Nghiên cứu khả năng xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm bằng tio2

Tóm tắt TÓM TẮT Đề tài tiến hành nghiên cứu tối ưu hóa khả xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm hệ quang xúc tác TiO2 dạng bột Trước tiên, tiến hành khảo sát thông số ảnh hưởng đến trình xử lý độ màu hệ quang xúc tác dạng bột, từ đưa điều kiện tối ưu hóa nhằm ứng dụng vào xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế việc thêm tác nhân bổ trợ O2 H2O2 Kết thu cho thấy việc thêm O2, H2O2 tăng hiệu suất xử lý nước thải hệ TiO2 cho thấy có độ bền cao, hoạt tính xử lý methylen xanh gần không giảm sau lần sử dụng liên tiếp Khi kết hợp hệ TiO2 với O2/H2O2 để xử lý số nguồn nước thải thật với đầu vào có độ màu tương ứng với đầu chuẩn cột B kết cho thấy thời gian 90 phút, độ màu nước thải sau qua hệ xúc tác đạt tiêu chuẩn loại A, 50 Pt-Co Kết cho thấy khả ứng dụng hệ TiO2 kết hợp O2/H2O2 vào thực tế cao i Tóm tắt ABSTRACT Research is carried out for optimizing the decolorization of textile wastewater under powdered TiO2 photocatalytic system Study were conducted to evaluate the parameters that can effect on the textile wastewater decolorization process over TiO2 powdered photocatalyst The optimum condition is obtained and the addition of O2, H2O2 can improve the treatment efficiency TiO2 system are also proved to have very high stability and recycle ability, the methylene blue treatment output remains unchanged after consecutive uses When applied to real wastewater sources that has input color corresponding to standard output of column B, the combination of TiO2 system and O2/H2O2 produced excellent results: after a period of 90 minutes running through the catalytic system, all the wastewater sources had color indexes of 50 in Pt/Co scale (standard type A) This results proved a very high opportunity for -full-scale application of the TiO2 system with O2/H2O2 catalysts ii Mục lục MỤC LỤC TÓM TẮT i ABSTRACT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC BẢNG ix DANH MỤC HÌNH x MỞ ĐẦU xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ DỆT NHUỘM 1.1.1 Nước thải dệt nhuộm 1.1.2 Sơ lược thuốc nhuộm 1.1.3 Tác hại ô nhiễm nước thải dệt nhuộm thuộc nhuộm 1.1.4 Các phương pháp xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm 1.2 CÁC QUÁ TRÌNH OXY HÓA NÂNG CAO AOPs 1.2.1 Gốc tự hydroxyl 1.2.2 Các trình tạo gốc hydroxyl •OH 1.2.3 Phân loại trình oxy hóa nâng cao 10 1.3 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC TiO2 11 1.3.1 Tổng quan chất bán dẫn TiO2 11 1.3.1.1 Tính chất vật lý 11 1.3.1.2 Tính chất hóa học 13 1.3.2 Đặc điểm TiO2 sử dụng cho trình quang xúc tác bán dẫn 14 1.3.3 Cơ sở lý thuyết trình quang xúc tác TiO2 15 1.3.3.1 Nguyên lý trình quang hóa xúc tác TiO2 15 1.3.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình quang xúc tác TiO2 19 1.3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang hóa TiO2 21 1.3.3.3 Đặc điểm TiO2 sử dụng cho trình quang xúc tác bán dẫn 23 1.3.3.4 Nguồn ánh sáng UV 24 1.3.4 Ứng dụng TiO2 25 iii Mục lục 1.3.4.1 Vật liệu tự làm 26 1.3.4.2 Các vật liệu chống bám sương 27 1.3.4.3 Tiêu diệt tế bào ung thư 27 1.3.4.4 Sản phẩm diệt khuẩn, khử trùng, chống rêu mốc 27 1.3.4.5 Sản xuất nguồn lượng H2 27 1.3.4.6 Khử mùi, làm không khí 28 1.3.4.7 Xử lý nước nhiễm bẩn 28 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 29 2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………………………………………….29 2.1.1 Mô hình thí nghiệm 29 2.1.2 Hóa chất sử dụng 30 2.1.3 Dụng cụ thí nghiệm 30 2.2 NỘI DUNG THỰC NGHIỆM 31 2.2.1 Nước thải 31 2.2.2 Thí nghiệm trình quang xúc tác 31 2.