CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình trạng ô nhiễm thuốc nhuộm hiện nay Ô nhiễm môi trường là một vấn đề lớn hiện nay mà thế giới đang phải đối mặt hằng ngày, nó gây ra những thiệt hại nghiêm trọng không thể khắc phục được cho trái đất. Ô nhiễm môi trường bao gồm ba loại ô nhiễm cơ bản, đó là: ô nhiễm không khí, nước và đất. Trong đó, các nguyên nhân chính gây nên sự ô nhiễm nước là do xả thải công nghiệp, việc sử dụng quá mức thuốc bảo vệ thực vật, phân bón nông nghiệp, dư lượng dược phẩm và chôn lấp rác thải sinh hoạt. Các hợp chất hóa học như dung môi dioxin, dibenzofurans, pesticides, polychlorinated, biphenyls (PCBs), chlorophenols và các loại thuốc nhuộm được tìm thấy trong nước thải của hầu hết các ngành công nghiệp.
Từ 5000 năm trước con người đã bắt đầu biết sử dụng thuốc nhuộm tự nhiên phục vụ cho việc nhuộm tóc, quần áo… Nhưng đến thế kỷ 19, việc phát hiện ra thuốc nhuộm tổng hợp đã tác động mạnh mẽ đến công nghiệp, ngăn chặn việc sử dụng thuốc nhuộm tự nhiên. Thuốc nhuộm tổng hợp phần lớn được sản xuất và sử dụng trong các ngành công nghiệp như vải, da, giày, thực phẩm, mỹ phẩm, nghiên cứu nông nghiệp, dược phẩm, mạ điện và chưng cất. Chúng có thể được chia thành các nhóm khác nhau như: axit, bazo, trực tiếp, phân tán, kim loại, chất nhuộm màu, chất màu, phản ứng, dung môi, lưu huỳnh, điều này đã phản ánh hành vi vĩ mô và cũng như chức năng phổ biến của chúng. Người ta ước tính rằng hơn 10.000 loại thuốc nhuộm và chất màu khác nhau đang được sử dụng trong công nghiệp và hơn 7x105 tấn thuốc nhuộm tổng hợp được sử dụng hằng năm trên toàn thế giới [28].
Trong ngành công nghệ dệt nhuộm, có tới 200.000 tấn thuốc nhuộm bị thất thoát ra nước thải mỗi năm trong quá trình nhuộm, do quá trình nhuộm không hiệu quả [28]. Thật không may, hầu hết các loại thuốc nhuộm này đều thất thoát khỏi các quy trình xử lý nước nước thải thông thường và tồn tại trong môi trường. Nước thải từ nhà máy dệt nhuộm được xếp vào loại gây ô 4 nhiễm môi trường nhất trong tất cả các lĩnh vực công nghiệp, xét theo khối lượng phát sinh và thành phần nước thải [29]. Ngoài ra nhu cầu gia tăng đối với các sản phẩm dệt nhuộm tổng hợp đã góp phần làm cho nước thải trở thành một trong những nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng trong thời đại này.
Có thể dễ dàng nhận thấy được sự ô nhiễm nước thải do một lượng rất nhỏ thuốc nhuộm tổng hợp ở trong nước (< 1ppm), dẫn đến ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng mỹ quan và độ trong của các thủy vực như hồ, sông và những nơi khác, dẫn đến hủy hoại môi trường nước [30]. Đáng chú ý là một số thuốc nhuộm có độc tính cao gây đột biến gen, giảm khả năng xuyên sáng và hoạt động quang hợp, gây thiếu oxy và hạn chế các mục đích sử dụng có lợi ở hạ nguồn như giải trí, nước uống và tưới tiêu. Vì vậy, sự phân hủy của thuốc nhuộm từ nước là mối quan tâm chính đối với việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường.2 Tổng quan về thuốc nhuộm hữu cơ 1.1 Tổng quan Thuốc nhuộm có thể được định nghĩa là những hợp chất khi được gắn lên bề mặt chất nền sẽ tạo ra màu sắc bằng một quá trình làm thay đổi tạm thời hoặc bất kỳ cấu trúc tinh thể nào của các chất mang màu [31]. Thuốc nhuộm có thể tương tác với các bề mặt tương thích dưới dạng dung dịch, bằng cách tạo liên kết cộng hóa trị hoặc tạo phức với muối hoặc kim loại, bằng cách hấp phụ vật lý hoặc bằng liên kết cơ học [31].
