Untitled Science & Technology Development, Vol 19, No T5 2016 Trang 246 Xử lý nước thải xi mạ bằng phương pháp keo tụ điện hóa sử dụng bể sục khí với điện cực hình trụ Tô Thị Hiền Lê Minh Hoàng [.]
Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 Xử lý nước thải xi mạ phương pháp keo tụ điện hóa sử dụng bể sục khí với điện cực hình trụ Tơ Thị Hiền Lê Minh Hồng Nguyễn Thị Phương Thảo Nguyễn Lý Sỹ Phú Trường Đại Học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 04 tháng 01 năm 2016, nhận đăng ngày 02 tháng 12 năm 2016) TĨM TẮT Nghiên cứu nhằm mục đích xử lý kim loại nặng có nước thải xi mạ phương pháp keo tụ điện hóa Nước thải xi mạ chưa qua xử lý lấy từ nhà máy xi mạ với nồng độ cao kim loại Cr, Ni, Cu, Zn (riêng với Cr, nồng độ tổng Cr(III) Cr(VI) lên đến 350 ppm) Mơ hình bể thí nghiệm tích L Điện cực sắt hình trụ sử dụng thí nghiệm, q trình vận hành sục khí oxygen ngun chất 99 % nhằm tăng hiệu xử lý Kết cho thấy pH, mật độ dòng điện, thời gian xử lý ảnh hưởng lớn đến hiệu xử lý phương pháp keo tụ điện hóa Hiệu suất xử lý đạt 99,9 % tất kim loại nặng nước thải vận hành mô hình với mật độ dịng điện 9,4 mA/cm2, thời gian 30 phút pH nước thải Kết tối ưu RSM gần tương đương với kết tối ưu thực nghiệm với mật độ dòng điện 8,79 mA/cm2, thời gian xử lý 30,01 phút pH 4,95 Ngồi ra, phương pháp có khả xử lý tốt kim loại nặng nhiều khoảng nồng độ Điện cực q trình sử dụng bị ăn mịn khơng đáng kể qua khảo sát qt tuần hồn Với hiệu xử lý cao, cách vận hành đơn giản, khơng cần tiêu tốn hóa chất, lượng điện tiêu thụ 10 kWh/m3, phương pháp triển vọng áp dụng việc xử lý nước thải xi mạ thực tế Từ khóa: keo tụ điện hóa, điện cực sắt, bể sục khí, nước thải xi mạ, kim loại nặng MỞ ĐẦU Kim loại nặng phát sinh từ nhiều ngành cơng nghiệp khác hóa chất, pin ắc quy, khai khống, gia cơng chế biến kim loại… Trong đó, cơng nghiệp xi mạ ngành điển hình xả thải kim loại nặng [1] Nhiều phương pháp lý, hóa sinh học bao gồm hấp phụ, kết tủa, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, lọc màng sử dụng để xử lý kim loại nặng số tồn hiệu chưa cao tiêu tốn nhiều hóa chất [2] Kết tủa kim loại nặng dạng hydroxide phương pháp hiệu loại bỏ kim loại Trang 246 nặng khỏi dòng thải Phương pháp áp dụng phổ biến cách cho hóa chất keo tụ phèn nhơm phèn sắt vào, sau điều chỉnh pH nước thải để loại bỏ chất ô nhiễm dạng cặn keo tụ Tuy phương pháp hiệu quả, giá thành cao sử dụng hóa chất, bên cạnh đó, việc thêm hóa chất vào nước thải tạo sản phẩm phụ, trở thành chất ô nhiễm thứ cấp [3] Phương pháp keo tụ điện hóa kĩ thuật hiệu để loại bỏ chất ô nhiễm nước thải công nghiệp Quá trình vận hành tương đối đơn TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SOÁ T5- 2016 giản, lượng tiêu thụ hợp lý, lượng bùn hình thành thấp, khơng tạo sản phẩm phụ q trình xử lý; từ cho thấy keo tụ điện hóa kĩ thuật tiềm để thay phương pháp tại, với khả áp dụng thực tế cao Xuất phát từ thực tiễn đó, nghiên cứu thực việc xử lý số kim loại nặng nước thải xi mạ phương pháp keo tụ điện hoá nhằm mở hướng khác xử lý nước thải xi mạ với chi phí thấp, hiệu cao Có thể đáp ứng nhu cầu xử lý nước thải doanh nghiệp đảm bảo