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 32 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU KIỆN PHẢN ỨNG ĐẾN HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA TiO2 DẠNG BỘT 35 3.1.1 Khả tự phân hủy methylen xanh xạ UV, Vis 35 3.1.2 Ảnh hưởng nồng độ tác chất 35 3.1.3 Ảnh hưởng khối lượng chất xúc tác 36 3.1.4 Khả tái sử dụng xúc tác TiO2 38 3.2 NÂNG CAO HIỆU SUẤT XỬ LÝ CỦA TiO2 38 3.2.1 Hiệu suất xử lý TiO2 38 3.2.2 Nâng cao hiệu suất xử ly thêm oxy vào hệ 39 3.2.3 Nâng cao hiệu suất xử ly thêm H2O2 vào hệ 40 3.2.4 Nâng cao hiệu suất xử ly thêm O2 H2O2 vào hệ 42 3.3 MỞ RỘNG KHẢO SÁT 43 3.3.1 Tiến hành thí nghiệm nước thải tổng hợp khác 43 3.3.2 Tiến hành thí nghiệm với nước thải thực tế 44 iv Mục lục 3.3.3 So sánh hiệu suất xử lý hệ UV/TiO2 UV/CeO2 45 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47 4.1 KẾT LUẬN 47 4.2 KIẾN NGHỊ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 v Danh mục DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Λ Bước sóng ánh sáng AOPs Các trình oxy hóa nâng cao - Advanced Oxidation Processes BOD Nhu cầu oxy sinh học - Biological Oxygen Demand BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường C Vận tốc ánh sáng CB Vùng dẫn chất bán dẫn COD Nhu cầu oxy hóa học – Chemical Oxygen Demand CTiO2 Hàm lượng xúc tác e- Điện tử vùng dẫn Eg Năng lượng vùng cấm H Hằng số Planck + h Lỗ trống vùng hóa trị K Hằng số hấp phụ K Hằng số tốc độ phản ứng K’ Hằng số tốc độ biểu kiến trình quang hóa MB methylen xanh Pzc Điểm điện tích zero - Point of zero charge QCVN 13: 2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quộc gia nước thải công nghiệp dệt may UV Ánh sáng cực tím (λ = 200 – 400nm) Ν Tần số ánh sáng VB Vùng hóa trị chất bán dẫn Vis Ánh sáng khả kiến (λ = 400 – 700nm) viii Danh mục DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm Bảng 1.2: Khả oxi hóa số tác nhân oxi hóa Bảng 1.3: Cơ chế tạo gốc •OH trình oxy hóa nâng caoError! Bookmark not defined Bảng 1.4: Phân loại trình oxy hóa nâng caoError! Bookmark not defined Bảng 1.5: Một số tính chất vật lý TiO2 dạng anatase rutile 12 Bảng 2.1: Các dụng cụ cần dùng thí nghiệm 30 Bảng 2.2: Qui trình dựng đường chuẩn methylen xanh, orange acid, congo đỏ 32 Bảng 2.3: Bước sóng hấp thu tối ưu mẫu nước thải 32 Bảng 3.1: Hiệu suất chuyển hóa MB sau 30 phút xúc tác 35 Bảng 3.2: So sánh hiệu suất xử lý hệ xúc tác UV/TiO2 UV/CeO2 46 ix Danh mục DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc Rutile 12 Hình 1.2: Cấu trúc Anatase 13 Hình 1.3: Cấu trúc Brookite 14 Hình 1.4: Sơ đồ lượng trình quang xúc tác TiO2 17 Hình 1.5: Các ứng dụng TiO2 26 Hình 2.1: Mô hình thí nghiệm xử lý nước thải ba hệ UV, Vis tối 29 Hình 2.2: Thùng xốp đèn UV làm thực nghiệm 30 Hình 2.3: Đồ thị đường chuẩn methylen xanh 33 Hình 2.4: Đồ thị đường chuẩn Congo đỏ 33 Hình 2.5: Đồ thị đường chuẩn acid orange 34 Hình 2.6: Đồ thị đuờng chuẩn độ màu Pt-Co 34 Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ tác chất đến hiệu xuất xử lý 36 Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý theo khối lượng nồng độ 3x10-5M 37 Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý theo khối lượng nồng độ 2x10-5M 37 Hình 3.4: Đồ thị thể khả tái sử dụng xúc tác TiO2 38 Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý theo khối lượng nồng độ 3x10-5M 39 Hình 3.6: Ảnh hưởng oxy đến hiệu suất xử lý 40 Hình 3.7: Hiệu suất xử lý theo thể tích H2O2 30 phút 41 Hình 3.8: So sánh hiệu xử lý hệ xúc tác khác 42 Hình 3.9: khả xử lý thuốc nhuộm congo đỏ 43 Hình 3.10: Khả xử lý thuốc nhuộm acid orange 44 Hình 3.11: Khả xử lý độ màu nước thải thật TiO2 90 phút 45 x Phần mở đầu MỞ ĐẦU Công nghiệp hóa, đại hóa góp phần nâng cao sống vật chất tinh thần người tác động đến toàn môi trường tự nhiên hành tinh Việc phát triển nhanh dẫn đến hệ lụy cạn kiệt nguồn tài nguyên, giảm sút chất lượng môi trường sống ảnh hưởng đến sống, sức khỏe người hệ sinh thái Môi trường chất lượng nước xem nguồn sống bị tác đông mạnh mẽ phát triển kinh tế không bền vững, đặc biệt chất độc hại công nghiệp tạo Điển ngành công nghiệp cao su, hóa chất, công nghiệp thực phẩm, thuốc bảo vệ thực vật, y dược, luyện kim, xi mạ, giấy, đặc biệt ngành dệt nhuộm phát triển mạnh mẽ chiếm kim ngạch xuất lớn Việt Nam Ngành dệt nhuộm phát triển từ lâu giới hình thành phát triển 100 năm nước ta Ngành dệt may thu hút nhiều lao động góp phần giải việc làm phù hợp với nước phát triển công nghiệp nặng phát triển mạnh nước ta Hầu hết nhà máy xí nghiệp dệt nhuộm nước ta có hệ thống xử lý nước thải nhiên nước thải sau xử lý độ màu chưa