Đặt vấn đề

Ngành dệt nhuộm đã thay đổi và phát triển mạnh mẽ từ một ngành nghề có truyền thống lâu đời tại Việt Nam để trở thành một ngành kinh tế trọng điểm, đáp ứng nhu cầu may mặc ngày càng phong phú. Tuy nhiên, quy trình sản xuất và hoạt động tại các làng nghề và các nhà máy dệt nhuộm đã và đang gây phát sinh một lượng lớn nước thải độc hại, tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng [1-4]. Thực trạng ô nhiễm này bắt nguồn từ quy trình sản xuất phức tạp và sự thiếu hoàn thiện của các hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm. Với đặc thù là việc sử dụng nhiều dạng hóa chất độc hại, nước thải dệt nhuộm chứa nhiều thành phần độc hại như dầu, sáp, các loại phẩm nhuộm, các hóa chất sử dụng trong xử lý vải bao gồm hồ tinh bột, các chất tẩy rửa, các chất hoạt động bề mặt, chất oxy hóa, axit,... Do đó, nước thải dệt nhuộm nếu được xả thải trực tiếp mà chưa thông qua quá trình xử lý triệt để sẽ gây ô nhiễm môi trường nặng nề, đặc biệt là môi trường nước, cũng như tác động tiêu cực đến sự cân bằng hệ sinh thái, chất lượng cuộc sống và sức khỏe con người.

Từ những tác hại đã nêu, tiến hành nghiên cứu và phát triển các phương pháp xử lý hàm lượng màu lớn trong nước thải dệt nhuộm một cách đơn giản và hiệu quả là rất cần thiết; đặc biệt sử dụng các vật liệu có nguồn gốc từ tự nhiên, từ cây trồng nông nghiệp, đã được ứng dụng trong điều chế các chất keo tụ sinh học. Với hiệu quả xử lý cao đối với màu và chỉ số COD, hướng đi này đã và đang nhận được nhiều sự quan tâm từ các nhà khoa học trong nỗ lực xử lý nước thải và cải thiện chất lượng nguồn nước.

Ưu điểm nổi trội nhất của các chất keo tụ sinh học là tính thân thiện với môi trường và mức độ an toàn cao, hạn chế phát sinh ô nhiễm thứ cấp sau quá trình xử lý [14]. Bên cạnh đó, việc tận dụng các vật liệu rắn bắt nguồn từ cây trồng nông nghiệp còn mang lại hiệu quả kinh tế cao khi đây là nguồn nguyên liệu có chi phí thấp và sẵn có. Cây Bò cạp vàng là loài cây trồng rất phổ biến tại các khu vực đô thị. Tuy nhiên, trái và hạt của loài cây lại thường bị thải bỏ như một chất thải rắn có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Theo nhiều nghiên cứu đã được công bố, hạt của các cây thuộc chi Cassia chứa nhiều thành phần sở hữu hoạt tính keo tụ, đặc biệt là galactomanan. Đây là một nhóm các hợp chất polysaccharide có khả năng tan tốt trong nước và có tác dụng hiệu quả trong loại bỏ các chất màu từ nguồn nước bị ô nhiễm [15]. Trên cơ sở đó, hạt cây Bò cạp vàng sở hữu tiềm năng lớn trở thành nguồn nguyên liệu điều chế chất keo tụ sinh học ứng dụng trong xử lý màu của nước thải dệt nhuộm, giúp tái sử dụng hiệu quả loại chất thải rắn này. Từ những cơ sở đã nêu và khả năng thu hồi kém của các chất keo tụ sinh học, nhóm nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu và phát triển vật liệu gel sinh học mang từ tính từ hạt cây Bò cạp vàng, với khả năng thu hồi tốt và hiệu quả xử lý cao đối với hàm lượng màu trong nước thải dệt nhuộm.

Vật liệu và phương pháp

Hóa chất và vật liệu

Các hóa chất được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: n-Hexane; ethanol; acid chlohidric-HCl; acid sulfuric-H2SO4; sodium hydroxide-NaOH; nước cất; phẩm nhuộm thương mại RB-19.

Các thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: Cân phân tích/PA214C Ohaus-Mỹ; Máy đo pH/Mettler Tolode; Máy lắc ly tâm tròn SK-O330-Pro; Máy siêu âm; Máy khuấy từ gia nhiệt C-MAG HS4 IKA - Đức; Máy quang phổ hấp thụ phân tử/ V-630, Jasco - Nhật.

Hạt cây Bò cạp vàng được thu hái tại TP. Thủ Dầu Một, tỉnh Bình Dương, Việt Nam.

