Nghiên cứu xử lý thành phần thuốc nhuộm azo trong môi trường nước bằng quá trình quang xúc tác trên tio2 hoạt hóa (tt0

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN --- Nguyễn Văn Dũng NGHIÊN CỨU XỬ LÝ THÀNH PHẦN THUỐC NHUỘM AZO TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC TRÊN TiO2 HOẠT HÓA Chuyên ngành: Công

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

-

Nguyễn Văn Dũng

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ THÀNH PHẦN THUỐC NHUỘM AZO TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG QUÁ TRÌNH QUANG

XÚC TÁC TRÊN TiO2 HOẠT HÓA

Chuyên ngành: Công nghệ nước và nước thải

Mã số: 2.10.10

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2007

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN – ĐHQG TP.HCM Địa chỉ: 142 Tô Hiến Thành, Quận 10, TP.HCM

Điện thoại: 08.8651132 Fax: 08.8655670

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS.TS.Đào Văn Lượng

2 PGS.TS.Cao Thế Hà

Phản biện 1: PGS.TS.Nguyễn Văn Phước

Phản biện 2: PGS.TSKH.Lê Văn Tiệp

Phản biện 3: PGS.TS.Phùng Chí Sỹ

Luận án đãõ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp tại Viện Môi Trường và Tài Nguyên, số 142 Tô Hiến Thành, Quận 10, TP.HCM vào hồi 14giờ 00 ngày 04 tháng 04 năm

2007

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Viện Môi Trường và Tài Nguyên – ĐHQG TP.HCM

2 Tổng hợp Khoa học TP.HCM

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thuốc nhuộm azo là tên gọi chung cho các thuốc nhuộm hữu cơ có nhóm mang màu chứa liên kết azo -N=N-, là họ thuốc nhuộm có số lượng lớn nhất trong số các thuốc nhuộm hữu cơ được sử dụng trong công nghiệp dệt nhuộm, là thành phần ô nhiễm có tác động nguy hại đến môi trường nước và trở thành đối tượng xử lý chủ yếu trong các công trình nghiên cứu về công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm Để loại bỏ thành phần thuốc nhuộm trong nước thải, các phương pháp hoá lý truyền thống đã được áp dụng như: keo tụ, siêu lọc, hấp phụ… Tuy nhiên, các phương pháp này có hiệu quả xử lý thấp đối với thuốc nhuộm hoà tan, hơn nữa, các phương pháp này không phân hủy chất ô nhiễm mà chỉ chuyển chúng từ pha này sang pha khác, làm phát sinh ô nhiễm thứ cấp và luôn đòi hỏi phải được xử lý thích hợp trước khi thải bỏ

Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng, quá trình quang hoá xúc tác trên TiO2 được xem là công cụ mạnh và hiệu quả cho việc xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm trong nước thải, là công nghệ xử lý môi trường hoàn hảo nhờ không gây ô nhiễm thứ cấp như các phương pháp khác; đặc biệt là, quá trình quang hóa xúc tác trên TiO2 có triển vọng ứng dụng nguồn bức xạ vô tận là năng lượng mặt trời

Xuất phát từ thực tế ở nước ta, có nguồn khoáng chứa titan phong phú và nguồn năng lượng mặt trời hầu như vô tận, đề tài luận án được chọn là “Nghiên cứu xử lý thành phần thuốc nhuộm azo trong môi trường nước bằng quá trình quang xúc tác trên TiO2 hoạt hóa”

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu xử lý thành phần thuốc nhuộm azo trong môi trường nước bằng quá trình quang hoá xúc tác với việc sử dụng vật liệu xúc tác TiO2 điều chế từ các nguồn nguyên liệu Việt Nam

3 Nội dung nghiên cứu

+ Nghiên cứu điều chế vật liệu xúc tác quang hoá TiO2 từ các nguồn nguyên liệu Việt Nam

+ Nghiên cứu xử lý một số dung dịch thuốc nhuộm azo hòa tan bằng quá trình quang hóa xúc tác trên TiO2