đạt QCVN 13: 2008/BTNMT loại A 50 PtCo nhà máy xây dựng cũ 20 Pt-Co nhà máy Nguyên nhân thành phần thuốc nhuộm chứa số hợp chất hữu bền khó phân hủy sinh học POPs nên hiệu xử lý không triệt để Hiện nay, giới trình quang xúc tác TiO2 phương pháp quan tâm nghiên cứu rộng rãi Ngoài việc giống với trình AOPs khác, TiO2 có ưu điểm loại hóa chất phổ biến, không độc, bền hóa học, trình quang xúc tác bị ảnh hưởng pH muối vô khác Và điều đặc biệt trình quang hóa xúc tác TiO2 mở triển vọng tận dụng nguồn xạ vô tận sẵn có mặt trời sử dụng xạ UV-A Để xác định rõ khả xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm phản ứng quang hóa với chất xúc tác TiO2, tiến hành thực đề tài: “Nghiên cứu khả xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm TiO2” xi Chương 1: Tổng quan CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ DỆT NHUỘM 1.1.1 Nước thải dệt nhuộm Nước thải dệt nhuộm tổng hợp nước thải phát sinh từ tất công đoạn hồ sợi, nấu tẩy, tẩy trắng, làm bóng sợi, nhuộm in hoàn tất Theo phân tích chuyên gia, trung bình, nhà máy dệt nhuộm sử dụng lượng nước đáng kể, đó, lượng nước sử dụng công đoạn sản xuất chiếm 72,3%, chủ yếu công đoạn nhuộm hoàn tất sản phẩm [19] Xét hai yếu tố lượng nước thải thành phần chất ô nhiễm nước thải, ngành dệt nhuộm đánh giá ô nhiễm số ngành công nghiệp [17] Các chất ô nhiễm chủ yếu có nước thải dệt nhuộm hợp chất hữu khó phân hủy, thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt, hợp chất halogen hữu (AOXAdsorbable Organohalogens), muối trung tính làm tăng tổng hàm lượng chất rắn, nhiệt độ cao (thấp 40°C) pH nước thải cao từ đến 12, lượng kiềm nước thải lớn Trong số chất ô nhiễm có nước thải dệt nhuộm, thuốc nhuộm thành phần khó xử lý nhất, đặc biệt thuốc nhuộm azo không tan – loại thuốc nhuộm sử dụng phổ biến nay, chiếm 60-70% thị phần Thông thường, chất màu có thuốc nhuộm không bám dính hết vào sợi vải trình nhuộm mà lại lượng dư định tồn nước thải Lượng thuốc nhuộm dư sau công đoạn nhuộm lên đến 50% tổng lượng thuốc nhuộm sử dụng ban đầu [17] Đây nguyên nhân làm cho nước thải dệt nhuộm có độ màu cao, nồng độ chất ô nhiễm lớn 1.1.2 Sơ lược thuốc nhuộm Thuốc nhuộm chất hữu có màu, hấp thụ mạnh phần định quang phổ ánh sáng nhìn thấy có khả gắn kết vào vật liệu dệt điều kiện quy định (tính gắn màu) Thuốc nhuộm có nguồn gốc thiên nhiên tổng hợp Hiện người sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp Đặc điểm bật loại thuốc nhuộm độ bền màu tính chất không bị phân hủy Màu sắc thuốc nhuộm có cấu trúc hóa học: cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu nhóm trợ màu Nhóm mang màu nhóm chứa Chương 3: Kết thảo luận Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý theo khối lượng nồng độ 3x10-5M Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý theo khối lượng nồng độ 2x10-5M Ta nhận thấy hiệu suất xử lý giảm theo khối lượng xúc tác không nhiều hệ (tối, Vis UV) nồng độ 3x10-5M 2x10-5M Ta giải thích dựa vào tâm hoạt động bề mặt TiO2 khả truyền sáng vào dung dịch Khi ta tăng hàm lượng xúc tác làm tăng tâm hoạt động tham gia phản ứng gián tiếp làm giảm khả truyền sáng đến dung dịch làm giảm thể tích vùng phản ứng Ngoài ra, theo nghiên cứu khối lượng 2g TiO2/l khối lượng tối ưu [13], tượng TiO2 kết tụ lại điều làm cho phần bề mặt TiO2 hấp thụ ánh sáng hấp phụ chất hữu dẫn đến hiệu suất phản ứng giảm 37 Chương 3: Kết thảo luận 3.1.4 Khả tái sử dụng xúc tác TiO2 Tái sử dụng lại xúc tác yếu tố bật nhằm nâng cao tính khả thi việc áp dụng trình quang xúc tác TiO2 Để nghiên cứu khả tái sử dụng xúc tác ta tiến hành thí nghiệm với 0,5gTiO2/250ml nước thải nồng độ 10-5M Hình 3.4 Đồ thị thể khả tái sử dụng xúc TiO2 Thực nghiệm cho thấy suy giảm hoạt tính TiO2 hệ xúc tác tối, Vis UV Theo vài công trình nghiên cứu Al-Sayyed Mills cho biết suy giảm hoạt tính sau 10 chu trình liên tiếp sử dụng phản ứng phân hủy 4-Clorophenol Đây triển vọng tái sử dụng lại xúc tác để giảm hóa chất chi phí xử lý Khi tiến hành xác định yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý độ màu nước thải tự tổng hợp thuốc nhuộm MB, rút số nhận xét sau: - MB