Đề tài Nghiên cứu khả năng thu hồi gelatin từ da phế thải và khả năng áp dụng công nghệ này ở Việt Nam

LỜI CẢM ƠN Quyển luận văn này không chỉ đơn thuần là tài liệu báo cáo số liệu từ các kết quả thực nghiệm mà còn chứa đựng rất nhiều tâm huyết và công sức của bản thân tôi cũng như nhiều người khác. Vì vậy, tôi rất mong muốn gửi tới những người đã giúp tôi hoàn thành luận văn này những lời tri ân sâu sắc nhất. Xin cảm ơn ba mẹ và gia đình đã hết sức tạo điều kiện và động viên con trong khoảng thời gian con làm luận văn. Xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Môi trường, đặc biệt là thầy Nguyễn Văn Phước và cô Nguyễn Thị Thanh Phượng đã tận tình chỉ dẫn cho em. Cảm ơn thầy Trực khoa Công nghệ Vật liệu đã giúp em đo mẫu keo. Xin cảm ơn anh Ngô Trác Diệu và các bạn: Nhữ Xuân Hương, Nguyễn Đức Thái Uyên, Võ Thị Phương Trâm và Huỳnh Khánh An đã có những ‎ kiến đóng góp và giúp đỡ tôi trong quá trình làm thí nghiệm. Cuối cùng, xin cảm ơn các em K2001: Nguyễn Thái Anh, Lương Tiến Bình và Trần Thị Thu Hồng đã trợ giúp tôi hoàn thành thí nghiệm. Thành phố Hồ Chí Minh, 12/2004. MỤC LỤC DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT BOD5: nhu cầu ôxy sinh hóa sau 5 ngày ở 200C COD: nhu cầu ôxy hóa học DPT: da phế thải SS: chất rắn lơ lửng TKN: tổng nitơ Kjeldahl TS: tổng chất rắn DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Trang 2.1: Các công nghệ sản xuất sạch hơn 15 4.1: Kết quả độ ẩm của da phế thải 36 4.2: Kết quả độ tro của da phế thải 36 4.3: Kết quả phân tích TKN, Cr và pH của da phế thải 37 4.4: Kết quả phân tích thành phần của da phế thải 37 4.5: Kết quả của thí nghiệm xác định lượng nước sơ bộ ở 1000C, dùng vôi 38 4.6: Kết quả phân tích của thí nghiệm xác định lượng vôi sơ bộ (1000C) 39 4.7: Biến thiên hiệu quả thu hồi gelatin theo thời gian (15% vôi, 3h, 200 ml nước, TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 9,88%) 40 4.8: Biến thiên hiệu quả thu hồi gelatin theo pH (dùng vôi, 3 h, 1000C, TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 9,88%) 43 4.9: Màu của dung dịch gelatin thay đổi theo pH 45 4.10: Biến thiên hiệu quả thu hồi gelatin theo nhiệt độ (15% vôi, 3 h, TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 9,88%) 45 4.11: Kết quả của thí nghiệm xác định lượng nước sơ bộ ở 1000C, dùng NaOH 47 4.12: Biến thiên hiệu quả thu hồi gelatin theo pH (3 h, 1000C, 200 ml nước, TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 12,54%) 48 4.13: Biến thiên hiệu quả thu hồi gelatin theo thời gian (10% NaOH, 1000C, TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 12,54%) 52 4.14: Biến thiên hiệu quả thu hồi gelatin theo nhiệt độ (10% NaOH, 5h,TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 12,54%) 53 4.15: Kết quả kiểm tra lực kéo của keo dán trên giấy 55 4.16: Kết quả kiểm tra lực kéo của keo dán trên gỗ 56 4.17: Kết quả kiểm tra lực tách bóc của keo dán trên gỗ 57 4.18: Tính toán chi phí khi dùng vôi để thu hồi gelatin 59 4.19: Tính toán chi phí khi dùng NaOH để thu hồi gelatin 59 DANH MỤC HÌNH Hình Trang 1.1: Các bước tiến hành thí nghiệm 2 2.1: Quy trình thuộc da 8 2.2 : Cân bằng vật chất của quy trình thuộc da. 10 2.3: Thành phần amino acid và cấu trúc chuỗi của gelatin 19 3.1: Các bước thực hiện khảo sát lượng nước sơ bộ khi dùng vôi thu hồi 28 3.2: Các bước thực hiện khảo sát lượng vôi sơ bộ 30 3.3: Các bước thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian (dùng vôi) 29 3.4: Các bước thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH (dùng vôi) 30 3.5: Các bước thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ (dùng vôi) 31 3.6: Các bước thực hiện khảo sát lượng nước sơ bộ (dùng NaOH) 32 3.7: Các bước thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH(dùng NaOH) 32 3.8: Các bước thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian (dùng NaOH) 33 3.9: Các bước thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ (dùng NaOH) 33 3.10: Quy cách dán vật liệu để kiểm tra lực kéo của mối nối 34 3.11: Quy cách dán vật liệu để kiểm tra lực tách của mối nối 35 4.1: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin theo thể tích nước sử dụng cho 10 g da (dùng vôi) 38 4.2: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo lượng vôi 39 4.3: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên tổng chất rắn thu được trên 10 g theo lượng vôi 40 4.4: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo thời gian (dùng vôi) 41 4.5: Đồ thị biểu diễn tổng chất rắn thu được trên 10 g da theo thời gian 42 4.6: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo lượng vôi phản ứng 43 4.7: Đồ thị biểu diễn tổng chất rắn thu được trên 10 g da theo lượng vôi phản ứng 44 4.8: Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa lượng vôi và pH sau phản ứng 44 4.9: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo nhiệt độ 46 4.10: Đồ thị biểu diễn tổng chất rắn thu được từ 10 g da theo nhiệt độ 46 4.11: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin theo thể tích nước sử dụng cho 10 g da (dùng NaOH) 47 4.12: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo lượng NaOH 48 4.13: Đồ thị biểu diễn TS thu từ 10 g da theo lượng NaOH 49 4.14: Đồ thị biểu diễn nồng độ Cr theo lượng NaOH và lượng vôi phản ứng 50 4.15: Đồ thị biểu diễn nồng độ TKN theo lượng NaOH và lượng vôi phản ứng 50 4.16: Đồ thị biểu diễn TS theo lượng NaOH và lượng vôi phản ứng 51 4.17: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên pH sau phản ứng theo lượng NaOH 51 4.18: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo thời gian phản ứng (dùng NaOH) 52 4.19: Đồ thị biểu diễn TS theo thời gian phản ứng 53 4.20: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo nhiệt độ (dùng NaOH) 54 4.21: Đồ thị biểu diễn TS theo nhiệt độ 54 4.22: Sơ đồ công nghệ dùng vôi thu hồi gelatin 55 4.23: Sơ đồ công nghệ dùng NaOH thu hồi gelatin 55 CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề: Ngành thuộc da được xem là một trong những ngành công nghiệp gây ô nhiễm nặng nhất do tạo ra mùi hôi thối, nhiều chất thải hữu cơ và tiêu thụ nhiều nước. Các chất thải bao gồm: nước, muối, các protein, lông, chất béo và những hóa chất dư của quá trình sản xuất. Bên cạnh đó còn có da phế thải của công đoạn tạo hình và tách da, bào da hay đệm để đạt chiều dày da mong muốn. Da thải của các công đoạn ướt có thể làm thức ăn gia súc và phân bón, tuy nhiên da thải của công đoạn khô chỉ được đem chôn lấp. Sau một thời gian, dưới ảnh hưởng của các tác nhân tự nhiên, các thành phần trong da bị biến đổi và gây ô nhiễm cho môi trường đất. Gelatin là sản phẩm thủy phân một phần của collagen có nguồn gốc tự nhiên như da, mô của khớp nối và xương động vật. Trong công nghiệp, gelatin có rất nhiều ứng dụng quan trọng, đóng vai trò là chất ổn định, chất kết dính, chất nhũ hóa và chất làm đặc. Da thải của công đoạn khô vẫn còn chứa rất nhiều gelatin. Để có thể tái sử dụng thành phần này trong da phế thải và hạn chế ô nhiễm, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu thu hồi gelatin để làm keo hoặc phân bón. Tuy vậy, ở Việt Nam, vấn đề này vẫn chưa được nghiên cứu ứng dụng. Do đó, luận văn này được đưa ra để nghiên cứu khả năng thu hồi gelatin từ da phế thải và khả năng áp dụng công nghệ này ở Việt Nam. Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu khả năng thu hồi gelatin theo phương pháp kiềm trong các điều kiện chiết tách khác nhau. Từ đó đưa ra một công nghệ thu hồi gelatin rẻ và hiệu quả, phù hợp với điều kiện Việt Nam. Đồng thời bước đầu nghiên cứu khả năng làm keo từ gelatin không tinh khiết này. Phạm vi đề tài: Nghiên cứu này được tiến hành trên mô hình phòng thí nghiệm là mô hình từng mẻ có thể tích 500 ml. Mục đích là khảo sát sự ảnh hưởng của: lượng kiềm (vôi, xút) , nhiệt độ, thời gian chiết tách đến hiệu quả thu hồi gelatin. Cuối cùng, thử khả năng tạo keo của gelatin vừa thu hồi. Nội dung nghiên cứu: Khảo sát khả năng thu hồi gelatin (dựa trên lượng TKN trong mẫu thu hồi) khi thay đổi điều kiện nhiệt độ (70 – 1000C), lượng kiềm (vôi, xút) và thời gian chiết tách (1 – 6 h). Thử nghiệm một vài công thức keo gelatin, chọn công thức keo thích hợp, kiểm tra lực kéo và lực tách của mối nối sau khi dán, so sánh với keo làm từ gelatin tinh khiết. Các thí nghiệm được tiến hành như sau: Da Nước cất Kiềm Beaker Lọc nóng Dung dịch gelatin thô Khuấy Gia nhiệt Sấy Gelatin thô khô Thêm phụ gia Làm bay hơi Keo Đo pH , nhiệt độ, TKN, Cr Hình 1.1: Các bước tiến hành thí nghiệm Phương pháp luận: Xác định thành phần của da phế thải. Từ thành phần da ban đầu, đề ra hướng thu hồi hợp lý để có thể tận dụng được gelatin mà không bị tạp nhiễm nhiều Cr. Nghiên cứu hướng ứng dụng cho gelatin dựa trên sản phẩm vừa thu hồi. Phương pháp nghiên cứu: Tham khảo các phương pháp của các tài liệu nước ngoài Tiến hành thực nghiệm trên mô hình thực tế Phân tích các chỉ tiêu hóa lý Đánh giá, nhận xét, theo dõi các thông số thực nghiệm Xử lý số liệu, báo cáo CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN Công nghiệp thuộc da: Giới thiệu về ngành thuộc da:[5] Nguyên vật liệu và hóa chất sử dụng: Nguyên vật liệu: Công nghiệp da ở Việt Nam chủ yếu dùng da trâu bò làm nguyên liệu sản xuất. Hóa chất: Có rất nhiều hóa chất (từ các loại muối thường như NaCl đến các hóa chất hoàn thiện) được sử dụng trong công nghiệp da. Tùy vào nguyên liệu và sản phẩm cuối của quá trình sản xuất, số loại hóa chất sử dụng có thể lên đến khoảng 130 và được chia thành 4 nhóm chính như sau: Hóa chất dùng cho công đoạn trước khi thuộc: Những hóa chất này được dùng để làm sạch da và chuẩn bị da cho công đoạn thuộc. Các hóa chất này không phản ứng với các sợi da nên không bị giữ lại trong da mà đi vào nước thải. Hóa chất thuộc da: Những hóa chất này phản ứng với sợi collagen trong