CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung thuốc nhuộm Thuốc nhuộm là thuật ngữ chung mô tả bất kỳ chất nào để thay đổi màu sắc của một vật thể bằng cách thay đổi độ truyền quang phổ của nó, hoặc độ phản xạ quang phổ của nó. Do đó, thuốc nhuộm được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp như thuộc da, thực phẩm, giấy và mỹ phẩm. Hầu hết tất cả hàng hóa sản xuất đều được nhuộm, từ hàng dệt, vật liệu tự nhiên và nhân tạo, vecni, sơn cho đến thực phẩm và mỹ phẩm.
Thuốc nhuộm đặc biệt thậm chí còn được sản xuất cho mục đích chụp ảnh, kỹ thuật laser hoặc chẩn đoán y tế, cũng như các lĩnh vực khác, dường như khác xa với công nghệ hóa học [1]. Theo nguồn gốc, thuốc nhuộm có thể chia thành hai loại là thuốc nhuộm từ nhiên và thuốc nhuộm tổng hợp. Thuốc nhuộm tự nhiên thường được chiết xuất từ thực vật nên thường không đáp ứng được nhu cầu của hoạt động công nghiệp ngày nay. Ngoài ra, việc sử dụng thuốc nhuộm tự nhiên cũng dễ dẫn đến vấn đề bị “phai màu” các màu nhuộm khá nhanh khi tiếp xúc với các chất tẩy hoặc ánh sáng.
Do đó thuốc nhuộm tổng hợp ngày càng được phát triển mạnh hơn và chiếm ưu thế, đặc biệt là trong ngành dệt may. Theo bản chất điện tích, thuốc nhuộm có thể chia thành 3 loại như Hình 1.1 là anion, cation và không ion. Thuốc nhuộm anion là thuốc nhuộm trực tiếp, có tính acid và tính bám màu vải tốt. Đây là những loại thuốc nhuộm có màu tươi sáng tuy nhiên có độ độc tính cao vì chúng có xu hướng không được xử lý được bằng xử lý nước thải thông thường.
Thuốc nhuộm không ion là thuốc nhuộm phân tán vì chúng không ion hóa trong môi trường nước. Thuốc nhuộm cation là một loại thuốc nhuộm có tính kiềm, có thể phân ly thành các ion mang điện tích dương trong dung dịch nước [2-4]. 1: Phân loại thuốc nhuộm 1. Ảnh hưởng thuốc nhuộm lên môi trường và con người Mặc dù thuốc nhuộm mang lại màu sắc sống động cho vải vóc, thực phẩm và các sản phẩm khác, tuy nhiên khi thuốc nhuộm thải vào nguồn nước dưới dạng chất thải công nghiệp nó sẽ gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sự an toàn của cuộc sống con người.
Nhờ vào đặc tính ổn định trong ánh sáng và không phân hủy sinh học cao, thuốc nhuộm có khả năng chống lại quá trình phân hủy sinh học và trở thành một trong những thành phần khó loại bỏ nhất khỏi của nước thải công nghiệp, đặc biệt là các ngành công nghiệp dệt may, nhuộm vải và thuộc da [5]. Đối với môi trường Khi thuốc nhuộm xâm nhập hệ sinh thái dưới nước sẽ dẫn đến những tác động tiêu cực đến hệ thực vật thủy sinh do sự hấp thụ và phản xạ ánh sáng mặt trời trong nước, cụ thể là ngăn cản ánh sáng đi vào trong nước. Hậu quả dẫn đến thay đổi về bản chất của hệ sinh thái dưới nước và giảm khả năng quang hợp của sinh vật thủy sinh. Sự hiện diện của thuốc nhuộm trong nước thải khiến nước thải có màu sắc cao, với độ pH thay đổi và mức độ cao về nhu cầu oxy sinh học (BOD), nhu cầu oxy hóa học 2 (COD), tổng lượng carbon hữu cơ (TOC), và chất rắn lơ lửng.
