Tải bản đầy đủ (.pdf) (133 trang)

Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác trên nền sắt từ bùn thải nhà máy cấp nước và ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.46 MB, 133 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------o0o------------

LÊ QUANG SANG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC TRÊN
NỀN SẮT TỪ BÙN THẢI NHÀ MÁY CẤP NƯỚC VÀ
ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM
(Development of catalyst based on iron-containing sludge of water supply
plant and its application for textile wastewater treatment)

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường
Mã số: 8520320

LUẬN VĂN THẠC SỸ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2023.


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trần Nguyễn Hải………………………………...
PGS.TS Nguyễn Nhật Huy…………………………..
Cán bộ nhận xét 1: ……..….PGS.TS Đinh Thị Nga……………..…………………
Cán bộ nhận xét 2:…….…..PGS.TS Bùi Mạnh Hà……………..…..……………
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM
ngày …29….tháng …07….năm …2023…
Thành phần hội đồng đánh giá Luận văn thạc sỹ gồm:
1.



Chủ tịch hội đồng:…..…GS.TS Nguyễn Văn Phước………………….…..…..

2.

Thư ký:…………….......TS Phan Thanh Lâm……….…….…………………..

3.

Phản biện 1:……………PGS.TS Đinh Thị Nga……….………………………

4.

Phản biện 2:……………PGS.TS Bùi Mạnh Hà…………………….…………

5.

Ủy viên:………………..PGS.TS Nguyễn Trung Thành…..…………………..

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận Văn và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
MƠI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUN

GS. TS Nguyễn Văn Phước

PGS. TS Võ Lê Phú



ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

Họ tên học viên: Lê Quang Sang

Mã số học viên: 2070177

Ngày, tháng, năm sinh: 02/05/1997

Nơi sinh: An Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 8520320

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác trên nền sắt từ bùn thải nhà
máy cấp nước và ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm.
Tên đề tài tiếng Anh: Development of catalyst based on iron-containing sludge

of water supply plant and its application for textile wastewater treatment
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau:
Giai đoạn 1: Chế tạo và thử nghiệm vật liệu xúc tác oxite sắt là bùn nung (300ºC)
kết hợp Peroxydisulfate (K2S2O8) trên nước thải dệt nhuộm tại một Cụm công nghiệp
dệt may ở TP.HCM và phân tích các chỉ số tối ưu đặc trưng cho hệ.
Giai đoạn 2: Biến tính bùn nước ngầm sau nung chứa Fe với Mg (MgSO47H2O)
thành vật liệu (Fe/Mg) kết hợp Peroxydisulfate (K2S2O8) trên giả thải Methyl blue
(MB) và phân tích các chỉ số tối ưu đặc trưng cho hệ.
Giai đoạn 3: Vận hành mơ hình xử lý ơ nhiễm với vật liệu (Fe/Mg) kết hợp
Peroxydisulfate (K2S2O8) dựa trên bộ thông số tối ưu cho đa dạng nguồn thải từ nhiều
nhà máy dệt nhuộm khác nhau.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ghi theo QĐ giao đề tài): 06/02/2023
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NGHIỆM VỤ (Ghi theo QĐ giao đề tài): 02/12/2023
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Trần Nguyễn Hải và PGS.TS Nguyễn Nhật Huy


TP. HCM, ngày..19..tháng..08.. năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TS Trần Nguyễn Hải PGS.TS Nguyễn Nhật Huy

PGS.TS Đặng Vũ Bích Hạnh

TRƯỞNG KHOA MƠI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUN
(Họ tên và chữ ký)


PGS. TS Võ Lê Phú


i
LỜI CẢM ƠN

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Trường Đại Học Bách Khoa TP. HCM và
Khoa Môi Trường và Tài Nguyên đã tạo môi trường học tập, nghiên cứu và trang
thiết bị phịng thí nghiệm cho em trong suốt khoảng thời gian học tập tại Trường.
Xin chân thành cảm ơn Thầy TS. Trần Nguyễn Hải và Thầy PGS.TS Nguyễn
Nhật Huy đã đồng hành, hướng dẫn và chia sẻ những kinh nghiệm bổ ích cho em
trong q trình tìm hiểu và thực hiện đề tài. Bằng kiến thức chuyên môn của quý Thầy
đã chia sẻ là những bài học vô giá và là nền tảng vững chắc để em bước tiếp con
đường học tập và làm việc trong tương lai. Với tư duy tích cực, ngọn lửa nhiệt huyết
và đam mê trong nghiên cứu khoa học của quý Thầy đã tạo động lực lớn lao để em
vững tin vào giá trị của nghiên cứu khoa học, của lĩnh vực chun mơn và từ đó sẽ
ln phân đấu để cống hiến hết sức mình vì khoa học và vì sáng kiến góp phần bảo
vệ mơi trường.
Xin chân thành cảm ơn quý doanh nghiệp, các Anh/Chị/Em đồng nghiệp trong
lĩnh vực Môi trường đã hỗ trợ thu thập mẫu nước thải thực tế từ nhiều nơi khác nhau
để đề tài được diễn ra minh bạch và đảm bảo tiến độ thực nghiệm.
Xin chân thành cảm ơn các bạn học viên, sinh viên đã hỗ trợ tìm hiểu và sử dụng
thiết bị tại phịng thí nghiệm 710 (Đại Học Bách Khoa, cở sở Dĩ An, Bình Dương),
bằng những kiến thức thực nghiệm và kỹ năng chuyên môn đã giúp đề tài được diễn
ra nhanh hơn và kịp thời khác phục các sự cố trong q trình triển khai thí nghiệm.
TP. HỒ CHÍ MINH, ngày ..19..tháng…08...năm…2023.…
(Họ tên và chữ ký)

