Nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp giấy bằng phương pháp keo tụ điện hóa tuyển nổi sử dụng điện cực hợp kim nhôm hòa tan (TT)

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP GIẤYBẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA – TUYỂN NỔI SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC HỢP KIM NHÔM HÒA TAN SVTH: Hoàng Tuấn Anh Lớp DH11H2, Khoa Hóa Học & CNTP, Trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: ThS. Nguyễn Quang Thái Khoa Hóa Học & CNTP, Trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu TÓM TẮT: Phương pháp điện hoá là phương pháp thuận tiện dùng để xử lý nước thải có chứa chất màu mà các phương pháp khác không xử lý được triệt để. Trong nghiên cứu này đã khảo sát xử lý nước thải nhà máy giấy bằng phương pháp điện hoá dùng anôt và catot là hợp kim nhôm. Kết quả cho thấy hiệu qủa xử lý nước thải phụ thuộc vào mật độ dòng điện, độ pH, khoảng cách giữa hai điện cực, thời gian điên phân và một số yếu tố khác. Trong điều kiện nghiên cứu này với mật độ dòng điện 2,1 A/dm 2 , khoảng cách giữa hai điện cực là 1cm, pH = 6.5 – 7.0thời gian xử lý là 40÷45 phút thì hiệu quả xử lý nước thải giấy là tốt nhất. 1. Mở đầu: Hiện nay giấy là một trong những sản phẩm không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta, ngành công nghiệp giấy ngày càng phát triển. Nhưng bên cạnh đó, lượng nước thải của các nhà máy giấy rất lớn, gây độc hại, nhưng các phương pháp đang dùng để xử lý chưa đảm bảo được triệt để. Với công nghệ sản xuất giấy khác nhau cần có xử lý nước thải thích hợp. Ở Việt Nam hầu như có rất ít nghiên cứu ứng dụng xử lý điện hoá nước thải nhà máy giấy. Vì vậy nghiên cứu xử lý điện hoá nước thải nhà máy giấy là việc rất cấp thiết nhằm đưa ra công nghệ xử lý thích hợp, triệt để các chất hữu cơ độc hại thải ra môi trường. Các yếu tố như vật liệu làm điện cực, chế độ công nghệ, nồng độ các chất phụ gia và nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý [1]. Trong bài báo này là kết quả khảo sát ảnh hưởng của một vài yếu tố đến hiệu quả xử lý nước thải giấy, từ đó góp phần vào việc lựa chọn công nghệ xử lý nước thải giấy thích hợp với hiệu quả cao. 2. Phần thực nghiệm Chuẩn bị mẫu nước thải: mẫu nước thải được lấy từ nhà máy giấy Sài Gòn - Mỹ Xuâncó chỉ số COD khoảng 2850mgO 2 /l, pH= 6.5 – 7.0. Pha các mẫu nước thải theo tỷ lệ thích hợp với điều kiện nghiên cứu- Các mẫu nước thải có dung tích 400ml được đưa vào sơ đồ hệ thống xử lý điện hoá nước thải giấy như hình 1. Hình 1: Sơ đồ nguyên tắc của hệ thống xử lý nước thải nhà máy giấy bằng phương pháp điện hoá. 1- Nguồn điện một chiều 50V- 100A 2- Thiết bị đo dòng điện 3- Biến trở 4- Điện cực anốt làm bằng hợp kim nhôm 5- Điện cực catốt làm bằng hợp kim nhôm 6- Dung dịch nước thải 7- Bình điện phân Hình 2: Biểu đồ ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất của xử lý nước thải. Điện cực được dùng nghiên cứu anôt và catot là hợp kim nhôm. Các mẫu điện cực nghiên cứu được gia công có diện tích khoảng 0.7 dm 2 . Mẫu được làm sạch cơ học, tẩy dầu mỡ, làm sạch hoá học rồi đưa vào thử nghiệm. Xác định các chỉ số COD, độ pH, hiệu suất tách màu của dung dịch nước thải sau khi xử lý ở các chế độ khác nhau. Độ màu được xác định trên máy đo quang. Trong nghiên cứu này thời gian điện phân được tính đến lúc mẫu chuyển từ màu vàng đậm sang mẫu màu sáng và có bông keo tụ- tuyển nổi. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Kết quả ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý nước thải Bảng 1: Ảnh hưởng thời gian đế hiệu suất của xử lý nước thải. Da (A/dm 2 ) Thời gian (phút) COD trước xử lý (mg/l) COD sau xử lý (mg/l) Hiệu suất (%) 2.1 10 2850 895 68.6 2.1 20 2850 575 79.8 2.1 30 2850 495 82.6 2.1 40 2850 395 86.1 2.1 45 2850 325 88.6 Từ bảng kết quả ta có biểu đồ thể hiên sự ảnh hưởng của thời gian đến khả năng xử lý nước thải của phương pháp keo tụ điện hóa: Thực nghiệm cho thấy, thời gian ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả xử lý. Khi điện hóa chưa đủ thời gian thì chưa thực hiện được hoàn toàn các phản ứng oxy hóa khử các chất hữu cơ và chưa hình thành các tâm keo tụ nên hiệu quả xử lý chưa cao. Khi thời gian điện phân dài thì điện cực sẽ hòa tan nhiều, tiêu hao điện cực lớn, tạo nhiều ion Al 3+ , nhiều sản phẩm phụ làm tăng các tâm keo tụ có khả năng làm cho giá trị COD tăng. Mặt khác khi thời gian điện hóa dài thì nhiệt độ dung dịch điện hóa tăng làm tăng khả năng hòa tan các bông cặn. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất xử lý nước thải giấy trong khoảng thời gian từ 35÷40 phút thì hiệu suất xử lý nước thải là tốt nhất. 3.2. Kết quả ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý nước thải Bảng 2: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý nước thải Da (A/dm 2 ) Thời gian (phút) pH COD trước xử lý (mg/l) COD sau xử lý(mg/l) Hiệu suất (%) 2.1 40 4 2850 2850 0 895 575 495 395 325 68.6 79.8 82.6 86.1 88.6 0 20 40 60 80 100 0 200 400 600 800 1000 10 20 30 40 45 Hiệu suất % COD sau xử lý (mg/l) Thời gian (phút) COD sau xử lý Hiệu Suất Hình 3: Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xư lý nước thải. 2.1 40 5.5 2850 660 76.8 2.1 40 6.5 2850 325 88.6 2.1 40 7 2850 345 87.9 2.1 40 7.5 2850 375 86.8 2.1 40 8.5 2850 415 85.4 Từ bảng kết quả ta có biểu đồ thể hiên sự ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý nước thải của phương pháp keo tụ điện hóa: pH ban đầu ảnh hưởng lớn đến sự thủy phân trong quá trình keo tụ có những tác động lớn đến hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải giấy Trong môi trường axit nhôm bị hòa tan và tồn tại dưới dạng ion Al 3+ và Al(OH) 2 + .Cơ chế keo tụ trong môi trường axit là cơ chế nén cấu trúc lớp kép. Do vậy để keo tụ các hạt keo màu theo cơ chế này cần một lượng rất lớn Al 3+ , Al(OH) 2 + . Trong vùng pH = 6 ÷ 7 cấu tử gây keo tụ thường tồn tại dưới dạng polime như Al 13 O 4 (OH) 24 7+ hoặc kết tủa Al(OH) 3 . Các phức polime và kết tủa hydroxit nhôm gây keo tụ cho hệ keo theo cơ chế hấp phụ, trung hòa điện tích và quét kết tủa. Việc kết hợp các cơ chế này đã làm cho quá trình keo tụ chất màu xảy ra dễ dàng và đạt hiệu quả cao. Trong môi trường kiềm pH = 8 ÷ 9 kết tủa Al(OH) 4 - hoặc AlO 2 - . Nồng độ kết tủa Al(OH) 3 giảm dần đến hiệu suất quá trình keo tụ giảm. Kết quả thực nghiệm đối với quá trình xử lý nước thải giấy sử dụng điện cực hòa tan Al cho hiệu quả khử COD cao nhất trong phạm vi pH từ 6,5÷7 (trong đó tại pH ban đầu bằng 6,5 cho hiệu quả khử COD cao nhất) 3.3. Kết quả ảnh hưởng khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý nước thải Bảng 3: Ảnh hưởng của khoảng cách điên cực đến hiệu suất xử lý nước thải Khoảng cách điện cực (cm) Da tương ứng (A/dm 2 ) COD trước xử lý (mg/l) COD sau xử lý (mg/l) Hiệu suất (%) 2.0 1.4 2850 515 81.9 1.5 1.7 2850 465 83.7 1.0 2.1 2850 325 88.6 0.7 2.8 2850 315 88.9 Từ bảng kết quả ta có biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của khoảng điên cực đến khả năng xử lý nước thải của phương pháp keo tụ điện hóa: 2850 660 325 345 375 415 0 76.8 88.6 87.9 86.8 85.4 0 20 40 60 80 100 0 1000 