Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp dệt nhuộm đóng góp khoảng 20% lượng nước thải công nghiệp toàn cầu và phát thải 8% khí carbon, đồng thời tạo ra 50% phát thải khí nhà kính tính đến năm 2023. Tại Việt Nam, lĩnh vực này sử dụng khoảng 70 triệu m³ nước thải mỗi năm, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là làm gia tăng tỷ lệ ung thư. Nước thải dệt nhuộm chứa nhiều thành phần ô nhiễm phức tạp như phẩm màu hữu cơ, kim loại nặng, chất rắn lơ lửng, COD, BOD và các hóa chất độc hại. Các công nghệ xử lý truyền thống như keo tụ, điện hóa, hấp phụ than hoạt tính hay xử lý sinh học đều gặp hạn chế về chi phí, hiệu quả và khả năng ứng dụng thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển vật liệu xúc tác từ bùn thải chứa sắt của nhà máy cấp nước ngầm, kết hợp với peroxydisulfate (PDS) để xử lý hiệu quả ô nhiễm màu và COD trong nước thải dệt nhuộm. Nghiên cứu tập trung vào việc tái sử dụng bùn thải làm nguyên liệu chế tạo vật liệu xúc tác, khảo sát hiệu quả xử lý trên các loại phẩm màu hữu cơ phổ biến (axit và bazơ) và áp dụng trên đa dạng nguồn nước thải từ nhiều nhà máy dệt nhuộm tại TP.HCM, Bình Dương và Long An trong giai đoạn 2022-2023. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm chi phí xử lý, hạn chế phát sinh hóa chất độc hại và thúc đẩy tái chế chất thải công nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành công nghiệp dệt nhuộm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOPs), trong đó peroxydisulfate (PDS, K2S2O8) được sử dụng làm chất hoạt hóa tạo ra các gốc sulfate tự do (SO4•−) có thế oxy hóa cao (2,60 V), mạnh hơn gốc hydroxyl (•OH, 1,90 V). PDS hoạt động hiệu quả trong môi trường pH từ 2 đến 7, phù hợp với điều kiện xử lý nước thải dệt nhuộm có pH thấp. Vật liệu xúc tác được chế tạo từ bùn thải chứa Fe3+ và các kim loại chuyển tiếp khác (Mn, Mg) có khả năng kích hoạt PDS tạo ra các gốc oxy hóa mạnh, đồng thời hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ.

Mô hình xúc tác dị thể được xây dựng dựa trên các phản ứng chuyển đổi Fe2+/Fe3+ trong bùn nung và biến tính với Mg, kết hợp với PDS để phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thải. Các khái niệm chính bao gồm: hấp phụ, oxy hóa nâng cao, xúc tác dị thể, hiệu suất loại bỏ COD và độ màu, cũng như các chỉ số đặc trưng như pH, nồng độ PDS, tỷ lệ rắn/lỏng (m/V).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu gồm bùn thải từ nhà máy cấp nước ngầm Phú Mỹ, Vũng Tàu và nước thải dệt nhuộm thực tế thu thập từ ba nhà máy tại TP.HCM, Bình Dương và Long An. Bùn thải được xử lý sấy khô ở 105ºC, sau đó nung ở các nhiệt độ từ 200 đến 700ºC để tạo vật liệu xúc tác (ký hiệu Bun-200, Bun-300,...). Vật liệu được biến tính bằng cách bổ sung MgSO4·7H2O theo các tỷ lệ khác nhau để tăng hiệu quả xúc tác.

