Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu khả năng xử lý phẩm màu trong nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu sinh học điều chế từ trái của cây Mai dương (Mimosa pigra L.)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:113

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu khả năng xử lý phẩm màu trong nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu sinh học điều chế từ trái của cây Mai dương (Mimosa pigra L.)" được hoàn thành với mục tiêu nhằm điều chế vật liệu sinh học từ hạt Trái Mai dương và phân tích đặc điểm hình thái của vật liệu; Khảo sát, xác định các điều kiện tối ưu của vật liệu: thời gian, pH, hàm lượng, nồng độ; - Đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu;

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu khả năng xử lý phẩm màu trong nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu sinh học điều chế từ trái của cây Mai dương (Mimosa pigra L.)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT TRẦN HOÀI MINH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ PHẨM MÀU TRONG NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM BẰNG VẬT LIỆU SINH HỌC ĐIỀU CHẾ TỪ TRÁI CỦA CÂY MAI DƯƠNG (Mimosa pigra L.) CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 8440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ BÌNH DƯƠNG – 2022
UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT TRẦN HOÀI MINH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ PHẨM MÀU TRONG NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM BẰNG VẬT LIỆU SINH HỌC ĐIỀU CHẾ TỪ TRÁI CỦA CÂY MAI DƯƠNG (Mimosa pigra L.) CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 8440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN XUÂN DŨ BÌNH DƯƠNG – 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu khả năng xử lý phẩm màu trong nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu sinh học điều chế từ trái của cây Mai dương (Mimosa pigra L.)” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Xuân Dũ. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chính xác và chưa được tác giả khác công bố. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày trong luận văn tốt nghiệp này. Bình Dương, ngày 27 tháng 08 năm 2022 HỌC VIÊN THỰC HIỆN TRẦN HOÀI MINH i
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Trường Đại Học Thủ Dầu Một, đặc biệt là các thầy cô Viện Đào tạo sau Đại học và Ngành Khoa học môi trường đã tận tâm chỉ bảo, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian em học tập và nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Xuân Dũ, TS. Đào Minh Trung, TS. Hoàng Lê Thụy Thùy Trang, Th.S Trần Thanh Nhã, CN. Phan Hoàng Vĩnh Trường, các thầy cô quản lý phòng thí nghiệm trường ĐH. Thủ Dầu Một đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian em thực hiện đề tài này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám đốc Công ty TNHH Chyang Sheng Việt Nam, anh Nguyễn Đình Tâm và các anh chị đồng nghiệp trong công ty đã hỗ trợ em trong suốt quá trình học tập, triển khai nghiên cứu và hoàn thành đề tài. Em cũng xin cảm ơn gia đình, cha mẹ, cô đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về cả vật chất và tinh thần giúp em hoàn thành chuyên đề. Cuối cùng, em xin gửi lời chúc đến toàn thể thầy cô trong khoa cũng như anh chị trong Trung tâm và các bạn lời chúc sức khỏe, luôn hạnh phúc, thành công trong cuộc sống và trong công việc. Một lần nữa xin chân thành cảm ơn. ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................ iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU .................................................. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................ vii DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................. viii PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1 Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 2 Đối tượng nghiên cứu ......................................................................................... 3 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 3 Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................ 3 Ý nghĩa khoa học ................................................................................................ 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................ 5 1.1. Tổng quan về cây Mai dương (Mimosa pigra L.) ....................................... 