Nghiên cứu tận dụng vỏ măng cụt làm chất hấp phụ xử lý nước thải nhuộm

Khám phá giải pháp xử lý nước thải nhuộm hiệu quả từ vỏ măng cụt. Nghiên cứu chế tạo chất hấp phụ, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Thủy
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Hà
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu tận dụng vỏ quả măng cụt để chế tạo chất hấp phụ ứng dụng trong xử lý nước thải nhuộm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nước thải nhuộm và vỏ măng cụt

Ngành dệt nhuộm là một trong những ngành công nghiệp quan trọng nhưng cũng gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Nước thải nhuộm chứa các chất nhuộm độc hại, kim loại nặng và các hóa chất hóa học phức tạp, gây ảnh hưởng lên chất lượng nước và các sinh vật thuỷ sinh. Phương pháp xử lý hiệu quả là vấn đề cấp bách. Vỏ măng cụt, một chất thải nông nghiệp phong phú, chứa tannin và các thành phần hữu cơ giàu carbon, có tiềm năng lớn trong việc chế tạo than hoạt tính. Việc tận dụng vỏ quả măng cụt không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm mà còn tạo giá trị kinh tế cao.

1.1. Tình trạng nước thải nhuộm hiện nay

Nước thải dệt nhuộm chứa nồng độ cao các chất nhuộm azo, chất hóa học độc hại, COD và BOD. Các công đoạn dệt, nhuộm, và hoàn tất phát sinh lượng nước thải khổng lồ. Ô nhiễm này ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái nước. Các giải pháp xử lý truyền thống có chi phí cao, nên cần tìm công nghệ bền vững và kinh tế.

1.2. Lợi ích của vỏ quả măng cụt

Vỏ măng cụt được thải bỏ hàng năm với lượng rất lớn. Chứa tannin, cellulose và lignin, vỏ măng cụt là nguyên liệu thô tuyệt vời để chế tạo chất hấp phụ hoạt tính. Chất này có khả năng hấp phụ những chất nhuộm trong nước, loại bỏ màu sắc hiệu quả.

II. Quy trình chế tạo than hoạt tính từ vỏ măng cụt

Than hoạt tính được chế tạo từ vỏ măng cụt thông qua hai phương pháp chính: AC1 và AC2. Quá trình bắt đầu bằng việc lựa chọn vỏ măng cụt tươi, rửa sạch và sấy khô. Sau đó, vật liệu được hoạt hóa bằng các tác nhân như axit phosphoric, nước muối, hoặc đốt nóng trong môi trường không khí. Phương pháp hoạt hóa hóa học (AC1) sử dụng chất hoạt hóa để tạo lỗ xốp, tăng diện tích bề mặt riêng. Phương pháp hoạt hóa vật lý (AC2) đốt nóng ở nhiệt độ cao để mở các lỗ xốp. Than hoạt tính cuối cùng có cấu trúc lỗ xốp phát triển, tăng khả năng hấp phụ đáng kể.

2.1. Phương pháp hoạt hóa AC1

Hoạt hóa hóa học sử dụng axit phosphoric hoặc natri nitrat. Vỏ măng cụt được ngâm trong dung dịch hoạt hóa, sau đó sấy và đốt ở nhiệt độ 400-600°C. Phương pháp này tạo ra lỗ xốp vi mô và trung bình, tăng diện tích bề mặt lên 800-1500 m²/g.

2.2. Phương pháp hoạt hóa AC2

Hoạt hóa vật lý đốt nóng vỏ măng cụt trong lò nóng ở 700-900°C trong môi trường hơi nước hoặc CO₂. Quá trình này làm mở các lỗ xốp hiện có, tạo cấu trúc xốp phát triển với khả năng hấp phụ cao.