+ Nghiên cứu hiệu quả xử lý của quá trình quang hóa xúc tác trên TiO2 đối với mẫu nước thải tổng hợp chứa azo

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của luận án là đã tìm ra được phương pháp thích hợp điều chế vật liệu xúc tác quang hoá TiO2 có hoạt tính cao từ nguồn nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam Kết quả này đã góp phần triển khai khả năng ứng dụng phong phú của vật liệu TiO2 ở kích thước nanômét (và công nghệ nanô) trong lĩnh vực công nghệ môi trường cũng như trong các lĩnh vực công nghiệp khác

Việc nghiên cứu áp dụng quá trình quang hóa xúc tác trên TiO2

đểå xử lý các thành phần azo đã góp phần nâng cao tính khả thi của việc triển khai ứng dụng các quá trình oxy hóa nâng cao trong công nghệ xử lý môi trường

Với nguồn năng lượng mặt trời hầu như vô tậân và nguồn khoáng chứa titan phong phú ở nước ta, kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần nâng cao tính khả thi của việc khai thác nguồn tài nguyên thiên nhiên sẵn có để áp dụng vào các lĩnh vực công nghệ môi trường

4 Điểm mới của luận án

+ Đây là công trình đầu tiên nghiên cứu điều chế vật liệu xúc tác TiO2 có kích thước nanômét với hoạt tính quang hoá cao từ nguồàn nguyên liệu ban đầu là ilmenit; trong đó, lần đầu tiên ở Việt Nam, kỹ thuật vi sóng được nghiên cứu áp dụng trong lĩnh vực điều chế vật liệu vô cơ

+ Lần đầu tiên ở Việt Nam, năm mẫu thuốc nhuộm azo thương mại

Orange G (OG), Congo Red (CR), Yellow 2G (Y2G), Amido Black 10B (AB10B) và Remazol Black B (RBB) được nghiên cứu xử lý bằng quá trình quang hoá xúc tác trên TiO2 một cách hệ thống, từ động học quá trình xử lý đến ảnh hưởng của các thông số vận hành Trên cơ sở đó, quá trình quang hoá xúc tác trên TiO2 đã được thực hiện để xử lý mẫu nước thải tổng hợp với ba thành phần thuốc nhuộm axit, trực tiếp và hoạt tính cùng các thành phần trợ nhuộm chủ yếu

Cấu trúc của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, năm chương, kết luận - kiến nghị, danh mục các công trình công bố của tác giả và danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục Toàn bộ nội dung luận án được trình bày trong 167 trang, trong đó có 21 bảng biểu, 38 hình vẽ và đồ thị, 179 tài liệu tham khảo

Phần lớn nội dung của luận án đã được công bố trong các bài báo khoa học, được báo cáo tại các hội nghị, hội thảo khoa học được tổ chức tại Việt Nam và tại nước ngoài Các công trình đã công bố được ghi ở cuối luận án

Chương 1: THUỐC NHUỘM AZO VÀ TÁC ĐỘNG MÔI TRƯỜNG

Chương này trình bày khái quát về thuốc nhuộm azo, hiện trạng sản xuất và sử dụng thuốc nhuộm azo, các tác động đến môi trường nước của thuốc nhuộm azo và tổng quan về các phương pháp xử lý azo hay là xử lý nước thải dệt nhuộm nói chung

Kết quả tổng quan cho thấy rằng, khoảng 60% lượng thuốc nhuộm đi vào dòng thải của các quá trình nhuộm vải sợi là thuốc nhuộm azo Vì vậy, có thể xem azo là thành phần thuốc nhuộm chủ yếu của nước thải dệt nhuộm, đây cũng là thành phần gây hậu quả xấu nhất đối với môi trường nước Chúng ngăn trở quá trình phân hủy sinh học hiếu khí và trong điều kiện kị khí chúng có thể bị khử thành các amin thơm, là các tác nhân có nguy cơ gây ung thư cao Vì vậy, thuốc nhuộm azo trở thành đối tượng xử lý chủ yếu trong các nghiên cứu về công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm Trong nước