việc bảo vệ môi trường [4] VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Mô hình thí nghiệm Thí nghiệm tiến hành mơ hình keo tụ điện hóa tự tạo gồm: Một bể hình trụ thuỷ tinh (I) tích L Hai điện cực sắt hình trụ rỗng có đường kính 7,5 cm cm, chiều cao 10 cm, điện cực dày mm đặt vào bể, cách đáy bể cm Dưới đáy bể trang bị phân phối khí, có nhiệm vụ phân bố oxygen khắp bể, đồng thời khuấy trộn nước trình xử lý Trước thí nghiệm, điện cực ngâm HNO3 15 % 10 s, sau rửa lại nước cất để làm lớp oxide sắt bám bên điện cực trước đưa vào bể Thể tích nước đưa vào bể 1,3 L, điều chỉnh pH HNO3 N NaOH 5N [4] Bình chứa oxygen 99 % (II) cung cấp oxygen cho thí nghiệm với lưu lượng L/phút Khí oxy dùng để oxygen hóa Fe2+ sinh từ điện cực thành kết tủa hydroxide Nguồn điện qua Inverter chuyển điện chiều (III), sử dụng thiết bị đo điện Saip Group có hiệu điện 0–15 V, mật độ dịng từ 0–6 A, điều chỉnh điện áp núm vặn tăng đồng thời cường độ dòng điện Nguồn điện chiều nối với hai điện cực bể phản ứng Nước thải sau xử lý chuyển sang ống Imhoff thuỷ tinh (IV), lắng tiếng, nước sau lắng lọc qua giấy lọc 0,45 µm Hình Mơ hình thí nghiệm gồm phận chính: bể phản ứng, bình oxy, nguồn cấp điện ống Imhoff Trang 247 Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 Khi cho dòng điện chạy qua hai điện cực bể phản ứng, trình điện phân diễn hai điện cực Các phản ứng diễn hai điện cực sau [5]: phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM – Response Surface Methodology) để kiểm tra tối ưu hóa mơ hình Khảo sát phản ứng xảy ăn mòn điện cực quét CV Tafel Anode : Fe → Fe2+ + 2e– (1) Các kim loại nặng Cr, Cu, Ni, Zn, Fe phân tích phương pháp Khối phổ plasma cảm ứng (ICP – MS) pH nước thải đo máy Schott - LAB 850, độ dẫn đo máy Schott - Handylab Multi 12 Tất thí nghiệm tiến hành nhiệt độ phòng – Fe + 2OH → Fe(OH)2 (2) 2+ Cathode : 2H2O + e–→ H2↑ + 2OH– (3) Phản ứng tổng thể: Fe + 2H2O → Fe(OH)2 + H2↑ (4) Trong điều kiện acid có sục khí oxygen, phản ứng diễn bao gồm: Anode : 4Fe → 4Fe 2+ – + 8e (5) 4Fe + 10H2O + O2 → 4Fe(OH)3 + 8H (6) 2+ + Cathode : 8H+ + 8e–→ 4H2 ↑ (7) Phản ứng tổng thể: 4Fe +10H2O + O2 → 4Fe(OH)3 + 4H2 ↑ (8) Trong trình hình thành hydroxide sắt sinh từ điện cực, kim loại nước thải đồng kết tủa với hydroxide sắt này, loại bỏ khỏi nước thải Nước thải Nước thải lấy từ nhà máy xi mạ khu công nghiệp thuộc tỉnh Long An Tính chất vật lý hóa học nước thải liệt kê Bảng Bảng Tính chất vật lý hóa học nước thải xi mạ đầu vào Chỉ tiêu pH Cr Cu Ni Zn Độ dẫn Đơn vị mg/L mg/L mg/L mg/L mS/cm Giá trị 2,36 350 ± 40 ± 105 ± ± 0,2 5,29 Phương pháp thực nghiệm Các thí nghiệm thực để khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xử lý nước thải: pH, mật độ dòng điện, thời gian xử lý để tối ưu hóa mơ hình Sau tiến hành khảo sát nồng độ nước thải xi mạ điều kiện tối ưu sử dụng Trang 248 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Quá trình keo tụ điện hóa bị ảnh hưởng số điều kiện pH nước thải, độ dẫn điện nước thải, mật độ dòng điện thời gian điện phân Do vậy, để tăng hiệu xử lý, yếu tố ảnh hưởng chọn để khảo sát Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý kim