Sử dụng đất sét cho quá trình xử lý chất ô nhiễm hữu cơ

LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tri ân sâu sắc thầy cô trƣờng Đại học Lâm Nghiệp, đặc biệt thầy Trung tâm Phân tích Mơi trƣờng Ứng dụng công nghệ địa không gian tạo điều kiện tốt cho trình thực tập em Em xin cảm ơn thầy Vũ Huy Định thầy Đặng Thế Anh tận tình hƣớng dẫn em suốt q trình làm khóa luận Em mong nhận đƣợc đóng góp thầy, để khóa luận em đƣợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 18 tháng 05 năm 2018 Sinh viên Vũ Ngọc Tuấn i TÓM TẮT NỘI DUNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Tên khóa luận tốt nghiệp “ SỬ DỤNG ĐẤT SÉT CHO QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CHẤT Ô NHIỄM HỮU CƠ ” Giáo viên hƣớng dẫn: TS Vũ Huy Định Sinh viên thực hiện: Vũ Ngọc Tuấn – K59C – KHMT Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng quát: Tìm kiếm vật liệu thân thiện với môi trƣờng giá thành thấp để biến tính thành vật liệu xúc tác cho trình Fenton dùng phƣơng pháp oxi hóa nâng cao xử lý chất ô nhiễm hữu Mục tiêu cụ thể: - Tìm đƣợc điều kiện biến tính đất sét thành vật liệu xúc tác - Tìm điều kiện nhƣ nhiệt độ, pH,… thích hợp sử dụng hệ xúc tác đất sét biến tính - Áp dụng đƣợc q trình Fenton dùng phƣơng pháp oxi hóa nâng cao/đất sét biến tính để xử lý chất nhiễm hữu Đối tƣợng nghiên cứu - Đất sét: Đất làm đồ gốm thôn Bát Tràng, xã Bát Tràng, huyện Gia Lâm, Hà Nội - Phẩm màu: Đƣợc cung cấp công ty TNHH Thƣơng Mại Tân Hồng Phát – số 92 Cửa Bắc, Quán Thánh, Ba Đình, Hà Nội Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu biến tính đất sét thành vật liệu có khả xúc tác - Nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý phẩm màu Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp biến tính đất sét - Phƣơng pháp xác định đặc điểm bề mặt vật liệu (SEM) - Phƣơng pháp phân tích phổ tán xạ lƣợng tia X ii - Phƣơng pháp UV-vis xác định nồng độ phẩm màu - Phƣơng pháp khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến trình Fenton dùng phƣơng pháp oxi hóa nâng cao/ đất sét biến tính Những kết đạt đƣợc Các kết khóa luận thu đƣợc nhƣ sau: - Quy trình biến tính đất sét thành vật liệu có hoạt tính xúc tác cao: 10g đất sét trộn 1,0g Fe2(SO4)3 100ml nƣớc, khuấy cô cạn, sấy khô, nung với nhiệt độ 400°C - Các đặc trƣng vật liệu nhƣ kích thƣớc, tính chất bề mặt đất sét sau biến tính đƣợc xác định phƣơng pháp SEM Với kích thƣớc nhỏ, cho thấy bề mặt đất sét sau biến tính gồm hạt cỡ nhỏ, cỡ μm, cấu trúc tạo điều kiện cho trình hấp phụ - oxi hóa - Các thành phần nguyên tố có đất sét sau biến tính đƣợc phân tích phổ EDX - Tìm đƣợc điều kiện thích hợp tiến hành q trình oxi hóa nâng cao, sử dụng đất sét biến tính xử lý phẩm màu Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất áp dụng kỹ thuật Fenton dị thể dung hệ xúc tác đất sét cho đối tƣợng phẩm màu RY160 phẩm màu (DR 23, MB FBL, SR FLG, SR FR) nồng độ 50 ppm đƣợc nghiên cứu Điều kiện thích hợp: lƣợng đất sét xúc tác 0,5 g/l; nồng độ H2O2 30% = 1,22 mM; pH = Hệ xúc tác có khả tái sử dụng nhiều lần, nhiên hiệu suất xử lý phẩm màu có xu hƣớng giảm tái sử dụng - Đánh giá đƣợc khả áp dụng điều kiện xử lý tƣơng tự phẩm mày RY 160 cho phẩm màu DR 23, MB FBL, SR FLG, SR FR Kết cho thấy khả xử lý phẩm màu kỹ thuật Fenton sử dụng vật liệu