Vì hạn chế của thiết bị điện hoá cũng như an toàn trong phòng thí nghiệm, thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian điện hóa chỉ được khảo sát từ 2 – 8 tiếng, khoảng[r]
(1)NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI PHÂN TÍCH CHỈ TIÊU COD PHÁT SINH TỪ PHỊNG THÍ NGHIỆM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HỐ
Ngơ Thị Thanh Diễm
Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM
Ngày gửi bài: 09/5/2016 Ngày chấp nhận đăng: 01/8/2016 TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu q trình điện hố xử lý nước thải sau phân tích tiêu COD từ phịng thí nghiệm mơi trường (gọi tắt nước thải COD) với hàm lượng kim loại nặng nghiên cứu ban đầu bao gồm Hg, Ag Cr 3.068 mg/L, 2.247 mg/L 290 mg/L Kết nghiên cứu cho thấy hiệu xử lý tốt cường độ dòng điện đạt 672 mA tương ứng với mật độ dòng điện chạy qua hệ đạt mA/cm2, mức hiệu điện 30V, tốc độ khuấy trộn 100 vịng/phút thời gian điện hố tiếng Phương pháp điện hoá xử lý nước thải COD vẫn cho kết nồng độ kim loại nặng sau xử lý cao: Hg = 355 mg/L, Ag = 238 mg/L Cr = 55 mg/L, cần thiết phải có phương pháp xử lý bậc hai để loại bỏ hoàn tồn kim loại nặng cịn lại nước thải, tái chế tái sử dụng thành phần axit nước thải, xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường trước thải bỏ Kết nghiên cứu xác định đơn giá xử lý lít nước thải COD bằng phương pháp điện hố 1.100 VNĐ
Từ khóa: nước thải phân tích COD, điện hóa, loại bỏ kim loại nặng, kết tủa hóa học
STUDY WASTEWATER TREATMENT FROM COD TEST IN LABORATORY BY ELECTROCHEMICAL
ABSTRACT
This topic was studied to wastewater treatment from COD test in laboratory by using electrochemical deposition approach with the orginal concentration of heavy metal Hg of 3,068 mg/L, Ag of 2,247 mg/L and Cr of 290 mg/L Achieving the best result with current of 672 mA, current density of mA/cm2, overall cell voltage of 30V, intensity stir of 100 r/m and electrochemical time of hours The electrochemical still high heavy metal result after treatment, as concentration of Hg reduce down to 355 mg/L, Ag 238 mg/L and Cr 55 mg/L Thus, it is nessessary for the secondary processing methods to completely remove the remaining heavy metals in waste water, recycling reusable components to meet environmental standards before discharge The study results also identified the unit price of liter of COD test wastewater treatment by electrochemical is 1,100 VND
Keywords: COD test wastewater, electrochemical, remove heavy metal, chemical precipitation 1 GIỚI THIỆU CHUNG
BOD COD hai thông số để xác định nồng độ chất hữu gây ô nhiễm nước nước thải BOD lượng oxi cần thiết cho vi sinh vật sử dụng để oxi hố chất hữu có khả phân huỷ sinh học, COD lượng oxy cần thiết để oxi hoá hợp chất hữu có nước Ưu điểm phân tích tiêu COD cho kết nhanh, chính xác so với tiêu BOD Do đó, COD khơng thay cho tiêu BOD mà sử dụng rộng rãi việc kiểm tra chất lượng nước tất giai đoạn hệ thống xử lý nước thải
Thí nghiệm kiểm tra tiêu COD liên quan đến việc sử dụng tác nhân hoá học chứa acid sulfuric (H2SO4), dichromate (Cr2O72-), bạc (Ag+) thuỷ ngân (Hg2+) cho vào
nước thải, đun hồn lưu xác định lượng Cr2O72- cịn lại bằng cách chuẩn độ với ion Fe2+
(FAS) bằng phương pháp so màu Tác nhân Cr2O72- phương pháp phân tích COD
(2)3
không lớn nước thải sau phân tích tiêu COD thường có nồng độ acid đậm đặc hàm lượng kim loại nặng độc hại cao (Ag, Hg Cr), khơng có phương pháp xử lý phù hợp gây khó khăn việc lưu trữ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng
Nước thải COD từ phịng thí nghiệm quan tâm xử lý từ lâu nước khác giới [13, 9, 18, 20, 21, 22, 26, 30] Bảng mơ tả tóm tắt mơ hình kết nghiên cứu xử lý nước thải phân tích COD từ phịng thí nghiệm số tác giả nước
Bảng 1. Các nghiên cứu ngồi nước tình hình xử lý nước thải COD
Tác giả Nội dung nghiên cứu Kết đạt Leong,
Muttamara cộng (2002)
- Phương pháp kết tủa hoá học, trao đổi ion hấp thụ bằng chitosan
- Nồng độ ban đầu: 375 mg/L Cr, 1740 mg/L Hg 993 mg/L Ag
- Kết tủa hóa học: 2,34 mg/L Cr, 3,65 mg/L Hg 1,89 mg/L Ag - Trao đổi ion: 0,59 mg/L Cr, 3,92
µg/L Hg 0,65 mg/L Ag, với vận tốc trao đổi 20mL/phút - Cột Chitosan: 0,76 mg/L Cr, 6,04
mg/L Hg 0,51 mg/L Ag, với HRT = 2-4 ngày
Orathai
Chavaiparit cộng (2007)
- Hóa chất kết tủa hữu cơ: dithiocarbamates với liều lượng 3,3g/g Hg 1,53g/g Ag
- Nồng độ ban đầu: 201, 182, 46,4 138 mg/L cho Hg, Ag, Cr Fe nồng độ pH = 0,3
- Nồng độ kim loại nặng sau xử lý 0,001, 0,07, 01 mg/L cho Hg, Ag, Cr Fe 0,3 mg/L pH = 8,5
Anawat Pinisakul Chinapong Kritayakornupong (2008)
- Sử dụng pp điện hóa - Điện cực sắt
- Các thông số tối ưu: pH = 3,0-3,5; U = 10V; thời gian 4h
- Ag, Cr, Fe đạt tiêu chuẩn xả thải Hg vẫn cao
Dallago, Luccio cộng (2008)
- Phương pháp hóa lý
- Sử dụng hóa chất kết tủa khác nhau: ion Cl-, Br-, I- S- cho Hg, Ag NaOH, NH4OH, NaHCO3 cho Cr Fe
- Hiệu thu hồi Ag Hg tốt với việc sử dụng ion Cl- S- Cr Fe loại bỏ tốt dạng kết tủa với dung dịch NaOH
Djaenudin dan Mindriany Syafila (2009)
- Sử dụng pp điện hóa - Anode (platin): 1x1cm2 - Cathode (đồng): x cm2
- Khoảng cách tối ưu hai điện cực 5cm, U=6V thu hồi 47,19% Ag
Qua Bảng cho thấy việc sử dụng số phương pháp kết tủa hóa học, trao đổi ion, hấp thụ, màng lọc điện hoá xử lý nước thải COD đạt kết mong muốn Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp có chi phí đầu tư cao tốn nhiều hóa chất vận hành phức tạp Vào năm gần đây, có số nghiên cứu xử lý theo hướng thu hồi bằng phương pháp đại gây nhiễm phương pháp điện hoá, màng lọc… Đây bước tiến quan trọng có ý nghĩa tích cực việc bảo vệ môi trường bảo vệ nguồn tài nguyên khoáng sản ngày cạn kiệt
(3)hợp chất hữu khó phân huỷ Đối với nước thải chứa hàm lượng kim loại nặng người ta vẫn ưu tiên dùng phương pháp kết tủa, ưu điểm phương pháp rẻ, dễ vận hành nhiên nhược điểm lớn phương pháp kết tủa tạo chất thải thứ cấp (bùn) cần phải tiếp tục xử lý trước thải môi trường [12] Với tình hình tài ngun khống sản ngày khan hiếm, việc xử lý nước thải theo hướng thu hồi kim loại có giá trị có ý nghĩa môi trường kinh tế xã hội
Như vậy, phương pháp điện hố thích hợp để xử lý loại nước thải có nồng độ kim loại nặng cao, với nồng độ lớn 1g/L [8] Trong nước thải COD tồn ion kim loại Hg, Ag Crở nồng độ cao, nồng độ acid sulfuric đậm đặc môi trường điện ly thích hợp cho phương pháp điện hóa Do đó, nghiên cứu sử dụng phương pháp điện hóa với điện cực trơ làm bằng titan để xử lý nước thải COD vừa thu hồi thành phần kim loại có giá trị kinh tế vừa xử lý nước thải COD bảo đảm đạt tiêu chuẩn mơi trường thải bỏ ngồi mơi trường
2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Thành phần nước thải
Thành phần ô nhiễm nước thải đầu vào mô tả Bảng cho thấy, hàm lượng kim loại nặng nước thải cao, tương ứng 3.068 mg/L với Hg, 2.247 mg/L với Ag Cr 290 mg/L so sánh với QCVN 07:2009/BTNMT quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia ngưỡng chất thải nguy hại chúng vượt gấp nhiều lần so với ngưỡng kim loại nặng độc hại quy định nghiêm ngặt thải bỏ