2000 3000 4 5.5 6.5 7 7.5 8.5 Hiệu suất% COD sau xử lý (ml/g) pH COD sau xử lý(ml/g) Hiệu suất % Hình 4: Biểu đồ ảnh hưởng của khoảng cách điên cực đến hiệu suất xử lý nước thải Hình 5: Biểu đồ ảnh hưởng của Nacl đến hiệu suất xử lý nước thải. Để khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến quá trình xử lý nước thải ta tiến hành thí nghiệm ở các khoảng cách khác nhau từ 0,7÷2cm. Khoảng cách điện cực có vai trò quan trọng, vì dung dịch nước thải dẫn điện kém, điện thế rơi trong dung dịch tăng theo khoảng cách điện cực. Sự thủy phân của ion nhôm tạo thành các phân tử keo tụ xảy ra theo chuỗi các phản ứng nối tiếp nên khoảng cách điện cực có vai trò quan trọng trong sự phân tán và phân bố của chất keo tụ trong toàn khối dung dịch, duy trì cơ chế trung hòa điện tích của qua trình keo tụ hệ màu. Như vậy khoảng cách điện cực trong xử lý nước thải càng nhỏ thì hiệu suất xử lý nước thải và khử COD càng cao, theo thực nghiệm thì khoảng cách tối ưu để xử lý nước thải đạt hiệu suất cao nhất là 0,7cm. Tuy nhiên hiệu suất xử lý giữa khoảng cách 0.7cm và 1cm là tương đối như nhau vì thế ta chọn khoảng cách tối ưu nhất để xử lý nước thải là 1cm để keo nhôm sinh ra được phân tán đồng đều hơn, tăng tốc độ tách loại và giảm tiêu hao năng lượng. 3.4. Kết quả ảnh hưởng của NaCl đến quá trình xử lý nước thải. Bảng 4: Ảnh hưởng của NaCl đến hiệu suất xử lý nước thải công nghiệp giấy. Da (A/dm 2 ) Thời gian (phút) Nồng độ NaCl (g) COD trước xử lý (mg/l) COD sau xử lý (mg/l) Hiệu suất (%) 2.1 30 0.005 2850 585 79.5 2.1 30 0.01 2850 435 84.7 2.1 30 0.015 2850 365 87.2 2.1 30 0.02 2850 315 88.9 2.1 30 0.025 2850 735 74.2 Từ bảng kết quả ta có biểu đồ thể hiên sự ảnh hưởng của NaCl đến khả năng xử lý nước thải của phương pháp keo tụ điện hóa: Để thực hiện quá trình điện phân đã bổ sung một số ion vào dung dịch nước thải nhằm làm tăng độ dẫn điện của dung dịch nước thải làm khả năng vận chuyển các ion đến điện cực lớn hơn, tốc độ phản ứng nhanh hơn. Trong quá trình nghiên cứu này đã bổ sung một lượng NaCl khác nhau vào dung dịch nước thải điện phân. Muối NaCl đóng vai trò là chất điện ly mạnh, trong môi trường nước phân ly thành ion Na + và ion Cl - tăng độ dẫn điện cho môi trường. Để chọn nồng độ NaCl thích hợp bổ sung vào nước thải ta tiến hành điện phân các mẫu nước thải ở điều kiện như nhau chỉ thay đổi lượng NaCl thêm vào. Từ kết quả trên thấy khi tăng nồng độ NaCl trong dung dịch thì lượng anốt tiêu hao tăng. Điều này có thể là khi tăng nồng độ NaCl thì độ dẫn điện tăng, điện thế của nhôm dịch chuyển về phía âm hơn, cùng với sự có mặt của ion Cl - trong dung dịch làm tăng quá trình hòa tan nên khả năng tạo ra Al 3+ nhiều, mặt khác khi đó tiêu hao anốt nhôm tăng lên. Khi lượng NaCl được bổ sung vào dung dịch tăng lên sẽ làm tăng quá trình phản ứng ở điện cực ảnh hưởng đến giá trị pH của dung dịch sau khi điện phân. Quan sát hiện tượng ta thấy khi tăng nồng độ NaCl mẫu nước thải có trong hơn tuy nhiên sự chênh lệch này không nhiều. Khi tăng nồng độ NaCl trong dung dịch thì độ dày lớp khuyếch tán của hạt keo giảm xuống, trong khi đó điện thế của hạt keo không thay đổi nên thế điện động zeta giảm xuống làm giảm độ bền hạt keo vì vậy tăng khả năng hấp phụ và tương tác của các hạt keo. Mặt khác lượng Al 3+ sẽ tăng lên làm tăng khả năng hấp phụ của các chất màu trong dung dịch. Tuy nhiên khi bổ sung thêm nhiều NaCl vào dung dịch thì pH giảm, độ dẫn điện tăng lên, hiệu suất khử màu tăng nhưng tiêu hao anốt lớn, tiêu tốn hóa chất nhiều Từ các kết quả trên ta chọn nồng độ NaCl thêm