đất sét biến tính cho kết tốt iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .3 1.1 Hợp chất ô nhiễm hữu bền 1.1.1 Khái niệm hợp chất ô nhiễm hữu bền 1.1.2 Nguồn gốc phát sinh hợp chất ô nhiễm hữu bền .4 1.1.3 Tính chất hợp chất nhiễm hữu bền 1.2 Phẩm màu hữu khó phân hủy 1.2.1 Phẩm nhuộm 1.2.2 Phân loại phẩm nhuộm 1.2.3 Một số loại phẩm nhuộm tiêu biểu 1.3 Nƣớc thải dệt nhuộm chứa phẩm màu hữu khó phân hủy 1.4 Tổng quan phƣơng pháp xử lý thuốc nhuộm nƣớc thải dệt nhuộm 10 1.4.1 Phƣơng pháp oxi hóa nâng cao 10 1.4.2 Phƣơng pháp oxi hóa 10 1.4.3 Phƣơng pháp hấp phụ 11 1.5 Tổng quan vật liệu nghiên cứu: Đất sét 12 1.5.1 Nguồn gốc đất sét 12 1.5.2 Đặc tính đất sét 13 1.5.3 Ứng dụng đất sét 15 1.6 Các yếu tố ảnh hƣởng 17 CHƢƠNG MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 20 2.2 Đối tƣợng nghiên cứu 20 2.3 Nội dung nghiên cứu 22 2.4 Các phƣơng pháp phân tích 22 iv 2.4.1 Phƣơng pháp biến tính đất sét 22 2.4.2 Phƣơng pháp xác định đặc điểm bề mặt vật liệu (SEM) 23 2.4.3 Phƣơng pháp phân tích phổ tán xạ lƣợng tia X 23 2.4.4 Phƣơng pháp UV-vis xác định nồng độ phẩm màu 24 2.4.5 Phƣơng pháp khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến q trình Fenton/ đất sét biến tính 26 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 Xây dựng đƣờng chuẩn xác định nồng độ phẩm màu 27 3.2 Biến tính đất sét thành vật liệu có khả xúc tác 30 3.2.1 Quy trình biến tính đất sét 30 3.2.2 Đặc tính đất sét biến tính 30 3.2.3 Thành phần vật liệu biến tính 32 3.3 Nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý phẩm màu 33 3.3.1 Ảnh hƣởng hàm lƣợng vật liệu xúc tác biến tính 33 3.3.2 Ảnh hƣởng pH 34 3.3.3 Ảnh hƣởng nồng độ chất oxy hóa 34 3.3.4 Ảnh hƣởng nhiệt độ tiến hành phản ứng 35 3.3.5 Ảnh hƣởng thời gian tiến hành phản ứng 36 3.3.6 Ảnh hƣởng lƣợng phẩm màu RY 160 37 3.3.7 Ảnh hƣởng tái sử dụng xúc tác Đất sét-Fe(III) 37 3.3.8 Khả xử lý màu phẩm màu phổ biến 38 KẾT LUẬN 39 Kết luận 39 Tồn 40 Kiến nghị 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT RY 160 Reactive Yellow 160: Phẩm màu vàng 160 MB FBL Moderdirect Blue FBL: Phẩm màu xanh da trời FBL DR 23 Direct red 23: Phẩm màu đỏ vang 23 SR FLG Solanis red FLG: Phẩm màu đỏ cờ FLG SR FR Solanis rose FR: Phẩm màu đỏ sen FR SEM Scanning electron microscope: Kính hiển vi điện tử quét EDX Energy-dispersive X-ray spectroscopy: Phổ tán xạ lƣợng tia X UV-vis Ultraviolet-visible spectroscopy: Phổ tử ngoại khả biến DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Bƣớc sóng hấp thụ cực đại phẩm màu 27 Bảng 3.2 Thành phần nguyên tố đất sét sau biến tính 32 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hình ảnh đất sét [6] 12 Hình 2.1 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét [7] 23 Hình 2.2 Máy quang phổ khả kiến (UV-vis) [8] 24 Hình 3.1 Phƣơng trình đồ thị đƣờng chuẩn phẩm màu RY 160 28 Hình 3.2 Phƣơng trình đồ thị đƣờng chuẩn phẩm màu DR 23 28 Hình 3.3 Phƣơng trình đồ thị đƣờng chuẩn phẩm màu MB FBL 29 Hình 3.4 Phƣơng trình đồ thị đƣờng chuẩn phẩm màu SR FLG 29 Hình 3.5 Phƣơng trình đƣờng chuẩn phẩm màu SR FR 30 Hình 3.6 Ảnh SEM đất sét sau biến tính với kích thƣớc khác 31 Hình 3.7 Phổ EDX đất sét sau biến tính 32 Hình 3.8 Ảnh hƣởng hàm lƣợng vật liệu tới hiệu xử lý 33 Hình 3.9 Ảnh hƣởng pH tới hiệu xử lý 34 