thải dệt nhuộm, các thành phần thuốc nhuộm hoà tan thường đóng góp khoảng 24-35% tải lượng COD và 90-95% độ màu Bản chất khó phân huỷ và độ màu cao của các thành phần thuốc nhuộm đã gây khó khăn cho việc xử lý triệt để nước thải dệt nhuộm bằng các phương pháp xử lý nước thải truyền thống Trong thực tế, để xử lý độ màu còn lại của nước thải dệt nhuộm sau các quá trình xử lý truyền thống, người ta thường phải bổ sung công đoạïn xử lý nâng cao bằng các phương pháp hấp phụ, phương pháp hoá học… Tuy nhiên, nói chung, các phương pháp này cho hiệu quả xử lý không ổn định, mặt khác, còn có nguy cơ gây ô nhiễm thứ cấp hoặc làm phát sinh chi phí để tái sinh chất hấp phụ hay xử lý bùn thải… Sự phát triển các phương pháp oxy hóa nâng cao (AOPs) trong thời gian gần đây đã mở ra nhiều khả năng mới cho việc tìm kiếm công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm hiệu quả hơn, trong đó đặc biệt là quá trình quang hoá xúc tác trên TiO2 Các nghiên cứu gần đây cho rằng, việc

kết hợp hợp lý quá trình quang hoá xúc tác và các phương pháp xử lý sinh học truyền thống có triển vọng trở thành một công nghệ hoàn hảo, thân môi trường trong vấn đề xử lý và tái sử dụng nước thải dệt nhuộm Ở nước ta, các nghiên cứu về quá trình quang hoá xúc tác để xử lý nước thải dệt nhuộm chưa được quan tâm nhiều Hơn nữa, chưa có công trình nào về nghiên cứu điều chế TiO2 từ nguyên liệu trong nước với mục đích ứng dụng làm vật liệu xúc tác quang hóa

Vì vậy, với định hướng nâng cao tính khả thi cho việc triển khai quá trình quang hóa xúc tác trong xử lý nước thải dệt nhuộm, luận án này được tiến hành với mục tiêu là: Nghiên cứu xử lý các thành phần thuốc nhuộm azo bằng quá trình quang hoá xúc tác trên TiO2với nguồn vật liệu xúc tác được điều chế từ nguồn nguyên liệu ilmenit rất phong phú ở Việt Nam

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH QUANG HÓA XÚC TÁC TRÊN TiO2

Chương này trình bày tóm tắt nguyên lý của quá trình quang hoá xúc tác trên TiO2; các cơ chế hình thành và phản ứng của các tác nhân hoạt động chủ yếu trong quá trình quang hoá xúc tác như yOH,

h+; các yếu tố ảnh hưởng đến động học quá trình quang hoá xúc tác; các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của TiO2

Quá trình quang hoá xúc tác trên TiO2 là một phản ứng dây chuyền, được khơi mào bằng sự tạo thành các cặp e-/h+ do kích hoạt xúc tác TiO2 bằng nguồn bức xạ UV-A, dẫn đến sự tạo thành gốc tự

do yOH Gốc tự do yOHlà một tác nhân oxy hoá rất mạnh, không chọn lọc và có khả năng oxy hoá nhanh chóng hầu hết các chất hữu

cơ, bao gồm một phổ rộng các chất hữu cơ gây ô nhiễm nước Do có thế oxy hoá cao (2,8V), các gốc tự do yOH phản ứng mạnh với hầu như tất cả các hợp chất hữu cơ hấp phụ trên bề mặt TiO2 và có thể oxy hoá chúng đến sản phẩm khoáng hoá cuối cùng

Các phản ứng chủ yếu xảy ra đối với thuốc nhuộm ([TN]) trong quá trình quang hoá xúc tác có thể được tổng quát hoá như sau: [TN] + yOH → Các sản phẩm phân hủy (2.19)

[TN] + TiO2(h+) → Các sản phẩm oxy hoá (2.20)

[TN] + TiO2(e-) → Các sản phẩm khử (2.21)

