Biến tính tro bay làm xúc tác cho quá trình oxy hoá tiên tiến ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC 08 BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI Đề tài: BIẾN TÍNH TRO BAY LÀM XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH OXY HĨA TIÊN TIẾN, ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM Mã số Đề tài: KC.08.TN05/11-15 Cơ quan chủ trì Đề tài: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Chủ nhiệm Đề tài: ThS Đào Sỹ Đức 9715 Hà Nội - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC 08 BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ ĐỀ TÀI Đề tài: BIẾN TÍNH TRO BAY LÀM XÚC TÁC CHO Q TRÌNH OXY HĨA TIÊN TIẾN, ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM Mã số Đề tài: KC.08.TN05/11-15 Chủ nhiệm Đề tài Cơ quan chủ trì Đề tài ThS Đào Sỹ Đức Ban Chủ nhiệm Chương trình KC08 Bộ Khoa học Cơng nghệ Hà Nội - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Hà nội, ngày 26 tháng 11 năm 2012 BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI I THÔNG TIN CHUNG Tên Đề tài: Biến tính tro bay làm xúc tác cho q trình oxy hóa tiên tiến, ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm Mã số Đề tài: KC08.TN05/11-15 Thuộc Chương trình: Khoa học cơng nghệ phục vụ phịng tránh thiên tai, bảo vệ môi trường sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên, Mã số: KC08/11-15 Chủ nhiệm Đề tài: Họ tên: Đào Sỹ Đức Ngày, tháng, năm sinh: 29/11/1983 Nam/ Nữ: Nam Học hàm, học vị: Thạc sỹ Điện thoại: Tổ chức: +84-439332380; +84-438253503; Mobile: +84-983596386 Fax: +84-438241140 E-mail: ducds@vnu.edu.vn; d-duc@ms.naist.jp Tên tổ chức công tác: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Địa tổ chức: 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội Địa nhà riêng: Số 34C, ngách 144/2 Quan Nhân, Nhân Chính, Thanh Xuân, Hà Nội i Tổ chức chủ trì Đề tài: Tên tổ chức chủ trì đề tài: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Điện thoại: 84-38588579 Fax: 84-438583061 E-mail: hus@vnu.edu.vn Website: www.hus.edu.vn Địa chỉ: 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội Họ tên Thủ trưởng tổ chức: PGS.TS Bùi Duy Cam Số tài khoản: 301-01-036-02-16 Tại Kho bạc Nhà nước Đống Đa, Hà Nội Tên quan chủ quản Đề tài: Bộ Khoa học Cơng nghệ II TÌNH HÌNH THỰC HIỆN Thời gian thực Đề tài: - Theo Hợp đồng ký kết: từ 28 tháng 12 năm 2011, đến 31 tháng 12 năm 2012 - Thực tế thực hiện: từ 01 tháng 01 năm 2012, đến 26 tháng 11 năm 2012 - Được gia hạn (nếu có): Khơng Kinh phí sử dụng kinh phí: a) Tổng số kinh phí thực : 830.000.000 đồng, đó: + Kính phí hỗ trợ từ SNKH: 830.000.000 đồng; + Kinh phí từ nguồn khác: đồng ; + Tỷ lệ kinh phí thu hồi dự án (nếu có): ii b) Tình hình cấp sử dụng kinh phí từ nguồn SNKH: Theo kế hoạch Ghi Thực tế đạt Số Thời gian Kinh phí Thời gian Kinh phí (Số đề nghị TT (Tháng, năm) (đồng) (Tháng, năm) (đồng) toán) 12/2012 Tổng 830.000.000 11/2012 830.000.000 830.000.000 830.000.000 830.000.000 830.000.000 c) Kết sử dụng kinh phí theo khoản chi: Đối với đề tài: Đơn vị tính: Triệu đồng TT Nội dung khoản chi Theo kế hoạch Tổng Thực tế đạt SNKH Tổng SNKH Công lao động 500 500 500 500 Nguyên, nhiên, vật liệu 260 260 260 260 Thiết bị, máy móc Chi khác 70 70 70 70 Tổng cộng 830 830 830 830 Lý do: Một số mục kinh phí điều chỉnh theo thực tế thực Đề tài Các văn hành q trình thực Đề tài: Số Số, thời gian ban TT hành văn Quyết định số 2092/QĐBKHCN ngày 19/7/2011 Quyết định số Tên văn Quyết định số 2092/QĐ-BKHCN ngày 19/7/2011 Quyết định số 2161/QĐKHCN ngày 22/7/20111 Bộ trưởng Bộ Khoa học Công nghệ việc phê duyệt tổ chức, cá nhân kinh phí đề iii Ghi 2161/QĐ-KHCN ngày 22/7/2011 Quyết định số 3860/QĐBKHCN ngày 15/12/2011 tài nghiên cứu khoa học công nghệ tiềm để thực từ năm 2011 thuộc lĩnh vực Khoa học công nghệ phục vụ phịng tránh thiên tai, bảo vệ mơi trường sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên.” Quyết định số 3860/QĐ-BKHCN ngày 15/12/2011 Bộ trưởng Bộ Khoa học Công nghệ việc phê duyệt kinh phí, tổ chức cá nhân chủ trì nhiệm vụ Khoa học Công nghệ bắt đầu thực năm 