5 1.1.1. Đặc điểm sinh học ................................................................................ 5 1.1.2. Phân bố và sinh thái .............................................................................. 6 1.1.3. Chu kỳ sống và khả năng xâm lấn ........................................................ 6 1.1.4. Hiểm họa từ cây Mai dương ................................................................. 7 1.1.5. Các biện pháp kiểm soát Mai dương trên Thế giới và Việt Nam ......... 8 1.1.6. Thành phần hóa học trong cây Mai dương ......................................... 10 1.2. Tổng quan về nước thải dệt nhuộm ........................................................... 11 1.2.1. Thuốc nhuộm ngành dệt nhuộm ......................................................... 11 1.2.2. Nước thải dệt nhuộm .......................................................................... 13 1.2.3. Ảnh hưởng của nước thải dệt nhuộm ................................................. 16 1.3. Tổng quan phương pháp xử lý màu nước thải dệt nhuộm ........................ 17 1.3.1. Phương pháp keo tụ - tạo bông ........................................................... 19 1.3.2. Phương pháp màng lọc ....................................................................... 19 1.3.3. Phương pháp oxy hóa hóa học ............................................................ 19 1.3.3.1. Sử dụng Ozone (O3) ..................................................................... 19 1.3.3.2. Sử dụng Hydrogen peroxide (H2O2) ............................................ 20 1.3.3.3. Sử dụng hợp chất Chlorine .......................................................... 20 iii
1.3.3.4. Phản ứng Fenton .......................................................................... 21 1.3.4. Phương pháp Điện hóa ....................................................................... 21 1.3.4.1. Oxy hóa cực (Anodic Oxidation) ................................................. 21 1.3.4.2. Điện đông tụ (Electrocoagulation (EC)) ...................................... 22 1.3.5. Phương pháp hấp phụ ......................................................................... 22 1.3.5.1. Hấp phụ vật lý .............................................................................. 22 1.3.5.2. Hấp phụ hóa học .......................................................................... 22 1.3.5.3. Giải hấp phụ ................................................................................. 23 1.3.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ phẩm màu .............................. 23 1.3.6.1. Ảnh hưởng của pH ....................................................................... 23 1.3.6.2. Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ ............................................. 23 1.3.6.3. Ảnh hưởng của nồng độ thuốc nhuộm ban đầu ........................... 24 1.3.7. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ ................ 24 1.3.8. Động học hấp phụ - Các phương trình động học hấp phụ .................. 26 1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về sử dụng vật liệu sinh học xử lý phẩm màu trong nước thải dệt nhuộm .............................................. 27 1.4.1. Việt Nam ............................................................................................. 27 1.4.2. Thế giới ............................................................................................... 27 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................. 30 2.1. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 30 2.1.1. Phương pháp thu thập thông tin, kế thừa tài liệu ................................ 30 2.1.2. Phương pháp lấy mẫu cây Mai dương ................................................ 30 2.1.3. Phương pháp xác định đặc tính hình thái của vật liệu ........................ 31 2.1.4. Phương pháp phân tích mẫu và bảo quản mẫu ................................... 31 2.1.5. Xử lý số liệu và đồ thị ......................................................................... 32 2.2. Nội dung nghiên cứu và bố trí thí nghiệm................................................. 32 2.2.1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất .............................................................. 32 2.2.2. Quy trình nghiên cứu .......................................................................... 34 2.2.3. Nội dung 1: Điều chế vật liệu sinh học từ trái Mai dương ................. 34 2.2.4. Nội dung 2: Phân tích SEM, BET, FT-IR của vật liệu đã điều chế.... 35 2.2.5. Nội dung 3: Ứng dụng vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương xử lý dung dịch màu methylene blue trong nước .............................................. 36 2.2.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH ......................................................... 36 2.2.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ ........................ 37 iv
