CHƯƠNG 1.1 Nguồn nước ô nhiễm và phương pháp xử lý 1.1 Ô nhiễm nguồn nước do thuốc nhuộm hữu cơ Ô nhiễm môi trường đã nổi lên như một cuộc khủng hoảng nghiêm trọng trong thế kỷ 21, chủ yếu do dân số toàn cầu ngày càng tăng và công nghiệp hóa. Một trong những thách thức quan trọng mà thế giới phải đối mặt là tình trạng khan hiếm nước uống, đặc biệt là ở các quốc gia đang phát triển. Hơn nữa, thách thức này càng trở nên trầm trọng hơn do biến đổi khí hậu khó lường và cuộc khủng hoảng nóng lên toàn cầu sắp xảy ra. Để đối phó với cuộc khủng hoảng nước ngọt, lọc nước đã nổi lên như một giải pháp bổ sung nước uống và nước công nghiệp.
Do đó, việc phát triển các công nghệ hiệu quả giúp loại bỏ hiệu quả các chất gây ô nhiễm khỏi nước thải trở nên quan trọng, đảm bảo sự ổn định môi trường. Ô nhiễm nước đề cập đến bất kỳ sự ô nhiễm nào làm thay đổi tính chất vật lý và hóa học của nước. Ô nhiễm nước do nhiều chất ô nhiễm gây ra, các chất gây ô nhiễm có thể được phân loại thành hữu cơ và vô cơ, tùy thuộc vào thành phần hóa học của chúng. Mặt khác, các chất ô nhiễm hữu cơ tạo thành một nhóm đa dạng bao gồm dược phẩm, kháng sinh và các sản phẩm chăm sóc cá nhân, thuốc nhuộm, dầu, hydrocacbon đa thơm, chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu, thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ, hydrocarbon đa vòng (PAH), và gây ra mối đe dọa đáng kể cho môi trường và sức khỏe con người.
Các chất ô nhiễm vô cơ bao gồm nhiều loại cation, oxo-anion và ion kim loại nặng, bao gồm cả các nguyên tố phóng xạ. Những chất gây ô nhiễm đã biết này có thể ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và hệ sinnh thái, tuy nhiên sự tác động độc tính đến hệ sinh thái của chúng thường bị bỏ qua. Nước thải có thể có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn như thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ dùng trong nông nghiệp, sản xuất các chất phụ gia như chất dẻo và xăng, dược phẩm có trong nước thải đô thị và chăn nuôi, các sản phẩm chăm sóc cá nhân như thuốc chống côn trùng, nước hoa, chất chống nắng, hạt vi nhựa và chất khử trùng, thường có trong rác thải đô thị. Mặt khác, thuốc nhuộm hữu cơ, thường được tìm thấy trong nước thải từ các ngành công nghiệp như cao su, nhựa, da, mỹ phẩm và dệt may, gây ra những rủi ro đáng kể về môi trường và sức khỏe do tính chất gây ung thư và khả năng chống phân hủy của thuốc nhuộm.
Một số lượng đáng kể thuốc nhuộm, khoảng 7 đến 10,5 tấn , được sử dụng trên toàn cầu trong các ngành công nghiệp và khoảng 10% lượng này bị thất thoát dưới dạng nước thải công nghiệp trong các khu vực nước thải. Những thuốc nhuộm này ổn định trong nước và đặt ra thách thức cho các phương pháp xử lý thông thường. Các kỹ thuật như sắc ký lỏng-khối phổ đã được sử dụng để phát hiện lượng vết của các chất gây ô nhiễm này trong nước thải, do vậy cần thiết phải có ưu tiên kiểm soát và xử lý nước thải [l]-[3]. 17 Các hóa chất độc hại tồn tại trong môi trường, tích lũy sinh học trong sinh vật và gây ra đáng kể cho sức khỏe con người và môi trường (Bảng 1.1), bao gồm cả thuốc nhuộm hữu cơ.