Bảng 2. Thành phần kim loại nặng nước thải đầu
2.2 Mơ hình nghiên cứu
Mơ hình thí nghiệm nghiên cứu hệ mơ tả Hình 1, gồm có năm phận: (1) thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều, (2) điện cực trơ - titan, có kích thước 5cm x 10cm, (3) bể điện hoá, (4) ampe kế (5) thiết bị khuấy từ
Chỉ tiêu Hàm lượng (mg/L) QCVN 07:2009/BTNMT
Hg 3.068
Ag 2.247
Cr6+ 290
(4)5
Quá trình điện hoá xử lý nước thải COD theo hướng thu hồi kim loại Hg, Ag chia làm giai đoạn khảo sát:
- Giai đoạn 1: Thí nghiệm thăm dị q trình xảy bể điện hố, gồm thí nghiệm bản:
+ Xây dựng đường đặc tính vơn – ampe kế dung dịch COD thải + Xác định mối quan hệ I d
- Giai đoạn 2: Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng đến hiệu thu hồi kim loại: + Khảo sát U thay đổi mật độ dịng điện
+ Thời gian điện hóa
Sau mẻ xử lý tiến hành kiểm tra pH, nhiệt độ dung dịch Lấy 10mL mẫu, lọc mẫu pha lỗng 10 lần trước phân tích tiêu KLN gồm Ag, Hg Cr [12] Để đảm bảo thể tích làm việc bể xử lý, sau lấy mẫu cần bổ sung thêm nước cất vào bể [3]
3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Thí nghiệm xác định đường đặc tính vơn-ampe kế dung dịch COD thải
Thí nghiệm thực bằng cách cố định khoảng cách hai điện cực (d = cm), điều chỉnh giá trị hiệu điện dao động: U = 5, 10, 15, 20, 25 30 V sử dụng ampe kế mắc nối tiếp vào dòng diện để xác định cường độ dòng điện I chạy qua hệ Kết thí nghiệm Hình cho thấy tăng hiệu điện cường độ dịng điện tăng theo
Hình 2: Biểu đồ xác định đường đặc tính vơn-ampe kế nước thải COD
Q trình điện hóa diễn nhanh mãnh liệt tăng giá trị hiệu điện Tuy nhiên hiệu điện tăng cao sản phẩm bám điện cực không chắc, lỏng lẻo, dễ rơi trở lại dung dịch thải Đây thông số ban đầu để lựa chọn hiệu điện cường độ dịng điện tối ưu sử dụng cho mơ hình điện hóa xử lý nước thải COD
11.4 54.5
155.6
297.5 365.1
486.3
0 100 200 300 400 500 600
5 10 15 20 25 30
I (mA)
(5)3.2 Thí nghiệm xác định mối quan hệ I khoảng cách điện cực
Hình 3: Biểu đồ xác định mối quan hệ I d
Tương tự thí nghiệm 1, thí nghiệm thực bằng cách cố định hiệu điện hai điện cực (lấy U = 15V), điều chỉnh khoảng cách hai điện cực: d = 5, 10 15 cm sử dụng ampe kế mắc nối tiếp vào dòng diện để xác định cường độ dịng điện I chạy qua hệ Kết thí nghiệm cho thấy tăng khoảng cách điện cực cường độ dịng điện có xu hướng giảm cường độ dòng điện đạt cao khoảng cách điện cực cm Và nhận thấy điều chỉnh khoảng cách điện cực cường độ dịng điện ít thay đổi, tác giả bỏ qua yếu tố khoảng cách ảnh hưởng đến hiệu xử lý lấy cố định khoảng cách hai điện cực 5cm cho tất thí nghiệm
3.3 Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng đến hiệu q trình điện hố kim loại
Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình điện hóa xử lý dung dịch thải COD bao gồm: (1) mật độ dòng điện, (2) thời gian điện hóa (3) tốc độ khuấy trộn Bảng xác định thông số ảnh hưởng đến hiệu q trình điện hóa xử lý nước thải
Bảng 3: Thí nghiệm xác định hiệu trình
Dựa theo kết thí nghiệm Hình cho thấy điều chỉnh khoảng cách điện cực cường độ dịng điện ít thay đổi, tác giả bỏ qua yếu tố khoảng cách ảnh hưởng đến hiệu xử lý lấy cố định khoảng cách hai điện cực 5cm cho tất thí nghiệm Với giá trị mật độ dịng điện i sử dụng mơ hình dao động từ 10 mA/cm2, giá trị cường độ dòng điện I tương ứng tính theo công thức I = i*S với i mật độ dòng điện (mA/cm2) S tiết diện điện cực sử dụng (cm) trình bày Bảng