Lê Quang Sang



ii

TÓM TẮT
Bùn nước ngầm chứa (Fe và Mn) được nung theo dãy nhiệt độ (200, 300, 400,
500, 600, 700ºC) để khảo sát xử lý ô nhiễm màu và COD trong nước thải (NT) dệt
nhuộm.Vật liệu nung ở 300ºC (Bun-300/NT) có hiệu quả hấp phụ ô nhiễm cao nhất,
trong khi hoạt tính oxy hóa peroxydisulfate (PDS) với liều lượng (0,554 mM/NT; xúc
tác đồng thể) chưa cao. Mơ hình giả lập được thiết kế với bùn (0,5 g/L; 300ºC) và
PDS (0,554 mM) ở pH (3,0) cho kết quả khả quan và có lợi cho việc loại bỏ ô nhiễm
(xúc tác dị thể). Các thí nghiệm chọn lọc thơng số tối ưu được tiến hành ở các ngưỡng
pH (1,0 - 4,0); nồng độ PDS (0,0 - 1,11 mM); nồng độ COD đầu vào (33,3 - 230,9
mg/L); tỷ lệ rắn/lỏng m/V (0,0 - 4,0 g/L). Kết quả khảo sát cho thấy tại pH (3,0; %H
= 92,3 và 63,9); PDS (0,69 mM; %H = 93,3 và 67,1); m/V (2,0 g/L; %H = 92,0 và
67,5) có hiệu suất loại bỏ màu và COD tối ưu nhất sau 90 phút phản ứng. Nồng độ ô
nhiễm tỷ lệ nghịch với hệ số pha loãng và tốc độ loại bỏ. Với các kết quả ban đầu này
cho thấy tiềm năng tái sử dụng bùn và khả năng kết hợp đồng xử lý với PDS. Tuy
nhiên, cần phải có giải pháp biến tính vật liệu để tối ưu hóa q trình xử lý.
Khảo sát trên giả thải Methylene blue (MB) đối với vật liệu đã qua cải biến bằng
cách nung theo dãy nhiệt độ (200, 300, 400, 500, 600, 700ºC) sau đó bổ sung Mg2+
(MgSO47H2O) theo dãy tỷ lệ (1:0,2; 1:0,5; 1:1; 1:1,5; 1:2) cho thấy (Bun-200/MB)
và (Bun-200; 1:0,2/MB) có hiệu quả loại bỏ cao nhất. Các khảo sát năng lực hấp phụ
của bùn và oxy hóa của PDS trên MB cũng cho kết quả đồng xử lý theo hướng có lợi.
Các thí nghiệm khảo sát thơng số tối ưu ở các ngưỡng pH (1,0 - 6,0); nồng độ PDS
(0,0 - 1,11 mM); nồng độ ô nhiễm (14,7 - 500 ppm); m/V (1,0 - 4,0 g/L) chỉ ra rằng
tại pH (2,0; %H = 99,9 và 97,8); nồng độ PDS (0,69 mM; %H = 95 và 94,5); m/V
(1,0 g/L; %H = 91 và 89,8) có hiệu quả loại bỏ màu và COD tối ưu nhất sau 120 phút
phản ứng. Nồng độ ô nhiễm (ppm) càng thấp tốc độ và thời gian xử lý càng diễn ra
nhanh hơn. Các thí nghiệm vận hành các thơng số tối ưu hóa trên MB (%H = 99,9 và

98,6); Rhodamine B (RhB; %H = 75,0 và 75,0); Tartrazine (Ttz, %H = 59,0 và 55,8)
và nước thải nhà máy 1 (%H = 98,3 và 94,2); nhà máy 2 (%H = 70,7 và 60,6); nhà
máy 3 (%H = 75,7 và 50,9) đều có hiệu suất (%H > 50) cho cả 2 chỉ tiêu. Như vây,


iii
bùn nước ngầm và vật liệu biến tính đều cho kết quả khả quan trong việc loại bỏ ô
nhiễm màu và COD. Phạm vi khảo sát được mở rộng không chỉ đối với phẩm nhuộm
hữu cơ mà còn là nước thải từ nhiều nhà máy. Kết quả đánh giá được tổng quan hơn
cho cả phẩm màu axit và bazơ.
Từ khóa: Oxy hóa nâng cao; hấp phụ; độ màu; nhu cầu oxy hóa học; nước thải dệt
nhuộm; bùn thải.


iv
ABSTRACT
Groundwater sludge containing (Fe and Mn) was calcined in a range of
temperatures (200, 300, 400, 500, 600, 700ºC) to investigate and treat color and COD
pollution in textile dyeing wastewater (Ww). At 300ºC (Bun-300/Ww) had the
highest pollutant adsorption efficiency, while peroxydisulfate (PDS) oxidizing
activity at a dose (0.554 mM/Ww; homogeneous catalysis) was not high. The
simulation model designed with sludge (0.5 g/L; 300ºC) and PDS (0.554 mM) at pH
(3.0) gave positive results, beneficial for the removal of pollution (heterogeneous
catalysis). Optimal parameter selection experiments were conducted at pH ranges
(1.0 - 4.0); PDS concentration (0.0 - 1.11 mM); COD input concentration (33.3 230.9 mg/L); solid/liquid ratio m/V (0.0 - 4.0 g/L). Optimal parameter selection
experiments were conducted at pH ranges (1.0 - 4.0); PDS concentration (0.0 - 1.11
mM); COD input concentration (33.3 - 230.9 mg/L); solid/liquid ratio m/V (0.0 - 4.0
g/L). The survey results show that at pH (3.0; %H = 92.3 and 63.9); PDS (0.69 mM;
%H = 93.3 and 67.1); m/V (2.0 g/L; %H = 92.0 and 67.5) has the best COD and color
removal efficiency after 90 minutes of reaction. Contaminant concentration is