Hình 3.10 Ảnh hƣởng nồng độ H2O2 tới hiệu xử lý 35 Hình 3.11 Ảnh hƣởng nhiệt độ thí nghiệm tới hiệu suất phẩm màu 36 Hình 3.12 Ảnh hƣởng thời gian tiến hành phản ứng 36 Hình 3.13 Ảnh hƣởng nồng độ RY 160 tới hiệu xử lý 37 Hình 3.14 Khả tái sử dụng đất sét qua lần xử lý 38 vii MỞ ĐẦU Cơng đẩy mạnh cơng nghiệp hóa – đại hóa đất nƣớc ngày nảy sinh nhiều vấn đề môi trƣờng Các ngành công nghiệp phát triển mạnh mẽ chiều rộng chiều sâu Do nguy phát thải chất thải nguy hại ngày cao đặc biệt phát thải chất ô nhiễm hữu (Persistant Organic Pollutants – POPs) – nguồn đƣợc xem vấn đề lớn có ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khỏe ngƣời mơi trƣờng Vì mà việc quản lý chất thải nguy hại đƣợc quan tâm nƣớc Việt Nam tham gia phê chuẩn công ƣớc Stockhom ngày 22/07/2002 Công ƣớc Stockhom đề nghị cấm sử dụng 12 loại hóa chất cơng nghiệp thuộc nhóm POPs đƣợc cho gây tử vong dị tật bẩm sinh cho ngƣời Trong dệt nhuộm ngành cơng nghiệp phát triển nhanh chóng đầu tƣ nƣớc nƣớc đặc biệt mở cửa khối thị trƣờng chung Châu Âu (EEC) hàng may mặc Việt Nam Sản phẩm ngành đa dạng chủng loại biến đổi lớn nguyên liệu, đặc biệt thuốc nhuộm Do đặc điểm ngành công nghiệp dệt nhuộm sử dụng nhiều nguyên liệu hóa chất nên tạo lƣợng lớn chất thải gây ô nhiễm môi trƣờng dƣới dạng nƣớc thải, khí thải, chất thải rắn, tiếng ồn nhiệt thải Đây vấn đề nan giải công nghệ môi trƣờng Việt Nam phức tạp thay đổi liên tục hóa chất sử dụng cơng đoạn tẩy, nhuộm, in hoa hồn tất Trong cơng đoạn phát sinh hợp chất POPs đặc biệt công đoạn tẩy trắng vải nhuộm màu Trong năm gần đây, có nhiều cơng trình nghiên cứu sử dụng phƣơng pháp khác nhằm xử lý hợp chất hữu độc hại nƣớc thải nhƣ: phƣơng pháp vật lý, phƣơng pháp sinh học, phƣơng pháp hóa học, phƣơng pháp điện hóa,… Mỗi phƣơng pháp có ƣu điểm hạnh chế định mặt kỹ thuật nhƣ mức độ phù hợp với điều kiện kinh tế quốc gia Trong đó, việc xử lý hợp chất hữu độc hại phƣơng pháp hấp phụ kết hợp oxi hóa nâng cao với hiệu ứng Fenton hƣớng nghiên cứu đƣợc nhiều nhà khoa học ngồi nƣớc quan tâm nghiên cứu Việc tìm vật liệu có khả xúc tác cho q trình oxi hóa nâng cao đƣợc quan tâm nhằm tìm vật liệu có hoạt tính xúc tác cao, chi phí thấp, ảnh hƣởng đến mơi trƣờng Trong khóa luận vật liệu đƣợc chọn đất sét, loại vật liệu đã, đƣợc nhà khoa học nƣớc quan tâm nghiên cứu nhiều ứng dụng vô mẻ hữu ích nhiều lĩnh vực Cũng lý em lựa chọn đề tài “Sử dụng đất sét cho trình xử lý chất ô nhiễm hữu cơ” tập trung nghiên cứu xử lý phẩm màu có nƣớc thải dệt nhuộm phƣơng pháp Fenton dị thể cho q trình oxi hóa nâng cao sử dụng hệ xúc tác đất sét sau biến tính CHƢƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hợp chất ô nhiễm hữu bền 1.1.1 Khái niệm hợp chất ô nhiễm hữu bền Chất ô nhiễm hữu bền (Persistant Organic Pollutions – POPs) hợp chất hóa học có nguồn gốc từ Cacbon, sản sinh hoạt động công nghiệp ngƣời POPs bền vững mơi trƣờng, có khả tích tụ sinh học qua chuỗi thức ăn, lƣu trữ thời gian dài, có khả phát tán xa từ nguồn phát thải tác động xấu đến sức khỏe ngƣời hệ sinh thái Theo công ƣớc Stockholm, POPs gồm 12 hóa chất có tính độc hại, tồn bền vững mơi trƣờng, phát tán rộng tích lũy hệ sinh thái, gây hại cho sức khỏe ngƣời Mƣời hai loại hóa chất xếp vào nhóm POPs cụ thể là: Aldrin: đƣợc sử dụng nhƣ loại hoá