Báo cáo " Phân hủy toluen trong dung dịch bằng phương pháp siêu âm kết hợp với H2O2 "

Trong nghiên cứu này toluen được phân hủy bằng phương pháp siêu âm kết hợp với H2O2. Các thông số tối ưu và hiệu quả của quá trình xử lý được đánh giá. Thí nghiệm được tiến hành với máy siêu âm Bandelin Sonorex ở tần số 35 kHz với nồng độ toluen ban đầu 41ppm. Lượng H2O2 thêm vào tương ứng là 0; 34; 85; 170; 238; 340 và 510ppm. Ảnh hưởng của pH dung dịch được khảo sát với các giá trị 3; 6 và 10. Kết quả cho thấy sự phân hủy toluen đạt hiệu quả cao...

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 147-153 Phân hủy toluen dung dịch phương pháp siêu âm kết hợp với H2O2 Nguyễn Thị Hà1,*, Lưu Minh Loan1, Nguyễn Quang Trung2, Ngô Vân Anh1 Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Viện Công nghệ Môi trường, Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam, 18 Hồng Quốc Việt, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 21 tháng năm 2009 Tóm tắt Trong nghiên cứu toluen phân hủy phương pháp siêu âm kết hợp với H2O2 Các thơng số tối ưu hiệu q trình xử lý đánh giá Thí nghiệm tiến hành với máy siêu âm Bandelin Sonorex tần số 35 kHz với nồng ñộ toluen ban ñầu 41ppm Lượng H2O2 thêm vào tương ứng 0; 34; 85; 170; 238; 340 510ppm Ảnh hưởng pH dung dịch ñược khảo sát với giá trị 3; 10 Kết cho thấy phân hủy toluen ñạt hiệu cao tăng lượng H2O2 pH tối ưu Sau 120 phút phản ứng, hiệu phân hủy toluen ñạt 45,1% ứng với hàm lượng H2O2 170ppm, cao so với khơng có mặt H2O2 (chỉ ñạt 27,6%) Các kết nghiên cứu ñộng học cho thấy phân hủy toluen tn theo phương trình động học bậc 1 Mở ñầu∗ lượng Phương pháp hấp phụ cần vốn đầu tư lớn, chi phí vận hành cao gây nhiễm Phương pháp hấp thụ ngưng tụ giới hạn xử lý VOCs nồng ñộ thấp Do việc tìm phương pháp hiệu để phân hủy hợp chất cần thiết Các phương pháp oxy hóa tiên tiến (AOPs) sử dụng để oxy hóa hợp chất hữu bền vững mơi trường Các phương pháp liên quan đến tạo thành gốc tự đóng vai trị chất oxy hóa mạnh Một số phương pháp oxy hóa tiên tiến sử dụng phương pháp oxy hóa điện hóa, sử dụng O3, phản ứng quang Fenton phương pháp siêu âm [4-6] Trong nghiên cứu toluen ñược phân hủy phương pháp siêu âm kết hợp với H2O2 Ưu ñiểm phương pháp khả loại bỏ toluen cao, không ảnh hưởng ñến Toluen VOCs ñược sử dụng phổ biến nhiều ngành cơng nghiệp hóa chất, hóa dầu, sơn, v.v Sự có mặt toluen môi trường nguồn phát thải gây ô nhiễm cho nguồn tiếp nhận ảnh hưởng ñến sức khỏe người bị phơi nhiễm độc tính bền vững toluen môi trường Các phương pháp loại bỏ toluen truyền thống thiêu ñốt, hấp phụ, hấp thụ ngưng tụ Tuy nhiên phương pháp có nhiều nhược điểm Phương pháp thiêu ñốt phải ñược thực nhiệt ñộ cao, địi hỏi nhiều _ ∗ Tác giả liên hệ ĐT: 84-4-35583306 E-mail: nguyenthiha@hus.edu.vn 147 148 N.T Hà nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 147-153 môi trường chi phí thấp so với phương pháp khác [2] Các yếu tố ảnh hưởng ñến hiệu loại bỏ toluen phương pháp siêu âm kết hợp với H2O2 nồng ñộ ban ñầu toluen, giá trị pH lượng H2O2 bổ sung ñược nghiên cứu Động học phản ứng phân hủy ñược khảo sát với hệ thống quy mơ phịng thí nghiệm Phương pháp nghiên cứu Hóa chất, thiết bị: Dung dịch toluen 41ppm (trong nước cất), axetonitril: Merck 99.9%, Bình phản ứng dung dịch H2O230%, d=1,11g/ml Axit photphoric H3PO4, HClO4 để chỉnh pH tạo mơi trường axít cho pha ñộng máy HPLC, dung dịch NaOH; KOH 20% ñể chỉnh pH Hệ thí nghiệm phân hủy toluene (hình 1): Nồng ñộ ban ñầu dung dịch