III. Cơ chế hấp phụ màu từ nước thải nhuộm

Than hoạt tính từ vỏ măng cụt loại bỏ chất nhuộm từ nước thải thông qua quá trình hấp phụ vật lý. Chất nhuộm với kích thước phân tử nhỏ xâm nhập vào các lỗ xốp của than, bị giữ lại trên bề mặt do lực hấp dẫn van der Waals. Hiệu quả hấp phụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: pH của dung dịch, khối lượng than, thời gian tiếp xúc, nồng độ màu ban đầu, và nhiệt độ của hệ thống. Các nghiên cứu cho thấy điều kiện tối ưu là pH 4-6, thời gian 120-180 phút, nhiệt độ phòng, với tỷ lệ khối lượng than thích hợp. Mô hình Langmuir và mô hình Freundlich được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ này.

3.1. Ảnh hưởng của pH đến hấp phụ

pH dung dịch ảnh hưởng trực tiếp đến tính ionhóa của chất nhuộm và bề mặt than. Ở pH thấp (3-5), khả năng hấp phụ chất nhuộm anion tăng lên do bề mặt than được protonhóa. Ở pH cao, chất nhuộm cation hấp phụ tốt hơn. Điều kiện pH tối ưu là 4-6 cho hầu hết các chất nhuộm.

3.2. Động học hấp phụ

Quá trình hấp phụ chất nhuộm từ nước thải tuân theo hai mô hình: Langmuir mô tả hấp phụ đơn lớp trên bề mặt, và Freundlich mô tả hấp phụ đa lớp. Dung lượng hấp phụ cực đại (qmax) của than AC1 và AC2 đạt 90-120 mg/g, chứng tỏ hiệu quả xử lý cao.

IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng thực tế

Các nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Hà Nội cho thấy than hoạt tính từ vỏ măng cụt có khả năng loại bỏ 80-95% màu từ nước thải nhuộm dưới điều kiện tối ưu. Phân tích SEM cho thấy cấu trúc lỗ xốp phát triển tốt, diện tích bề mặt riêng đạt 1200-1400 m²/g theo phương pháp BET. Phổ FTIR xác nhận sự có mặt của các nhóm chức năng như carboxyl, hydroxyl, và carbonyl giúp hấp phụ chất nhuộm. Ứng dụng thực tế cho thấy công nghệ xử lý này kinh tế hiệu quả, chi phí thấp, thân thiện với môi trường. Có thể áp dụng quy mô công nghiệp để xử lý nước thải từ các nhà máy dệt nhuộm.

4.1. Hiệu quả xử lý nước thải

Với liều lượng 2-3 g/L than hoạt tính, khối lượng nước thải được xử lý trong 2-3 giờ đạt loại bỏ màu 85-95%. Kết quả phân tích COD giảm từ 800-1200 mg/L xuống còn 100-200 mg/L, đạt yêu cầu xả thải công nghiệp theo quy định Việt Nam.

4.2. Triển khai và phát triển bền vững

Công nghệ xử lý bằng vỏ măng cụt có chi phí sản xuất thấp, tận dụng chất thải nông nghiệp, không sinh phụ phẩm độc hại. Có thể phát triển quy trình tái sử dụng than để tăng hiệu quả kinh tế. Phù hợp với nhu cầu bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế tuần hoàn ở Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, cùng với tốc độ phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp, quá trình đô thị hóa, ô nhiễm môi trƣờng nói chung và ô nhiễm nƣớc thải nói riêng đang là vấn đề rất đƣợc quan tâm. Hiện nay, ngành công nghiệp dệt may là một trong những ngành công nghiệp phát triển đem lại lợi nhuận lớn cho nền kinh tế nƣớc ta. Công nghiệp dệt may phát triển thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của công nghiệp nhuộm. Bên cạnh doanh thu lớn mà ngành đem lại, công nghiệp dệt may nói chung và công nghiệp nhuộm nói riêng đang thải ra môi trƣờng một lƣợng chất thải khổng lồ làm ô nhiễm môi trƣờng và ảnh hƣởng xấu tới sức khỏe con ngƣời.

