Xử lý nước thải dệt nhuộm bằng quá trình fenton dị thể

Lượng lớn các sản phẩm công nghiệp dệt nhuộm đầu vào có chứa lượng đáng kể các hợp chất hữu cơ khó xử lý bằng phương pháp hóa học hoặc sinh học. Khả năng không phân hủy sinh học của chất thải dệt nhuộm là do chứa nhiều thuốc nhuộm, chất phụ gia và chất có hoạt tính bề mặt, thường là các hợp chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp. Các hợp chất này có thể được loại bỏ nhờ hấp phụ vào các vật liệu rỗng, nhưng quá trình này chỉ chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng sang pha rắn. Các phương pháp thay thế phương pháp truyền thống bao gồm: xử lý bằng phương pháp điện hóa học, ozone hóa và các quá trình oxy hóa bậc cao khác, như quang xúc tác hoặc tác nhân fenton. Quá trình oxy hóa bậc cao là một trong những công nghệ có tiềm năng trong xử lý các hợp chất khó phân hủy trong nước thải dệt nhuộm.

Nhóm XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM BẰNG QUÁ TRÌNH FENTON DỊ THỂ SỬ DỤNG VẬT LIỆU COMPOSTE Fe2O3/CACBON Tóm tắt Bài báo ước tính khả xử lý nước thải dệt nhuộm có sử dụng vật liệu composite hấp phụ chất xúc tác dị thể cho q trình oxy hóa fenton Hiệu q trình phụ thuộc vào thông số thực nghiệm: pH, nồng độ H 2O2, oxit sắt vật liệu composite chứa sắt cao hấp phụ hiệu chất ô nhiếm nước thải dệt nhuộm, dung lượng hấp phụ tăng với nồng độ sắt bề mặt Các vật liệu sử dụng chất xúc tác fenton dị thể hiệu pH 3, tiêu thụ H 2O2 thấp so với trình fenton đồng thể Giới thiệu Lượng lớn sản phẩm công nghiệp dệt nhuộm đầu vào có chứa lượng đáng kể hợp chất hữu khó xử lý phương pháp hóa học sinh học Khả khơng phân hủy sinh học chất thải dệt nhuộm chứa nhiều thuốc nhuộm, chất phụ gia chất có hoạt tính bề mặt, thường hợp chất hữu có cấu trúc phức tạp Các hợp chất loại bỏ nhờ hấp phụ vào vật liệu rỗng, trình chuyển chất ô nhiễm từ pha lỏng sang pha rắn Các phương pháp thay phương pháp truyền thống bao gồm: xử lý phương pháp điện hóa học, ozone hóa q trình oxy hóa bậc cao khác, quang xúc tác tác nhân fenton Q trình oxy hóa bậc cao cơng nghệ có tiềm xử lý hợp chất khó phân hủy nước thải dệt nhuộm Kết hợp H2O2 với muối sắt II xem tác nhân fenton Chất oxy hóa chủ yếu tác nhân fenton gốc tự hydroxyl (●OH) tạo nhờ phản ứng H 2O2 với ion sắt II Tuy nhiên, măc dù hiệu cao trình bị hạn chế pH (từ 2-4) lượng lớn bùn q trình keo tụ Oxy hóa xúc tác ướt (catalytic wet oxidation – CWO) phản ứng bao gồm chất hữu nước oxy qua chất xúc tác Oxy hóa dị thể gồm tương tác mạnh hợp chất hữu dung dịch với oxy qua chất xúc tác rắn Mặc dù cách dùng chất xúc tác tạo điều kiện phản ứng nhẹ so với oxy hóa ướt khơng xúc tác Quá trình xúc tác yêu cầu nhiệt độ áp suất vừa phải Oxy hóa hydro peoxide xúc tác ướt (catalytic wet hydrogen peroxide oxidation – CWHPO) trình hiệu CWO đặc tính hydro peoxit mạnh phân tử oxy Cả CWO CWHPO cho thấy hiệu chúng, để ứng dụng quy mơ lớn, cần phát triển chất xúc tác hoạt động ổn định nhệt