Thuốc nhuộm được phân loại theo ứng dụng và cấu trúc hóa học, nó được cấu tạo bởi một nhóm nguyên tử được gọi là tế bào sắc tố, chịu trách nhiệm tạo ra màu nhuộm. Các trung tâm chứa nhóm mang màu này dựa trên các nhóm chức đa dạng, chẳng hạn như azo, anthraquinon, methine, nitro, arilmethane, carbonyl và những nhóm khác. Ngoài ra, các điện tử lấy hoặc cho các nhóm thế để tạo ra hoặc tăng cường màu sắc của tế bào sắc tố được gọi là auxochromes. Các auxochromes phổ biến nhất là amin, carboxyl, sulfonate và hydroxyl [32].2 Methyl da cam (MO) 1.1 Tổng quan về methyl da cam Bảng 1.1 Cấu trúc và tính chất của chất màu nhuộm methyl da cam Cấu trúc phân tử Tên gọi khác Gold Orange, Helianthine, Orange III Công thức phân tử C14H14N3NaO3S Khối lượng phân tử 327.mol-1 Khối lượng riêng 1.cm-3 Nhiệt độ nóng chảy >300 oC Nhiệt độ sôi 249 oC Loại Anion Methyl da cam thuộc nhóm thuốc nhuộm azo, có màu đỏ đến màu vàng cam rõ ràng khi thay đổi pH từ 3,1 đến pH 4,4.
Thuốc nhuộm azo thường chứa các nhóm chức R-N=N-R’ với các nhóm ankyl hoặc nhóm aryl (thơm). Methyl da cam có hai nhóm aryl gắn với liên kết đôi -N=N- như Hình 1.1 Cấu trúc của methyl da cam Các điện tử tách khỏi liên kết đôi -N=N- và các nhóm aryl lân cận việc này giúp cho việc tạo màu methyl da cam sáng. Khi đặt trong một dung dịch có tính axit mạnh hơn, metyl da cam đóng vai trò là một axit yếu; proton được nhận và tương tác với nhóm azo, thay đổi cấu trúc của phân tử một chút. Liên kết -N=N- kép sẽ bị phá vỡ để cho phép ion H+ liên kết với một trong các nguyên tử nito, sự sắp xếp các electron/liên kết trong một vòng benzen bị thay đổi, và một liên kết đôi khác được hình thành với nguyên tử nito khác có trong phân tử.
Dạng proton hóa này được thể hiện qua hình 1.2 ở dạng này nhóm mang màu của phân tử bị thay đổi chuyển sang màu đỏ.2 Metyl da cam trong dung dịch axit 1.2 Ứng dụng Metyl da cam được sử dụng trong các thử nghiệm phòng thí nghiệm, trong ngành công nghiệp dệt nhuộm và các sản phẩm thương mại khác. Ngoài ra nó còn được sử dụng để làm chất chỉ thị màu.3 Độc tính của Methyl da cam Metyl da cam do có sự hiện diện nhóm azo (-N=N-) và vòng benzen nên nó rất loại bỏ trong nước dẫn đến việc ô nhiễm môi trường nước, ảnh hưởng đến các động vật thủy sinh. Những độc tố ở Metyl da cam tích lũy lâu dần có nguy cơ gây đột biến.1 Khái niệm Bảng 1.2 Thông tin về chất màu nhuộm reactive blue 198 Tên Reactive Blue 198 Ký hiệu RB 198 Phân loại thuốc nhuộm Diazo/oxazine (anion) 600 nm Khối lượng phân tử 1304.80 g/mol Công thức phân tử C44H30C14N14Na4O14S4 7 Hình 1.3 Cấu trúc của Reactive Blue 198 Reactive blue 198 thuộc nhóm thuốc nhuộm azo. Dạng bột màu xanh, có thể tan trong nước.2 Ứng dụng Reactive Blue 198 được sử dụng rộng rãi trong nhuộm, in bông, vải sợi, cũng có thể sử dụng trong nhuộm polyeste/cotton, pha trộn để có được màu xanh coban, độ ổn định nhiệt độ cao.3 Độc tính của Reactive Blue 198 Sự hình thành reactive blue 198 được cấu tạo từ các cấu trúc cacbon cồng kềnh và phức tạp, đồng thời có các nhóm (-N=N-) gây dị ứng, các bệnh da liễu, ung thư biểu mô và gây đột biến ở người và động vật.3 Các phương pháp xử lý nước ô nhiễm Thuốc nhuộm được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp với nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau, do đó việc loại bỏ thuốc nhuộm ra khỏi nước để giảm tác động đến môi trường là rất quan trọng.