Những chất rắn lơ lửng này cản trở dòng nước qua mang của cá, ngăn cản sự trao đổi khí và có khả năng dẫn đến giảm tốc độ tăng trưởng hoặc đầu độc dẫn đến cái chết cho các loại cá tiếp xúc với nguồn nước thải nhuộm [6]. Hơn nữa, việc tiếp xúc lâu dài với nước thải nhuộm làm giảm khả năng hấp thụ dinh dưỡng của cá, dẫn đến hàm lượng protein, carbohydrate và lipid thấp hơn. Thuốc nhuộm azo có thể gây ra tác dụng gây đột biến gen ở cá trưởng thành gây tác động tiêu cực của tình trạng thiếu oxy lên hệ thống miễn dịch và phản ứng sinh lý, cá dễ mắc nhiều bệnh khác nhau [7]. 2: Ảnh hưởng ô nhiễm thuốc nhuộm trong nước đến các bộ phận của cá Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng ô nhiễm thuốc nhuộm sẽ ức chế sự phát triển của vi tảo và làm gián đoạn quá trình truyền năng lượng và chất dinh dưỡng trong hệ sinh thái dưới nước.
Cụ thể, độc tính của methylene blue (MB) đã được nghiên cứu trên vi tảo Spirulina platensis và Chlorella Vulgaris cho kết quả sự giảm tốc độ tăng trưởng, protein và hàm lượng sắc tố cụ thể đối với các nồng độ khác nhau của thuốc nhuộm MB. Ngoài ra, MB ức chế sự tổng hợp chất diệp lục sau khi tiếp xúc với thuốc nhuộm và tốc độ quang hợp [8]. Đối với con người Thuốc nhuộm dệt có độc tính cao và có khả năng gây ung thư, có liên quan đến nhiều loại bệnh ở người. Thuốc nhuộm dệt có thể gây ra các bệnh từ viêm da đến các vấn đề về hệ thần kinh trung ương.
Do việc sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm, chúng có thể được phát hiện trong môi trường và tích lũy sinh lý dọc theo chuỗi thức ăn ở hệ thực vật nước ngọt như cá và tảo. Mức độ độc hại của các hợp chất hữu cơ ở người cao hơn 1000 lần so với nồng độ ban đầu của chúng trong nước. Trong quá trình xử lý nước, clo phản ứng với các hợp chất hữu cơ tạo thành trihalomethanes, là sản phẩm phụ để loại bỏ các vi sinh vật gây hại. Tuy nhiên, việc tiếp xúc lâu dài với các hợp chất này có hại cho sức khỏe con người, bao gồm ung thư bàng quang, ung thư ruột kết và ung thư đại trực tràng [9].
Các công nhân ngành dệt may tiếp xúc với các thuốc nhuộm độc hại tiềm tàng có thể cản trở quá trình rụng trứng và sinh tinh. Do được sử dụng rộng rãi trong ngành dệt, giấy và da, thuốc nhuộm azo có nguồn gốc từ benzidine và các dẫn xuất của nó đã được nghiên cứu kỹ lưỡng về độc tính của chúng, có liên quan đến ung thư bàng quang ở người. Ở động vật có vú, hệ vi sinh vật đường ruột chuyển hóa thuốc nhuộm azo thành các amin của chúng, dễ dàng được ruột hấp thụ hiện diện trong nước tiểu của người và động vật đã được ghi nhận. Các loại thuốc nhuộm dệt như Reactive Green 19, Disperse Red 1 và Reactive Blue 2 đều được ghi nhận có tác dụng gây độc gen lâu dài với sức khỏe con người [10-12].
Phương pháp xử lý thuốc nhuộm Như đã đề cập ở trên, thuốc nhuộm tổng hợp được sản xuất ngày càng nhiều để đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của các ngành công nghiệp khác nhau như ngành thuộc da, giấy cũng như dệt may vì đặc tính tạo màu của nó. Người ta ước tính rằng 700.000 tấn thuốc nhuộm khác nhau từ khoảng 100.000 loại thuốc nhuộm thương mại được sản xuất mỗi năm [13]. 3: Phần trăm nước thải nhuộm từ các ngành công nghiệp khác nhau Thông thường, một khi thuốc nhuộm đã hoàn thành vai trò của chúng trong sản xuất, hầu hết chúng sẽ bị loại bỏ mà không được xử lý thêm vào các vùng nước trong môi trường. Có thể kể đến năm ngành công nghiệp chính được thể hiện trong Hình 1.3 là nguyên nhân gây ra sự hiện diện của nước thải thuốc nhuộm trong môi trường.