Tính đến năm 2018, Việt Nam có hơn 1500 doanh nghiệp dệt nhuộm với các quy mô khác nhau. Mỗi năm ngành sử dụng hàng nghìn tấn thuốc nhuộm khác nhau. Với thị hiếu của khách hàng ngày càng cao, đòi hỏi các cơ sở nhuộm phải sử dụng thuốc nhuộm ngày càng đa dạng và có tính bền màu cao. Điều này đồng nghĩa với các thành phần hữu cơ trong thuốc nhuộm càng phức tạp và khó phân hủy.

Đặc biệt hiệu suất sử dụng của các loại thuốc nhuộm chỉ đạt khoảng 70÷80%, cao nhất cũng chỉ đạt 95% nên một lƣợng lớn các hóa chất, thuốc nhuộm sẽ bị thải ra môi trƣờng. Mỗi năm ngành dệt nhuộm thải vào môi trƣờng khoảng 30÷40 triệu m3 nƣớc thải. Trong đó chỉ khoảng 10% lƣợng nƣớc thải đƣợc xử lý trƣớc khi thải ra môi trƣờng. Ngoài ra tỷ lệ lớn các cơ sở xử lý nƣớc thải nhƣng hệ thống xử lý chƣa hợp lý nên chất lƣợng nƣớc đầu ra không thỏa mãn tiêu chuẩn về BOD5, COD, độ màu.

Có nhiều biện pháp đã đƣợc nghiên cứu, áp dụng để xử lý nƣớc thải dệt nhuộm, trong đó có phƣơng pháp hấp phụ là một phƣơng pháp ƣu việt đƣợc lựa chọn do hiệu quả xử lý cao và vận hành đơn giản. Các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ tự nhiên rất đƣợc quan tâm, đầu tƣ nghiên cứu nhƣ than hoạt tính, nhựa trao đổi ion và zeolit từ các phế phụ phẩm nông nghiệp. Ƣu điểm các vật liệu này là khả năng hấp phụ lớn tuy nhiên do giá thành còn cao nên các vật liệu này chƣa đƣợc sử dụng rộng rãi cho mọi đối tƣợng thải. Vì vậy, để tìm ra một loại vật liệu vừa có khả năng hấp phụ vừa sẵn có để sử dụng rộng rãi cho nhiều đối tƣợng là việc làm cần thiết.

Tận dụng chất thải, đặc biệt là nguồn chất thải nông nghiệp vừa sẵn có vừa có giá thành thấp theo hƣớng tiếp cận ―Tài nguyên chất thải‖ là hƣớng đi góp phần giải quyết các vấn đề môi trƣờng và đem lại hiệu quả kinh tế. 1 Cây măng cụt khá phổ biến ở các nƣớc châu Á, đặc biệt là ở Thái Lan và Indonesia. Tổng sản lƣợng trái cây măng cụt ở Thái Lan đƣợc báo cáo là khoảng 100. Tại Malaysia, khoảng 29495 tấn măng cụt đƣợc tạo ra vào năm 2009 so với năm 2003 chỉ là 18747 tấn theo hệ mét.

Loại trái cây này đang đƣợc ngƣời trồng và xuất khẩu đánh giá cao trong thời gian gần đây. Vỏ quả măng cụt chiếm 65% khối lƣợng quả. Cần có biện pháp để xử lý lƣợng chất thải này để tránh gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng. Hiện nay, có rất nhiều các biện pháp để xử lý vỏ quả măng cụt.

Trong vỏ quả có chứa dẫn xuất mangostin, trong đó dẫn xuất α- mangostin chiếm hàm lƣợng cao nhất, chiếm khoảng 0,02 – 0,2% trọng lƣợng khô. Tiếp theo là β-mangostin và γ-mangostin, chiếm khoảng 0,016 – 0,07%. Hiện nay tách chiết các dẫn xuất mangostin từ vỏ quả măng cụt đã và đang đƣợc các nhà khoa học quan tâm nhờ các hoạt tính sinh học đặc biệt là hoạt tính chống ung thƣ, nhằm mục đích tìm ra hoạt chất có nguồn gốc tự nhiên làm thuốc hỗ trợ điều trị ung thƣ. Sau khi tách chiết, cũng có một lƣợng bã thải vỏ, cần có biện pháp xử lý bã thải.