loại nước thải pH ảnh hưởng lên độ dẫn nước thải, hòa tan Fe điện cực, hình thành hydroxide Trong thí nghiệm khảo sát pH tối ưu, nước thải xử lý có tính chất Bảng 1, mật độ dòng điện giữ 14,1 mA/cm2, thời gian gian xử lý 60 phút, khoảng cách điện cực 1,2 cm, giá trị pH khảo sát từ đến 10 Hiệu xử lý kim loại thể Hình 2, đó, nồng độ kim loại nickel, đồng kẽm (Hình (B), (C), (D)) có chung xu hướng pH cao nồng độ xử lý tốt Giải thích điều pH thấp, sắt sinh anode tồn dạng hoà tan (Fe2+) mơi trường acid, chúng bắt đầu kết tủa pH nước thải chuyển dần lên trạng thái trung tính kiềm Khi pH nước thải tăng, lúc diễn trình cộng kết hấp phụ kim loại nặng vào cặn: hấp phụ kim loại nặng vào cặn chủ yếu trao đổi ligand Sự trao đổi ligand (L) trình hấp phụ mơ tả theo phương trình đây: LH + (OH)OFe → LOFe + H2O (9) TAÏP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 Hình Đồ thị biểu diễn nồng độ lại kim loại Cr (A), Ni (B), Cu (C), Zn (D) nồng độ Fe dư (E) sau xử lý pH thay đổi từ 2–10 Ngoài ra, pH cao, môi trường kiềm, cation kim loại Ni2+, Cu2+ Zn2+ cịn xử lý chế thứ hai kim loại kết hợp với OH- nước thải tạo hydroxide kim loại kết tủa, bị loại bỏ khỏi nước thải [7] Trong kim loại xử lý q trình keo tụ điện hóa với Cr, hiệu xử lý tương đối pH cao tốt pH thấp (từ 3, – Hình 2A) Khi pH cao, dạng crom chủ yếu loại bỏ khỏi dung dịch Cr(III) kết tủa tạo thành Cr(OH)3, nhiên dạng Cr(VI) tồn dung dịch [8] Ở pH thấp, hiệu xử lý tốt Cr(VI) Cr(III) xử lý Việc loại bỏ Cr(VI) keo tụ điện hóa gồm giai đoạn: Đầu tiên trình khử Cr(VI) thành Cr(III) cathode trình điện phân điện cực sắt nước thải ion Fe2+ tan từ q trình oxy hóa điện cực sắt anode; trình đồng kết tủa hydroxides Fe(III) Cr(III) Nếu xét đến chế khử Cr(VI) thành Cr(III) trình điện phân cathode nước thải lúc này, phản ứng diễn cathode sau: Trong môi trường acid: HCrO4− + 3e− + 7H+ → Cr3+ + 4H2O (10) Trong môi trường kiềm: CrO42− + 3e− + 4H2O → Cr3+ + 8OH− (11) Sau Cr3+ tạo ra, kết hợp với ion OH- có sẵn nước thải, ion OHsinh từ q trình điện phân cathode để tạo hydroxide kim loại: Cr3+ + 3OH− → Cr(OH)3 (12) Khi pH khoảng 1–6,5, nồng độ Cr nhỏ 520 mg/L, Cr tồn dạng HCrO4− Nếu xét trình khử Cr(VI) thành Cr(III) ion Fe2+ sinh từ điện cực sắt anode, pH thấp, trình chiếm ưu thế: HCrO4−+3Fe2+ + 7H+ → Cr3+ + 3Fe3+ + 4H2O (13) Trang 249 Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 Tại pH 3, sau xử lý, pH nước thải tăng lên 5,4 (Bảng 2) Theo tài liệu, Cr(III) trạng thái không tan pH nằm khoảng 5,8–11 Vậy sở dĩ, khả xử lý Cr cao pH (Hình 2A) Cr(III) kết tủa khu vực gần cathode (nơi có pH cao so với điểm khác nước thải) thể qua dấu hiệu kết tủa trắng xuất xung quanh cathode Tại pH 4, chế chuyển Cr(VI) thành Cr(III) tương tự pH 3, nhiên, pH nước thải sau xử lý tăng từ lên 6,2 (Bảng 2) Nên Cr(III) không kết tủa khu vực gần cathode, mà Cr(III) kết tủa khu vực khác dung dịch, pH nước thải lúc giới hạn kết tủa Cr(III) (5,8 < 6,2 < 11) [5] Ban đầu thí nghiệm, pH = 4, kết tủa trắng Cr(OH)3 quan sát thấy gần cathode, thêm vào hình thành Fe(OH)3 có màu nâu đỏ xuất trình xử lý Vậy, pH 4, trình xử lý tốt Cr(VI) dễ dàng bị oxy hóa dạng Cr(III) môi