Các tiêu chí đặc ra là chi phí thấp và hiệu quả cao. Các phương pháp có thể được chia làm 3 loại: 1.1 Phương pháp vật lý Các phương pháp vật lý được áp dụng để làm sạch nước thải hoàn toàn không có sự can thiệp của các loại hóa chất nào. Các quy trình hiện nay như lọc, lắng và tuyến 8 nổi được sử dụng để loại bỏ chất thải rắn. Mục tiêu của phương pháp này là tách các hạt lơ lửng, hạt keo khó lắng, ion kim loại nặng hoặc các chất hữu cơ ra khỏi nước.
− Phương pháp màng lọc: màng lọc với chức năng tách và tập hợp các chất hòa tan và không hòa tan. Với áp suất cao, các lỗ màng sẽ tiến hành tách các hạt và các phân tử có kích thước nhỏ. Thường được ứng dụng trong lọc và tái chế nước. Ngoài ra, người ta thường ứng dụng thêm hệ thống vi lọc.
Hệ thống này giúp tách các phân tử, vi khuẩn và nấm men. Đối với nước thải nhiễm dầu, vi lọc có tác dụng khử trùng lạnh và tách nhũ tương. − Phương pháp keo tụ: Việc xử lý cơ học không giải quyết được các hạt có kích thước nhỏ dưới dạt hạt keo không lắng. Cách tốt nhất để lắng các hạt này người ta sẽ tăng kích thước của chúng nhờ tác dụng tương hỗ.
Khi đó các hạt keo sẽ liên kết thành những hạt có kích thước lớn hơn, để quá trình diễn ra thuận lợi ta cần trung hòa điện tích của chúng. Các hạt sau khi hình thành có thể mang điện tích dương hoặc âm. Các hạt mang điện tích âm thường là các hợp chất hữu cơ. Các hạt hydroxyt sắt, hydroxyt nhôm sẽ mang điện tích dương.
Có 2 loại bông keo tụ là loại kỵ nước và loại ưa nước. Loại ưa nước tập trung nhiều vi khuẩn, vi rút. Loại kỵ nước thì được sử dụng rộng rãi trong hầu hết trong các công nghệ xử lý nước thải. − Phương pháp tuyến nổi: về cơ bản phương pháp này được hiểu là việc tách chất rắn hoặc không tan có tỷ trọng nhỏ hơn nước.
Hiệu quả xử lý phụ thuộc chủ yếu vào các chất hoạt động bề mặt. Đây là phương pháp loại bỏ các chất rắn lơ lửng và dầu mỡ ra khỏi hỗn hợp nước thải hoặc cô đặc bùn sinh học. Phương pháp được ứng dụng trong việc xử lý các kim loại nặng. − Phương pháp đông tụ: Phương pháp này thường được sử dụng trong xử lý nước thải dầu nhớt giúp quá trình lắng diễn ra nhanh và hiệu quả hơn.
Với cách này nồng độ chất màu và mùi sẽ giảm xuống, độ pH sử dụng trong phương pháp này dao động từ 4-8,5 sẽ diễn ra tốt nhất. Chất đông tụ khi được thêm vào sẽ phân ly ra các ion OH- hình thành kết tủa hydroxide và kết dính các hạt keo lại với nhau. Những hạt keo hình thành với kích thước lớn hơn (bông cặn) nhờ trọng lực dễ dàng lắng xuống và tách khỏi nước.2 Phương pháp hóa học Phương pháp xử lý hóa học hay còn gọi là xử lý bậc ba. Việc sử dụng các vật liệu hóa học sẽ phản ứng với một phần hóa chất không mong muốn và kim loại nặng, tuy nhiên một phần vật liệu gây ô nhiễm sẽ không bị ảnh hưởng.