phân hủy xạ UV; - Hàm lượng chất xúc tác, nồng độ dung dịch ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng; - Xúc tác TiO2 có khả tái sử dụng; 3.2 NÂNG CAO HIỆU SUẤT XỬ LÝ CỦA TiO2 3.2.1 Hiệu suất xử lý TiO2 Thuốc nhuộm chất hữu khó phân hủy, để xử lý đạt tiêu chuẩn BTNMT, xả thải môi trường nâng cao hiệu suất xử lý TiO2 yêu cầu thực tế quan tâm nhiều Để nâng cao hiệu 38 Chương 3: Kết thảo luận xuất chọn điểm có hiệu suất xử lý thấp hệ UV độ màu nước thải đầu vào đạt tiêu chuẩn loại B BTNMT để tiến hành khảo sát Theo khảo sát hệ UV nồng độ cao mà nghiên cứu chọn để khảo sát với khối lượng xúc tác khác nồng độ dung dịch mà độ đạt tiêu chuẩn loại B BTNMT, chạy 90 phút Hiệu suất xử lý trình bày hình 3.5: Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý theo khối lượng nồng độ 3x10-5M Dựa vào biểu đồ hình 3.5 trên, ta nhận thấy hiệu suất xử lý khối lượng M1 nước thải thời điểm 30 phút 60 phút thấp so với 0,25g TiO2/250ml 0,5g TiO2/250ml 90 phút gần hiệu suất không giảm Dựa vào đồ thị ta chọn điểm khảo sát nâng cao hiệu suất xử lý 30 phút với khối lượng 0,125 g TiO2/250 ml với nồng độ nước thải 3x10-5M 3.2.2 Nâng cao hiệu suất xử lý thêm oxy vào hệ Khảo sát khả ảnh hưởng oxy, tiến hành khảo sát sau giữ điều kiện khảo sát TiO2 0,125gTiO2/250ml nồng độ 1x10-5M thêm vào hệ thống sục khí, hệ chạy liên tục 30 phút sau lấy mẫu quang trắc Ảnh hưởng oxy đến hiệu suất xử lý thực nghiệm chạy mô hình biểu diễn hình 3.6: 39 Chương 3: Kết thảo luận Hình 3.6 Ảnh hưởng oxy đến hiệu suất xử lý Dựa vào biểu đồ hình 3.6 ta thấy hiệu suất xử lý sục thêm oxy vào dung dịch trình thực thí nghiệm hai hệ đèn Vis UV hiệu suất tăng, hệ đèn Vis hiệu suất tăng 3,02% hệ đèn UV tăng 3,97% Như trình bày phần nồng độ oxy ảnh hưởng đến tốc độ hiệu trình quang xúc tác TiO2 Oxy để góp phần ngăn chặn tái hợp e- lỗ trống tạo thành tác nhân oxy hóa anion peroxyt Khi đó, O2 O2•- tạo thành gốc • OH bổ sung theo phản ứng: TiO2 (e-) + O2 → TiO2 + O2•- (3.1) O2•- + 2H2O → H2O2 + 2OH- + O2 (3.2) TiO2 (e-) + H2O2 → TiO2 + OH- + •OH (3.3) Vậy oxy ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý độ màu trình xúc tác TiO2 3.2.3 Nâng cao hiệu suất xử lý thêm H2O2 vào hệ H2O2 chất xúc tác có khả xử lý độ màu cần thời gian dài, thêm H2O2 vào hệ nhằm nâng cao hiệu xử lý giảm thời gian xử lý Như trình bày phần trên, TiO2 kết hợp với H2O2 lượng O2 hòa tan nước tạo nên phản ứng tạo thành OH, gốc tự •OH phản ứng với hầu hết hợp chất hữu hấp phụ bề mặt TiO2 oxy hóa chúng đến sản phẩm khoáng cuối Để xác định mức độ ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng tiến hành thí nghiệm với 0.125g TiO2/250ml nồng độ 3x10-5M tiến hành khảo sát 40 Chương 3: Kết thảo luận H2O2 30% thể tích khảo sát ml; 0,5 ml; ml; 1,5 ml; ml; ml ml hệ đèn UV chạy 30 phút Chúng kiểm tra khả xử lý MB H2O2 (không có xúc tác), kết (không trình bày đây) cho thấy H2O2 (không có xúc tác TiO2) khả xử lý MB Kết khảo sát ảnh hưởng H2O2 đến hoạt tính quang xúc tác TiO2 biểu diễn hình 3.7 Hình 3.7 Hiệu suất xử lý theo thể tích H2O2 30 phút Kết hình 3.8 cho thấy tăng thể tích H2O2 từ 0,5 ml lên ml hiệu suất tăng tử 60% đến 80% tăng thể tích H2O2 lên cao ml hiệu suất xử lý hệ xúc tác giảm dần Như vậy, tăng nhiều H2O2 làm giảm hiệu suất xử lý trình quang xúc tác Điều giải thích lượng H2O2 thêm vào dung dịch nhiều tạo nên phản ứng [10]: H2O2  OH (3.4)  OH + H2O2  HO2 (3.5)  OH + OH  H2O2 (3.6)  OH + H2  H + H2O (3.7)  OH + HO2  H2O + O2 (3.8) Do lượng H2O2 nhiều nên tạo nhiều gốc OH (phản ứng 3.4) Các gốc OH tự phản ứng với tạo H2O2 gốc OH dư phản ứng H2O2 tạo thành gốc lúc gốc OH phản ứng với gốc tạo thành H2O O2 Ngoài ra, nước có H2 lúc gốc OH phản ứng với H2 sinh H H2O Do đó, gốc OH giảm dẫn đến hiệu suất phản ứng giảm 41 Chương 3: Kết thảo luận Thể tích H2O2 ml hiệu suất xử lý tăng cao nhất, ml H2O2 thể tích tối ưu Nên nghiên cứu sau chọn thể tích H2O2 ml để tiến hành thí nghiệm 3.2.4 Nâng cao hiệu suất xử lý thêm O2 H2O2 vào hệ Ở phần nêu ảnh hưởng O2 H2O2 đến phản ứng trình quang xúc tác TiO2, làm tăng hiệu suất phản ứng Để nâng cao hiệu suất thêm O2, H2O2 vào