độ phòng Oxit sắt chất xúc tác hiệu cho oxy hóa hydro peoxit xúc tác ướt trình gọi trình phân hủy fenton dị thể Quá trình dị thể đầy hứa hẹn trình đồng thể cần bước tách bùn sắt phản ứng kết thúc Tuy nhiên, vài nổ lực thực để ước tính tiềm q trình fenton dị thể Nhóm Hoạt tính chất xúc tác phụ thuộc vào đặc tính oxit sắt, độ kết tinh diện tích bề mặt Tuy nhiên, chứng minh chất xúc tác oxit sắt làm hoạt tính chúng ảnh hưởng rò rỉ chất xúc tác kim loại môi trường acid Việc rò rỉ tác dụng chất xúc tác thách thức để phát triển chất xúc tác thuận lợi cho oxy hóa nước thải Các chất xúc tác dị thể hiệu cho oxy hóa fenton thích hợp cho lọc hấp phụ Lọc hấp phụ cách tiếp cận có sáng tạo cho việc loại bỏ chất ô nhiễm pha lỏng có chất độc gắn vào lớp oxit sắt mỏng không hoạt động bề mặt môi trường lọc thích hợp, cát hạt Sự bổ trợ ma trận lọc cho phép hấp thu chất ô nhiếm hòa tan lúc, loại bỏ hạt bụi cho q trình lọc Trong cơng trình này, nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm trình hấp phụ oxy hóa hydro peoxit xúc tác ướt sử dụng vật liệu composite Fe2O3/cacbon, ước tính ảnh hưởng pH, nồng độ H2O2, liều lượng xúc tác cho hiệu xử lý Thực nghiệm 2.1 Vật liệu Hai chất hấp phụ/chất xúc tác khác sử dụng Carbotrat AP Cabotrat Premium, đặt tên tương ứng CA1 CA2 CA tạo nhờ trình kết tủa sắt oxit CA1 Cacbon hấp phụ đặc trưng qua xác định vùng BET đặc biệt oxit sắt Các chất rắn có dung lượng hấp phụ lớn để loại bỏ sắt hòa tan nước Phân tích hình thái học đồ thành phần rắn sơ cấp xác định thông qua kính hiển vi điện tử quét (scanning electronic microscopy-SEM/EDAX Philips XL-30) Dùng phương pháp chuẩn độ khối lượng để ước tính điểm zero charge chất rắn thay cho kỹ thuật chuẩn độ acid-base truyền thống Nước thải dệt nhuộm Bang Santa Catarina (Brazil) đặc trưng thông qua việc xác định thông số COD, BOD5, TS, DS PH (bảng 1) Bảng 1:Đặc trưng nước thải dệt nhuộm PH COD (mg O2/L) BOD5 (mg O2/L) Tổng chất rắn-TS (mg/L) Tổng chất rắn không bay hơi-TFS (mg/L) Tổng chất rắn bay hơi-TVS (mg/L) NH3-N (mg/L) NO3—N (mg/L) 2.2 9.0 1000 300 2545 1665 880 57 1.2 Phương pháp Dung lượng hấp phụ chất rắn xác định thông qua thực nghiệm cách cho tiếp xúc với nước với hàm lượng chất rắn khác (100-300 g/L), khoảng pH Nhóm ban đầu khác Sau chất lỏng rút để xác định BOD 5, COD, màu hợp chất thơm lại (UV254) Hấp phụ oxy hóa fenton dị thể lúc với hàm lượng chất rắn từ 100-300 g/L, nồng độ H2O2 từ 500-1000 mg/L, PH ban đầu khác Kiểm tra mẫu trắng dùng H2O2 thực kết cho thấy phân hủy không đáng kể Trong trình chạy, cho 400 mL nước thải dệt nhuộm chất rắn vào bình Hỗn hợp lắc 10 phút với tốc độ 90 rpm dùng HCl (1M) để điều chỉnh PH thích hợp Sau đó, cho H2O2 vào đến nồng độ mong muốn hỗn hợp khuấy tốc độ 90 rpm 60 phút Sau xử lý, mẫu ly tâm chất lỏng phân tích để xác định nồng độ H2O2 dư, COD, màu hợp chất thơm (UV 254), dùng máy quang phổ UV-vis (UV 1650C, Shimadzu, Japan) Thực kiểm tra để thiết lập xem liệu