trường acid dung dịch Tiếp theo, pH nước thải bắt đầu tăng lên, dạng Cr(III) kết tủa xử lý loại bỏ khỏi nước thải [5] Lượng sắt dư sau trình điện phân mơ tả Hình 2E Nồng độ sắt sau điện phân cao pH Ở pH 2, sắt tồn dạng ion tan, kết tủa Tại pH 8, lượng sắt tan dung dịch tăng lên pH sau điện phân tăng lên 10,3 (Bảng 2) Khi pH cao 10, dạng tồn sắt chuyển từ Fe(OH)3 sang Fe(OH)4- làm tăng nồng độ sắt sau trình xử lý [6] Nồng độ sắt điều kiện pH tối ưu pH sau phản ứng 6–8 nằm khoảng kết tủa tốt sắt Nồng độ sắt lúc mức ppm, đạt tiêu chuẩn QCVN 40: 2011/BTNMT Trong khảo sát tiếp theo, pH chọn pH tối ưu hiệu xử lý tất kim loại tốt tiết kiệm hóa chất điều chỉnh pH Bảng Sự thay đổi pH trước sau xử lý mật độ dòng 14,1 mA/cm2, T = 60 phút, khoảng cách 1,2 cm pH nước thải trước xử lý pH nước thải sau xử lý 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 3,8 5,4 6,2 8,0 9,2 10,0 10,3 10,6 10,9 Ảnh hưởng mật độ dòng điện đến hiệu xử lý kim loại nước thải Mật độ dòng điện yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu xử lý phương pháp keo tụ điện hóa [10] Trong thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng mật độ dòng điện tới hiệu xử lý, pH nước thải chọn 5, khoảng cách điện cực 1,2 cm, chiều dòng điện đổi luân phiên sau phút, mật độ dòng khảo sát thay đổi từ 4,7–18,8 mA/cm2 Trang 250 Hình biểu diễn khả xử lý kim loại phương pháp keo tụ điện hóa pH Ngay mật độ dòng 4,7 mA/cm2, kim loại Ni , Cu, Zn xử lý tốt, nồng độ khoảng từ 0,01–0,1 ppm Với Cr, nồng độ kim loại giảm mạnh mật độ dòng điện mức 4,7 mA/cm2 đạt hiệu suất xử lý 99,52 % TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 Hình Đồ thị thể nồng độ lại sau xử lý kim loại Cr, Ni, Cu Zn mật độ dòng khác Tuy nhiên, mật độ dòng tăng lên 9,4 mA/cm2 (điện tương ứng V) nồng độ Cr giảm xuống ppm (dựa theo QCVN 40:2011 / BTNMT) hiệu xử lý lúc đạt 99,74 % Do vậy, khả xử lý mật độ dòng điện khoảng 4,7–9,4 mA/cm2 không cao, đóng vai trị định việc đưa nước thải sau trình xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải Do vậy, mật độ dòng tối ưu chọn để sử dụng cho thí nghiệm 9,4 mA/cm2 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý kim loại nước thải Thời gian xử lý ảnh hưởng đến hiệu xử lý, lượng điện tiêu thụ [11] Trong thí nghiệm thời gian xử lý, mật độ dòng điện giữ 9,4 mA/cm2, pH 5, khoảng cách điện cực 1,2 cm, thời gian khảo sát khoảng từ 15–90 phút Tương ứng với mật độ xử lý, lượng bùn sinh khác (Bảng 3) Xu hướng lượng bùn tăng lên mật độ dòng điện lớn, lượng sắt sinh từ trình điện phân điện cực nhiều, dẫn đến lượng bùn sinh kết tủa hydroxide sắt tăng theo Hiện có nhiều nghiên cứu việc thu hồi kim loại có giá trị kinh tế từ loại bùn sau xử lý, điển hình dạng bùn tạo từ trình keo tụ điện hóa, nghiên cứu Bảng Thể tích bùn sau xử lý để lắng mật độ khác Mật độ (mA/cm2) Thể tích bùn lắng sau (mL) Thể tích bùn lắng sau (mL) 4,7 9,4 14,1 18,8 390 490 700 890 330 400 540 750 Hình Đồ thị thể phụ thuộc nồng độ Cr, Ni, Cu, Zn pH dung dịch sau xử lý vào thời gian xử lý Nồng độ kim loại giảm mạnh 15 phút (Hình 4), đến 30 phút kim loại Ni, Cu Zn đạt chuẩn A QCVN40:2011/BTNMT Riêng với