MỞ ĐẦU Công nghiệp dệt nhuộm là một trong những ngành lớn và lâu đời ở Việt Nam. Do đặc thù sản xuất, ngành công nghiệp này tiêu thụ một lượng rất lớn nước và cũng tạo ra một lượng nước thải công nghiệp dệt nhuộm tương ứng từ các bước khác nhau trong quá trình nhuộm màu và hoàn thiện sản xuất. Nước thải này có độ kiềm, độ màu và hàm lượng các chất hữu cơ, chất rắn độc hại rất cao do sử dụng rất nhiều loại hóa chất trong quy trình sản xuất. Ngoài ra một số thuốc nhuộm còn có tính chất độc hại khi chúng thâm nhập vào thức ăn, nguồn nước sinh hoạt, là tác nhân gây ung thư khi con người tiếp nhận các nguồn trên.
Ở mỗi quốc gia, trong đó có Việt Nam, việc xử lý các thành phần gây ô nhiễm này tới hàm lượng cho phép là điều bắt buộc trước khi nguồn nước thải được đưa trở lại tự nhiên. Để giải quyết vấn đề này có rất nhiều kỹ thuật khác nhau để làm sạch nguồn nước như hấp phụ, lắng đọng, thẩm thấu ngược, trao đổi ion, điện hóa, màng lọc, bốc hơi, oxi hóa [1,2]…vv. Trong đó, hấp phụ là một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi mang lại hiệu quả cao để loại bỏ các ion kim loại nặng, chất màu hữu cơ và các vi khuẩn gây bệnh từ nước. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ nano có giá thành thấp đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, trong đó phải kể đến lĩnh vực xử lý môi trường bị ô nhiễm.
Đã có nhiều công bố chỉ ra rằng chất lượng của nước được cải thiện bằng cách sử dụng các hạt nano, màng lọc nano [3,4], vv…. Nghiên cứu cho thấy [5], khi các hạt oxit sắt từ Fe3O4 có kích thước nhỏ hơn 30 nanomet thường có diện tích bề mặt lớn, thể hiện tính chất siêu thuận từ, có độ ổn định hóa học cao, dễ dàng tổng hợp, ít độc hại. Đây là những tính chất rất hữu ích trong việc tách các ion kim loại nặng, chất màu hữu cơ. Tuy nhiên, các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 dễ bị oxi hóa trong không khí và kết tụ lại trong hệ thống nước [6].
Do đó, việc chức năng hóa bề mặt của các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 để ổn định bề mặt là điều rất cần thiết. Các nghiên cứu chỉ ra rằng việc chức năng hóa bề mặt các hạt nano từ bằng cách nhóm chức hữu cơ như thiol, carboxymethyl-β-cyclodextrin, polyethylenimine, dendrimer, amino, axit salicylic [7,8] để xử lý môi trường nước thường cho hiệu quả hấp phụ các ion kim loại nặng và chất màu hữu cơ không cao, không mang lại hiệu quả về kinh tế. Để khắc phục nhược điểm này, các nhà nghiên cứu đã tìm cách kết hợp vật liệu nano 1 với than sinh học. Ưu điểm của than sinh học là vật liệu có giá thành thấp, với nguồn nguyên liệu ban đầu dồi dào có thể tận dụng từ các phế phẩm từ nông, công nghiệp.
Than sinh học có đặc điểm như: cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, có khả năng gắn kết với nhiều nhóm chức, thân thiện với môi trường, do đó có tiềm năng trong xử lý nguồn nước bị ô nhiễm. Đặc biệt, bằng cách kết hợp than sinh học với vật liệu nano như oxit sắt từ làm tăng khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng, chất màu hữu cơ và dễ dàng tái sử dụng bằng cách sử dụng một từ trường ngoài [9–11]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất thực hiện đề tài luận văn “Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4 - than sinh học để xử lý hấp phụ thuốc nhuộm màu”. Nội dung nghiên cứu - Chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano oxit sắt từ Fe3O4 - than sinh học bằng phương pháp biến đổi đồng kết tủa.
- Khảo sát ảnh hưởng của độ pH, nồng độ thuốc nhuộm màu (CV) ban đầu, khối lượng chất hấp phụ, thời gian hấp phụ đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ CV. - Nghiên cứu cơ chế và quá trình hấp phụ CV dựa trên mô hình khác nhau. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano oxit sắt từ Fe3O4 - than sinh học. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng (độ pH, nồng độ CV ban đầu, khối lượng chất hấp phụ, thời gian hấp phụ) đến khả năng hấp phụ CV.
- Nghiên cứu động học và nhiệt động học hấp phụ theo mô hình động học hấp phụ bậc nhất và bậc hai, mô hình Elovich; các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich, Temkin. Tình trạng ô nhiễm môi trường nước hiện nay Theo số liệu từ Bộ Tài nguyên và Môi trường, trong mấy năm gần đây bình quân mỗi năm cả nước tiêu thụ hơn 100.000 tấn hóa chất bảo vệ thực vật; phát sinh hơn 23 triệu tấn rác thải sinh hoạt, hơn 7 triệu tấn chất thải rắn công nghiệp, hơn 630.000 tấn chất thải nguy hại, trong khi việc xử lý chất thải, nước thải còn rất hạn chế. Đặc biệt, trên cả nước hiện có 283 khu công nghiệp với hơn 550.000m3 nước thải/ngày đêm; 615 cụm công nghiệp nhưng trong đó chỉ khoảng hơn 5% có hệ thống xử lý nước thải tập trung.000 cơ sở sản xuất trong đó có nhiều loại hình sản xuất ô nhiễm môi trường, công nghệ sản xuất lạc hậu. Bên cạnh đó, nước ta có hơn 5.000 doanh nghiệp khai thác khoáng sản, vật liệu xây dựng; hơn 4.500 cơ sở y tế hàng ngày phát sinh hơn 47 tấn chất thải nguy hại và 125.000 m3 nước thải y tế.
