Nghiên cứu tách thu hồi thuốc nhuộm dư trong
nước thải nhuộm bằng màng lọc và khả năng
giảm thiểu fouling cho quá trình lọc tách thuốc
nhuộm qua màng
Cù Thị Vân Anh
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn Thạc sĩ ngành: Hóa môi trường; Mã số: 60 44 41
Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Dung
Năm bảo vệ: 2012
Abstract: Tổng quan về nước thải dệt nhuộm, phương pháp xử lý, màng lọc, các quá
trình tách màng và biến tính bề mặt màng lọc. Trình bày phương pháp nghiên cứu:
Đánh giá khả năng tách thuốc nhuộm của màng; xác định độ giảm năng suất lọc theo
thời gian; đánh giá độ bền của màng trong các môi trường pH khác nhau; đánh giá khả
năng phục hồi năng suất lọc bằng phương pháp rửa; biến tính bề mặt màng lọc; xác
định lượng polyme được trùng hợp ghép lên bề mặt màng; xác định lượng thuốc
nhuộm hấp phụ lên màng trong quá trình lọc; nghiên cứu cấu trúc và tính chất bề mặt
màng. Đưa ra kết quả thực nghiệm và thảo luận: Xây dựng đường chuẩn xác định
nồng độ thuốc nhuộm; khả năng tách loại thuốc nhuộm của màng ở các điều kiện khác
nhau; Khả năng giảm fouling cho quá trình lọc tách thuốc nhuộm qua màng.
Keywords: Hóa môi trường; Kỹ thuật màng lọc; Thuốc nhuộm; Xử lý nước thải
Content
MỞ ĐẦU
Ngành dệt nhuộm đã có từ lâu đời vì nó gắn liền với một trong những nhu cầu cơ bản
của con người là may mặc. Sản lượng dệt trên thế giới ngày càng tăng, không chỉ về chất
lượng mà còn đa dạng về mẫu mã, màu sắc của sản phẩm. Ở Ấn Độ, hàng năm sản xuất
khoảng trên 4000 triệu mét vải. Ở Việt nam, ngành công nghiệp dệt may đang trở thành một
trong những ngành công nghiệp mũi nhọn, hàng năm sản xuất khoảng trên 2000 triệu mét vải
và trong các năm tới sẽ còn tăng thêm. Tuy nhiên, một vấn đề luôn đi kèm theo qui mô sản
xuất là vấn đề chất thải của ngành này, trong đó có nước thải. Nước thải phát sinh trong ngành
công nghiệp dệt nhuộm xuất phát từ các công đoạn hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm... Nếu
lượng nước thải này chỉ xử lý sơ bộ, sau đó xả ra môi trường sau mỗi chu trình thì không chỉ
gây thiệt hại cho nguồn tài nguyên nước mà còn làm ô nhiễm môi trường nước và không tận
dụng hết thuốc nhuộm còn tồn dư. Hiện nay, các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm đòi
2
hỏi khá nhiều chi phí, kỹ thuật phức tạp mà hiệu quả không cao. Thành phần gây ô nhiễm
chính trong nước thải dệt nhuộm là lượng thuốc nhuộm tồn dư trong dòng thải sau công đoạn
nhuộm. Do đó, việc tách thu hồi thuốc nhuộm tồn dư ngay tại công đoạn phát sinh là một
trong những giải pháp hữu ích để xử lý và giảm thiểu ô nhiễm nước thải dệt nhuộm. So với
các phương pháp xử lý thông thường, ngoài mục đích tách thuốc nhuộm dư trong nước thải
nhuộm, kỹ thuật lọc màng còn cho phép tái sử dụng lại dung dịch nhuộm và nước sạch sau
khi đã tách thuốc nhuộm, đây là một phương pháp có nhiều ưu điểm và đã được áp dụng ở
một số nước. Ở nước ta, việc áp dụng kỹ thuật lọc màng trong xử lý nước thải dệt nhuộm là
vấn đề còn rất mới.