2.2.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian xử lý ...................................... 39 2.2.5.4. Khảo sát ảnh hưởng nồng độ thuốc nhuộm methylene blue ban đầu ............................................................................................................. 40 2.2.6. Nội dung 4: Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương. .................................................................................. 42 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 45 3.1. Kết quả điều chế vật liệu sinh học từ trái Mai dương ............................... 45 3.2. Kết quả phân tích vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương ............... 46 3.2.1. Cấu trúc hình thái (SEM) của vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương .......................................................................................................... 46 3.2.2. Diện tích bề mặt (BET) của vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương .......................................................................................................... 47 3.2.3. Phân tích FTIR của vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương ...... 48 3.3. Kết quả khảo sát khả năng xử lý dung dịch MB của vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương ....................................................................................... 50 3.3.1. Ảnh hưởng của pH .............................................................................. 50 3.3.2. Ảnh hưởng của liều lượng vật liệu hấp phụ ....................................... 52 3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian xử lý và động học hấp phụ ......................... 54 3.3.3.1. Ảnh hưởng của thời gian xử lý .................................................... 54 3.3.3.2. Động học hấp phụ ........................................................................ 56 3.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ MB ban đầu và xây dựng phương trình đẳng nhiệt hấp phụ ................................................................................................. 58 3.3.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ MB ban đầu .......................................... 58 3.3.4.2. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ ................................................. 59 3.3.5. Giải hấp và tái sử dụng vật liệu .......................................................... 64 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................... 68 4.1. Kết luận ..................................................................................................... 68 4.2. Kiến nghị ................................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 70 PHỤ LỤC A ........................................................................................................ 79 PHỤ LỤC B ........................................................................................................ 82 v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU BOD Biochemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh hóa) COD Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học) SS Suspended solids Fourier Transformation Infrared Spectrometer (Phương pháp phổ FT-IR hấp thụ hồng ngoại) SEM Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) Brunauer – Emmett – Teller (Phương pháp đo diện tích bề mặt BET riêng) IR Infra Red (Phổ hồng ngoại) International Union of Pure and Applied Chemistry (Hội hóa học IUPAC ứng dụng quốc tế ) KL Kim loại KLN Kim loại nặng MB Methylene blue TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam QCVN Quy chuẩn Việt Nam CAT Catalyst (Chất xúc tác) WAO Wet Air Oxidation (Oxy hóa không khí ướt) CWAO Catalytic Wet Air Oxidation (Xúc tác Oxy hóa không khí ướt) PAH Polycyclic Aromatic Hydrocarbons MEUF Micellar-enhanced ultrafiltration TBA Tannin based adsorbents UF Ultrafiltration NF Nanofiltration RBM Microbial biomass reactors THT Than hoạt tính PFO Pseudo-first-order PSO Pseudo-second-order vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Phân loại thuốc nhuộm theo cấu trúc hóa học..................................... 12 Bảng 1.2. Các giai đoạn trong quá trình ướt và thành phần nước thải tương ứng. .............................................................................................................................. 