Đặt vấn đề Hiện nay, nhóm ngành công nghiệp dệt - may - nhuộm đã và đang phát triển không ngừng. Với sự phát triển ồ ạt đã gây ra những tác động không nhỏ đối với môi trường toàn cầu đóng góp 8% phát thải carbon, 20% nước thải trên toàn thế giới và làm tăng 50% phát thải khí nhà kính vào năm 2023 [1]. Nhu cầu về sản lượng ngày càng tăng, theo thống kế từ 2007 đến 2014 đã tăng từ 20,2 triệu tấn lên 90,8 triệu tấn kéo theo đó là lượng chất thải rắn phát sinh từ lĩnh vực này sẽ tăng từ 92 triệu tấn rác thời trang lên 148 triệu tấn tính đến năm 2030 [2]. Các công đoạn như: dệt, nhuộm và tẩy sử dụng một lượng nước rất lớn.
Theo thống kê của Liên Hợp Quốc trên toàn cầu mỗi năm lĩnh vực này sử dụng khoảng 97 tỷ lít nước và tạo ra 20% nước thải toàn cầu trong tổng sản lượng nước thải được tạo ra mỗi năm [3]. Hoạt động sản xuất ở các nhà máy dệt nhuộm sử dụng một lượng lớn hóa chất, môi trường làm việc thuộc nhóm khá độc hại cho người lao động khi tiếp xúc thường xuyên [1]. Cui và cộng sự [4] báo cáo khoảng 300.000 tấn thuốc nhuộm được sử dụng hằng năm. Các chất hóa học phổ biến được tìm thấy trong nước thải bao gồm: phẩm màu, kim loại nặng, NaOH, hồ tinh bột và axite.
Đặc tính nước thải có độ pH, chất rắn lơ lửng (SS), nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh học (BOD) [5], kim loại [6], nhiệt độ [7] và muối thường rất cao. Các yếu tố ô nhiễm này tác động đến môi trường nước mặt, nước ngầm, làm thay đổi các chu trình chuyển hóa của động thực vật và gây ra hiện tượng tích lũy sinh học không mong muốn, làm gia tăng tỷ lệ ung thư trên toàn cầu. Với dung tích, quy mô và sự tác động đa chiều của lĩnh vực thì đây là một trong những thách thức lớn đối với các hoạt động công nghiệp và an sinh nhân loại. Các nghiên cứu nhằm tập trung tìm kiếm giải pháp tối ưu đối với nước thải dệt nhuộm hiện nay gồm: keo tụ và tạo bông (sử dụng polyme) [8], keo tụ điện hóa (điện cực nhôm thương mại) [9], phân hủy xúc tác quang (vật liệu BiVO4) [10], oxy hóa peroxit ướt (vật liệu Mn/Cu) [11], ozon hóa (O3) và ozon hóa xúc tác (aerogel carbon MnFe2O4) [12], Fenton và photo-Fenton (montmorillonite biến đổi sắt) [13], màng 2 (siêu lọc) [14], phân hủy sinh học (vi khuẩn Cedecea davisae) [15], xử lý sinh học (vi tảo) [16], trao đổi ion (nhựa terpolyme trao đổi cation) [17] và hấp phụ [18].
Hầu kết các nghiên cứu này vẫn tồn tại các bài toán cần phải cân đối như: tốc độ và thời gian xử lý, chi phí xử lý trên mỗi m3 nước thải, hóa chất tồn dư, chi phí đầu tư ban đầu cao và hạn chế khả năng ứng dụng thực tế. Vì vậy, các nghiên cứu mới cần được thúc đẩy để tìm ra các giải pháp tối ưu hơn và giải quyết được các tồn tại hiện nay của các công nghệ trên. Công nghệ oxy hóa nâng cao AOPs (advanced oxidation processes) được phát triển từ những năm 1987, đặt nền móng cho các nghiên cứu tiên tiến và là cơ sở để các nhà khoa học phát triển bằng việc kết hợp nhiều cơ chế, nhiều vật liệu nhằm tìm ra các giải pháp tối ưu nhất để ứng dụng thực tế [19]. Những hạn chế hiện nay là quy mô và khả năng thương mại hóa vẫn chưa cao.