Động học quá trình quang hoá xúc tác trên TiO2 đối với một đối tượng xử lý cụ thể phụ thuộc vào các thông số vận hành của quá trình như: pH, nồng độ chất ô nhiễm, hàm lượng xúc tác, cường độ bức xạ, cấu hình thiết bị… Tuy nhiên, yếu tố có tính chất quyết định nhất đến hiệu quả của quá trình quang hoá xúc tác là hoạt tính quang hoá, được quyết định bởi nguyên liệu và quá trình điều chế điều chế vật liệu xúc tác TiO2

Chương 3: NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG HOÁ TiO2

Chương này trình bày các kết quả nghiên cứu điều chế vật liệu xúc tác TiO2 từ nguyên liệu ban đầu là ilmenit, với việc áp dụng kỹ thuật vi sóng trong quá trình thuỷ phân dung dịch titan sulfat

1 Vật liệu, thiết bị và phương pháp nghiên cứu:

Dung dịch titan sulfat: Được điều chế bằng việc phân huỷ tinh quặng ilmenit (BIMAL, Bình Định) với axit sulfuric (89%) ở nhiệt độ 190-2000C Sản phẩm phân huỷ được ngâm chiết bằng nước, khử tách sắt, lọc và thu được dung dịch titan sulfat để sử dụng làm nguồn

titan cho các quá trình điều chế xúc tác TiO2

Thiết bị: Lò vi sóng gia dụng hiệu Sanyo, công suất 900W với tần số làm việc là 2,45 GHz, đã được nghiên cứu cải tiến thích hợp để cấp nhiệt cho quá trình thủy phân dung dịch titan sulfat

Các phương pháp nghiên cứu chủ yếu bao gồm:

Các tính chất đặc trưng của sản phẩm TiO2 như cấu trúc pha, kích thước tinh thể và độ tinh thể hóa được xác định thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ Raman; diện tích bề mặt riêng được xác định bằng phương pháp BET; hình thái học được quan sát bằng các ảnh SEM; kích thước hạt sơ cấp được xác định thông qua ảnh TEM

2 Hiệu ứng thuỷ phân trong điều kiện vi sóng: Quá trình thủy phân

dung dịch titan sulfat, có nồng độ Ti(IV) là 35gTiO2/l, được thực hiện với hai điều kiện cấp nhiệt khác nhau: bằng bếp điện 1000W và bằng lò vi sóng Sản phẩm thủy phân của hai quá trình được rửa sạch axit, sấy và nung ở nhiệt độ 6500C trong thời gian 1 giờ Kí hiệu các mẫu TiO2 tương ứng với hai điều kiện thủy phân lần lượt là TiO-N và TiO-

MW Bảng 3.1 cho thấy rằng mẫu TiO-MW có diện tích bề mặt riêng

SBET lớn hơn, tương ứng là kích thước hạt dBET nhỏ hơn 2,5 lần so với mẫu TiO-N Sự khác biệt này là hệ quả trực tiếp của hiệu ứng vi sóng: Các dao động phân tử ở tần số rất cao trong điều kiện vi sóng đã cấp nhiệt đồng nhất trong toàn dung dịch thủy phân, đồng thời làm ngăn trở sự kết tụ của các hạt sơ cấp hình thành trong quá trình thuỷ phân;

vì vậy, mẫu TiO-MW có kích thước hạt nhỏ và đồng đều, dẫn tới diện tích bề mặt riêng lớn hơn hẳn so với mẫu TiO-N Kết quả phân tích thành phần hoá học của sản phẩm TiO2 cho thấy, độ sạch của mẫãu TiO-MW đạt được 99,58%TiO2

Bảng 3.1: Một số thông số đặc trưng của các sản phẩm TiO2 Mẫu TiO2 SBET, m2/g dBET, nm

Hình 3.4: Giản đồ XRD của các mẫu TiO 2 điều chế từ các dung dịch có nồng độ Ti(IV) ban đầu khác nhau.