Cr, hiệu xử lý 30 phút đầu đạt cao, lên đến 99,48 Trang 251 Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 lượng điện tiết kiệm so với điện hóa thời gian 60 phút kWh/m3 (Bảng 4) %, sau thời gian sau đó, lượng Cr giảm không đáng kể Tuy nhiên nồng độ Cr sau xử ký 30 phút chưa đạt chuẩn QCVN40:2011/ BTNMT Nồng độ Cr xử lý đạt chuẩn đến thời gian xử lý 60 phút Do vậy, thời gian xử lý chọn với loại nước thải xi mạ với nồng độ Cr (350 ppm) 60 phút Trong thực tế, thời gian xử lý 30 phút, chi phí điện để xử lý dao động từ 4.300 – 13.600 đồng (tuỳ theo khung giờ), với lượng nước thu hồi sau lắng 70 % Hiện nay, chất hấp phụ thị trường than hoạt tính hay nhựa trao đổi ion sử dụng để xử lý kim loại nặng nồng độ kim loại nặng nước thải cao, chất hấp phụ nhanh chóng bão hòa, phải thay liên tục tốn chi phí Tuy nhiên, sử dụng phương pháp keo tụ điện hóa, nồng độ kim loại giảm đáng kể Từ kết khảo sát trên, thấy dừng trình thời gian 30 phút, hầu hết kim loại ngoại trừ Cr đạt chuẩn Theo thực tế cho thấy dừng trình keo tụ điện hoá thời điểm 30 phút áp dụng thêm phương pháp hấp phụ khác để xử lý Cr đạt chuẩn tiết kiệm nhiều chi phí lượng, đồng thời vật liệu hấp phụ sử dụng thời gian dài nên ưu kết hợp phương pháp Do vậy, kết hợp keo tụ điện hóa với bể lọc sử dụng vật liệu hấp phụ giúp phương pháp keo tụ điện hóa tiết kiệm lượng điện tiêu thụ, phương pháp lọc sử dụng vật liệu hấp phụ giúp kéo dài thời gian sử dụng Cụ thể, dừng trình xử lý 30 phút, mật độ dòng 9,4 mA/cm2, pH nước thải Bảng Lượng điện tiêu thụ tương ứng với thời gian điện hóa từ 15–90 phút Thời gian điện phân (phút) Lượng điện tiêu thụ (kWh/m3) 15 30 45 60 75 90 2,5 7,5 10 12 14,4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ nước thải đầu vào Nồng độ kim loại nặng có nước thải xi mạ đầu vào yếu tố quan trọng để lựa chọn thông số vận hành nhằm tối ưu hóa khả vận hành, đồng thời tiết kiệm chi phí xử lý mà đảm bảo khả xử lý đạt yêu cầu Kết khảo sát hiệu suất xử lý keo tụ điện hóa với nồng độ kim loại đầu vào khác trình bày Bảng Nhận thấy nồng độ thấp, hiệu xử lý có giảm khơng đáng kể, tức hiệu xử lý kim loại nồng độ khác giống Cho thấy phương pháp có khả sử dụng cho nhiều khoảng nồng độ cao thấp khác Bảng Hiệu xử lý mơ hình thay đổi nồng độ đầu vào KLN Cr Ni Đầu vào Nồng độ Hiệu suất (ppm) (%) 350 99,48 105 99,96 Đầu vào Nồng độ Hiệu suất (ppm) (%) 250 98,45 25 99,48 Đầu vào Nồng độ Hiệu suất (ppm) (%) 100 97,78 30 98,30 Cu 40 99,91 30 99,29 15 97,11 Zn 99,88 99,10 97,61 Trang 252 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 Tối ưu hóa điều kiện vận hành mơ hình phương pháp RSM Nhằm tìm thơng số vận hành tối ưu cho mơ hình, xác định tương tác biến độc lập, phương pháp RSM thực thông qua việc chạy phần mềm Design Expert Các thí nghiệm vận hành mơ hình RSM thực độc lập với thí nghiệm khảo sát tối ưu trước Số liệu kết thí nghiệm thể Bảng Sau thực nhập số liệu vào phần mềm tính hiệu xử lý Hiệu xử lý Cr, Ni, Cu Zn tính tốn 99,994 %, 99,983 %, 99,9736 % 99,9664 % điều kiện tối ưu: mật độ dòng điện 8,79 mA/cm2; pH 4,95; thời gian 30,01 phút Các kết tối ưu hóa điều kiện vận hành mơ hình phương pháp RSM hồn