Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát
Nghiên cứu về nước thải từ ngành công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ nhằm nâng cao chất lượng môi trường nước, bảo vệ hệ sinh thái và thúc đẩy phát triển bền vững Đề xuất quy trình công nghệ cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp, tập trung vào việc xử lý ô nhiễm kim loại nặng và màu.
Mục tiêu cụ thể
- Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học từ cây Muồng Hoàng Yến (MHY)
- Phát triển vật liệu keo tụ sinh học với nano từ tính
- Tối ưu hóa quá trình loại bỏ màu (trong nước thải dệt nhuộm) và kim loại nặng (trong nước thải xi mạ) ra khỏi nước thải.
Nội dung nghiên cứu
(1) Chế tạo vật liệu keo tụ sinh học từ hạt MHY từ đó phát triển vật liệu keo tụ sinh học kết hợp với nano từ tính
+ Trích ly vật liệu keo tụ sinh học từ hạt MHY
+ Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu
+ Chế tạo vật liệu nano từ tính kết hợp với chất keo tụ sinh học MHY
+ Nghiên cứu cấu trúc vật liệu mới
(2) Nghiên cứu loại bỏ màu trong nước thải dệt nhuộm
+ Nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện keo tụ (pH, lượng vật liệu sử dụng) trong quy mô phòng thí nghiệm
+ Nghiên cứu hiệu quả loại bỏ màu trên mô hình pilot công suất 30 lít
+ Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu nano từ tính kết hợp với vật liệu sinh học MHY
+ Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất quy trình cho áp dụng vào thực tiễn
(3) Nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng (Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ ) trong nước thải xi mạ
+ Nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện keo tụ (pH, lượng vật liệu sử dụng) trong quy mô phòng thí nghiệm
+ Nghiên cứu hiệu quả loại bỏ kim loại nặng trên thiết bị pilot công suất 30 lít
+ Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu nano từ tính kết hợp với vật liệu sinh học MHY
+ Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất quy trình cho áp dụng thực tiễn.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
- Vật liệu keo tụ sinh học thân thiện môi trường
- Vật liệu nano từ tính kết hợp với vật liệu sinh học có khả năng thu hồi và tái sử dụng
- Thành phần màu và kim loại nặng trong nước thải công nghiệp.
Phạm vi nghiên cứu
- Vật liệu sinh học: Biogum ly trích từ hạt MHY được lấy tại Bình Dương
- Thí nghiệm được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm và trên mô hình pilot công suất 30 lít
Nước thải dệt nhuộm giả định chứa hai loại màu thương mại là Reactive red 3 BS (RR) Nguồn nước thải thực tế được thu thập từ một nhà máy tại Bình Dương.
- Nước thải xi mạ giả định gồm Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ Nước thải xi mạ thực tế được lấy từ nhà máy tại Bình Dương
Nghiên cứu và phân tích đã được tiến hành tại Trường Đại học Thủ Dầu Một, Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh và Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
- Kết quả nghiên cứu là nguồn số liệu khoa học trong nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới trong xử lý nước và nước thải công nghiệp
- Công trình nghiên cứu là các số liệu khoa học cơ bản sử dụng cho giảng dạy và nghiên cứu các đề tài tương tự
- Kết quả có thể dùng tham khảo cho các nhà máy có thành phần và tính chất ô nhiễm tương tự.
Ý nghĩa thực tiễn
Luận án này cung cấp thông tin khoa học quan trọng về việc cải thiện chất lượng nước thải từ các ngành công nghiệp ô nhiễm kim loại nặng và ô nhiễm màu Kết quả nghiên cứu khuyến khích việc sử dụng vật liệu sinh học, không chỉ giúp nâng cao chất lượng môi trường nước thải mà còn thân thiện với môi trường và có khả năng tái sử dụng, từ đó góp phần tạo ra một hệ sinh thái bền vững.
TỔNG QUAN
Tổng quan về keo tụ
Bản chất của các hạt keo trong nước
Hạt keo có kích thước rất nhỏ, dao động từ 0,001 μm đến 10 μm, với tỉ lệ khối lượng và diện tích bề mặt rất thấp, khiến diện tích bề mặt có ảnh hưởng lớn hơn trọng lực Do có diện tích bề mặt lớn và mang điện tích, hạt keo có xu hướng hấp thụ ion từ môi trường xung quanh Sự ổn định của hạt keo chủ yếu phụ thuộc vào điện tích bề mặt, được hình thành từ thành phần hóa học của nước thải và các hạt keo theo nhiều cách khác nhau (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014).
Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) cho rằng các hạt cặn trong nước có thể mang điện tích âm hoặc dương tùy thuộc vào nguồn gốc xuất xứ Khi thế cân bằng điện động của nước bị phá vỡ, các thành phần mang điện tích kết dính với nhau nhờ lực liên kết phân tử và lực điện từ, tạo thành tổ hợp nguyên tử, phân tử hoặc ion tự do, được gọi là hạt keo.
Theo Trịnh Xuân Lai và Nguyễn Trọng Dương (2005), hạt keo trong nước có thể chia thành keo kỵ nước và keo háo nước Keo kỵ nước không chứa nước và dễ mất ổn định khi tiếp xúc với ion của chất điện ly, đóng vai trò quan trọng trong công nghệ xử lý nước và nước thải Ngược lại, keo háo nước luôn giữ nước, làm giảm hiệu quả của keo tụ và cần xử lý đặc biệt Keo kỵ nước hình thành từ quá trình thủy phân các chất xúc tác như phèn nhôm và phèn sắt, tạo thành khối đồng nhất với điện tích bề mặt lớn, có khả năng hấp phụ ion tương tự Tuy nhiên, lớp ion ngoài cùng thường không đủ điện tích để trung hòa với lớp bên trong, dẫn đến việc hạt keo thu hút ion trái dấu để cân bằng điện tích Do chuyển động Brown, lớp ion khuếch tán không đồng nhất với hạt keo, khiến hạt keo luôn mang điện tích trong nước.
