Đang tải... (xem toàn văn)
Microsoft Word Bai 8 Le Ngoc Thach1 Tạp chí Khoa học và Công nghệ 49 (2) (2011) 81 91 NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY MÀU NHUỘM DƯỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA SIÊU ÂM Bùi Mạnh Hà1, Bùi Nguyễn Hoàng Trinh2, Lê Ngọc Thạch3 1 V[.]
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 49 (2) (2011) 81-91 NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY MÀU NHUỘM DƯỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA SIÊU ÂM Bùi Mạnh Hà1, Bùi Nguyễn Hoàng Trinh2, Lê Ngọc Thạch3 Viện Môi trường Tài nguyên, Đại học Quốc gia Tp HCM Khoa Mơi trường, Đại học Yersin Đà Lạt Khoa Hóa học, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Tp HCM Đến Tòa soạn ngày: 10/11/2009 MỞ ĐẦU Ngành dệt may Việt Nam hình thành phát triển kỉ, trở thành ngành công nghiệp quan trọng đời sống xã hội kinh tế nước ta Tuy vậy, trình xử lí ướt cơng nghiệp dệt may, cơng nghệ nhuộm, làm phát sinh lượng nước thải lớn khó xử lí gây nhiều vấn đề môi trường [1, 2] Phần lớn màu nhuộm (MN) tồn nước thải nhuộm loại hoạt tính, độ tận trích thấp, khả hịa tan vơ hạn nước, công thức cấu tạo phức tạp chứa nhiều gốc mang màu khó phân hủy sinh học Vì việc xử lí triệt để nước thải nhuộm hoạt tính phương pháp thông thường như: keo tụ, hấp phụ, sinh học thường cho kết Do việc tìm kiếm phương pháp có hiệu để giải tốn nước thải nhuộm ln thu hút nhiều nhà khoa học nước, số kĩ thuật q trình siêu âm (SA) SA định nghĩa âm có tần số lớn 18 kHz, ngồi ngưỡng nghe người, biết đến từ lâu giới áp dụng nhiều lĩnh vực địa chất, y học, hóa học… gần ứng dụng xử lí mơi trường [3, 4, 5] SA xem phương pháp oxid hóa tiên tiến (Advanced Oxidation Processes), sở cung cấp lượng SA q trình tạo vỡ bọt tạo nhiệt độ áp suất cao Với diện nước, SA làm phát sinh gốc tự có hoạt tính oxid ● ● ● hóa mạnh OH , HO2 , H [6] Trong báo cáo tiến hành khảo sát trình dùng SA tần số thấp để phân hủy màu bốn loại màu nhuộm hoạt tính với gốc mang màu azobenzen, antraquinon, ptalocianin NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Hóa chất Bùi Mạnh Hà, Bùi Nguyễn Hoàng Trinh, Lê Ngọc Thạch Các MN sử dụng thí nghiệm màu dùng kĩ thuật: Sunzol Black B 150%, Reactive Brilliant Red 5BS, Remazol Brilliant Blue R Sunzol Turquoise Blue G 133, cung cấp từ công đoạn nhuộm công ty Kim Kim Anh Tân Phú Cường (Tp Hồ Chí Minh) Bảng Một số tính chất MN hoạt tính dùng thí nghiệm Cơng thức phân tử λ max (nm), (gốc mang màu) 599 (Diazobenzen) Phân tử khối 991.82 Reactive Black (Sunzol Black B 150%) 540 (Monoazobenzen) 615.33 590 (Antraquinon) 626.54 630 (Ptalocianin) 1510.84 Reactive Red (Reactive Brilliant Red 5BS) Reactive Blue 19 (Remazol Brilliant Blue R) Reactive Blue 21 (Sunzol Turquoise Blue G 133) Các hóa chất trợ nhuộm cung cấp từ cở sở nhuộm hóa chất tinh khiết khác 2.2 Thiết bị 82 Nghiên cứu phân hủy màu nhuộm hỗ trợ siêu âm - Thanh siêu âm Sonics & Materials VCX-750, 20 KHz, d = 11 mm - Quang phổ kế tử ngoại Thermo, Genesys 10-S - Nhớt kế Cannon-Fenske cở 25 (0,5 - cSt) - pH kế Hana, HI9828 (thang đo 0-14) - Sơ đồ thực nghiệm (hình 1): Thí nghiệm tiến hành bình thủy tinh hình trụ 150 mL, bên ngồi