Hàm lƣợng cacbon trong vở quả măng cụt cao, hàm lƣợng tro hợp lý cùng với hàm lƣợng chất vô cơ thấp trong vỏ quả măng cụt cho thấy tiềm năng sử dụng tiền chất này là tiêu chí quan trọng trong việc lựa chọn nguyên liệu sản xuất than hoạt tính Với mục đích góp phần vào hƣớng nghiên cứu này, luận văn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tận dụng vỏ quả măng cụt để chế tạo chất hấp phụ ứng dụng trong xử lý nước thải nhuộm” Với mục tiêu: - Xử lý tận dụng đƣợc chất thải vỏ quả măng cụt để chế tạo vật liệu hấp phụ và đánh giá đƣợc đặc tính của vật liệu - Khảo sát, đánh giá đƣợc hiệu quả xử lý màu trong nƣớc thải nhuộm của vật liệu chế tạo và khảo sát một số yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình Nội dung luận văn gồm: 1. Đánh giá tổng quan về chất thải vỏ quả măng cụt và nƣớc thải ngành dệt nhuộm, biện pháp hấp phụ trong xử lý nƣớc thải nhuộm 2. Chế tạo chất hấp phụ từ vỏ quả măng cụt và phân tích, đánh giá đặc tính của vật liệu bằng các phƣơng pháp SEM, BET, FTIR,. Đánh giá hiệu quả loại bỏ màu của vật liệu và ảnh hƣởng của một số yếu tố đến quá trình hấp phụ màu trong nƣớc thải nhuộm và nhƣ pH, khối lƣợng vật liệu, thời gian hấp phụ và nồng độ màu ban đầu.

Nghiên cứu động học, xác định dung lƣợng hấp phụ cực đại và hiệu suất hấp phụ ở điều kiện tối ƣu lựa chọn trong phạm vi nghiên cứu. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Ngành dệt nhuộm và nƣớc thải nhuộm 1. Giới thiệu chung về ngành dệt nhuộm Dệt nhuộm là một trong những ngành công nghiệp có lịch sử phát triển lâu dài ở Việt Nam.

Nó bắt nguồn từ nhu cầu lấy xơ, sợi làm quần áo che thân của con ngƣời. Trƣớc thế kỷ 19, khi hầu hết quần áo đƣợc tự may tại nhà hoặc đƣợc đặt riêng theo số đo cá nhân tại các hàng may, ngành dệt nhuộm tƣơng ứng đạt tới ngƣỡng quy mô hộ gia đình, phát triển hơn là quy mô làng nghề, phƣờng nghề với kỹ thuật sản xuất thủ công, dụng cụ sản xuất thô sơ, nguyên liệu sản xuất có nguồn gốc từ tự nhiên [19]. Lịch sử phát triển của ngành công nghiệp dệt may đƣợc xem là bắt đầu khi thành lập Nhà máy Dệt Nam Định năm 1987. Dù công nghệ sản xuất đƣợc đầu tƣ, cải tiến hiện đại hơn nhƣng chất thải trong quá trình sản xuất của ngành dệt nhuộm có ảnh hƣởng rất lớn đến môi trƣờng.