2011 thuộc Chương trình “Nghiên cứu khoa học cơng nghệ phục vụ phịng tránh thiên tai, bảo vệ mơi trường sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên”, mã số KC08/11-15 Hợp đồng nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ số 05/2011/HĐ-ĐTTN05/2011/HĐKC08/11-15 ngày 28/12/2011 Văn ĐTTN-KC08/11Phịng Các chương trình khoa học trọng 15 ngày điểm cấp nhà nước Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 28/12/2011 Quyết định số 308/QĐ-BKHCN ngày 7/3/2012 Bộ trưởng Bộ Khoa học công nghệ việc phê duyệt kế hoạch đấu thầu mua sắm hoá chất, vật tư năm 2012 đề tài “Biến tính tro bay làm Quyết định số Gói xúc tác cho trình oxy hóa tiên tiến, 308/QĐ-BKHCN ứng dụng xử lý nước thải dệt 198.233.000đ ngày 7/3/2012 nhuộm” mã số KC08.TN05/11-15 thuộc Chương trình “Khoa học Cơng nghệ phục vụ phịng chống thiên tai, bảo vệ mơi trường sử dụng hợp lí tài nguyên thiên nhiên” Mã số KC08/11-15 Hợp đồng số Quyết định số 901/QĐ-KHCN Quyết định số 901/QĐ-KHCN ngày 22/3/2012 Hiệu trưởng Trường Đại iv ngày 22/3/2012 học Khoa học Tự nhiên việc phê duyệt kết đấu thầu gói thầu “ Mua hóa chất phục vụ nghiên cứu khoa học” Hợp đồng số Hợp đồng kinh tế số 2803/HĐKT20122803/HĐKT2012- TĐ ngày 28/3/2012 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Cửa hàng trang TĐ ngày thiết bị y tế Thành Đạt 28/3/2012 Quyết định số 3483/QĐ-KHCN ngày 14/9/2012 Quyết định số 3483/QĐ-KHCN ngày 14/9/2012 Hiệu trưởng trường Đại học Khoa học Tự nhiên việc cử cán công tác thành phố Đà Nẵng Quyết định số 821/QĐ-SĐH Hiệu Quyết định số 821/QĐ-SĐH trưởng Trường Đại học Khoa học tự nhiên việc công nhận đề tài luận án cán hướng dẫn nghiên cứu sinh năm 2011 Quyết định số 3375/QĐ-HCĐN Hiệu Quyết định số trưởng Trường Đại học Khoa học Tự 3375/QĐ-HCĐN nhiên việc cử cán cơng tác nước ngồi Cơng văn số 241/VPCTTĐ-THKH ngày Cơng văn số 10 241/VPCTTĐTHKH ngày 31/10/2012 31/10/2012 Văn phòng Các Chương trình Trọng điểm cấp Nhà nước, Bộ Khoa học Công nghệ việc thay đổi cán tham gia cán ủy quyền thay chủ nhiệm đề tài để giải công việc v Tổ chức phối hợp thực Đề tài: Số TT Tên tổ chức Tên tổ chức Nội dung Sản phẩm đăng ký theo tham gia thực tham gia chủ yếu đạt Thuyết minh chủ yếu Ghi chú* Cá nhân tham gia thực Đề tài: Số TT Tên cá nhân đăng ký theo Thuyết minh Tên cá nhân Nội dung tham gia tham gia ThS Đào Sỹ ThS Đào Đức Sỹ Đức ThS Vũ Thị Quyên ThS Vũ Thị Quyên TS Trần Thị TS Trần cứu chủ yếu đạt thực Nghiên Sản phẩm khả hấp phụ tro bay trước biến tính sau biến tính khả xử lý nước thải dệt nhuộm Các báo cáo chuyên đề; Báo cáo tiến độ, kỹ thuật oxy Báo cáo hóa tiên tiến với tổng kết phản ứng Feton đồng thể Nghiên cứu, khảo sát, lựa chọn quy trình biến tính vật Các báo liệu tạo xúc tác cáo xác định đặc tính chuyên đề xúc tác biến tính FeCl3 Nghiên cứu, khảo Các vi báo Ghi chú* Dung Thị Dung sát, lựa chọn quy cáo trình biến tính vật chun đề liệu tạo xúc tác xác định đặc tính xúc tác biến tính Fe(NO3)3 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian TS Hoàng TS Hoàng hấp phụ nhiệt độ Văn Hà Văn Hà tới khả hấp phụ tro bay Các báo cáo chuyên đề trước biến tính Khảo sát khả TS Nguyễn TS Nguyễn Tiến Thảo Tiến Thảo xúc tác sản Các phẩm báo biến cáo tính (tro bay sau chuyên đề biến tính) Nghiên cứu khả xử lý nước ThS Vũ Thế Ninh ThS Trịnh Xuân Đại thải dệt nhuộm Các báo TS Nguyễn (phẩm nhuộm phổ cáo Thanh Bình biến) kỹ thuật chuyên đề oxy hóa tiên tiến với phản ứng Fenton đồng thể ThS Trịnh Xuân Đại Khảo sát ảnh hưởng Các báo mức độ cáo nhiễm, tính tốn chun đề động học vii trình hấp phụ, so sánh rút kết luận hiệu xúc tác TS Nguyễn ThS Vũ Khánh Diệu Hồng Quỳnh Thương Nghiên cứu ảnh hưởng hàm Các báo lượng vật liệu cáo pH tới khả hấp chuyên đề phụ tro bay trước biến tính - Lý thay đổi ( có): Tình hình hợp tác quốc tế: Số TT Theo kế hoạch (Nội dung, thời gian, kinh phí, địa điểm, tên tổ chức hợp tác, số đoàn, số lượng người tham gia ) Thực tế đạt (Nội dung, thời gian, kinh phí, địa điểm, tên tổ chức hợp tác, số đoàn, số lượng người tham gia ) Ghi chú* Tình hình tổ chức Hội thảo, Hội nghị: Số TT Theo kế hoạch (Nội dung, thời gian, kinh phí, địa điểm ) Hội thảo năm 2012 kinh phí 6,0 triệu đồng Thực tế đạt (Nội dung, thời gian, kinh phí, địa điểm ) Ghi chú* Hội thảo “Kỹ thuật oxy hóa tiên tiến ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm” ngày Thanh toán 09/5/2012 Hà Nội theo thực tế (Kinh phí 1,96 triệu đồng) Hội thảo “Ảnh hưởng thời gian nhiệt độ nung tới điều kiện biến tính tro bay Thanh tốn Fe(NO3)3 ngày 31/5/2012 Hà Nội theo thực tế (Kinh phí 2,130 triệu đồng) Hội thảo “Tác động FeCl3 tới q trình biến tính tro bay” ngày 29/6/2012 Hà Nội Thanh tốn theo thực tế (Kinh phí 2,2 triệu đồng) viii ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC 08 QUY TRÌNH BIẾN TÍNH TRO BAY BẰNG MUỐI SẮT (III) NITRAT, CHẾ TẠO XÚC TÁC FA-N Đề tài: BIẾN TÍNH TRO BAY LÀM XÚC TÁC CHO Q TRÌNH OXY HĨA TIÊN TIẾN, ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM Mã số Đề tài: KC.08.TN05/11-15 Cơ quan chủ trì Đề tài: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Chủ nhiệm Đề tài: ThS Đào Sỹ Đức Hà Nội - 2013 xg Fe(NO3)3 H2O Dd Fe(NO3)3 Y mL Tro bay 66 44 37 Zg 7Tro bay H2O X / Y / Z = / 20 /10 87 100 oC 4h 400oC FA N 10 QT Quy trình biến tính tro bay, tạo FA-N (mơ hình) Ghi chú: Thùng chứa sắt (III) nitrat, Fe(NO3)3.9H2O; Thiết bị kiểm soát hàm lượng tỷ lệ Fe(NO3)3 : H2O ; Bình chứa hỗn hợp; Thùng chứa FA; Lò nung ; Thùng chứa nước ; Thùng chứa dung dịch Fe(NO3)3; Nguồn cấp tro bay (FA); Máy khuấy, có kiểm sốt nhiệt độ; 10 Thùng chứa sản phẩm tro bay biến tính muối săt (III) nitrat (FA-N) Fe(NO3)3.9H2O H2O Khuấy 30 phút Dung dịch sắt (III) nitrat Hỗn hợp Tro bay + muối sắt (III) nitrat Tro bay Khuấy Tách nước, sấy 100oC Hỗn hợp rắn Nung 400oC Sản phẩm (FA-N) Hình Quy trình biến tính tro bay muối sắt (III) nitrat, chế tạo FA-N (Tỷ lệ khối lượng Fe(NO3)3.9H2O/nước/tro bay = 4/20/10) Để tiến hành biến tính tro bay muối sắt (III) nitrat, chế tạo xúc tác FA-N, có khả ứng dụng xử lý màu nước thải dệt nhuộm cần chuẩn bị hóa chất, vật liệu; dụng cụ, thiết bị vận hành theo Quy trình trình bày cụ thể Nguyên liệu hóa chất: ƒ Tro bay lấy nhà máy sản xuất nhiệt điện (trong nghiên cứu này, tro bay lấy Công ty TNHH thành viên Nhiệt điện ng Bí, tỉnh Quảng Ninh); ƒ Muối sắt (III) nitrat, Fe(NO3)3.9H2O; ƒ Nước Thiết bị: ƒ Bình chứa hóa chất sử dụng q trình biến tính; ƒ Bình chứa dùng để biến tính tro bay; ƒ Máy khuấy, có tính gia nhiệt kiểm sốt nhiệt độ; ƒ Lò nung; ƒ Thiết bị định lượng hóa chất sử dụng (có thể tiến hành thủ cơng) Thuyết minh Quy trình biến tính, chế tạo FA-N (xem Mơ hình Cơng nghệ): Bước 1: Chuẩn bị dung dịch sắt (III) nitrat Đây dung dịch quan trọng q trình biến tính tro bay, chế tạo xúc tác FA-N Dung dịch sắt (III) nitrat chuẩn bị cách pha Fe(NO3)3.9H2O (chứa thùng 1) với nước (chứa thùng 2) theo tỷ lệ 4/20 (g/g) Hỗn hợp đưa sang thùng (4), khuấy 30 phút sử dụng cơng đoạn biến tính tro bay Bước 2: Chuẩn bị hỗn hợp biến tính Dung dịch sắt (III) nitrat từ bình (4) tro bay từ thùng chứa (7) bổ sung vào bình chứa hỗn hợp (5) cho tỷ lệ Fe(NO3)3.9H2O/H2O/FA đạt 4/20/10 Bước 3: Tách nước chế tạo xúc tác Hỗn hợp tro bay, dung dịch muối sắt (III) nitrat sau chuẩn bị bình (4) khuấy nhờ máy khuấy tốc độ 120 vòng/phút (8); đồng thời tiến hành gia nhiệt nhằm tách, loại nước sấy khô hỗn hợp 100oC Sau sấy khô, hỗn hợp chất rắn đem nung 4h lò nung (9) nhiệt độ 400oC Sản phẩm xúc tác (FA-N) sau trình nung chứa thùng (10) sử dụng mục tiêu phân hủy phẩm nhuộm, xử lý màu nước thải dệt nhuộm ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC 08 QUY TRÌNH XỬ LÝ MÀU NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM BẰNG KỸ THUẬT FENTON DỊ THỂ SỬ DỤNG XÚC TÁC FA-N Đề tài: BIẾN TÍNH TRO BAY LÀM XÚC TÁC CHO Q TRÌNH OXY HĨA TIÊN TIẾN, ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM Mã số Đề tài: KC.08.TN05/11-15 Cơ quan chủ trì Đề tài: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Chủ nhiệm Đề tài: ThS Đào Sỹ Đức Hà Nội - 2013 14 H2 O2 FA N 12 10 11 11 10 13 13 Ghi chú: Thùng chứa nước thải Bơm Thiết bị xử lý; Máy khuấy; Bình chứa axit sunfuric (điều chỉnh mơi