có lớp nước làm lạnh bao bọc Thanh SA nối với điều khiển Ống dẫn khí đặt vào bên bình phản ứng - Với: Độ sâu đầu dị: cm; Độ sâu nhiệt kế: cm; Độ sâu ống sục khí: 1,5 cm; Thể tích thí nghiệm: 80 mL Hình Sơ đồ thí nghiệm dùng SA 2.3 Thực 2.3.1 Tạo mẫu thí nghiệm Ở nhiệt độ thường độ hịa tan MN cơng nghiệp hạn chế Để có dung dịch màu cung cấp cho trình xử lí dùng SA, chúng tơi tiến hành pha màu theo quy trình hình Quá trình trải qua nhiều giai đoạn như: đun nóng, khuấy từ, chỉnh pH… nhằm mục đích tạo dung dịch chứa MN “tan hoàn toàn” MN dung dịch phải dạng “đã thủy giải” (các gốc hoạt tính phân tử MN bị thay hoàn toàn -OH [7] 2.3.2 Thực nghiệm 2.3.2.1 Khử màu SA Lấy 100 mL dung dịch MN Sunzol Black B 150% (SBB) nồng độ C xác định Dung dịch ban đầu chỉnh đến giá trị pH cần thiết, dung dịch NaOH HCl (0,05 N), lấy mL đem đo độ hấp thu độ dài sóng tối ưu Cho 80 mL dung dịch vào bình chứa mẫu, lắp hệ thống thiết bị hình Mở bơm chỉnh lưu lượng sục khí vào bình đạt đến giá trị Q cần thiết Bật máy điều nhiệt, cho nước 83 Bùi Mạnh Hà, Bùi Nguyễn Hoàng Trinh, Lê Ngọc Thạch điều nhiệt qua bình phản ứng Cài đặt giá trị nhiệt độ máy cho nhiệt độ đo nhiệt kế đạt tới nhiệt độ t cần khảo sát Bật máy tạo SA, chỉnh công suất đến công suất P Bấm đồng hồ đo ghi nhận thời gian SA Sau 30 phút, dừng hệ thống để yên dung dịch 15 phút, dùng pipet rút mL mẫu đem đo độ hấp thu độ dài sóng tối ưu Ghi nhận kết Sau xác định điều kiện xử lí thích hợp SA (C, Q, T, P, t) với MN SBB, quy trình xử lí áp dụng cho ba màu cịn lại Hình Quy trình pha dung dịch màu 2.3.2.2 Phân tích Phổ UV-Vis MN xác định máy quang phổ tử ngoại Hiệu suất khử màu MN xác định theo công thức: % Khử màu = Ao − A x 100 Ao với Ao: Độ hấp thụ dung dịch MN ban đầu, A: Độ hấp thụ dung dịch MN sau xử lí KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát trình phân hủy màu nhuộm sa Căn vào tài liệu, nghiên cứu phân hủy màu azobenzen chiếm phần lớn [7], Trong số Reactive Black (SBB) màu nghiên cứu nhiều [8] Hơn nữa, sau khảo sát số sở nhuộm, thấy màu sử dụng nhiều Tp HCM Đó lí SBB lựa chọn nghiên cứu điều kiện phân hủy 84 Nghiên cứu phân hủy màu nhuộm hỗ trợ siêu âm 3.1.1 Ảnh hưởng công suất Công suất “hiệu dụng” SA dung dịch, thể phận điều khiển SA Công suất liên quan đến tạo bọt vỡ bọt, lượng cung cấp tăng, hiệu suất phản ứng tăng theo [9] Tiến hành thay đổi công suất SA, cách cố định yếu tố ban đầu: T = 25 oC, Q = 0,8 L/phút, C = 10 mg/L (độ hấp thu tương ứng A599 = 0,298), pH = 6,0 thay đổi công suất: 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 W 30 phút Error! Not a valid link Error! Not a valid link Bảng Kết khảo sát ảnh hưởng cơng suất đến hiệu xử lí MN SBB Với mức cơng suất 50 W, hiệu suất xử lí đạt kết tốt Điều giải thích công suất chiếu xạ đạt đến mức độ định, độ dẫn nhiệt dung dịch (tỉ số nhiệt khí đặc trưng γ) thay đổi, xuất biến đổi việc tạo bọt vỡ bọt, hiệu suất phản ứng có chiều hướng tăng Tuy nhiên, thể tích cố định nên cơng suất SA tăng cao, lượng “thừa” tăng lên theo tỉ lệ thuận, điều lại dẫn đến tác động khác làm giảm γ →hiệu suất giảm 3.1.2 Ảnh hưởng lưu lượng khơng khí Lí thuyết q trình tạo bọt cho thấy, khí hịa tan có độ dẫn