toluen nghiên cứu 41ppm với thể tích dung dịch 200ml Bổ sung H2O230% ñể có nồng ñộ H2O2 tương ứng dung dịch 0; 34; 85; 170; 238; 340 510ppm Sau ñó dung dịch ñược ñưa vào máy siêu âm tần số 35 kHz pH khảo sát với giá trị 3, 10 (ñiều chỉnh dung dịch HClO4 NaOH) Máy siêu âm Dung dịch toluen, H 2O Hình Mơ hình hệ thí nghiệm xử lý toluen Phân tích toluene: Toluen phân tích máy sắc ký lỏng hiệu nâng cao Shimadzu10ADvp (model 2010) với Detector SPD M10Avp (Detector UV-Vis): Sử dụng cột Supelco LC 18 ; hỗn hợp pha ñộng: Axetonitril/Nước: 50/50 (v/v) + 0,1% HClO4 + 0,0 5% H3PO4; tốc ñộ dịng: 1mL/phút; Bước sóng hấp thụ cực đại: 260nm; Nhiệt độ lị cột: 33oC; Thể tích mẫu bơm: 10µL; Nhiệt ñộ làm lạnh hệ bơm mẫu: 40C; Thời gian lưu: 11 phút Kết thảo luận Ảnh hưởng pH: Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng pH đến q trình phân hủy toluen (C0=41 ppm) khoảng thời gian 120 phút với giá trị pH 3; 10 (xem hình 2, 3) 149 N.T Hà nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 147-153 45 -0.1 40 ln([toluen]t/[toluen]0) Hiệu phân hủy toluen (%) Thời gian (phút) 50 35 30 25 20 15 pH 10 pH 30 60 90 120 -0.2 -0.3 pH -0.4 pH -0.5 pH 10 -0.6 pH 10 -0.7 0 30 60 90 120 Thời gian (phút) Hình Hiệu phân hủy toluen giá trị pH khác Ảnh hưởng nồng độ toluen (C0): Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng nồng ñộ ban ñầu toluen (thay ñổi khoảng 11; 21; 27; 41; 54 94 ppm) ñến trình phân hủy toluen hệ siêu âm thời gian 120 phút, nồng ñộ H2O2 170ppm, pH = Mẫu 6.0E-03 5.0E-03 k khả kiến (1/phút) Kết hình 2, cho thấy điều kiện thí nghiệm hiệu đạt cao giá trị pH Điều giải thích pH =6, toluen tồn dạng phân tử, ngược lại điều kiện axít kiềm toluen thường tồn dạng ion (C6H5CH2+) [3] Khi môi trường axit, ion (C6H5CH2+) không bay vào khoảng khơng gian bên bọt khí bám vào bên xung quanh bọt tham gia phản ứng gốc tự (●OH) cơng Trong pH = phân tử toluen lại dễ dàng phân tán vào khoang chứa bọt phản ứng bên phản ứng nhiệt phân (nhiệt sinh từ trình siêu âm) bên với gốc ● OH phản ứng oxy hóa Do hiệu phân hủy ñạt cao Điều phù hợp với cơng trình nghiên cứu trước [24] ñộng học phản ứng phân hủy Ở pH trung tính, số tốc ñộ k phản ứng phân hủy toluen gốc ●OH 5,1 × 109 (L mol−1 s−1), pH=3 k=3,0×109 (L mol−1 s−1) 4.0E-03 3.0E-03 2.0E-03 1.0E-03 0.0E+00 pH 10 12 Hình Sự biến thiên hệ số phản ứng k theo giá trị pH khác ñược lấy liên tục theo thời gian thu ñược kết sau (hình 4, 5) Hình cho thấy mức ñộ phân hủy toluen phụ thuộc rõ rệt vào nồng ñộ toluen ban ñầu Đồ thị hiệu phân hủy toluen giảm nồng ñộ ñầu vào tăng, ñồng thời khoảng thời gian ñầu phản ứng (60 phút ñầu) nồng ñộ toluen giảm ñáng kể hiệu phân hủy tăng nhanh ñạt khoảng 70% với nồng ñộ ban ñầu 11ppm Q trình tn theo phương trình động học bậc 150 N.T Hà nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 147-153 Thời gian (phút) 100 11 ppm 90 -0.1 80 ln([toluen]t/[toluen]0) %toluenbị phânhủy ttt 21 ppm 27 ppm 41 ppm 70 54 ppm 60 94 ppm 50 40 30 120 -0.5 -0.6 -0.8 -0.9 90 90 -0.4 10 60 60 -0.3 -0.7 30 30 -0.2 20 0 11 ppm 21 ppm 27 ppm 41 ppm 54 ppm 94 ppm 120 Thời gian (phút) Hình Hiệu phân hủy toluen theo thay ñổi nồng ñộ ban ñầu 0.4 0.35 12 0.25 1/V0 (L phú t/m g ) V0 (mg/l.phút) 0.3 10 0.2 0.15 0.1 y = 89.321x + 1.6324 0.05 0 20 40 0.05 1/C0 (L/m g) 60 80 100 Nồng ñộ toluen ban ñầu (ppm) 0.1 120 140 Hình Sự biến thiên tốc độ phản ứng V0 theo thay ñổi nồng ñộ toluen ban ñầu Tốc ñộ phản ứng, V0 ñược xác ñịnh cho thấy mối tương quan với nồng ñộ toluen