hệ tạo thành hệ xúc tác Hệ xúc tác O2, H2O2 TiO2 khảo sát với 3x10-5M, khối lượng xúc tác 0,125g TiO2/250ml nồng độ 1x10-5Mvà ml H2O2 khoảng thời gian 30 phút hai hệ Vis UV, sau lấy mẫu phân tích Thực nghiệm cho ta so sánh hiệu suất theo hình 3.8: Hình 3.8 So sánh hiệu xử lý hệ xúc tác khác Dựa vào biểu đồ ta nhận xét H2O2 nâng hiệu suất phản ứng hệ quang xúc tác cao nhiều so với O2, hiệu suất từ 48% lên 81% Hệ xúc tác H2O2, O2 0,125g TiO2/250ml nước thải nồng độ 3x10-5M với thời gian 30 phút có hiệu suất đạt 87%, cao tất điều kiện thời gian khối lượng xúc tác lượng khí O2 cung cấp vào hệ Do điều kiện tối ưu để xử lý độ màu nước thải ml H2O2, O2 0,125g TiO2/250ml 42 Chương 3: Kết thảo luận 3.3 MỞ RỘNG KHẢO SÁT Ứng dụng vào thực tế điều khó khăn nghiên cứu khoa học, nhằm đưa nghiên cứu thực tế chọn điểm tối ưu đề tài để chạy ứng dụng với vài loại nước thải tổng hợp nước thải thật 3.3.1 Tiến hành thí nghiệm nước thải tổng hợp khác Như trình bày phần trên, nước tổng hợp từ thuốc nhuộm acid orange congo đỏ thực thí nghiệm nồng độ 1x10-5M với điều kiện tối ưu thí nghiệm mẫu nước thải tự tổng hợp thuốc nhuộm methylen xanh 1ml H2O2, O2 0,125g TiO2/250ml Để kiểm chứng độ xác lại trình chạy mẫu tiến hành chạy thêm ba điều kiện 0,125g TiO2/250ml; 0,125g TiO2/250ml kết hợp thêm O2 vào hệ 0,125g TiO2/250ml kết hợp 1ml H2O2 thời gian tiến hành thí nghiệm 30 phút Hình 3.9 3.10 thể hiệu suất xử lý điều kiện: Hình 3.9 khả xử lý thuốc nhuộm congo đỏ 43 Chương 3: Kết thảo luận Hình 3.10 Khả xử lý thuốc nhuộm acid orange Dựa vào hình ta thấy nguồn nước thải khác dù nồng độ có ảnh hưởng khác lên hiệu suất phả ứng phụ thuộc vào cấu tạo hóa học, khối lượng phân tử … chúng Xét cấu tạo hóa học ta có acid orange thuốc nhuộm monoazo congo đỏ diazo, congo đỏ có cấu tạo phức tạp lớn so với acid orange Nên để xúc tác oxy hóa thuốc nhuộm congo đỏ khó so với acid orange Do hiệu suất xử lý acid orange cao so với congo đỏ, hiệu suất xử lý điều kiện tối ưu thuốc nhuộm congo đỏ 67,22% acid orange với hiệu suất 70,92% Trong 30 phút với hiệu suất hai mẫu nước thải tự tổng hợp xấp xỉ 70%, để xử lý độ màu đạt tiêu chuẩn loại A QCVN 13: 2008/BTNMT ta tiến hành khảo sát điều kiện tối ưu tăng thời gian xử lý 3.3.2 Tiến hành thí nghiệm với nước thải thực tế Sau tiến hành thí nghiệm mẫu nước thải tổng hợp ta dễ dàng kiểm soát nồng độ tạp chất có dung dịch, nước thải thải thật khó kiểm soát hợp chất có nước Do đó, áp dụng vào thực tế thường khó khăn so với nghiên cứu Nghiên cứu tiến hành thí nghiệm nước thải thật với qui mô phòng thí nghiệm điều kiện tối ưu hệ bốn xúc tác tiến hành thí với mẫu nước thải tự tổng hợp, để đạt tiêu chuẩn loại theo QCVN13:2008/BTNMT tiến hành nâng thời gian xử lý đến đạt tiêu 44 Chương 3: Kết thảo luận chuẩn Tiến hành khảo sát bốn hệ quang xúc tác với hai loại đèn UV Vis, trình chạy mô hình 30 phút lấy mẫu đchúng ly tâm tách TiO2 sau trắc quang theo đường chuẩn đo độ màu đơn vị Pt-Co Sau 90 phút, hệ đèn UV tất bốn điều kiện độ màu nước thải đạt tiêu chuẩn loại A Kết khảo sát sau 90 phút thể hình 3.11: Hình 3.11 Khả xử lý độ màu nước thải thật TiO2 90 phút Dựa vào hình 3.11 ta thấy, khả xử lý độ màu cao đạt tiêu chuẩn loại A QCVN13:2008/BTNMT 50Pt-Co Và hệ quang xúc tác M1 có sục khí oxy thêm 1ml H2O2 với đèn UV thấp với 21Pt- Co đèn Vis 65 Pt-Co gần đạt tiêu chuẩn loại A cần chạy với thời gian dài để hệ đèn Vis đạt tiêu chuẩn Ngoài ra, tiến hành khảo sát hệ quang xúc tác M1 có sục khí oxy thêm 1ml H2O2 với đèn UV với độ màu cao 1198 Pt-Co sau 90 phút độ màu giảm 151 Pt-Co gần đạt tiêu chuẩn loại B Nhận xét: dựa vào kết khảo sát với nước thải tự tổng hợp với thuốc nhuộm methylen xanh, acid orange, congo đỏ nước thải thật ta nhận thấy việc áp dụng vào thực tế cao 3.3.3 So sánh hiệu suất xử lý hệ UV/TiO2 UV/CeO2 Trong trình thí nghiệm có chạy với xúc tác CeO2, chất phát nhà khoa học quan tâm nghiên cứu 45 Chương 3: Kết thảo luận Cerium (IV) oxit, gọi oxit ceric, ceria, xeri oxit xeri dioxide, oxit xeri kim loại đất hiếm, bột có màu trắng vàng nhạt công thức hóa học CeO Cerium (IV) oxit kết hợp với kim loại