nhiệt khả hịa tan dung mơi cao, q trình tạo vỡ bọt thuận lợi, hiệu suất SA gia tăng Chúng khảo sát cách cố định yếu tố ban đầu: T = 25oC, P = 50 W, C = 10 mg/L (A599 = 0,298), pH = 6,0, t = 30 phút thay đổi lưu lượng khơng khí: 0,2→1,0 L/phút Trong trình khảo sát, nhằm xác định vai trị sục khơng khí SA, tiến hành thêm hai điều kiện: có SA khơng sục khơng khí ngược lại Kết bảng cho thấy, khơng khí đóng vai trị tích cực phân hủy MN SA Dưới điều kiện sục khí siêu âm, hiệu xử lí thấp nhiều so với kết hợp sục khí SA Từ khẳng định, trường hợp khơng khí khơng đóng vai trị chất oxid hóa chất hữu cơ, mà chất (tỉ số nhiệt) làm gia tăng hiệu suất q trình SA Hơn nữa, quan sát mắt thường trình sục khí tạo nhiều tâm bọt mở rộng trình vỡ bọt, độ ổn nhiệt tăng, điều làm tăng hiệu suất Bảng Kết khảo sát ảnh hưởng lưu lượng sục khí đến hiệu xử lí MN SBB Error! Not a valid link Error! Not a valid link Error! Not a valid link g: Phản ứng có SA, khơng sục khí; h: Phản ứng khơng SA, tiến hành sục khí với lưu lượng 0,6 L/phút 85 Bùi Mạnh Hà, Bùi Nguyễn Hoàng Trinh, Lê Ngọc Thạch 3.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến q trình hình thành bọt Khi nhiệt độ mơi trường thay đổi, áp suất bay dung dịch thay đổi, trình tạo vỡ bọt SA thay đổi Chúng tơi tiến hành khảo sát cách cố định yếu tố: P: 50 W, Q: 0,6 L/phút, pH 6.1, với C = 10 mg/L (A599 = 0,298), thời gian 30 phút thay đổi nhiệt độ dung dịch từ 15 - 40oC Bảng Kết khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu xử lí MN SBB Error! Not a valid link Error! Not a valid link Sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất phản ứng SA, với nhiệt độ 20oC phản ứng cho hiệu suất cao Hiệu suất giảm nhiệt độ tăng Điều lí giải khả hịa tan khí nhiệt độ cao, làm giảm tâm bọt phản ứng, tác động đến hiệu khử màu 3.1.4 Ảnh hưởng nồng độ màu Đến đây, xác định yếu tố cho hiệu suất cao lúc là: T = 20oC; P = 50 W; Q = 0,6 L/phút; C = 10 mg/L; pH = 6,0; t = 30 phút Nhằm khảo sát hiệu suất SA việc xử lí MN nồng độ khác nhau, thay đổi C là: 5, 10, 15, 20, 25, 30 mg/L thu thể bảng Bảng Kết khảo sát nồng độ Error! Not a valid link Error! Not a valid link Nồng độ 10 mg/L thích hợp với điều kiện xử lí, trường hợp nồng độ dung dịch giảm, hiệu suất xử lí tăng Tuy nhiên, nồng độ giảm đến mg/L, hiệu suất có xu hướng tăng không đáng kể Điều giải thích với lượng gốc tự H2O2 86 Nghiên cứu phân hủy màu nhuộm hỗ trợ siêu âm sinh phản ứng SA xác định (cố định thể tích cơng suất) tương ứng phản ứng với nồng độ màu xác định 3.1.5 Ảnh hưởng pH Bảng Kết khảo sát pH Error! Not a valid link Error! Not a valid link pH ảnh hưởng đến độ hòa tan khí MN dung dịch, qua tác động đến hiệu suất phản ứng [9] Để tìm hiểu tác động này, lựa chọn khoảng pH khảo sát rộng từ: acid, trung tính đến kiềm với giá trị thay đổi: 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 cố định yếu tố: T = 20oC, P = 50 W, Q = 0,6 L/phút C = 10 mg/L, 30 phút Kết khảo sát pH trình bày bảng Bản thân màu pH thấp có suy giảm, 0,303 → 0,296, ứng với pH từ 10 đến Tuy nhiên, ảnh hưởng không đáng kể (< 3%) So với pH 4, hiệu suất khử màu pH cao hẳn Điều giải thích ngun nhân: - Khả hịa tan MN vào pha hữu tăng