Xử lý nước thải bằng phương pháp fenton điện hóa

Giáo trình Thí nghiệm Kỹ thuật xanh Vô cơ Giáo trình Thí nghiệm Kỹ thuật xanh Vô cơ Giáo trình Thí nghiệm Kỹ thuật xanh Vô cơ XỬ LÝ NƯỚC THẢI KHÓ PHÂN HỦY BẰNG FENTON ĐIỆN HÓA phương pháp hiệu quả được áp dụng nhiều trong xử lý nước thải chứa chất thải hữu cơ khoa phân hủy đặc biệt phổ biến trong xử lý nước thải nhuộm

Giáo trình Thí nghiệm Kỹ thuật xanh_Vơ XỬ LÝ NƯỚC THẢI KHÓ PHÂN HỦY BẰNG FENTON ĐIỆN HÓA ThS Lê Trọng Thành 1.1 Mục đích thí nghiệm Giúp người học hiểu q trình Fenton điện hóa áp dụng phương pháp điện hóa để xử lý chất thải hữu khó phân hủy có nước thải, nhằm để bảo vệ môi trường cách hiệu 1.2 Cơ sở lý thuyết 1.2.1 Giới thiệu chung nước thải phương pháp xử lý Nước thải thành phần tất yếu trình hoạt động xã hội Do nước thải thường chứa thành phần q trình, thành phần nguyên liệu hóa chất thường có nồng độ cao nhiều trường hợp thu hồi lại Ví dụ như, nước thải từ việc rửa hay vệ sinh thiết bị phản ứng, nước ngưng từ q trình sản xuất giấy, nước thải cơng đoạn trình nhuộm Do đặc trưng nguồn gốc phát sinh nên loại nước thải nhìn chung có nồng độ chất gây nhiễm lớn, mang tính nguy hại mức độ khác tùy thuộc vào thân q trình cơng nghệ phương thức thải bỏ Nước thải có nguồn gốc từ cố rò rỉ sản phẩm nguyên liệu trình sản xuất, lưu trữ hay bảo quản sản phẩm, nguyên liệu Vì vậy, việc xử lý nước thải, loại bỏ ion kim loại nguy hại, phần tử mang màu, hàm lượng chất lơ lửng…rất cần thiết nhằm hạn chế mức độ ô nhiễm môi trường ngày cao Phương pháp xử lý nước thải gồm: xử lý học, xử lý hóa lý xử lý sinh học Quá trình xử lý học bao gồm: lắng, lọc (lưới lọc, lớp vật liệu lọc hay màng lọc), làm thống, khử khí, khuấy trộn pha lỗng, tuyển Q trình xử lý hóa lý bao gồm: trung hịa, keo tụ, hấp thụ hấp phụ, oxy hóa (các chất oxy hóa Giáo trình Thí nghiệm Kỹ thuật xanh_Vô mạnh clo, ozon…), trao đổi ion oxy hóa nâng cao Xử lý sinh học bao gồm: xử lý hiếu khí xử lý yếm khí Phương pháp Fenton điện hóa trường hợp cụ thể áp dụng oxy hóa nâng cao xử lý nước thải 1.2.2 Phương pháp Fenton điện hóa [4;5,6] Trong trình Fenton điện hóa (Electrochemical Fenton Process) xảy phản ứng: + Ở anot oxi hóa nước tạo oxi phân tử theo phương trình: 2H2O (1) → O2 4H+ + 4e- + Ngồi cịn có oxi hóa anion hay Fe (khi ta sử dụng anot hòa tan) Fe → Fe2+ + 2e(2) + Trên catot xảy phản ứng: 2H+ O2 + (3) Fe3+ 2e- + → H2O2 e- + →Fe2+ (4) + Trong dung dịch xảy tương tác chất, phản ứng tiêu biểu: Fe2+ + H2O2 → (5) Fe3+ + *OH + OH– Fe3+ + H2O2 Fe2+ + *HO2 + Fe2+ (7) + *OH *OH (8) + H2O2 Fe2+ (9) + *HO2 H+ → (6) → Fe3+ + → → H2O OH– + *HO2 Fe3+ + HO2 - Giáo trình Thí nghiệm Kỹ thuật xanh_Vơ Fe3+ (10) + *HO2 → Fe2+ + O2 + H+ CHC (cao phân tử) +*OH →CHC (thấp phân tử) +CO2 +H2O+ OH(11) Cơ chế q trình Fenton cịn nhiều tranh luận, song đa số thống với chế xảy theo phản ứng từ (5) đến (10) thừa nhận vai trò gốc hydroxyl tạo phản ứng Fenton Do ta mơ tả q trình Fenton điện hóa hình Hình Sơ đồ q trình Fenton điện hóa Tóm lại, phản ứng đặc trưng cho q trình Fenton điện hóa là: ½O2 + H2O + lượng điện hóa → *OH (12) Phương trình khái quát khác trình Fenton điện hóa q trình Fenton cổ điển (Fe 2+ + H2O2 → Fe3+ + *OH + OH–) Các ion Fe2+ khơng thấy xuất phương trình, q trình Fenton điện hóa, 75% oxi sử dụng hệ oxi sinh catot Để sinh mol gốc hydroxyl *OH cần tiêu tốn ½ mol oxi Giáo trình Thí nghiệm Kỹ thuật xanh_Vơ Trong q trình Fenton điện hóa tùy theo cách đưa nguồn ion Fe2+ vào hệ cịn phân biệt q trình: trình Fenton catot trình Fenton anot Quá trình Fenton anot Trong trình này, nguồn ion Fe 2+ đưa vào hệ, điện cực sắt sử dụng làm anot nguồn cung cấp Fe 2+, điện cực anot bị mịn dần trở thành điện cực hy sinh trình điện hóa Điện cực graphít dùng làm catot để thực trình khử oxi thành H 2O2 Vì trình này, tác nhân Fenton (Fe2+ /H2O2) sinh đường điện hóa hai điện cực anot catot Quá trình Fenton catot Trong trình Fe2+ đưa vào hệ từ đầu H 2O2 sinh hệ Tuy nhiên sau khơng cần bổ sung Fe2+ Fe3+ sinh phản ứng Fenton khử catot q trình điện hóa theo phương trình (4) Sự khử Fe3+ để tạo Fe2+ theo phản ứng (4) khử O2 để tạo H2O2 theo phản ứng (3) xảy đồng thời catot với tốc độ gần Trong trình Fenton catot thiết bị phản ứng điện hóa khối khơng có vách ngăn cách Điện cực anot chế tạo vật liệu trơ platin, titan phủ màng mỏng platin, điện cực làm catot vật liện chứa cacbon Vì Fe2+ H2O2 liên tục sinh q trình điện hóa với tốc độ kiểm sốt nên so với q trình Fenton cổ điển Fenton catốt hiệu cao hơn, mức độ phân hủy chất hữu hoàn toàn Những cơng trình nghiên cứu gần cho thấy chế q trình oxi hóa điện hóa phụ thuộc vào đặc tính điện hóa đặc tính hóa học điện cực anot sử dụng Theo Rodgers et al (1999) sử dụng dioxit chì, q trình oxi hóa xảy cách chuyển e trực tiếp vào điện cực, khơng thơng qua gốc •OH q trình oxi hóa xảy gián tiếp thơng qua gốc hydroxyl sử dụng anot dioxít thiếc đioxit iridi Giáo trình Thí nghiệm Kỹ thuật xanh_Vơ Một số ưu điểm nhược điểm phương pháp Fenton điện hóa - Sản phẩm H2O2 tạo tức thời liên tục, cho phép điều khiển tốt hình thành gốc hydroxyl Nồng độ xúc tác Fe2+ sử dụng cần đủ để làm hoạt động hệ Fenton nhờ chu kỳ tái tạo Fe2+ dòng điện, việc mặt cho phép loại bỏ kết tủa tạo bùn Fe(III) so với trình Fenton - Vận hành tối ưu nhiệt độ thường áp suất khí - Q trình dễ dàng kết hợp với phương pháp oxy hóa tiên tiến khác UV, siêu âm xử lý vi sinh - Lượng chất xúc tác (cation kim loại) đưa vào dung dịch có