trường); Bình chứa xúc tác FA-N; Bình chứa H2O2; Thiết bị đa năng, kiểm soát pH mẫu nước thải, hàm lượng xúc tác FA-N, hàm lượng H2O2; Van 10 Bể lắng; 11 Bơm tuần hoàn xúc tác; 12 Thiết bị kiểm soát nhiệt độ nước; 13 Thùng chứa xúc tác sau xử lý; 14 Thiết bị điều khiển trung tâm Hình Mơ hình Quy trình (Sơ đồ) Công nghệ xử lý màu nước thải dệt nhuộm kỹ thuật Fenton dị thể sử dụng tro tính (FA-N) Nước thải Điều chỉnh pH = Dung dịch Hydro peoxit (3,92 mM) Nước thải (pH = 3) FA-N (1 g/L) Khuấy (xấp xỉ 60 phút) Lắng, tách xúc tác Thu xúc tác Xúc tác Phân tích chất lượng (BOD, COD…) Phân tích chất lượng (BOD, COD…) Đạt Thải Chưa đạt Tiếp tục xử lý hóa lý và/hoặc sinh học Hình Quy trình xử lý màu nước thải dệt nhuộm kỹ thuật Fenton dị thể, sử dụng xúc tác FA-N Để tiến hành xử lý màu nước thải dệt nhuộm kỹ thuật Fenton dị thể với xúc tác tro tính muối sắt (III) nitrate (FA-N) cần chuẩn bị hóa chất, vật liệu; dụng cụ, thiết bị vận hành theo Quy trình trình bày cụ thể Nguyên liệu hóa chất: ƒ Xúc tác FA-N; ƒ Hydro peoxit, H2O2 (30%); ƒ Dung dịch axit sunfuric, H2SO4 (điều chỉnh môi trường) Thiết bị: ƒ Bể chứa nước thải (chứa phẩm màu); ƒ Thiết bị xử lý; ƒ Bơm nước thải; ƒ Thùng chứa hóa chất, nguyên vật liệu; ƒ Máy khuấy; ƒ Thiết bị lắng; ƒ Hệ thống van; ƒ Thiết bị kiểm soát hàm lượng H2O2, FA-N pH; ƒ Thiết bị kiểm sốt trung tâm Thuyết minh Quy trình cơng nghệ (xem Mơ hình Cơng nghệ): ƒ Nước thải từ thùng chứa (1) đưa vào thiết bị xử lý (3) thông qua bơm (2); ƒ Sử dụng thiết bị đa (8) để điều chỉnh pH mẫu nước pH dung dịch axit sunfuric chứa bình (5); ƒ Xúc tác FA-N dung dịch hydropeoxit (tương ứng chứa thùng (6) (7) bổ sung vào thiết bị xử lý nhờ thiết bị đa (8) cho đảm bảo hàm lượng FA-N (1 g/L) 3,92 mM ([H2O2]); ƒ Toàn hỗn hợp thiết bị xử lý khuấy nhờ máy khuấy (4); ƒ Sau đảm bảo thời gian lưu, hiệu suất xử lý; nước thải đưa sang thiết bị lắng (10) để tách, thu hồi, tái sử dụng phần xúc tác Xúc tác thu hồi sau trình xử lý chứa thùng (13) Phần nước sau xử lý thải bỏ đưa sang hệ thống xử lý tiếp phía sau (sinh học, hấp phụ); ƒ Trong trường hợp cần thiết, thiết bị kiểm soát, điều chỉnh nhiệt độ hệ phản ứng (12) sử dụng; ƒ Toàn hoạt động hệ thống kiểm soát thiết bị kiểm soát trung tâm (14) Phone: +91-0120-4102551 ISSN 0970-7077 ASIAN JOURNAL OF CHEMISTRY (An International Peer Reviewed Research Journal of Chemistry) 11/100, Rajendra Nagar, Sector-3, Sahibabad-201 005(Ghaziabad) INDIA Email: asianjchemistry@gmail.com Editor-in-Chief Prof R K AGARWAL Ph.D., D.Sc Circulation/Database Manager Mrs Anjul Agarwal Dated: 11th August 2012 Dr Dao Sy Duc Department of Chemical Technology Faculty of Chemistry VNU University of Science Hanoi, Vietnam Dear Dr Dao Sy Duc, We are pleased to inform you that your research manuscript No 14215/2012 entitled, “Degradation of Reactive Blue 181 Dye by Heterogeneous Fenton Technique using Modified Fly Ash” has been accepted for publication in Asian Journal of Chemistry The paper will appear in Volume 25 (2013) of Asian Journal of Chemistry Here, we are enclosing an invoice bill No 3164 dated 11th August 2012 of USD 300=00 (US Dollars Three Hundred Only) towards the Printing/Publication charges You are requested to remit the payment at the earliest in favour of Asian Journal of Chemistry Your early response will be highly appreciated Thanks Sincerely Yours Dr Himanshu Agarwal Executive Editor Asian Journal of Chemistry 14215 Asian Journal of Chemistry; Vol 25, No (2013), 0000-0000 Degradation of Reactive Blue 181 Dye by Heterogeneous Fenton Technique Using Modified Fly Ash DAO SY DUC Department of Chemical Technology, Faculty of Chemistry, VNU University of Science, Hanoi, Vietnam, 19 Le Thanh Tong Str., Hanoi, Vietnam Corresponding author: Fax: +84438241140; Tel: +84438253503; E-mail: ducds@vnu.edu.vn ) Accepted: AJC-0000 PR ; O (Received: O F In this paper, the heterogeneous Fenton technique using modified fly ash used for the degradation of Reactive Blue 181 The catalysts were prepared supporting the metal by the incipient impregnation method using