tiêu chuẩn cho phép thải ra môi trường sinh thái cần tuân thủ nghiêm ngặt khâu xử lý các hóa chất gây ô nhiễm môi trường có mặt trong nước thải.
II. Thách Thức Xử Lý Ô Nhiễm Nước Thải Dệt Nhuộm Hiện Nay
Ngành công nghiệp dệt nhuộm nước ta đang phát triển rất đa dạng với quy mô khác nhau và đã thải ra ngoài môi trường một lượng lớn nước thải gây ô nhiễm cao. Nước thải dệt nhuộm thường có độ màu rất cao. Việc sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm và các sản phẩm của chúng gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái thủy sinh. Cụ thể đối với con người gây ra các bệnh về da, đường hô hấp, ung thư…, đối với hệ sinh thái thủy sinh có thể phá hủy hoặc ức chế khả năng sinh sống của vi sinh vật. Nguồn nước thải phát sinh trong công nghiệp dệt nhuộm từ các công đoạn hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất. Trong đó, lượng nước thải chủ yếu do quá trình giặt sau mỗi công đoạn.
2.1. Tác Hại Của Ô Nhiễm Nước Thải Dệt Nhuộm
Thuốc nhuộm tổng hợp có từ lâu và ngày càng được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp dệt may, giấy, cao su, mỹ phẩm do dễ sử dụng, giá thành rẻ, màu sắc đa dạng so với màu tự nhiên. Tuy nhiên, hầu hết các thuốc nhuộm sử dụng trong ngành công nghiệp dệt may đều có độ độc tính cho môi trường sống trong nước. Mặt khác, các chất hoạt động bề mặt và các hợp chất liên quan, chẳng hạn như bột giặt, các chất nhũ hóa, các chất phân tán được sử dụng trong hầu hết các công đoạn của mỗi quy trình gia công và cũng có thể là một trong những nguồn quan trọng tạo độc tính cho môi trường nước.
2.2. Nguồn Phát Sinh Nước Thải Trong Công Nghiệp Dệt Nhuộm
Trong nhiều thập kỷ qua, ngành công nghiệp dệt nhuộm luôn có vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Với các doanh nghiệp nhà nước, doanh nghiệp tư nhân, dự án liên doanh và các nhà máy có vốn đầu tư 100% nước ngoài cùng rất nhiều tổ hợp tư nhân nhỏ, vừa và lớn đang hoạt động trong lĩnh vực sợi, dệt, nhuộm nhằm phấn đấu đạt chỉ tiêu hơn hai tỷ mét vải vào năm 2020 cho thấy quy mô và định hướng phát triển lớn mạnh của ngành công nghiệp này. Tuy nhiên, trong số các nhà máy chỉ có nhà máy lớn có xây dựng hệ thống xử lý nước thải còn lại hầu như chưa có hệ thống xử lý vẫn còn xả trực tiếp ra môi trường. Loại nước thải dệt nhuộm có độ kiềm hoặc độ axit cao, màu đậm, có nhiều chất hữu cơ, vô cơ gây độc cho quần thể sinh vật và ảnh hưởng sức khỏe cộng đồng.
III. Phương Pháp Hấp Phụ Giải Pháp Xử Lý Nước Thải Tối Ưu
Trước thực trạng nguồn nước mặt và nước ngầm ngày càng bị ô nhiễm và cạn kiệt, nếu không có các chính sách về việc bảo vệ và sử dụng nước hợp lý thì trong tương lai nước sạch sẽ trở thành nguồn tài nguyên cực kỳ khan hiếm. Hiện nay, có rất nhiều phương pháp khác nhau để loại bỏ các chất hữu cơ mang màu ra khỏi môi trường nước như: thẩm thấu ngược, lọc nano, kết tủa hoặc hấp phụ,. Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm vượt trội như vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ chế tạo, chi phí thấp, thân thiện với môi trường, đặc biệt không làm nguồn nước bị ô nhiễm thêm. Chính vì vậy đây là vấn đề đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm, nghiên cứu.
3.1. Ưu Điểm Của Vật Liệu Hấp Phụ Từ Nguồn Tái Chế
Đối với lĩnh vực xử lý môi trường, ta có thể sử dụng vật liệu tự nhiên (đá ong, quặng sắt, bentonit…) hay vật liệu chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp như xơ dừa, vỏ lạc, bã mía, bã chè, lõi ngô… những loại vật liệu này đều có giá thành rẻ, thân thiện với môi trường và dễ kiếm tìm trong đời sống.
3.2. Tiềm Năng Của Cây Sen Trong Xử Lý Ô Nhiễm Nước
Cây sen là loài cây quen thuộc được trồng phổ biến ở các ao hồ và rất có ý nghĩa đối với người dân Việt Nam. Không chỉ vậy các bộ phận của cây sen từ hạt, lá cho đến củ đều có lợi ích kinh tế cao như: nhụy sen dùng để ướp trà, lá sen để chữa bệnh, hạt sen dùng làm thực phẩm… Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam sau khi thu hoạch hạt sen thì các bộ phận của cây sen bị thải bỏ, không được sử dụng vào mục đích nào. Cây sen có đặc tính nhẹ và xốp có khả năng biến tính thành vật liệu hấp phụ tốt.