nồng độ thường nhỏ, tồn dạng ion tự dạng phức với chất hữu tự nhiên Sử dụng phương pháp có ưu điểm kép: khơng cần bổ sung chất xúc tác trình xử lý nước thải ô nhiễm thải trực tiếp nước sau xử lý môi trường không cần thông qua khâu xử lý nhằm loại bỏ ion kim loại xúc tác bổ sung ban đầu - Một nhược điểm q trình Fenton điện hóa giống trình Fenton, kỹ thuật yêu cầu giá trị pH dung dịch phải khống chế khoảng pH= 2-4, trình phụ thuộc vào pH dung dịch Các yếu tố ảnh hưởng q trình Fenton điện hóa Vật liệu điện cực, pH môi trường, nồng độ xúc tác, chất chất xúc tác, nhiệt độ, chất ô nhiễm mật độ dịng điện thơng số ảnh hưởng đến chế hiệu suất hiệu ứng Fenton điện hóa Bản chất xúc tác Các loại xúc tác khác như: ion Fe 2+, Fe3+, Cu2+, Co2+, Ag+, sử dụng kết hợp với để tạo gốc hydroxyl Chen cộng nghiên cứu hiệu hệ Fe/H2O2, Co/H2O2 Cu/H2O2 đến q trình khống hóa brompyogalol q trình xử lý nước thải cơng nghiệp dệt nhuộm Nghiên cứu rằng, sắt sử dụng Giáo trình Thí nghiệm Kỹ thuật xanh_Vơ chất xúc tác hiệu Ngoài ra, Gallard cộng rằng, tốc độ phân hủy H2O2 oxy hóa atrazin chậm có mặt ion Cu2+ so với có mặt Fe 3+ bổ sung thêm ion Cu2+ làm tăng hiệu hệ Fe 3+/H2O2 Các nghiên cứu Guivarch cho thấy, phân hủy xanh malachit nhanh hiệu sử dụng xúc tác sắt so với đồng bạc Theo Bandara cộng sự, khả xúc tác phụ thuộc chủ yếu vào lượng hydrat hóa, kích thước ion solvat hóa dạng đồng phân chất xúc tác Mật độ dòng điện Sự tăng mật độ dòng điện cho phép tăng khả phân hủy hợp chất hữu Sự tăng tốc trình phân hủy tương ứng với tăng dịng điện giải thích hình thành lượng H2O2 tái tạo ion Fe2+ nhiều hơn, dẫn đến tạo hydroxyl nhiều Tuy nhiên, tăng có ảnh hưởng tích cực giá trị giới hạn Khi cường độ dòng điện vượt giá trị giới hạn này, ức chế phân hủy chất ô nhiễm dung dịch Boye cộng thực trình khống hóa 2,4,5-T q trình Fenton điện hóa sử dụng dòng điện nhỏ, thời gian ngắn Dòng điện cao cho phép tăng tốc động học trình khống hóa tăng lượng điện tích tiêu thụ Nó tạo điều kiện thuận lợi cho trình giải phóng hydro catot mát lượng tỏa nhiệt 1.3 Dụng cụ, thiết bị hóa chất 1.3.1 Dụng cụ thiết bị TÊN SL TÊN SL Ống nhỏ giọt 02 Điện cực than 01 Pipet ml 01 Pipet 10 ml 01 Becher 250 ml 05 Điện cực titan mạ 01 platin Máy đo quang có cu 01 vét Bình định mức 25 ml 02 Becher 1000 ml 01 Bình định mức 500 ml 01 Giáo trình Thí nghiệm Kỹ thuật xanh_Vơ Bóp cao su 01 Máy lọc 01 Máy khuấy từ cá từ 01 Giá đỡ có kẹp 02 Cân điện tử 01 Nguồn chiều 01 Máy đo pH 01 1.3.2 Nguyên liệu hóa chất Metylene Blue (MB) Axit sunfuric (H2SO4 98%) Natri hydroxit (NaOH) Sắt sunfat (FeSO4.7H2O) 1.4 Tiến hành thí nghiệm - Pha dung dịch MB: cân 100 mg MB pha vào bình định mức 500 ml dung dịch MB nồng độ 200 ppm Từ dung dịch