iron(III) nitrate Several properties of raw and modified fly ashes were characterized by SEM, EDX and XRD techniques Effects of some key operating parameters such as catalyst dose, pH and the concentration of hydrogen peroxide on the treatment efficiency were studied and discussed Kinetic rate constants of treatment process were also determined The experimental results show that the heterogeneous Fenton technique using modified fly ash/H2O2 is a suitable method for removing Reactive Blue 181 from aqueous solution At the optimum conditions include pH 3; catalyst dose of 0.4 g/L, hydrogen peroxide concentration of 3.92 mM, treatment time of 90 min, approximately 90 % of Reactive Blue 181 was removed from aqueous solution The kinetic data fitted well for pseudo first-order reaction 14 Key Words: Heterogeneous Fenton, Fly ash, Modified fly ash, Fly ash/H2O2, Kinetic, Reactive Blue 181 INTRODUCTION this method has its limitations such as it forms a large amount of iron sludge after the treatment process and the cost of disposing iron sludge is usually high: iron ions can be inactivated when they interact or create complex forms with ions such as phosphate or some intermediate oxidation products16 The heterogeneous Fenton processes with lower cost and friendly with the environment can overcome those disadvantages of the homogeneous Fenton processes Several Fenton heterogeneous catalysts are synthesized on the basis of minerals or iron-containing solid waste products such as kaolin3, pyrite ash, fly ash2,8 and red mud Fly ash is an industrial solid waste of burning power plants, produced approximately 300 million tons per year globally In many places, fly ash is taken directly to the landfills, causing serious environmental pollution16 Currently, fly ash can be used as additives or construction materials, sorbents or catalysts for the oxidation of H2S, methane, sodium sulfite However, few information involving the uses of fly ash as the catalyst for the purpose of decomposing dye in the water are published In this article, fly ash was modified and used as a catalyst for heterogeneous Fenton process, which is applied in the degradation of Reactive Blue 181 dye A L G A Textile is one of the mainstream industries with important strategic position in the development of the national economy in Vietnam1 However, due to the specific characteristics of a complex manufacturing industry that utilizes much water, chemicals, materials, etc The risk of environmental pollution caused by the textile industry is inevitable Wastewater from the textile industry is one of major environmental problems in Vietnam and many other countries1-4 The environmental pollution due to the textile industry is multidimensionally causing serious problems not only to the land mass fertility but also to the natural flora, fauna, as well as the aquatic bodies Consequently, dyes have to be removed from textile wastewater before discharge3,4 Basically, dyes can be removed from aqueous solution by many different techniques, typically chemical and physical techniques such as flocculation5-8, electric coagulation, adsorption, membrane; anaerobic and aerobic biotechnology6,9,3, chemical techniques such as advanced oxidation processes4,7-15 Among the advanced oxidation processes, Fenton process is known as a powerful tool to solve the pollution problem of organic pigments This solution is said to have many advantages such as efficient decomposition of pollutants, low cost price; it operates under favourable condition and chemicals used in the treatment process does not affect the environment However, FI N 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 LL EY 10 11 12 13 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 EXPERIMENTAL Reactive Blue 181 dye, was purchased from Shimi 61 Boyakhsaz Co., Iran, which is used in the dying procedure of 62 14215 95 96 97 (a) SiKa 3200 FeKa FeKb KKsum TiKa FeKesc KKa SiKsum 800 AlKsum 1200 MgKa KKesc CaKesc SKa SKb 1600 TiKb AlKa CKa 2000 TiLa FeLl FeLa Counts 