MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài nghiên cứu Hiện nay, ô nhiễm nguồn nước đã và đang là một vấn đề được quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà còn ở hầu hết các quốc gia trên toàn thế giới, không phân biệt các quốc gia phát triển hay các quốc gia đang phát triển, bởi lẽ hệ lụy của sự ô nhiễm nguồn nước đe dọa trực tiếp cuộc sống của mỗi chúng ta [17][18][19]. Thực trạng hiện nay cho thấy, nguồn nước ngày càng bị ô nhiễm bởi các loại chất thải độc hại từ các nhà máy công nghiệp trong đó phải kể đến các kim loại nặng như As, Cd, Pb, Cr và các chất hữu cơ khó phân hủy như nước thải dệt nhuộm, giấy, lọc dầu, cốc hóa, mạ, sơn, ắc quy…. Điều này đe dọa trực tiếp đến sức khỏe con người và chất lượng môi trường.
Theo ước tính của tổ chức WHO, năm 2015 chỉ có khoảng 20% lượng nước thải được xử lý theo đúng tiêu chuẩn và ở các nước đang phát triển có tới 70% lượng nước thải không qua xử lý. Ngoài ra, sự phát triển của một số ngành công nghiệp như dệt nhuộm, sản xuất bột giấy, dầu mỏ, cốc hóa… kéo theo sự phát thải các loại nước thải chứa các chất hữu cơ khó phân hủy cũng rất nghiêm trọng. Nước thải dệt nhuộm chứa các thành phần khó phân hủy sinh học (thuốc nhuộm, dầu khoáng, tạp chất thiên nhiên từ xơ sợi), pH cao (dao động từ 9 đến 12) do thành phần các chất tẩy rửa gây lên. Trong một số trường hợp nước thải dệt nhuộm có thể chứa các chất có tính độc đối với vi sinh vật như các chất khử vô cơ, formaldehit, kim loại nặng, clo,.
Do đó, nghiên cứu làm sạch, phân hủy các chất hữu cơ độc hại khỏi môi trường nước với hiệu suất cao và chi phí thấp là nhiệm vụ rất cấp bách. Các kết quả đã cho thấy công nghệ nano có thể được sử dụng hiệu quả để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ khỏi nước uống, nước thải, nước thải công nghiệp, nước thải đô thị. Tuy nhiên, hầu hết các vật liệu nano đã được báo cáo đang ở giai đoạn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Một trong những công nghệ nano hiện đã thành sản phẩm thương mại và được đưa vào sử dụng để xử lí nước ngầm là sử dụng các hạt nano sắt hóa trị không (zero- 1 valent iron) [22].
Do chi phí cho sản xuất và chế tạo vật liệu nano ngày càng giảm nên chúng đã trở nên cạnh tranh hơn đối với các công nghệ xử lý nước và nước thải khác. Tuy nhiên, vẫn có những tồn tại cho việc sử dụng trực tiếp các hạt nano tự do trong quá trình xử lý nước thải do một số nguyên nhân. Thứ nhất, các hạt nano có xu hướng co cụm trong hệ thống chất lỏng hoặc trên các màng lọc do đó làm suy giảm khả năng làm việc của chúng [23]. Thứ hai, tồn tại thách thức trong quá trình thu hồi và tái sử dụng các vật liệu sau khi hấp phụ.
Thứ ba là các đặc tính và các cơ chế tương tác của các vật liệu này trong quá trình xử lý vẫn còn nhiều vấn đề cần được làm sáng tỏ [24]. Do đó việc tiếp tục phát triển vật liệu, thiết bị có khả năng hấp phụ cao và nghiên cứu các cơ chế hấp phụ giữa các vật liệu vẫn đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới. Các nghiên cứu gần đây cho thấy một số hệ nano tổ hợp (nanocomposite) nền nano từ tính, vật liệu nanocacbon, ZnO hoặc TiO2. cho hiệu suất cao trong việc khử nước nhiễm độc, dễ dàng tách/thu hồi từ dung dịch nước qua xử lý và có thể tái chế với chi phí rẻ [25].
