Thuốc nhuộm tổng hợp là sản phẩm được sử dụng rộng rãi, nhưng nó cũng ảnh hưởng to lớn đến môi trường. Trong suốt quá trình dệt nhuộm, 12% thuốc nhuộm bị thất thoát và khoảng 20% trong số này được thải vào môi trường. Theo nghiên cứu này, nước thải dệt nhuộm được xử lý bằng công nghệ Fenton điện hóa xúc tác dị thể Fe3O4.
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM BẰNG CÔNG NGHỆ FENTON ĐIỆN HÓA XÚC TÁC DỊ THỂ FE3O4 Nguyễn Thị Ánh Thu*, Nguyễn Hồng Hà Trường Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm TP.HCM *Tác giả liên lạc: nguyenthianhthupy95@gmail.com TÓM TẮT Thuốc nhuộm tổng hợp sản phẩm sử dụng rộng rãi, ảnh hưởng to lớn đến mơi trường Trong suốt trình dệt nhuộm, 12% thuốc nhuộm bị thất thoát khoảng 20% số thải vào môi trường Theo nghiên cứu này, nước thải dệt nhuộm xử lý công nghệ Fenton điện hóa xúc tác dị thể Fe3O4 Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), bố trí thí nghiệm trung tâm (CCF) để khảo sát ảnh hưởng yếu tố: pH (2 4), nồng độ Fe2+ (1 – 3mMol) hiệu điện (10 – 20V) đến hiệu xử lý COD độ màu trình Tại pH = 2.8, nồng độ Fe2+ = 2mMol, hiệu điện U= 16,4V cho hiệu xử lý COD độ màu tốt có giá trị 90% 98,9% sau 30 phút xử lý Kết cho thấy rằng, giá trị COD độ màu đầu đạt cột A, QCVN 13:2015/BTNMT Từ khóa: Cơng nghệ Fenton điện hóa, nước thải dệt nhuộm, phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), bố trí thí nghiệm trung tâm (CCF) OPTIMIZATION OF DECOLORIZATION AND COD REMOVAL FROM TEXTILE WASTEWATER USING ELECTRO FENTON PROCESS WITH Fe3O4 AS HETEROGENEOUS CATALYST Nguyen Thi Anh Thu *, Nguyen Hoang Ha Ho Chi Minh City University of Food Industry * Corresponding authour: nguyenthianhthupy95@gmail.com ABSTRACT Synthetic dye is a widely used product, but dyeing industrial effluents have adversely impacted environment During dyeing processes, 12% of dye is wasted, and approximately 20% of this amount is discharged to the environment In this study, Electro-Fenton (EF) system was applied to treat a textile wastewater with Fe3O4 as heterogeneous catalyst Response surface methodology (RSM) - Central composite Design (CCF) was used to investigate the effects of pH (2 – 4), Fe2+ concentration (1 - 3), and voltage (10 - 20) on the COD and Color removal At pH 2.8, Fe2+ concentration of 2.0 mMol, and voltage of 16.4 V, the treatment system reached its optimum operating condition In this case, COD and Color in the effluent were 90% and 98.9%, respectively, after 30 mins of treatment which met the national standard (QCVN 13:2015/BTNMT, Column A) Keywords: Electro Fenton (EF), Textile wastewater, Response surface methodology (RSM), Central composite Design (CCF) TỒNG QUAN Ngày nay, q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước gây vấn đề mơi trường tồn