2400 KKb CaKa OKa 2800 400 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 003 0.00 O O 1.00 2.00 3.00 4.00 TiKa TiKb 5.00 6.00 KKsum FeKa FeKesc CaKb AlKsum SiKsum PR 400 MgKa KKesc CaKesc SKa SKb 800 CKa FeLl 1200 NaKa 1600 KKa AlKa OKa FeLa 2000 TiLa Counts 2400 KKb CaKa 2800 FeKb (b) 3200 SiKa 3600 F keV 7.00 8.00 9.00 10.00 keV EY Fig EDX spectrum of raw fly ash (a) and catalyst (b) In this study, chemical composition of fly ash samples before and after preparation are determined through EDX spectrum; corresponding results are shown in Fig a and b The more detailed analysis shows that the iron content increased significantly after the preparation process, from 3.35 % to 17.97 % Iron exists in the structure of the product as completely denatured form of Fe2O3 This was confirmed through X-ray diffraction diagram of the modified fly ash samples The XRD of raw fly ash also appeared to reflect specific lines of mullite (Al6Si2O13) and particles of quartz (SiO2); while only records the presence of mineral mullite reflections (Al6Si2O13); it has background noise and not record the present of iron in the structure The XRD results confirm that fly ash has been successfully modified Effect of the content fly ash: In heterogeneous Fenton process, catalyst concentration is a factor that significantly influenced the treatment performance Effect of fly ash were surveyed in the values 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 and 0.6 g/L, in about 150 and the concentration of H2O2 (3.92 mM), pH From the experimental result (Fig 3), it can be seen that when the catalyst concentration increases, the decomposition performance of Reactive Blue 181 dye tend to increase However, this is only true when the catalyst concentration and treatment time not exceed 0.4 g/L and 90 minutes If continue to increase the amount of catalyst on 0.4 g/L, not only did the processor performance not increase significantly but it even tended to decrease (0.5 g/L) The effectiveness of the treatment almost remained unchanged after 90 of treatment at all levels of catalyst Effect of fly ash can be explained by the correlation between the speeds of the following reactions17-19: RESULTS AND DISCUSSION A L G Physicochemical properties of these raw fly ash and prepared catalyst: In this study, the characteristics of fly ash before and after modification were studied and focused on SEM image analysis (Fig 1) and EDX spectrum (Fig 2) SEM images of raw fly ash samples (Fig 1a) and prepared catalyst (modified fly ash) (Fig 1b) shows the prepared catalyst has porous structure with many empty niches, which facilitates favourable for adsorption, catalysis FI N 98 99 100 101 102 103 104 105 001 CaKb 3600 LL 94 Mua Dong Textile and Garment Company, Hanoi, Vietnam Hydrogen peroxide solution (30 %) and other chemicals which are pure analysis Fly ash taken from Uong Bi Thermal Power Plant in Quang Ninh province, Vietnam Catalyst preparation: In this work, catalyst was prepared supporting the metal by the incipient impregnation method as the report of Yolanda Flores et al.8 Dissolve g of Fe(NO3)3·9H2O in 20 mL of distilled water After that, add 10 g of fly ash to the solution Stir the mixture on the magnetic stirrer with the speed of 20 rpm and heated at 100 ºC until the water completed evaporates Dry the sample at 100 ºC in an oven overnight The catalyst samples will be obtained after heating at 500 ºC for h Characterization of raw fly ash and prepared catalyst: The morphology was observed with scanning electron microscope (SEM, JSM5410LV JEOL, Japan) at an accelerating voltage of 20 kV The crystalline form of the catalyst was identified by X-ray diffractometer on a Siemens D5000 (Germany) with CuKα radiation in the angle range 2θ = 15-85º EDX analysis was carried out with a JED-2300 JEOL (Japan) Degradation experiment: Degradation experiments were conducted by adding a specific amount of modified fly ash to the reactor Continue to add 500 mL of water with Reactive Blue 181 dye (with adjusted