tồn phù hợp với điều kiện vận hành thực tế Bảng Bảng kết tối ưu hóa thực nghiệm mơ hình RSM Yếu tố ảnh hưởng pH Thời gian xử lý Hiệu xử lý Cr (%) Hiệu xử lý Ni (%) Hiệu xử lý Cu (%) Hiệu xử lý Zn (%) 4,7 15 44,75 45,00 43,52 42,48 4,7 45 87,72 83,71 84,75 83,78 4,7 15 46,50 81,90 86,50 83,08 4,7 45 56,15 93,71 93,70 93,52 14,1 15 58,02 60,76 65,03 63,52 14,1 45 99,90 94,46 98,48 93,90 14,1 15 68,65 97,90 98,90 89,98 14,1 45 91,75 91,91 91,93 91,91 1,5 30 70,12 69,71 69,50 69,06 10 17,3 30 99,62 99,81 99,80 99,63 11 9,4 1,64 30 66,20 65,14 65,58 65,25 12 9,4 8,36 30 74,50 98,95 99,10 96,88 13 9,4 4,77 45,50 47,71 46,83 45,78 14 9,4 55,23 98,75 99,81 99,82 99,00 15 9,4 30 98,00 99,05 99,00 98,50 16 9,4 30 98,34 99,67 99,60 99,50 17 9,4 30 98,34 99,67 99,60 99,50 18 9,4 30 98,30 99,00 98,50 99,00 19 9,4 30 98,34 99,67 99,60 99,50 20 9,4 30 98,00 99,05 99,00 98,50 STT Mật độ dòng điện Trang 253 Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 Khảo sát tính chất điện cực Nhằm xác định q trình diễn lượng ăn mòn điện cực ngâm dung dịch nước thải có pH 5, tiến hành quét tuần hoàn khảo sát đường ngoại suy Tafel Đồ thị trình qt tuần hồn thể Hình Hình Đồ thị trình quét tuần hoàn pH (a) pH (b), tốc độ quét 100 mV/s, khoảng quét từ -1 V tới +1 V, điểm bắt đầu quét -400 mV Từ đồ thị, thấy điện cực làm việc trạng thái anode khả hoà tan điện cực pH cao so với pH 5, yếu tố quan trọng giải thích cho việc hiệu xử lý Cr trình pH cao pH Số liệu thu từ trình ăn mịn thơng qua phương pháp qt đường ngoại suy Tafel thể Bảng Nhìn chung, lượng ăn mòn nước thải gây điện cực hai pH xem thấp, chấp nhận sử dụng điện cực sắt với dung dịch nước thải thực tế Bảng đưa số liệu để so sánh nghiên cứu với nghiên cứu sử dụng công nghệ khác để xử lý nước thải chứa kim loại nặng Thông qua số liệu, nhận thấy phương pháp khảo sát có hiệu suất xử lý cao so với nghiên cứu khác [15] Bảng Các thông số ăn mịn điện cực sắt mơi trường pH Dung dịch nước thải pH -395 8,63 5,44 x 10-6 3,98 0,201 Thông số Ecorr (mV) Jcorr (A/cm2) Icorr (A) Rp (kΩ) Vcorr (mm/năm) Dung dịch nước thải pH -291,8 6,61 x 10-6 4,17 x 10-6 6,19 0,154 Bảng So sánh hiệu xử lý nghiên cứu với nghiên cứu khác Phương pháp xử lý Ultrafiltration Keo tụ điện hóa dùng điện cực Nanofiltration Lọc RO Keo tụ điện hóa dùng điện cực hình trụ Trang 254 Nồng độ đầu vào Co (ppm) Crom Đồng Nikel Kẽm 25 50 50 50 44,5 45 394 93,2 33,3 57,6 20,4 200 200 167 17 26 21 350 40 105 pH 7 9,6 - Crom 93 100 100 99 - 99 Hiệu suất xử lý (%) Đồng Nikel Kẽm 100 98 99 100 99 99 98 99 96 98 99 99 97 100 100 100 Nguồn [4] [16] [8] [9] [12] [12] [15] [17] Nghiên cứu TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 KẾT LUẬN Keo tụ điện hóa phương pháp hiệu để loại bỏ kim loại nặng nước thải xi mạ thơng qua q trình cộng kết tủa, phản ứng diễn bề mặt điện cực phản ứng diễn dung dịch [18] Qua khảo sát, hiệu suất loại bỏ tối ưu kim loại khác pH khác Mật độ dòng điện, thời gian lưu hai yếu tố góp phần quan trọng, khơng đến hiệu suất xử lý, mà ảnh hưởng tới lượng điện tiêu thụ trình xử lý [19] pH tối ưu để xử lý tất kim loại Để xử lý đạt QCVN40:2011 / BTNMT, cường độ dòng điện