Ni, Cu, Pd…và oxit kim loại ZnO, Al2O3, CuO …, xử lý khí NOx, metan…, hợp chất hữu khó phân hủy hợp chất thuốc nhuộm, thuốc diệt cỏ… Để so sánh cách tương quan hai chất xúc tác có khối lượng phân tử khác khối lượng số lượng hạt CeO2 so vơi TiO2 Do ta qui số mol để so sánh, lấy khối lượng TiO2 làm chuẩn từ suy số mol khối lượng thực tế CeO2 cần dùng Sau tính toán với 0,125g TiO2 0,2693g CeO2 số mol Thí nghiệm tiến hành với hai hệ xúc tác UV/TiO2 UV/ CeO2 với 250ml nước thải tự tổng hợp từ thuốc nhuộm methylen xanh có nồng độ M3 chạy liên tục 90 phút sau lấy mẫu trắc quang kiểm tra nồng độ Kết thể bảng Bảng 3.2 So sánh hiệu suất xử lý hệ xúc tác UV/TiO2 UV/CeO2 Hệ xúc tác Độ hấp thu quang A Nồng độ Hiệu suất UV/TiO2 0.2495 3.87E-06 87.1% UV/CeO2 0.3822 2.36E-05 21.3% Dựa vào bảng 3.2 hiệu suất xử lý độ màu TiO2 cao 65.8% so với CeO2 Tóm lại, dựa vào khảo sát mở rộng rút vài nhận xét sau: - Hệ xúc tác với 0,125g TiO2/250ml sục khí oxy 1ml H2O2 đạt hiệu suất cao nhất; - Với khoảng thời gian 90 phút bốn hệ khảo sát độ màu đạt tiêu chuẩn loại A QCVN; - Hiệu suất xử lý TiO2 cao so với loại xúc tác phát CeO2; - Khả ứng dụng vào thực tế - cao 46 Chương 4: Kết luận kiến nghị CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 KẾT LUẬN Dựa vào kết trình khảo sát khả xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm với hệ quang xúc tác, đưa kết luận sau:  Bức xạ UV có khả phân hủy thuốc nhuộm MB, hiệu suất phân hủy MB khuấy từ chiếu sáng xạ UV liên tục 90 phút 8,8%  Nồng độ dung dịch nước thải ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý không nhiều, hệ UV tăng nồng độ từ 1x10-5M lên 7x10-5M hiệu suất xử lý giảm 3% độ giảm tương ứng với hệ Vis 12%  Khối lượng xúc tác khoảng nghiên cứu (từ 0,125g đến 0,5g 250 ml dung dịch) ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý, giảm khối lượng xúc từ 0,5g xuống 0,125g (thời gian xử lý 90 phút) hiệu suất giảm khoảng 5%  TiO2 có khả tái sử dụng cao, hiệu suất xử lý gần không giảm sau bốn lần tái sử dụng  Oxy ảnh hưởng không lớn đến trình quang xúc tác TiO2 để oxy hóa chất hữu cơ, hiệu suất tăng lên khoảng đến 4% sử dụng thêm O2 để hỗ trợ cho trình phản ứng  Hydrogen peroxide ảnh hưởng nhiều đến khả xử lý trình quang xúc tác Làm tăng hoạt tính hệ xúc tác hiệu suất điều kiện tối ưu 80% điều kiện thêm H2O2 hiệu suất đạt 44% Thể tích hydrogen peroxide/250ml nước thải tối ưu 1ml  Hiệu xử lý loại thuốc nhuộm có cấu tạo hóa học đơn giản khối lượng phân tử nhỏ hiệu so với thuốc nhuộm khác có khối lượng phân tử lớn  Hệ quang xúc tác TiO2 sục thêm oxy hydrogen peroxide nâng cao hiệu suất nhiều so với hệ xúc tác UV/TiO2 Hệ xúc tác thêm H2O2, O2 với xạ UV có hiệu suất đạt 87% hệ xúc tác TiO2/UV đạt hiệu suất 48% 30 phút  Khảo sát nước thải tự nhiên với khoảng thời gian 90 phút tất hệ khảo sát với đèn UV độ màu đạt tiêu chuẩn loại 50Pt-Co 47 Chương 4: Kết luận kiến nghị  Hiệu suất phản ứng hệ xúc tác với đèn Vis cao, điều kiện tối ưu với khoảng thời gian 30 phút mà hiệu xuất xử lý đạt 40,19% Nên mở triển vọng sử dụng nguồn lượng mặt trời để nâng cao hiệu suất xử lý  Khả ứng dụng thực tế cao 4.2 KIẾN NGHỊ Do điều kiện thời gian khả nên đề tài chưa sâu nghiên cứu số yếu tố khác Nên đề xuất vài ý kiến để mở rộng đề đưa nghiên cứu áp dụng thực tế:  Khảo sát độ màu kết hợp thông số COD để có đánh giá xác hiệu xử lý thuốc nhuộm xử lý hoàn toàn hay biến thành số chất khác  Nghiên cứu so sánh hiệu xử lý dùng đèn UV nhân tạo ánh sáng mặt trời  Khảo sát thời gian lắng TiO2 để tách khỏi hệ quang xúc tác  Tiến hành nghiên cứu với nhiều loại TiO2 khác nhằm giảm chi phí xử lý 48 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO A TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] NGUYỄN VĂN DŨNG (2007), Nghiên cứu xử lý thành phần thuốc nhuộm Azo môi trường nước trình quang xúc tác TiO2 hoạt hóa, Khóa luận tốt nghiệp ĐHBK Tp.HCM [2] PHAN VŨ AN (2010), Nghiên cứu xử lý nước nhiễm Phenol mảng mỏng TiO2, Khóa luận tốt nghiệp ĐHBK Tp.HCM [3] ĐẶNG THANH PHONG (2011), Khảo sát Biến Tính TiO2 - rutil tổng hợp, cấu trúc, hình thái hoạt tính xúc tác, Khóa luận tốt