lên pH thấp, làm gia tăng điều kiện tiếp xúc MN với nhóm OH•, vốn phân bố rộng pha lỏng - khí - Các ion cản trở nhóm OH• hoạt động như: CO32-, HCO3- chuyển dạng khơng hoạt động H2CO3, gốc tự hoạt động hiệu Khi pH tăng đến 10 hiệu suất phản ứng lại tăng trở lại, OH• sinh môi trường kiềm Vậy tác nhân làm giảm màu? Trong môi trường kiềm, H2O2 hoạt động Một vài nghiên cứu cho thấy tác nhân làm giảm màu trường hợp H2O2 [9] Dù vậy, hiệu suất phản ứng không đáng kể Điều nồng độ H2O2 sinh phản ứng SA thấp, khả khử màu H2O2 không cao Mặc dù pH thấp hiệu suất cao Tuy nhiên, thực tế để tạo pH từ 11 (giá trị thông thường nguồn nước thải sau q trình nhuộm hoạt tính) xuống pH 1, cần tiêu tốn lượng acid trung hịa lớn Hơn với mơi trường acid, khả SA bị ăn mòn cao Vì vậy, chúng tơi chọn pH = điều kiện thích hợp cho khảo sát khác 3.1.6 Ảnh hưởng thời gian Bên cạnh thông số tối ưu hóa hệ thống khảo sát đầy đủ, tiến hành khảo sát thời gian phản ứng để biết thời điểm phản ứng xảy hiệu nhất, cố định yếu tố: T = 20oC, P = 50 W, Q = 0,6 L/phút, C = 10 mg/L, pH = 3,0 Bảng Kết khảo sát phân hủy màu theo thời gian 87 Bùi Mạnh Hà, Bùi Nguyễn Hoàng Trinh, Lê Ngọc Thạch Error! Not a valid link Bảng cho thấy, dung dịch sau SA có thay đổi độ dẫn, pH, độ nhớt giảm, chứng tỏ q trình SA sinh ion, có H+, phân hủy MN xảy làm giảm giá trị độ nhớt có dung dịch Sau khoảng 60 phút trình SA, hiệu suất khử màu đạt > 80% 30 phút trình SA, hiệu suất xử lí màu gần hồn toàn (~ 95%) 3.2 Áp dụng điều kiện tối ưu màu lại Từ kết nghiên cứu mục 3.1, chúng tơi tìm điều kiện thích hợp để khảo sát phân hủy màu, trình SA Dung dịch màu (10 ppm), V = 80 mL, pH đầu vào: 3,0 ÷ 0,2, Lưu lượng sục khí (Q): 0,6 L/phút, Thời gian SA (t): 90 phút, Công suất SA (P): 50 W, Nhiệt độ phản ứng (T): 20oC Áp dụng điều kiện thích hợp lên ba MN cịn lại, kết ghi bảng Bảng Kết phân hủy màu RBB, RBR, STB Error! Not a valid link Mặc dù với cấu nhóm mang màu khác azobenzen, antraquinon, ptalocianin hiệu khử màu gần hoàn toàn (trên 90%) sau 90 phút Chứng tỏ trình oxid hóa xảy khơng chọn lọc Điều thực với gốc oxid hóa mạnh điển OH• Tuy nhiên, vai trị HO2•, O2• cần kiểm tra để làm rõ chế phản ứng Quan sát khả khử màu MN 60 phút cho thấy, số vận tốc phản ứng khử màu k đạt giá trị từ: -0,004 đến -0,001, cao so với giá trị -0,011 đến 0,012 nghiên cứu khác [10], chứng tỏ hiệu suất SA tần số 20 kHz chưa phải thiết bị tối ưu loại thiết bị SA 3.3 So sánh với phương pháp keo tụ Để so sánh hiệu suất khử màu SA so với phương pháp khác, chúng tơi tiến hành khảo sát khả xử lí MN phương pháp keo tụ phèn nhơm (thí nghiệm Jar-test) Đây phương pháp xử lí nước thải phổ biến hầu hết ngành công nghiệp, có nước thải nhuộm Đầu tiên, chúng tơi tiến hành khảo sát khả xử lí dung dịch màu pha loãng 10 mg/L khoảng pH: 4, 5, 6, 7, cố định nồng độ phèn 1000 mg/L Sau tìm điểm pH tối ưu, tiến hành cố định yếu tố pH thay đổi liều lượng phèn: 600, 800, 1000, 1200 1400 mg/L để tìm hàm lượng phèn tối ưu Hiệu suất xử lí trình bày bảng Bảng Hiệu suất xử lí MN thay đổi pH lượng phèn nhôm 88 Nghiên cứu phân hủy màu nhuộm hỗ trợ siêu âm Error! Not a valid link Error! Not a valid link Tất loại MN hoạt tính có