Do cấu trúc phức tạp của chúng, thuốc nhuộm hữu cơ được biết là đặc biệt khó phân hủy. 1 Phân loại, nguôn gôc và môi nguy hỉêm của các chât độc hại (PTS) Chất ô nhiễm Nguồn Nguy hiểm Thuốc nhuộm tổng Công nghiệp thực phẩm, nước thải Màu sắc cao, gây ung thư, hợp nhuộm, nước thải sản xuất giấy, độc tính nước thải dệt may, nước thải in ấn Chất làm dẻo Công nghiệp hóa chất và công ức chế hệ thần kinh trung nghiệp nhựa ương của con người, ổn định mạnh mẽ Hydrocacbon thơm Công nghiệp hóa dầu và công Tính ổn định mạnh, khả đa vòng (PAH) nghiệp luyện cốc năng gây ung thư mạnh Hợp chất xyanogen Công nghiệp hóa dầu, công nghiệp Độc tính cấp tính hữu cơ sợi nhân tạo, công nghiệp luyện cốc Sinh vật dị vòng Sinh vật dị vòng Gây ung thư, gây đột biến ổn định mạnh, nồng độ sinh học Biphenyl polyclo Ngành công nghiệp dầu bôi trơn, Độc tính cấp tính, gây ung hóa (PCB) nước thải hóa chất, công nghiệp cơ thư khí, công nghiệp nhựa Chất tẩy rửa tổng Công nghiệp thực phẩm, công Hòa tan các hydrocacbon hợp nghiệp dệt may, công nghiệp thuộc thơm đa vòng gây ung thư da, công nghiệp sản xuất giấy 1.2 Thuốc nhuộm Rhoadmin B Rhodamine B có công thức C28H31N2O3CI với tên gọi 9-(2-Carboxyphenyl)-6- (diethylamino) -N,N-diethyl-3H-xanthen-3- iminium chloride là một loại chất nhuộm đỏ phổ biến được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực hóa học và sinh học. Các hợp chat Rhodamine là họ thuốc nhuộm quan trọng, các loại của nó được đưa ra trong hình 1.Do thuốc nhuộm Rh có độ ổn định hóa học cao 18 hơn nên RhB và Rh ỐG là thành viên của họ Rhodamine được sử dụng thường xuyên nhất trong nhiều ứng dụng. Theo báo cáo của Industry ARC (hội đồng nghiên cúu ngành), sản lượng thuốc nhuộm Rhodamine trên toàn thế giới ước tính đạt 232,5 triệu USD vào năm 2027 trong giai đoạn dự báo 2022-2027 [4].
l:(a) Các hợp chát hoả học nồi bật gắn liền với họ thuốc nhuộm Rhodamine, (b) Cấu trúc Rhodamine B Rhodamừie B (Rh B), còn được gọi là Basic Violet 10, là màu tím đỏ tươi, không bay hơi và dễ hòa tan trong nước. Nó là một trong những thuốc nhuộm xanthene quan trọng nhất và được sử dụng để nhuộm bông, tre, cỏ dại và da, cũng như chế tạo bút bi và mực in dấu. Nó được sử dụng rộng rãi như một chất đánh dấu để tìm ra các đặc tính của dòng chảy, huỳnh quang và các công cụ chẩn đoán trong y học và bệnh lý thực vật, đồng thời cũng được sử dụng để tạo màu cho len, bông, lụa và giấy tờ. RhB là tìiuốc nhuộm hòa tan trong nước cao và được sử dụng trong các chất nhuộm màu sinh học, pháo hoa và chất đánh dấu màu trong thuốc diệt cỏ, dẫn đến việc giải phóng hóa chất này vào môi trường xung quanh.
Thậm chí R11B còn được sử dụng như một thành phần thực phẩm bất họp pháp được thêm vào tương ớt và kẹo ở một số nước kém phát triển. Mặc dù Rhodamine B có nhiều úng dụng hữu ích, nhung cũng cần lưu ý đến khía cạnh độc hại của nó. Một số nghiên cúu đã chỉ ra rằng Rhodamine B có thể gây hại cho sức khỏe nếu sử dụng một cách không đúng đắn. Thuốc nhuộm Rlì đều có thể gây tổn tìiưong đường hô hấp, hoại tử mô, tổn hại hệ thống sinh sản và thậm chí là ung thư ở sinh vật thủy sinh.