da nên lượng lưu lại trong da rất lớn. Tuy vậy, phần chất không phản ứng hết với da rất lớn và đi vào nước thải. Chrome sulfate là hóa chất thuộc da được sử dụng rộng rãi nhất. Hợp chất này rất đắt tiền, đồng thời nguy hại đối với môi trường. Bên cạnh vấn đề về môi trường, khi hợp chất này được thải ra ngoài nhiều, sản xuất không mang tính kinh tế. Các chất thuộc da có nguồn gốc thực vật cũng được sử dụng nhưng không phổ biến bằng chrome. Hóa chất hoàn thiện ướt: Những hóa chất này được sử dụng để da đạt một số tính chất mong muốn về: độ mềm, bề mặt da, tính đàn hồi, màu sắc, độ bền... Các hóa chất này phản ứng với sợi collagen trong da đã thuộc nên lượng lưu lại trong da rất lớn và lượng không phản ứng cũng đi vào nưóc thải của quá trình sản xuất. Hóa chất hoàn thiện: Các hóa chất này được sử dụng như chất phủ bề mặt để bề mặt da đạt yêu cầu thẩm mỹ. Hầu hết lượng hóa chất sử dụng được lưu lại trên da. Tuy nhiên do hạn chế về kỹ thuật, một lượng nhỏ hóa chất hoàn thiện cũng đi vào chất thải. Nước: Nước được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp thuộc da. Theo thống kê, để chuyển 1 kg da thô thành da cần 50 – 150 lít nước. Công đoạn thuộc da ướt sử dụng nước nhiều nhất. Trong các công đoạn này, nước đóng vai trò là thể mang, giúp quá trình phản ứng xảy ra dễ dàng. Các công đoạn và quy trình sản xuất: Phương pháp thuộc da dùng chrome là phổ biến nhất. Tuy nhiên, phương pháp thuộc dùng hóa chất có nguồn gốc thực vật và kết hợp giữa hai phương pháp trên cũng đang được ứng dụng. Các công đoạn của quy trình thuộc da gồm: Hồi ướt: Nguyên vật liệu đầu vào của các nhà máy thuộc da thường là da thô đã ướp muối. Da này cần được làm sạch và hồi ướt thông qua ngâm hoặc cho da vào bồn trộn nước hay trống quay. Công đoạn này cũng loại bỏ bụi, máu và phân. Các hóa chất dùng ngâm là 0,2 – 2 g/l NaOH, 1 g/l NaOCl và/hoặc 0,5 – 2 % các tác nhân hồi ướt, nhũ tương hóa, chất hoạt động bề mặt ... Kiềm hóa và làm sạch lông: Da được xử lý bằng dung dịch vôi và Na2S hay NaHS để làm sạch lông và làm cho cấu trúc da trở nên nhão hơn. Làm sạch lông thường được thực hiện bằng cách ngâm da vào một dung dịch hóa học như 2–10% Ca(OH)2 , 1–4% Na2S hay NaHS. Đôi khi cũng sử dụng NaOH. Trong những năm gần đây, enzyme cũng được sử dụng khá phổ biến. Nạo thịt và khử kiềm: Nạo thịt là dùng thiết bị cơ khí để loại bỏ các cơ nối, chất béo... trong phần thịt dính vào da. Còn khử kiềm là hòa tan Ca(OH)2 đã hấp phụ vào da và chỉnh pH của da để không gây cản trở cho công đoạn thuộc sau này. Các hóa chất sử dụng là nước kết hợp với các chất trung hòa như: NH4Cl hay (NH4)2SO4, 0,5 – 2 % acid (lactic, formic, boric và hỗn hợp), muối acid, NaHSO3, H2O2. Gần đây, CO2 được sử dụng nhiều hơn muối amoni. Ngâm mềm da: Da được xử lý với enzyme thủy phân protein để da tinh hơn trước khi thuộc. Công đoạn này làm cho cấu trúc da nhão ra và loại bỏ các protein không cần thiết. Thường thì công đoạn này được tiến hành trong dung dịch khử kiềm gồm: 0,5 % vật liệu mềm da (50% bột gỗ hay chất mang khác), 30% tác nhân khử kiềm như NH4Cl và 1 – 5% enzyme tuyến tụy (pancreatic). Khử mỡ: Là công đoạn khử mỡ ra khỏi da bằng các dung môi. Các dung môi như perchloroethylene, monochlorobenzene và kerosene đang được dần thay thế hoặc kết hợp với chất hoạt động bề mặt và/hoặc enzyme. Ngâm và chỉnh pH: Các hóa chất sử dụng là H2SO4 (0,2 – 2%) và muối (5 – 10%). Thuộc: Là công đoạn ổn định cấu trúc collagen của da bằng cách sử dụng hóa chất tự nhiên hay tổng hợp. Nhờ vậy, bề mặt da trở nên mượt mà một phần. Có nhiều phương pháp thuộc da khác nhau tùy theo yêu cầu da thành phẩm. Khoảng 90% da hiện nay được thuộc bằng chrome (Cristina Modrogan, 2003) do da sau khi thuộc có các ưu điểm: Tính bền cơ học cao Nhuộm màu dễ dàng Ngoài ra, tốc độ thấm vào khoảng trống giữa các sợi da của muối Chrome cao và quá trình thuộc đơn giản. Các muối được sử dụng trong thuộc Chrome gồm có Cr2(SO4)3, Cr(OH)SO4, Cr(OH)Cl2. Trong đó, phổ biến nhất là Cr2(SO4)3. Công đoạn thuộc kết thúc với sự kiềm hóa để kết hợp chrome vào da. Hóa chất sử dụng gồm: muối chrome có lượng chrome trung bình là 14% (thông thường dùng 8 – 12 %, các công đoạn thuộc ít chrome dùng 5 – 6%), 1% NaHCO3 (tác nhân kiềm hóa để chỉnh pH), 0,5% chất che (NaCOOH) và 0,9% thuốc diệt nấm. Ép ráo và bào: Ép ráo giúp loại bớt một nửa lượng nước trong da một cách đồng nhất. Da được đưa qua máy ép để vắt lượng nước dư ra khỏi da. Bào da là quá trình cơ học kiểm soát độ dày của da. Các công đoạn sau thuộc: Gồm 4 công đoạn: trung hòa, thuộc lại, nhuộm và ngâm dầu. Trung hòa là khử acid cho da. Thuộc lại là thuộc bổ sung để da đạt những tính chất mong muốn. Nhuộm sử dụng thuốc nhuộm aniline, ngâm dầu giúp làm mềm da. Các hóa chất sử dụng gồm (tính trên phần trăm khối lượng da đã cán): Chất trung hòa: 1% chất kiềm nhẹ hay chất thuộc tổng hợp Chất thuộc lại: thường là chất thuộc tổng hợp Nhuộm: 1 – 6% thuốc nhuộm/ thuốc nhuộm aniline Ngâm dầu: 3 – 10% dầu cá, dầu thực vật hoặc động vật đã sulphonate hóa; dầu vô cơ và dầu tổng hợp. Sấy và hoàn thiện: Da được sấy chân không, sấy treo, sấy hồ, sấy bằng vi sóng hay kết hợp những cách trên. Hoàn thiện da cứng để da đạt độ bền cần thiết và đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng. Polymer polyurethane được phun, quét hay độn vào bề mặt da. ĐẦU VÀO CÔNG ĐOẠN CHẤT THẢI CÔNG ĐOẠN SAU THUỘC VÀ HOÀN THIỆN Da ngâm muối Hồi ướt Kiềm hóa Nạo thịt Khử kiềm Chỉnh pH và thuộc Thuộc lại Trung hòa Nhuộm và ngâm dầu Hoàn thiện Nước Vôi, Na2S và nước Chất thuộc chrome tổng hợp nước (NH4)2SO4 NaHSO3 Nước, natri formate, H2SO4, chrome sulfate, soda Nước thải Nước thải Thịt nhầy Nước thải Nước thải CÔNG ĐOẠN ƯỚT CÔNG ĐOẠN THUỘC Nước thải Nước thải Nước thải Dung môi, rẻo da Chất trung hòa tổng hợp, Na2CO3 , nước Dầu, thuốc nhuộm, formic Hình 2.1: Quy trình thuộc da Các chất thải phát sinh:[5] Nước thải: Nước thải phát sinh chủ yếu từ các công đoạn ướt. Một số công đoạn cơ khí cũng phát sinh nước thải với lượng ít hơn. Trong các công đoạn thuộc da, nước được dùng là thể mang để làm sạch da thô cũng như giúp hóa chất thấm vào để phản ứng với sợi collagen của da Lượng nước tiêu thụ cho 1 kg da thô tùy vào từng nhà máy. Thông thường, lượng nước sử dụng là 50 l/kg, cũng có khi lên đến 150 l/kg. . Nước thải đầu ra gián đoạn nên cần phải điều hòa trước khi xử lý. Nước thải thuộc da có hàm lượng BOD, COD, SS, TKN, độ dẫn điện, sulfate, sulfide và chrome cao. Chất thải rắn: Nguồn chất thải rắn chủ yếu là: muối, da thừa của công đoạn xén ướt, xén khô, đệm... Lượng chất thải rắn thay đổi tùy vào nguyên vật liệu đầu vào, công nghệ sản xuất và thành phẩm. Hầu hết chất thải rắn phát sinh được cách ly khỏi nguồn. Tính trên cả nước Việt Nam, năm 2000 có 4300 tấn da phế thải tức 11,8 tấn da phế thải/ ngày [2]. Trong đó, thành phố Hồ Chí Minh chiếm 1500 tấn tức 4,1 tấn/ ngày. Tại Đồng Nai, lượng da phế thải là 1,7 tấn/ngày. Các loại chất thải rắn: Muối: trong quá trình xử lý da, các muối kết dính chứa máu, lông, bụi và một số loại vi khuẩn được tách khỏi da và thu hồi dưới dạng rắn. Muối này được tái sử dụng 1 phần, còn lại bị thải bỏ. Rẻo da thô: đây là phần da thô ở phần rìa bị xén bỏ. Da bị xén ở phần chân, đuôi, bụng, cổ và tai để miếng da được gọn. Thịt nhầy: đây là phần thịt được tách ra khỏi da sau khi làm sạch lông và ngâm da vào kiềm. Da ẩm tách lớp: Sau khi da đã được thuộc, bề dày da khoảng 6 – 8 mm. Do đó, để đạt chiều dày mong muốn, cần tách da thành 2 lớp. Lớp trên được đưa vào công đoạn chuẩn bị hoàn thiện, lớp dưới được xem như sản phẩm phụ. Những miếng lớn có thể sử dụng làm giày thường hoặc da độn, còn những miếng nhỏ bị loại bỏ. Da bào: sau khi da được thuộc, da được bào để đạt chiều dày mong muốn. Công đoạn này thải ra vụn da bào có chứa chrome. Khí thải: Khí thải của nhà máy thuộc da có bản chất không ổn định. Hầu hết ở dạng độ ẩm, mùi, bụi từ các công đoạn cơ khí và một số hơi dung môi. Khí thải phát ra từ 2 nguồn: nồi hơi và các quá trình chế biến. H2S và NH3 là 2 khí chính thoát ra từ quá trình rửa trống quay với NH3, sử dụng (NH4)2SO4 để khử kiềm. Ngoài ra còn có bụi từ quá trình bào da, đệm da và mùi của các dung môi. Có thể tóm tắt các chất thải chính của quy trình thuộc da theo sơ đồ sau: DA MUỐI 12 000 kg DA THÀNH PHẨM 1400 kg NƯỚC THẢI 600 m3/ngày BOD5 = 13680 kg/ngày COD = 34200 kg/ngày SS = 2790 kg/ngày Chrome = 80 kg/ngày Sulfua = 173 kg/ngày Bùn = 3280 kg/ngày CHẤT THẢI RẮN & SẢN PHẨM PHỤ CHƯA THUỘC: Muối: 1000 kg/ngày Rẻo da thô: 240 kg/ngày Thịt nhầy: 2500 kg/ngày ĐÃ THUỘC: Da bào: 1500kg/ngày Rẻo da: 240 kg/ngày Da đệm: 20 kg/ngày Tổng: 5500 kg/ ngày Hình 2.2 : Cân bằng vật chất của quy trình thuộc da. Từ sơ đồ cân bằng vật chất trên, ta thấy da thành phẩm chỉ chiếm khoảng 10% lượng da thô ban đầu. Điều đó chứng tỏ lượng chất thải rắn là rất lớn, gây ô nhiễm nặng nề cho môi trường. Vấn đề cấp thiết đặt ra là phải có giải pháp xử lý và tận dụng lưọng da này. Tác động môi trường của các chất thải thuộc da:[5] pH: pH của dòng thải trực tiếp từ nhà máy thuộc da thay đổi từ 3,5 – 13,5. Nước thải pH thấp gây ăn mòn hệ thống dẫn nước và có thể hòa tan một số kim loại nặng trong nước thải. Nước thải của công đoạn kiềm có pH rất cao do sử dụng dư vôi, tạo cặn trong đường ống. Ngược lại, pH của các công đoạn acid và thuộc lại rất thấp. pH dao động mạnh gây sốc cho môi trường nước, giết chết các loài thủy sinh nhạy cảm. BOD5: Hàm lượng protein và các sản phẩm phân hủy có rất nhiều trong nước thải làm cho BOD rất cao (1740 – 11 050 mg/l). COD: Giá trị COD rất cao, từ 3800 – 41 300 mg/l. Nitrogen: Hàm lượng nitrogen cao trong nước thải gây phú dưỡng hóa cho các nguồn nước. TKN trong khoảng 1060 – 2570 mg/l. Sulfua: Công đoạn làm sạch lông sử dụng sulfua nên trong điều kiện pH < 