phải mức 9,4 mA/cm2, thời gian xử lý tối thiểu 30 phút Kết gần với kết tối ưu hóa thực hiên phương pháp RSM: pH, mật độ dòng điện thời gian xử lý 4,95; 8,79 mA/cm2; 30,01 phút Tóm lại, keo tụ điện hóa phương pháp khả thi, có khả xử lý hiệu kim loại nặng nước thải xi mạ với hiệu suất đạt 99 % Bên cạnh đó, áp dụng phương pháp thực tế, cần cân nhắc thêm kiện nồng độ kim loại nặng đầu vào, tiêu hóa lý để lựa chọn thơng số vận hành kết hợp với phương pháp khác, nhằm đạt tới hiệu suất xử lý hiệu quả, tính kinh tế cao [20] Removal of heavy metals in plating wastewater by electrocoagulation process using cylindrical electrodes To Thi Hien Le Minh Hoang Nguyen Thi Phuong Thao Nguyen Ly Sy Phu University of Science, VNU-HCM ABSTRACT This study focuses on removing the metals: chromium, nickel, zinc and copper in high concentrations (particularly with chromium, whose concentration went up to 350 ppm) in plating wastewater by electrocoagulation (EC) method using direct current (DC) The wastewater was contained in a L batch airlift reactor; pure oxygen 99.9 % was blown into the reactor to increase the treatment efficiency Cylindrical iron electrodes were used in the cell The results showed that pH, current density, and residence time were three major factors influencing the treatment effectiveness Over 99.9 % of heavy metals were effectively removed when optimizing the operating conditions with the Response Surface Methodology (RSM) in the current density 8.79 mA/cm2, 30.01 minutes, at pH 4.95 Beside the consideration of the effectiveness of this method in different concentrations of plating wastewater Cyclic Voltammetry (CV) scan, and Tafel line were also used for measuring the existing ability of electrodes in the wastewater to study situations happening while operating the cell in the reality With high efficiency, simple operation, no cost for chemical, and the power consumption of only 10 kWh/m3, this method can be used in treating plating wastewater in the reality Keywords: electrocoagulation, iron electrodes, airlift reactor, plating wastewater, heavy metals, RSM Trang 255 Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F Akbal, S Camci, Copper, chromium and nickel removal from metal plating wastewater by electrocoagulation, Desalination, 269, 214–222 (2011) [2] S.S Hosseini, E Bringas, N.R Tan, I Ortiz, M Ghahramani, M.A.A Shahmirzadi, Recent progress in development of high performance polymeric membranes and materials for metal plating wastewater treatment: A review, Journal of Water Process Engineering, 9, 78–110 (2016) [3] M.A Barakat, New trends in removing heavy metals from industrial wastewater, Arabian Journal of Chemistry, 4, 361–377 (2011) [4] H.K Hansen, P Nunez, C Jil, Removal of arsenic from wastewaters by airlift electrocoagulation Part 1: Batch reactor experiments, Separation Science and Technology, 43, 212–224 (2008) [5] G Mouedhena, M Feki, M.D PetrisWery, H.F Ayedi, Electrochemical removal of Cr(VI) from aqueous media using iron and aluminum as electrode materials: Towards a better understanding of the involved phenomena, Journal of Hazardous