Bảng 4: Cường độ dịng điện tính tốn tương ứng với giá trị mật độ dòng điện chọn trước
Thơng số Giá trị
Mật độ dịng điện, i (mA/cm2) 10
166.7
159.7
157.2
150 155 160 165 170
5 10 15
I (
m
A)
d (cm)
Thông số Giá trị
Mật độ dòng điện, i (mA/cm2) 10
Thời gian, t (giờ) 2, 4, 6,
Tốc độ khuấy trộn, n (vòng/phút)
(6)7
3041 2940
2736
2263
2237 2309 2201
2151
283 270 269 254
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
115 168 336 504
N
ồn
g
độ
KLN
(m
g/
L
)
I (mA)
Hg Ag Cr
3.3.1 Ảnh hưởng mật độ dòng điện
Với chất điện ly (dung dịch thải COD), nồng độ ban đầu, khoảng cách điện cực, thời gian điện phân, cường độ dòng điện phụ thuộc chủ yếu vào hiệu điện hai điện cực Hiệu khử kim loại tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện hay mật độ dòng điện sử dụng hệ
Hình 4: Ảnh hưởng mật độ địng điện đến hiệu điện hóa
Mật độ dòng điện lớn, lượng ion chuyển điện cực nhiều, phản ứng bề mặt điện cực xảy nhanh, lượng kim loại bám cathode nhiều màu dung dịch nhạt so với ban đầu
Tuy nhiên, mật độ dòng tăng cao đồng thời oxi giải phóng anode hồ tan vào dung dịch nhiều, khả phá vỡ cặn kết tủa bám cathode lớn giảm hiệu thu hồi kim loại phát sinh nhiều nhiệt Căn vào kết thí nghiệm cho thấy, ứng với thời gian điện hoá cho hiệu khử ion kim loại đạt tốt i mA/cm2
tương ứng với cường độ dòng điện đạt 672 mA U 30V 3.3.2 Ảnh hưởng thời gian điện hoá
(7)1950 355 670 1002 238 224 290
55 52
0 500 1000 1500 2000 2500
0 100 200
N ồn g độ KLN (m g/ L )
Tốc độ khuấy trộn (vòng/phút)
Hg Ag Cr
Hình 5a: Ảnh hưởng thời gian điện hóa
đến hiệu xử lý ứng với giá trị U = 15V, I = 168 mA
Hình 5b: Ảnh hưởng thời gian điện hóa
đến hiệu xử lý ứng với giá trị U = 20V, I = 336 mA
Hình 5c: Ảnh hưởng thời gian điện hóa đến hiệu xử lý ứng với giá trị U = 25V, I = 504 mA
Hình 5d: Ảnh hưởng thời gian điện hóa đến hiệu xử lý ứng với giá trị U = 30V, I = 672mA 3.3.3 Ảnh hưởng tốc độ khuấy trộn
Cường độ khuấy trộn ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, khả thoát khí, tốc độ dịch chuyển ion điện ly, phân bố ion bề mặt điện cực, … Dựa kết khảo sát thí nghiệm xác định ảnh hưởng thơng số cường độ dịng điện, hiệu điện thời gian điện hóa, thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng chế độ khuấy trộn đến trình điện hóa thực với ba điều kiện: (1) khơng khuấy trộn, (2) khuấy trộn 100 vòng/phút, (3) khuấy trộn 200 vịng/phút
Kết thí nghiệm Hình cho thấy, hiệu khử kim loại phụ thuộc vào tốc độ khuấy trộn Khi tăng tốc độ khuấy trộn hiệu khử kim loại dung dịch thải COD tăng Tuy nhiên, kết thí nghiệm cho thấy cường độ khuấy trộn tăng cao (n = 200 vòng/phút), khả dính bám kim loại kết tủa cathode giảm nồng độ kim loại
3041 2954
2590 1905 2237 1904 1740 1201
283 270 234 190
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
2
N ồn g độ KLN (m g/ L )
Thời gian điện hoá (giờ)
Hg Ag Cr 2940 1310 1130 2309
433 375
420 270
259 155 160
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
2
N ồn g độ KLN (m g/ L )
Thời gian điện hoá (giờ)
Hg Ag Cr
2736 2201
415 405 405
269 221 230 155
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
2
N ồn g độ KLN (m g/ L )
Thời gian điện hoá (giờ)
Hg Ag Cr 2263 1600 355 2151 360
295 238
254 201 114
55 500 1000 1500 2000 2500
2
N ồn g độ KLN (m g/ L )
Thời gian điện hoá (giờ)
Hg Ag Cr