ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BONG BÓNG KHÍ NANO TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH DỆT NHUỘM

Tác giả: TS. Phạm Thị Tốt
Đơn vị: Khoa CNSD

1. Giới thiệu

Theo thống kê của tổ chức y tế thế giới (WHO) cứ ba người thì có một người không được tiếp cận với nguồn nước sạch. Theo báo cáo của Liên Hợp Quốc, mỗi năm có khoảng 1,5 triệu người chết do uống nước bị ô nhiễm [1].

Hình 1. Nước thải ngành nhuộm

Mặc dù hơn 70% bề mặt trái đất được bao phủ bởi nước nhưng con người vẫn không có nguồn nước sạch để sử dụng do nguồn nước hiện nay đang bị ô nhiễm nặng. Một trong các nguồn thải gây ô nhiễm nguồn nước hiện nay là nước thải của ngành dệt nhuộm. Ngành dệt nhuộm là ngành gây ô nhiễm nước lớn thứ hai trên toàn thế giới chiếm khoảng 20% tổng lượng nước thải. Trong các công đoạn sản xuất của ngành dệt nhuộm như giũ hồ, nấu vải, tẩy trắng và nhuộm đều sử dụng rất nhiều nước, do vậy tạo ra lượng nước thải rất lớn [1].

Nước thải dệt nhuộm chứa nhiều hóa chất độc hại gây ô nhiễm môi trường trong đó có các loại thuốc nhuộm [2]. Để xử lý thuốc nhuộm trong nước thải có nhiều phương pháp khác nhau như: hấp phụ [3], xử lý vi sinh [4], hấp phụ hóa học [5], hấp phụ sinh học [6], sử dụng công nghệ bong bóng khí nano [7],… Mỗi phương pháp xử lý đều có các ưu nhược điểm khác nhau, phương pháp xử lý vi sinh có hiệu quả xử lý cao nhưng lại tốn diện tích, thời gian xử lý và điều kiện xử lý khắt khe [8]. Phương pháp hấp phụ có hiệu quả xử lý cao nhưng lại chuyển chất thải từ dạng này sang dạng khác [9]. Phương pháp sử dụng công nghệ bong bóng khí nano là công nghệ mới có nhiều ưu điểm như hiệu quả xử lý cao, thân thiện với môi trường, vì vậy mà công nghệ này đang được quan tâm nghiên cứu.

2. Xử lý nước thải dệt nhuộm bằng công nghệ bong bóng khí nano

Công nghiệp bong bóng khí nano đã có sự phát triển vượt bậc trong hai thập kỷ qua do khả năng xử lý và tính ổn định cao so với bong bóng khí micro. Công nghệ bong bóng khí nano được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Xử lý hồ, ao, xử lý nước thải, nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, dầu khí, khai thác mỏ,… Đặc biệt trong ngành dệt may được ứng dụng nhiều để xử lý nước thải [1,10].

Hình 2. Kích thước của bong bóng khí [1,10,11]

Do bong bóng khí nano có một số đặc tính ưu việt như tích điện âm, diện tích bề mặt lớn, chuyển động nhanh và dễ tạo ra các gốc tự do. Nhờ những đặc điểm này, bong bóng khí nano ngày càng được ứng dụng rộng rãi so với bong bóng khí kích thước lớn [1,10,11]. Bong bóng khí nano được tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp thủy động lực học, sử dụng sóng siêu âm, sử dụng ánh sáng có cường độ lớn, sử dụng tia laser. Tuy nhiên phương pháp thủy động lực học để tạo ra bong bóng khí nano là phương pháp được sử dụng nhiều. Đây là phương pháp tốn ít năng lượng.

Hình 3. Ứng dụng công nghệ bong bóng khí nano trong xử lý nước thải [11]

Trong quá trình xử lý nước thải và tái tạo nguồn nước tự nhiên, sục khí đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp oxy để duy trì sự sống cho các loài thủy sinh và phân hủy chất ô nhiễm bằng phương pháp oxy hóa. Bong bóng khí nano tồn tại ở dạng lơ lửng trong nước, do đó có thể khuếch tán oxy từ từ vào trong nước. Tốc độ di chuyển của khí nhanh nên tăng hiệu quả cung cấp oxy. Tuy nhiên, do tốc độ di chuyển nhanh và việc tạo ra các sóng xung đột khi bong bóng vỡ sẽ gây tổn hại cho các loài thủy sinh.

Hình 4. Mức độ lơ lửng trong nước của bong bóng khí nano

Quá trình hình thành và vỡ của bong bóng khí nano sẽ tạo ra các nhóm có tính oxi hóa mạnh như (OH^.), (^.O₂^-), (^.O₂). Các nhóm này sẽ oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong nước thải tạo ra sản phẩm trung gian và cuối cùng sẽ tạo thành CO₂ và H₂O theo phản ứng (1) và (2). Tuy nhiên phương pháp này không sử dụng để xử lý nước thải thô chứa nhiều tạp chất vì các tạp chất này sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành bong bóng khí và làm cho chúng nhanh bị vỡ nên hiệu suất xử lý không cao [1,11].

OH^. + hợp chất hữu cơ → hợp chất trung gian        (1)

OH^. + hợp chất trung gian → CO₂ + H₂O                (2)

Hình 5. Quá trình oxi hóa [1]

Để tăng hiệu quả xử lý thuốc nhuộm trong nước thải có thể kết hợp công nghệ bong bóng khí nano với phương pháp xúc tác quang hóa. Khi kết hợp hai phương pháp này thì số lượng nhóm oxi hóa (OH^.), (^.O₂^-), (^.O₂) được tạo ra nhiều hơn do vừa được tạo ra từ quá trình xúc tác quang hóa và vừa được tạo ra từ quá trình vỡ của bong bóng khí nano. Nhờ quá trình sục tạo bong bóng khí nano giúp quá trình khuếch tán tốt hơn góp phần hạn chế sự tái tổ hợp giữa electron và lỗ trống, do vậy tăng hiệu quả xử lý và rút ngắn thời gian xử lý [7].