Phương pháp tách bằng màng là một trong những kỹ thuật tách hiện đại và được ứng
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong khoảng vài chục năm trở lại đây, kỹ thuật lọc màng
đã có những bước tiến bộ vượt bậc và được áp dụng rộng rãi ở qui mô công nghiệp cho nhiều
mục đích khác nhau, như sản xuất nước sạch và siêu sạch, lọc hoá dầu, dược phẩm, thực
phẩm, hoá chất, y tế, môi trường … Ưu điểm của phương pháp lọc bằng màng là có thể tách
được các cấu tử có kích thước rất khác nhau, từ cỡ hạt tới cỡ ion mà không cần phải sử dụng
thêm các hoá chất khác, các cấu tử cần tách không phải chuyển pha, là phương pháp tách hiện
đại, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường.
Trong luận văn này, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu tách thu hồi thuốc
nhuộm dư trong nước thải nhuộm bằng màng lọc và khả năng giảm thiểu fouling cho quá
trình lọc tách thuốc nhuộm qua màng”
Trước hết xin trình bày một số giới thiệu về thuốc nhuộm và màng lọc.
1.1. Nước thải dệt nhuộm và các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm
1.1.1. Công nghệ sản xuất và nguồn phát sinh nước thải
Thông thường công nghệ dệt nhuộm gồm ba quá trình cơ bản: Kéo sợi, dệt vải và xử
lý (nấu tẩy), nhuộm và hoàn thiện vải. Các công đoạn chính gồm:
- Làm sạch nguyên liệu.
- Kéo sợi, đánh ống, mắc sợi.
- Hồ sợi dọc.
- Dệt vải.
- Giũ hồ.
- Nấu vải.
- Làm bóng vải.
- Tẩy trắng.
- Nhuộm vải và hoàn thiện:
3
Nguồn nước thải phát sinh trong công nghệ dệt nhuộm là từ các công đoạn hồ
sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất, trong đó lượng nước thải chủ yếu do quá trình giặt
sau mỗi công đoạn, và nước thải công đoạn giặt sau nhuộm chiếm từ 20 đến 60 % tổng lượng
nước thải.
1.1.2. Đặc trưng nước thải dệt nhuộm
Những đặc trưng nước thải dệt nhuộm theo bảng sau:
Bảng 1.1. Các chất gây ô nhiễm và đặc tính của nước thải ngành dệt-nhuộm [14 ]
Công đoạn
Chất ô nhiễm trong nước thải
Đặc tính của nước thải
Hồ sợi, giũ hồ
Tinh bột, glucose, carboxy metyl xenlulo,
polyvinyl alcol, nhựa, chất béo và sáp
BOD cao (34 đến 50 % tổng
BOD)
Nấu tẩy
NaOH, chất sáp và dầu mỡ, tro, soda, silicat
natri và xơ sợi vụn
Độ kiềm cao, màu tối, BOD
cao (30 % tổng BOD)
Tẩy trắng
Hypoclorit, hợp chất chứa clo, NaOH,
AOX, axit …
Độ kiềm cao, chiếm 5 %
BOD
Làm bóng
NaOH, tạp chất
Độ kiềm cao, BOD thấp
(dưới 1% tổng BOD)
Nhuộm
Các loại thuốc nhuộm, axit axetic và các
muối kim loại
Độ màu rất cao, BOD khá
cao, TS cao
In
Chất màu, tinh bột, dầu, đất sét, muối, kim
loại, axit …
Độ màu cao, BOD cao và dầu
mỡ
Hoàn thiện
Vết tinh bột, mỡ động vật, muối
Kiềm nhẹ, BOD thấp
1.1.3. Các phương pháp ngăn ngừa, giảm thiểu và xử lý nước thải dệt nhuộm
Các phương pháp ngăn ngừa, giảm thiểu ô nhiễm nước thải ngành dệt nhuộm có thể
thực hiện trong quá trình sản xuất như:
- Giảm nhu cầu sử dụng nước bằng cách thường xuyên kiểm tra hệ thống nước cấp,
tránh rò rỉ nước. Sử dụng công nghệ tẩy, nhuộm, giặt hợp lý. Tuần hoàn, sử dụng lại các dòng
nước giặt ít ô nhiễm và nước làm nguội.