Cơ chế của quá trình keo tụ
Nghiên cứu của Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga (2006) chỉ ra rằng quá trình keo tụ tạo bông liên quan đến việc phá vỡ sự ổn định của các hạt keo thông qua việc trung hòa điện tích Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc vào hóa trị của ion, với chất keo tụ mang điện tích trái dấu so với hạt keo Càng có hóa trị lớn, hiệu quả keo tụ càng tăng cao.
Cơ chế làm mất ổn định và trung hòa điện tích bề mặt của các hạt keo chủ yếu do các hoạt chất trung gian sinh ra trong quá trình thủy phân của các chất keo tụ Theo nghiên cứu của Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân (2014), trích dẫn từ tài liệu của Wang et al (2005), quá trình này có thể diễn ra theo 4 cơ chế chính.
Giảm độ dày 2 lớp điện tích của hạt keo có thể đạt được bằng cách thêm chất điện phân nồng độ cao vào nước thải, dẫn đến sự phân ly và tạo ra các ion Các ion trái dấu sẽ xâm nhập vào khu vực ion phân tán, làm giảm hoặc thậm chí mất điện tích tại đây Kết quả là, các hạt keo mất lực đẩy và có khả năng tiến lại gần nhau, kết tụ lại thành các bông cặn.
Hấp phụ và trung hòa điện tích bề mặt của hạt keo: các ion dương trái dấu bị hấp
Hạt keo mang điện tích âm sẽ bị trung hòa, dẫn đến giảm hoặc mất lực đẩy tĩnh điện, làm phá vỡ trạng thái bền vững của chúng Tuy nhiên, khi sử dụng với liều lượng vượt mức cần thiết, điện tích bề mặt của các hạt keo có thể bị đảo ngược, giúp các hạt keo trở về trạng thái ổn định.
Khi cho chất keo tụ vào nước thải, các hạt keo và chất kết tủa được hình thành với độ hòa tan kém, độ nhờn cao và tỉ trọng lớn hơn nước Những chất này sẽ lắng xuống chậm, trong quá trình lắng, chúng kết dính các hạt keo, giúp loại bỏ chúng khỏi nước thải.
Hấp phụ và tạo cầu nối giữa các hạt keo là quá trình mà các chất cao phân tử (Polymer) có cấu trúc mạch dài và nhóm chức giữ các hạt keo lại, hình thành các cầu nối liên kết giữa chúng Điều này làm giảm tính ổn định của hạt keo Tuy nhiên, việc sử dụng Polymer quá liều có thể dẫn đến việc các hạt keo trở lại trạng thái ổn định.
Các phương pháp keo tụ
Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Thu Thủy (2006), trong công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp keo tụ, các chất điện ly đơn giản thường được sử dụng để thực hiện quá trình này.
Phương pháp này liên quan đến việc hòa tan các chất điện ly dưới dạng ion đơn giản có dấu hiệu ngược Khi nồng độ các ion ngược dấu gia tăng, nhiều ion sẽ được chuyển từ lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép, dẫn đến việc giảm điện thế zeta và đồng thời làm giảm lực đẩy tĩnh điện.
Chuyển động Brown làm cho các hạt keo có điện tích nhỏ dễ dàng kết dính với nhau thông qua lực hút phân tử Van der Waals, dẫn đến việc hình thành các bông cặn lớn hơn Khi kích thước của bông cặn đạt khoảng 1 µm, chuyển động Brown không còn tác dụng Để tăng kích thước của bông cặn, cần thực hiện khuấy trộn để các bông cặn xích lại gần nhau hơn Keo tụ có thể xảy ra bằng hệ keo ngược dấu.
Trong quá trình xử lý nước, muối nhôm hoặc sắt hóa trị 3 (phèn nhôm hoặc phèn sắt) được sử dụng làm chất keo tụ Những muối này được hòa tan vào nước, phân ly thành các cation và anion, góp phần cải thiện chất lượng nước.
FeCl 3 Fe 3+ + 3Cl - Nhờ hóa trị cao của các ion kim loại, chúng có khả năng ngậm nước tạo thành phức chất Me(H2O)6 3+
Me 3+ có thể là Al 3+ hoặc Fe 3+, và tùy thuộc vào pH cũng như điều kiện của quá trình, các hydroxit nhôm hoặc sắt sẽ được hình thành Những hợp chất này đều mang điện dương và có khả năng tạo bông keo tụ cao nhờ vào hoạt tính bề mặt lớn Khi các bông keo này lắng xuống, chúng sẽ hấp thụ và cuốn theo các hạt keo, cặn bẩn, chất hữu cơ, cũng như các chất gây mùi vị có trong nước.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ và tạo bông cặn
Quá trình keo tụ và tạo bông cặn chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố quan trọng Theo nghiên cứu của Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân (2014), trích dẫn từ tài liệu của Wang et al (2005), một trong những yếu tố chính là mật độ hạt keo.
