Nghiên cứu quá trình ôzôn hóa xử lý chất nhuộm màu methyl da cam trong nước thải dệt nhuộm

Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” DOI: 10.15625/vap.2019.000194 519 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ÔZÔN HÓA XỬ LÝ CHẤT NHUỘM MÀU METHYL DA CAM TRONG NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM Đặng Thị Thơm1,2, Nguyễn Thanh Dương3, Nguyễn Chí Thanh1, Trần Mạnh Hải1, Đỗ Văn Mạnh 1,2, Nguyễn Hoài Châu1,2 Trịnh Văn Tuyên1,2 1 Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm và Khoa học Việt Nam 2 Học viện Khoa học và Công nghê, Viện Hàn lâm và Khoa học Việt Nam 3Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam *thomiet@gmail.com TÓM TẮT Nước thải dệt nhuộm đang là vấn đề đáng quan tâm bởi chứa nhiều các chất nhuộm màu đặc biệt là chất màu azo khó phân hủy sinh học. Bên cạnh các công nghệ nghiên cứu truyền thống, công nghệ oxy hóa tiên tiến ngày càng chứng tỏ là công nghệ hữu hiệu trong xử lý các chất hữu cơ trong đó công nghệ ôzôn đang được đánh giá cao bởi tính oxy hóa mạnh của ôzôn và gốc oxy hóa OH° linh động sinh ra trong quá trình. Nghiên cứu này nhằm đánh giá hiệu quả của quá trình ôzôn hóa để xử lý chất nhuộm màu methyl da cam. Kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy, sử dụng công nghệ ôzôn hóa là rất hiệu quả trong việc xử lý chất màu methyl da cam. Với các nồng độ ôzôn ban đầu chỉ từ 5.0 -7.4 ppm tại các pH ban đầu khác nhau từ 3 tới 10, quá trình ôzôn hóa đã xử lý hiệu quả chất màu methyl da cam với nồng độ ban đầu 69±1 ppm với hiệu suất đạt từ 71 đến 88% trong thời gian 60 phút. Từ khóa: nước thải dệt nhuộm, chất nhuộm màu, ôzôn hóa, methyl da cam. 1. GIỚI THIỆU Cùng với sự phát triển kinh tế, ngành dệt nhuộm đã và đang trở thành ngành kinh tế mang lại hiệu quả cao. Tuy nhiên, do đặc thù của ngành nghề dệt nhuộm, trong quy trình sản xuất có các loại hóa chất đặc biệt là các chất nhuộm màu được sử dụng với hàm lượng cao trong các khâu tẩy, nhuộm, đánh bóngKết quả thống kê cho thấy ngành dệt nhuộm đã sử dụng tới hơn 8000 các loại chất tạo màu khác nhau và hơn 6900 các chất phụ gia được biết đến dẫn đến nước thải bị ô nhiễm nặng bởi nhiều các hợp chất vô vơ và hữu cơ [1]. Tiếp theo đó, các tác giả Robinson T et al, 2001, và Ogugbue CJ et al, 2011 và Farah et al, 2013 đã cho rằng công nghiệp dệt nhuộm được dự đoán rằng đã sử dụng tới hơn 10.000 các chất màu khác nhau và trên 7x105 tấn các chất màu tổng hợp được sử dụng sản xuất trên toàn thế giới hàng năm [2]. Các chất ô nhiễm điển hình là các chất nhuốm màu mạnh, là các chất hữu cơ hoặc các muối vô cơ. Vì vậy, nước thải ngành công nghiệp dệt nhuộm rất độc hại, độ màu cao, pH cao, hàm lượng BOD, COD rất cao và đặc biệt nước thải vẫn còn chứa một hàm lượng lớn các chất nhuộm màu mà đa số là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Do đó, việc sử dụng các phương pháp truyền thống như các phương pháp hóa lý, quá trình đông tụ, keo tụ, hấp thụ và công nghệ màng được cho là hạn chế khi nghiên cứu và ứng dụng xử lý nước thải chứa chất màu độc hại của ngành công nghiệp dệt nhuộm. Điển hình khi nước thải dệt nhuộm chứa các chất nhuộm màu là các chất có cấu trúc mạch vòng, các chất