Bảng 1. Phương pháp và thiết bị phân tích các chỉ tiêu

Phương pháp

Điều chế vật liệu

Điều chế vật liệu keo tụ sinh học gel:

Hạt cây Bò cạp vàng được thu hái và rửa sạch bằng nước cất để loại bỏ các bụi bẩn và tạp chất. Sau đó, hạt cây được tiến hành sấy và nghiền để thu được bột mịn. Quá trình ly trích bằng hệ thống Soxhlet, sử dụng dung môi n-hexane, được thực hiện trên mẫu bột hạt cây Bò cạp vàng đã chuẩn bị. Tiếp tục tiến hành quá trình kết tủa đối với dung dịch ly trích trong ethanol. Kết tủa sau đó được lọc và sấy trong 2h ở 50oC để thu được vật liệu keo tụ có dạng sợi.

Điều chế vật liệu từ tính CoFe2O4

Hỗn hợp bao gồm 2,381 g CoCl2.6H2O và 5,4058 g FeCl3. 6H2O được hòa tan hoàn toàn trong 100 mL nước cất ở 70oC. Dung dịch NaOH 2N được thêm từ từ vào dung dịch thu được (khi đang khuấy), cho đến khi giá trị pH = 12,0 và kết tủa dần được hình thành. Sau đó, quá trình lọc và rửa kết tủa được tiến hành lần lượt với các dung môi ethanol, nước cất và n-hexane, cho đến khi giá trị pH = 7,0. Hạt nano từ tính CoFe2O4 được sấy và bảo quản qua đêm ở nhiệt độ phòng.

Điều chế vật liệu keo tụ sinh học gel-CoFe2O4

Tiến hành trộn và khuấy đều hai dung dịch sau trong 2h ở 50oC: Dung dịch 1 -hòa tan hoàn toàn 1 g gel vật liệu keo tụ sinh học trong 250 mL nước cất; Dung dịch 2 - hòa tan hoàn toàn 0,5 g vật liệu nano CoFe2O4 trong 250 mL nước cất. Kết tủa thu được sau đó được tiến hành lọc và rửa bằng các dung môi khác nhau bao gồm ethanol, nước cất và n-hexane để thu được vật liệu composite. Vật liệu composite được bảo quản và sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo.

Khảo sát đặc trưng của vật liệu composite

Đặc điểm hình thái bề mặt của vật liệu composite được khảo sát bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM), sử dụng kính hiển vi Hitachi S4800. Diện tích bề mặt riêng của vật liệu composite được xác định bằng phương pháp hấp phụ/giải hấp phụ nitơ và mô hình Brunauer - Emmett - Teller (BET), sử dụng hệ thống Tristar-3030 (Micromeritics - USA).

Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý phẩm nhuộm RB-19

Quá trình khảo sát được tiến hành như sau. Đầu tiên, 4 bình nón chứa 40 mL các mẫu dung dịch phẩm nhuộm RB19 được chuẩn bị. Trong đó, giá trị pH của các dung dịch được điều chỉnh bằng các dung dịch HCl 0,1 M và NaOH 0,1 M, với giá trị lần lượt là 3,0, 6,0, 9,0 và 12,0. Sau đó, vật liệu composite ở liều lượng 9 mg/L được thêm vào từng mẫu dung dịch. Tiến hành lắc dung dịch thu được ở nhiệt độ phòng trong vòng 240 phút và tốc độ lắc là 150 vòng/phút. Nồng độ phẩm nhuộm RB19 trong dung dịch sau đó được xác định nhằm đánh giá hiệu quả xử lý của vật liệu composite.

Khảo sát ảnh hưởng của liều lượng vật liệu đến hiệu quả xử lý phẩm nhuộm RB-19

Quá trình khảo sát được tiến hành như sau: Đầu tiên, 5 bình nón chứa 1 L dung dịch phẩm nhuộm RB19 với giá trị pH = 9,0 được chuẩn bị. Sau đó, vật liệu composite lần lượt được thêm vào các bình nón ở các liều lượng khác nhau bao gồm 8,4, 9,0, 9,6, 10,2 và 10,8 mg/L. Tiến hành lắc dung dịch thu được ở nhiệt độ phòng trong vòng 240 phút và tốc độ lắc là 150 vòng/phút. Nồng độ phẩm nhuộm RB19 trong dung dịch sau đó được xác định nhằm đánh giá hiệu quả xử lý của vật liệu composite.

Phương pháp phân tích

Kết quả và thảo luận

Hình thái và diện tích bề mặt của vật liệu

Hình 1. Ảnh SEM của vật liệu keo tụ sinh học gel - CoFe2O4

Bảng 2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý phẩm nhuộm RB19

Bảng 3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của liều lượng của vật liệu đến khả năng xử lý phẩm nhuộm RB19

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phương pháp hấp phụ/giải hấp phụ nitơ được áp dụng để khảo sát đặc điểm bề mặt của vật liệu composite (Hình 1). Theo đó, vật liệu composite có hình dạng tròn với bề mặt gồ ghề và diện tích bề mặt riêng được xác định là 27,9 m²/g.