14 Bảng 1.3. Tổng hợp các nghiên cứu trong nước và ngoài nước về vật liệu hấp phụ sinh học trong xử lý phẩm màu trong nước thải dệt nhuộm. ............................... 28 Bảng 2.1. Những thiết bị sử dụng trong luận văn................................................ 33 Bảng 2.2. Những hóa chất sử dụng trong luận văn. ............................................ 33 Bảng 3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng pH đối với hiệu quả xử lý MB của vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương..................................................................... 50 Bảng 3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng liều lượng đối với hiệu quả xử lý MB của vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương........................................................ 52 Bảng 3.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian xử lý đối với hiệu quả hấp phụ MB của vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương. .................................. 54 Bảng 3.4. Các thông số động học của mô hình biểu kiến bậc 1 và mô hình biểu kiến bậc 2. ............................................................................................................ 56 Bảng 3.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ MB ban đầu đối với hiệu quả hấp phụ MB của vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương ............................ 58 Bảng 3.6. Kết quả các thông số của mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freudlich............................................................................................................... 60 Bảng 3.7. So sánh khả năng hấp phụ methylene blue của vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương với một số nghiên cứu trước đây. ........................................... 63 Bảng 3.8. So sánh khả năng tái sử dụng của vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương với vật liệu sinh học khác. ........................................................................ 66 vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Hình ảnh cây Mai dương. ...................................................................... 5 Hình 1.2. Sơ đồ quy trình các giai đoạn trong quá trình dệt nhuộm. .................. 15 Hình 1.3. Các phương pháp xử lý màu trong nước thải. ..................................... 18 Hình 2.1. Sơ đồ quy trình nghiên cứu ứng dụng xử lý phẩm màu nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu sinh học từ trái của cây Mai dương. ................................... 34 Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm điều chế vật liệu sinh từ trái Mai dương. ...... 35 Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát pH. ................................................... 37 Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát liều lượng chất hấp phụ. .................. 38 Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát thời gian đạt trạng thái cân bằng của vật liệu hấp phụ. ................................................................................................... 40 Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng nồng độ MB ban đầu. .... 42 Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thí nghiệm giải hấp phụ và tái sử dụng của vật liệu đối với methylene blue. .................................................................................................... 44 Hình 3.1. Trái Mai dương trước khi hái và thu gom (a); Hạt và trái Mai dương sau khi phơi khô (b) và bột Mai dương sau khi xay và nghiền (c) ............................. 45 Hình 3.2. Ảnh SEM của vật liệu sinh học từ trái Mai dương trước khi xử lý MB. .............................................................................................................................. 46 Hình 3.3. Giãn đồ hấp phụ và giải hấp phụ nito tại 77K của vật liệu hấp phụ sinh học điều chế từ trái Mai dương ............................................................................ 