cầu ảnh hưởng đến người loài động, thực vật khác Đặc biệt, nguồn ô nhiễm nghiêm trọng ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt công nghiệp Nhiều loại nước thải chứa nhiều tác nhân độc hại cho người môi trường thải vào môi trường ngày mà không xử lý triệt để Một ngành nhiễm nghiêm trọng khó xử lý ngành dệt nhuộm Với dây chuyền công nghệ phức tạp, bao gồm nhiều công đoạn khác nên nước thải sau sản xuất chứa nhiều loại hợp chất độc hại khó phân hủy, thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt, hợp chất halogen hữu cơ… làm cho tiêu nhiệt độ, COD, độ màu… cao Trong đó, độ màu nước thải tiêu khó xử lý gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước mặt, nước ngầm gồm: hợp chất màu azo (chiếm tới 60 – 70%), metyl đỏ, Công gô 546 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 đỏ,… Ở Việt Nam nay, công nghệ xử lý nước thải phổ biến áp dụng là: xử lý lý học (lắng, lọc…), xử lý hóa lý (keo tụ tạo bông, tuyển nổi, hấp phụ…), xử lý sinh học, xử lý hóa học (khử trùng, oxy hóa Fenton…) Nếu thiết kế vận hành phù hợp đa số thành phần nước thải bị loại bỏ Tuy nhiên, số tạp chất kim loại nặng, chất hữu hịa tan khó phân hủy sinh học, khó bị loại bỏ chi phí đầu tư vận hành cao Vì vậy, việc tìm kiếm phương pháp để nâng cao hiệu xử lý tạp chất quan trọng cho công tác bảo vệ nguồn nước Công nghệ oxy hóa bậc cao (Advanced Oxydation Processes- AOPs) có triển vọng việc loại bỏ loại chất hữu hịa tan khó phân hủy sinh học cách khống hóa hồn tồn chuyển hóa chúng thành hợp chất trung gian dễ phân hủy sinh học tạo điều kiện cho trình xử lý sinh học Nguyên lý cơng nghệ dùng tác nhân oxy hóa, chất xúc tác, điện, xạ…kết hợp với điều kiện phản ứng phù hợp tạo gốc oxy hóa OH Gốc OH biết đến tác nhân có khả oxy hóa mạnh, có khả phân hủy chất hữu tốt, khả tồn lưu chất môi trường ngắn dễ phản ứng với tạp chất môi trường Công nghệ Fenton điện hóa nghiên cứu áp dụng thời gian gần thể khả loại bỏ tạp chất hữu hòa tan tốt với chi phí đầu tư vận hành thấp, tốn thời gian Một nhược điểm phương pháp việc loại bỏ Fe2+ xúc tác khỏi nước thải Để khắc phục nhược điểm đó, vật liệu Fe3O4 vừa đáp ứng yêu cầu xúc tác vừa dễ dàng tách khỏi nước thải tái sử dụng để giảm chi phí vận hành chi phí xử lý bùn thải Chính vậy, đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm công nghệ Fenton điện hóa xúc tác dị thể Fe3O4” cần thiết để tìm điều kiện thích hợp yếu tố ảnh hưởng, từ nâng cao hiệu xử lý phát triển sang quy mô công nghiệp để ứng dụng vào thực tế VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Kỷ yếu khoa học Nước thải: Nước thải lấy từ bể điều hòa khu xử lý nước thải Công ty Cổ Phần Dệt May – Đầu Tư – Thương Mại Thành Cơng Đặc tính nước thải sau tiền xử lý trình bày bảng đây: Bảng Đặc tính nước thải dệt may