8,5, GH2S sẽ tạo thành gây mùi hôi và độc. Khi thải vào cống chung, nước thải chứa sulfua có tính ăn mòn cao vì tạo thành H2SO4 dưới hoạt động của vi khuẩn. Lượng sulfua trong dòng chung là 290 mg/l. Chrome: Chrome hóa trị III thải ra từ nhà máy thuộc da ít độc hơn chrome hóa trị VI. Độc tính của muối chrome thay đổi tùy loài thực vật và động vật. Với hàm lượng cao, chrome làm kết tủa protein, các acid nucleic và ức chế hệ thống men cơ bản. Chrome xâm nhập vào cơ thể sinh vật theo 3 đường: hô hấp, tiêu hóa và qua da. Cr(VI) được cơ thể hấp thu dễ dàng hơn Cr(III) nhưng khi vào trong cơ thể, Cr(VI) sẽ chuyển thành dạng Cr(III). Người tiếp xúc với Cr hoặc hợp chất Cr thì các loại bệnh như loét da, loét thủng vách ngăn mũi, viêm da tiếp xúc, chàm tiếp xúc... đều có thể xuất hiện. Tảo là loài rất nhạy với chrome. Hiện tại, hàm lượng chrome trong nước thải là 133 mg/l và trong bùn thải là 3 – 175 mg/l. Nước thải của công đoạn thuộc chrome chiếm 2% tổng lượng nước thải của nhà máy và có nồng độ chrome là 6000 – 7000 mg/l. Chất rắn lơ lửng (SS): Chất rắn lơ lửng không những gây mất cảm quan mà còn che phủ lớp thực vật khi lắng. Hệ quả là gây cạn nguồn ôxy cục bộ ở lớp nước đáy và cản sáng làm giảm sự quang hợp do độ đục nước cao. Giá trị SS thường dao động từ 2000 – 8000 mg/l. Muối: NaCl được dùng trong các nhà máy thuộc da không gây hại cho thủy sinh nước ngọt khi ở nồng độ cao. Muối Cr2(SO4 )3 còn gây ăn mòn cho kết cấu bêtông. Lượng chlorua trong nước thải dao động từ 5820 – 14 160 và lượng sulfua là 860 – 1814 mg/l. Dung môi dễ bay hơi: Các hóa chất hoàn thiện như acid acetic, formaldehyde, ethylene glycol,... rất nguy hiểm đến sức khỏe của công nhân. Dầu mỡ: Mỡ động vật và các loại dầu nhuộm ở dạng váng nổi kết hợp với những thành phần khác gây tắc nghẽn cho hệ thống xử lý nước thải. Các lớp dầu mỏng làm giảm sự khuếch tán oxygen trong không khí vào nước thải, đồng thời khi ở dạng nhũ tương sẽ làm cho COD nước thải rất cao. Các chất thải rắn: Bên cạnh mùi hôi do quá trình phân hủy bầy nhầy, chất thải rắn phân hủy được thu hút ruồi nhặng và một số thể trung gian truyền bệnh. Hơn nữa, các vi sinh vật gây bệnh như vi khuẩn gây bệnh than sẽ đi vào nước thải đến nguồn tiếp nhận. Ngoài ra, muối sulfide và bụi da cũng rất dễ dàng phát tán ra môi trường. Các phương pháp xử lý ô nhiễm của ngành thuộc da trên thế giới và Việt Nam: Thế giới: Xử lý da phế phẩm: Trong thời gian qua, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu để tái sử dụng các thành phần trong da phế thải (DPT). [4] Trước năm 1970, những nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các cách sử dụng DPT không cần xử lý sơ bộ nhiều như: sản xuất chất cách điện, vật liệu xây dựng, dây thừng và đế giày. Ngoài ra, phương pháp làm giấy cũng được đưa vào để sản xuất cả da và chất thay thế giấy. Từ năm 1970 đến 1993, các nghiên cứu tập trung vào thủy phân DPT nhằm tái chế amino acid và peptide để làm thức ăn gia súc và phân bón (Alvae Dos Reis và Beleza, 1991a,b; Ohtsuka, 1973; Taylor và cộng sự, 1992,b, 1993a). Rất nhiều các phương pháp xử lý đã được triển khai trong khoảng thời gian này. Phương pháp thủy phân kiềm như sử dụng vôi và hơi nước (Guardini, 1983; Holloway, 1978) hay NaOH (Galatik và cộng sự, 1988) trong điều kiện nhiệt độ cao và/hoặc áp suất cao (Maire và Lipsett, 1980), thủy phân acid (Wojciech, 1998) và thủy phân enzyme (Sivaparvathi và cộng sự, 1986a,b) được sử dụng để thu hồi chrome và phân lập protein. Một số phương pháp dùng peroxide (Cot và cộng sự, 1991; Cot và Aramon,1986) ôxy hóa DPT để thu sợi collagen và Cr(VI). Quá trình ôxy hóa ướt và đốt DPT (Imai và Okamura, 1991) được áp dụng chỉ để thu hồi Cr(VI). Tuy nhiên, sản phẩm phụ Cr(VI) có độc tính mạnh được tạo thành từ những phản ứng này, đòi hỏi phải có thêm bước khử. Chiết tách chrome không bao giờ hoàn tất và cần lặp lại nhiều lần, làm tăng chi phí. Hơn nữa, khi tiến trình được lặp lại càng nhiều lần thì càng thúc đẩy sự phân hủy collagen, collagen tan vào dung dịch tạo thành hỗn hợp Cr(VI) với protein. Trong 10 năm trở lại đây, Brown và cộng sự đã tiến hành những nghiên cứu có hệ thống trong phòng thí nghiệm (Cabeza và cộng sự, 1999a; Taylor và cộng sự, 1993b, 1997, 1998a) và làm thí nghiệm pilot (Cabeza và cộng sự, 1998d, 1999b; Taylor và cộng sự, 1998b) để xử lý DPT. Tiến trình một bước đầu tiên sử dụng enzyme phân giải protein mang tính kiềm để phân lập ra sản phẩm thủy phân không có chrome, dùng làm phân bón hay thức ăn gia súc (Taylor và cộng sự, 1990,1992b). Một tiến trình mới hơn gồm 2 bước nhằm thu hồi protein có thể tạo gel dùng làm keo, mỹ phẩm, film, vỏ thuốc nhộng, chất nhũ hóa... trong bước đầu tiên và sản phẩm thủy phân trong bước thứ 2. Trong quá trình này, DPT được thủy phân bằng kiềm trong bước đầu tiên và với protease trong bước thứ 2 ((Taylor và cộng sự, 1991,1992a, 1993a, 1994), hoặc sử dụng 2 enzyme liên tiếp (Cabeza và cộng sự, 1997, 1998b, 1999c) . Tuy nhiên, trong 2 cách trên đều có sản phẩm phụ là bã Cr (gồm protein còn lại liên kết ngang với Cr). Do đó, các nhà nghiên cứu trên đã sử dụng công nghệ nhiều bước gồm: hòa tan bằng H2SO4, kết tủa bằng NaOH, lọc và rửa để thu hồi Cr (Cabeza và cộng sự, 1998d, 1999b). Quá trình này tạo ra nước thải chứa muối và cặn protein, đòi hỏi phải xử lý tiếp. Bên cạnh các nghiên cứu trên, còn có hướng sử dụng sản phẩm thủy phân chứa collagen sau khi đã tách Cr làm chất thuộc hay chất hoàn thiện. Manzo và Fedele (1994,1996) không những chứng minh rằng sản phẩm thủy phân của DPT phản ứng với formaldehyde sau khi tách chrome hydroxyde có khả năng thuộc rất tốt, mà còn tận dụng phần thủy phân này hoặc các sản phẩm trùng hợp với methyl methacrylate hay acrylonitrile trong quá trình hoàn thiện da (Manzo và cộng sự, 1989). Tuy nhiên, hạn chế của các nghiên cứu này là không nghiên cứu phần bã Cr. Các nhà nghiên cứu Trung Quốc gần đây đã nghiên cứu cách sử dụng hoàn toàn DPT và chuyển hóa thành những sản phẩm có giá trị, tránh tạo ra bất kỳ chất thải nào. Quá trình xử lý DPT trải qua 3 bước:1) chiết gelatin, 2) tách collagen thủy phân, 3) thủy phân bã Cr bằng acid. Gelatin từ bước 1 được biến đổi hóa học (sử dụng monomer 2 chức, paraffin, acrylic monomer, chất khử) để làm hóa chất hoàn thiện. Collagen polypeptide từ bước 2 được biến đổi hóa học với một số monomer 2 chức của chuỗi acrylic acid và sáp để tạo hóa chất thuộc lại. Phần thủy phân chứa Cr được biến đổi tiếp với các monomer của chuỗi acrylic acid. Chất này có thể được tái sử dụng trong các công đoạn thuộc và thuộc lại. Xử lý nước thải: Nước thải ngành thuộc da cần qua xử lý 2 bậc. Bậc 1 là quá trình xử lý cơ học gồm: trung hòa, keo tụ – tạo bông. Bậc 2 là quá trình xử lý sinh học. Các quá trình sinh học có thể sử dụng là: bùn hoạt tính, lọc sinh học, UASB, hồ hiếu khí, hồ kị khí và hồ tùy nghi. Các công nghệ sản xuất sạch hơn: Bên cạnh các phương pháp xử lý cuối đường ống, các nhà máy còn áp dụng các biện pháp hạn chế chất thải bằng các công nghệ sản xuất sạch hơn. Một số công nghệ sản xuất sạch hơn được áp dụng gần đây được trình bày trong bảng 2.1. Bảng 2.1: Các công nghệ sản xuất sạch hơn Công nghệ sản xuất sạch hơn Lợi ích Tiết kiệm nước Sử dụng trống quay để hồi ướt và rửa da vừa hiệu quả vừa tiết kiệm nước rất nhiều. Khi dùng trống, hoạt động theo mẻ tiết kiệm nước hơn hoạt động liên tục. Mặc dù các cách tiết kiệm này không làm giảm tải lượng ô nhiễm nhưng có thể làm giảm kích thước các công trình xử lý nước thải. Sử dụng các hóa chất thân thiện với môi trường. Các sản phẩm enzyme ít độc hơn và thay thế rất tốt cho sulfua. Các chất hoạt động bề mặt (nếu được) nên sử dụng vì khả năng phân hủy sinh học. Tránh dùng Penta Chloro Phenol (PCP). Thay (NH4)2SO4 bằng acid yếu. Khử mỡ bằng các chất hoạt động bề mặt thay cho các dung môi hữu cơ. Dùng chrome III để thuộc thay cho chrome VI. Các chất nhuộm phức kim loại (có chứa một số kim loại và chất nhuộm benzidine) phải được thay thế. Các tác nhân nhuộm dầu và các chất thuộc lại chứa gốc clo nên được tahy thế bằng các tác nhân dễ phân hủy sinh học. Nạo nhầy tươi Nạo thịt nhầy ngay sau khi hồi ướt, sản phẩm phụ thu được có pH gần trung tính, dễ dàng thu hồi chất béo và protein chất lượng tốt cũng như tiết kiệm kiềm và hóa chất làm rụng lông. Hơn nữa, nạo nhầy tươi giúp các hóa chất thấm vào da tốt hơn và cải thiện chất lượng da thành phẩm. Các phương pháp làm sạch lông kinh tế Hệ thống làm sạch lông kinh tế sử dụng ít sulfua hơn hệ thống hủy lông, và giúp tách protein dễ dàng từ các lông không hòa tan. Do đó, hệ thống này ít gây ô nhiễm môi trường hơn quá trình hòa tan lông. Nước thải từ công đoạn này có nồng độ COD, BOD5, nitrogen, sulphide, tổng chất rắn và chất rắn lơ lửng giảm đáng kể. áp dụng công nghệ này sẽ làm giảm tải lượng hữu cơ cho hệ thống xử lý. Tuần hoàn dung dịch kiềm Một số kỹ thuật làm sạch lông bằng kiềm có thể tái sử dụng trực tiếp dung dịch kiềm sau khi lắng và/ hoặc lọc. Cách làm này giúp tiết kiệm nước, sulfide và kiềm. Tái sử dụng dung dịch làm sạch lông Bằng cách tái sử dụng dung dịch làm sạch lông đã qua lắng các chất không tan, có thể tiết kiệm 50% sulfide, 40% kiềm và 60% nước . Tách và xén da kiềm Tách và xén da thường được thực hiện sau công đoạn thuộc nên sản phẩm phụ tạo thành có chất lượng thấp và chứa chrome. nếu những công đoạn này được tiến hành trên da chưa thuộc, sản phẩm phụ có thể đem bán trên thị trường dễ dàng hơn từ da đã thuộc. Chất thải rắn chưa thuộc là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất gelatin hay thức ăn gia súc. Cách này cũng làm giảm lượng hóa chất sử dụng để khử kiềm, chỉnh pH, thuộc và tải lượng hữu cơ trong nước thải. Dùng acid yếu để khử kiềm Sử dụng acid yếu (acid hữu cơ) có thể giảm lượng amonium từ quá trình khử kiềm. Ôxy hóa sulfide