Hình 3.5: Sự thay đổi d XRD và S BET của sản phẩm TiO 2 theo nồng độ Ti(IV) trong dung dịch thuỷ phân.

tiếp từ quặng ilmenit và có các thông số đặc trưng tương đương với mẫu xúc tác thương mại tiêu chuẩn P-25 (Degussa)

2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ Ti(IV) trong dung dịch thuỷ phân đến các tính chất bề mặt của TiO2: Quá trình thủy phân

trong điều kiện vi sóng

được thực hiện đối với

các dung dịch titan sulfat

có nồng độ Ti(IV) khác

nhau: 15, 35, 55, 70, 90

và 105gTiO2/l Sau khi

được rửa sạch axit, sản

phẩm kết tủa của quá

trình thủy phân được

nung 2 giờ ở nhiệt độ

6000C Các mẫu sản

phẩm TiO2 tương ứng với

nồng độ Ti(IV) trong các dung dịch thuỷ phân trên đây được kí hiệu là Ti-15, Ti-35, Ti-55, Ti-90 và Ti-105

Giản đồ XRD (hình 3.4) cho thấy các mẫu sản phẩm TiO2 đều có cấu trúc đơn pha anataza Tuy nhiên, độ rộng bán phổ của pic đặc trưng chính của các mẫu Ti-70, Ti-90, Ti-105 nhỏ hơn so với các mẫu Ti-15, Ti-35, Ti-55 Bên cạnh đó, sự phân tách rõ ràng các vạch nhiễu xạ (103), (004) và (112) ở

các mẫu 70, 90,

Ti-105 chứng tỏ các mẫu này

có sự phát triển mức độ

tinh thể hoá cao hơn so với

các mẫu còn lại Kết luận

tương tự cũng thu được từ

phổ Raman

Từ các số liệu của

giản đồ XRD, kích thước

tinh thể dXRD của các mẫu

TiO2 được tính toán và biểu diễn trên hình 3.5, cùng với các số liệu về diện tích bề mặt riêng SBET tương ứng Như vậy, trong quá trình điều chế TiO2 kích thước nanômét bằng phương pháp thuỷ phân dung dịch titan sulfat trong điều kiện vi sóng, với vùng nồng độ Ti(IV) trong khoảng 35-90gTiO2/l, có thể điều chế TiO2 có kích thước tinh thể trong khoảng 14-16nm với diện tích bề mặt riêng lớn hơn 48m2/g, thuận lợi cho các ứng dụng làm vật liệu xúc tác

3 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ nung đến các tính chất của TiO2: Sản phẩm của quá trình thủy phân dung dịch titan sulfat (nồng

độ 55gTiO2/l) được rửa sạch axit và sấy ở nhiệt độ 1100C Sau đó, được phân thành các mẫu riêng biệt để nung ở các nhiệt độ khác nhau: 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850 và 9000C với cùng thời gian nung là 2 giờ Kí hiệu các mẫu TiO2 tương ứng với các nhiệt độ nung trên đây lần lượt là T450, T500, T550, T600, T650, T700, T750, T800, T850 và T900 Kết quả phân tích đặc trưng của các mẫu sản phẩm TiO2 được trình bày ở bảng 3.3

Bảng 3.3: Đặc trưng của các mẫu TiO2 nung ở nhiệt độ khác nhau Mẫu

TiO2

%pha rutil dnm XRD, SmBET2/g , dnm BET, dnm TEM ,

Hình 3.9: Ảnh TEM của các mẫu TiO 2 nung 2 giờ ở nhiệt độ 450 0 C (a), 550 0 C (b) và 700 0 C (c)

kích thước tinh thể pha anataza tăng một cách đột biến với sự xuất hiện 4,4% pha rutil Bảng 3.3 cho thấy diện tích bề mặt riêng của TiO2 tăng dần khi được nung từ 4500C đến 5500C Khi nhiệt độ nung vượt quá 5500C, diện tích bề mặt riêng của các mẫu giảm theo nhiệt độ nung, đây là hậu quả của sự tăng kích thước tinh thể và sự chuyển pha của TiO2