Thành Cơng STT Thơng số Đơn vị Giá trị TSS mg/l 320 22 SO4 mg/l 780 COD mg/l 500 – 700 800 – Độ màu Pt-Co 1.200 Độ kiềm mgCaCO3/l 477 Chất xúc tác: Xúc tác dị thể Fe3O4 điều chế theo phương pháp đồng kết tủa cách cho hỗn hợp dung dịch gồm 400ml nước cất, 9.61g Fe2(SO4)3.5H2O, 7.13g FeSO4.7H2O, 100ml KOH 5M, khuấy nhiệt độ 700C 2h Hỗn hợp sau lọc rửa nước cất vài lần, sau sấy khơ 450C V A 1: Nguồn DC 2: anode 3: cathode 4: Buồng phản ứng 5: thiết bị khuấy từ 6: Máy cấp khí Hình Mơ hình fenton điện hóa Quy trình thực thí nghiệm: Hình thể mơ hình xử lý nước thải dệt nhuộm công nghệ Fenton điện hóa Buồng phản ứng cốc thủy tinh 500 ml, điện cực than chì kết nối với nguồn điện DC (MATRIX MPS-3005S), khoảng cách điện cực giữ cố định cm tất nghiệm thức Không khí cấp với tốc độ lít khí/1 lít nước/phút gần cathode, Fe3O4, pH, hiệu điện điều chỉnh theo nghiệm thức Thời gian xử lý 30 phút, sau Fe3O4 tách khỏi nước nam châm điện Phần nước sử dụng để phân tích COD độ màu Thiết kế thí nghiệm: Sử dụng phần mềm Modde 5.0 (Umetrics, Umea, Sweden) để thiết lập kế hoạch thí nghiệm Phương pháp bề mặt đáp ứng, kế hoạch CCF sử dụng, yếu tố khảo sát là: nồng độ Fe2+ 547 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 [X1; 1, 2, mMol/400ml nước thải], pH [X2; 2, 3, 4], hiệu điện [X3; 10, 15, 20V] hàm mục tiêu đánh giá hiệu xử lý COD độ màu đầu có dạng: 3 i 1 i 1 3 Y i xi ii xi2 ij xi x j i 1 j 1 Kỷ yếu khoa học Phương pháp phân tích: pH (TCVN 6492:2011 với máy pH SevenCompact S220); độ màu (TCVN 6185:2008 với máy đo quang phổ Photolab 6100 VIS); COD (TCVN 6491:1999); TSS (TCVN 6625:2000) Trong đó: Y COD độ màu sau xử lý; 0, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN i, ii, ij hệ số hồi quy; xi, xi2, xixj Phương trình hồi quy yếu tố khảo sát, 𝜀 sai số Bảng Phân tích phương sai ANOVA Y1 – R2=0.879; R2Adj = 0.853 DF SS MS F p Y2 – R2=0.910; R2Adj = 0.891 SS MS Total 51 295168 5787.61 453965 8901.27 Constant 281946 281946 417974 417974 Corrected 50 13221.6 264.432 35990.7 719.814 Regression 11626.5 1291.84 33.2049 Residual Lack of Fit 41 1595.1 38.9049 F 32762.5 3640.28 46.233 p 3228.24 78.7375 400.436 80.0871 2.41334 0.055 599.353 119.871 1.64151 0.174 Pure Error 36 1194.67 33.1852 2628.89 73.0246 Note: SS: Sum of square; MS: Mean of square; F: Fisher value; p: p values; DF: Degree of freedom Theo bảng 2, với hàm mục tiêu COD, độ tin Với hàm mục tiêu độ màu, độ tin cậy mơ cậy mơ hình R2 = 0.879, độ tin cậy hiệu hình R2 = 0.910, độ tin cậy hiệu chỉnh R2Adj = chỉnh R2Adj = 0.853 tương đương với R2 cho 0.891 tương đương với R2 cho thấy yếu thấy yếu tố khảo sát giải thích phần tố khảo sát giải thích phần lớn kết thí lớn kết thí nghiệm Kiểm tra hồi quy nghiệm Kiểm tra hồi quy cho thấy hệ số p cho thấy hệ số p value = (< 