lượng nhỏ sắt hòa tan có gây hoạt tính xúc tác quan sát hay khơng Sau oxy hóa với H 2O2, chất rắn loại bỏ nhờ lọc đo nồng độ sắt tổng pha lỏng máy quang phổ UV-vis (UV 1650C, Shimadzu) sử dụng dãy hấp phụ phức Fe(II)/1,10-phentroline (độ hấp thu phân tử = 11000 M-1cm-1 bước sóng 505nm) Kết 3.1 Đặc tính hóa học kết cấu CA1 CA2 Các đặc điểm kết cấu CA1 CA2 tóm tắt Bảng Các chất rắn có diện tích bề mặt nhỏ phân phối lỗ rỗng kích thước lớn (Bảng 2) Các phân tích hình thái CA2 trình bày hình Chất rắn có bề mặt không đều, cấu trúc từ hạt nhỏ.Các thành phần tính chất bề mặt CA2 thể Bảng Nhóm Nó cho thấy lắng đọng oxit sắt chất rắn xốp làm giảm diện tích bề mặt BET [21] kể từ lúc sắt oxit có diện tích bề mặt tương đối nhỏ (~66 m2 / g) Tuy nhiên, bề mặt CA2 gần giống CA1 Các điểm không thay đổi CA2 cao so với CA1 đặc điểm khối oxit sắt [22] 3.2 Hấp phụ nước thải dệt may CA1 CA2 Sự tiếp xúc nước thải với chất rắn 24 25 oC, pH 9.0 với khối lượng chất rắn khác cho thấy khả loại bỏ COD CA2 cao gấp đơi CA1 (hình 2a) Các hợp chất vòng thơm loại bỏ tốt cách hấp phụ CA2 (2b hình.) Ở pH 9.0, tích điện bề mặt chất hấp phụ từ âm cực đến khơng gần trung hòa Sau đó, khác biệt khả hấp phụ không liên quan đến tượng tĩnh điện Khả hấp phụ chất rắn CA1 CA2 phụ thuộc vào tính chất oxit sắt Sắt oxit tổng hợp có đặc điểm đặc biệt nước thải có mặt sắt oxit hệ keo hòa tan carbon hấp phụ bề mặt khả hấp phụ cao Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ chất rắn đánh giá khoảng 39 (Hình 3) Việc loại bỏ COD gần độc lập với pH ban đầu khả hấp phụ CA2 gần cao gấp đôi CA1 Nhóm 3.3 Sự nhạt nước thải dệt nhuộm q trình oxy hóa fenton dị thể Nồng độ sắt pha lỏng đo phản ứng cho thấy số lượng không đáng kể so với pha lỏng ban đầu Nếu khơng có q trình oxy hóa fenton dị thể q trình xử lí khó khăn Ta thấy hydrogen peroxide phản ứng nhanh chóng với oxit sắt bề mặt rắn sinh gốc hydroxyl Các gốc hydroxyl sinh phản ứng nhanh chóng với gốc hữu Sắt bị oxi hóa bề mặt rắn sinh lúc đầu phản ứng với hydrogen peroxide để sản xuất gốc hydroperoxyl tái sinh chất xúc tác bề mặt rắn Khi gốc tự hydroperoxyl gốc tự hydroxyl giai đoạn thứ hai chậm diển Động học hydrogen peroxide giảm dần theo thời gian xử lí Cơ chế phân hủy H2O2 oxit sắt hydroxit gần báo cáo Kwan Fe(III) + H2O2 → Fe(III)H2O2 (1) Fe(III)H2O2 → Fe(II) + HO2• (2) Fe(II) + H2O2 → Fe(III) + •OH + OH− (3) Ta kiểm sốt q trình dựa vào phản ứng bề mặt hydrogen peroxide hấp phụ bề mặt rắn oxit sắt Tốc độ hình thành gốc hydroxyl (OH •) phụ thuộc vào hàm lượng oxit sắt giải thích lý CA2 linh động so CA1 Fe(III) phản ứng (1) tái sinh phản ứng (3) Các gốc hydroxyl (OH •) hình thành phản ứng thứ (3) bị oxi hóa hợp chất hữu có nước thải dệt phản ứng thứ (4) phản ứng với hydrogen peroxide pha lỏng để tạo thành gốc tự hydroperoxyl phản ứng thứ (5) Nhưng phản ứng chậm với chất hữu ( phản ứng thứ 6) •OH + organiccompunds → products (4) Nhóm •OH + H2O2 → HO2• + H2O (5) HO2• + organiccompunds → products (6) Đúng mong đợi Việc loại bỏ COD tăng liều lượng chất xúc tác tăng lên (Hình 5) gia tăng vị trí hoạt động H2O2 Việc loại bỏ màu sắc loại bỏ hợp chất thơm hấp phụ phản ứng cách sử dụng CA1 CA2 pH ban đầu khác thể hình Việc loại bỏ màu sắc hợp chất thơm hấp phụ giảm pH tăng Nhưng phản ứng fenton dị thể nhạy cảm với pH so với fenton đồng 3.4 Ảnh hưởng nồng độ H2O2 vào việc xử lý nước thải dệt nhuộm phản ứng Fenton dị thể Ảnh hưởng nồng độ H2O2 vào việc xử lý nước thải dệt nhuộm phản ứng Fenton dị thể báo cáo trước nồng độ H 2O2 tăng cao từ 500 đến 1000mg/L làm tăng khử COD từ 58 đến 69% Tuy nhiên , khơng có gia tăng việc loại bỏ COD q trình oxy hóa Fenton dị thể sử dụng CA1 CA2 quan sát, nồng độ H2O2 thấp cần thiết đế đạt mức COD 71% CA2 Được thể từ phương trình (1) đến (6), trình oxy hóa dị thể chất hữu xảy sau trình hấp phụ phân hủy H 2O2 bề mặt vật rắn Các phản ứng Nhóm biểu diễn phương trình (1) diễn nhanh chóng đạt đến trạng thái cân ứng theo phương trình Langmuir [ FeIIIH2O2] = [ FeIII]T� a[H2O2]1 + �a[H2O2] (7) Các số cân trình hấp phụ H2O2 bề mặt vật rắn xác định phương trình (8) Ka = [FeIII H2O2]/ [FeIII][ H2O2] (8) Và nồng đột ion sắt (tự occupied) xác định bời phương trình (9) [ FeIII]T = [ FeIII H2O2] + [ FeIII] (9) Bảng 7: ảnh hưởng nồng độ H2O2 việc khử COD suốt trình fenton dị thể ( liều lượng chất xúc tác = 300g/L; pH= 3; thời gian phản ứng giờ; nhiệt độ 25oC) Khi ion sắt bão hòa với H 2O2, việc H2O2 tăng lên nước khơng làm gia tăng việc hình thành gốc hydroxyl , , khơng làm tăng q trình oxy hóa hợp chất hữu nước thải Khi khử COD đạt mức cao qua trình xử lý nước thải dệt nhuộm phản ứng oxi hóa fenton dị thể gần 70% nồng độ H 2O2 sử dụng cao 1000 mg/L pH=3 Phản ứng oxi hóa fenton dị thể sử dụng CA2 chất xúc tác để đạt việc loại bỏ COD 71% nhiệt độ phòng cách sử dụng nồng độ H2O2 thấp 1000ml/L trình bày lợi bổ sung giảm nhạy cảm pH so với trình fenton đồng thể Kết luận Composites oxit sắt/carbon sử dụng xử lý nước thải dệt nhuộm chất xúc tác dị thể phản ứng Fenton Khả hấp phụ chất rắn Nhóm tăng lên hàm lượng oxit sắt bề mặt tăng Việc xử lý nước thải dệt nhuộm sử dụng chất xúc tác dị thể thực pH ban đầu 3,0 tiêu thụ hydrogen peroxide thấp q trình Fenton đồng Khơng có sắt ngấm vào pha nước cho thấy phản ứng Fenton đồng không quan trọng chất xúc tác ổn định ... dụng xử lý nước thải dệt nhuộm chất xúc tác dị thể phản ứng Fenton Khả hấp phụ chất rắn Nhóm tăng lên hàm lượng oxit sắt bề mặt tăng Việc xử lý nước thải dệt nhuộm sử dụng chất xúc tác dị thể. .. nước thải dệt nhuộm q trình oxy hóa fenton dị thể Nồng độ sắt pha lỏng đo phản ứng cho thấy số lượng không đáng kể so với pha lỏng ban đầu Nếu khơng có q trình oxy hóa fenton dị thể q trình xử. .. gốc hydroxyl , , khơng làm tăng q trình oxy hóa hợp chất hữu nước thải Khi khử COD đạt mức cao qua trình xử lý nước thải dệt nhuộm phản ứng oxi hóa fenton dị thể gần 70% nồng độ H 2O2 sử dụng