Tổng quan về nước thải dệt nhuộm
Hiện trạng nước thải dệt nhuộm
Ngành dệt nhuộm đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam và đã có nhiều biến đổi tích cực trong những năm gần đây Sự phát triển của đất nước đã dẫn đến sự ra đời của nhiều xí nghiệp mới bên cạnh các nhà máy quốc doanh Tuy nhiên, ngành này cũng phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường do việc sử dụng hóa chất lớn trong quy trình sản xuất Mặc dù đã xuất hiện nhiều nhà máy áp dụng công nghệ hiện đại nhằm giảm thiểu ô nhiễm, nhưng vẫn còn tồn tại các sản phẩm phụ từ xử lý nước thải có khả năng gây ô nhiễm thứ cấp, ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người.
Hiện nay, môi trường nước đang phải đối mặt với ba loại ô nhiễm chính: ô nhiễm kim loại nặng, ô nhiễm màu và ô nhiễm hữu cơ Nước thải chưa xử lý từ các nhà máy chứa nhiều chất độc hại, gây ô nhiễm cho đất và nước, đồng thời ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng không khí xung quanh Điều này làm thay đổi tính chất vật lý, hóa học và sinh học của môi trường nước và đất theo hướng ngày càng xấu Do đó, các nhà khoa học và quản lý cần tìm kiếm giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng môi trường tiếp nhận trong tương lai.
Hai nguồn ô nhiễm màu chính là công nghiệp dệt may và công nghiệp nhuộm
Nước thải từ ngành công nghiệp dệt nhuộm chứa nhiều màu sắc và khó xử lý do các phân tử thuốc nhuộm tổng hợp phức tạp, bền với vi khuẩn và ánh sáng Những hợp chất hữu cơ này, được sử dụng để nhuộm vải, giấy, nhựa và sơn, thường không phân hủy sinh học và có độ độc cao Trong quá trình nhuộm, nồng độ thuốc nhuộm có thể dao động từ 10 - 200 mg/L, với 10 - 15% thuốc nhuộm không bám vào vật liệu và tồn tại trong nước thải (Kumar, 2012; Bell et al., 2000).
Nước thải dệt nhuộm, theo nghiên cứu của Demirer et al (2003), là sự kết hợp của nước thải từ các công đoạn như hồ sợi, nấu tẩy, tẩy trắng, làm bóng sợi, nhuộm in và hoàn tất Thành phần của nước thải này không ổn định và có sự thay đổi tùy thuộc vào từng nhà máy, loại vải, cũng như môi trường nhuộm có thể là axit, kiềm hoặc trung tính Nghiên cứu của Yuan Yu-Li et al (2006) và Thitame et al cũng đã chỉ ra những biến đổi này trong quy trình dệt nhuộm.
Nước thải dệt nhuộm chủ yếu chứa các hợp chất như dẫn xuất phenol, dẫn xuất anilin, axit hữu cơ và các dẫn xuất benzen Mức độ ô nhiễm trong nước thải này phụ thuộc vào công nghệ nhuộm được sử dụng.
Trong quá trình sản xuất, nhiều hóa chất độc hại như phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, và chất điện ly được sử dụng, dẫn đến việc hiệu quả hấp phụ thuốc nhuộm chỉ đạt 60-70% Các phẩm nhuộm thừa, tồn tại dưới dạng nguyên thủy hoặc phân hủy, thường chứa các ion kim loại nặng, gây nguy hại cho môi trường (Kumar, 2017; Unlu et al., 2009; Ahmad et al., 2002).
Nước thải chưa được xử lý hoặc xử lý không đạt tiêu chuẩn có thể gây hại nghiêm trọng đến môi trường, giết chết vi sinh vật có lợi, cá và động vật dưới nước Các chất độc trong nước thải có khả năng thấm vào đất, tồn tại lâu dài và ảnh hưởng đến nguồn nước ngầm, từ đó tác động đến đời sống con người Đặc biệt, nước thải dệt nhuộm thường có độ màu cao và nhiệt độ lớn, do đó cần được xử lý triệt để trước khi thải ra môi trường (Hussein, 2013).
Bảng 1.2: Một số thành phần ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm
Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả
Nước thải hoạt tính Nước thải sunfua Nước thải tẩy pH 10 - 11 >11 >12
Màu mg/l 7000 - 50000 10000 - 50000 500 - 2000 Độ đục FAU 140 - 1500 8000 - 200000 1000 - 5000
Việc xử lý nước thải dệt nhuộm đòi hỏi lựa chọn phương pháp phù hợp dựa trên nhiều yếu tố như lượng nước thải, đặc tính nước thải và quy chuẩn xả thải Thông thường, công nghệ xử lý kết hợp nhiều phương pháp như cơ học, sinh học, hóa lý và hóa học Nghiên cứu trước đây cho thấy keo tụ bằng phèn nhôm có khả năng khử màu hiệu quả từ 50 - 90%, đặc biệt hiệu quả với thuốc nhuộm sunfua (Trịnh Xuân Lai, 2011).
Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm thường gây ra màu sắc, COD cao và chứa kim loại nặng Để xử lý ô nhiễm này, các phương pháp phổ biến bao gồm hóa lý, hóa học và sinh học, nhằm cải thiện chất lượng nước hiệu quả.