pH) The reaction starts when adding hydrogen peroxide Analytical procedures: The concentration of Reactive Blue 181 in water is determined by the photometric method at a wavelength of 609.5 nm (characterized wavelength absorption of dye, determined by experiments) using UV-1650 PC UV-visible spectrophotometer (Japan) Colour removal performance is determined by the formula: C − Ct H(%) = × 100 C0 In which Co and Ct are Reactive Blue 181 concentrations in water at the initial time and after t minutes of treatment, respectively A 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 Fig SEM images of raw fly ash (a) and modified fly ash (b) 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 14215 Fe3+ + H2O2 → Fe(OOH)2+ + H+ (1) Fe(OOH)2+ → Fe2+ + HO2ˆ (2) Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO- + HOˆ (3) Fe3+ + HO2ˆ → Fe2+ + H+ + O2 (4) Fe2+ + HOˆ → Fe3+ + HO(5) When fly ash content is greater than 0.4 g/L, the consumption of a hydroxyl radical (according to reaction (5)) is the direct cause leading to reduced performance Effect of pH: pH is one of the strongest factors influencing the performance of the decomposition of organic matter of advanced oxidation techniques Typically, in the Fenton process homogeneous, heterogeneous took place favourably in an acidic environment Study of the effect of pH was conducted at the values 2, 3, and 5; at the content values of H2O2 (3.92 mM) and fly ash (0.4 g/L) Experimental results in 150 are shown in Fig O F The experimental results in Fig show that acidic environment is conducive to the formation of hydroxyl radicals, proven when the effect of the treatment tends to decrease while increasing pH Here note the different takes on the decomposition efficiency of Reactive Blue 181 dye at pairs of pH 2, pH 3; pH 4, pH 5, but the difference in maximum efficiency is quite high (over 90 % and approximately 60 %) Suitable pH value is defined as 3; appropriate time is 90 min; meanwhile the dye removal efficiency reached 86.67 % Effect of hydrogen peroxide concentration: Fig shows the effect of hydrogen peroxide concentration to the decomposition performance of Reactive Blue 181 dye It can be seen in the study conditions (pH 3, catalyst dose 0.4 g/L): while increasing the hydrogen peroxide concentration from 1.96 mM to 3.92 mM, performance tends to increase rapidly and strongly increase in about 90 and then increased slowly, not significantly However, when increasing concentrations of hydrogen peroxide are greater than 3.92 mM, the effectiveness of the treatment not only continues but also tends to decrease The decrease in performance of a large concentration of hydrogen peroxide can be explained by hydroxyl radicals partially consumed by the equation13,18,20: (6) H2O2 + HOˆ → HOˆ2 + H2O Hydrogen peroxide concentration of 3.92 mM is appropriate O 100 Dye removal (%) 90 80 70 60 m = 0.2 g/L 50 m = 0.3 g/L 100 m = 0.4 g/L 90 30 m = 0.6 g/L LL 10 10 30 50 70 90 110 130 150 Treatment time (min) A Fig Effect of catalyst dose on treatment efficiency 90 L pH = 30 pH = 20 pH = 10 10 30 50 70 90 [ [ [ [ [ 30 20 10 = = = = = 1.96 mM 2.94 mM 3.92 mM 4.9 mM 5.5 mM 30 60 90 120 150 Kinetics: Many studies show that the homogeneous and heterogeneous Fenton processes usually follow the pseudo first-order kinetics However, studies of Karthikeyan et al.19 showed that the heterogeneous Fenton process follows the pseudo second order kinetic19 In this article, the kinetics of the process are checked with both kinetic models, first-order and second-order kinetics If the process follows the pseudo first-order and pseudo second-order kinetics, kinetics of the processes are represented respectively by the expressions: ln Ct = ln Co - kt (pseudo first-order kinetic) 1 = + kt (second-order kinetic) Ct C0 In which Co and Ct is the concentration corresponding dye at the time of treatment and after treatment t minutes; k are the reaction rate constants pH = 40 -10 40 Treatment time (min) A 50 50 70 60 60 Fig Effect of catalyst dose on treatment