Dùng H2O2 để ôxy hóa sulfide trong dung dịch sẽ không tạo thành H2S khi acid hóa để khử kiềm. Công đoạn hoàn thiện Quá trình hoàn thiện da bằng cách phun xịt truyền thống tạo ra chất thải khoảng 30 – 50 % da thành phẩm. Tuy nhiên, nếu phủ bề mặt da bằng cách lăn chỉ thải ra 5% da thành phẩm. Tái sử dụng chrome Tiết kiệm chi phí hóa chất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Thu hồi gelatin Sản xuất keo, làm phân bón hoặc tái sử dụng làm hóa chất hoàn thiện da trong nội bộ nhà máy. Việt Nam: Hiện nay, tại một số cơ sở thuộc da quy mô lớn ở thành phố Hồ Chí Minh đã có hệ thống xử lý nước thải và áp dụng các công nghệ sản xuất sạch hơn như: dùng trống quay để tiết kiệm nước, nạo nhầy tươi, tách và xén da kiềm . Tuy nhiên tình trạng quản lý da phế thải còn rất lỏng lẻo [2]. Chỉ có rất ít cơ sở tận dụng bầy nhầy làm thức ăn gia súc và phân bón. Các cách xử lý và thải bỏ da phế thải hiện nay gồm: Đốt DPT: các nhà máy sản xuất giày lớn thuê các công ty xử lý chất thải đốt DPT. Khói của quá trình đốt thải trực tiếp ra môi trường mà không qua bước xử lý nào. Tro được đem chôn. Ngoài ra, các lò gạch dùng DPT làm nguồn nguyên liệu để tận dụng nhiệt. DPT chứa Cr trong khi đốt là nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng. Thải bỏ DPT chung với rác sinh hoạt: các cơ sở sản xuất giày tư nhân quy mô nhỏ thải bỏ vụn da chung với rác sinh hoạt. Khi rác được đem chôn, Cr đi vào môi trường đất và gây ô nhiễm cho đất. Một số cơ sở lớn thuê các công ty xử lý chất thải chôn lấp DPT nhưng do điều kiện chôn lấp không hợp vệ sinh nên Cr vẫn có khả năng tiềm tàng gây ô nhiễm môi trường. Thực tế tình hình xử lý DPT trên đòi hỏi phải có giải pháp để vừa giảm ô nhiễm môi trường, lại vừa tận dụng các thành phần trong da và tiết kiệm chi phí như thu hồi gelatin và chrome từ da. Gelatin: Định nghĩa gelatin:[11] Gelatin là sản phẩm thủy phân một phần của collagen có nguồn gốc tự nhiên như da, mô của khớp nối và xương động vật. Đây là một loại protein dễ hấp thụ và chứa tất cả các amino acid thiết yếu ngoại trừ tryptophan. Gelatin không phải là hợp chất hóa học hay chất đã được biến đổi hóa học. Thành phần và cấu trúc:[10,15] Gelatin là một hỗn hợp dị thể của các protein cao phân tử tan trong nước (Budavari, 1996). Tính theo khối lượng khô, gelatin chứa 98 – 99% protein. Khối lượng phân tử của những đại phân tử protein này thường trong khoảng 20 000–250000 (Kennan, 1994) và một số thành phần có khối lượng đến hàng triệu (Poppe, 1997). Các amino acid xoắn ốc được liên kết với nhau nhờ liên kết peptide. Các chuỗi amino acid chủ yếu là Gly – Pro – Hyp (Poppe, 1997). Do đó, hàm lượng các amino acid này trong gelatin rất cao: glycine (Gly) 26 – 34 %, proline (Pro) 10 – 18 % và hydroxyproline (Hyp) 7 – 15 % (Veis, 1964; Poppe, 1997). Một sản phẩm từ động vật khác cũng chứa hydroxyproline là elastin nhưng với nồng độ rất thấp. Do vậy, hydroxyproline được dùng xác định hàm lượng collagen hay gelatin trong thực phẩm. Một cách vắn tắt, protein được tạo thành từ những peptide bậc 3, glycine - X - Y, trong đó X và Y có thể là amino acid bất kỳ nhưng thường thì proline giữ vị trí X và hydroxyproline ở vị trí Y. Những amino acid quan trọng khác gồm: analine (Ana) 8 – 11 %, arginine (Arg) 8 – 9 %, aspartic acid (Asp) 6 – 7 % và glutamic acid (Glu) 10 – 12 % (Hudson, 1994; Poppe, 1997). Gelatin không là loại protein hoàn hảo về mặt dinh dưỡng vì không chứa tryptophan và thiếu isoleucine, threonine và methionine (Porter và Hotchkiss, 1998). Những amino acid chứa lưu huỳnh khác như cystein và cystine cũng thiếu hoặc không có. Nước chiếm từ 6 – 9 % (Alais, 1991; US FDA, 1997a). Hàm lượng tro chiếm 0,1 – 3,25 % (Veis, 1964). Hình 2.3 thể hiện thành phần và cấu trúc của gelatin: Thành phần amino acid của gelatin Cấu trúc chuỗi của gelatin Hình 2.3: Thành phần amino acid và cấu trúc chuỗi của gelatin [9] Nguồn gốc: Vật liệu thô dùng để sản xuất gelatin có nguồn gốc từ động vật gồm: xương động vật, da động vật tươi hoặc đã chế biến như da heo đông lạnh, cá, gia cầm. Gelatin thực vật (hay agar) có nguồn gốc từ rong biển. Tính chất :[10,15] Gelatin không màu, vàng nhạt hay nâu nhạt, giòn, trong suốt, không vị và không mùi. Gelatin tan trong nước nóng, các rượu đa chức như:glycerol, propylene glycol, sorbitol..., acid acetic và không tan trong các dung môi hữu cơ (Budavari, 1996). Gelatin trương nở và sử dụng lượng nước gấp 5- 10 lần khối lượng để tạo thành dung dịch gel trong suốt đàn hồi ở 30 – 35 oC . Gel từ gelatin là hệ keo phân tán động, chịu sự thay đổi và giảm độ cứng trong quá trình bảo quản. Khi nồng độ gelatin tăng, tốc độ tạo gel cũng tăng theo làm tăng độ cứng. Nếu nồng độ quá cao có thể dẫn đến kết cấu cứng giống cao su. Về lý thuyết, khối lượng phân tử trung bình của gelatin càng thấp thì độ nhớt và cường độ gel càng thấp. Tuy nhiên, thực tế cho thấy collagen chứa chuỗi alpha (KLPT 100 kD và cường độ gel = 364 g Bloom) chủ yếu tạo ra độ gel, và những thành phần có khối lượng phân tử lớn hơn (chuỗi beta với KLPT 200 kD, chuỗi gama với KLPT 300 kD và "microgel" với KLPT > 300 kD) tạo ra độ gel tương đối thấp hơn và độ nhớt cao hơn. Gelatin chiết xuất từ cá có điểm tạo gel là 5- 10 oC (Food Chemicals Codex, 1996). Những gel này có độ nhớt tăng theo lực nén và có tính thuận nghịch nhiệt Gelatin lưỡng tính (Budavari, 1996). Điểm đẳng điện của gelatin trong khoảng 4,8 – 9,4. Gelatin chế biến theo phương pháp acid có điểm đẳng điện cao hơn gelatin chế biến theo phương pháp kiềm (Poppe, 1997). Gelatin tạo gel ở nồng độ tối thiểu là 0,5% trong khoảng pH 4 – 8. pH trong dung nước của gelatin loại A khoảng 4,5 – 6, và của loại B là 5 – 7 (xem phần phân loại phía dưới) (US FDA, 1997a). Định danh:[10,15] Các cách định danh gelatin: Gelatin tạo dạng gel thuận nghịch khi được kiểm tra như sau: hòa tan 10 g vào trong 100 ml nước nóng chứa trong bình thủy tinh thích hợp, làm lạnh ở 20C trong 24 giờ sẽ thấy tạo gel. Chuyển bình thủy tinh vào chậu nước và gia nhiệt đến 70oC. Khi khuấy trong vòng 30 phút, dạng gel chuyển thành dạng lỏng ban đầu. Cho trinitrophenol vào dung dịch gelatin theo tỉ lệ 1:100 hoặc cho dung dịch kali dichromate đã pha với HCl 3N tỉ lệ 1:4 vào gelatin theo tỉ lệ 1,5:1, kết tủa màu vàng tạo thành. Gelatin ở nồng độ rất thấp tạo tủa với acid tannic 5 %, cồn. Gelatin cho kết quả dương khi kiểm tra protein bằng trichloroacetic acid, biuret, ninhydrin. Phân loại :[11,15] Gelatin được chia làm 2 loại: loại A và B. Gelatin loại A là gelatin được chế biến theo phương pháp acid, tức gelatin có nguồn gốc từ heo. Da heo được cạo lông, khử mỡ, ngâm trong acid mạnh như HCl, H2SO4 hay H3PO4 trong 8 – 30 giờ ở pH 1- 4 để trương nở. Da heo đã xử lý acid được rửa nước để loại tạp rồi chiết với nước nóng. Phần chiết xuất được lọc qua cột trao đổi ion để loại khoáng và giảm hàm lượng tro, sau đó được cô đặc bằng phương pháp chân không hay siêu lọc đến nồng độ 15 – 35 %, chỉnh pH đến 3,5 – 6, bay hơi để hàm lượng rắn đạt 50 %, khử trùng ở 120 – 150 oC trong 13 giây. Gelatin loại B là gelatin được chế biến theo phương pháp kiềm, tức là gelatin có nguồn gốc từ trâu bò, chủ yếu là da và xương. Xương được nghiền, nấu ở 80 – 120 oC, li tâm và làm khô ở 70 – 130oC. Tiếp theo, xương được khử mỡ, rồi khử khoáng với HCl 4 – 6 % trong 5 – 7 ngày, rửa thật sạch với rất nhiều nước. Sau đó, xương được ngâm vào vôi 1 – 4% để chỉnh pH đạt 12 – 12,7 trong vòng 35 – 70 ngày kèm theo khuấy trộn và thay dung dịch vôi hàng tuần để tách hoàn toàn thành phần phi collagen. Rửa xương bằng nước với tỉ lệ 50 – 100 kg nước/ kg gelatin. Trong quá trình rửa, acid vô cơ được thêm vào (HCl hay H2SO4) để trung hòa kiềm dư và chỉnh pH đến 3, pH cuối của công đoạn rửa là 5 – 7. Gelatin được tách khỏi xương bằng nước nóng không khoáng. Để tăng độ tinh khiết, gelatin được đem lọc và qua cột trao đổi ion, sau đó được cô đặc đến nồng độ 15 – 45 %, chỉnh pH đạt 5 – 7, khử trùng ở 138 – 143oC từ 8–12 giây, để nguội và làm khô bằng không khí nóng trong 1 – 3 giờ. Sản xuất gelatin theo công nghệ này có thể mất 20 tuần (Poppe, 1997). Ứng dụng [11,15]: Gelatin được dùng chủ yếu trong 3 ngành công nghiệp truyền thống : thực phẩm, dược phẩm và phim ảnh. Trong công nghiệp thực phẩm, gelatin được dùng rất nhiều với các chức năng: làm khô và bảo quản trái cây và thịt, làm trong cà phê, bia, rượu và nước ép trái cây, chế biến sữa bột và những loại thức ăn bột khác. Gelatin cũng được dùng làm tác nhân kết dính và/ hoặc bao phủ trong thịt và thịt đông. Hãng làm bánh dùng gelatin để làm bánh trứng đường, bánh kem dài, và các loại bánh chọn lọc khác. Gelatin là thành phần cơ bản để sản xuất kẹo dẻo, kẹo mềm, kẹo nuga. Sản xuất kem cần gelatin để duy trì nhũ tương bền của các nguyên liệu và tạo hình cho cây kem. Hàm lượng gelatin sử dụng trong các món tráng miệng là 8 – 10% khối lượng khô, trong yogurt là 0,3 – 0,5% với chức năng là chất làm đặc, trong thịt đông là 2 – 3%, trong bánh mứt là 1,5 – 2,5%. Trong công nghiệp dược phẩm, gelatin được dùng làm vỏ thuốc nhộng cứng và mềm để bảo vệ dược phẩm không tiếp xúc với ánh sáng và ôxy. Gelatin còn là chất bổ sung vào khẩu phần và tăng cường sức khỏe, syro..., chất nền cho thuốc mỡ và hồ như kem đánh răng. Nhờ tính chất vật lý và hóa học độc đáo của gelatin mà chất này trở thành một phần quan trọng trong công nghiệp phim ảnh. Gelatin rất có ích trong các công đoạn pha chế nhũ tương bạc halogenua để sản xuất phim. Gelatin rất quan trọng khi phim tiếp xúc với ánh sáng hay khi phim được rửa. Gelatin còn được sử dụng rộng rãi trong khoa học như trong kỹ thuật đúc điện, chống thấm nước, nhuộm và phủ lam kính hiển vi. Các nghiên cứu về vi sinh sử dụng gelatin làm môi trường nuôi cấy. Gelatin là tác nhân nhũ tương hóa, rất có ích để kết hợp các chất lỏng