inversely proportional to the dilution factor and removal rate. These preliminary
results suggest the potential for sludge reuse and the possibility of combining cotreatment with PDS. However, it is necessary to have a solution to modify the material
to optimize the processing.
Survey on the Methylene blue (MB) for materials that have been modified by
heating according to the temperature range (200, 300, 400, 500, 600, 700ºC) and then
adding Mg2+ (MgSO47H2O) in ratios sery (1:0.2; 1:0.5; 1:1; 1:1.5; 1:2) shows (Bun200/MB) and (Bun-200; 1:0.2/MB) has the highest removal efficiency. Investigations
on the adsorption capacity of sludge and oxidation of PDS on MB also showed
beneficial co-treatment results. Experiments investigate optimal parameters at pH
(1.0 - 6.0); PDS concentration (0.0 - 1.11 mM); pollution concentration (14.7 - 500
ppm); m/V (1.0 - 4.0 g/L) indicates that at pH (2.0; %H = 99.9 and 98.0); PDS
concentration (0.69 mM; %H = 95.0 and 94.5); m/V (1.0 g/L; %H = 91.0 and 89.8)


v
had the most optimal COD and color removal efficiency after 120 min of reaction.
The lower the contaminant concentration (ppm), the faster the treatment speed and
time. Experiments run optimization parameters on MB (%H = 99.9 and 98.6),
Rhodamine B (RhB; H% = 75.0 and 75.0), Tartrazine (Ttz; %H = 59.0 and 55.8) and
wastewater from factory 1 (%H = 98 and 94.2), factory 2 (%H = 71 and 60.6), and
factory 3 (%H = 76.0 and 50.9) all have the same efficiency (%H > 50) for both
criteria. Thus, groundwater sludge and modified materials both give positive results
in removing color and COD pollution. The scope of the survey was extended not only
to organic dyes but also to wastewater from many factories. The evaluation results
are more general for both acid and basic dyes.
Keywords: Advanced oxidation process; adsorption; colour; chemical oxygen
demand; textile wastewater; sewage sludge.


vi


LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên: Lê Quang Sang là Học viên Cao học khóa 2020 (mã số học viên là 2070177),
chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường.
Tôi xin cam đoan:
Đề tài được thực hiện tại Đại Học Bách Khoa TP. HCM - Cơ sở Dĩ An, Bình
Dương. Đây là đề tài do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS. Trần
Nguyễn Hải và PGS.TS Nguyễn Nhật Huy. Đồng thời có sự giúp đỡ và hỗ trợ của
các bạn học viên, sinh viên trong việc hướng dẫn sử dụng thiết bị và hóa chất.
Các hình ảnh, số liệu và thơng tin tham khảo là do chính bản thân tơi thu thập
và phân tích. Kết quả phân tích đã được giáo viên hướng dẫn kiểm duyệt và công
nhận qua nhiều lần vận hành mẫu lập, mẫu đối chứng cho các kết quả. Các biểu đồ,
bảng biểu thống kê được thiết lập từ số liệu thực nghiệm.
Mẫu nước thải dệt nhuộm từ các Cơng ty khác nhau phục vụ q trình nghiên
cứu là nước thải thực tế, lấy trực tiếp từ các đơn vị sản xuất và được bảo quản theo
khuyến cáo để đảm bảo độ chính xác và đáng tin cậy cho cơ sở dữ liệu của đề tài.
Quá trình viết và công bố báo cáo khoa học là do tôi thực hiện dưới sự hướng
dẫn tận tình của Thầy TS. Trần Nguyễn Hải và đã được Hội đồng khoa học của Tạp
chí Khoa học và Cơng nghệ Đại học Duy Tân thông qua và chấp nhận đăng vào số 3
(58), xuất bản vào tháng 06 năm 2023.
TP. HỒ CHÍ MINH, ngày..19..tháng..07..năm…2023…
(Họ và tên học viên)

Lê Quang Sang


vii

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ..............................................................................................1

1.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu .........................................................................................3
1.3. Nội dung nghiên cứu.........................................................................................3
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................4
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................4
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................4
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..........................................................................4
1.5.1. Tính mới của đề tài .....................................................................................4
1.5.2. Ý nghĩa khoa học ........................................................................................5
1.5.3. Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................................5
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN .......................................................................................6
2.1. Ô nhiễm hữu cơ và màu phát sinh từ nước thải dệt nhuộm ..............................6
2.2. Công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm phổ biến hiện nay ................................7
2.3. Công nghệ xử lý ô nhiễm dựa trên q trình oxy hóa nâng cao AOPs ..........10
2.3.1. Cơ chế và khả năng ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm .............10
2.3.2. Đặc tính K2S2O8 và cơ chế xử lý ô nhiễm ..............................................11
2.3.3. Các ưu điểm của PDS so với các tác nhân oxy hóa khác .........................13
2.4. Tình hình khai thác nước ngầm và đặc tính bùn thải ở Vũng Tàu .................14
2.5. Đặc tính bùn thải nhà máy nước ngầm và vật liệu từ bùn thải nước ngầm ....15
2.6. Tình hình nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác chế tạo từ bùn thải nhà máy
nước ngầm hiện này ...............................................................................................16
2.6.1. Nghiên cứu quốc tế...................................................................................16


viii
2.6.2. Nghiên cứu trong nước .............................................................................18
2.7. Phương pháp chế tạo vật liệu xúc tác .............................................................20
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................22
3.1. Quy trình nghiên cứu. .....................................................................................22
3.2. Vật liệu và hóa chất ........................................................................................23