Materials, 168, 983–991 (2009) [6] V.L Snoeyink, D Jenkins, Waste Chemistry, Wiley-1 Edition (1980) [7] M Vepsäläinen, Electrocoagulation in the treatment of industrial waters and wastewaters, Desalination, 19, 26–38 (2012) [8] I Frenzal, Waste Minimization In Chromium Plating Industry, Publications (1997) [9] M Al-Shannaga, Z Al-Qodah, K BaniMelhem, M.R.l Qtaishat, M Alkasrawi, Heavy metal ions removal from metal plating wastewater using Trang 256 electrocoagulation: Kinetic study and process performance, Chemicl Engineering Journal, 260, 749–756 (2015) [10] M Kobya, O.T Can, M Bayramoglu, Treatment of textile wastewaters by electrocoagulation using iron and aluminum electrodes, Journal of Hazardous Materials, 100, 163–178 (2003) [11] M.M Emamjomeh, M Sivakumar, Review of pollutants removed by electrocoagulation and electrocoagulation/ flotation processes, Journal of Environmental Management, 90, 1663– 1679 (2009) [12] H.A Qdais, H Moussa, Removal of heavy metals from wastewater by membrane processes: a comparative study, Desalination, 164, 105–110 (2004) [13] A Kryvoruchko, L Yurlova, B Kornilovich, Purification of water containing heavy metals by chelating enhanced ultrafiltration, Desalination, 144, 243–248 (2002) [14] F Akbal, S Camci, Copper, Chromium and nickel removal from metal plating wastewater by electrocoagulation, Desalination, 269, 214–222 (2011) [15] H Ozaki, K Sharmab, W Saktaywirf, Performance of an ultra-low-pressure reverse osmosis membrane (ULPROM) for separating heavy metal: effects of interference parameters, Desalination, 144, 287–294 (2002) [16] M.A Barakat, E Schmidt, Polymerenhanced ultrafiltration process for heavy metals removal from industrial wastewater, Desalination, 256, 90–93 (2010) [17] J.J Qin, M.N Wai, M.H Oo, F.S Wong, A feasibility study on the treatment and TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 recycling of a wastewater from metal plating, J Membr Sci., 208, 213–221 (2002) [18] M.Y.A Mollah, R Schennach, J.R Parga, D.L Cocke, Electrocoagulation (EC) — science and applications, Journal of Hazardous Materials, B84, 29–41 (2001) [19] W Chou, Y Huang, Electrochemical removal of indium ions from aqueous solution using iron electrodes, Journal of Hazardous Materials, 172, 46–53 (2009) [20] B Khaled, B Wided, H Béchir, E Elimame, L Mouna, T Zied, Investigation of electrocoagulation reactor design parameters effect on the removal of cadmium from synthetic and phosphate industrial wastewater, Arabian Journal of Chemistry (2015) Trang 257 ... 4H2 ↑ (8) Trong trình hình thành hydroxide sắt sinh từ điện cực, kim loại nước thải đồng kết tủa với hydroxide sắt này, loại bỏ khỏi nước thải Nước thải Nước thải lấy từ nhà máy xi mạ khu công... cation kim loại Ni2+, Cu2+ Zn2+ cịn xử lý chế thứ hai kim loại kết hợp với OH- nước thải tạo hydroxide kim loại kết tủa, bị loại bỏ khỏi nước thải [7] Trong kim loại xử lý trình keo tụ điện hóa... ion sử dụng để xử lý kim loại nặng nồng độ kim loại nặng nước thải cao, chất hấp phụ nhanh chóng bão hịa, phải thay liên tục tốn chi phí Tuy nhiên, sử dụng phương pháp keo tụ điện hóa, nồng độ kim