Các ảnh TEM trên hình 3.9 cho thấy các hạt TiO2 sơ cấp có phân bố kích thước khá đồng nhất Kích thước trung bình dTEM của các hạt sơ cấp ở các nhiệt độ nung 4500C, 5500C và 7000C tính được tương ứng là 15, 20 và 25nm Các kích thước này khá phù hợp với

kích thước tinh thể tính toán từ giản đồ XRD (dXRD) Bên cạnh việc làm phát triển kích thước của các hạt sơ cấp, sự gia tăng nhiệt độ nung cũng làm tăng cường mối liên kết giữa các hạt và dẫn đến sự phát triển cấu trúc chuỗi (hình 3.9b) thành cấu trúc mạng lưới (hình 3.9c) của các hạt sơ cấp Điều đó làm hình thành cấu trúc xốp của các hạt thứ cấp, đồng thời cũng là nguyên nhân làm suy giảm diện tích bề mặt riêng của TiO2

4 Đánh giá hoạt tính quang hoá xúc tác của TiO2: Hoạt tính

quang hoá của các mẫu TiO2 (có các thông số đặc trưng được nêu trong bảng 3.3) được đánh giá thông qua hiệu quả quá trình phân huỷ quang xúc tác đối với dung dịch thuốc nhuộm azo Orange G (kí hiệu OG) Hàm lượng xúc tác sử dụng là 1gTiO2/l Nồng độ OG còn lại trong dung dịch được xác định thông qua phổ hấp thụï uv-vis Hiệu suất quang phân huỷ thuốc nhuộm OG sau 180 phút chiếu UV của các quá trình quang hoá xúc tác được trình bày trong hình 3.13

Hình 3.13: Hiệu suất phân hủy OG sau 180 phút chiếu UV của các quá trình quang hoá xúc tác được thực hiện với các mẫu TiO 2 khác nhau

trong mối tương quan với

kích thước tinh thể pha

anataza của các mẫu TiO2

Đối với các mẫu được nung

dưới 7000C, hoạt tính quang

hoá tăng dần cùng với sự

phát triển tinh thể anataza,

mặc dù sự phát triển kích

thước hạt đã dẫn đến sự giảm

diện tích bề mặt riêng của

xúc tác (bảng 3.3) Có thể

giải thích điều này như sau,

việc tăng độ tinh thể hoá đã

làm giảm đáng kể các khuyết tật trong thể khối cũng như trên bề mặt của các hạt TiO2 và dẫn tới việc hạn chế đáng kể sự tái hợp của các hạt mang điện quang sinh (e-/h+), do đó, mặc dù diện tích bề mặt riêng giảm nhưng hoạt tính xúc tác tổng cộng vẫn tăng lên Khi bắt đầu xảy ra sự chuyển pha anataza-rutil (hơn 7000C), hoạt tính quang hoá giảm nhanh chóng cùng với sự phát triển kích thước của tinh thể anataza theo nhiệt độ nung Hình 3.13 cũng cho thấy rằng, trong số các mẫu TiO2 điều chế trong điều kiện vi sóng, mẫu T650 có hoạt tính quang hoá tốt nhất với độ phân huỷ OG sau 180 phút phản ứng đạt khoảng 77% so với trường hợp của mẫu P-25 Tuy nhiên, khi chuẩn hoá hiệu suất phân huỷ OG theo diện tích bề mặt riêng của các mẫu xúc tác sử dụng, hoạt tính quang hoá của mẫu T700 lớn hơn so với mẫu T650 Hơn thế nữa, hoạt tính quang hoá xúc tác của các mẫu T650 (SBET=34,23m2/g) và T700 (SBET=29,92m2/g) có thể đạt đến 113% và 128% tương ứng so với mẫu P-25 (SBET=50 m2/g)

Chương 4: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ MỘT SỐ THUỐC NHUỘM AZO BẰNG QUÁ TRÌNH QUANG HOÁ XÚC TÁC TRÊN TiO2