3.3. Quy trình chế tạo vật liệu bùn sấy khơ, bùn nung và bùn biến tính ...............25
3.3.1. Quy trình chế tạo vật liệu bùn sấy khơ .....................................................25
3.3.2. Quy trình chế tạo vật liệu bùn nung .........................................................26
3.3.3. Quy trình pha chế và xây dựng đường chuẩn cho các mẫu giả thải.........27
3.3.4. Quy trình thu thập và tiền xử lý mẫu giả thải...........................................28
3.4. Phương pháp phân tích mẫu nước và vật liệu.................................................28
3.4.1. Phương pháp phân tích mẫu nước ............................................................28
3.4.2. Phương pháp phân tích đặc tính vật liệu ..................................................30
3.5. Các thí nghiệm xử lý ô nhiễm màu trong nước thải và nước .........................30
3.5.1. Quy trình chế tạo vật liệu bùn nung biến tính với Mg .............................31
3.5.2. Thí nghiệm xử lý ơ nhiễm trong điều kiện nước thải thực tế ...................32
3.5.3. Thí nghiệm xử lý ô nhiễm trong điều kiện nước thải thực tế ...................33
3.6. Phương pháp tính tốn và xử lý số liệu. .........................................................34
3.6.1. Cơ sở khoa học tính tốn. .........................................................................34
3.6.2. Xử lý số liệu và đồ thị ..............................................................................37
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................38
4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến đặc tính xử lý ơ nhiễm hữu cơ của bùn ...38
4.2. Đánh giá quá trình xử lý độ màu và COD của nước thải dệt nhuộm từ nhà NM1
bằng vật liệu bùn thải nung (Bun-300) và peroxydisunfat ....................................40


ix
4.2.1. Khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu quả xử lý độ màu và COD ..................41
4.2.2. Khảo sát ảnh hưởng nồng độ chất hoạt hóa [PDS] đến hiệu quả xử lý độ
màu và COD .......................................................................................................43
4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng nồng độ COD và độ màu đến hiệu quả xử lý ..........44
4.2.4. Khảo sát ảnh hưởng liều lượng vật liệu đến hiệu quả xử lý độ màu và COD
............................................................................................................................46
4.2.5. Đánh giá hiệu quả hấp phụ, oxy hóa (dựa vào PDS) và xúc tác dị thể trong
việc xử lý độ màu và COD trong nước thải dệt nhuộm .....................................48

4.3. Ảnh hưởng của việc bổ sung muối MgSO4 đến đặc tính xử lý ô nhiễm hữu cơ
của bùn thải nung biến tính (hay bùn biến tính với Mg) .......................................50
4.4. Đánh giá q trình xử lý màu methylene blue trên vật liệu Bun-200(1/0,2) ..53
4.5. So sánh hiệu quả xử lý màu Methylene blue, Rhodamine B và Tartrazine bởi
Bun-200(1/0,2) .......................................................................................................56
4.6. So sánh hiệu quả xử lý độ màu và COD ở nước thải từ ba nhà máy bởi mẫu
bùn biến tính Bun-200(1/0,2) ................................................................................58
4.7. Kết quả đặc tính vật liệu bùn khơ, bùn nung, và bùn biến tính bằng các phân
tích khác nhau ........................................................................................................62
4.7.1. Phân tích TGA và DTG ............................................................................62
4.7.2. Phân tích đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ khí N2 tại 77 K ....63
4.7.3. Phân tích XRF ..........................................................................................65
4.7.4. Phân tích SEM–EDS ................................................................................67
4.7.5. Phân tích XRD..........................................................................................69
4.7.6. Phân tích FTIR .........................................................................................71
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................73
5.1.

Kết luận ........................................................................................................73


x
5.2.

Kiến nghị .....................................................................................................74

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................75
PHỤ LỤC ..................................................................................................................84



xi

DANH MỤC VIẾT TẮT
Ký tự

Diễn giải

TS

Total solid (tổng chất rắn hòa tan)

TSS

Total suspended solids (tổng chất rắn lơ lửng)

BOD

Biochemical oxygen demand (nhu cầu oxy sinh học)

COD

Chemical oxygen demand (nhu cầu oxy hóa học)

CHC

Chất hữu cơ

TOC

Total organic carbon (tổng lượng carbon hữu cơ)


SF

Synergy factor (nhân tố cộng hưởng)

TCVN

Tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam

QCVN

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam

LDH
UV

Layered double hydroxite (hydroxit lớp kép)
Ultraviolet

SEM

Scanning electron microscope (kính hiển vi điện tử quét)

EDS

Energy dispersive X-ray spectroscopy (phổ tán sắc năng lượng tia
X)

XRD


X-ray diffraction (nhiễu xạ tia X)

FTIR

Fourier transform infrared spectroscopy (Quang phổ hồng ngoại
biến đổi Fourier)

BET

Brunauer Emmet Teller

XRF

X-ray fluorescence spectrometer (huỳnh quang tia X)

TGA

Thermal gravimetric analysis (phân tích trọng trường)

DTG

Differential thermogravimetric (phân tích nhiệt vi sai)

MB

Methylene blue

RhB

Rhodamine B


Ttz

Tartrazine

Co

Nồng độ đầu vào của COD hoặc màu (MB, RhB hoặc Ttz; mg/L),
hoặc độ màu ban đầu (Pt-Co) của nước thải

Co(MB)

