Ngành nhuộm và in ấn dệt may là một trong những ngành tiêu thụ nước công nghiệp lớn tại Trung Quốc, đồng thời cũng là ngành trọng điểm với đặc trưng ô nhiễm cao và phát thải lớn. Quá trình sản xuất in ấn và nhuộm tạo ra lượng lớn nước thải hữu cơ chứa thuốc nhuộm, chất hồ vải và các phụ gia. Loại nước thải này có đặc điểm độ màu cao, nồng độ COD cao và khả năng phân hủy sinh học kém, đồng thời chứa một lượng lớn các chất ô nhiễm hữu cơ thơm khó phân hủy. Các quy trình xử lý thông thường như keo tụ, lắng cặn và xử lý sinh học gặp khó khăn trong việc đạt được sự phân hủy hoàn toàn, do đó rất dễ gây ô nhiễm nguồn nước và làm tổn hại đến hệ sinh thái thủy sinh. Trước bối cảnh chính sách “Song Carbon” cùng các quy định môi trường nghiêm ngặt, nano-zinc oxide công nghệ quang xúc tác—với những ưu điểm về hiệu suất xúc tác cao, thân thiện với môi trường, chi phí kiểm soát được và khả năng phân hủy triệt để các chất ô nhiễm hữu cơ—đã trở thành một trong những công nghệ cốt lõi cho xử lý tiên tiến nước thải nhuộm dệt may và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý nước thải dệt may.

Nước thải nhuộm dệt may có thành phần vô cùng phức tạp. Ngoài lượng lớn các tạp chất lơ lửng, các chất ô nhiễm chủ yếu bao gồm thuốc nhuộm phản ứng, thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm phân tán và nhiều loại phụ gia hữu cơ khác. Những chất ô nhiễm hữu cơ này có tính ổn định đặc biệt và kháng lại quá trình phân hủy, đặt ra thách thức lớn nhất trong xử lý nước thải.

nano-zinc oxide
nano-zinc oxide

Thứ nhất, các phân tử thuốc nhuộm hữu cơ trong nước thải in ấn và nhuộm dệt may chủ yếu là các cấu trúc liên hợp thơm. Chúng có tính ổn định hóa học và chịu được axit, kiềm cũng như ánh sáng. Các quy trình xử lý nước thải thông thường chỉ có thể thực hiện quá trình keo tụ và lắng cặn các chất ô nhiễm; chúng không thể phá vỡ cấu trúc phân tử mà chỉ chuyển giao các chất ô nhiễm chứ không phân hủy hoàn toàn. Thứ hai, một số chất ô nhiễm hữu cơ từ in ấn và nhuộm dệt may có độc tính; nếu xả trực tiếp có thể ức chế hoạt động của vi sinh vật trong các thủy vực, làm gián đoạn khả năng tự làm sạch của chúng và dẫn đến suy giảm chất lượng nước qua tích tụ lâu dài. Cuối cùng, các quy trình xử lý nước thải truyền thống mắc phải chi phí vận hành và bảo trì cao, gây ô nhiễm thứ cấp nghiêm trọng và không phân hủy triệt để. Chúng khó đáp ứng được các tiêu chuẩn khắt khe ngày nay về tuân thủ xả nước thải công nghiệp và tái sử dụng nước đã qua xử lý, tạo nên nhu cầu cấp thiết về các công nghệ xử lý mới, hiệu quả cao và thân thiện với môi trường.

Nano-zinc oxide là một vật liệu nano chức năng bán dẫn phổ rộng điển hình. So với các vật liệu quang xúc tác truyền thống như titan dioxide, nano-zinc oxide có hoạt tính quang xúc tác mạnh hơn, dải phản ứng quang phổ rộng hơn và tỷ lệ hiệu quả chi phí cao hơn, khiến nó trở thành vật liệu xúc tác lý tưởng để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải nhuộm dệt may, với những ưu điểm cốt lõi nổi bật.

  • Hoạt tính quang xúc tác cao và hiệu quả phân hủy tuyệt vời.

Nano-zinc oxide sở hữu các hiệu ứng kích thước nano và bề mặt độc đáo, với diện tích bề mặt riêng lớn và nhiều vị trí hoạt động phong phú. Dưới tác động của ánh sáng, nó nhanh chóng tạo ra các điện tử và lỗ trống quang sinh, sản sinh các loại hạt hoạt động có tính oxy hóa mạnh như gốc hydroxyl và gốc superoxide. Những hạt này có thể nhanh chóng phá vỡ các liên kết hóa học của các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải nhuộm dệt may, phân hủy các hợp chất hữu cơ phân tử lớn, khó phân hủy thành các chất vô cơ phân tử nhỏ.

  • Thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm thứ cấp.

Nano-zinc oxide có tính ổn định hóa học, không độc, vô hại và chống ăn mòn. Quá trình phản ứng quang xúc tác không cần thêm bất kỳ chất phụ gia hóa học nào và không tạo ra các chất ô nhiễm thứ cấp như bùn hoặc chất thải rắn. Sản phẩm phản ứng chủ yếu là các chất vô hại như carbon dioxide và nước, phù hợp với nhu cầu xử lý công nghiệp xanh và thân thiện với môi trường.

  • Hiệu suất ổn định và có thể tái sử dụng.

Vật liệu nano-zinc oxide đã được biến đổi và tối ưu hóa thể hiện khả năng chống quang phân hủy mạnh mẽ và không bị phân hủy dễ dàng dưới tác động của ánh sáng. Nó duy trì hiệu quả phân hủy quang xúc tác cao ngay cả sau nhiều lần tái sử dụng, giúp giảm đáng kể chi phí tiêu hao và vận hành trong xử lý nước thải nhuộm dệt may.

  • Khả năng ứng dụng rộng rãi và kết quả xử lý toàn diện.

Nó có thể phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy khác nhau trong nước thải nhuộm dệt may, chẳng hạn như thuốc nhuộm đỏ phản ứng, thuốc nhuộm xanh phản ứng, thuốc nhuộm phân tán, hồ in và chất hoạt động bề mặt, đồng thời đạt được nhiều hiệu quả cùng lúc như khử màu, giảm COD và khử độc.

Nguyên lý cốt lõi đằng sau quá trình phân hủy quang xúc tác các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải nhuộm dệt may bằng nano-zinc oxide là phản ứng oxi hóa - khử của các hạt mang quang sinh; toàn bộ quá trình này rất hiệu quả, triệt để và không gây ô nhiễm. Khi ánh sáng mặt trời hoặc tia cực tím chiếu vào bề mặt xúc tác nano-zinc oxide, nano-zinc oxide hấp thụ năng lượng ánh sáng, khiến các điện tử ở vùng hóa trị bị kích thích và chuyển sang vùng dẫn, tạo thành các cặp điện tử - lỗ trống quang sinh có tính phản ứng cao. Các lỗ trống quang sinh có thể trực tiếp oxy hóa và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ hấp phụ trên bề mặt xúc tác. Đồng thời, chúng phản ứng với oxy và phân tử nước trong dung dịch. Các gốc tự do được tạo ra có thể tấn công một cách vô tội vạ các phân tử thuốc nhuộm thơm ổn định và các phân tử phụ trợ hữu cơ trong nước thải nhuộm, phá hủy triệt để cấu trúc chromophore liên hợp và khung hữu cơ của chúng, dần dần oxy hóa và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ phức tạp thành CO₂, H₂O và muối vô cơ không độc hại, từ đó đạt được cơ bản việc khử màu nước thải và phân hủy hoàn toàn các chất ô nhiễm hữu cơ.

Hiện nay, công nghệ quang xúc tác nano-zinc oxide đã được ứng dụng rộng rãi trong các tình huống như xử lý tiên tiến nước thải đầu ra từ nhà máy in ấn và nhuộm dệt may, tái sử dụng nước thải đã xử lý trong quá trình in ấn và nhuộm, và tiền xử lý nước thải hữu cơ nồng độ cao từ in ấn và nhuộm, trở thành công nghệ cốt lõi cho nâng cấp bảo vệ môi trường trong ngành in ấn và nhuộm. Đồng thời, thông qua công nghệ biến đổi nano-zinc oxide (như doping kim loại và biến đổi vật liệu hỗn hợp), dải phản ứng ánh sáng của nano-zinc oxide có thể được mở rộng hiệu quả, vượt qua hạn chế của nano-zinc oxide nguyên chất truyền thống—chỉ phản ứng với ánh sáng cực tím—để đạt được xúc tác hiệu quả cao dưới ánh sáng nhìn thấy. Điều này cải thiện đáng kể tỷ lệ sử dụng ánh sáng tự nhiên và giúp công nghệ phù hợp với các cơ sở xử lý nước thải công nghiệp quy mô lớn.