chất bảo vệ thực vật đƣợc dùng để diệt loại côn trùng nhƣ mối, châu chấu, sâu rễ ngô nhiều loại côn trùng gây hại khác Chlordane: đƣợc sử dụng rộng rãi để diệt mối trừ sâu diện rộng nông nghiệp Dieldrin: đƣợc sử dụng chủ yếu để diệt mối loại sâu hại họ vải, kiểm soát dịch bệnh lây lan côn trùng loại côn trùng sống đất nơng nghiệp Dioxin (PCDDs): hố chất độc hại nay, đƣợc tạo khơng chủ định đốt cháy khơng hồn tồn số nhiên liệu nhƣ trình sản xuất số loại thuốc bảo vệ thực vật hố chất khác Ngồi ra, số hình thức tái chế kim loại, nghiền tẩy trắng giấy sinh Dioxin Dioxin cịn có khí thải động cơ, khói thuốc khói than DDT (Dichloro-Diphenyl-Trichloroethane): hố chất hữu khó phân huỷ phổ biến đƣợc sử dụng rộng rãi chiến tranh giới lần thứ nhằm ngăn chặn dịch bệnh lây truyền côn trùng (đặc biệt bệnh sốt rét bệnh ruồi vàng) Ở số nƣớc, đƣợc sử dụng liên tục nhiều năm để diệt muỗi, hạn chế sốt rét Endrin: loại hoá chất bảo vệ thực vật sử dụng để diệt côn trùng cánh đồng trồng bơng ngũ cốc diệt chuột, lồi gặm nhấm khác Furans (PCDFs): hoá chất độc hại đƣợc sản sinh không chủ định giống nhƣ dioxin, đồng thời cịn có hợp chất PCB dành cho thƣơng mại Đồ thị đƣờng chuẩn y = 54.654x - 0.0431 R² = 0.9971 3.5 Độ hấp thụ quang 2.5 1.5 Abs 0.5 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Nồng độ MB FBL (g/l) 0.06 0.07 Hình 3.3 Phƣơng trình đồ thị đƣờng chuẩn phẩm màu MB FBL Đồ thị đƣờng chuẩn y = 39.06x - 0.0708 R² = 0.9951 Độ hấp thụ quang 3.5 2.5 1.5 Abs 0.5 0 0.02 0.04 0.06 Nồng độ SR FLG (g/l) 0.08 0.1 Hình 3.4 Phƣơng trình đồ thị đƣờng chuẩn phẩm màu SR FLG 29 Đồ thị đƣờng chuẩn 3.5 y = 32.627x - 0.0343 R² = 0.9993 Độ hấp thụ quang 2.5 1.5 Abs 0.5 0 0.02 0.04 0.06 Nồng độ SR FR (g/l) 0.08 0.1 Hình 3.5 Phƣơng trình đƣờng chuẩn phẩm màu SR FR Nhận xét: - Với mục đích loại bỏ màu phẩm nhuộm, phẩm màu đƣợc dựng đƣờng chuẩn nồng độ độ hấp thụ quang bƣớc sóng khác - Kết thực nghiệm xây dựng đƣờng chuẩn biểu thị tƣơng quan độ hấp thụ quang nồng độ phẩm màu vàng thể hình 3.1 cho thấy xác định đƣợc nồng độ phẩm màu (C) biết độ hấp thụ quang (Abs) theo công thức: (g/l) (3.1) - Nồng độ phẩm màu dung dịch mẫu nghiên cứu đƣợc xác định thông qua đo hấp thụ quang dung dịch nghiên cứu, tuân theo định luật Lambert – Beer 3.2 Biến tính đất sét thành vật liệu có khả xúc tác 3.2.1 Quy trình biến tính đất sét Lấy 10g đất sét cho vào cốc đong 200ml, sau cho thêm vào 1,0g Fe2(SO4)3 100ml nƣớc Khuấy dung dịch để lắng tiếng Sau sấy khơ nung 400°C tiếng 3.2.2 Đặc tính đất sét biến tính Trong nghiên cứu này, đặc tính đất sét hệ xúc tác Đất sét-Fe(III) dựa vật liệu đất sét sau biến tính đƣợc tập trung phân tích ảnh 30 SEM Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) tạo ảnh với độ phân giải cao bề mặt mẫu vật cách sử dụng chùm điện tử hẹp quét bề mặt mẫu Việc tạo ảnh mẫu vật đƣợc thực thơng qua việc ghi nhận phân tích xạ phát từ tƣơng tác chùm điện tử với bề mặt mẫu vật thông qua phần mềm LEO Thiết bị đƣợc ghép với thiết bị phân tích phổ tán xạ lƣợng tia X (EDX) Hệ thiết bị lúc cho phép quan sát hình thái bề mặt xác định thành phần hóa học oxit cần nghiên cứu a b c Hình 3.6 Ảnh SEM đất sét sau biến tính với kích thƣớc khác Ảnh SEM đất sét sau biến tính hình : hình 3.6a, hình 3.6b, hình 3.6c với kích thƣớc nhỏ, cho thấy