Trong số các kỹ thuật có thể sử dụng để xử lý nước, quá trình hấp phụ là một trong những phương pháp hiệu quả để xử lý và loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải. Quá trình hấp phụ có những ưu điểm so với các quá trình khác vì thiết kế đơn giản và đầu tư thấp về cả chi phí ban đầu và đất đai. Các chất hấp phụ khác nhau được sử dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm. Đặc biệt, hiện nay trên thế giới có nhiều nghiên cứu về ứng dụng phế phẩm nông nghiệp và công nghiệp làm vật liệu hấp phụ xử lý chất hữu cơ khó phân hủy trong nước và nước thải.
Đồng thời, các nghiên cứu biến tính vật liệu đó bằng các chất hóa học như HNO3, H3PO4, NaOH, ZnCl2, H2SO4… nhằm tăng khả năng hấp phụ cho các vật liệu đó. Dung lượng hấp phụ cao hơn so với vật liệu chưa biến tính. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu mới chỉ là những nghiên cứu cơ bản và chỉ dừng lại ở việc biến tính bằng một hoặc vài loại hóa chất thông thường. Hiệu suất xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm chưa thực sự cao và giảm nhiều chi phí.
2 Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng vật liệu từ cấu trúc nano đặc biệt là vật liệu từ thuộc họ cấu trúc spinel (Fe3O4) kết hợp với ZnO cho hiệu quả cao trong việc loại bỏ các kim loại nặng cũng như phân hủy các chất hữu cơ độc hại có trong nước thải. Do có bề mặt với tỷ lệ diện tích lớn và cấu trúc bề mặt có tính linh hoạt cao, vật liệu nano Fe3O4/ZnO dễ dàng tương tác với các vật liệu khác. Hình dạng và kích thước có thể điều khiển được bằng các phương pháp chế tạo đơn giản với chi phí thấp. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, các vật liệu này dễ dàng được tách tuyển, thu hồi và tái sử dụng lâu dài sau khi đã hấp phụ các chất gây ô nhiễm.
Vì thế, đây là vật liệu phù hợp để sử dụng tổ hợp với than sinh học từ phế phẩm nông nghiệp. Đặc biệt, các nghiên cứu gắn kết các vật liệu nano tổ hợp Fe3O4/ZnO với vật liệu hấp phụ từ than sinh học vẫn còn hạn chế hoặc chưa được nghiên cứu đầy đủ. Do đó, tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu “Chế tạo, nghiên cứu tính chất và khả năng xử lý nước thải dệt nhuộm của vật liệu tổ hợp Fe3O4/ZnO/than sinh học”. Mục tiêu nghiên cứu Tổng hợp vật liệu tổ hợp: TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO và nghiên cứu khả năng xử lý nước thải dệt nhuộm của vật liệu.
Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tổ hợp: TSH rơm rạ /Fe3O4/ZnO - Khảo sát được ảnh hưởng của tỉ lệ tổ hợp TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO (% khối lượng giữa nano Fe3O4/ZnO và TSH) lên hiệu quả hấp phụ nước thải dệt nhuộm - Khảo sát được ảnh hưởng của pH và thời gian phản ứng đến hiệu quả hấp phụ nước thải dệt nhuộm. - Áp dụng mô hình động học hấp phụ để đánh giá kết quả hấp phụ của vật liệu đối với nước thải dệt nhuộm lấy tại làng nghề dệt Nha xá, Hà Nam. Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu Hướng nghiên cứu, chế tạo và sử dụng vật liệu tổ hợp: TSH rơm rạ /Fe3O4/ZnO để xử lý nước thải dệt nhuộm là vấn đề đang được thế giới quan 3 tâm. Nghiên cứu này góp phần làm phong phú về vật liệu trong phương pháp xử lý nước thải sử dụng vật liệu nano và than sinh học.