Theo nghiên cứu của nhóm tác giả Orawan Rojviroon, khi kết hợp phương pháp xúc tác quang hóa với sục bong bóng khí nano sẽ tăng hiệu quả xử lý thuốc nhuộm và giảm thời gian xử lý. Theo kết quả nghiên cứu cho thấy, quá trình xúc tác quang hóa sẽ tạo ra các nhóm ^.O₂^- là các nhóm nhận điện tử sẽ làm giảm sự tái tổ hợp giữa điện tử và lỗ trống. Khi kết hợp sục bong bóng khí nano với phương pháp xúc tác quang hóa sẽ tạo ra nhiều gốc ^.O₂^- thông qua phản ứng giữa e^-_CB và O₂ (phản ứng 1). Sau đó ^.O₂^- sẽ tham gia các phản ứng trung gian và cuối cùng tạo ra nhóm ^•OH theo các phản ứng (2)-(6) [7].

e^-_CB + O₂ → ^•O₂^-                             (1)

^•O₂^- + H+ → ^•HO₂                          (2)

2^•HO₂ → H₂O₂ + O₂                      (3)

H₂O₂ + ^•O₂^- → OH^- + ^•OH + O₂    (4)

e^-_CB + H₂O₂ → OH^- + ^•OH             (5)

H₂O₂ + hv → 2^•OH                       (6)

Hình 6. Cơ chế xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm Indigo bằng phương pháp xúc tác quang hóa kết hợp với công nghệ bong bóng khí nano [7]

Hình 7. Cơ chế xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính bằng phương pháp xúc tác quang hóa kết hợp với công nghệ bong bóng khí nano [7]

Phương pháp xúc tác quang hóa có thể xử lý thuốc nhuộm thành các sản phẩm cuối cùng là CO₂ và H₂O nhưng trong nghiên cứu này thuốc nhuộm Indigo và thuốc nhuộm hoạt tính mới chỉ bị oxi hóa thành các sản phẩm phụ có cấu trúc đơn giản, phá vỡ các vòng thơm, phân hủy màu và giảm độc tính của thuốc nhuộm. Cơ chế phân hủy các thuốc nhuộm này được đề xuất như trên hình 6, hình 7 [7].

Hình 8. Xử lý nước thải dệt nhuộm [1]

3. Kết luận

Công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm bằng bong bóng khí nano là một công nghệ mới có tiềm năng phát triển trong tương lai. Với công nghệ này có thể xử lý nước thải dệt nhuộm góp phần vào phát triển bền vững ngành dệt may. Bằng việc sử dụng công nghệ hiện đại sẽ góp phần vào phát triển nền kinh tế và bảo vệ môi trường.

4. Tài liệu tham khảo

[1]. Mazharul I. K., (2021), Nanobubble Technology: The Sustainable Eco-Friendly Textile Solutions, Textile learner.net.

[2]. Ghaly A. E., Ananthashankar R., Alhattab M. V. V. R., Ramakrishnan V. V. (2014), Production, Characterization and Treatment of Textile Effluents: A Critical Review, Journal Chemical Engineering and Process Technology, 5(1), pp. 1-18.

[3]. Peyghami A., et. al, (2021), Evaluation of the efficiency of magnetized clinoptilolite zeolite with Fe₃O₄ nanoparticles on the removal of basic violet 16 (BV16) dye from aqueous solutions, Journal of Dispersion Science and Technology, 44(2), pp. 278-287.

[4]. Li X. Z., Zhao Y. G., (1997), On-site treatment of dyeing wastewater by a bio-photoreactor system, Water Science and Technology, 36(2-3), pp. 165-172.

[5]. Alabbad E. A., (2020), Efficient removal of methyl orange from wastewater by polymeric chitosan-iso-vanillin, Open Chemistry Journal, 7, pp. 16-25.

[6]. Rumky J. F., et al., (2013), Environmental treatment of dyes: Methyl orange decolorization using hog plum peel and mix-bacterial strains, IOSR Journal Of Environmental Science, Toxicology And Food Technology, 5(3), pp. 19-22.

[7]. Rojviroon O. and Rojviroon T., (2022), Photocatalytic process augmented with micro/nano bubble aeration for enhanced degradation of synthetic dyes in wastewater, Water Resources and Industry, 27.

[8]. M. Roy, R. Saha, (2021), Chapter 6 – Dyes and Their Removal Technologies From Wastewater: A Critical Review, Intelligent Environmental Data Monitoring for Pollution Management: Intelligent Data-Centric Systems, Academic Press, pp. 127–160

[9]. N.A. Youssef, S.A. Shaban, F.A. Ibrahim, A.S. Mahmoud, (2016), Degradation of methyl orange using Fenton catalytic reaction, Egypt. J. Petrol., 25, pp. 317–321

[10]. Meegoda J. N., Aluthgun Hewage S. and Batagoda J. H. (2018), Stability of nanobubbles, J. Environ. Sci., 35(11), pp. 1216-1227.

 [11]. Lyu T., Wu, S., Mortimer R. J., and Pan G. (2019), Nanobubble technology in environmental engineering: revolutionization potential and challenges, Environ. Sci. Technol., 53 (13), pp. 7175–7176.