bề mặt đất sét sau biến tính gồm hạt cỡ nhỏ, cỡ μm, cấu trúc tạo điều kiện cho q trình hấp phụ - oxi hóa 31 3.2.3 Thành phần vật liệu biến tính Trong nghiên cứu này, thành phần đất sét hệ xúc tác Đất sét-Fe(III) dựa vật liệu đất sét sau biến tính đƣợc tập trung phân tích phổ tán xạ lƣợng tia X Các kết phân tích thành phần hóa học đất sét trƣớc sau biến tính phổ tán xạ lƣợng tia X đƣợc biểu diễn hình 3.7 bảng 3.2 Hình 3.7 Phổ EDX đất sét sau biến tính Bảng 3.2 Thành phần nguyên tố đất sét sau biến tính Thành phần Hàm lƣợng (%) C 0,85 – 1,6 O 30,47 – 43,34 Al 3,61 – 3,05 Si 62,36 – 50,53 S 0,37 – 0,27 K 1,43 – 0,83 Ti 0,22 – 0,11 Fe 0,69 – 0,28 Nhận xét: Từ kết hàm lƣợng % nguyên tố cho thấy, vật liệu sau biến tính từ đất sét chứa hàm lƣợng oxi, silic cao, thành phần SiO2, thành phần có đặc tính hấp phụ tốt Kết cho thấy xuất sắt, thành phần xúc tác Fenton Điều chứng tỏ q trình tẩm muối sắt vào vật liệu bƣớc đầu thành công 32 3.3 Nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý phẩm màu Q trình oxi hóa nâng cao xử lý phẩm màu phụ thuộc vào yếu tố nhƣ: nồng độ chất oxy hóa H2O2, hàm lƣợng vật liệu xúc tác, pH, nhiệt độ,… Vì yếu tố cần đƣợc khảo sát chi tiết để tìm điều kiện thích hợp nhất, vừa đảm bảo hiệu suất cao, vừa cần xem xét đến chi phí kinh tế, khả thực yếu tố môi trƣờng 3.3.1 Ảnh hưởng hàm lượng vật liệu xúc tác biến tính Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng đất sét biến tính đƣợc tiến hành điều kiện cố định pH = 2, nồng độ H2O2 30% = 4,9 mM, hàm lƣợng vật liệu xúc tác đƣợc khảo sát giá trị: 0,25 g/l; 0,5g/l; g/l; 1,5 g/l; cho vào dung dịch phẩm màu RY 160 có nồng độ 0,05 g/l 100 90 80 Hiệu suất % 70 60 50 Hiệu suất 40 30 20 10 0.25 0.5 Hàm lƣợng vật liệu xúc tác (g/l) 1.5 Hình 3.8 Ảnh hƣởng hàm lƣợng vật liệu tới hiệu xử lý Kết khảo sát ảnh hƣởng hàm lƣợng vật liệu tới hiệu phân hủy phẩm màu, thể hình 3.8 cho thấy, nhìn chung hiệu xử lý tăng hàm lƣợng vật liệu tăng từ 0,25 g/l đến 1,5 g/l Trong khoảng hàm lƣợng vật liệu đất sét biến tính này, việc tăng hàm lƣợng vật liệu kéo theo tăng số lƣợng gốc tự tạo thành, nên hiệu suất xử lý tăng Từ kết cho thấy hiệu suất xử lý hàm lƣợng đất sét g/l 1,5 g/l đạt hiệu suất cao gần tƣơng đƣơng nhau, xấp xỉ 99% Hiệu suất xử lý hàm lƣợng 0,5 g/l cao xấp xỉ đạt 85% Trên thực tế, hàm lƣợng đất sét đƣợc chọn 0,5g/l lấy 1,5 g/l tốn lƣợng Fe3+ hấp thụ bề mặt vật liệu đất sét gấp lần tốn chi phí xử lý Vậy hàm lƣợng vật liệu đất sét biến tính phù hợp 0,5 g/l 33 3.3.2 Ảnh hưởng pH Quá trình Fenton đồng thể dị thể thể vai trị thơng qua khả oxy hóa mạnh gốc tự hydroxyl hình thành từ tƣơng tác hóa học Fe2+ Fe3+ với H2O2 Có thể dễ dàng nhận thấy, pH yếu tố cực ký quan trọng, ảnh hƣởng định tới hiệu xử lý kỹ thuật Fenton Thông thƣờng, kỹ thuật Fenton đƣợc tiến hành thuận lợi môi trƣờng pH từ - Ảnh hƣởng pH tới hiệu phân hủy RY 160 đƣợc tập trung khảo sát khoảng pH thấp, từ - 5, điều kiện cố định nồng độ dung dịch phẩm màu RY 160 = 0,05 g/l, hàm lƣợng vật liệu xúc tác = 0,5 g/l, nồng độ H2O2 30% = 4,9 mM 100 90 80 Hiệu suất % 70 60 50 Hiệu suất 40 30 20 10 pH Hình 3.9 Ảnh hƣởng pH tới hiệu xử lý Kết thực nghiệm hình 3.9 cho thấy pH có ảnh hƣởng mạnh đến q trình xử lý, trình diễn thuận lợi cho hiệu tốt pH = với hiệu suất đạt xấp xỉ 99 % Tại pH = pH = trở lên, hiệu xử lý thấp hơn, đặc biệt pH với hiệu suất 25 % Nhƣ thấy pH điều kiện phù hợp, giá trị đƣợc lựa chọn để nghiên cứu nội dung nghiên cứu 3.3.3 Ảnh hưởng nồng độ chất oxy hóa Trong hệ phản ứng Fenton, nồng độ H2O2 yếu tố ảnh hƣởng mạnh tới hình thành tiêu thụ nhóm hydroxyl, định hiệu trình xử lý Tiến hành khảo sát điều kiện thu đƣợc thí nghiệm Cụ thể là: nồng độ dung dịch RY 160 = 0,05 g/l, hàm lƣợng vật liệu biến tính = 0,5g/l, pH = Thể tích H2O2 đƣợc khảo sát 34 giá trị: 0,025 ml; 0,05 ml; 0,15 ml; 0,2 ml (hay nồng độ H2O2 đƣợc khảo sát giá trị: 1,22 mM; 2,45 mM; 7,34 mM; 9,79 mM) Kết nghiên cứu, xác định ảnh hƣởng nồng độ H2O2 tới hiệu phân hủy RY 160 đƣợc thể hình 3.10 100 99.5 Hiệu suất % 99 98.5 98 Hiệu suất 97.5 97 96.5 96 1.22 2.45 7.34 Nồng độ H2O2 (mM) 9.79 Hình 3.10 Ảnh hƣởng nồng độ H2O2 tới hiệu xử lý Kết thực nghiệm hình 3.10 cho thấy, thể tích H2O2 tăng từ 0,025ml đến 0,2ml (hay nồng độ H2O2 tăng từ 1,22 mM đến 9,79 mM) hiệu suất xử lý khơng tăng rõ rệt dao động từ 97 – 98% Vì vậy, thể tích H2O2 đƣợc lấy 0,025ml hay nồng độ H2O2 1,22 mM để tiết kiệm đƣợc chi phí cho hóa chất oxy hóa sử dụng, kết đƣợc sử dụng cho nghiên cứu 3.3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ tiến hành phản ứng Tiến hành khảo sát điều kiện thu đƣợc thí nghiệm Cụ thể là: nồng độ dung dịch RY 160 = 0,05 g/l , hàm lƣợng vật liệu biến tính = 0,5g/l, nồng độ H2O2 30% = 1,22 mM, pH = Tiến hành thí nghiệm nhiệt độ khác nhau: 30°C, 40°C, 50°C Kết thu đƣợc thể hình 3.11 35 100 99.8 Hiệu suất (%) 99.6 99.4 99.2 99 Hiệu suất 98.8 98.6 98.4 98.2 98 30 40 Nhiệt độ (°C) 50 Hình 3.11 Ảnh hƣởng nhiệt độ thí nghiệm tới hiệu suất phẩm màu Các kết thực nghiệm cho thấy, nhiệt độ tăng, nhìn chung hiệu suất phân hủy RY 160 có xu hƣớng giảm Nếu nhiệt độ nƣớc thải mức 30°C trở lên, hiệu loại bỏ RY 160 đạt 99,4% Nhƣ vậy, tiến hành phản ứng Fenton dị thể yêu cầu thời gian xử lý nhanh ta sử dụng nhiệt độ 30°C 3.3.5 Ảnh hưởng thời gian tiến hành phản ứng Tiến hành khảo sát điều kiện thu đƣợc thí nghiệm Cụ thể là: nồng độ dung dịch RY 160 = 0,05 g/l , hàm lƣợng vật liệu biến tính = 0,5g/l, nồng độ H2O2 30% = 1,22 mM, pH = Tiến hành thí nghiệm kiểm tra hiệu suất xử lý mốc thời gian: 0; 10; 20; 30; 40; 50; 60; 90 phút Kết đƣợc thể hình 3.12 100 90 80 Hiệu suất % 70 60 50 Hiệu suất 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 Thời gian (phút) 60 90 Hình 3.12 Ảnh hƣởng thời gian tiến hành phản ứng 36 Các kết thực nghiệm cho thấy, thời gian tăng hiệu suất phân hủy RY 160 tăng Hiệu loại bỏ RY 160 đạt 98% 60 phút xử lý có xu hƣớng giảm sau 60 phút nguyên nhân phẩm màu bị phai trình phản ứng Nhƣ tiến hành phản ứng Fenton để đạt hiệu suất cao xử lý 1h 3.3.6 Ảnh hưởng lượng phẩm màu RY 160 Nghiên cứu dung lƣợng xử lý phƣơng pháp Fenton đƣợc tiến hành điều kiện cố định pH = Lƣợng phẩm màu RY 160 thay đổi tăng từ 0,2 g, 0,5 g, g Tiến hành lần với thể tích H2O2 30% lần 0,025 ml (hay nồng độ H2O2 30% = 1,22 mM) thể tích H2O2 30% lần 0,1 ml (hay nồng độ H2O2 30% = 4,9 mM) Kết đƣợc thể hình 3.13 Hiệu suất % 100 80 60 CH2O2 = 1,22 mM 40 CH2O2 = 4,9 mM 20 0.2 0.5 Lƣợng phẩm màu RY 160 (g) Hình 3.13 Ảnh hƣởng nồng độ RY 160 tới hiệu xử lý Các kết thực nghiệm cho thấy, lƣợng phẩm màu nƣớc lớn phƣơng pháp Fenton sử