47 Hình 3.4. Phổ FTIR của vật liệu hấp phụ điều chế từ trái Mai dương. ............... 48 Hình 3.5. Biểu đồ kết quả khảo sát pH của vật liệu xử lý MB ............................ 52 Hình 3.6. Biểu đồ kết quả khảo sát liều lượng của vật liệu xử lý MB ................ 54 Hình 3.7. Biểu đồ kết quả khảo sát ảnh hưởng thời gian của vật liệu xử lý MB. 56 Hình 3.8. Đồ thị mô hình động học biểu kiến bậc nhất của sự hấp phụ MB bằng vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương........................................................ 57 Hình 3.9. Đồ thị mô hình động học biểu kiến bậc hai của sự hấp phụ MB bằng vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương. ............................................................ 57 Hình 3.10. Biểu đồ kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ Mb ban đầu của vật liệu xử lý...................................................................................................................... 59 viii
Hình 3.11. Đồ thị mô hình đẳng nhiệt Langmuir của hấp phụ methylene blue trên vật liệu sinh học từ trái Mai dương. ..................................................................... 60 Hình 3.12. Đồ thị mô hình đẳng nhiệt Freundlich của hấp phụ methylene blue trên vật liệu sinh học từ cây hạt Mai dương. ............................................................... 61 Hình 3.13. Hiệu quả hấp phụ/giải hấp MB của vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương. ........................................................................................................... 65 ix
PHẦN MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp dệt nhuộm ngày càng phát triển, các nhà máy dệt nhuộm sử dụng lượng lớn nước, thuốc nhuộm, phụ trợ, hóa chất khác và xả nước thải có màu gây ô nhiễm nặng nề cho môi trường (Vandevivere et al., 1998). Các thành phần chính trong nước thải có thuốc nhuộm được phản ứng hòa tan hoàn toàn trong nước và có cấu trúc hóa học phức tạp chứa các nhóm không phân hủy sinh học (Perng et al., 2015). Thêm vào đó, nước thải từ ngành công nghiệp dệt nhuộm thường không cố định và thay đổi liên tục theo thời gian tùy thuộc vào thuốc nhuộm, loại vải nhuộm và nồng độ các chất cố định được thêm vào (Kim et al., 2004). Việc xử lý màu từ nước thải ngành công nghiệp dệt nhuộm đã thu hút sự chú ý của các nhà môi trường. Nước thải màu không chỉ gây ảnh hưởng đến sự thẩm mỹ và độ trong suốt của nước mà còn đó những lo ngại về độc tính và khả năng gây ung thư của một số thuốc nhuộm hữu cơ (Lu et al., 2010). Có nhiều phương pháp khác nhau để loại bỏ màu khỏi nước thải đã được nghiên cứu, phát triển và áp dụng như keo tụ tạo bông (Golob et al., 2005) oxy hóa hóa học (Pérez et al., 2002), điên hóa – điện đông tụ (Collivignarelli et al., 2019), màng lọc (Collivignarelli et al., 2019), hấp phụ (Bhatnagar et al., 2015). Đây là các phương pháp có khả năng loại bỏ màu trong nước thải dệt nhuộm, tuy nhiên mức độ phổ biến của chúng trong ứng dụng bị giới hạn bởi các nhược điểm như tạo ra nhiều bùn, tái tạo hấp phụ, màng bẩn và chi phí cao (Lu et al., 2010). Gần đây, việc phát triển các chất hấp phụ có tính kinh tế để xử lý nước thải đã thu hút sự quan tâm rất lớn (M. S. Reddy et al., 2012). Các chất hấp phụ có nguồn gốc từ sinh học có chi phí thấp được ứng dụng trong việc loại bỏ màu và các ion kim loại nặng trong nước như bột lá cây Azadirachta indica (Bhattacharyya et al., 2004), vỏ trái me (M. Reddy, 2006), vỏ cam (Namasivayam et al., 1996), cám lúa mì và cám gạo (Wang et al., 2009), lõi ngô (Sonawane et al., 2009), vỏ đậu phộng (Hameed et al., 2008) và những vật liệu khác đã được nghiên cứu. Ở các nước đang phát triển, chi phí sử dụng các phương pháp truyền thống như keo 1
tụ tạo bông, oxy hóa hóa học hay màng lọc thẩm thấu vẫn còn khá cao để được ứng dụng rộng rãi. Do đó, các chất hấp phụ từ vật liệu sinh học được nghiên cứu nhiều hơn nhằm thay thế các phương pháp truyền thống vì có chi phí thấp (M. S. Reddy et al., 2012) và hạn chế được các nhược điểm của phương pháp truyền thống (Lu et al., 2010). Cây Mai dương (Mimosa pigra L.) là một loài cây cỏ dại nhiệt đới ngoại lai với khả năng xâm lấn mạnh, gây tổn hại cho các cây cỏ xung quanh và sự đa dạng sinh thái nông nghiệp (Heard et al., 2005). Việt Nam có điều kiện thuận lợi về địa hình và khí hậu cho sự phát triển của trái Mai dương trên đất nông nghiệp và đất tự nhiên. Chính vì thế, khả năng lây lan và xâm chiếm mạnh của cây sẽ là một mối đe dọa lớn đến đất nông