0.05) tính value = (< 0.05) tính tốn Lack of fit tốn Lack of fit cho thấy hệ số p value = cho thấy hệ số p value = 0.174 (> 0.05) 0.055 (> 0.05) nên số liệu thực nghiệm nên số liệu thực nghiệm có ý nghĩa mặt có ý nghĩa mặt thống kê mức ý nghĩa thống kê mức ý nghĩa 95% 95% Bảng Các hệ số hồi quy phương trình thực nghiệm COD Độ màu Thơng số Mã hóa Hệ số p Hệ số p Constant Fe2+ pH U 2+ Fe *Fe2+ pH*pH U*U Fe2+*pH Fe2+*U pH*U X1 X2 X3 X1X1 X2X2 X3X3 X1X2 X1X3 X2X3 55.2864 -2.66667 0.533335 -5.86667 12.5822 7.24882 12.5822 -6.00001 4.66667 1.36E-32 0.024137 0.642024 6.88E-06 1.09E-06 0.002037 1.09E-06 0.123905 2.81E-05 7.02E-04 548 60.8028 7.86667 11 -7.66667 22.1784 16.1784 12.1784 6.875 8.875 -5.95833 3.45E-28 1.78E-05 3.27E-08 2.64E-05 1.25E-08 6.50E-06 0.000359 0.000478 1.55E-05 0.002067 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Dựa vào bảng cho thấy số p value số 7.86667X1 + 11X2 – 66667X3 + hạng b2 số hạng b12 với hàm mục tiêu 22.1784X1X1 + 16.1784X2X2 + COD 0.642024 0.123905 12.1784X3X3+ 6.875X1X3 + 8.875X1X2 – lớn 0.05 nên khơng có ý nghĩa mặt 5.95833X2X3 thống kê, cho thấy b2X2 b12X1X2 không Theo bảng 4, ta thấy hiệu suất xử lý COD tác động lớn đến mơ hình thực nghiệm số độ màu tốt Cụ thể, nồng độ Fe2+ = hạng b2, b12 bị loại trừ Với hàm mục tiêu độ mMol, pH= 2.8 hiệu điện U = 16.4 V màu, số p value có giá trị nhỏ Giá trị COD độ màu đạt QCVN 0.05 nên tất số hạng có ý nghĩa 13:2015/BTNMT, cột A Điều chứng tỏ mặt thống kê rằng, giá trị tính tốn mơ hình phù hợp vói giá trị thực nghiệm Mặt khác, đạt Phương trình hồi quy: Hàm mục tiêu COD: Y1 = 55.2864 – điều kiện phản ứng tối ưu điều 2.66667X1 – 5.86667X3 + 12.5822X1X1 + kiện để gốc oxy hóa OH sinh nhiều 7.24882X2X2 + 12.5822X3X3 – 6.00001X1X3 (Tran et.al, 2005) + 4.66667X2X3 Hàm mục tiêu độ màu: Y2 = 60.8028+ Bảng Kết thực nghiệm khảo sát điều kiện tối ưu thông số pH, nồng độ Fe2+ hiệu điện Kết đo QCVN Trun Hiệu Đầu Phương 13:2015/BTN Thông Đơn Stt g suất Lần Lần số vị vào sai MT Lần bình (%) Cột A COD mg/l 480 48 48 48 48 90 100 Độ Pt2 5280 57 61 51 56.3 98.9 25.3 75 màu Co 85.0 82.5 79.9 77.4 74.9 72.4 69.9 67.4 64.9 62.4 59.9 57.4 101.8 97.4 93.0 88.6 84.1 79.7 75.3 70.9 66.4 62.0 57.6 53.2 Hình Đồ thị bề mặt đáp ứng theo hàm mục tiêu COD độ màu U = 16.4V Đồ thị bề mặt đáp ứng hàm mục tiêu hàm mục tiêu nằm vị trí lõm COD độ màu hiệu điện U=16.4V đồ thị Dựa vào đồ thị đường đồng mức có dạng lõm, nét vạch đồng tâm cho thấy, giá trị COD độ màu thấp đường đồng mức mà có giá trị nằm khoảng 53.2 COD độ màu khoảng cực trị mg/l 57.4 Pt-Co a) Theo hàm mục tiêu COD b) Theo hàm mục tiêu độ màu Độ Mức Mức màu/COD Hình Ảnh hưởng yếu tố đến hiệu xử lý 549 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kết luận Nghiên cứu sử dụng cơng nghệ Fenton điện hóa