Việc xả nước thải thuốc nhuộm Rlì vào hệ sinh thái tự nhiên không chỉ có hại cho đời sống thủy sinh mà trong nhiều trường họp còn có thể gây đột biến gen ở người Khi ăn vào sẽ gây độc và còn gây kích úng da, mắt và đường hô hấp. Do đó, điều quan trọng là phải xử lý nước thải có chứa các hóa chất này để bảo vệ hệ sinh tìiái và nước nói chung. Rh B khó phân hủy sinh học, đó là một trong những nguyên 19 nhân góp phần gây ô nhiễm môi trường đang diễn ra. Trước những lo ngại và phản ánh tác động môi trường của thuốc nhuộm Rh đang nhận được sự quan tâm cao trong cộng đồng [5]-[7], 1.3 Phương pháp xử lý nước thải có chất nhuộm hữu cơ Một số quy trình có thể được thực hiện để loại bỏ thuốc nhuộm thơm, chẳng hạn như trao đổi hóa học, sinh học, điện hóa và ion.
Phương pháp sinh học sử dụng vi sinh vật, thân thiện với môi trường nhưng đòi hỏi điều kiện bên ngoài phù hợp. Các phương pháp hóa học có thể không hiệu quả do chi phí vận hành cao, trong khi các phương pháp vật lý đưa ra các giải pháp tiềm năng nhưng có thể không được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước thông thường. Do đó, nhiều công nghệ khác đã được phát triển để giải quyết những vấn đề này, chẳng hạn như xử lý cacbon (than), xúc tác dị thể, clo hóa và phân hủy sinh học. Trong số các công nghệ này, quy trình oxy hóa tiên tiến (AOP) đã thu hút được sự quan tâm lớn nhờ khả năng loại bỏ chất gây ô nhiễm khỏi nước thải bằng quy trình quang xúc tác.
Quá trình quang xúc tác bao gồm các chất xúc tác để tạo ra các gốc tự do có khả năng phản ứng cao, chẳng hạn như OH và 'Ơ2- khi có ánh sáng, có thể phân hủy thuốc nhuộm hữu cơ thành các ion vô cơ một cách hiệu quả, dẫn đến làm sạch nước. Mặc dù nồng độ của chúng có thể không cao bằng nồng độ của các chất vô cơ, nhưng các chất ô nhiễm hữu cơ đặc biệt đáng lo ngại do tính ổn định cao và tác động lâu dài đến môi trường. Các nhà máy xử lý nước thải không thể loại bỏ các chất ô nhiễm này một cách hiệu quả và chúng có thể tồn tại trong thời gian dài, có thể phân hủy thành các sản phấm phụ độc hại hơn. Lĩnh vực phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ bao gồm nhiều công nghệ khác nhau (Hình 1.2); tuy nhiên, các phương pháp truyền thống như kết tủa đông tụ/kết bông, công nghệ sinh học, hấp phụ và màng có những hạn chế như chi phí vận hành cao, tạo ra các chất ô nhiễm thứ cấp và hiệu quả thấp.
Ngược lại, các quá trình oxy hóa nâng cao (AOP), đặc biệt là AOP xúc tác quang, đã được quan tâm đáng kể do tính đơn giản, thân thiện với môi trường và tính bền vững của chúng. Thông qua AOP xúc tác quang, các chất ô nhiễm hữu cơ có thể được phân hủy thành các hợp chất ít độc hơn [8], [9]. Trong khi các quá trình quang xúc tác khai thác năng lượng ánh sáng để tạo ra các loại gốc oxy hoá (ROS) có thể oxy hóa các chất ô nhiễm hữu cơ, động học của các phản ứng này có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ ổn định của chất xúc tác, sự tái kết hợp của các chất mang điện và nồng độ có của các chất ô nhiễm tại bề mặt xúc tác.