MB 200 ppm tiến hành pha nồng độ 1, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 bình định mức 25 ml, 40 ppm bình định mức 500 ml - Dựng đường chuẩn: đo độ hấp thụ quang (A) bước song 650 nm ứng với nồng độ MB từ  40 ppm (tham khảo bài: Biến tính bùn đỏ xử lý chất màu hữu cơ) - Lấy 500 ml dung dịch Metylene Blue (MB) có nồng độ 40 ppm cho vào becher 1000 ml Dùng H2SO4 98% để chỉnh pH dung dịch MB pH cần thiết (pH = 2) Bổ sung 2,78g FeSO 4.7H2O để dung dịch có Fe2+ = 0,02M - Để becher chứa 500ml MB máy khuấy từ Điều chỉnh tốc độ khuấy vừa phải (khoảng 250 – 350 v/p, khơng tạo dịng xốy) Bật máy thổi khí điều chỉnh van phù hợp - Tiến hành lắp nguồn chiều điện cực hình: điện cực than nối với cực âm, điện cực titan mạ platin với cực dương nguồn điện, khoảng cách điện cực cm Cài đặt cường độ dòng chế độ cần khảo sát (mật độ dòng 1; 1,5 2A/dm2) - Sau thời gian 15 phút ta tiến hành lấy ml mẫu cho vào bercher 250 ml, lấy dung dịch NaOH đậm đặc chỉnh pH để kết tủa lượng ion Fe (pH= 8-9) Giáo trình Thí nghiệm Kỹ thuật xanh_Vơ - Đem mẫu lọc đo độ hấp thụ quang (với thời gian lấy mẫu t = 15; 30; 45; 60 phút, 75 phút), bước sóng 650 nm Ghi nhận số liệu Cốc thủy tinh Catot Anot Khuấy từ Nguồn điện chiều Hình Sơ đồ hệ thống thí nghiệm Fenton điện hóa Giáo trình Thí nghiệm Kỹ thuật xanh_Vơ 1.5 Sơ đồ khối quy trình xử lý nước thải 1.6 Kết thí nghiệm Giáo trình Thí nghiệm Kỹ thuật xanh_Vô 1.7 Tài liệu tham khảo [1] Tanner, Comparataive testing and evaluation of hardsurface disinfectants, R S 1989 [2] Đặng Trấn Phịng, Sinh thái mơi trường dệt nhuộm, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2004 [3] Trần Đức Hạ, Xử lý nước thải quy mô vừa nhỏ, NXB KHKT, 2006 [4] GS TSKH.Trần Mạnh Trí TS Trần Mạnh Trung-Các q trình oxi hóa nâng cao xử lý nước thải sở khoa học ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2005 [5] Phạm Thị Minh-“Nghiêm cứu đặc điểm q trình khống hóa số hợp chất hữu họ azo nước thải dệt nhuộm phương pháp Fenton điện hóa”, Luận văn tiến sĩ hóa học, Hà Nội -2013 [6] https://ccep.com.vn/51/qua-trinh-fenton-day-du-va-ungdung-trong-xu-ly-nuocthai.htm 10 ... oxy hóa nâng cao Xử lý sinh học bao gồm: xử lý hiếu khí xử lý yếm khí Phương pháp Fenton điện hóa trường hợp cụ thể áp dụng oxy hóa nâng cao xử lý nước thải 1.2.2 Phương pháp Fenton điện hóa. .. q trình Fenton điện hóa Tóm lại, phản ứng đặc trưng cho q trình Fenton điện hóa là: ½O2 + H2O + lượng điện hóa → *OH (12) Phương trình khái quát khác q trình Fenton điện hóa q trình Fenton cổ... trình xử lý nước thải nhiễm thải trực tiếp nước sau xử lý môi trường không cần thông qua khâu xử lý nhằm loại bỏ ion kim loại xúc tác bổ sung ban đầu - Một nhược điểm trình Fenton điện hóa giống