Phương pháp phân tích bao gồm đo độ màu (Pt-Co) bằng máy quang phổ tử ngoại khả kiến, phân tích COD theo tiêu chuẩn SMEWW 5220B:2017, và khảo sát đặc tính vật liệu bằng TGA, BET, XRF, XRD, SEM-EDS, FTIR. Các thí nghiệm xử lý ô nhiễm được thực hiện trên máy Jartest với các biến số pH (1,0-6,0), nồng độ PDS (0-1,11 mM), nồng độ ô nhiễm (14,7-500 ppm), và tỷ lệ rắn/lỏng (0-4 g/L). Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẫu nước thải thực và giả thải màu Methylene blue (MB), Rhodamine B (RhB), Tartrazine (Ttz). Phân tích số liệu sử dụng các phương pháp thống kê và đồ thị để xác định thông số tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng nhiệt độ nung bùn: Bùn nung ở 300ºC (Bun-300) cho hiệu quả hấp phụ ô nhiễm cao nhất, với hiệu suất loại bỏ màu và COD đạt khoảng 92,3% và 63,9% sau 90 phút phản ứng. Nồng độ PDS 0,69 mM và pH 3,0 là điều kiện tối ưu cho quá trình xúc tác dị thể.

  2. Biến tính bùn với Mg: Vật liệu biến tính Bun-200(1/0,2) (bùn nung 200ºC kết hợp MgSO4 theo tỷ lệ 1:0,2) đạt hiệu quả xử lý màu Methylene blue lên đến 99,9% và COD 97,8% sau 120 phút. Các thông số tối ưu gồm pH 2,0, PDS 0,69 mM, tỷ lệ rắn/lỏng 1,0 g/L.

  3. Hiệu quả trên đa dạng nguồn thải: Vật liệu biến tính xử lý nước thải thực từ ba nhà máy đạt hiệu suất loại bỏ màu và COD lần lượt là: NM1 (98,3% và 94,2%), NM2 (70,7% và 60,6%), NM3 (75,7% và 50,9%). Hiệu quả xử lý trên các loại phẩm màu khác nhau (MB, RhB, Ttz) đều vượt 50%, chứng tỏ tính thích nghi rộng của vật liệu.

  4. So sánh các quá trình: Quá trình xúc tác dị thể kết hợp PDS vượt trội hơn so với hấp phụ đơn thuần và oxy hóa đồng thể về hiệu suất loại bỏ màu và COD, đặc biệt trong điều kiện pH thấp và nồng độ ô nhiễm vừa phải.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao của bùn nung ở 300ºC được giải thích bởi sự hình thành các oxit sắt có hoạt tính xúc tác mạnh, tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ. Việc biến tính với Mg giúp cải thiện cấu trúc vật liệu, tăng khả năng kích hoạt PDS và ổn định xúc tác trong quá trình xử lý. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về tái sử dụng bùn thải chứa Fe/Mn làm vật liệu xúc tác, đồng thời mở rộng phạm vi ứng dụng cho nhiều loại nước thải dệt nhuộm khác nhau.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất loại bỏ màu và COD theo thời gian, pH, nồng độ PDS và tỷ lệ rắn/lỏng, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của từng yếu tố. Bảng so sánh hiệu quả xử lý giữa các loại vật liệu và quá trình cũng làm nổi bật ưu điểm của vật liệu biến tính.

Kết quả nghiên cứu góp phần giải quyết các hạn chế của công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm hiện nay như chi phí cao, thời gian xử lý dài và phát sinh hóa chất độc hại, đồng thời thúc đẩy phát triển công nghệ xanh, bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất vật liệu xúc tác từ bùn thải: Khuyến khích các nhà máy cấp nước và doanh nghiệp xử lý nước thải hợp tác thu gom bùn thải để chế tạo vật liệu xúc tác, giảm chi phí nguyên liệu và xử lý chất thải. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm.

  2. Ứng dụng công nghệ xúc tác dị thể kết hợp PDS trong xử lý nước thải dệt nhuộm: Áp dụng quy trình xử lý với pH khoảng 2-3, nồng độ PDS 0,6-0,7 mM và tỷ lệ rắn/lỏng 1-2 g/L để đạt hiệu quả tối ưu. Chủ thể thực hiện là các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp.