Một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm
Có nhiều phương pháp hóa học, sinh học và hóa lý được áp dụng để cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp, bao gồm keo tụ, hấp phụ, lọc cát, kết tủa hóa học, ozon hóa, phân hủy bằng vi khuẩn kị khí và hiếu khí, tách màng, điện hóa, lọc, tuyển nổi và xúc tác peroxit Mỗi loại nước thải có thành phần và tính chất khác nhau, do đó cần có giải pháp xử lý phù hợp Đối với nước thải công nghiệp dệt nhuộm, nghiên cứu cho thấy thành phần tính chất nước thải quyết định phương pháp xử lý, trong đó hai công nghệ chính được sử dụng để loại bỏ màu là oxy hóa và hấp phụ.
Xử lý nước thải dệt nhuộm chủ yếu tập trung vào việc giảm độ màu, với nhiều kỹ thuật hóa lý, hóa học và sinh học được áp dụng Hiện nay, phương pháp vật lý và hóa học là hai phương pháp chính được sử dụng để xử lý loại nước thải này (Ahmad et al., 2002) Các kỹ thuật thường gặp bao gồm màng lọc (Verma et al.).
2012), hấp phụ, trao đổi ion, oxy hóa nâng cao (Al-Kdasi et al., 2004; Rachakornkij et al.,
Năm 2004, các kỹ thuật sinh học đã được áp dụng để phân hủy chất thải, sử dụng nấm và vi khuẩn trong các điều kiện hiếu khí, yếm khí, hoặc kết hợp cả hai quá trình xử lý này.
Lê Hùng, 2009) a) Phương pháp hóa lý
Để cải thiện chất lượng nước thải, các phương pháp xử lý sẽ phụ thuộc vào thành phần và tính chất của nước thải Phương pháp hóa lý, bao gồm lọc màng và hấp phụ, thường được sử dụng phổ biến để xử lý các loại ô nhiễm vô cơ và hữu cơ cao (Archna et al., 2012).
Phương pháp lọc màng bao gồm các kỹ thuật như thẩm thấu ngược, màng lọc nano, màng siêu lọc và màng vi lọc, có khả năng tách biệt các thành phần như phân tử hữu cơ và ion vô cơ dựa trên kích thước phân tử Nghiên cứu của Wu et al (1998) chỉ ra rằng khi kết hợp lọc màng với quá trình ozon hóa trong xử lý nước thải dệt nhuộm, có chứa màu nhuộm hoạt tính, muối NaCl và kim loại Cu 2+, có thể đạt được hiệu quả loại bỏ lên đến 99% màu và ion.
Giải pháp hấp phụ sử dụng tác nhân keo tụ để hình thành bông cặn với màu nhuộm nhờ lực hút van der Waals, liên kết hidro và tương tác lưỡng cực Hấp phụ là hiện tượng xảy ra trên bề mặt mà không có phản ứng hóa học, do đó lực hấp phụ yếu và có tính thuận nghịch (Grande et al., 2015) Nghiên cứu của Jain et al (2010) cho thấy, khi tăng lượng chất hấp phụ cacbon hoạt tính từ 0,1 - 0,5 g/L, hiệu quả loại bỏ màu tăng, nhưng giảm dần khi vượt quá 0,5 - 0,6 g/L Đồng thời, nồng độ màu đầu vào tăng cũng làm tăng hiệu suất loại màu lên tới 82,60%.
Tổng quan về nước thải xi mạ
Hiện trạng nước thải xi mạ
Ngành công nghiệp xi mạ đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, đặc biệt tại Việt Nam, nơi các ngành công nghiệp phụ trợ đang được đầu tư chú trọng Trong số đó, ngành gia công và sơn kim loại, hay còn gọi là công nghiệp xi mạ, đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế.
Mạ điện bằng quá trình điện hóa cực catot là phương pháp phổ biến nhất hiện nay, trong đó catot là bề mặt kim loại và anot là dung dịch mạ chứa các ion kim loại Quá trình này diễn ra trong bình điện phân với nguồn điện một chiều từ bên ngoài Các ion kim loại tham gia phản ứng catot và được khử điện hóa, tạo thành kim loại điện kết tủa trên bề mặt cần xử lý.
Mạ hóa học là phương pháp khử hóa học, trong đó ion kim loại được chuyển đổi thành kim loại từ dung dịch muối thông qua các chất khử Các chất khử này cung cấp điện tử cần thiết cho quá trình khử, ví dụ như trong mạ niken, natri hypophosphit được sử dụng làm tác nhân khử (Trịnh Thị Thanh, 2000).
Số điện tử (e) hình thành sẽ tham gia phản ứng: Ni 2+ + 2e Ni; niken (Ni) và đồng (Cu) thường là 2 kim loại được sử dụng trong kĩ thuật mạ này
Mạ nhúng nóng là quy trình trong đó vật liệu được mạ được đưa qua bể chứa kim loại nguyên chất, được nung chảy ở nhiệt độ cao, tạo ra lớp kim loại mạ bám chắc trên bề mặt vật liệu.
Công nghiệp xi mạ phân ra các loại mạ tùy theo kim loại được mạ:
Mạ Crom (Cr 2+) được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô, chế tạo chi tiết máy, dụng cụ y tế và phụ tùng máy móc Lớp mạ này nổi bật với tính ổn định hóa học, độ bền cao, bề mặt đẹp và khả năng phản xạ ánh sáng tốt, mang lại hiệu quả vượt trội cho các sản phẩm sử dụng.
Mạ kẽm là phương pháp phổ biến để bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn, thường được gọi là mạ bảo vệ Lớp mạ này có tính đàn hồi tốt, tuy nhiên độ cứng không cao và độ bóng kém, dễ bị hình thành các vết xước.