nghiệp ĐHBK Tp.HCM [4] PGS.TS ĐẶNG TRẤN PHÒNG (2004), Sinh thái môi trường dệt nhuộm NXB Khoa học Kỹ thuật [5] TRẦN MẠNH TRUNG TRẦN MẠNH TRÍ (2005), Các trình oxy hóa nâng cao xử lý nước thải, sở khoa học ưng dụng NXb Khoa học kỹ thuật [6] HỒ THỊ NGA TRẦN VĂN NHÂN (2005), Giáo trình công nghệ xử lí nước thải NXB Khoa học Kỹ thuật [7] NGUYỄN THỊ NGỌC TUYỀN (2010), Nghiên cứu khả xử lý nước ô nhiễm hệ xúc tác quang hóa TiO2 Khóa luận tốt nghiệp ĐHKHTN Tp.HCM B TÀI LIỆU TIẾNG ANH [8] R M CHRISTIE 2007 Environmental aspects of textile dyeing Woodhead Publishing Limited in association with The Textile Institute Woodhead Publishing Limited [9] DULAY M.T FOX M.A 1993 Heterogeneous Photocatalysis Chem Rev.,93, pp 341-357 [10] CLIVE L GREENSTOCK GEORGE V BUXTON, W PHILLIP HELMAN AND ALBERTA B ROSS Critical Review of Rate Constants for Reactions of Hydrated Electrons, Hydrogen Atoms and Hydroxyl Radicals (.OH/.O-) in Aqueous Solution [11] GUILLARD C HERRMANN J.M., PICHAT P 1993 Heterogeneous photocatalysis: an emerging technology for water treatment Catalysis Today 49 Tài liệu tham khảo [12] LACHHEB H HOUAS A., KSIBI M., ELALOUI E., GUILLARD C., HERMANN J.M 2001 Photocatalytic degradation pathway of methylene blue in water Applied Catalysis B: Environmental [13] HERRMANN J.M 1999 Heterogeneous photocatalysis: fundamentals and applications to the removal of various types of aqueous pollutants Catalysis Today [14] C.L.HUISMAN O CARP, A.RELLER 2004 Photoinduced reactivity of titanium dioxide Progress in Solid State Chemistry 32 (2004) 33–177 [15] VINCENZO CAPRIO ROBERTO ANDREOZZI, AMEDEO INSOLA, RAFFAELE MAROTTA 1999 Advanced oxidation processes (AOP) for water purification and recovery Catalysis Today 53 (1999) 51–59 [16] PETER K.J ROBERTSON 1996 Semiconductor photocatalysis: an environmentally acceptable alternative production technique and effluent treatment process J Cleaner Prod [17] ROSLI 2006 Development of biological treatment system for reduction of COD from textile wastewater University Technology Malaysia [18] MAS ROSEMAL H.MAS HARIS AND KATHIRESAN SATHASIVAM 2009 The removal of methyl red from aqueous solutions using banana Pseudostem Fibers American Journal of applied sciences 6(9): 1690-1700 [19] S AND DEMIRER SEN, G.N 2003 Anaerobic treatment of real textile wastewater with a fluidized bed reactor Water Research [20] JEAN NONATO RIBEIRO DOS SANTOS SILVIA GABRIELA SCHRANK , DANILLO SANTOS SOUZA,ELAYNE EMILIA SANTOS SOUZA 2006 Decolourisation effects of Vat Green 01 textile dye and textile wastewater using H2O2/UV process Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry [21] SMANONMANI T.SANTHI, T.SSMITHA 2010 Removal of Methyl Orange from Solutions using Yam Leaf Fibers Chemical Engineering Research Bulletin 14 [22] OYAMA T ZHANG T., AOSHIMA A., HIDAKA H., ZHAO J., SERPONE N 2001 Photooxidative N-demethylation of methylene blue in aqueous TiO2 dispersions under UV irradiation Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 140 (2001) 163–172 50 Tài liệu tham khảo [23] YUNBING HEA ZUMIN QIU, XIAOCHENG LIU, SHUXIAN YU 2005 Catalytic oxidation of the dye wastewater with hydrogen peroxide Chemical Engineering and Processing 44 (2005) 1013–1017 51 [...]... thời xúc tác TiO2 là vật liệu bền, rẻ tiền, có thể sản xuất ở Việt Nam Do đó việc sử dụng TiO2 xử lý độ màu một lựa chọn hợp lý Hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm của các nhà máy đều có các phương pháp hóa lý và sinh học kết hợp nhằm xử lý tối ưu các hợp chất hữu cơ, thuốc nhuộm, hợp chất hữu cơ halogen có trong nước thải Các phương pháp xử lý sinh học và hóa lý cơ bản chỉ có khả năng xử lý các hợp... tồn trong nước thải Do đó độ màu nước thải khó có thể xử lý đạt tiêu chuẩn của BTNMT nên đề tài chọn nước thải đầu vào có độ màu đạt tiêu chuẩn loại B và sau khi xử lý nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn loại A của QCVN 13: 2008/BTNMT Trong đề tài này chúng tôi tiến hành khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình xử lý độ màu hệ quang xúc tác TiO2/ UV và Vis trên một đối tượng nước