vòng thơm hoặc các polymer tổng hợpĐể giải quyết nhu cầu nguồn nước thải ngày càng nhiều của ngành công nghiệp dệt nhuộm, công nghệ oxy hóa tiên tiến đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng bởi các tiềm năng ôxy hóa mạnh của chúng bởi các gốc linh động đặc biệt là sự sinh ra gốc linh động OH° trong quá trình phản ứng. Một trong những công nghệ ôxy hóa tiên tiến phải kể đến công nghệ ozôn hóa bởi khả năng oxy hóa mạnh của ôzôn và sự phân hủy ôzôn trong quá trình [3]. Sử dụng quá trình ôzôn đối với việc xử lý nước thải dệt nhuộm được đánh giá là rất tiềm năng bởi (1) quá trình không tạo ra bùn thải; (2) nguy hiểm đối với con người giảm ở mức tối thiểu; (3) quá trình màu hóa và xử lý chất màu xảy ra đồng thời; (4) việc vận hành quá trình ôzôn hóa dễ dàng; (5) tất cả phần ôzôn bị dự thừa có thể phân hủy dễ dàng thành oxy và nước, đồng thời (6) các sản phẩm Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” 520 phụ sinh ra có thể là các chất không hoặc ít độc hơn có thể được xử lý dễ dàng bằng các công nghệ truyền thống tiếp theo trước khi xả thải ra môi trường. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra nhiều bằng chứng khi sử dụng quá trình ozon hóa để xử lý các chất nhuộm màu tổng hợp [4-7]. Việc sử dụng quá trình ôzôn để oxy hóa các chất nhuộm màu được phản ứng theo cơ chế trực tiếp bởi phần tử ôzôn tác dụng với các chất màu và cơ chế gián tiếp bởi sự sinh ra các gốc tự do đặc biệt là gốc OH° từ sự phân hủy ozon trong quá trình và các gốc tự do này sẽ tác dụng mạnh với các chất màu trong dung dịch. Hiệu quả của quá trình và cơ chế trực tiếp hay gián tiếp của quá trình sẽ phụ thuộc vào các điều kiện của phản ứng thực hiện. Nghiên cứu này sẽ tiến hành khảo sát quá trình ôzôn hóa để xử lý chất màu Methyl da cam. Chất màu Methyl da cam được sử dụng nhiều trong ngành dệt nhuộm và nước thải chứa hàm lượng cao chất này sẽ gây ra vấn đề ô nhiễm đối với con người và môi trường. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Methyl da cam C14H14N3NaO3S có xuất xứ của hãng Merck - Đức được sử dụng là chất màu thử nghiệm với nồng độ ban đầu xác định. Nồng độ chất màu được đo bằng phương pháp trắc quang so màu tại bước sóng 464 nm trên máy UV-vis - 1600 Spectrophotometer -Shimadzu. Sau khi ôzôn lỏng được chuyển hóa từ hệ thống khí lỏng trong bể phản ứng bằng máy phát ôzôn D - 15S 15g/L có sử dụng nguồn ôxy tinh khiết với tỉ lệ khí thổi 1L/phút. Ôzôn được làm giàu ít nhất 30 phút trong hệ khí lỏng để đạt được nồng độ ôzôn mong muốn. Nước cất tinh khiết siêu sạch được sử dụng để làm giàu ôzôn với các điều kiện ban đầu tại pH 3, 7, 8, 9, và 10. Dung dịch ôzôn với nồng độ ban đầu xác định sẽ được thí nghiệm trong phản ứng với chất mầu Methyl da cam với 20ml từ dung dịch gốc tại nồng độ ban đầu xác định với các điều kiện pH khác nhau. Các thí nghiệm được tiến hành trong bể phản ứng 2L kín có bơm tuần hoàn để dung dịch trong bể phản ứng được hòa trộn đồng đều nhất. Các thí nghiệm được lấy mẫu theo thời gian trong 1 giờ thí nghiệm để đánh giá hiệu quả xử lý màu. Nồng độ ôzôn trong dung dịch được xác định bằng phương pháp Indigo Carmine và được đo màu tại bước sóng hấp thụ 595 nm trên máy so màu UV-vis - 1600 Spectrophotometer -Shimadzu. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả quá trình xử lý Methyl da cam Sau ít nhất 30 phút ôzôn lỏng được sinh trong hệ chuyển hóa, dung dịch ôzôn được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của pH đên hiệu quả quá trình xử lý methyl da cam trong bể phản ứng 2L tại các điều kiện pH3, pH7, pH8, pH9 và pH10. Kết quả là được minh chứng trên hình 1: hình 1a cho thấy khi pH càng thấp thì ôzôn ban đầu được sinh ra càng cao trong nước cất siêu sạch và nồng độ ô zôn ban đầu cao nhất tại pH 3 là 7.4 ppm; tại pH 7 là 5,8 ppm và tại pH8, 9 và 10 nồng độ ôzôn ban đầu từ 5-5,3 ppm. Nước cất siêu sạch được sử dụng cho sự làm giàu ôzôn nhằm để tránh các tác nhân ảnh hưởng bất lợi đến quá trình sinh ôzôn. Khi methyl da cam tương tác với dung dịch ôzôn, nồng độ ozôn ở các thí nghiệm bị tiêu thụ mạnh và tiêu thụ rất nhanh từ điểm lấy mẫu đầu tiên trong 5 phút đầu. Ôzôn đã phân hủy nhanh xuống dưới mức 0,5 ppm trong tất cả các thí nghiệm ở các điều kiện pH khác nhau và giảm nhẹ tới kết thúc thí nghiệm. Đồng thời, nồng độ chất màu methyl da cam cũng bị oxy hóa mạnh và mất màu dần theo thời gian, kết quả được minh họa trên hình 1b. Ở các pH khác nhau, 3, 7, 8, 9 và 10 đã cho thấy sự khác biệt rõ nét. Tại pH 3 và pH 7, tốc độ giảm màu nhanh chóng và tại pH 8, 9 và 10 xu hướng giảm nồng độ chất màu trong dung dịch gần như tương đương nhau. Kết quả thí nghiệm sau tại các pH khác nhau trong 1 giờ cho thấy, tại pH 7 có tốc độ xử lý màu tốt nhất chỉ cần với nồng độ ôzôn ban đầu là 5,8 ppm. 3.2. Hiệu quả xử lý Methyl da cam bằng quá trình ôzôn hóa Sau khi thí nghiệm trong 1 giờ với các điều kiện thí nghiệm nồng độ ôzôn ban đầu từ 5,0 đến 7,4 ppm tùy vào pH ban đầu từ 3, 7 8, 9, 10 và nồng độ ban đầu của chất màu methyl da cam thí nghiệm khoảng 69±1 ppm, hiệu xuất xử lý đối với methyl da cam được minh họa trên hình 2. Kết quả nghiên cứu trên hình 2 cho thấy, hiệu quả xử lý chất màu methyl da cam bằng quá trình ôzôn Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 521 hóa tăng nhanh ngay trong 5 phút đầu phản ứng. Tại các pH 3, pH8, 9, 10 trong năm phút đầu tiên của quá trình, hiệu suất xử lý của chất màu đạt trên 35% trong khi đó với điều kiện pH7 hiệu suất đạt được trong 5 phút đầu tiên là 50% và tiếp tục tăng tuyến tính theo thời gian phản ứng. Trong 60 phút thí nghiệm ở các điều kiện pH khác nhau, quá trình ôzôn hóa mạnh chất màu methyl da cam ở pH 3 và 7 đạt hiệu suất xử lý 71% và 88% tương ứng. Tỉ lệ C/Co cũng giảm theo thời gian chứng tỏ hiệu quả xử lý bằng ôzôn lỏng đối với methyl da cam và động học xử lý màu bằng ôzôn hóa (hình 2b). a) Nồng độ ôzôn theo thời gian b) Nồng độ methyl da cam theo thời gian Hình 1: Ảnh hường của pH đến sự thay đổi nồng độ của ôzôn và nồng độ methyl da cam a) Hiệu suất xử lý methyl da cam b) Tỉ lệ C/Co của methyl da cam theo thời gian Hình 2: Hiệu suất xử lý methyl da cam bằng quá trình ôzôn hóa 4. KẾT LUẬN Kết quả của nghiên cứu đã nhận thấy việc sử dụng công nghệ ôzôn hóa được đánh giá cao trong xử lý methyl da cam trong nước thải dệt nhuộm. Quá trình ôzôn hóa trong xử lý chất màu methyl da cam sẽ cho hiệu quả đáng kể mặc dù chỉ cần nồng độ ôzôn ban đầu thấp khoảng 5 ppm. Kết quả thí nghiệm đánh giá cho thấy pH 7 cho kết quả sinh ôzôn lỏng đủ cần để xử lý methyl da cam tốt nhất, sẽ mở ra nghiên cứu hệ quá trình ôzôn hóa lỏng trong môi trường trung tính để xử lý các chất màu azo trong nước thải dệt nhuộm. Lời cảm ơn Các tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Quỹ Nafosted. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 105.99-2018.18. Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” 522 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Brik, M., Schoeberl, P., Chamam, B., Braun, R., and Fuchs, W., (2006). Advanced Treatment of Textile Wastewater towards Reuse Using a Membrane Bioreactor, Process Biochem., 41(8), pp. 1751-1757. [2]. Drumond Chequer, F. M., de Oliveira, G. A. R., Anastacio Ferraz, E. R., Carvalho, J., Boldrin Zanoni, M. V., and de Oliveir, D. P., 2013, “Textile Dyes: Dyeing Process and Environmental Impact,” Eco- Friendly Textile Dyeing and Finishing, M. Gunay, ed., InTech. [3]. Wu, C.-H., Kuo, C.-Y., and Chang, C.-L., (2007). Decolorization of AZO Dyes Using Catalytic Ozonation, React. Kinet. Catal. Lett., 91(1), pp. 161-168. [4]. Palit S., (2009). Ozonation of Direct Red-23 Dye in a Fixed Bed Batch Bubble Column Reactor, Indian J. Sci. Technol., 2(10), pp. 14-16. [5]. Turhan, K., and Turgut Z., (2009). Decolorization of Direct Dye in Textile Wastewater by Ozonization in a Semi-Batch Bubble Column Reactor, Desalination, 242(1), pp. 256-263. [6]. Tizaoui, C., and Grima, N., (2011). Kinetics of the Ozone Oxidation of Reactive Orange 16 Azo-Dye in Aqueous Solution, Chem. Eng. J., 173(2), pp. 463-473. [7]. Turhan, K., Durukan, I., Ozturkcan, S. A., and Turgut, Z., (2012). Decolorization of Textile Basic Dye in Aqueous Solution by Ozone,” Dyes Pigments, 92(3), pp. 897-901. STUDY ON OZONATION PROCESS FOR REMOVING METHYL ORANGE DYE IN THE TEXTILE WASTEWATER Thom Thi Dang 1,2* , Duong Thanh Nguyen, Thanh Chi Nguyen 1 , Hai Manh Tran 1 , Manh Van Do 1,2 , Chau Hoai Nguyen 1,2 , Tuyen Van Trinh 1,2 1 Institute of Environmental Technology, Vietnam Academy of Science and Technology 2 Graduate University of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology 3 Hanoi University of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology *thomiet@gmail.com ABSTRACT Textile wastewater is an interested problem by capacity of dyes especially difficultly bio- degradable azo dye. Beside conventional researched technology, advanced oxidation processes are expressed to be effective technology for removing organic compound in where ozonation technology are appreciated by strong oxidization of ozon and OH° radical generated from process. This research is to assess effectiveness of the ozonation for removing methyl orange. Premilinary results showed that, using ozonation technology is very useful in removal of methyl orange. With initial ozone concentration only from 5.0 to 7.4ppm at initial different pH from 3 to 10, ozonation process has removed effectively methyl orange with intial concentration of 69±1 ppm, get efficiency from 71 to 88% during 60 minutes. Keywords: Textile wastewater, dyes, ozonation, methyl orange.