Nồng độ đầu vào của màu MB trong nước (mg/L)


xii

Co(RhB)

Nồng độ đầu vào của màu RhB trong nước (mg/L)

Co(Ttz)

Nồng độ đầu vào của màu Ttz trong nước (mg/L)

Ct
%H

Nồng độ COD hoặc màu (mg/L) hoặc độ màu (Pt-Co) tại thời điểm
t

Hiệu quả xử lý (%)

Pt-Co

Đơn vị màu viết tắt từ Platinum-Cobalt

PDS

Peroxydisulfate (hoặc peroxydisunfat)

[PDS]
f

Nồng độ peroxydisulfate trong dung dịch (mM)
Hằng số pha lỗng (lần)

NM1

Nhà máy 1 (Cụm cơng nghiệp dệt may ở TP. HCM)

NM2

Nhà máy 2 ( Khu công nghiệp ở tỉnh Bình Dương)

NM3

Nhà máy 3 (Khu cơng nghiệp ở tỉnh Long An)


xiii

MỤC LỤC BẢNG
Bảng 2. 1: Phân tích các cơng nghệ xử lý nước thải tiêu biểu hiện nay .....................7
Bảng 2. 2: Thế oxy hóa của các gốc tự do chính hình thành bởi PDS ......................12
Bảng 2. 3: So sánh năng lực hoạt hóa của một số tác nhân oxy hóa ........................13
Bảng 2. 4: Thơng kê giá thành và đặc tính của các hóa chất hoạt hóa phổ biến.......13
Bảng 2. 5: Kết quả phân tích chất lượng nước ngầm (nước thơ) ..............................14
Bảng 2. 6: Kết quả phân tích nước ngầm đầu ra (thương mại) .................................15
Bảng 2. 7: Thống kế các phương pháp chế tạo vật liệu phổ biến hiện nay ..............21
Bảng 3. 1: Thơng tin một số hóa chất được sử dụng trong luận văn ........................23
Bảng 3. 2: Định lượng và pha chế hóa chất sử dụng trong luận văn ........................24
Bảng 3. 3: Một số đặc tính của ba loại màu được sử dụng .......................................25
Bảng 3. 4: Tên các thiết bị được sử dụng trong phân tích đặc tính vật liệu..............30
Bảng 4. 1: Đặc tính độ màu và nồng độ COD ở ba nhà máy trước và sau khi xử lý bởi
vật liệu Bun-200(1/0,2) kết hợp với PDS .................................................................59
Bảng 4. 2: Kết quả phân tích đặc tính vật liệu ..........................................................64
Bảng 4. 3: Thành phần nguyên tố (wt%) của mẫu Bun, 200-Bun và 200-Bun(1/0,2)
...................................................................................................................................66


xiv
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 3. 1. Quy trình nghiên cứu tổng qt. ..............................................................22
Hình 3. 2. Ảnh chụp mẫu bùn thơ, bùn sau khi sàn và rây (kích thước < 0,15 mm) và
sau sấy 105°C ............................................................................................................26
Hình 3. 3. Ảnh chụp cốc nung có chứa mẫu Bun, mẫu Bun sau khi nung ở các nhiệt
độ khác nhau .............................................................................................................27
Hình 3. 4. Dữ liệu qt phổ của các nhóm màu trên máy DR6000. .........................27
Hình 3. 5. Các công đoạn tiền xử lý mẫu nước thải thực tế. .....................................28
Hình 3. 6. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ màu (a) Methylene blue, (b)

Rhodamine B và (c) Tartrazine .................................................................................29
Hình 3. 7. Máy khuấy Jartest và thí nghiệm xử lý độ màu và COD trên máy Jartest
...................................................................................................................................31
Hình 3. 8. (a) Quá trình khuấy bùn trên máy, (b) quá trình siêu âm bùn, (c) bùn sau
khi lọc, (d) vật liệu bùn biến tính sau khi sấy và rây với kích thước <0.15 mm ......32
Hình 4. 1. Hiệu suất xử lý màu MB bởi bùn thải nung và khơng nung (Điều kiện thí
nghiệm: m/V = 1,0 g/L, [PDS] = 0,554 mM, Co(MB) = 500 mg/L và pH = 3,0) ........38
Hình 4. 2. Hiệu suất xử lý (a) độ màu (Pt-Co) và (b) COD (mg/L) bởi bùn thải nung
và không nung (m/V = 0,5 g/L, [PDS] = 0,554 mM, pH = 3,0, COD = 123,2 ± 3,41
mg/L và độ màu = 144,3 ± 7,09 Pt-Co) ....................................................................40
Hình 4. 3. Ảnh hưởng thông số pH đến hiệu suất xử lý (a) độ màu (Pt-Co) và (b)
COD trong nước thải (m/V = 0,5 g/L, [PDS] = 0,55 mM, COD = 126,5 ± 12,2 mg/L
và độ màu = 149,9 ± 9,78 Pt-Co) ..............................................................................42
Hình 4. 4. Ảnh hưởng nồng độ chất hoạt hóa [PDS] đến hiệu suất xử lý (a) độ màu
(Pt-Co) và (b) COD trong nước thải (m/V = 0,5 g/L, pH = 3,0, COD = 126,5 ± 12,2
mg/L và độ màu = 149,9 ± 9,78 Pt-Co) ....................................................................44