điểm xử lí pH tối ưu 6, khoảng pH từ - tỏ thích hợp với q trình xử lí, pH kiềm (8) acid (3) khơng thích hợp cho q trình keo tụ Liều lượng phèn tối ưu ghi nhận 800 mg/L, liều lượng phèn không ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất keo tụ pH, nồng độ cao thấp không cho kết tốt Các MN hoạt tính nồng độ cao khó xử lí triệt để dùng phèn, kết xử lí thấp (< 23%) màu hoạt tính thơng dụng RBR, SBB RBB (có gốc mang màu azobenzen antraquinon) khẳng định thêm điều [10,11] Riêng MN hoạt tính gốc mang màu ptalocianin (STB) với tâm mang màu ion kim loại nặng nên thích hợp phương pháp xử lí keo tụ, hiệu suất cao loại MN không triệt để (~ 70%) Với hiệu suất vượt trội, 90% màu bị khử (sau 60 phút) khơng kể MN nào, cho thấy hiệu phương pháp SA so với phương pháp keo tụ KẾT LUẬN - Bước đầu tìm điều kiện thích hợp cho phân hủy hồn tồn MN hoạt tính dùng SA - Khẳng định ưu SA xử lí màu so với phương pháp xử lí keo tụ Mặc dù, đề tài khảo sát chi tiết yếu tố ảnh hưởng đến trình phân hủy MN dùng SA, động học phản ứng chưa nghiên cứu đầy đủ Những nghiên cứu nên làm rõ số vấn đề như: Xác định sản phẩm trung gian q trình phân hủy MN thơng qua tiêu: IC, LC/MS…, ảnh hưởng tần số SA, yếu tố cản trở hoạt động OH• ion CO32- ,SO42-, TÀI LIỆU THAM KHẢO R Astrid, T Michael, G Georg - Ultrason Sonochem 11 (2004) 177-182 J Clark, D Macquarrie - Handbook of Green Chemistry & Technology, Blackwell, Cornwall, 2002 T G Gökce, N H Ince - Ultrasonics 42 (1) (2004) 603-609 J P Lorimer, T J Mason, M Plattes, S S Phull - Ultrason Sonochem (2000) 237-242 T J Mason, J P Lorimer - Applied Sonochemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2002 A T Matthew - Chemical Degradation Methods for Wastes and Pollutants, Marcel Deker, New York, 2003 H Qi, L H Joanna, A M Ross - New J Chem 23 (1999) 845-849 Trần Mạnh Trí, Trần Mạnh Trung - Q trình oxy hố nâng cao xử lí nước nước thải, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Tp Hồ Chí Minh, 2006 89 Bùi Mạnh Hà, Bùi Nguyễn Hoàng Trinh, Lê Ngọc Thạch S Vajnhandl, A M L Marechal - J Hazard Mater 141 (1) (2007) 329-325 10 D B Voncina, A M L Marechal - Dyes Pigm 59 (2) (2003) 173-179 11 Z T Walter - Physicochemical Treatment of Hazardous Wastes, CRC Press, New York, 2004 SUMMARY EFFECTS OF SONICATION ON REMOVAL COLOR SOME REACTIVE DYES Ultrasonic irradiation had been one of the advanced oxidation methods for decolorization four commercial reactive dyes: Sunzol Black B 150% (Reactive black 5), Procion Red MX 5B (Reactive red 2), Remazol Brilliant Blue R (Reactive blue 19), and Sunzol turquoise blue G 133 (Reactive blue 21) The objective of this paper is investigation of the low frequency - high power sonication (750 W-20 KHz) in the dye decolorization (measured by UV absorption) as well as control the experiment conditions by varying irradiation time, dye concentration, pH, temperature, air flow rate The results indicated that the sonication had strong capacity in the dye decolorization Key words Ultrasonic irradiation, decolorization, Reactive black 5, Reactive red 2, Reactive blue 19, Reactive blue 21 Liên hệ với tác giả: Lê Ngọc Thạch, Email: lenthach@hcm.vnn.vn 90