thải dệt nhuộm tự tổng... do giá thành rẻ và hiệu quả nhuộm màu cao [18] Quá trình xử lý hóa học vật liệu gồm xử lý ướt và xử lý khô Xử lý ướt gồm: xử lý trước, tẩy trắng, làm bóng nhuộm, in hoa Công đoạn xử lý ướt sử dụng nhiều nước, nói chung để xử lý hoàn tất 1kg hàng dệt cần 50 300lít nước tùy chủng loại vật liệu và máy móc thiết bị Hầu hết lượng nước này cỡ 88,4% sẽ thải ra ngoài, 11,6% lượng nước bay hơi trong quá trình... Na2SO3… các loại thuốc nhuộm, các chất trợ, chất ngấm, chất cầm màu, chất tẩy giặt Lượng hoá chất sử dụng với từng 5 Chương 1: Tổng quan loại vải, từng loại màu thường khác nhau và chủ yếu đi vào nước thải của từng công đoạn tương ứng [6] 1.1.4 Các phương pháp xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm Xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm có rất nhiều phương pháp bao gồm cả sinh học và hóa lý Phương pháp sinh học... hóa lý là sử dụng các hóa chất và tính chất vật lý nhằm oxy hóa các chất hữu có khó phân hủy trong nước thải Chúng tôi xin đi sâu hơn vào phần xử lý nước thải bằng phương pháp oxy hóa nâng cao thuộc phương pháp hóa lý Quá trình oxy hóa dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl được tạo ra ngay trong quá trình xử lý nhờ các chất oxy hóa như H2O2, O3, NaOCl … phản ứng  Clo hóa Clo hóa để xử lý độ màu nước thải. .. buộc phải hạn chế sử dụng chlor để xử lý nước tự nhiên Bên cạnh đó, quá trình xử lý sinh học với bùn hoạt tính hiếu khí và kỵ khí cũng có thể được sử dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm với hiệu quả cao, tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là thời gian xử lý dài và hiệu quả xử lý các chất màu là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy thấp Hiện nay, quá trình quang xúc tác TiO2 cho thấy sự vượt trội so với... đây, nhấn mạnh vào việc loại bỏ các hợp chất clo từ các dòng nước thải được chú ý nhiều  Hydrogen peroxide [23] H2O2  2OH (1.3) H2O2 phản ứng tạo thành OH để khử độ màu của nước thải H2O2 là một chất có sẵn, rẻ tiền và dễ dàng hòa tan trong nước Nó có khả năng xử lý thuốc nhuộm và làm giảm COD trong nước Nhưng cần thời gian dài để xử lý và chi phí thiết bị lưu trữ  Fenton Quá trình Fenton (hay... 3000 thuốc nhuộm nằm trong tất cả các nhóm từ không độc, độc vừa, rất độc đến cực độc Trong đó có khoảng 37% thuốc nhuộm gây độc cho cá và thủy sinh, chỉ 2% thuốc nhuộm ở mức độ rất độc và cực độc cho cá và thủy sinh [18],[21] Đối với con người có thể gây ra các bệnh về da, đường hô hấp, phổi Ngoài ra, một số thuốc nhuộm hoặc chất chuyển hoá của chúng rất độc hại có thể gây ung thư (như thuốc nhuộm Benzidin,... phòng, nó tồn tại ở dạng rắn không mùi, màu xanh đen, khi hòa tan vào nước hình thành dung dịch màu xanh lam, methylen xanh hấp thụ cực đại ở bước sóng 660nm Methylen xanh là một phẩm nhuộm mang màu trong đó cường độ màu tỷ lệ với nồng độ của chất này trong dung dịch Trong nghiên cứu này, methylen xanh được chọn như một hợp chất gây ô nhiễm nguồn nước để khảo sát khả năng quang hóa xúc tác chính  Congo... điều kiện phản ứng bằng việc thêm O2 và H2O2 vào hệ trước khi ứng dụng vào xử lý nhiều nguồn nước thải dệt nhuộm khác nhau 1.3.3 Cơ sở lý thuyết về quá trình quang xúc tác trên TiO2 1.3.3.1 Nguyên lý quá trình quang hóa xúc tác trên TiO2[ 9,33-37] Chất bán dẫn là các chất rắn có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện Cấu hình quỹ đạo phân tử của bán dẫn có cấu trúc vùng năng lượng và được ... UV-A Để xác định rõ khả xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm phản ứng quang hóa với chất xúc tác TiO2, tiến hành thực đề tài: Nghiên cứu khả xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm TiO2 xi Chương 1: Tổng... VỀ DỆT NHUỘM 1.1.1 Nước thải dệt nhuộm 1.1.2 Sơ lược thuốc nhuộm 1.1.3 Tác hại ô nhiễm nước thải dệt nhuộm thuộc nhuộm 1.1.4 Các phương pháp xử lý độ màu nước thải. .. Các phương pháp xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm Xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm có nhiều phương pháp bao gồm sinh học hóa lý Phương pháp sinh học nhờ vi sinh vật phương pháp hóa lý sử dụng hóa