xúc tác dị thể Fe3O4 để xử lý nước thải dệt nhuộm Kết cho thấy, khả loại bỏ COD độ màu tốt nồng độ Fe2+ = 2mMol cao kết nghiên cứu (Dinh et al., 2009) (có nồng độ Fe 2+ = 1mMol), pH= 2.8 tương ứng với tất nghiên cứu trước (có giá trị pH = 3) (Dinh et al., 2008; Patel et al., 2013) hiệu điện U = 16.4V thấp so với nghiên cứu (Nidheesh et al., 2014) (có giá trị hiệu điện U = 20V) So sánh với QCVN 13:2015/BTNMT, giá trị COD độ màu sau xử lý đạt cột A Đề nghị Nghiên cứu vật liệu làm chất xúc tác khác Fe3O4 Fe3O4/Mn3O4, Fe3O4/CeO2 (Xu Lejin el.at, 2012) số hợp chất từ Kỷ yếu khoa học tính mạnh bền Fe3O4 để thuận lợi cho việc tách thu hồi chất xúc tác, tăng cao hiệu xử lý Nghiên cứu thực với loại vật liệu điện cực khác như: TiO2/IrO2; Platin, BDD (Boron-doped diamond)… Mở rộng nghiên cứu xử lý loại nước thải khác có hợp chất hữu độc hại khó phân hủy sinh học có nồng độ cao nước thải cơng nghiệp hóa dầu, sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, dầu khí, sản xuất giấy thuộc da,… Việc tính tốn chi phí vận hành (chi phí hóa chất điều chỉnh pH, điện năng…) chưa thể thực xác điều kiện phịng thí nghiệm, cần tiến hành nghiên cứu với mơ hình pilot điều kiện thực tế để xác định chi phí vận hành khẳng định điều kiện phản ứng TÀI LIỆU THAM KHẢO BỘ TNMT 2015 “QCVN 13:2015/BTNMT” Bộ Tài Nguyên Môi Trường Hà Nội ĐINH THỊ MAI THANH VÀ LÊ THỊ HỒNG NHUNG (2008), "Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình xử lý phenol phương pháp Fenton điện hóa", Tạp chí Hóa Học TRẦN MẠNH TRÍ, TRẦN MẠNH TRUNG (2005), "Các trình oxy hóa bậc cao xử lý nước nước thải", Cơ sở khoa học ứng dụng, Nhà Xuất Khoa học - kỹ thuật BARB W.G., BAXENDALE J.H., GEOR P., HARGRAVE K.R (1951), "Reaction of ferrous and ferric ions with hydrogen peroxide" Transactions of the Faraday Society, 47, pp 426 - 500 EPA (1999), Standard Methods for the Examination of Water and WasteWater APHA JAAFARZADEH N., KAKAVANDI B., TAKDASTAN A., KALANTARY R.R., AZIZI M., JORFI S (2015), “Powder activated carbon/Fe3O4 hybrid composite as a highly efficient heterogeneous catalyst for Fenton oxidation of tetracycline: degradation mechanism and kinetic”, RSC Advances, pp 84718-84728 550 ... hiệu xử lý 549 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kết luận Nghiên cứu sử dụng công nghệ Fenton điện hóa xúc tác dị thể Fe3O4 để xử lý nước thải. .. liệu Fe3O4 vừa đáp ứng yêu cầu xúc tác vừa dễ dàng tách khỏi nước thải tái sử dụng để giảm chi phí vận hành chi phí xử lý bùn thải Chính vậy, đề tài ? ?Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm cơng nghệ. .. hình fenton điện hóa Quy trình thực thí nghiệm: Hình thể mơ hình xử lý nước thải dệt nhuộm cơng nghệ Fenton điện hóa Buồng phản ứng cốc thủy tinh 500 ml, điện cực than chì kết nối với nguồn điện