xv
Hình 4. 5. Ảnh hưởng của (a) độ màu (Pt-Co) và (b) nồng độ COD (mg/L) ban đầu
đến hiệu quả xử lý (m/V= 0,5 g/L, [PDS] = 0,55 mM, pH = 3,0 và thời gian 90 phút)
...................................................................................................................................45
Hình 4. 6. Ảnh hưởng của liều lượng vật liệu (m/V; g/L) đến hiệu suất xử lý (a) độ
màu (Pt-Co) và (b) COD trong nước thải (pH = 3,0, [PDS] = 0,55 mM, COD = 125,5
± 3,78 mg/L và độ màu = 145,3 ± 8,14 Pt-Co) ........................................................47
Hình 4. 7. So sánh hiệu quả xử lý (a) độ màu và (b) COD bởi ba quá trình: hấp phụ,
oxy hóa và xúc tác dị thể. Điều kiện thí ngiệm: m/V = 0,5 g/L, COD = 122,8 ± 5,77
mg/L, độ màu = 153,7 ± 11,5 Pt-Co, [PDS] = 0,55 mM đối với hệ oxy hóa và xúc tác
dị thể, pH = 3,0 ..........................................................................................................48
Hình 4. 8. Hiệu suất xử lý màu MB bởi bùn thải nung và không nung (m/V = 1,0 g/L,

[PDS] = 0,554 mM, Co(MB) = 500 mg/L và pH = 3,0) ...............................................51
Hình 4. 9. Hiệu suất xử lý màu MB bởi bùn thải nung và không nung (m/V = 1,0 g/L,
[PDS] = 0,554 mM, Co(MB) = 500 mg/L và pH = 3,0) ...............................................52
Hình 4. 10. Hiệu quả xử lý màu MB bởi Bun-200(1/0,2) ở các thí nghiệm ảnh hưởng
(a) pH đầu vào, (b) nồng độ màu MB đầu vào, (c) nồng độ PDS được thêm vào và
(d) tỷ lệ Bun-200(1/0,2) trên thể tích mẫu màu MB (m/V). Điều kiện thí nghiệm: (a)
m/V = 1,0 g/L, [PDS] = 0,554 mM, Co(MB) = 490,3 ± 2,09 mg/L; (b) m/V = 1,0 g/L,
[PDS] = 0,554 mM, pH = 3,0; (c) m/V = 1,0 g/L, pH = 3,0, C o(MB) = 491,4 ± 5,87
mg/L; (d) [PDS] = 0,554 mM, pH = 3,0, Co(MB) = 490,2 ± 1,43 mg/L ...................54
Hình 4. 11. So sánh hiệu quả xử lý màu MB bởi ba: hệ hấp phụ, oxy hóa, và xúc tác
dị thể. Điều kiện thí nghiệm hấp phụ (Co(MB) = 490,7 ± 1,15 mg/L, pH = 3,0, m/V =
1,0 g/L), oxy hóa (Co(MB) = 495,3 ± 2,31 mg/L, [PDS] = 0.554 mM, pH = 3.0) và và
xúc tác dị thể (Co(MB) = 498,3 ± 1,03 mg/L, [PDS] = 0.554 mM, pH = 3.0, m/V = 1,0
g/L) ............................................................................................................................56
Hình 4. 12. So sánh hiệu quả quá trình xử lý màu MB, RhB và Ttz trên vật liệu Bun200(1/0,2) (m/V = 1,0 g/L, pH = 2, [PDS] = 0,69 mM, Co(MB) = 492,0 mg/L, Co(RhB) =
492,1 mg/L và Co(Tz) = 488,2 mg/L) ..........................................................................57


xvi
Hình 4. 13. Cấu trúc và khối lượng phân tử (Mw) của ba loại màu (a) Methylene blue
(MB), (b) Rhodamine B (RhB) và (c) Tartrazine .....................................................58
Hình 4. 14. So sánh hiệu quả xử lý độ màu và COD đối với vật liệu Bun-200(1/0,2)
trên nền nước thải từ ba nhà máy (m/V = 1,0 g/L, pH = 2,0, [PDS] = 0,69 mM) ....61
Hình 4. 15. Kết quả phân tích TGA và DTG của mẫu bùn sấy (Bun) ......................62
Hình 4. 16. (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ khí N2 tại 77 K và (b)
phân bổ kích thước mao quản của các mẫu Bun, Bun-200 và Bun-200(1/0,2) ........64
Hình 4. 17. Các nguyên tố bị giới hạn bởi phân tích XRF bao gồm H, He, Li, Be, B,
C, N, O, F, Ne, Na, và Mg (ảnh chụp màn hình từ nơi phân tích mẫu) ....................65
Hình 4. 18. Ảnh SEM của vật liệu (a) Bun, (b) Bun-200, (c) Bun-300 và (d) Bun300(1/0,2) ..................................................................................................................68
Hình 4. 19. Phổ EDS của các vật liệu (a) Bun, (b) Bun-200, (c) Bun-300 và (d) Bun300(1/0,2) ..................................................................................................................69

Hình 4. 20. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của các vật liệu (a) Bun, (b) Bun-200, (c)
Bun-300 và (d) Bun-300(1/0,2) ................................................................................70
Hình 4. 21. Quang phổ FTIR của các mẫu (a) bùn sấy khô (Bun), (b) bùn khô nung
(Bun-200) và (c) bùn khơ nung biến tính với Mg (Bun-200(1/0,2)) ........................72