Có hai loại dung dịch mạ kẽm: dung dịch có chứa cyanua (-CN) và dung dịch không chứa cyanua Việc sử dụng muối cacbonat trong quá trình này cần được thực hiện một cách nhanh chóng để đảm bảo hiệu quả (Trịnh Thị Thanh, 2000).
Mạ niken là một kỹ thuật quan trọng và phổ biến hiện nay, được ứng dụng rộng rãi để trang trí và tăng cường khả năng chịu mòn cũng như độ cứng của bề mặt Để nâng cao hiệu quả bảo vệ và trang trí, người ta thường áp dụng quy trình mạ hai lớp, bao gồm niken – crom hoặc đồng – niken – crom (Trịnh Thị Thanh, 2000).
Mạ hợp kim: Trong dung dịch đồng thời có 2 cation để cùng bám lên bề mặt kim loại cần mạ Mạ hợp kim được chia thành các nhóm sau:
- Lớp mạ hợp kim bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn, có hợp kim: kẽm - cadmium; đồng - thiếc; chì - thiếc; thiếc - kẽm
- Lớp mạ hợp kim mục đích trang trí – bảo vệ: vàng - bạc; vàng - đồng; vàng - niken; vàng - antimon
- Lớp mạ hợp kim có ứng dụng đặc biệt trong công nghiệp: bạc - chì; thiếc - chì…
- Mạ vàng: Lớp mạ vàng dùng để trang trí đồ nữ trang, trang sức, các sản phẩm cao cấp (Nguyễn Văn Phước, 2011)
Thành phần nước thải xi mạ
Nước thải từ ngành xi mạ có pH dao động lớn, có thể dưới 3 (nước thải axit) hoặc trên 9 (nước thải bazơ), với đặc trưng chứa hàm lượng cao muối vô cơ và kim loại nặng như Cu, Zn, Cr, Ni Tùy thuộc vào loại kim loại mạ và muối kim loại sử dụng, nước thải có thể chứa độc tố như cyanua, sulfate và ammonia Chất hữu cơ trong nước thải xi mạ thường thấp, chủ yếu là chất tạo bông và chất hoạt động bề mặt, do đó, việc xử lý tập trung vào các ion và muối kim loại là chính (Nguyễn Văn Phước, 2011).
Nước thải chưa qua xử lý hoặc xử lý không đạt tiêu chuẩn có thể gây hại nghiêm trọng cho môi trường, giết chết vi sinh vật có lợi và các loài động vật dưới nước, đồng thời làm ô nhiễm đất và nguồn nước ngầm, ảnh hưởng đến đời sống con người Đặc biệt, nước thải dệt nhuộm với độ màu cao và nhiệt độ lớn cần được xử lý triệt để trước khi xả ra môi trường.
Bảng 1.3: Nồng độ ô nhiễm trong nước thải mạ điện ở Việt Nam
Chỉ tiêu Đơn vị Nước thải chưa xử lý QCVN 40 -2011/BTNMT
Kẽm (Zn) mg/L 8,7 3 3 Đồng (Cu) mg/L 1020 2 2
Hiện trạng ô nhiễm môi trường do công nghiệp xi mạ tại Việt Nam
Nghiên cứu của Mukesh Parmar và Lokendra Singh Thakur (2013) chỉ ra rằng công nghiệp mạ điện và gia công kim loại thải ra lượng lớn kim loại nặng như đồng (Cu), niken (Ni) và kẽm (Zn), gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường thủy sinh Đồng không thể phân hủy và có khả năng gây ung thư cũng như bệnh Wilson Niken có thể gây dị ứng da và tổn thương cho hệ hô hấp, hệ thần kinh, trong khi kẽm gây rối loạn tiêu hóa và tiêu chảy khi xâm nhập vào cơ thể qua đường ăn uống.
Để cải thiện chất lượng nước thải xi mạ chứa ô nhiễm kim loại nặng, có thể áp dụng một số phương pháp như phương pháp hóa lý, hóa học, sử dụng màng lọc hoặc vật liệu tự nhiên (Mukesh Parmar & Lokendra Singh Thakur, 2013).
Nước thải mạ chứa các ion kim loại nặng như crôm và niken cùng với độ pH thấp, gây ô nhiễm nghiêm trọng Hầu hết nước thải từ các nhà máy và cơ sở xi mạ được xả thải trực tiếp vào cống thoát nước chung của thành phố mà không qua xử lý, dẫn đến ô nhiễm cục bộ nguồn nước.
Khảo sát tại các nhà máy cơ khí ở Hà Nội cho thấy hàm lượng ion kim loại nặng như crôm, niken, đồng vượt quá tiêu chuẩn cho phép Một số cơ sở mạ điện có hệ thống xử lý nước thải nhưng chưa chú trọng điều chỉnh công nghệ xử lý khi đặc tính nước thải thay đổi Tại TP.HCM, Bình Dương và Đồng Nai, phân tích chất lượng nước thải từ các cơ sở xi mạ cho thấy hầu hết đều không đạt tiêu chuẩn, với hàm lượng chất hữu cơ cao và kim loại nặng vượt mức cho phép; COD dao động từ 320 – 885 mg/lít do chứa cặn sơn và dầu nhớt.