Hiệu quả xử lý RR-195 và các yếu tố ảnh hưởng

Kết quả ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý RB19

Dựa trên kết quả khảo sát được trình bày ở Bảng 1, hiệu quả xử lý phẩm nhuộm RB19 của vật liệu composite tăng dần khi giá trị pH thay đổi từ 3,0 đến 9,0 và giảm không đáng kể khi giá trị pH = 12,0. Như vậy, hiệu quả xử lý của vật liệu composite đối với phẩm nhuộm RB19 đạt giá trị lớn nhất là 90,13 ± 0,35 % ở giá trị pH = 9,0 và thấp nhất là 75,20 ± 0,44 % ở giá trị pH = 3,0.

Kết quả ảnh hưởng của liều lượng vật liệu đến hiệu quả xử lý RR-195

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của liều lượng vật liệu composite đến hiệu quả xử lý phẩm nhuộm RB19 được trình bày ở Bảng 3. Đối với dung dịch phẩm nhuộm có giá trị pH = 9,0, hiệu quả xử lý phẩm nhuộm RB19 của vật liệu composite nhìn chung được cải thiện khi liều lượng vật liệu được sử dụng tăng dần từ 8,4 mg/L và 10,8 mg/L và đạt giá trị cao nhất là 96,97 ± 0,45 % ở liều lượng vật liệu là 10,2 mg/L.

Kết luận

Vật liệu keo tụ sinh học mang từ tính đã được điều chế thành công từ hạt cây Bò cạp vàng. Kết quả phân tích đặc điểm hình thái bề mặt cho thấy, vật liệu keo tụ có hình dạng tròn và sở hữu bề mặt gồ ghề và không đồng nhất. Diện tích bề mặt riêng của vật liệu được xác định là 27,9 m²/g. Hiệu quả xử lý của vật liệu keo tụ sinh học đối với phẩm nhuộm RB19 cho thấy sự phụ thuộc vào các yếu tố điển hình như pH của dung dịch và liệu lượng chất keo tụ được sử dụng. Điều kiện tối ưu đối với quá trình xử lý được xác định lần lượt là pH = 9,0 và liều lượng vật liệu sử dụng ở mức 10,2 mg/L. Các kết quả thu thập được đã chứng minh được tiềm năng của vật liệu keo tụ sinh học mang từ tính điều chế từ hạt cây Bò cạp vàng trong xử lý phẩm nhuộm RB19. Từ đó, tạo cơ sở cho sự phát triển và mở rộng tính ứng dụng của vật liệu điều chế trong các quy trình xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế. Ngoài ra, nghiên cứu còn là nền tảng khoa học đáng tin cậy, thúc đẩy công tác tái sử dụng các chất thải rắn phát sinh từ các cây trồng nông nghiệp, tạo điều kiện phát triển các vật liệu xanh trong xử lý nước thải và cải thiện chất lượng nguồn nước.

Lời cảm ơn

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Thủ Dầu Một trong đề tài mã số DT.21.2-013.

1. Sivaprakash S., Kumar P.S., Krishna S.K., 2017. International Journal of Applied Chemistry. 13(4):255-266;

2. Sivaprakash S., Kumar P.S., Krishna S.K., 2017. International Journal of Materials Science. 12(1):97-105;

3. Saini P., Sharma R., Pant R.P., Kotnala R.K., 2018. Indian Journal of Pure & Applied Physics (IJPAP). 56(3):187-195

4. Katheresan V., Kansedo J., Lau S.Y., 2018. Journal of Environmental Chemical Engineering. 6(4):4676–4697.

5. Hamzezadeh A., Rashtbari Y., Afshin S., Morovati M., Vosoughi M., 2022. International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 102(1):254-269.

6. Tzoupanos N., Zouboulis A.I., , 2008. 6th IASME/WSEAS international conference on heat transfer, thermal engineering and environment (HTE’08), August 20th–22nd, Rhodes, Greece. 309-317;

7. Afshin S., Rashtbari Y., Shirmardi M., Vosoughi M., Hamzehzadeh A., 2019. Desalination and water treatment. 161:365-375;

8. Crini, G., Lichtfouse E., 2019. Environmental Chemistry Letters. 17(1):145-155;

9. Moghaddam S.S., Moghaddam M.A., Arami M., 2010. Journal of hazardous materials. 175(1-3):651-657;

10. Nayeri D., Mousavi S.A., 2020. Journal of Environmental Health Science and Engineering. 18(2):1671-1689.

NGUYỄN THỊ THANH TRÂM, HOÀNG LÊ THỤY THÙY TRANG, ĐÀO MINH TRUNG

Trường Đại học Thủ Dầu Một, Bình Dương, Việt Nam

Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 4 (Kỳ 2 tháng 2) năm 2023