- Hạn chế sử dụng các hóa chất trợ, thuốc nhuộm ở dạng độc hay khó phân hủy sinh
học. Giảm các chất gây ô nhiễm nước thải trong quá trình tẩy, giảm ô nhiễm kiềm trong nước
thải từ công đoạn làm bóng.
4
- Thu hồi và sử dụng lại dung dịch hồ từ công đoạn hồ sợi và giũ hồ, phương pháp lọc
màng dùng để thu hồi PVA được ứng dụng lần đầu tiên ở Mỹ năm 1974 và cho đến nay đã
được áp dụng ở nhiều nước châu Âu.
- Sử dụng nhiều lần dịch nhuộm vừa tiết kiệm hóa chất, thuốc nhuộm và giảm được ô
nhiễm môi trường. Các loại thuốc nhuộm cho phép sử dụng lại nhiều lần gồm: Thuốc nhuộm
axit dùng cho len và polyamit, thuốc nhuộm bazo dùng cho polyacrylonitril, thuốc nhuộm
trực tiếp cho mặt hàng bông, thuốc nhuộm phân tán cho sợi tổng hợp như polyester. Cho đến
nay, việc thu hồi thuốc nhuộm từ dịch nhuộm bằng phương pháp lọc màng đã được thực hiện
thành công ở một số nước để thu hồi thuốc nhuộm indigo từ quá trình nhuộm sợi bông. Sau
khi nhuộm thì phần thuốc nhuộm không gắn vào sợi sẽ đi vào nước giặt với nồng độ 0,1 ppm.
Để thu hồi thuốc nhuộm, dùng phương pháp lọc màng để nâng nồng độ thuốc nhuộm sau lọc
lên 60 đến 80 ppm và có thể đưa vào bể nhuộm để sử dụng lại.
Do đặc thù của công nghệ, nước thải ngành dệt nhuộm chứa tổng hàm lượng chất rắn, độ
màu, BOD, COD cao. Việc lựa chọn phương pháp xử lý cần phải dựa vào nhiều yếu tố như
lượng nước thải, đặc tính nước thải, tiêu chuẩn thải … Về nguyên lý, hiện có các phương
pháp sau được áp dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm:
* Phương pháp đông keo tụ: Đây là phương pháp khá thông dụng trong xử lý nước thải dệt
nhuộm. Trong phương pháp này người ta dùng phèn nhôm hoặc phèn sắt cùng với sữa vôi
khử màu và một phần COD. Điều chỉnh pH thích hợp cho từng loại phèn và loại nước thải cần
xử lý.
* Phương pháp hấp phụ: Cơ sở của quá trình là hấp phụ chất tan lên bề mặt chất rắn xốp
(chất hấp phụ). Các chất hấp phụ thường là than hoạt tính, than nâu, đất sét, cacbonat, magie,
trong đó than hoạt tính có bề mặt riêng lớn từ 400 đến 500 m2/g.
* Phương pháp oxi hóa: Các chất nhuộm vải hầu hết đều là các chất bền hóa học nên phải
dùng các chất oxi hóa mạnh như clo, ozon, peroxit....để oxy hóa thuốc nhuộm.
* Phương pháp sinh học: Dùng để xử lý các chất có thể phân hủy sinh học như hồ tinh bột....