dụng đất sét biến tính xử lý đƣợc cho kết tốt Khi tăng thể tích H2O2 lên từ 0,025 lên 0,1 ml ( hay nồng độ H2O2 tăng từ 1,22 mM lên 4,9 mM) hiệu suất xử lý tăng tiêu thụ nhóm hydroxyl nhiều Vậy tỷ lệ phù hợp nồng độ H2O2 với lƣợng phẩm màu RY 160 để xử lý đạt hiệu suất cao là: g) 3.3.7 Ảnh hưởng tái sử dụng xúc tác Đất sét-Fe(III) Một ƣu điểm bật kỹ thuật Fenton dị thể so với Fenton đồng thể khả tái sử dụng xúc tác sau phản ứng mà không cần trải qua nhiều q trình phức tạp, hao tổn hóa chất Trong nghiên cứu này, dung dịch sau xử lý đƣợc lọc thu hồi đất sét giấy lọc, sau sấy khô giấy lọc qua đêm nhiệt độ 50°C tiếp tục nghiên cứu tái sử dụng điều kiện thu đƣợc thí nghiệm trƣớc: nồng độ dung dịch RY 160 = 0,05 g/l, hàm lƣợng vật liệu biến 37 tính = 0,5g/l, nồng độ H2O2 30% = 1,22 mM, pH = Kết thí nghiệm đƣợc thể hình 3.14 100 Hiệu suất % 80 60 Hiệu suất 40 20 Lần đầu Tái sử dụng Hình 3.14 Khả tái sử dụng đất sét qua lần xử lý Kết tái sử dụng hình 3.13 cho thấy hiệu suất xử lý giảm dần qua lần xử lý, tƣơng ứng với hao hụt sắt (III) oxit đất sét Hiệu suất xử lý lần đầu cao đạt xấp xỉ 90 % nhƣng hiệu suất xử lý lần thứ thấp đạt 20% 3.3.8 Khả xử lý màu phẩm màu phổ biến Tiến hành khảo sát hiệu suất xử lý điều kiện khảo sát đƣợc phẩm màu RY 160 (vàng) (nồng độ dung dịch RY 160 = 0,05 g/l, hàm lƣợng vật liệu biến tính = 0,5g/l, nồng độ H2O2 30% = 1,22 mM, pH = 3) cho phẩm màu: AR 23 (đỏ vang), DB FBL (xanh da trời), SR FLG (đỏ cờ), SR FR (đỏ sen) Kết thí nghiệm đƣợc thể hình 3.15 Hiệu suất (%) 100 80 60 Hiệu suất 40 20 Axit red Blue FBL Red Rose FR F2G Hình 3.15 Hiệu suất xử lý phẩm màu Kết thể hình 3.15 cho thấy hiệu suất xử lý màu đỏ sen (>60%) vƣợt trội so với màu đỏ vang, đỏ cờ xanh da trời Màu xanh da trời hiệu suất xử lý thấp (37%) Để nâng cao hiệu suất ta cần khảo sát mức thêm chất xúc tác thời gian lâu 38 KẾT LUẬN Kết luận Trên sở kết đạt đƣợc, rút số kết luận nhƣ sau: - Quy trình biến tính đất sét thành vật liệu có hoạt tính xúc tác cao: 10g đất sét trộn 1g Fe2(SO4)3 100ml nƣớc, khuấy cô cạn, sấy khô, nung với nhiệt độ 400°C - Các đặc trƣng vật liệu nhƣ kích thƣớc, tính chất bề mặt đất sét sau biến tính đƣợc xác định phƣơng pháp SEM Với kích thƣớc nhỏ, cho thấy bề mặt đất sét sau biến tính gồm hạt cỡ nhỏ, cỡ μm, cấu trúc tạo điều kiện cho trình hấp phụ - oxi hóa - Các thành phần ngun tố hóa học vật liệu sau biến tính từ đất sét chứa hàm lƣợng oxi, silic cao, thành phần SiO2, thành phần có đặc tính hấp phụ tốt Kết cho thấy xuất sắt, thành phần xúc tác Fenton chứng tỏ trình tẩm muối sắt vào vật liệu đạt hiệu - Các điều kiện ảnh hƣởng đến trình Fenton xử lý phẩm màu đƣợc khảo sát chi tiết với hệ xúc tác dị thể-đất sét biến tính Tìm điều kiện thích hợp tiến hành q trình Fenton, sử dụng đất sét biến tính xử lý phẩm màu Áp dụng kỹ thuật Fenton dị thể dùng hệ xúc tác đất sét cho đối tƣợng phẩm màu RY 160, DR 23, MB FBL, SR FLG, SR FR nồng độ 0,05 g/l Điều kiện tối ƣu tìm đƣợc là: hàm lƣợng đất sét xúc tác = 0,5 g/l; thể tích H2O2 30% = 1,22 mM; pH = 3; nhiệt độ 30°C Hệ xúc tác có khả tái sử dụng nhiều lần, nhiên hiệu suất xử lý phẩm màu có xu hƣớng giảm tái sử dụng - Đánh giá đƣợc khả áp dụng điều kiện xử lý tƣơng tự phẩm màu RY 160 cho phẩm màu DR 23, MB FBL, SR FLG, SR FR Kết cho thấy khả xử lý phẩm