Hơn 80% nước thải từ các nhà máy và cơ sở xi mạ chưa được xử lý, dẫn đến ô nhiễm nghiêm trọng môi trường nước, đặc biệt là chất lượng nước sông Sài Gòn và sông Đồng Nai Dự báo, lượng chất thải trong ngành công nghiệp xi mạ sẽ đạt hàng ngàn tấn mỗi năm trong thời gian tới, cho thấy tình trạng ô nhiễm và suy thoái môi trường sẽ gia tăng nếu không có biện pháp xử lý hiệu quả kịp thời.
Phương pháp xử lý nước thải xi mạ
Nguồn keo tụ tự nhiên
Từ xa xưa, con người đã khai thác các nguyên liệu thực vật tự nhiên để xử lý nguồn nước Nhiều loài thực vật có khả năng keo tụ đã được nghiên cứu và ứng dụng trong quá trình này.
1.4.1 Strychnos potatorum a) Đặc điểm, phân bố, hoạt tính keo tụ
Hình 1.1 Hoa và hạt Strychnos potatorum
Strychnos potatorum, hay còn gọi là Nirmali, là một loài thực vật có hoa thuộc họ mã tiền, thường được tìm thấy ở trung tâm và phía nam Ấn Độ Hơn 4000 năm trước, người dân địa phương đã sử dụng hạt của cây này để làm sạch nguồn nước mặt, cho thấy giá trị lâu đời của nó trong việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
Nghiên cứu cho thấy hạt mã tiền chứa các polyelectrolyte anion có khả năng keo tụ, giúp loại bỏ độ đục, vi khuẩn và virus khỏi nước Dịch trích hạt có chứa chất béo, carbohydrate và alkaloid với các nhóm carboxyl và hydroxyl, làm tăng khả năng kết tủa Sự hiện diện của các nhóm -OH trong chuỗi polymer tạo ra bề mặt hấp thụ, dẫn đến hình thành cầu nối hóa học, góp phần vào hiệu quả keo tụ.
The polysaccharide mixture derived from Strychnos potatorum seed extract contains galactomannan and galactan Galactomannan features a main chain of D-mannopyranosyl units linked by 1,4 bonds, with branching D-galactopyranosyl units connected at the 1–6 positions of mannose (S Kagithoju et al., 2012).
Hình 1.2 Cơ cấu galactomannan trong hạt Strychnos potatorum
Khả năng loại bỏ độ đục (1000-1060 NTU) ra khỏi nước của gum hạt S Potatorum và phèn nhôm được trình bày trong Hình 1.3 (B.S Deshmukh và cộng sự,
Hình 1.3 Khả năng loại bỏ độ đục (1000- 1060 NTU) ra khỏi nước của gum hạt S Potatorum và phèn nhôm (B.S Deshmukh và cộng sự, 2013)
1.4.2 Cây xương rồng nopal (Cactus Opuntia)
Hình 1.4 Cây xương rồng nopal a) Đặc điểm, phân bố, hoạt tính keo tụ
Xương rồng nopal, nguồn gốc từ châu Mỹ, là loài phổ biến nhất trong họ xương rồng và được ứng dụng trong xử lý nước Ngoài Opuntia, loài xương rồng Cactus latifaria cũng được sử dụng như một chất keo tụ tự nhiên Nghiên cứu cho thấy chất nhầy trong xương rồng nopal chứa các carbohydrate quan trọng như L-arabinose, D-galactose, L-rhamnose, D-xylose và acid galacturonic (G Vijayaraghavan và các cộng sự, 2011).
25 b) Cơ cấu chất keo tụ
Acid galacturonic là một thành phần hoạt tính quan trọng với khả năng keo tụ, nhờ vào sự hiện diện của các nhóm chức (COO - H +) dọc theo chuỗi acid polygalacturonic Những nhóm chức này tạo ra lực hấp phụ hóa học giữa các phân tử mang điện tích trong nước và các tác nhân keo tụ, góp phần nâng cao hiệu quả của quá trình keo tụ.
Cấu trúc axit polygalacturonic, như được minh họa trong hình, cho thấy sự hiện diện của chuỗi anion do sự khử một phần proton từ nhóm carboxyl và hydroxyl trong nước Điều này liên quan đến sự hấp thụ hóa học giữa các hạt bẩn mang điện và các nhóm chức này (G Vijayaraghavan et al., 2011; Chun-Yang Yin, 2010).
Cơ cấu thành phần hoạt tính và cơ chế tạo cầu nối giữa các phân tử mang điện tích (P) với tác nhân keo tụ trong gum lá xương rồng nopal đóng vai trò quan trọng trong quá trình keo tụ Các phân tử này tương tác với nhau, tạo ra những liên kết vững chắc, góp phần nâng cao hiệu quả của gum trong ứng dụng công nghiệp và thực phẩm.
Hiệu quả loại bỏ độ đục ra khỏi nước của gum lá xương rồng (J Zhang, 2006) được trình bày trong Hình 1.6
Hình 1.6 Hiệu quả loại bỏ độ đục ra khỏi nước của gum lá xương rồng (J
Zhang, 2006) 1.4.3 Đậu đũa (Vigna unguiculata) a) Đặc điểm, phân bố, hoạt tính keo tụ
Vigna unguiculata, một loài thực vật chủ yếu phân bố ở khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới, được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước ở vùng nông thôn Tanzania Cấu trúc của chất keo tụ từ loài này đóng vai trò quan trọng trong quá trình lọc và làm sạch nước.