vào là 0,02 g. 3.5. Kết quả ảnh hưởng của thời gian đến nhiệt độ và hiệu quả xử lý độ màu Bảng 5 : Ảnh hưởng của thời gian đến nhiệt độ và hiệu suất xử lý độ màu Từ bảng kết quả ta có biểu đồ thể hiên sự ảnh hưởng của thời gian đến nhiệt độ và khả năng xử lý màu nước thải của phương pháp keo tụ điện hóa: Từ bảng số liệu và đồ thị hình cho thấy khi thời gian điện phân tăng thì nhiệt độ dung dịch cũng tăng lên, đồng thời quan sát từ thực nghiệm thấy rằng khi tăng thời gian điện phân thì nước thải xử lý trong hơn. Tuy nhiên khi tăng thời gian điện phân thì tiêu tốn điện cực, tiêu hao điện năng. Trong khoảng mật độ dòng khảo sát khi kéo dài thời gian điện phân dịch nước thải sau xử lý có trong hơn. Thời gian (phút) Nhiệt độ ( o C) Độ màu (Pt-Co) 10 32 112 20 33 56.7 30 37 43.3 40 39 36.7 45 41 30.1 Hình 6: Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của thời gian đến nhiệt độ và khả năng xử lý màu Quan sỏt thc nghim thy rng khi thi gian in phõn di thỡ bụng trong dung dch to hn. Tuy nhiờn khi in phõn quỏ lõu hiu qu x lý s xu do cỏc bụng keo b phỏ v. ng thi tng thi gian in phõn s lm nhit dung dch tng cao, tiờu tn in nng, tiờu hao in cc ant nhụm. Vỡ vy chn thi gian in phõn v mt dũng thớch hp l iu kin cn thit phi kho sỏt nhm chn iu kin ti u cho quỏ trỡnh x lý nc thi. Theo thi gian mc tiờu hao ant, nhit dung dch sau in phõn cng tng lờn gn nh tuyn tớnh. 4. Kt lun: Qua quỏ trỡnh nghiờn cu cỏc c tớnh v kh nng keo t ca keo nhụm in húa trong dung dch in phõn vi in cc hũa tan l hp kim nhụm ta nhn thy. V ch in phõn sau khi qua kho sỏt thớch hp cho keo t in húa cht mu hu c vi in cc hũa tan l hp kim nhụm. Mt dũng 2,1(A/dm 2 ), pH 6,5-7,0 v khong cỏch gia 2 in cc l 1cm, thi gian in phõn 40 - 45 phỳt. Keo t in húa vi in cc hũa tan nhụm cú th tỏch phn ln cht mu. Keo t in húa vi in cc hũa tan nhụm cú nhiu u im hn so vi keo t húa hc vỡ cú nhiu quỏ trỡnh ng thi tham gia trong cựng mt thit b nh keo t, tuyn ni, phỏ bn bi in trng, nh hng tng tỏc thun li, tit trựng kớch thc ht keo mi sinh ra nh nờn c ch hp th v trung hũa in tớch chim u th khng ch ch yu quỏ trỡnh keo t in húa, cht lng nc sau x lý v kh nng tỏi s dng, cú th ỏp dng nhng ni cú mt bng cht hp. TI LIU THAM KHO [1] Trần Thị Hiền. Vai trò của chất phụ gia đến hiệu quả xử lý n-ớc thải giấy bằng ph-ơng pháp điện hoá. Tạp chí hoá học và công nghệ tháng 5-2007. [2] Trn Vn Nhõn v Ngụ Th Nga. 2005. Giỏo trỡnh cụng ngh x lý nc thi . Nh xut bn khoa hc v k thut, H Ni. [3] Doón Thỏi Ho. 2005. Giỏo trỡnh bo v mụi trng trong cụng nghip bt giy v giy. Nh xut bn Khoa hc v K thut, H Ni. [4] http://luanvan.co/luan-van/nghien-cuu-xu-ly-nuoc-thai-det-nhuom-bang-phuong-phap-keo-tu- tuyen-noi-dien-hoa-voi-anode-hoa-tan-nhom-sat-49537. [5] Mng thụng tin khoa hc v cụng ngh TPHCM. 2008. http://www.cesti.gov.vn/kh-cn-trong-nuoc/nh-huong-mot-so-yeu-to-den-qua-trinh-xu-ly- dien-hoa-nuoc-thai-nha-may-giay.html . NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP GIẤYBẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA – TUYỂN NỔI SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC HỢP KIM NHÔM HÒA TAN SVTH: Hoàng Tuấn Anh Lớp DH11H2, Khoa Hóa Học &. Trong nghiên cứu này đã khảo sát xử lý nước thải nhà máy giấy bằng phương pháp điện hoá dùng anôt và catot là hợp kim nhôm. Kết quả cho thấy hiệu qủa xử lý nước thải phụ thuộc vào mật độ dòng điện, . thích hợp. Ở Việt Nam hầu như có rất ít nghiên cứu ứng dụng xử lý điện hoá nước thải nhà máy giấy. Vì vậy nghiên cứu xử lý điện hoá nước thải nhà máy giấy là việc rất cấp thiết nhằm đưa ra công