màu kỹ thuật Fenton sử dụng vật liệu đất sét biến tính cho kết tốt 39 Tồn Nghiên cứu tiến hành thời gian ngắn, số vấn đề chƣa đƣợc nghiên cứu, bao gồm: - Chƣa phân tích đƣợc thành phần vật liệu sau biến tính - Cần khảo sát thí nghiệm nhiều lần để kiểm chứng Kiến nghị - Tiếp tục nghiên cứu đầy đủ đặc tính đất sét sau biến tính - Nghiên cứu tiếp điều kiện để tăng hiệu suất xử lý phẩm màu mẫu nƣớc thải sử dụng đất sét biến tính q trình Fenton 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Thị Nga Trần Văn Nhân (2005), Giáo trình cơng nghệ xử lý nước thải, NXB Khoa học Kỹ thuật [2] Đặng Thế Anh (2016), Loại bỏ phẩm màu hữu vật liệu thải biến tính, Luận văn thạc sỹ khoa học, Trƣờng Đại học Quốc gia Hà Nội [3] Vũ Thị Mùi (2007), Nghiên cứu đánh giá trạng hợp chất ô nhiễm hữu bền (pops) phát thải ngành cơng nghiệp dệt nhuộm khu vực Hồ Chí Minh đề xuất giải pháp quản lý phù hợp, Đồ án tốt nghiệp, Đại học Kỹ thuật - Cơng nghệ Thành phố Hồ Chí Minh [4] Đỗ Thị Thúy Vân (2010), Giáo trình hợp chất màu hữu cơ, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Đà Nẵng [5] Hoàng Hồng Giang (2007), Nghiên cứu đánh giá trạng hợp chất ô nhiễm hữu bền (POPs) phát thải ngành sản xuất bảo vệ thực vật khu vực Tp.HCM Đề xuất giải pháp quản lý phù hợp, Đồ án tốt nghiệp, Đại học Kỹ thuật - Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh [6] PGS TS Nguyễn Thế Đặng, Giáo trình Vật lý đất, Trƣờng Đại học Nông Lâm Thái Nguyên [7] Nguyễn Thanh Tú, Nghiên cứu chế tạo màng mỏng quang xúc tác ZnO: Sn ZnO: (Sn, N) phương pháp phún xạ magnetron DC, Đại học Sƣ phạm kỹ thuật TP HCM [8] Nguyễn Đức Thái (2015), Xác định paracetamol axit ascorbic dược phẩm phương pháp quang phổ đạo hàm, Luận văn thạc sĩ khoa học hóa học, Trƣờng Đại học Huế [9] Võ Hồng Thi (2011), Một số ứng dụng q trình oxy hóa nâng cao(AOPs) phương pháp Fenton xử lý nước thải Việt Nam, Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trƣờng Công nghệ sinh học, Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM [10] ThS Bùi Đức Thuần(2006), Giáo trình Nhiễu xạ tia X, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 41 PHỤ LỤC Bảng I Danh mục hóa chất Phẩm màu Mục đích sử dụng Làm mẫu thử nghiệm Đất sét Làm chất xúc Muối sắt Fe2(SO4)3 Bổ sung Fe3+ để biến tính vật liệu tạo chất xúc tác cho q trình Fenton Nƣớc cất Pha hóa chất, rửa dụng cụ,… Axit H2SO4 loãng Giảm độ pH dung dịch Dung dịch NaOH loãng Tăng pH dung dịch Dung dịch H2O2 Chất xúc tác Dung dịch chuẩn máy đo pH Chuẩn máy đo pH STT Tên hóa chất Bảng II Danh mục thiết bị STT Tên thiết bị Mục đích sử dụng Số lƣợng Máy đo hấp thụ quang Đo độ hấp thụ quang Cân điện tử Cân hóa chất, chất xúc tác, phẩm màu Tủ sấy Sấy mẫu Lò nung Nung mẫu Máy đo pH Chuẩn độ pH Máy khuấy Khuấy hóa chất Bảng III Danh mục dụng cụ STT Dụng cụ Mục đích sử dụng Bình định mức 1000ml Pha phẩm màu Số lƣợng Bình định mức 500ml Pha phẩm màu Cốc thủy tinh 1000 ml Xử lý phẩm màu Cốc thủy tinh 200 ml Làm thí nghiệm 5 Cốc thủy tinh 100 ml Đựng dung dịch lọc Pipet 1ml, 10ml Hút hóa chất dung dịch mẫu Quả bóp Hút Phễu lọc Lọc hóa chất Giấy lọc Lọc hóa chất 32 10 Đũa thủy tinh Khuấy hóa chất 11 Chén nung Nung mẫu 12 Bình tia nƣớc cất Rửa dụng cụ, bổ sung nƣớc,… 13 Cối thủy tinh, chày Giã nhỏ vật liệu 14 Nhãn dán, bút, Ghi nhớ