  3. Nâng cao nghiên cứu biến tính vật liệu: Tiếp tục nghiên cứu các phương pháp biến tính vật liệu bằng các kim loại chuyển tiếp khác hoặc kỹ thuật nhiệt để tăng diện tích bề mặt và hoạt tính xúc tác, nhằm cải thiện hiệu suất xử lý và khả năng tái sử dụng vật liệu. Thời gian nghiên cứu 1-3 năm.

  4. Xây dựng quy trình chuẩn và hướng dẫn vận hành: Phát triển bộ tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu xúc tác từ bùn thải và quy trình vận hành hệ thống xử lý, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong thực tế. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý môi trường và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết, phương pháp chế tạo vật liệu xúc tác từ bùn thải và ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Tham khảo giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện môi trường, đặc biệt là các nhà máy dệt nhuộm và nhà máy cấp nước.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách khuyến khích tái chế bùn thải và áp dụng công nghệ xử lý tiên tiến, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

  4. Nhà sản xuất vật liệu xúc tác và hóa chất: Tham khảo quy trình chế tạo vật liệu xúc tác từ nguồn nguyên liệu tái chế, mở rộng thị trường và phát triển sản phẩm thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu xúc tác từ bùn thải có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu biến tính có khả năng tái sử dụng ít nhất một lần mà vẫn giữ hiệu suất xử lý trên 80%, tuy nhiên cần khảo sát thêm để xác định tuổi thọ và hiệu quả lâu dài.

  2. Tại sao chọn peroxydisulfate (PDS) thay vì các chất oxy hóa khác?
    PDS có thế oxy hóa cao (2,60 V), hoạt động hiệu quả trong môi trường pH thấp, giá thành hợp lý và ít gây độc tính cho hệ vi sinh so với H2O2 hay ozon, phù hợp cho xử lý nước thải dệt nhuộm.

  3. Nhiệt độ nung bùn ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả xử lý?
    Nung bùn ở 300ºC tạo ra vật liệu có cấu trúc oxit sắt tối ưu, tăng diện tích bề mặt và khả năng xúc tác, giúp loại bỏ màu và COD hiệu quả hơn so với các nhiệt độ khác.

  4. Phạm vi ứng dụng của vật liệu này có giới hạn không?
    Vật liệu đã được thử nghiệm trên nhiều loại phẩm màu hữu cơ (axit và bazơ) và nước thải từ ba nhà máy khác nhau, cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải dệt nhuộm.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này ở quy mô công nghiệp không?
    Kết quả nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm rất khả quan, đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô pilot và công nghiệp để đánh giá hiệu quả và chi phí thực tế trước khi triển khai rộng rãi.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công vật liệu xúc tác từ bùn thải chứa sắt của nhà máy cấp nước, nung ở 300ºC và biến tính với Mg, có khả năng xử lý hiệu quả ô nhiễm màu và COD trong nước thải dệt nhuộm.
  • Kết hợp vật liệu xúc tác với peroxydisulfate (PDS) tạo ra hệ xúc tác dị thể có hiệu suất loại bỏ màu và COD đạt trên 90% trong điều kiện tối ưu.
  • Vật liệu có khả năng xử lý đa dạng phẩm màu hữu cơ và áp dụng hiệu quả trên nước thải thực tế từ nhiều nhà máy dệt nhuộm khác nhau.
  • Nghiên cứu cung cấp bộ thông số kỹ thuật và quy trình chế tạo vật liệu, làm cơ sở cho việc ứng dụng công nghệ xử lý nước thải thân thiện môi trường và tiết kiệm chi phí.
  • Đề xuất các bước tiếp theo gồm mở rộng quy mô nghiên cứu, hoàn thiện quy trình sản xuất vật liệu và xây dựng hướng dẫn vận hành hệ thống xử lý nước thải công nghiệp.

Hành động tiếp theo là triển khai nghiên cứu pilot tại các nhà máy dệt nhuộm, đồng thời phối hợp với các cơ quan quản lý để thúc đẩy ứng dụng công nghệ trong thực tế, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành công nghiệp dệt nhuộm.