Đa phần các công nghê sử dụng vật liệu làm chất xúc tác thường chế tạo bằng các chất hóa học nguyên chất, có độ tinh khiết cao vì khả năng dễ tổng hợp của chúng [20]. Nhận thức thấy, các dòng kim loại chuyển tiếp (Fe và Mn) khá dồi dào trong bùn thải nhà máy nước ngầm có thể tận dụng để chế tạo thành các dạng vật liệu xúc tác khi nồng độ trong bùn thải hợp lý. Ở Việt Nam, hiện có 4500 trạm cấp nước tập trung, công suất khoảng 10,9 triệu m3/ngày đêm (nước mặt chiếm 87%, nước ngầm chiếm 13%) [21]. Lượng bùn thải phát sinh từ nước ngầm có thể lên đến hàng triệu tấn/ngày hầu hết đều được đem đi chôn lấp.
Như vậy, nếu có thể tận dụng loại hình ô nhiễm này sẽ góp phần giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường rất lớn, đồng thời giảm thiểu sử dụng chất hóa học và phát sinh chất hóa học có hại trong các công trình xử lý. Hoạt chất oxy hóa PMS (peroxymonosulfate) và PDS (peroxydisulfate) có hoạt tính oxy hóa rất mạnh đặc biệt là trong nghiên cứu xử lý màu [22]. Ngoài ra, hai hóa chất trên có thể xử lý đa dạng các thành phần như: molefin halogen, BTEX (benzen, toluen, etylbenzen và xylen), hóa chất perflour hóa, phenol, dược phẩm, chất vô cơ và thuốc trừ sâu [23]. Các nghiên cứu trong và ngoài nước đều chỉ ra rằng hoạt lực oxy hóa của PMS và PDS là rất mạnh, có thể xử lý đa dạng phẩm nhuộm, phẩm màu phổ biến hiện nay trong thời gian ngắn.
Hoạt tính oxy hóa của (SO4) mạnh hơn so với OH, O, H2O nên việc nghiên cứu ứng dụng PMS và PDS kết hợp với vật liệu 3 xúc tác chứa các kim loại chuyển tiếp (ở dạng oxite hoặc hydroxite) để xử lý thành phần ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm là hoàn toàn hợp lý và mang tính khả quan cao [24]. Mục tiêu nghiên cứu Tìm ra giải pháp xử lý ô nhiễm màu và COD trong nước thải dệt nhuộm với vật liệu tái chế từ nguồn thải, giảm chi phí xử lý và ít ảnh hưởng đến môi trường dựa trên: - Tái sử dụng bùn thải nước ngầm chứa các dạng kim loại chuyển tiếp để chế tạo vật liệu có khả năng hấp phụ và xúc tác tốt. - Khảo sát trên cả 2 dạng phẩm màu hữu cơ phổ biến hiện nay (axit và bazơ) để đánh giá khả năng thích nghi của vật liệu. - Khảo sát vật liệu trên đa dạng nguồn thải (nước thải nhà máy) nhằm đánh giá phạm vi và khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu.
Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tập trung vào các nội dung chính sau đây: - Giai đoạn 1: Chế tạo và thử nghiệm vật liệu xúc tác oxite sắt là bùn nung (300ºC) kết hợp Peroxydisulfate (K2S2O8) trên nước thải dệt nhuộm tại một Cụm công nghiệp dệt may ở TP.HCM và phân tích các chỉ số tối ưu đặc trưng cho hệ. - Giai đoạn 2: Biến tính bùn nước ngầm sau nung chứa Fe với Mg (MgSO47H2O) thành vật liệu (Fe/Mg) kết hợp Peroxydisulfate (K2S2O8) trên giả thải Methyl blue (MB) và phân tích các chỉ số tối ưu đặc trưng cho hệ. - Giai đoạn 3: Vận hành mô hình xử lý ô nhiễm với vật liệu (Fe/Mg) kết hợp Peroxydisulfate (K2S2O8) dựa trên bộ thông số tối ưu cho đa dạng nguồn thải từ nhiều nhà máy dệt nhuộm khác nhau. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.
Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng nghiên cứu gồm có: - Nước thải dệt nhuộm của các nhà máy được thu thập, bùn thải từ nhà máy nước ngầm và các loại phẩm nhuộm hữu cơ theo nội dung nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ở mức độ quy mô phòng thí nghiệm. Địa điểm nghiên cứu: Phòng thí nghiệm Khoa Môi Trường Và Tài Nguyên, Đại Học Bách Khoa TP. HCM, cơ sở 2 (VRJ4+65C), Đông Hòa, Dĩ An, Bình Dương.
Thời gian bắt đầu thực hiện: 11/2022. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1. Tính mới của đề tài Thông qua quá trình tìm hiểu tài liệu và các công trình nghiên cứu trước đây, đề tài sẽ có các cải tiến như sau: - Nguyên liệu sử dụng chế tạo xúc tác lấy từ chất thải, cụ thể là bùn chứa Fe3+ thay cho hóa chất hoàn toàn mới. Mục đích giảm chi phí và mang ý nghĩa khuyến khích tái chế.
- Quy cách chế tạo vật liệu xúc tác ở dạng bột, đóng gói và bảo quản đơn giản, dễ vận chuyển và dễ ứng dụng. - Chất hoạt hóa là K2S2O8 thay cho các tác nhân hoạt hóa khác như: quang xúc tác, ozon, H2O2…, nhằm giảm kích thước và độc tính trong nước gây ảnh hưởng đến công trình vi sinh phía sau hoặc hệ thống vi sinh vật trong môi trường tự nhiên. - Đánh giá tổng quan hơn về các yếu tố ảnh hưởng bằng các thí nghiệm định tính và định lượng. Chuẩn hóa mô hình và đẩy mạnh việc ứng dụng một cách dễ dàng hơn vào thực tiễn.
Chuẩn hóa liều lượng và định lượng với các kết quả từ quá trình chạy thử nghiệm trên các dòng thải khác nhau. Ý nghĩa khoa học Từ các kết quả kỳ vọng có thể đạt được sẽ thúc đẩy quá trình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ cao vào lĩnh vực xử lý nước thải nói chung và nước thải dệt nhuộm nói riêng. Đồng thời, nghiên cứu cung cấp bộ các thông số và dữ liệu quan trọng làm tiền đề cho các nghiên cứu về sau khi tiến hành nghiên cứu kết hợp công nghệ xúc tác và oxy hóa nâng cao vào xử lý nước thải dệt nhuộm. Ý nghĩa thực tiễn Trên thực tế, nghiên cứu chỉ ra các mặt hạn chế và ưu điểm của một số công nghệ đang được áp dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm.
Từ các khuyến cáo và kết quả nghiên cứu sẽ có các ưu điểm sau: - Khuyến khích khả năng tái sử dụng chất thải và đặc biệt là bùn thải nếu quy mô sản xuất xúc tác số lượng lớn. - Nghiên cứu khả quan, khi áp dụng vào thực tế sẽ giảm thiểu chi phí xử lý và kích thước các công trình hiện tại. Đồng thời, giảm thiểu tác động đến môi trường khi độc tính của chất xúc tác ở mức thấp. 6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.
Ô nhiễm hữu cơ và màu phát sinh từ nước thải dệt nhuộm Trên thế giới, những quốc gia có kim ngạch phát triển của lĩnh vực dệt may đứng đầu là Trung Quốc, tiếp theo đó là Liên minh Châu Âu, Ấn Độ và Hoa Kỳ [25]. Các quốc gia và khu vực này cũng đang đối mặt với rất nhiều vấn đề liên quan bởi quá trình sản xuất. Tính chất đặc trưng của nước thải dệt nhuộm là: độ màu và pH cao, chất rắn lơ lửng (SS), nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) [6], kim loại nặng [6], nhiệt độ [7] và muối. Phân loại ô nhiễm theo pha thì có: chất thải rắn (sơ, vải và dẻ) và chất thải dạng lỏng (chất hữu cơ, vô cơ).
Phân loại theo đặc tính hóa học thì có: ô nhiễm hữu cơ (chất hữu cơ, chất trơ, phẩm nhuộm, hồ,…) và ô nhiễm vô cơ (tạp chất tự nhiên, muối kim loại,…).