1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, nhóm ngành công nghiệp dệt - may - nhuộm đã và đang phát triển
không ngừng. Với sự phát triển ồ ạt đã gây ra những tác động không nhỏ đối với môi
trường tồn cầu đóng góp 8% phát thải carbon, 20% nước thải trên toàn thế giới và
làm tăng 50% phát thải khí nhà kính vào năm 2023 [1]. Nhu cầu về sản lượng ngày
càng tăng, theo thống kế từ 2007 đến 2014 đã tăng từ 20,2 triệu tấn lên 90,8 triệu tấn
kéo theo đó là lượng chất thải rắn phát sinh từ lĩnh vực này sẽ tăng từ 92 triệu tấn rác
thời trang lên 148 triệu tấn tính đến năm 2030 [2]. Các công đoạn như: dệt, nhuộm
và tẩy sử dụng một lượng nước rất lớn. Theo thống kê của Liên Hợp Quốc trên toàn
cầu mỗi năm lĩnh vực này sử dụng khoảng 97 tỷ lít nước và tạo ra 20% nước thải toàn
cầu trong tổng sản lượng nước thải được tạo ra mỗi năm [3].
Hoạt động sản xuất ở các nhà máy dệt nhuộm sử dụng một lượng lớn hóa chất,
mơi trường làm việc thuộc nhóm khá độc hại cho người lao động khi tiếp xúc thường
xuyên [1]. Cui và cộng sự [4] báo cáo khoảng 300.000 tấn thuốc nhuộm được sử dụng
hằng năm. Các chất hóa học phổ biến được tìm thấy trong nước thải bao gồm: phẩm
màu, kim loại nặng, NaOH, hồ tinh bột và axite. Đặc tính nước thải có độ pH, chất
rắn lơ lửng (SS), nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh học (BOD) [5], kim
loại [6], nhiệt độ [7] và muối thường rất cao. Các yếu tố ô nhiễm này tác động đến
môi trường nước mặt, nước ngầm, làm thay đổi các chu trình chuyển hóa của động
thực vật và gây ra hiện tượng tích lũy sinh học khơng mong muốn, làm gia tăng tỷ lệ
ung thư trên toàn cầu. Với dung tích, quy mơ và sự tác động đa chiều của lĩnh vực thì

đây là một trong những thách thức lớn đối với các hoạt động công nghiệp và an sinh
nhân loại.
Các nghiên cứu nhằm tập trung tìm kiếm giải pháp tối ưu đối với nước thải dệt
nhuộm hiện nay gồm: keo tụ và tạo bông (sử dụng polyme) [8], keo tụ điện hóa (điện
cực nhơm thương mại) [9], phân hủy xúc tác quang (vật liệu BiVO4) [10], oxy hóa
peroxit ướt (vật liệu Mn/Cu) [11], ozon hóa (O3) và ozon hóa xúc tác (aerogel carbon
MnFe2O4) [12], Fenton và photo-Fenton (montmorillonite biến đổi sắt) [13], màng


2
(siêu lọc) [14], phân hủy sinh học (vi khuẩn Cedecea davisae) [15], xử lý sinh học
(vi tảo) [16], trao đổi ion (nhựa terpolyme trao đổi cation) [17] và hấp phụ [18]. Hầu
kết các nghiên cứu này vẫn tồn tại các bài toán cần phải cân đối như: tốc độ và thời
gian xử lý, chi phí xử lý trên mỗi m3 nước thải, hóa chất tồn dư, chi phí đầu tư ban
đầu cao và hạn chế khả năng ứng dụng thực tế. Vì vậy, các nghiên cứu mới cần được
thúc đẩy để tìm ra các giải pháp tối ưu hơn và giải quyết được các tồn tại hiện nay
của các công nghệ trên.
Cơng nghệ oxy hóa nâng cao AOPs (advanced oxidation processes) được phát
triển từ những năm 1987, đặt nền móng cho các nghiên cứu tiên tiến và là cơ sở để
các nhà khoa học phát triển bằng việc kết hợp nhiều cơ chế, nhiều vật liệu nhằm tìm
ra các giải pháp tối ưu nhất để ứng dụng thực tế [19]. Những hạn chế hiện nay là quy
mô và khả năng thương mại hóa vẫn chưa cao. Đa phần các cơng nghê sử dụng vật
liệu làm chất xúc tác thường chế tạo bằng các chất hóa học nguyên chất, có độ tinh
khiết cao vì khả năng dễ tổng hợp của chúng [20]. Nhận thức thấy, các dòng kim loại
chuyển tiếp (Fe và Mn) khá dồi dào trong bùn thải nhà máy nước ngầm có thể tận
dụng để chế tạo thành các dạng vật liệu xúc tác khi nồng độ trong bùn thải hợp lý. Ở
Việt Nam, hiện có 4500 trạm cấp nước tập trung, công suất khoảng 10,9 triệu m3/ngày
đêm (nước mặt chiếm 87%, nước ngầm chiếm 13%) [21]. Lượng bùn thải phát sinh
từ nước ngầm có thể lên đến hàng triệu tấn/ngày hầu hết đều được đem đi chôn lấp.
Như vậy, nếu có thể tận dụng loại hình ơ nhiễm này sẽ góp phần giảm thiểu ảnh

hưởng đến mơi trường rất lớn, đồng thời giảm thiểu sử dụng chất hóa học và phát
sinh chất hóa học có hại trong các cơng trình xử lý.
Hoạt chất oxy hóa PMS (peroxymonosulfate) và PDS (peroxydisulfate) có hoạt
tính oxy hóa rất mạnh đặc biệt là trong nghiên cứu xử lý màu [22]. Ngoài ra, hai hóa
chất trên có thể xử lý đa dạng các thành phần như: molefin halogen, BTEX (benzen,
toluen, etylbenzen và xylen), hóa chất perflour hóa, phenol, dược phẩm, chất vơ cơ
và thuốc trừ sâu [23]. Các nghiên cứu trong và ngoài nước đều chỉ ra rằng hoạt lực
oxy hóa của PMS và PDS là rất mạnh, có thể xử lý đa dạng phẩm nhuộm, phẩm màu
phổ biến hiện nay trong thời gian ngắn. Hoạt tính oxy hóa của (SO4) mạnh hơn so
với OH, O, H2O nên việc nghiên cứu ứng dụng PMS và PDS kết hợp với vật liệu