và những chất phun xịt khác. Ở dạng ít tinh khiết hơn, gelatin được dùng làm keo và chất hồ vải. Keo có nguồn gốc từ gelatin được dùng để dán nhãn lên trái cây và rau quả… Phân hạng và kiểm tra:[10,11] Cường độ: Gelatin được kiểm tra và phân hạng dựa vào cường độ. Các hạng dựa vào Bloom test, số Bloom càng cao thì hạng càng cao và giá càng cao. Bloom là lực được tính bằng gram khi dùng piston đường kính 12,5 mm ấn xuống 4 mm vào dung dịch gelatin nồng độ 12,5 % ở 100C. Các keo trên thị trường được phân hạng từ 32 đến 512g. Mẫu càng cứng, số Bloom càng cao. Độ nhớt: Theo chức năng, độ nhớt của gelatin là thông số quan trọng thứ 2 sau cường độ. Phương pháp chuẩn đo độ nhớt của dung dịch có nồng độ 20/3 ở 600C. Độ nhớt thấp (cường độ gel lớn) cần cho công nghiệp bánh kẹo và độ nhớt cao cần cho công nghiệp phim ảnh. Độ màu và độ trong: Độ màu và độ đục hay độ trong là những thông số quan trọng hay không quan trọng tùy vào ứng dụng. pH: pH dung dịch (1%) thường ở khoảng 5 nhưng cũng có thể thay đổi đáng kể. Ở pH này, độ nhớt của gelatin loại B đạt tối thiểu và cường độ gel là cực đại. Do đó, theo quan điểm của nhà sản xuất, sản xuất gelatin ở pH này là có lợi. Tuy nhiên do khả năng đệm tốt của gelatin nên pH này chưa hẳn là tốt nhất cho người sử dụng. Độ ẩm: Độ ẩm có thể lên đến 16%, thông thường là 10 – 13% vì ở độ ẩm 13%, nhiệt độ thủy tinh hóa của gelatin là 640C, giúp giảm kích thước các hạt và làm quá trình chế biến dễ dàng hơn. Ở độ ẩm 6 – 8%, gelatin có tính hút ẩm cao và khó xác định chính xác tính chất vật lý. Tro: Lượng tro được tính bằng cách nhiệt phân ở 5500C. Thông thường, lượng tro lên đến 2,5% có thể chấp nhận được trong công nghiệp thực phẩm. Tuy nhiên, bản chất của tro mới quan trọng. Ví dụ như 2 % CaSO4 trong gelatin tạo độ trong rất tốt mặc dù vượt quá tích số tan (do hiện tượng biến đổi tinh thể của gelatin), nhưng khi pha loãng gelatin theo công thức làm kẹo, tro tạo tủa. Hơn nữa, ammonia thường được sử dụng làm chất thay đổi pH trong các công đoạn chế biến gelatin và các muối như NH4Cl không được xác định bằng phương pháp nhiệt phân. SO2: SO2 được sử dụng làm chất diệt khuẩn và tẩy trắng trong sản xuất gelatin. Hàm lượng dư SO2 cho phép trong gelatin thay đổi tùy theo quốc gia và các phương pháp xác định cho kết quả rất khác nhau. Gelatin có khả năng thúc đẩy các phản ứng ôxy hóa khử và việc kiểm soát chất ô nhiễm này không dễ dàng. H2O2 thường được dùng để kiểm soát lượng SO2 của gelatin và đôi khi, lượng cho phép của SO2 cũng có thể xác định được. Điều thú vị là cả H2O2 và SO2 tồn tại đồng thời trong gelatin. Kim loại nặng: Việc xác định kim loại nặng trong gelatin có thể gặp khó khăn vì khả năng khó phân hủy hoàn toàn của gelatin và các thành phần chính trong tro có tính tan thấp như CaSO4 làm thay đổi khả năng hấp thu lượng vết của kim loại nặng. Điểm đẳng điện: Cách tốt nhất để xác định điểm đẳng điện của gelatin là cho dung dịch gelatin 1% ở 400C đi qua cột trao đổi ion với vận tốc không quá 10 thể tích nhựa/ giờ và đo pH của dòng ra. Lưu ý là khi để nguội, gelatin đẳng điện có độ trong kém và độ dẫn điện trong khoảng 1 và 5 s/cm đối với gelatin loại B. Vi sinh: Gelatin là dinh dưỡng rất tốt cho hầu hết các vi khuẩn nên quá trình sản xuất phải cẩn thận để tránh bị nhiễm. Các vi khuẩn cần được kiểm tra là: Coliforms, E. Coli, Salmonella, Clostridial spores, Staphylococci, và Pseudomonades. CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Mô hình: Thực hiện chiết tách theo mẻ, sử dụng erlen 500ml, gia nhiệt trên bếp điện và khuấy tay bằng đũa thủy tinh. Nguyên vật liệu, thiết bị và hóa chất sử dụng: Nguyên vật liệu: Da phế thải của công đoạn cắt xén và bào da ở dạng nén thành khối trụ, gồm nhiều màu sắc và độ cứng khác nhau. Thiết bị: Máy đo pH Tủ sấy Dàn chưng cất TKN Spectrophotometer Hóa chất: Bột Ca(OH)2, NaOH Dung dịch thủy phân TKN Boric acid Dung dịch NaOH – Na2S2O3 H2SO4 1:1, H2SO4 0,2 N Chỉ thị methyl cam H3PO4 đặc Dung dịch KMnO4 Dung dịch NaN3 Dung dịch diphenyl carbazide Cơ sở lý thuyết để thu hồi gelatin trong da: Nguyên tắc thu hồi gelatin từ da phế thải: Da phế thải sau khi thuộc chủ yếu chứa Cr liên kết chặt với các sợi collagen. Do gelatin tan trong nước nóng, muốn thu hồi gelatin cần hòa tan gelatin ra khỏi da bằng nước nóng. Nhưng Cr liên kết chặt với gelatin nên khi gelatin tan ra thì Cr cũng tan theo. Vì vậy, để thu hồi gelatin ít tạp, ta cần kiểm soát pH và nhiệt độ để Cr bị tủa. Các yếu tố khảo sát: Hiệu suất thu hồi gelatin phụ thuộc vào pH, nhiệt độ, thời gian và số lần chiết tách. Do vậy, các yếu tố khảo sát chính gồm: thời gian, nhiệt độ và pH (lượng kiềm cho vào). Chất được chọn để kiểm soát pH là NaOH (do được dùng phổ biến) và Ca(OH)2 (do giá thành rẻ). So sánh kết quả thí nghiệm trên hai chất này sẽ cho ta một vài kết luận quan trọng để có thể thu hồi gelatin hiệu quả và kinh tế. Dung dịch gelatin sau khi thu hồi cần được kiểm tra lượng Cr hòa tan, TKN (biểu thị cho hàm lượng protein tức lượng gelatin trong dung dịch) và TS (tổng chất rắn sau thu hồi). Các thí nghiệm thực hiện: Phân tích thành phần da thải ban đầu: Da thải từ nhà máy ở dạng nén thành khối trụ, gồm nhiều màu sắc và độ cứng khác nhau. Tiến hành bóp vụn da và trộn lại theo phương pháp ¼ để chất thải tương đối đồng nhất. Sau đó, phân tích độ ẩm, hàm lượng tro, TKN và Cr của da vụn. Độ ẩm được xác định bằng cách sấy 2 g mẫu ở 105 0C trong 24h, khử ẩm trong 1h rồi đem cân khối lượng. Hàm lượng tro được xác định bằng cách nung da ở 8000C trong 4h, khử ẩm trong 1h rồi đem cân khối lượng. pH được xác định bằng cách cho 20g mẫu vào 20 ml nước, khuấy trong 5 phút, lọc rồi đo bằng pH kế. (phương pháp 9045C, US EPA) TKN được phân tích theo phương pháp Kjeldahl: cho 0,25 g da vào 50 ml dung dịch thủy phân, đun đến khi dung dịch cô cạn và chuyển sang màu xanh lá nhạt. Để nguội, rồi định mức đến 300 ml, thêm vào 50 ml dung dịch NaOH- Na2S2O3, chuyển sang bình chưng cất. Thu hồi phần chưng cất bằng acid boric, chuẩn độ bằng acid sulfuric loãng 0,02 N cho đến khi dung dịch chuyển từ màu xanh sang màu tím. Xác định hàm lượng Cr: Cho 1g da, 10ml HNO3 1:1vào erlen 100ml, đậy kín erlen, khuấy đều bằng máy khuấy từ. Đun nóng hỗn hợp đến nhiệt độ 95 ± 50C (không sôi) và hoàn lưu kín trong khoảng 10 – 15 phút. Để nguội hỗn hợp, cho thêm vào erlen 5ml HNO3 đậm đặc, đậy kín erlen và tiếp tục hoàn lưu trong 30 phút. Nếu mẫu xuất hiện khói nâu (mẫu chưa bị oxi hoá hoàn toàn), lặp lại bước trên (cho vào 5ml HNO3 đđ) nhiều lần cho đến khi mẫu không còn khói nâu. Đun hỗn hợp ở nhiệt độ 95 ± 50C (không sôi) để hỗn hợp bốc hơi đến khi còn khoảng 5ml thì ngưng. Để nguội hỗn hợp. Cho vào hỗn hợp 2ml nước cất và 3ml H2O2 30%. Đậy kín erlen, đun nhẹ đến khi hỗn hợp không còn bọt khí. Để nguội hỗn hợp. Tiếp tục cho vào hỗn hợp 1ml H2O2 30% , đậy kín và đun nhẹ cho đến khi hỗn hợp không còn bọt khí hay hỗn hợp không thay đổi màu sắc Đun hỗn hợp ở nhiệt độ 95 ± 50C (không sôi) để cho hỗn hợp bay hơi còn khoảng 5ml thì ngưng. Để nguội hỗn hợp Tiếp tục cho vào erlen 10ml HCl đậm đặc, đậy kín erlen. Hoàn lưu kín hỗn hợp ở nhiệt độ 95 ± 50C trong 15 phút Chuẩn hỗn hợp đến 100ml bằng nước cất, lọc hỗn hợp và tiến hành phân tích nồng độ Crom trong dung dịch sau lọc bằng phương pháp hấp thu nguyên tử AAS trên máy AAS Vario 6 – AnalyticJena AG . Khảo sát ảnh hưởng của Ca(OH)2 đến quá trình chiết tách gelatin: Gồm 4 thí nghiệm: Thí nghiệm sơ bộ: giúp xác định sơ bộ lượng nước và lượng vôi cần cho vào để hiệu suất thu hồi gelatin lớn, lượng Cr hòa tan nhỏ. Trong thí nghiệm này, thời gian được cố định là 3 h theo [4] và nhiệt độ là 1000 C. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian: từ thí nghiệm sơ bộ, ta xác định được lượng vôi cần cho vào để thực hiện thí nghiệm này. Thời gian thí nghiệm được chọn là 1 – 6 h, thời gian dài hơn là không hiệu quả và kinh tế. Nhiệt độ phản ứng được cố định ở mức cao là 100 0C. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của pH: lấy kết quả của thí nghiệm trên, ta chọn được thời gian tối ưu để tiến hành thí nghiệm này. Thực hiện thay đổi lượng vôi và theo dõi hiệu suất thu hồi gelatin. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ: gelatin bắt đầu tan trong nước ở 700C nên khoảng khảo sát nhiệt độ là 70 – 1000C. Thí nghiệm sơ bộ: xác định sơ bộ lượng nước và lượng Ca(OH)2 để làm các thí nghiệm tiếp theo Khảo sát sơ bộ lượng nước cho vào: Lần lượt cho vào 3 cốc đã chứa 10 g da và 1 g vôi 100, 200, 300 ml nước cất. Sau 3h đun sôi và khuấy, lọc nóng, đo TKN. So sánh lượng TKN của 3 mẫu, chọn lượng nước thích hợp để làm thí nghiệm tiếp theo. 10 g da 1 g vôi Thay đổi 100, 200, 300 ml nước cất Beaker 500ml 1000C, khuấy 3h Lọc nóng Phân tích TKN Dung dịch gelatin Hình 3.1: Các bước thực hiện khảo sát lượng nước sơ bộ Khảo sát sơ bộ lượng vôi cho vào: Lần lượt cho 1g, 1,5g, 2g Ca(OH)2 vào 3 cốc 500ml đã chứa 10g da, tiếp theo cho vào mỗi cốc V ml nước cất (đã khảo sát ở trên). Đun sôi trong 3h, châm thêm nước cất trong quá trình nấu để thể tích nước và da không cạn ít hơn V ml, lọc nóng. Dung dịch sau khi lọc được phân tích TKN, tổng chất rắn và Cr. 10 g da Thay đổi lượng vôi bột 1g, 1,5g, 2 g V ml nước cất Beaker 500ml 1000C, khuấy 3h Lọc nóng Phân tích Cr Phân tích TS Phân tích TKN Dung dịch gelatin Hình 3.2: Các bước thực hiện khảo sát lượng vôi sơ bộ Phân tích TKN: pha loãng dung dịch 40 lần, lấy 25ml dung dịch cho vào bình phá mẫu chuyên dùng và thêm 50 ml dung dịch thủy phân. Đun trên bếp cho đến khi dung dịch cô đặc, chuyển sang màu xanh lá nhạt và không còn khói trắng. Chưng cất và chuẩn độ tương tự như phân tích mẫu rắn. Đo tổng chất rắn (TS): lấy 20 ml dung dịch cho vào cốc 100 ml đã khử ẩm và cân khối lượng, sấy ở 110 0C trong 6h, khử ẩm và cân khối lượng. Cách phân tích Cr theo phương pháp so màu: Bước ôxy hóa Cr3+ thành Cr6+: lấy một thể tích mẫu sao cho lượng Cr khoảng 10 - 100µg cho vào erlen 125ml. Nhỏ vài giọt methyl cam, thêm NH4OH đặc cho đến khi dung dịch chuyển vàng, rồi thêm H2SO4 (1:1) để dung dịch chuyển đỏ, cho dư 1 ml (20 giọt). Thêm nước cất để thế tích dung dịch đạt 40 ml. Gia nhiệt, thêm 2 giọt KMnO4 để dung dịch có màu đỏ sẫm. Nếu màu nhạt đi, thêm tiếp KMnO4 sao cho dư 2 giọt, đun tiếp 2 phút nữa. Thêm 1 ml NaN3, đun sôi nhẹ.nếu màu đỏ không nhạt đi hoàn toàn sau 30 giây, thêm 1 ml NaN3 nữa, để sôi 1 phút sau khi màu nhạt hoàn toàn, để nguội. Bước chuyển màu và so màu: thêm 0,25 ml (5 giọt) H3PO4. Dùng H2SO4 0,2 N và pH kế chỉnh pH= 1± 0,3. Dùng bình định mức để pha loãng dung dịch thành 100 ml, lắc đều. Thêm 2ml diphenylcarbazide, lắc đều, để 5 – 10 phút để hiện màu, đo độ hấp thu ở bước sóng 540 nm. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiết tách đến hiệu suất thu hồi gelatin Cho M g Ca(OH)2 đã khảo sát ở trên vào cốc 500ml đã chứa 10g da, tiếp theo cho vào V ml nước cất, đun sôi. Thời gian thí nghiệm là 1h, 2h, 3h, 4h, 5h, 6h. Châm thêm nước cất trong quá trình nấu để thể tích nước và da không cạn ít hơn V ml, lọc nóng. Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần để xác định độ tin cậy. Dung dịch sau khi lọc được phân tích TKN, tổng chất rắn và Cr. 10 g da M g vôi bột V ml nước cất Beaker 500ml Thay đổi thời gian khuấy 1, 2, 3, 4, 5, 6 h Lọc nóng Phân tích Cr Phân tích TS Phân tích TKN Dung dịch gelatin 100oC Hình 3.3: Các bước thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất thu hồi gelatin Tiến hành thu hồi gelatin ở 1000C, lượng vôi cho vào thay đổi từ 0 – 3 g. Thời gian thí nghiệm được xác định từ thí nghiệm trên. Sau khi thu hồi, đo pH, tổng chất rắn, TKN, nồng độ Cr của mẫu. 10 g da Thay đổi lượng vôi bột từ 0 – 3 g V ml nước cất Beaker 500ml Khuấy τ h Lọc nóng Phân tích Cr Phân tích TS Phân tích TKN Dung dịch gelatin 100oC Đo pH Hình 3.4: Các bước thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi gelatin Tiến hành thu hồi gelatin ở điều kiện thời gian và lượng vôi được xác định từ 2 thí nghiệm trên, nhiệt độ thay đổi từ 70 – 1000C. Sau khi thu hồi, đo tổng chất rắn, TKN, nồng độ Cr của mẫu. 10 g da M’ g vôi bột V ml nước cất Beaker 500ml Khuấy τ h Lọc nóng Phân tích Cr Phân tích TS Phân tích TKN Dung dịch gelatin 70 đến 100oC Hình 3.5: Các bước thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ Khảo sát ảnh hưởng của NaOH đến hiệu suất thu hồi gelatin : Gồm 4 thí nghiệm: Thí nghiệm sơ bộ: giúp xác định sơ bộ lượng nước cần cho vào để hiệu suất thu hồi gelatin lớn, lượng Cr hòa tan nhỏ. Trong thí nghiệm này, thời gian được cố định là 3 h theo [4] và nhiệt độ là 1000 C. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của pH: thực hiện thay đổi lượng NaOH và theo dõi hiệu suất thu hồi gelatin. Trong thí nghiệm này, thời gian được cố định là 3 h và nhiệt độ là 1000 C. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian: từ thí nghiệm sơ bộ, ta xác định được lượng NaOH cần cho vào để thực hiện thí nghiệm này. Thời gian thí nghiệm được chọn là 1 – 6 h, thời gian dài hơn là không hiệu quả và kinh tế. Nhiệt độ phản ứng được cố định ở mức cao là 100 0C. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ: gelatin bắt đầu tan trong nước ở 700C nên khoảng khảo sát nhiệt độ là 70 – 1000C. Thí nghiệm sơ bộ: xác định sơ bộ lượng nước để làm các thí nghiệm tiếp theo Lần lượt cho vào 3 cốc đã chứa 10 g da và 0,5 g NaOH 100, 200, 300 ml nước cất. Sau 3h nấu và khuấy, lọc nóng, đo TKN. So sánh lượng TKN của 3 mẫu, chọn lượng nước thích hợp để làm thí nghiệm tiếp theo. 10 g da 0,5 g NaOH Thay đổi 100, 200, 300 ml nước cất Beaker 500ml 1000C, khuấy 3h Li tâm nóng Phân tích TKN Dung dịch gelatin Hình 3.6: Các bước thực hiện khảo sát lượng nước sơ bộ Đánh giá ảnh hưởng của pH đến hiệu suất thu hồi gelatin: Tiến hành thu hồi gelatin ở 1000C, lượng NaOH cho vào thay đổi từ 0 – 1 g, lượng nước lấy theo kết quả của thí nghiệm trên. Thời gian thí nghiệm được cố định ở 3 h. Sau khi thu hồi, đo pH, tổng chất rắn, TKN, nồng độ Cr của mẫu. 10 g da Lượng NaOH từ 0 – 1 g V ml nước cất Beaker 500ml Khuấy 3h Lọc /li tâm nóng Phân tích Cr Phân tích TS Phân tích TKN Dung dịch gelatin 100oC Đo pH Hình 3.7: Các bước thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH Đánh giá ảnh hưởng của thời gian chiết tách đến hiệu suất thu hồi gelatin: Cho a g NaOH đã xác định từ thí nghiệm trên vào cốc 500ml đã chứa 10g da, tiếp theo cho vào V ml nước cất, đun sôi. Thời gian thí nghiệm là 1h, 2h, 3h, 4h, 5h, 6h. Châm thêm nước cất trong quá trình nấu để thể tích nước và da không cạn ít hơn V ml, lọc nóng. Dung dịch sau khi li tâm được phân tích TKN, tổng chất rắn và Cr. 10 g da a g NaOH V ml nước cất Beaker 500ml Thay đổi thời gian khuấy 1, 2, 3, 4, 5, 6 h Li tâm nóng Phân tích Cr Phân tích TS Phân tích TKN Dung dịch gelatin 100oC Hình 3.8: Các bước thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi gelatin: Tiến hành thu hồi gelatin ở điều kiện thời gian và lượng NaOH được xác định từ 2 thí nghiệm trên, nhiệt độ thay đổi từ 70 – 1000C. Sau khi thu hồi, đo tổng chất rắn, TKN, nồng độ Cr của mẫu. 10 g da a g NaOH V ml nước cất Beaker 500ml Khuấy τ h Lọc nóng Phân tích Cr Phân tích TS Phân tích TKN Dung dịch gelatin 70 đến 100oC Hình 3.9: Các bước thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ Pha chế keo và kiểm tra keo:[6,7,8] Sau khi thu hồi được dung dịch gelatin, chưng cách thủy để nước bay hơi sao cho khối lượng nước gấp 1,8 lần khối lượng gelatin. Sở dĩ làm bay hơi nước bằng cách chưng cách thủy là vì ở nhiệt độ cao, keo sẽ bị biến tính và không còn dính tốt. Lần lượt pha thêm một số hóa chất vào keo theo tỉ lệ glycerin 5% để tăng độ dẻo, Al2(SO4)3 để tăng độ cứng và chống thấm nước, acid acetic 1% để tăng độ ướt. Dán những keo này lên 2 mảnh giấy bề ngang 25mm, dài 7 mm, mối dán dài 25mm. Đợi 5 phút để keo khô và tách mối nối bằng tay để xem mối nối nào bền. Sau khi thử nghiệm nhiều công thức, hai công thức sau được dùng để đo lực: Công thức 1: 30 g da sau khi nấu được cô thành 20 ml dung dịch keo đặc, cho thêm 0,2 ml glycerol (chất bảo quản), 1 g Al2(SO4)3 (tăng khả năng chống thấm nước), 1 g tinh bột và 0,5 g đường. Công thức 2: 30 g da sau khi nấu được cô thành 10 ml dung dịch keo đặc, cho thêm 0,2 ml glycerol, 1 g đường, 0,5 g Al2(SO4)3. Keo từ gelatin tinh khiết: 12 g gelatin cho vào 20 ml nước, đợi gelatin trương nở, đun cách thủy để gelatin tan hết. Dán keo lên gỗ và giấy, kiểm tra lực kéo và lực tách. Quy cách dán: Kiểm tra lực nén: 2 miếng dán hình chữ nhật kích thước 25 x 75 mm, dán chồng nhau 25 mm. Đo bằng máy LLOYD LR30K, vận tốc kéo là 5 mm/phút. Ghi lại tải trọng cực đại khi phá hủy mối nối. Hình 3.10: Quy cách dán vật liệu để kiểm tra lực kéo của mối nối Kiểm tra lực tách: 2 miếng dán hình chữ nhật được dán như hình 3.11 theo ASTM 903, đo bằng máy LLOYD LR30K, vận tốc kéo là 150 mm/phút. Ghi lại tải trọng cực đại khi phá hủy mối nối. Hình 3.11: Quy cách dán vật liệu để kiểm tra lực tách của mối nối CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Kết quả và bàn luận: Thành phần da ban đầu: Bảng 4.1: Kết quả độ ẩm của da phế thải Cốc Khối lượng cốc (g) Khối lượng da ban đầu (g) Khối lượng cốc sau khi sấy (g) Độ ẩm % 1 31,7954 2,0000 33,4763 15,96 2 34,1768 2,0002 35,8590 15,90 3 39,4921 2,0005 41,1819 15,53 4 46,6379 2,0000 48,3014 16,83 Trung bình 16,05 Bảng 4.2: Kết quả độ tro của da phế thải Cốc Khối lượng cốc (g) Khối lượng da ban đầu (g) Khối lượng cốc sau khi nung (g) Tro % 1 31,7954 2,0000 31,9048 5,47 2 34,1768 2,0002 34,2892 5,62 3 39,4921 2,0005 39,6036 5,57 4 46,6379 2,0000 46,7481 5,51 Trung bình 5,54 Bảng 4.3: Kết quả phân tích TKN, Cr và pH của da phế thải Mẫu pH Cr% TKN % 1 3,68 1,96 9,21 2 3,70 2,20 7,88 3 3,88 1,99 12,54 Trung bình 3,75 2,05 9,88 Như vậy, thành phần da ban đầu có thể tóm tắt như sau: Bảng 4.4: Kết quả phân tích thành phần da phế thải Yếu tố Khoảng giá trị Trung bình Độ ẩm % 15,53 - 16,83 16,05 Tro % 5,47 - 5,62 5,54 pH 3,68 - 3,88 3,75 TKN % 7,88 - 12,54 9,88 Cr% 1,96 – 2,20 2,05 Sử dụng Ca(OH)2 làm chất kiểm soát pH: Thí nghiệm sơ bộ: Bảng 4.5: Kết quả của thí nghiệm xác định lượng nước sơ bộ ở 1000C Mẫu Số liệu ban đầu Thể tích nước (ml) TKN (mg/l) TKN % Hiệu suất thu hồi TKN % 1 10g da + 1 g Ca(OH)2, 3h 100 4979 4,979 50,40 2 10g da + 1 g Ca(OH)2, 3h 200 2676 5,352 54,17 3 10g da + 1 g Ca(OH)2, 3h 300 1685 5,055 51,16 TKN: % tính trên 10 g da ban đầu TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 9,88% Hình 4.1: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin theo thể tích nước sử dụng cho 10 g da Từ đồ thị trên, ta thấy: khi sử dụng lượng nước gấp 20 lần khối lượng da, hiệu suất thu hồi gelatin là lớn nhất. Như vậy, khi dùng lượng nước ít, quá trình tan của gelatin mau đạt tới trạng thái bão hòa; còn khi dùng nhiều nước thì nồng độ vôi thấp và làm hạn chế quá trình tan. Do đó, ta chọn thể tích nước gấp 20 lần khối lượng da để thực hiện các thí nghiệm tiếp theo. Bảng 4.6: Kết quả phân tích của thí nghiệm xác định lượng vôi sơ bộ (1000C) Mẫu Số liệu ban đầu V nước (ml) TKN (mg/l) Hiệu suất thu hồi TKN % TS (g) Cr (mg/l) 4 10g da + 2 g Ca(OH)2, 3h 200 4334 83,73 4,6021 1,32 5 10g da + 1,5 g Ca(OH)2, 3h 200 3968 83,32 4,2916 1,345 6 10g da + 1 g Ca(OH)2, 3h 200 4013 81,24 4,2082 1,68 Hình 4.2: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo lượng vôi Khi thay đổi lượng vôi từ 1 – 2 g cho 10 g da, ta thấy hiệu suất tăng và nồng độ Cr giảm. Hiệu suất tăng nhanh khi lượng vôi tăng từ 1 g lên 1,5 g (Δ = 2,08%), tăng chậm khi lượng vôi tăng từ 1,5 g lên 2 g (Δ = 0,41%). Để tiết kiệm hóa chất, ta sử dụng lượng vôi là 1,5 g/ 10 g da (15%) cho các