nghiệp và hệ sinh thái (Nguyen Hong Son et al., 2004). Nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam đang kiểm soát sự phát triển của loài cây này bằng nhiều cách khác nhau như thu hẹp khu vực sinh trưởng bằng cách phun thuốc trừ sâu, chặt bỏ thân cây, đốt thân cây (Nguyen Thi Thi Lan et al., 2001; Tran Triet, Le Cong Kiet, et al., 2004; Tran Triet, Le Cong Man, et al., 2004). Vì khả năng tạo sinh khối lớn cũng như gây hại và xâm lấn mạnh mẽ của cây Mai dương, định hướng sử dụng trái Mai dương làm nguyên liệu điều chế vật liệu để xử lý nước thải không chỉ giúp nâng cao hiệu quả diệt trừ cây Mai dương, bảo tồn đa dạng sinh thái môi trường mà còn thu được sản phẩm là vật liệu sinh học để xử lý môi trường bị ô nhiễm. Điều này không những đem lại nhiều lợi ích mà còn thực sự có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường, đảm bảo sự phát triển bền vững. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý phẩm màu trong nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu sinh học điều chế từ trái của cây Mai dương (Mimosa pigra L.)” đã được đề xuất. Mục tiêu nghiên cứu ❖ Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu khả năng xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm của vật liệu có nguồn gốc sinh học từ trái của cây Mai dương (Mimosa pigra L.) 2
❖ Mục tiêu cụ thể - Điều chế vật liệu sinh học từ hạt Trái Mai dương và phân tích đặc điểm hình thái của vật liệu; - Ứng dụng vật liệu sinh học xử lý ô nhiễm màu methylene blue (MB) trong nước; - Khảo sát, xác định các điều kiện tối ưu của vật liệu: thời gian, pH, hàm lượng, nồng độ; - Đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu; - Tổng hợp kết quả rút ra nhận xét, đánh giá, kiến nghị và kết luận. Đối tượng nghiên cứu - Vật liệu sinh học được điều chế từ toàn bộ hạt Mai dương; - Dung dịch thuốc nhuộm xanh methylen (MB). Phạm vi nghiên cứu Ứng dụng vật liệu điều chế từ trái và toàn bộ hạt cây Mai dương để xử lý dung dịch thuốc nhuộm xanh methylen ở quy mô phòng thí nghiệm. Thời gian thực hiện đề tài khoảng 06 tháng. - Địa điểm thực hiện: Thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm trường Đại học Thủ Dầu Một. - Thời gian dự kiến: từ tháng 01/2022 – 06/2022; - Giới hạn đề tài: + Vật liệu trái Mai dương được lấy tại TP. Thủ Đức + Dung dịch thuốc nhuộm màu xanh methylen được pha trong phòng thí nghiệm từ hóa chất màu MB và nước cất với nồng độ giới hạn (từ 2 – 70 ppm). + Thí nghiệm xác định đặc điểm hình thái của vật liệu như SEM, FTIR, BET: gởi mẫu đo ở Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn - Điều chế vật liệu sinh học có khả năng xử lý môi trường đặc biệt là nước thải dệt nhuộm; 3
- Xác định được các thông số tối ưu của vật liệu sinh học điều chế từ trái Mai dương để xử lý nước thải; - Ứng dụng xử lý phẩm màu trong nước thải dệt nhuộm ở quy mô phòng thí nghiệm. Ý nghĩa khoa học Xác định được quy trình điều chế vật liệu sinh học từ hạt trái Mai dương và các thông số hấp phụ tối ưu, xử lý được màu trong nước thải dệt nhuộm từ đó tạo tiền đề cho các nghiên cứu xử lý nước thải tương tự sử dụng các vật liệu sinh học thân thiện với môi trường. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về cây Mai dương (Mimosa pigra L.) 1.1.1. Đặc điểm sinh học Cây Mai dương còn có tên thường dùng khác là cây Ngưu ma vương, cây Trinh nữ nhọn, Trinh nữ đầm lầy hay cây Mắc cỡ Mỹ, có tên khoa học là Mimosa pigra L., thuộc chi Mimosa, họ Mimosaceae, có 400 – 500 loài hầu hết có nguồn gốc từ châu Mỹ (Nguyễn Chí Cương et al., 2015). Cây Mai dương được mô tả là phát hiện đầu tiên vào năm 1759 (K. L. S. Harley, 1992) và được tìm thấy lần đầu tiên ở Việt Nam vào năm 1970 (Nguyen Hong Son et al., 2004). Mai dương (Mimosa pigra L.) là loại cây bụi mọc nơi đất trống, ẩm ướt của vùng nhiệt đới. Thân cành có gai dài 7 mm, màu xanh lúc còn nhỏ và dần trở nên thân gỗ với độ dài đến 3 m và phân bố ngẫu nhiên. Lá màu xanh sáng, có dạng kép lông chim hai lần dài 20 – 25 cm gồm 15 cặp lá đơn mọc đối xứng, dài khoảng 3 – 8 mm, với phiến lá không cuống, dạng thon hẹp, lá bị xếp lại khi bị tác động nhưng thường chậm hơn so với các cây mắc cỡ khác hoặc vào ban đêm. Hoa có màu tím hoặc hồng, dạng tia và chụm lại từng nhóm thành một đầu tròn có đường kính 1 – 2 cm. Phát hoa mọc trên một trục dài 2 – 3 cm với hai trong mỗi nách lá, mỗi phát hoa có khoảng 100 hoa, mỗi nách lá có 1 – 2 phát hoa. Trái có lông rất dày đặc chia thành 14 – 26 đốt, có từ 20 – 25 hạt, trái mọc thành từng chùm trên nách lá, dài 6,5 – 7,5 cm, rộng 0,7 – 1 cm. Trái chuyển sang màu nâu khi chín, hạt có màu nâu hoặc xanh ô liu, dẹp, bầu tròn, dài 4 – 6 mm và rộng 2 mm (Nguyễn Thị Minh Châu, 2006; Beilfuss, 2007; K. L. S. Harley, 1992; Walden et al., 2002). Hình 1.1. Hình ảnh cây Mai dương. 5