Gum hạt chứa các protein cationic có khả năng keo tụ, tương tự như chất keo tụ protein trong gum hạt moringa oleifera Nghiên cứu đã chỉ ra khả năng loại bỏ độ đục của gum hạt đậu đũa, với kết quả được thể hiện trong Hình 1.8 (N.2J Marobhe, 2013).
Hình 1.7 Quả và hạt đậu đũa
Hình 1.8 Khả năng loại bỏ độ đục và CODcủa gum hạt đậu đũa
1.4.4 Phượng vỹ (Delonix regia) a) Đặc điểm, phân bố, hoạt tính keo tụ
Phượng vỹ, thuộc họ đậu, là loài thực vật phổ biến ở khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới Hạt của nó chứa galactomannan, với tỷ lệ D-manose và D-galactose là 4:1, bao gồm β-D-mannose liên kết 1,4; β-D-mannose liên kết 1,4,6 và các nhánh α-D-galactose Cấu trúc này được hình thành từ các đơn vị pentasaccharide.
2014, Y Tamaki và các cộng sự, 2010) b) Cơ cấu chất keo tụ
C ơ cấu thành phần hoạt tính sinh học trong gum hạt đã được xác định như sau (L.G Torres và các cộng sự, 2014)
Hình 1.9 Hoa và hạt phượng vỹ
Hình 1.10 Cơ cấu galactomannan trong gum hạt phượng vỹ
Trên thế giới đã có nghiên cứu về khả keo tụ của gum hạt phượng vỹ (J.V Judith và các cộng sự, 2014), kết quả được chỉ ra trong Hình 1.11
Trong nghiên cứu này, gum hạt phượng vỹ được ly trích bằng phương pháp hòa tan trong dung dịch nước muối NaCl
Hình 1.11 Khả năng loại bỏ độ đục ra khỏi nước của gum hạt phượng vỹ (J.V Judith và các cộng sự, 2014)
Tổng quan Muồng Hoàng Yến
Tên khoa học: Cassia fistula Linn
Tên tiếng Anh: golden shower, indian laburnum, pudding pipe tree, purging cassia, purging fistula (M Thirumal, 2012)
Tên tiếng Việt: muồng hoàng yến, muồng hoàng hậu, hoa lồng đèn, bò cạp nước, bò cạp vàng, osaka vàng…
Muồng hoàng yến, một loại cây bản địa của Ấn Độ, Amazon và Sri Lanka, cũng được tìm thấy ở nhiều quốc gia như Nam Phi, Mexico, Trung Quốc, Tây Ấn Độ, Đông Phi và Brazil (M Megersa, 2014) Tại Việt Nam, cây này mọc hoang dại chủ yếu ở ba tỉnh Tây Nguyên: Kon Tum, Gia Lai và Đắk Lắk, đồng thời đã được trồng ở nhiều nơi khác như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh (Thảo cầm viên), Nghệ An, Bình Dương, Nha Trang, Đà Lạt và Đà Nẵng.
Muồng hoàng yến là cây ưa sáng, nhưng có khả năng chịu bóng và hạn chế khô hạn Khi còn nhỏ, cây cần có độ che bóng phù hợp để phát triển tốt Loài cây này có thể sinh trưởng trên nhiều loại đất khác nhau.
Cây phát triển tốt trên đất giàu dinh dưỡng, thường xuyên ẩm ướt, nhưng cần được trồng trên đất có khả năng thoát nước tốt và không chịu ngập úng Thời gian ra hoa của cây diễn ra từ tháng 5 đến tháng 6.
Cây gỗ trung bình, cao từ 10-15 m và đường kính 40-50 cm, có tán rộng và thưa, thường rụng lá Vỏ cây có màu xám bạc và nhẵn, cành cây phân nhánh sớm, cũng mang màu xám Lá cây là dạng kép lông chim chẵn, mọc cách, dài từ 15-25 cm với 3-8 đôi lá chét hình bầu dục đến bầu dục thuôn, dài 7-12 cm và rộng 4-6 cm, có đỉnh nhọn và gốc hình nêm rộng Lá cây có màu xanh mướt khi còn non, cuống lá dài từ 7-10 cm và cuống lá chét dài 5-10 mm, trong khi lá kèm nhỏ thường rụng sớm (M Danish, 2011).
Cụm hoa ở nách có hình chùm, rũ xuống, dài từ 20-40 cm với lá bắc dài 8-10 mm, thường rụng sớm Cuống hoa dài 15-25 mm, nhẵn, trong khi đài hoa hình bầu dục, dài 5-10 mm, có lông ở bên ngoài Cánh hoa có màu vàng hoàng yến, hình bầu dục rộng, dài 30-35 mm và rộng 10-15 mm, với cựa ngắn Hoa có 10 nhị, bao phấn và chỉ nhị bằng nhau, bao phấn có lông Bầu và vòi có lông, với núm nhụy nhỏ Quả đậu hình trụ, khi non có màu xanh, khi chín chuyển sang màu nâu đen nhạt, dài từ 20-60 cm và rộng 1,5-2 cm, nhẵn và rủ xuống Hạt nhiều, dẹt, hình bầu dục, cứng, dài 8-9 mm, rộng 5 mm và có màu nâu.