thí nghiệm tiếp theo. Tổng chất rắn sau khi thu hồi tăng tương ứng theo lượng vôi cho vào như sau: Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên tổng chất rắn thu được trên 10 g da theo lượng vôi Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi gelatin: Bảng 4.7: Biến thiên hiệu quả thu hồi gelatin theo thời gian (15% vôi, 3h, 200 ml nước, TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 9,88%) Mẫu Thời gian TS (g) Cr (mg/l) TKN (mg/l) Hiệu suất thu hồi TKN % 7 1 3,247 0,045 2835 57,39 8 3,175 0,039 2631 53,26 9 3,384 0,050 2995 60,63 Trung bình 3,269 0,045 2820 57,09 10 2 3,903 0,435 3220 65,18 11 3,671 0,470 3165 64,07 12 3,159 0,500 2920 59,11 Trung bình 3,578 0,469 3102 62,79 5 3 4,2916 1,345 3968 83,32 13 4,7550 1,5 4282 86,68 14 4,4132 1,472 4200 82,02 Trung bình 4,4866 1,439 4150 84,01 15 4 4,3846 1,581 3964 80,24 16 4,7581 1,356 4315 87,35 17 4,4123 1,432 4208 85,18 Trung bình 4,5183 1,456 4162 84,25 18 5 4,8142 1,621 4323 87,51 19 4,3637 1,397 3967 80,30 20 4,6802 1,332 4259 86,22 Trung bình 4,6194 1,450 4183 84,68 21 6 4,2816 1,278 3917 79,29 22 4,7354 1,611 4035 81,68 23 4,8621 1,329 4602 93,16 Trung bình 4,6264 1,406 4185 84,72 Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo thời gian Theo đồ thị, ta thấy hiệu suất thu hồi và nồng độ Cr tăng theo thời gian. Cả 2 yếu tố này tăng nhanh trong khoảng 3 giờ đầu (Δ≈ 27%); từ 3 giờ đến 6 giờ, hiệu suất tăng rất chậm (Δ=0,71%) chứng tỏ phản ứng đã đạt mức cân bằng. Do đó, chọn thời gian phản ứng 3 giờ để làm các thí nghiệm tiếp theo. Tổng chất rắn của gelatin sau thu hồi tăng theo thời gian được biểu diễn trong hình sau: Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn tổng chất rắn thu được trên 10 g da theo thời gian Tương tự như TKN, từ 1 giờ đến 3 giờ, tổng chất rắn thu được tăng 1,2176 g / 10 g da, từ 3 giờ đến 6 giờ chỉ tăng 0,1398 g/ 10 g da. Chất rắn thu được cực đại sau 6 giờ là 4,6264 g/10 g da. Dung dịch gelatin thu hồi có màu vàng nâu sẫm và màu không thay đổi theo thời gian phản ứng. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của pH đến hiệu suất thu hồi gelatin: Bảng 4.8: Biến thiên hiệu quả thu hồi gelatin theo pH (3 h, 1000C, TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 9,88%) Mẫu Lượng vôi % ( g vôi/ g da) pH sau phản ứng TS (g) Cr (mg/l) TKN (mg/l) Hiệu suất thu hồi TKN% 24 0 3,88 0,3504 6,765 301 6,09 25 0,500 4,87 0,3276 2,950 272 5,51 26 1,049 5,46 0,3292 2,410 281 5,69 27 2,029 6,71 0,6749 1,684 481 9,74 28 4,034 7,78 1,3800 1,426 1350 27,32 29 5,043 8,55 2,2769 1,303 1924 38,95 30 6,032 9,19 2,3126 1,512 2450 49,60 6 10,045 9,38 4,2082 1,482 4013 81,24 TB mẫu 5,13,14 15,033 10,06 4,4866 1,439 4150 84,01 31 30,024 10,71 4,5734 1,497 4159 84,19 Hình 4.6: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo lượng vôi phản ứng Khi lượng vôi cho vào để phản ứng thấp ( 0 – 2%), hiệu suất thu hồi rất thấp (<7%) . Hiệu suất tăng nhanh khi tiếp tục tăng lượng vôi lên 10%, từ ngưỡng 15% – 30%, phản ứng đạt cân bằng. Song song đó, nồng độ Cr giảm nhanh và đạt cân bằng ở 1,5 mg/l. Như vậy, kết quả của thí nghiệm này và thí nghiệm sơ bộ giống nhau. Lượng vôi tối ưu là 15%. Ứng với lượng vôi này, nồng độ Cr trong dung dịch là 1,439 mg/l và hiệu suất đạt 84,01%. Tổng chất rắn thu hồi tăng tỉ lệ với TKN và đạt 4,4866 g/10 g da khi lượng vôi là 15%. Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn tổng chất rắn thu được trên 10 g da theo lượng vôi phản ứng Thay đổi lượng vôi làm pH dung dịch sau phản ứng thay đổi theo như sau: Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa lượng vôi và pH sau phản ứng Sự thay đổi của pH ảnh hưởng đến màu của dung dịch gelatin thu hồi. Màu của dung dịch thay đổi như sau (hình minh họa xem phần phụ lục): Bảng 4.9: Màu của dung dịch gelatin thay đổi theo pH Mẫu Lượng vôi pH sau phản ứng Màu 24 0 3,88 Vàng sậm 25 0,500 4,87 Vàng nhạt 26 1,049 5,46 Hồng xám 27 2,029 6,71 Xanh dương đậm 28 4,034 7,78 Xanh lá đậm 29 5,043 8,55 Nâu hơi vàng 30 6,032 9,19 Nâu, vàng nhạt hơi xanh 6 10,045 9,38 Nâu hơi vàng 5 15,033 10,06 Nâu sậm hơi vàng 31 30,024 10,71 Vàng nâu Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi gelatin: Bảng 4.10: Biến thiên hiệu quả thu hồi gelatin theo nhiệt độ (15% vôi, 3 h, TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 9,88%) Mẫu Nhiệt độ (0C) TS (g) Cr (mg/l) TKN (mg/l) Hiệu suất thu hồi TKN % TB của mẫu 2,13,14 100 4,4866 1,439 4150 84,01 32 90 4,5134 1,560 4283 86,70 33 80 4,7646 1,501 4314 87,33 34 70 3,9538 1,364 4022 81,42 Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo nhiệt độ Một cách gần đúng, vận tốc phản ứng tăng gấp đôi khi tăng 100C. Tuy nhiên, theo đồ thị, ta thấy hiệu suất đạt cực đại ở 80 0C. Nguyên nhân là do khi ở nhiệt độ cao, protein bị phá hủy và biến tính. Cơ chế này khá phức tạp và đi sâu về mặt cấu trúc protein nên không xét ở đây. Tương ứng với TKN, tổng chất rắn thu hồi cũng đạt cực đại ở 80 0C như trong đồ thị sau: Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn tổng chất rắn thu được từ 10 g da theo nhiệt độ Từ các thí nghiệm trên, điều kiện thu hồi gelatin tốt nhất là: lượng vôi 15% so với khối lượng da, lượng nước gấp 20 lần khối lượng da, thời gian phản ứng 3 giờ ở 80 0C. Ở điều kiện tối ưu, hiệu suất thu hồi là 87,328 %, nồng độ Cr là 1,501 mg/l, TS là 4,4866 g/10 g da, pH dung dịch sau phản ứng là 10,06. Sử dụng NaOH làm chất kiểm soát pH: Thí nghiệm sơ bộ: Bảng 4.11: Kết quả của thí nghiệm xác định lượng nước sơ bộ ở 1000C Mẫu Số liệu ban đầu Thể tích nước (ml) TKN (mg/l) TKN % Hiệu suất thu hồi TKN % 35 10g da + 0,5 g NaOH, 3h 100 5386 5,39 42,95 36 10g da + 0,5 g NaOH, 3h 200 4150 8,30 66,19 37 10g da + 0,5 g NaOH, 3h 300 1820 5,46 43,54 TKN: % tính trên 10 g da ban đầu TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 12,54% Hình 4.11: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin theo thể tích nước sử dụng cho 10 g da Từ đồ thị trên, ta thấy: tương tự như khi dùng vôi, lượng nước gấp 20 lần khối lượng da cho hiệu suất thu hồi gelatin là lớn nhất. Như vậy, khi dùng lượng nước ít, quá trình tan của gelatin mau đạt tới trạng thái bão hòa; còn khi dùng nhiều nước thì nồng độ NaOH thấp và làm hạn chế quá trình tan. Do đó, ta chọn thể tích nước gấp 20 lần khối lượng da để thực hiện các thí nghiệm tiếp theo. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của pH đến hiệu suất tách gelatin: Bảng 4.12: Biến thiên hiệu quả thu hồi gelatin theo pH (3 h, 1000C, 200 ml nước, TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 12,54%) Mẫu % NaOH (g NaOH/g da) pH sau phản ứng TS (g) Cr (mg/l) TKN (mg/l) Hiệu suất thu hồi TKN % 24 0 3,88 0,3504 6,765 301 6,093 37 0,436 4,45 0,1872 0 300 4,79 38 0,857 5,09 0,1932 3,456 473 7,54 39 1,072 5,63 0,5009 6,434 279 4,45 40 1,634 6,51 0,5916 7,506 293 4,67 41 2,009 7,33 0,6998 9,494 531 8,47 42 2,993 8,36 1,0812 37,14 846 13,49 43 4,051 9,00 1,5433 71,234 1604 25,58 36 5,192 9,70 3,6158 292,202 4150 66,19 44 10,161 10,71 6,9820 714,714 5360 85,49 45 15 11,36 7,0012 716,259 5377 85,76 46 30 11,57 7,2073 718,564 5392 86,00 Hình 4.12: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo lượng NaOH Dựa trên đồ thị, ta thấy hiệu suất thu hồi gelatin tăng khi tăng lượng NaOH phản ứng. Với lượng NaOH chiếm 0 – 3% khối lượng da, hiệu suất rất thấp (<14%). Hiệu suất tăng nhanh khi tiếp tục tăng lượng NaOH lên 10%, từ ngưỡng 10% – 30%, phản ứng đạt cân bằng. Vì vậy, chọn lượng NaOH là 10 % để thực hiện các thí nghiệm tiếp theo. Khi lượng NaOH cho vào càng tăng, dung dịch càng nhớt và càng khó lọc. Do đó, phải sử dụng phương pháp li tâm để thu dung dịch gelatin. Tổng chất rắn thu được tăng chậm khi lượng NaOH tăng từ 0 – 5%, bắt đầu tăng nhanh khi NaOH chiếm 5 – 10%, hầu như không thay đổi khi NaOH chiếm từ 10 – 30%. Ứng với 10 % NaOH, TS thu được là 6,982 g/10 g da. Hình 4.13: Đồ thị biểu diễn TS thu từ 10 g da theo lượng NaOH Nồng độ Cr cũng tăng lên tương ứng với lượng NaOH. So sánh nồng độ Cr khi cho cùng lượng vôi và NaOH, ta thấy: nồng độ Cr khi dùng vôi là rất nhỏ so với nồng độ Cr khi dùng NaOH. Có hiện tượng này xảy ra là do: Vôi là chất keo tụ, dễ tạo tủa với nhiều ion âm có sẵn trong da như SO42- và có khả năng kết tủa đồng thời với Cr. Lượng Cr tủa này sẽ bị giữ lại trên giấy lọc nên lượng Cr còn lại trong dung dịch gelatin thấp. NaOH là một chất kiềm mạnh. Với một lượng đủ lớn, NaOH sẽ thúc đẩy cho phản ứng thủy phân xảy ra mãnh liệt và hoàn toàn. Hơn nữa, ion Na+ dễ tạo hợp chất tan với các ion khác. Do vậy, lượng Cr hòa tan trong dung dịch gelatin rất lớn. Hình 4.14: Đồ thị biểu diễn nồng độ Cr theo lượng NaOH và lượng vôi phản ứng Nồng độ TKN khi dùng NaOH cũng lớn hơn khi dùng vôi. Điều này giải thích rõ hơn khả năng đệm của vôi làm cho phản ứng thủy phân xảy ra từ từ, còn NaOH làm cho phản ứng thủy phân xảy ra mạnh. Hình 4.15: Đồ thị biểu diễn nồng độ TKN theo lượng NaOH và lượng vôi phản ứng TS khi dùng NaOH thu hồi cũng cao hơn rất nhiều khi dùng vôi: Hình 4.16: Đồ thị biểu diễn TS theo lượng NaOH và lượng vôi phản ứng Màu của dung dịch gelatin sau khi thu hồi bằng NaOH thay đổi theo pH tương tự như dùng vôi để thu hồi (ở pH 8, màu của dung dịch vẫn là xanh đậm (màu đặc trưng của Cr). Khi thay đổi lượng NaOH phản ứng, pH dung dịch sau thu hồi thay đổi như sau: Hình 4.17: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên pH sau phản ứng theo lượng NaOH Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi gelatin: Bảng 4.13: Biến thiên hiệu quả thu hồi gelatin theo thời gian (10% NaOH, 1000C, TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 12,54%) Mẫu Thời gian (h) TS (g) Cr (mg/l) TKN (mg/l) Hiệu suất thu hồi TKN % 47 1 3,5493 72,289 3585 57,18 48 2 4,1564 113,327 4383 69,90 44 3 5,9820 714,714 5360 85,49 49 4 6,132 721,365 5498 87,69 50 5 7,259 724,200 5783 92,23 51 6 7,4033 724,394 5790 92,34 Hình 4.18: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo thời gian phản ứng Theo đồ thị, ta thấy hiệu suất thu hồi và nồng độ Cr tăng theo thời gian. Cả 2 yếu tố này tăng nhanh trong khoảng 3 giờ đầu; từ 3 giờ đến 6 giờ, hiệu suất tăng tương đối chậm. Hiệu suất thu hồi sau 5 giờ và sau 6 giờ xấp xỉ nhau chứng tỏ phản ứng đã đạt mức cân bằng. Do đó, chọn thời gian phản ứng 5 giờ để làm các thí nghiệm tiếp theo. TS thu hồi tăng tương đối đều theo thời gian. Sau 5 h phản ứng, TS là 7,259 g/10 g da. Hình 4.19: Đồ thị biểu diễn TS theo thời gian phản ứng Dung dịch gelatin thu hồi có màu xanh lá thẫm và màu không thay đổi theo thời gian phản ứng. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi gelatin: Bảng 4.14: Biến thiên hiệu quả thu hồi gelatin theo nhiệt độ (10% NaOH, 5 h,TKN của mẫu da trước khi thu hồi là 12,54%) Mẫu Nhiệt độ (0C) TS (g) Cr (mg/l) TKN (mg/l) Hiệu suất thu hồi TKN% 50 100 7,259 724,200 5783 92,23 52 90 7,176 710,248 6000 95,69 53 80 7,332 692,125 6141 97,94 54 70 7,011 691,987 5939 94,72 Hình 4.20: Đồ thị biểu diễn hiệu suất thu hồi gelatin và nồng độ Cr theo nhiệt độ Theo đồ thị, ta thấy: hiệu suất thu hồi đạt cực đại ở 800C. TS thu hồi cũng đạt cực đại ở 800C trong đồ thị sau: Hình 4.21: Đồ thị biểu diễn TS theo nhiệt độ Từ các thí nghiệm trên, điều kiện thu hồi gelatin tốt nhất là: lượng NaOH 10% so với khối lượng da, lượng nước gấp 20 lần khối lượng da, thời gian phản ứng 5 giờ ở 80 0C. Ở điều kiện tối ưu, hiệu suất thu hồi là 97,94 %, nồng độ Cr là 692,125 mg/l, pH dung dịch sau phản ứng là 10,71, TS thu hồi là 7,332 g/ 10 g da. Tóm lại, sử dụng NaOH để thu hồi gelatin: lượng hóa chất ít hơn, hiệu suất cao hơn nhưng nồng độ Cr lại cao hơn rất nhiều so với khi dùng vôi. Ở điều kiện thu hồi tối ưu, dung dịch rất nhớt, không dễ lọc qua giấy nên cần li tâm. Để an toàn, nên sử dụng vôi để thu hồi gelatin. Kiểm tra tính chất mối nối: Dán giấy: Khi đo lực kéo và lực tách bóc của các mối dán giấy, đặc điểm chung là giấy bị rách trong khi mối nối không bị đứt. Bảng 4.15: Kết quả kiểm tra lực kéo của keo dán trên giấy STT Loại keo Tải trọng cực đại (N) Ứng suất kéo (N/mm2) 1 Gelatin tinh khiết 261 0,418 2 295,3 0,472 3 250,9 0,401 Trung bình 269,1 0,430 4 Keo tự pha theo công thức 1 265,5 0,423 5 240,4 0,385 6 251 0,402 Trung bình 252,3 0,403 7 Keo tự pha theo công thức 2 319,9 0,512 8 275,6 0,441 9 295 0,472 Trung bình 296,8 0,475 Keo tự pha theo công thức 1: 30 g da sau khi nấu được cô thành 20 ml dung dịch keo đặc, cho thêm 0,2 ml glycerol (chất bảo quản), 1 g Al2(SO4)3 (tăng khả năng chống thấm nước), 1 g tinh bột và 0,5 g đường. Keo tự pha theo công thức 2: 30 g da sau khi nấu được cô thành 10 ml dung dịch keo đặc, cho thêm 0,2 ml glycerol, 1 g đường, 0,5 g Al2(SO4)3. Keo từ gelatin tinh khiết: 12 g gelatin cho vào 20 ml nước, đợi gelatin trương nở, đun cách thủy để gelatin tan hết. Kết quả đo ứng suất kéo cho thấy keo thu hồi có khả năng dính tốt nên lực kéo để phá vỡ mối nối khá lớn. So sánh với keo làm từ gelatin tinh khiết, keo thu hồi pha chế theo công thức 2 có khả năng dính tốt hơn. Dán gỗ: Bảng 4.16: Kết quả kiểm tra lực kéo của keo dán trên gỗ STT Loại keo Tải trọng cực đại (N) Ứng suất kéo (N/mm2) 10 Gelatin tinh khiết 1770 2,832 11 1896 3,034 12 1803 2,885 Trung bình 1823 2,917 13 Keo tự pha theo công thức 1 1384 2,214 14 1462 2,339 15 1403 2,245 Trung bình 1416 2,266 16 Keo tự pha theo công thức 2 2235 3.576 17 2272 3,635 18 2250 3,600 Trung bình 2252 3,604 Bảng 4.17: Kết quả kiểm tra lực tách bóc của keo dán trên gỗ STT Loại keo Tải trọng cực đại (N/mm) 19 Gelatin tinh khiết 0,2606 20 1,8056 21 2,578 Trung bình 1,5481 22 Keo tự pha theo công thức 1 0,3748 23 0,0962 24 0,1025 Trung bình 0,1912 25 Keo tự pha theo công thức 2 0,0952 26 0,6038 27 1,1434 Trung bình 0,6141 Tương tự như khi dán trên giấy, keo từ gelatin thu hồi dính gỗ tốt. Keo thu hồi công thức 2 có lực kéo tốt hơn keo làm từ gelatin tinh khiết nhưng lực tách bóc lại kém hơn. Sau khi kiểm tra khả năng dính của keo thông qua lực kéo và lực tách bóc, ta thấy gelatin thu hồi có thể được sử dụng để làm keo. Keo này có thể dán giấy và dán gỗ rất tốt. Nhược điểm của loại keo này là màu sẫm nên không mang tính thẩm mỹ cao. Đề xuất công nghệ và tính toán chi phí: Đề xuất công nghệ: Từ các kết quả thực nghiệm, công nghệ thu hồi gelatin dùng vôi hoặc NaOH được đề xuất cho 100 kg da thải như sau: Dùng vôi: 100 kg da 15 kg vôi 2 m3 nước Khuấy, gia nhiệt 800C, 3 h. Lọc nóng Dung dịch gelatin Bã da 45 kg gelatin khô Sấy Hình 4.22: Sơ đồ công nghệ dùng vôi thu hồi gelatin Dùng NaOH: 100 kg da 10 kg NaOH 2 m3 nước Khuấy, gia nhiệt 800C, 5 h. Li tâm Dung dịch gelatin Bã da 73 kg gelatin khô Sấy Hình 4.23: Sơ đồ công nghệ dùng NaOH thu hồi gelatin Tính toán chi phí: Dùng vôi: Bảng 4.18: Tính toán chi phí khi dùng vôi để thu hồi gelatin Tên Lượng Giá đơn vị Thành tiền Da 100 kg 0 0 Vôi 15 kg 500 7 500 đồng Nước 2 m3 4 500 9 000 đồng Điện 116 kWh 800 92 800 đồng Tổng cộng 109 300 đồng Chi phí đơn vị tính trên 1 kg gelatin: 2 429 đồng DùngNaOH: Bảng 4.19: Tính toán chi phí khi dùng NaOH để thu hồi gelatin Tên Lượng Giá đơn vị Thành tiền Da 100 kg 0 0 NaOH 10 kg 5 500 55 000 đồng Nước 2 m3 4 500 9 000 đồng Điện 116kWh 800 92 800 đồng Tổng cộng 156 800 đồng Chi phí đơn vị tính trên 1 kg gelatin: 2 148 đồng CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Lượng TKN trong da phế thải tương đối cao, chiếm từ 7,88 – 12,54 % khối lượng da, trung bình là 9,88 % . Khi sử dụng vôi để thu hồi gelatin, tốt nhất là sử dụng lượng vôi chiếm 15% khối lượng da, lượng nước gấp 20 lần khối lượng da, nhiệt độ phản ứng là 800 C, thời gian phản ứng là 3 h. Gelatin sau thu hồi có pH là 10,06, nồng độ Cr là 1,501 mg/l, TS là 4,4866 g/ 10 g da. Hiệu suất thu hồi đạt 87,33 %. Khi sử dụng NaOH để thu hồi gelatin, tốt nhất là sử dụng lượng NaOH chiếm 10% khối lượng da, lượng nước gấp 20 lần khối lượng da, nhiệt độ phản ứng là 800 C, thời gian phản ứng là 5 h. Gelatin sau thu hồi có pH là 10,71, nồng độ Cr là 692,125 mg/l, TS là 7,332 g/ 10 g da. Hiệu suất thu hồi đạt 97,94 %. Sử dụng NaOH để thu hồi gelatin tiết kiệm hóa chất hơn, đạt hiệu suất cao hơn nhưng nồng độ Cr lại cao hơn rất nhiều so với khi dùng vôi. Ở điều kiện thu hồi tối ưu, dung dịch rất nhớt, không dễ lọc qua giấy nên cần li tâm. Chi phí hoá chất và điện nước cho 1 kg gelatin thành phẩm khi dùng vôi và NaOH lần lượt là 2 429 và 2 148 đồng. Với chi phí đó, thu hồi gelatin mang tính kinh tế lại vừa có ‎ nghĩa môi trường: giảm thiểu ô nhiễm và tận dụng chất thải. Kiến nghị: Triển khai thu hồi gelatin trên quy mô pilot nhằm rút ra các thông số động học, hoàn thiện quá trình để nhanh chóng áp dụng vào thực tế. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo trong nước: Nguyễn Văn Phước và Trịnh Bảo Sơn, Nghiên cứu công nghệ xử lý da phế thải, Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần 8, Thành phố Hồ Chí Minh, 2002. Trịnh Bảo Sơn, Khảo sát, đánh giá hiện trạng ô nhiễm do da phế thải & nghiên cứu, đề xuất phương pháp xử lý, Luận án cao học, Viện Môi trường và Tài nguyên, 2002. Tài liệu tham khảo nước ngoài: ASTM D903, 1964, p 259. Changdao Mu, Wei Lin, Mingrang Zhang & Qingshi Zhu, Towards zero discharge of chromium-containing leather waste through improved alkali hydrolysis. Waste Management, 23, 2003, p.835-843. Environmental Technology Program for Industry; Environmental report: The Leather Sector, April 1998. Luisa F.Cabeza et al., Processing of leather waste: Pilot scale studies on chrome shavings. Part II. Purification of chrome cake and tanning trials. JALCA, 93, 1998, p.83-98. Luisa F.Cabeza et al., Processing of leather waste: Pilot scale studies on chrome shavings. Isolation of potentially valueable protein products and chromium. Waste Management, 18, 1998, p.211-218. Maryann M.Taylor et al., Processing of leather waste: Pilot scale studies on chrome shavings. Part I. Isolation and characterization of protein products and seperation of chrome cake. JALCA, 93, 1998, p61-82. Organic Materials Review Institute for the USDA National Organic Program, National Organic Standards Board Technical Advisory Panel Review: Gelatin processing, March 2002. PHỤ LỤC: NHỮNG HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH LÀM THÍ NGHIỆM Hình 1: Da phế thải Hình 2: Da phế thải sau khi bóp vụn và trộn đều Hình 3: Tro của da phế thải Hình 4: Gelatin rắn (TS) mẫu 4, 5, 6 (lượng vôi 2; 1,5; 1g) Hình 5: Dung dịch gelatin mẫu 24 (không cho kiềm), pH = 3,88 Hình 6: Gelatin rắn mẫu 24 Hình 7: Dung dịch gelatin mẫu 25 (0,5% vôi, pH = 4,87) Hình 8: Dung dịch gelatin mẫu 26 (1 % vôi, pH= 5,46) Hình 9: Dung dịch gelatin mẫu 27 (2% vôi, pH= 6,71) Hình 10: Gelatin rắn mẫu 25,26,27 Hình 11: Dung dịch gelatin mẫu 29 (5% vôi), pH = 8,55 Hình 12: Gelatin rắn mẫu 29 Hình 13: Dung dịch gelatin mẫu 28 (4% vôi, pH= 7,78) Hình 14: Gelatin rắn mẫu 28, 30 (6% vôi, pH= 9,19) Hình 15: Gelatin rắn mẫu 32 (900C), 33(800C), 34(700C) Hình 16: Dung dịch gelatin mẫu 39 ( 2% NaOH, pH = 5,63), mẫu 41(2% NaOH, pH = 7,33), mẫu 42( 3% NaOH, pH = 8,36) Hình 17: Gelatin rắn mẫu 39,41,42 Hình 18: Dung dịch gelatin mẫu 38( 0,857% NaOH, pH = 5,09), mẫu 43 ( 4,051% NaOH, pH = 9), mẫu 44 ( 10,161% NaOH, pH = 10,71) Hình 19: Gelatin rắn mẫu 38, 43, 44 Hình 20: Dung dịch gelatin mẫu 37 (0,436% NaOH, pH = 4,45), mẫu 40 (1,634% NaOH, pH = 6,51) Hình 21: Gelatin rắn mẫu 37,40 Hình 22: Sự thay đổi màu của dung dịch gelatin từ mẫu 37 – 44 Hình 23: Keo gelatin tinh khiết và keo thu hồi Hình 24: Các mối nối trước khi kiểm tra lực kéo Hình 25: Các mối nối trước khi kiểm tra lực tách bóc Hình 26: Các mối nối sau khi kiểm tra lực tách bóc