Những đóng góp mới của đề tài - Nội dung nghiên cứu của đề tài hướng tới ứng dụng than sinh học và vật liệu nano trong việc xử lý nước thải. - Những kết quả nghiên cứu này là nền tảng cho việc phát triển những nghiên cứu ứng dụng ở mức độ cao hơn nhằm xây dựng các công nghệ xử lý hiện đại đạt hiệu quả và thân thiện với môi trường. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Nƣớc thải dệt nhuộm và đặc điểm của nƣớc thải dệt nhuộm 1.
Nguồn gốc phát sinh nước thải dệt nhuộm Ngành dệt nhuộm đã phát triển từ rất lâu trên thế giới nhưng nó chỉ mới hình thành và phát triển hơn 100 năm nay ở nước ta. Ngành dệt may thu hút nhiều lao động góp phần giải quyết việc làm và phù hợp với những nước đang phát triển không có nền công nghiệp nặng phát triển mạnh như nước ta. Tuy nhiên, hầu hết các nhà máy xí nghiệp dệt nhuộm ở ta đều chưa có hệ thống xử lý nước thải mà đang có xu hướng thải trực tiếp ra sông, suối, ao, hồ….Nguồn nước thải phát sinh trong công nghệ dệt nhuộm là từ các công đoạn hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất, trong đó lượng nước thải chủ yếu là do quá trình giặt sau mỗi công đoạn. Các tạp chất tách ra từ vải sợi như: dầu mỡ, các tạp chất chứa Nitơ, các chất bụi bẩn dính vào sợi (chiếm 6% khối lượng xơ).
Hóa chất sử dụng trong dệt nhuộm chủ yếu là: hồ tinh bột, H2SO4, CH3COOH, NaOH, NaOCl, H2O2, Na2CO3, Na2SO3,…các loại thuốc nhuộm, các chất trơ, chất ngấm, chất cầm màu, chất tẩy giặt. Thành phần nước thải phụ thuộc vào: đặc tính của vật liệu nhuộm, bản chất của thuốc nhuộm, các chất phụ trợ và các hóa chất khác được sử dụng. Các loại thuốc nhuộm được đặc biệt quan tâm vì chúng thường là nguồn sinh ra các kim loại, muối và màu trong nước thải. Các chất hồ vải với lượng BOD, COD cao và các chất hoạt động bề mặt là nguyên nhân chính gây ra tính độc cho thuỷ sinh của nước thải dệt nhuộm.
Quy trình của công nghệ dệt nhuộm và nguồn phát sinh dòng nước thải thể hiện qua sơ đồ: 5 Hình 1. Sơ đồ nguồn phát sinh nƣớc thải dệt nhuộm [6] 1. Đặc tính nước thải dệt nhuộm Nước thải nhìn chung rất phức tạp và đa dạng, đã có hàng trăm loại hóa chất đặc trưng như phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chất điện ly, chất tạo môi trường, tinh bột men, chất oxy hóa,…được đưa vào sử dụng. Các tạp chất tách ra từ vải sợi như: dầu mỡ, các tạp chất chứa Nitơ, các chất bụi bẩn dính vào sợi (chiếm 6% khối lượng xơ).
6 Thành phần nước thải phụ thuộc vào: đặc tính của vật liệu nhuộm, bản chất của thuốc nhuộm, các chất phụ trợ và các hóa chất khác được sử dụng. Nguồn nước thải bao gồm từ các công đoạn chuẩn bị sợi, chuẩn bị vải, nhuộm và hoàn tất. Trong quá trình sản xuất, lượng nước thải ra 12-300 m3/tấn vải, chủ yếu từ công đoạn nhuộm và nấu tẩy [1]. Các loại thuốc nhuộm được đặc biệt quan tâm vì chúng thường là nguồn sinh ra các kim loại, muối và màu trong nước thải.
Các chất hồ vải với lượng BOD, COD cao và các chất hoạt động bề mặt là nguyên nhân chính gây ra tính độc cho thuỷ sinh của nước thải dệt nhuộm.