Cả nước hiện có 787 đô thị với 3.000 m3 nước thải ngày/đêm nhưng hầu hết chưa được xử lý. Đây là những con số thống kê cho thấy nguy cơ và hiện tượng ô nhiễm môi trường, đặc biệt là môi trường nước đang ở mức báo động. Bên cạnh đó nguồn nước còn bị ô nhiễm do sự phát triển mạnh mẽ của các làng nghề thủ công truyền thống. Làng nghề tại những vùng nông thôn Việt Nam rất phong phú và đa dạng như làng nghề làm chổi, làng nghề làm chiếu, làng nghề sản xuất những đặc sản.
hay được biết đến là nghề làm đẹp cho con người đã xuất hiện từ rất lâu đời với bề dày lịch sử thăng trầm đó là làng nghề dệt nhuộm tơ tằm. Đây là một trong những làng nghề có sản phẩm xuất khẩu ra nhiều nước trên thế giới. Bên cạnh sự phát triển không ngừng của những làng nghề thủ công nói chung và nghề dệt nhuộm nói riêng thì hiện trạng ô nhiễm nước thải tại những làng nghề, đặc biệt là nghề dệt nhuộm tại Việt Nam đang là một trong những vấn đề nhức nhối. Đặc thù của nghề dệt nhuộm là sử dụng rất nhiều nước, nước được sử dụng có chứa rất nhiều hóa chất và thuốc nhuộm nên thành phần các chất ô nhiễm trong nước thải làng nghề dệt nhuộm bao gồm: các tạp chất tự nhiên (tách ra từ sợi vải), chất bẩn, dầu, sáp, hợp chất chứa nitơ, pectin (trong quá trình nấu tẩy), chuội tơ và 3 các hóa chất (sử dụng trong quy trình xử lý vải như hồ tinh bột, NaOH, H2SO4, HCl, Na2CO3,) các loại thuốc nhuộm, chất tẩy giặt.
Khoảng 10 - 30% lượng thuốc nhuộm và hóa chất sử dụng bị thải ra ngoài cùng với nước thải. Nếu những chất này được xả trực tiếp ra nguồn tiếp nhận mà không được xử lý thì sẽ làm tăng pH của nước vì độ kiềm cao. Khi pH > 9 sẽ gây độc hại đối với thủy sinh gây ăn mòn các công trình thoát nước và hệ thống xử lý nước thải. Muối trung tính làm tăng hàm lượng tổng rắn.
Lượng thải lớn gây tác hại đối với đời sống thủy sinh do làm tăng áp suất thẩm thấu, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi của tế bào. Hồ tinh bột biến tính làm tăng BOD, COD của nguồn nước, gây tác hại đối với đời sống thủy sinh do làm giảm oxy hòa tan trong nguồn nước. Độ màu cao do lượng thuốc nhuộm dư đi vào nước thải gây màu cho dòng tiếp nhận, ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của các loài thủy sinh, ảnh hưởng xấu tới cảnh quan. Hàm lượng ô nhiễm các chất hữu cơ cao sẽ làm giảm oxy hòa tan trong nước ảnh hưởng tới sự sống của các loài thủy sinh.
Theo thống kê mỗi năm có đến 9000 người chết vì ô nhiễm nguồn nước, và phát hiện 100.000 trường hợp ung thư mỗi năm mà nguyên nhân chính là do sử dụng nguồn nước ô nhiễm. Sơ lược về thuốc nhuộm màu 1. Định nghĩa thuốc nhuộm màu Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trong những điều kiện quy định (tính gắn màu). Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp.
Hiện nay con người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp. Đặc điểm nổi bật của các loại thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất không bị phân hủy. Màu sắc của thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học. Một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu.
Nhóm mang màu là những nhóm có chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử π không cố định như: > C = C <; > C = N -; - N = N -; - NO2. Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận điện tử như: - NH2, - COOH, - SO3H, - OH …đóng vai trò tăng cường màu bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử. Phân loại thuốc nhuộm Thuốc nhuộm trực tiếp Thuốc nhuộm trực tiếp hay còn gọi là thuốc nhuộm tự bắt màu là những hợp chất màu hoà tan trong nước, có khả năng tự bắt màu vào một số vật liệu như: các tơ xenlulozơ, giấy .… nhờ các lực hấp phụ trong môi trường trung tính hoặc môi trường kiềm. Tuy nhiên, khi nhuộm màu đậm thì thuốc nhuộm trực tiếp không còn hiệu suất bắt màu cao, hơn nữa trong thành phần có chứa gốc azo (-N = N-), đây là loại hợp chất hữu cơ độc hại nên hiện nay loại thuốc này không còn được khuyến khích sử dụng nhiều.
Mặc dù vậy, do thuốc nhuộm trực tiếp dễ sử dụng và rẻ nên vẫn được đa số các cơ sở nhỏ lẻ từ các làng nghề truyền thống sử dụng để nhuộm các loại vải, sợi dễ bắt màu như tơ, lụa, cotton. Thuốc nhuộm axit Theo cấu tạo hoá học, thuốc nhuộm axit đều thuộc nhóm azo, một số là dẫn xuất của antraquinon, triarylmetan, xanten, azin và quinophtalic, một số có thể tạo phức với ion kim loại.