1.1.2. Phân bố và sinh thái Cây Mai dương có nguồn gốc từ vùng nhiệt đới châu Mỹ từ Mexico qua Trung Mỹ đến Bắc Argentina và nay đã lan rộng khắp vùng nhiệt đới trên thế giới (K. L. S. Harley, 1992). Hiện nay, cây Mai dương là cây cỏ dại ngoại lai ở Mỹ, Úc, Malaysia, Myanmar, Lào, Thái Lan, Campuchia và Việt Nam (Nguyễn Chí Cương et al., 2015). Khí hậu nhiệt đới với hai mùa khô và mưa rất thích hợp cho cây Mai dương tăng trưởng và phát triển. Mai dương bành trướng rất nhanh ở những khu vực đất trống, sống được ở những nơi có lượng mưa thấp hơn 750 mm hoặc cao hơn 2250 mm và chịu được ngập nước trong thời gian dài. Cây Mai dương không kén đất, nhưng thường mọc tốt ở những nơi ẩm ướt như đồng bằng ven sông, ven biển tạo nên thảm bụi cây dày đặc rậm rạp che bóng không cho hạt của loài cây bản địa nảy mầm. Nó có rất ít loài thiên địch và ít bị ảnh hưởng bởi sự cạnh tranh của loài khác (K. L. S. Harley, 1992; Nguyen Hong Son et al., 2004). 1.1.3. Chu kỳ sống và khả năng xâm lấn Cây Mai dương sinh sản bằng hạt và sinh trưởng phát triển nhanh chóng. Cây đầu ra hoa khoảng 6 – 8 tháng sau khi nảy mầm. Lượng hạt sinh ra từ cây Mai dương trong một năm rất lớn, trung bình từ 9000 - 12000 hạt/cây (Walden et al., 2002). Hạt được bọc bởi lớp vỏ nhiều lông, rất nhẹ giúp chúng dễ dàng di chuyển theo gió, ham bám trên người, động vật, xe cộ cơ giới và cả trong đất và cát nhưng chủ yếu phát tán theo dòng nước, nước lũ, hệ thống kênh rạch… Hạt rất cứng và có thể duy trì miên trạng trong vòng 15 năm tùy thuộc vào môi trường, và tồn tại ít nhất 23 năm trong đất cát, sống hơn 5 năm trong phòng thí nghiệm. Vì luôn có một lượng lớn hạt nằm sâu trong đất nên phải kiểm soát cây mầm trong nhiều năm sau khi loại trừ cây trưởng thành. Hạt của cây không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao. Hơn thế, nhiệt độ thay đổi còn làm vỡ vỏ hạt để giúp hạt dễ dàng hút nước và nảy mầm, thường nảy mầm vào mùa mưa hoặc sau khi cháy. Mai dương là loài cây đâm chồi rất mạnh từ gốc thân đã bị chặt. Cây tăng trưởng với một thân đơn độc khi còn non nhưng khi trưởng thành sẽ có nhiều nhánh mọc từ gốc với hệ 6
thống rễ phụ. Cây sinh trưởng và ra hoa quanh năm. Tuổi thọ của cây tùy thuộc vào từng loại đất, trung bình tuổi thọ của cây khoảng 5 năm tuổi. Cây trưởng thành thường bị chết với một tỷ lệ nhất định và được bổ sung bằng cây nảy mầm, chúng có thể tồn tại ít nhất 15 năm (Beilfuss, 2007; K. L. S. Harley, 1992). Quần thể Mai dương tăng trưởng và phát triển nhanh quanh hệ thống sông ngòi, ao hồ. Diện tích của vùng bị xâm lấn tăng gấp đôi sau 1 đến 2 năm. Cây có khả năng tái sinh, lan rộng rất lớn theo hàm mũ cơ số 2, nếu 1 ha không kiểm soát sau 10 năm có thể phát triển thành 1024 ha (Nguyễn Thị Minh Châu, 2006). Theo khảo sát của Vườn quốc gia Tràm Chim vào năm 1999, diện tích bị cây Mai dương xâm lấn khoảng 150 ha, nhưng vào đến tháng 5 năm 2000 thì diện tích đó là 490 ha và 1000 ha năm 2001 (Nguyen Hong Son et al., 2004). Theo đánh giá của chuyên gia Bộ Nông Nghiệp Úc, nếu không tiến hành diệt trừ hiệu quả trong vòng 5 năm tới cây Mai dương có thể bao phủ hoàn toàn Vườn quốc gia Tràm Chim (Nguyễn Thị Minh Châu, 2006). 1.1.4. Hiểm họa từ cây Mai dương Với sự tăng trưởng và phát triển nhanh chóng, cây Mai dương đang xâm lấn mạnh các khu bảo tồn đất ngập nước ở Úc, Thái Lan, Mỹ (Florida) và châu Phi. Những nơi có cây Mai dương mọc dày đặc, thực vật thân thảo và cây mầm của các loài cây khác khó có thể mọc được dưới tán cây Mai dương. Ngoài ra, cây Mai dương còn đe dọa ngành chăn nuôi, nhất là chăn nuôi trâu bò, khi chúng bị mắc kẹt trong bụi Mai dương thì khó có thể tự đi ra được. Động vật bậc cao hầu như không ăn lá cây Mai dương ngay cả khi khan hiếm thức ăn (Braithwaite et al., 1989). Hơn nữa, sự phát triển của cây Mai dương cũng giới hạn dòng chảy sông ngòi, làm ảnh hưởng đến ngư dân, du lịch và giao thông đường thủy (Walden et al., 2002). Hiện nay, ở Việt Nam, sự xâm lấn của cây Mai dương đang trở thành mối hiểm họa đối với nhiều khu vực trên cả nước. Tại huyện Cát Tiên, Lâm Đồng, một cánh đồng rộng khoảng 100 ha bị loài này xâm lấn mạnh, đến mức hầu như toàn bộ vùng đất bị bỏ hoang không thể trồng trọt được. Riêng tỉnh An Giang, theo báo cáo của Chi cục Bảo vệ Thực vật An Giang tính đến năm 2003 thì diện tích 7