Ngành dệt may chiếm tỉ lệ cao nhất với 54% lượng nước thải nhuộm của toàn thế giới. Ngành công nghiệp nhuộm (21%), công nghiệp giấy và bột giấy (10%), công nghiệp thuộc da và sơn (8%) và ngành sản xuất thuốc nhuộm (7%) cũng được biết là sản xuất lượng lớn nước thải thuốc nhuộm từ các quá trình liên quan khác nhau [14]. Hiện chưa xác định chính xác lượng nước thải thuốc nhuộm mà mỗi ngành công nghiệp thải ra môi trường nhưng có thể nói rằng con số này khá lớn và gây ra những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng môi trường [15]. Do đó vấn đề xử lý nước thải có thuốc nhuộm là một vấn đề cấp thiết được quan tâm nghiên cứu ứng dụng vào thực tế.
Hầu hết các kỹ thuật hiện nay được sử dụng để loại bỏ thuốc nhuộm trong nước được chia làm 3 phương pháp chính bao gồm Phương pháp vật lý (bao gồm quá trình hấp phụ sử dụng chất hấp phụ tự nhiên, chất hấp phụ nông nghiệp và công nghiệp, chất hoạt động bề mặt.) Phương pháp hóa học (bao gồm phương pháp oxy hóa nâng cao sử dụng thuốc thử Fenton, hydrogen peroxide, ozon hóa, phương pháp chiết bằng dung môi, keo tụ điện, .) Phương pháp sinh học (bao gồm sử dụng tảo, vi khuẩn và các loài nấm) 5 1. Phương pháp sinh học Xử lý sinh học là phương pháp được sử dụng hầu hết ở nhiều nước để loại bỏ chất màu, đây là một quá trình sử dụng vi sinh vật như tảo, nấm cũng như vi khuẩn để loại bỏ chất màu trong nước. Xử lý sinh học được coi là phương pháp tốt nhất do khả năng phân hủy các loại thuốc nhuộm khác nhau, ít tích tụ bùn vô hại và là phương pháp xử lý nước thải dệt may hiệu quả và an toàn hơn. Quá trình xử lý sinh học được thực hiện bởi nhiều loại vi sinh vật như tảo, nấm và vi khuẩn [16].
1: Các chủng vi khuẩn, nấm, tảo trong phương pháp xử lý Malachite green Malachite green Vi khuẩn Kurthia sp. 96% Pseudomonas putida 91% Aeromanas hydrophila 87% P.plecolpssicida 50% Lysinibacillus fussiformis 77% P.Montelli 18% Nấm Isehnodermaresinosum 96% Fusarium solani 96% Aspergolus flavus >96% Alternaria salani >96% Tảo Chkorella sp. 87% Ngòa ra, là một trong những loại vi sinh vật, tảo cũng đã được thử nghiệm làm chất hấp phụ sinh học để loại bỏ thuốc nhuộm. Một số loài tảo đã được thử nghiệm để thực hiện xử lý khử màu sinh học cho thuốc nhuộm là Chlorella sp.
và Euglena sp. đã được thử nghiệm làm chất hấp phụ sinh học để loại bỏ thuốc nhuộm Malachite green (MG) và cho thấy hiệu suất loại bỏ lần lượt là 92%, 91% và 87% như 6 Bảng 1.1, thể hiện hiệu quả loại bỏ của một số thuốc nhuộm mục tiêu khi sử dụng các loài vi khuẩn khác nhau, tảo và nấm [17]. Mặc dù phương pháp sinh học không gây ô nhiễm thứ cấp, chi phí vận hành rẻ, ổn định, khá hiệu quả, tận dụng được nguồn vi sinh vật trong nước thải, cho sản phẩm cuối hoàn toàn thân thiện với môi trường [18]. Nhưng, phương pháp này cần thời gian xử lý dài, lượng bùn thải được tạo ra chưa có các biện pháp xử lý hữu hiệu.
Đối với phương pháp hiếu khí, quá trình loại bỏ chất hữu cơ sử dụng 1 kg khí oxygen sẽ tạo ra 0.5 kg bùn thải, và tương tự đối với phương pháp yếm khí là 0.