* Phương pháp màng lọc: Phương pháp này đã được ứng dụng trong xử lý nước thải ngành
dệt nhuộm với mục đích thu hồi các chất tái sử dụng lại như hồ tinh bột, PVA, thu hồi muối
và thuốc nhuộm. Một số kết quả nghiên cứu về việc áp dụng kỹ thuật lọc màng NF và RO đã
cho thấy phương pháp này khá hiệu quả, có thể giảm COD tới 99,5 %. Việc áp dụng công
nghệ màng có thể giảm lượng nước sạch tiêu tốn cho quá trình nhuộm vải tới 70%. Kỹ thuật
lọc màng có thể áp dụng để xử lý nước thải nhuộm tốt hơn rất nhiều so với các phương pháp
thông thường.
5
1.2. Giới thiệu về màng lọc và các quá trình phân tách màng
Màng lọc là một loại vật liệu được sử dụng trong quá trình tách một hỗn hợp đồng thể
hay dị thể (lỏng – lỏng, lỏng – rắn, khí – rắn, khí – khí). Một cách khái quát, có thể coi màng
là một lớp chắn có tính thấm chọn lọc đặt giữa hai pha – pha đi vào (feed) và pha thấm qua
(filtrate). Trong quá trình tách, màng có khả năng lưu giữ được một số cấu tử trong hỗn hợp
và cho các cấu tử khác đi qua. Quá trình vận chuyển chất qua màng được thực hiện một cách
tự nhiên hay cưỡng bức nhờ động lực giữa hai phía màng. Động lực của quá trình tách qua
màng là chênh lệch áp suất, chênh lệch nồng độ, chênh lệch nhiệt độ hay chênh lệch điện
trường.
Các quá trình màng động lực áp suất chủ yếu gồm: lọc thường, vi lọc, siêu lọc, lọc nano,
thẩm thấu ngược. Việc phân chia thành các quá trình màng dựa theo kích thước lỗ màng và
cũng chỉ mang tính tương đối. Ngoài ra còn một số quá trình khác như điện thẩm tách, thẩm
tách và bốc hơi qua màng.
1.3 Biến tính bề mặt màng lọc
Để nâng cao tính năng tách của màng, giảm mức độ tắc màng nói chung, đặc biệt là
trong quá trình tách các chất hữu cơ, ngoài các phương pháp rửa cơ học và lựa chọn chế độ
thủy động thích hợp, gần đây việc nghiên cứu biến tính bề mặt màng là một giải pháp rất được
quan tâm nghiên cứu.
Phương pháp biến tính bề mặt có nhiều ưu điểm: Cải thiện được tính chất bề mặt vật
liệu mà không gây ảnh hưởng đến tính chất bên trong vật liệu như khả năng bám dính, độ
thấm nước, tính thích ứng sinh học, chống fouling ... mà không cần phải chế tạo lại toàn bộ
khối vật liệu, nhưng vẫn có được bề mặt vật liệu với các tính chất mong muốn; hơn nữa
phương pháp này sẽ giảm bớt chi phí chế tạo vật liệu vì chỉ cần tác động lên bề mặt mà không
cần phải chế tạo toàn bộ khối vật liệu [36].
Hiện nay có rất nhiều phương pháp biến tính bề mặt vật liệu đang được nghiên cứu và
phát triển, có thể chia thành ba nhóm chính là: Phương pháp vật lý – hóa học; Phương pháp
cơ học và phương pháp sinh học. Trong đó, đa dạng và phổ biến nhất là phương pháp vật lý –
hóa học, phương pháp này được chia thành ba nhóm nhỏ: thứ nhất là các phương pháp pha
khí – vật liệu được xử lý trong các môi trường khí chứa các phần tử hoạt động (gốc tự do,
electron, các phân tử bị kích thích) hay dưới các bức xạ điện từ (tia UV, tia γ, điện quang);
thứ hai là các phương pháp pha lỏng và khối – bao gồm các kỹ thuật tạo lớp phủ vật lý hoặc
thực hiện các phản ứng hóa học trên bề mặt vật liệu; thứ ba là kết hợp hai phương pháp thứ
nhất và thứ hai tạo ra các lớp polyme trùng hợp ghép trên bề mặt vật liệu, ngoài ra người ta