xâm lấn của cây Mai dương toàn tỉnh là 362,77 ha (Nguyễn Thị Minh Châu, 2006). Tại Quảng trị, năm 2014 đất bị cây Mai dương xâm chiếm là 10000 ha (Khuyết danh, 2014). Ở các tỉnh thuộc vùng đồng bằng sông Cửu Long khoảng hơn 6000 ha, các tỉnh Đông Nam Bộ, Tây Nguyên và các tỉnh phía Bắc là trên 10000 ha (Anh Thư và Hùng Tráng, 2019). Ở Vườn Quốc gia Tràm Chim, cây Mai dương đang xâm lấn các đồng cỏ năng là bãi ăn, bãi nghỉ của loài chim quý hiếm của Việt Nam là Sếu đầu đỏ. Cây Mai dương không chỉ làm ảnh hưởng đến hoạt động của đàn sếu mà còn gây trở ngại cho việc đi lại của con người và các loài vật khác do thân có nhiều gai và mọc khá dày đặc. Nguy hiểm hơn, với tốc độ sinh trưởng nhanh, nó sẽ làm thay đổi thảm thực vật bản địa, phá vỡ cân bằng sinh thái tại đây, giảm giá trị bảo tồn của vùng cỏ ngập nước, giảm giá trị du lịch sinh thái của Vườn Quốc gia Tràm Chim (Nguyễn Thị Minh Châu, 2006). 1.1.5. Các biện pháp kiểm soát Mai dương trên Thế giới và Việt Nam Trước thực trạng xâm lấn nguy hại ngày một rộng mà loài Mai dương gây ra, trên Thế giới cũng như Việt Nam đã có rất nhiều các biện pháp, nghiên cứu khác nhau về phòng ngừa, diệt trừ được đưa ra nhằm kiểm soát loài cây này. Chỉ từ năm 1992 trở lại đây đã có nhiều cuộc hội thảo Quốc tế chuyên bàn về vấn đề cây Mai dương và các biện pháp phòng trừ chúng, song có thể khẳng định không một biện pháp đơn lẻ nào có thể mang lại hiệu quả cao và triệt để trong việc phòng trừ loài cây này. Từ đó, có nhiều biện pháp khác nhau đã được khuyến cáo ứng dụng như biện pháp thủ công nhổ, chặt, biện pháp đốt hay sử dụng thuốc trừ sâu và biện pháp sinh học (Nguyen Hong Son et al., 2004) Anh Thư và Hùng Tráng, 2019). Biện pháp thủ công nhổ cắt, nhổ, chặt đốn bằng máy hay bằng tay được áp dụng rất có hiệu quả. Tuy nhiên, hai biện pháp này đều rất tốn kém vì cần nhiều nhân công lao động nên có tính khả thi thấp (Schatz, 2001). Biện pháp đốt: thường chỉ áp dụng sau khi cắt hay đã sử dụng thuốc trừ cỏ để làm tăng tỷ lệ chết của cây. Tuy nhiên, sẽ kích thích cho hạt nảy mầm nhiều 8
hơn. Bên cạnh đó cũng có thể xảy ra rủi ro cháy rừng khi triển khai trên diện rộng (Nguyen Hong Son et al., 2004; Nguyen Thi Thi Lan et al., 2001). Biện pháp hoá học: phun thuốc diệt cỏ, đưa thuốc vào đất... đã được sử dụng để diệt trừ Mai dương ở Mexico, Costa - Rica, Australia và Thái Lan vào những năm 70 - 80 của thế kỷ XX. Cho đến nay, đây được coi là biện pháp có hiệu quả phòng trừ cao, triệt để và kinh tế nhất, do đó được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới (Nguyễn Thị Minh Châu, 2006; Nguyễn Chí Cương et al., 2015). Biện pháp sinh học: Người ta đã tiến hành điều tra nguồn ký sinh thiên địch của cây Mai dương tại vùng bản xứ của nó như Brazil, Mexico, Venezuela, sau đó du nhập và nhân thả ở các vùng bị nhiễm Mai dương (K. Harley et al., 1995). Hiện nay, ở Úc đã nghiên cứu và nhân thả được 14 tác nhân sinh học có khả năng ứng dụng để trừ cây Mai dương, nhưng trong đó chỉ có 2 loài có khả năng hạn chế tốt cây Mai dương là sâu đục thân Carmenta mimosae được nhân thả ở Úc năm 1989, ở Thái Lan năm 1991; và sâu đục ngọn Neurostrota gunniella được thả ở Úc năm 1989 (Heard et al., 2009) . Trong đó, loài sâu đục thân Carmenta mimosae đã được tổ chức CSIRO hỗ trợ để nhân thả ở Việt Nam từ 1995 – 1997 (Nguyen Hong Son et al., 2004). Hai loài mọt đục hạt Mai dương là Acanthoscelides puniceus và A. quadridentatus cũng đã được nhân thả thành công ở Úc và Thái Lan (Wilson et al., 1991). Bên cạnh các loài côn trùng, hướng nghiên cứu sử dụng các loài nấm gây hại cho Mai dương dưới dạng phòng trừ cổ điển và thuốc trừ cỏ sinh học cũng đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước đặc biệt là Úc và Thái Lan. Cho đến nay, loài nấm có triển vọng nhất đã được xác định và ứng dụng thành công để phòng trừ Mai dương là Phloeospora mimosae pigrae. Loài nấm này có thể phát triển nhanh và hạn chế được khả năng phát triển của cây. Tuy nhiên, nó chỉ có khả năng hạn chế sự phát triển của các cây non cao dưới 80 cm và không có khả năng diệt trừ triệt để (HenneckeA et al., 2001). Tại Việt Nam, nghiên cứu của Nguyễn Thị Thu Hồng năm 2006 đã dùng cây Mai dương làm thức ăn cho dê để đánh giá khả năng ăn vào và tiêu hóa của dê thịt. Nghiên cứu cho thấy Mai dương có hàm lượng dinh dưỡng cao tương đương 9