IV. Nghiên Cứu Vật Liệu Hấp Phụ Từ Cây Sen Ứng Dụng Thực Tế
Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số thuốc nhuộm của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cây sen”. Trong đề tài chúng tôi lần lượt tập trung nghiên cứu các nội dung sau: Chế tạo vật liệu hấp phụ từ cây sen. Khảo sát một số đặc trưng hóa lý của VLHP bằng phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), phương pháp phổ hồng ngoại (IR). Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ phụ tím tinh thể, metyl đỏ của vật liệu hấp phụ chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh. Mô tả quá trình hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ của VLHP theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, xác định dung lượng hấp phụ cực đại. Nghiên cứu động học hấp phụ và nhiệt động lực học quá trình hấp phụ tím tinh thể và metyl đỏ của VLHP.
4.1. Chế Tạo Vật Liệu Hấp Phụ Từ Cây Sen
Vật liệu hấp phụ được chế tạo từ cây sen thông qua các quy trình xử lý và biến đổi hóa học. Quá trình này có thể bao gồm các bước như nghiền, sấy khô, hoạt hóa bằng hóa chất (ví dụ: axit hoặc bazơ), và xử lý nhiệt. Mục tiêu là tạo ra vật liệu có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, và khả năng liên kết với các chất ô nhiễm trong nước.
4.2. Khảo Sát Đặc Tính Hóa Lý Của Vật Liệu Hấp Phụ
Các phương pháp như đo diện tích bề mặt riêng (BET) và phổ hồng ngoại (IR) được sử dụng để xác định các đặc tính quan trọng của vật liệu hấp phụ. Diện tích bề mặt riêng cho biết khả năng tiếp xúc của vật liệu với các chất ô nhiễm, trong khi phổ hồng ngoại cung cấp thông tin về các nhóm chức hóa học trên bề mặt vật liệu, giúp hiểu rõ cơ chế hấp phụ.
4.3. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Các Yếu Tố Đến Quá Trình Hấp Phụ
Các yếu tố như pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc, và nồng độ ban đầu của chất ô nhiễm có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả hấp phụ. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định các điều kiện tối ưu để vật liệu hấp phụ từ cây sen có thể loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm như tím tinh thể và metyl đỏ từ nước thải.
V. Kết Quả Nghiên Cứu Hiệu Quả Hấp Phụ Thuốc Nhuộm Của VLHP
Bố cục của luận văn này gồm: Mở đầu, Chương 1: Tổng quan, Kết luận, Tài liệu tham khảo. Chương 1 TỔNG QUAN 1. Định nghĩa và phân loại thuốc nhuộm Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trong những điều kiện quy định (tính gắn màu). Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp. Hiện nay, con người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp. Đặc điểm nổi bật của các loại thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy. Màu sắc của thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học. Một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu. Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ electron π không cố định như: > C = C <, > C = N -, - N = N -, - NO2, … Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận electron như: -NH2, -COOH, -SO3H, -OH,… đóng vai trò tăng cường của nhóm mang màu bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ electron [12].
5.1. Khả Năng Hấp Phụ Tím Tinh Thể Và Metyl Đỏ
Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu từ cây sen đối với hai loại thuốc nhuộm phổ biến là tím tinh thể và metyl đỏ. Kết quả cho thấy vật liệu có khả năng hấp phụ đáng kể, với hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm cao trong điều kiện thí nghiệm tối ưu.
5.2. So Sánh Với Các Vật Liệu Hấp Phụ Khác
Hiệu quả hấp phụ của vật liệu từ cây sen được so sánh với các vật liệu hấp phụ khác đã được nghiên cứu trước đây. Điều này giúp đánh giá tiềm năng của vật liệu mới trong việc thay thế hoặc bổ sung cho các giải pháp xử lý nước thải hiện có.
VI. Tiềm Năng Ứng Dụng Và Phát Triển Vật Liệu Hấp Phụ Tái Chế
Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hóa học, màu sắc, phạm vi sử dụng. Tùy theo cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng được phân loại thành các họ, các loại khác nhau. Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất: Phân loại theo cấu trúc hóa học: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm antraquinon, thuốc nhuộm indiz0, thuốc nhuộm phenazin, thuốc nhuộm triarylmetan, thuốc nhuộm phtaloxiamin. Phân loại theo đặc tính áp dụng: thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lưu hóa, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ cation, thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính [12]. Ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến một số loại thuốc nhuộm nhằm làm sáng tỏ hơn về loại thuốc nhuộm sử dụng trong phần thực nghiệm của đề tài.
6.1. Ứng Dụng Trong Xử Lý Nước Thải Dệt Nhuộm
Vật liệu hấp phụ từ cây sen có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng vào các hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm. Việc sử dụng vật liệu tái chế giúp giảm chi phí xử lý và đồng thời góp phần vào việc bảo vệ môi trường.
6.2. Hướng Phát Triển Và Nghiên Cứu Tiếp Theo
Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo vật liệu, cải thiện hiệu quả hấp phụ, và thử nghiệm ứng dụng thực tế trong các nhà máy dệt nhuộm. Ngoài ra, việc nghiên cứu khả năng tái sử dụng và xử lý vật liệu sau khi đã hấp phụ cũng là một hướng đi quan trọng.