efficiency FI N Dye removal (%) 80 70 G 100 Dye removal (%) 80 m = 0.5 g/L 20 -10 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 EY 40 PR 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 110 130 150 Treatment time (min) Fig Effect of pH on treatment efficiency 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 14215 192 193 194 195 196 197 198 199 200 Fig shows that the change of ln Ct as a function of treatment time; while 1/Ct varied as a function of time was presented in Fig As can be seen from Figs and 7, the reaction kinetics fitted well for pseudo first-order reaction with regression coefficient approximately 0.95 (due to the correlation coefficient R2 is larger than second order) In the first 90 minutes of treatment, the reaction rate constants are greater than (k1 = 0.0219 min-1; R2 = 0.9414) that at 60 later (k2 = 0.004 min-1; R2 = 0.957) 201 The heterogeneous Fenton technique using modified fly ash/H2O2 is a suitable method for removing Reactive Blue 181 from aqueous solution Experimental results show that under suitable conditions, specifically the catalyst dose of 0.4 g/L; pH 3; hydrogen peroxide concentration of 3.92 mM, treatment time of 90 min, the degradation performance of Reactive Blue 181 reach 86.67 %; the reaction kinetics fitted well for pseudo first-order reaction with regression coefficient approximately 0.95 In the first 90 of treatment, the reaction rate constants are greater than (k1 = 0.0219 min-1; R2 = 0.9414) that at 60 later (k2 = 0.004 min-1; R2 = 0.957) 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 F Conclusion ACKNOWLEDGEMENTS O The author thanks the Vietnam Ministry of Science and 213 Technology for partially funding the present work (Project 214 KC08.TN05/11-15) 215 y = -0.004x + 4.623 R2 = 0.957 REFERENCES 2 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 Fig Determination of reaction rate constant for heterogeneous Fenton oxidation of wastewater (pseudo first-order reaction) 0.02 LL 0.016 11 y = 5E-05x + 0.0098 0.014 12 13 14 R = 0.9156 0.012 A 1/Ct (L/mg) 10 0.018 0.01 0.008 G 0.006 0.004 15 30 45 A L 0.002 60 75 90 D Sy Duc, N Dac Vinh, D.T.H Nhung, H.V Ha and D.Q Trung., Vietnam J Chem., 47, 48 (2009) L Yi and Z Fu-Shen, Chem Eng J., 158, 148 (2010) M.C Pereira, C.M Tavares, J.D Fabris, R.M Lago, E Murad and P.S Criscuolo, Clay Miner., 42, 299 (2007) Stanislaw Ledakowicz, Monika Solecka and Renata Zylla, J Biotechnol., 89, 175 (2001) B Shi, G Li, D Wang, C Feng and H Tang, J Hazard Mater., 143, 567 (2007) E Forgacs, T Cserháti and G Oros, Environ Int., 30, 953 (2004) Tak-Hyun Kim, Chulhwan Park, Jeongmok Yang, Sangyong Kim, J Hazard Mater., B112, 95 (2004) Yolanda Flores, Roberto Flores and Alberto Alvarez Gallegos, J Mol Catal A: Chem., 281, 184 (2008) Fulya and Tulay A Ozbelge, Chem Eng J., 123, 109 (2006) A Al-kdasl, A Idris, K Saed and C.T Guan, Global Nest: the Int J., 6, 221 (2004) A.A Burbanoa, D.D Dionysiou, M.T Suidana and T.L Richardson, Water Res., 39, 107 (2005) F.P Van der Zee and S Villaverde, Water Res., 39, 1425 (2005) Hassan and B.H Hameed, Chem Eng J., 171, 912 (2011) Idil Arslan-Alaton, Gokce Tureli, Tugba and Olmez-Hanci, J Photochem Photobiol., A 202, 142 (2009) Idil Arslan-Alaton, Betul Hande Gursoy and Jens-Ejbye Schmidt, Dyes Pigm., 78, 117 (2008) A Zhang, N Wang, J Zhou, P Jiang and G Liu, J Hazard Mater., 201-202, 68 (2012) P Shukla, Shaobin Wang, Hongqi Sun, Hua-Ming Ang and Moses Tadé, Chem Eng J., 164, 255 (2010) Qiu Liao, Jing Sun and Lian Gao, Colloid Surf., A 345, 95 (2009) S Karthikeyan, A Titus, A Gnanamani, A.B Mandal and G Sekaran, Desalination, 281, 438 (2011) Montserrat Pérez, Francesc Torrades, José A García-Hortal, Xavier Domènech and José Peral, Appl Catal., B 36, 63 (2002) EY Treatment time (min) O y = -0.0219x + 6.3641 R2 = 0.9414 PR lnCt 15 16 y = 0.0001x + 0.0007 17 R2 = 0.7716 18 19 105 120 135 150 20 Treatment time (min) FI N Fig Determination of reaction rate constant for heterogeneous Fenton oxidation of wastewater (pseudo second-order reaction)