3
xúc tác chứa các kim loại chuyển tiếp (ở dạng oxite hoặc hydroxite) để xử lý thành
phần ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm là hoàn toàn hợp lý và mang tính khả quan
cao [24].
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Tìm ra giải pháp xử lý ô nhiễm màu và COD trong nước thải dệt nhuộm với vật
liệu tái chế từ nguồn thải, giảm chi phí xử lý và ít ảnh hưởng đến môi trường dựa
trên:
- Tái sử dụng bùn thải nước ngầm chứa các dạng kim loại chuyển tiếp để chế
tạo vật liệu có khả năng hấp phụ và xúc tác tốt.
- Khảo sát trên cả 2 dạng phẩm màu hữu cơ phổ biến hiện nay (axit và bazơ) để
đánh giá khả năng thích nghi của vật liệu.
- Khảo sát vật liệu trên đa dạng nguồn thải (nước thải nhà máy) nhằm đánh giá
phạm vi và khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu.
1.3. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào các nội dung chính sau đây:
- Giai đoạn 1: Chế tạo và thử nghiệm vật liệu xúc tác oxite sắt là bùn nung
(300ºC) kết hợp Peroxydisulfate (K2S2O8) trên nước thải dệt nhuộm tại một Cụm công

nghiệp dệt may ở TP.HCM và phân tích các chỉ số tối ưu đặc trưng cho hệ.
- Giai đoạn 2: Biến tính bùn nước ngầm sau nung chứa Fe với Mg
(MgSO47H2O) thành vật liệu (Fe/Mg) kết hợp Peroxydisulfate (K2S2O8) trên giả thải
Methyl blue (MB) và phân tích các chỉ số tối ưu đặc trưng cho hệ.
- Giai đoạn 3: Vận hành mơ hình xử lý ô nhiễm với vật liệu (Fe/Mg) kết hợp
Peroxydisulfate (K2S2O8) dựa trên bộ thông số tối ưu cho đa dạng nguồn thải từ nhiều
nhà máy dệt nhuộm khác nhau.


4
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
Các đối tượng nghiên cứu gồm có:
- Nước thải dệt nhuộm của các nhà máy được thu thập, bùn thải từ nhà máy
nước ngầm và các loại phẩm nhuộm hữu cơ theo nội dung nghiên cứu.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu ở mức độ quy mơ phịng thí nghiệm. Địa điểm nghiên cứu: Phịng
thí nghiệm Khoa Mơi Trường Và Tài Nguyên, Đại Học Bách Khoa TP. HCM, cơ sở
2 (VRJ4+65C), Đơng Hịa, Dĩ An, Bình Dương.
Thời gian bắt đầu thực hiện: 11/2022.
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.5.1. Tính mới của đề tài
Thơng qua q trình tìm hiểu tài liệu và các cơng trình nghiên cứu trước đây, đề
tài sẽ có các cải tiến như sau:
- Nguyên liệu sử dụng chế tạo xúc tác lấy từ chất thải, cụ thể là bùn chứa Fe3+
thay cho hóa chất hồn tồn mới. Mục đích giảm chi phí và mang ý nghĩa khuyến
khích tái chế.
- Quy cách chế tạo vật liệu xúc tác ở dạng bột, đóng gói và bảo quản đơn giản,
dễ vận chuyển và dễ ứng dụng.
- Chất hoạt hóa là K2S2O8 thay cho các tác nhân hoạt hóa khác như: quang xúc

tác, ozon, H2O2…, nhằm giảm kích thước và độc tính trong nước gây ảnh hưởng đến
cơng trình vi sinh phía sau hoặc hệ thống vi sinh vật trong môi trường tự nhiên.
- Đánh giá tổng quan hơn về các yếu tố ảnh hưởng bằng các thí nghiệm định
tính và định lượng. Chuẩn hóa mơ hình và đẩy mạnh việc ứng dụng một cách dễ dàng
hơn vào thực tiễn. Chuẩn hóa liều lượng và định lượng với các kết quả từ q trình
chạy thử nghiệm trên các dịng thải khác nhau.


5
1.5.2. Ý nghĩa khoa học
Từ các kết quả kỳ vọng có thể đạt được sẽ thúc đẩy q trình nghiên cứu và ứng
dụng công nghệ cao vào lĩnh vực xử lý nước thải nói chung và nước thải dệt nhuộm
nói riêng.
Đồng thời, nghiên cứu cung cấp bộ các thông số và dữ liệu quan trọng làm tiền
đề cho các nghiên cứu về sau khi tiến hành nghiên cứu kết hợp cơng nghệ xúc tác và
oxy hóa nâng cao vào xử lý nước thải dệt nhuộm.
1.5.3. Ý nghĩa thực tiễn
Trên thực tế, nghiên cứu chỉ ra các mặt hạn chế và ưu điểm của một số công
nghệ đang được áp dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm. Từ các khuyến cáo và kết quả
nghiên cứu sẽ có các ưu điểm sau:
-

Khuyến khích khả năng tái sử dụng chất thải và đặc biệt là bùn thải nếu quy mô

sản xuất xúc tác số lượng lớn.
-

Nghiên cứu khả quan, khi áp dụng vào thực tế sẽ giảm thiểu chi phí xử lý và kích

thước các cơng trình hiện tại. Đồng thời, giảm thiểu tác động đến mơi trường khi độc

tính của chất xúc tác ở mức thấp.


×