Trên cơ sở vật liệu xúc tác TiO2 điều chế được trên đây, chương này nhằm nghiên cứu xử lý một số thuốc nhuộm azo trong môi

Nước điều nhiệt

Đèn UV Dung dịch phản ứng

Máy khuấy từ Hình 4.2: Mô hình thí nghiệm quá trình quang hoá xúc tác

trường nước bằng quá trình quang hoá xúc tác, bao gồm nghiên cứu động học quá trình xử lý và ảûnh hưởng của các thông số vận hành khác nhau như pH, nồng độ thuốc nhuộm, hàm lượng xúc tác đến động học quá trình quang hoá xúc tác Đồng thời, ảnh hưởng của các ion vô cơ thường tồn tại trong nước thải dệt nhuộm như SO42-, HCO3-

, Cl- và chất oxy hoá H2O2 đến hiệu quả xử lý của quá trình quang phân huỷ các thuốc nhuộm azo cũng được nghiên cứu

1 Vật liệu, mô hình và phương pháp nghiên cứu:

Vật liệu xúc tác TiO 2 : Sử dụng mẫu xúc tác T700 (100% pha

anatase, dXRD = 20nm, SBET = 30 m2/g (bảng 3.3)

Thuốc nhuộm azo: Quá trình quang hóa xúc tác được tiến hành đối

với năm mẫu thuốc nhuộm azo hoà tan trình bày trong bảng 4.1

Bảng 4.1: Các mẫu thuốc nhuộm azo nghiên cứu

Tên thuốc nhuộm

(Viết tắt)

Công thức hóa học Thành

phần azo

λmax(nm) Orange G (OG) C16H10O7N2S2Na2 monoazo 482 Yellow 2G (Y2G) C16H12Cl2N4O7S2 monoazo 412 Amido Black 10B (AB10B) C22H14N6O9S2Na2 điazo 626 Congo Red (CR) C32H22N6O6S2Na2 điazo 506 Remazol Black B (RBB) C26H21O19N5S6Na4 điazo 608

Thí nghiệm quá trình quang hoá xúc tác: Quá trình quang hoá xúc

tác được tiến hành trên mô hình phản ứng quang hoá tĩnh (hình 4.2) Trong đó, nguồn bức xạ UV-A được phát ra từ 2 đèn UV-A 15W có đỉnh bức xạ ở 360nm, được đặt ở vị trí cách 10 cm phía trên bề mặt các dung dịch phản ứng Dung dịch phản ứng được khuấy trộn liên

tục bằng máy khuấy từ trong quá trình phản ứng Các cốc phản ứng được đặt trong chậu nước làm mát với dòng nước tuần hoàn được điều nhiệt ở nhiệt độ 31±20C Trước thời điểm chiếu UV, các dung dịch huyền phù được khuấy trộn trong tối qua thời gian 1 giờ để bão hoà sự hấp phụ azo trên bề mặt TiO2 Trong quá trình chiếu UV, sau những khoảng thời gian xác định, lấy 5ml mẫu dung dịch phản ứng đem ly tâm với tốc độ 8000 vòng/phút rồi lọc qua màng lọc có kích thước lỗ 0,45µm để loại bỏ các hạt xúc tác TiO2 và đem phân tích các thông số: nồng độ azo, TOC, pH

2 Ảnh hưởng của pH ban đầu đến tính chất hấp phụ và quang hóa: Các thí

nghiệm về cân

bằng hấp phụ được

tiến hành trong các

điều kiện pH ban

đầu của dung dịch

của các thuốc

nhuộm lên TiO2

giảm khi tăng pH,

như vậy các azo

được hấp phụ tốt

nhất trong môi

trường axit và ít

hấp phụ trong môi

trường kiềm Do

điểm đẳng điện

Hình 4.3: Sự thay đổi tỉ lệ hấp phụ (%HP) và hiệu suất phân huỷ quang hoá (%QH) của các azo ở các dung dịch có pH ban đầu khác nhau Điều kiện phản ứng: C azo = 0,1mM, C TiO2 = 1g/l,

t = 90 phút

OG

0 10 20 30 40 50