Hình 1.12 Các bộ phận cây muồng hoàng yến
Tất cả bộ phận của cây muồng hoàng yến đã được nghiên cứu và công bố thành phần hóa học (M Thirumal, 2012, M Danish, 2011, T Bahorun, 2005, H Dave, 2012)
Lõi của vỏ: chứa anthraquinone glycoside; sennoside A và B; 4,5-dihydroxy-9,10- dioxoanthracene-2-carboxylic acid và glucoside của nó; (10S)-1,8-dihydroxy-3-
(hydroxymethyl)-10-[3,4,5-trihydroxy-6-(hydroxymethyl)oxan-2-yl]-10H-anthracen-9-one; formic acid; butyric acid và ethyl ester của nó; oxalic acid; pectin và tannin
Hạt: galactomannan; đường tự do; amino acid tự do; flavone glycoside hoạt tính 5,3',4'- trihydroxy-6-methoxy-7-O-α-L-rhamnopyranosyl-(1→2)-O-β-D-galactopyranoside; 1,8- dihydroxy-3-methylanthracene-9,10-dione
Hoa: Hexadecan-1-on; 3,5,7-trihydroxy-2-(4-hydroxyphenyl)-4H-1-benzopyran-4-one;
4,5-dihydroxy-9,10-dioxoanthracene-2-carboxylic acid và bianthraquinone glycoside
Lá: 4,5-dihydroxy-9,10-dioxoanthracene-2-carboxylic acid; glycoside-sennoside A và
Thịt quả: đường; tannic; albumine;…
Lá và hoa: anthraquinone; tannin; oxyanthraquinone; 4,5-dihydroxy-9,10- dioxoanthracene-2-carboxylic acid và dầu dễ bay hơi
Rễ: 7-methylphyscion; (3β)-3-hydroxylup-20(29)-en-28-oic acid và β-sitosterol; rhamnetin-3-O-gentiobioside.
Muồng hoàng yến được biết đến với nhiều ứng dụng trong y học cổ truyền nhờ vào hoạt tính dược lý của nó Nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc chứng minh khả năng kháng nấm candidal của dịch chiết hạt muồng hoàng yến thông qua các phương pháp quan sát như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kết quả cho thấy dịch chiết từ hạt muồng hoàng yến có khả năng ức chế hoàn toàn sự phát triển của nấm Candida albicans và thể hiện hoạt tính kháng nấm kéo dài (S.L Jothy và các cộng sự, 2012).
Muồng hoàng yến là một loại cây phổ biến ở nông thôn, được sử dụng để điều trị các bệnh về da như nấm ngoài da và nhiễm trùng da Các bộ phận của cây này chứa nhiều chất chuyển hóa thứ cấp, đặc biệt là các hợp chất phenolic, đóng vai trò quan trọng trong y học cổ truyền (S.L Jothy và các cộng sự, 2011).
Rễ có khả năng làm se, hạ sốt và hoạt động như một loại thuốc xổ, rất hiệu quả trong việc điều trị các bệnh lý như rối loạn tim mạch, bệnh túi mật, thấp khớp, xuất huyết, vết thương, nhọt và bệnh lao (S.L Jothy và các cộng sự, 2011).
Hoa có khả năng ăn sống và chứa các chất có tác dụng làm se, thuốc xổ, hạ sốt, và làm lành vết thương Nước sắc từ hoa được sử dụng để điều trị các bệnh dạ dày, đồng thời hoa cũng hỗ trợ trong việc điều trị rối loạn gan và có lợi cho bệnh gút cũng như thấp khớp.
Quả được sử dụng để điều trị các bệnh ngoài da, sốt, đau bụng và bệnh phong Thịt quả không chỉ an toàn cho trẻ em và phụ nữ mang thai mà còn được coi là một loại thuốc bổ hiệu quả.
Hạt có vị hơi ngọt, tính nhuận tràng và khả năng tống hơi, giúp làm mát và hạ nhiệt cơ thể Chúng thường được sử dụng để hỗ trợ điều trị táo bón (S.L Jothy và các cộng sự, 2011).
Lá có tác dụng nhuận tràng, hỗ trợ điều trị bệnh vàng da, còi cọc, thấp khớp và viêm loét ngoài da Ngoài ra, lá và vỏ cây được trộn với dầu để chữa mụn mủ và vết cắn của côn trùng.
1.5.4 Tổng quan thành phần keo tụ sinh học
Chất keo tụ tự nhiên như chitosan từ vỏ động vật và gôm từ thực vật được coi là an toàn cho sức khỏe và thân thiện với môi trường Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hạt của các loài thực vật như Strychnos potatorum, Cactus Opuntia, Vigna unguiculata, và Moringa oleifera chứa polyelectrolyte sinh học có khả năng keo tụ, ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước.
Polyelectrolyte là hợp chất đại phân tử, được phân loại thành ba loại chính: polyelectrolyte cation (điện tích dương), anion (điện tích âm) và không ion (trung hòa điện tích) Phân loại này dựa vào loại điện tích có trong chuỗi đại phân tử sau quá trình thủy phân Trong đó, polymer cation được coi là chất keo tụ chính, trong khi polymer anion và không ion thường được sử dụng như chất trợ keo tụ (N.A Oladoja, 2016).
Polyelectrolyte cation là các phân tử có chứa nhóm amoni bậc 3 hoặc bậc 4, như được mô tả bởi J.D.P Theodoro và N.A Oladoja Chất keo tụ này có mặt trong hạt của Moringa oleifera và Vigna unguiculata Quá trình keo tụ của polyelectrolyte cation diễn ra thông qua cơ chế trung hòa các điện tích âm gắn trên phân tử chất keo trong nước bẩn.
Hình 1.13 Cấu trúc glucosinolate trong hạt Moringa oleifera