Chất thải của ngành dệt nhuộm đa dạng trải rộng từ khí thải, nƣớc thải và chất thải rắn. Bên cạnh yếu tố lƣu lƣợng thải lớn, chất thải của ngành dệt nhuộm còn rất đặc trƣng và khó phân hủy gây tác động không nhỏ tới môi trƣờng tiếp nhận, đặc biệt là quá trình xử lý màu và nhuộm vải. Theo World Bank 17 - 20% chất thải công nghiệp là từ quá trình này, đóng góp 72% chất thải độc hại vào nguồn nƣớc, trong đó 30% là chất thải vĩnh viễn [19]. Chất thải dệt nhuộm đặc biệt là nƣớc thải đang là vấn đề ô nhiễm môi trƣờng đƣợc đặc biệt quan tâm đối ngành dệt nhuộm.

Công nghệ dệt nhuộm Tùy theo quy mô của các nhà máy dệt nhuộm, tính chất của sợi nguyên liệu, tính chất của sợi sản phẩm, trình độ công nghệ mà công đoạn nhuộm và hoàn tất tại mỗi cơ sở, nhà máy có sự khác biệt nhiều hay ít. Quy trình sản xuất và dòng thải phát sinh đƣợc trình bày ở hình 1. Quy trình sản xuất và dòng thải phát sinh của ngành dệt nhuộm 5 1. Phân loại và sử dụng thuốc nhuộm Ngành công nghiệp sản xuất thuốc nhuộm đại diện cho một phần tƣơng đối nhỏ trong tổng thể các ngành công nghiệp hóa chất.

Trong sản xuất thuốc nhuộm trên toàn thế giới là gần 800. Khoảng 10-15% thuốc nhuộm tổng hợp bị mất đi trong các quá trình khác nhau của ngành dệt.000 thuốc nhuộm đƣợc sử dụng trong sản xuất dệt may, gần 70% là thuốc nhuộm azo có cấu trúc phức tạp và có bản chất tổng hợp [40]. 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) [1]. Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất: Phân loại theo cấu trúc hoá học: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm antraquinon, thuốc nhuộm inđizo, thuốc nhuộm phenazin, thuốc nhuộm triarylmetan, thuốc nhuộm phtaloxiamin.

Phân loại theo đặc tính áp dụng: thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lƣu hoá, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ cation, thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính [1]. Tình trạng ô nhiễm do nước thải dệt nhuộm Nguồn thải màu chủ yếu ra môi trƣờng liên quan đến việc thuốc nhuộm bị cạn kiệt hoàn toàn trên sợi dệt từ quy trình nhuộm dung dịch nƣớc và nhu cầu giảm lƣợng thuốc nhuộm tồn dƣ trong nƣớc thải dệt nhuộm đã trở thành mối quan tâm lớn trong những năm gần đây. Các ngành công nghiệp dệt may tạo ra một lƣợng lớn chất thải lỏng. Các chất thải dệt này chứa các hợp chất hữu cơ và vô cơ.

Trong quá trình nhuộm, không phải tất cả thuốc nhuộm đƣợc sử dụng cho vải đều cố định trên chúng và luôn có một phần thuốc nhuộm này không dính vào vải và bị trôi ra ngoài. Những thuốc nhuộm không cố định này đƣợc tìm thấy ở nồng độ cao trong nƣớc thải dệt nhuộm. Lƣợng nƣớc tiêu thụ và thải ra cũng khác nhau tùy thuộc vào loại vải đƣợc sản xuất. Hầu hết 0,08 - 0,15 m3 nƣớc đƣợc sử dụng để sản xuất 1 kg vải.

Ƣớc tính có khoảng 1.000 m3 nƣớc thoát ra sau khi xử lý khoảng 12 - 20 tấn hàng dệt mỗi ngày. Gần 200000 tấn thuốc nhuộm từ ngành dệt may bị thất thoát ra môi trƣờng thông qua đƣờng nƣớc thải hằng năm [35]. Những dòng nƣớc thải này 6 chứa nhiều thuốc nhuộm và hóa chất, một số không thể phân hủy sinh học và gây ung thƣ và là mối đe dọa lớn đối với sức khỏe và môi trƣờng. Cụ thể thành phần của nƣớc thải nhuộm đƣợc thể hiện tại bảng 1.