ban ñầu tn theo phương trình động học Langmuir-Hinshelwood (LH) với hệ số kLH = 0,61 mg/L.phút KLH = 0,018 L/mg Ảnh hưởng nồng độ H2O2: Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng nồng ñộ H2O2 (trong khoảng 0-510ppm) ñến phân hủy toluen hệ siêu âm thời gian 120 phút, nồng ñộ toluen ban ñầu 41ppm, pH dung dịch 151 N.T Hà nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 147-153 xử lý lại giảm dần Hệ số tốc ñộ khả kiến k ñạt giá trị tối ưu nồng ñộ chất oxy hóa H2O2 170ppm Khi thêm H2O2 tăng cường phản ứng nhờ khả giữ electron tạo gốc hydroxyl nhờ tạo lỗ hổng theo phương trình đây: = Lấy mẫu liên tục theo khoảng thời gian, thu ñược kết hình 6, Hình cho thấy tốc ñộ phân hủy toluen tăng theo lượng H2O2 cách rõ rệt tăng nồng ñộ H2O2 khoảng 34 ñến 170ppm Sau ñó tiếp tục tăng nồng ñộ H2O2 hiệu Thời gian (phút) 40 35 34 ppm 85 ppm 170 ppm 238 ppm 340 ppm 510 ppm 30 30 60 -0.1 ln ([to lu en ]t/[to lu en ]0) ppm 45 25 20 15 10 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 0 ppm 85 ppm 238 ppm 510 ppm 34 ppm 170 ppm 340 ppm -0.7 30 60 90 Thời gian (phút) 120 Hình Hiệu phân hủy toluen hệ siêu âm có mặt H2O2 6.0E-03 Hệsốkhảkiến(1/phút) H iệu q u ả p h ân h ủ y to lu en (% ) 50 5.0E-03 4.0E-03 3.0E-03 2.0E-03 1.0E-03 0.0E+00 200 400 600 Nồng độ H2O2 (ppm ) Hình Sự biến thiên hệ số khả kiến k theo thay ñổi nồng ñộ H2O2 90 120 152 N.T Hà nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 147-153 hv (siêu âm) H2O2 + hν → •OH H2O2 + HO2 • ↔ H2O2 → H + HO2 + • OH + H2O + O2 - H2O2 + H• → H2O + •OH 2H2O2 → 2H2O + O2 Tuy nhiên lượng H2O2 dư, hoạt động lỗ hổng giữ gốc hydroxyl ức chế phân hủy toluen H2O2 phản ứng với gốc hydroxyl ñể tạo thành gốc pehydroxyl, chất oxy hóa yếu theo phương trình sau: • OH + H2O2 → HO2• + H2O Kết thu hồn tồn phù hợp với nghiên cứu trước giải thích chế phản ứng gốc [1, 7, 8] Kết luận Từ kết nghiên cứu thu đưa số kết luận sau: pH tối ưu cho phân hủy toluen pH với hiệu suất ñạt 45,1%, nồng độ toluen giảm từ 41ppm xuống cịn 22,5ppm sau 120 phút kết hợp sử dụng H2O2 với siêu âm Ảnh hưởng nồng ñộ toluen ban ñầu ñến phân hủy toluen rõ rệt 60 phút đầu phản ứng Động học q trình phân hủy toluen tn theo phương trình động học bậc Nồng ñộ H2O2 tối ưu cho hệ phản ứng 170ppm Khi tăng nồng ñộ H2O2 >170 ppm hiệu phân hủy toluen giảm Kết hoàn toàn phù hợp với chế lý thuyết công trình cơng bố Tài liệu tham khảo [1] A Maleki, A H Mahvi, F Vaezi, R Nabizadeh, Ultrasonic degradation of phenol and determination of the oxidation by-products toxicity, Iran J Environ Health Sci Eng, V 2, No (2005), pp 201-206 [2] Jih-Gaw Lin, Cheng-Nan Chang, Jer-Ren Wu, Decomposition of 2-Chlorophenol in aqueous solution by ultrasound/H2O2 process, Wat Sci Tech V 33, No (1996), pp 75-81 [3] Jih-Gaw Lin, Cheng-Nan Chang, Jer-Ren Wu and Ying-Shih Ma Enhancement of decomposition of 2-Chlorophenol with ultrasound/H2O2 process, Wat Sci Tech V 34, No (1996), pp 41-48 [4] Nguyễn Quang Trung, Nguyễn Thế Đồng, Nguyễn Thị Hà, Đỗ Thị Cẩm Vân Phân hủy diclofenac xúc tác quang hóa kết hợp với siêu âm, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ, V.24, No.1S (2008), pp 197-203 [5] Parag R Gogate, “Treatment of wastewater streams containing phenolic compounds using hybrid techniques based on cavitation: A review of the current status and the way forward”, Ultrasonics Sonochemistry, (2008), pp 1-15 [6] Praveena Juliya Dorathi Ranjit, Kandasany Palanivelu, and Chang-Soo Lee, “Degradation of 2,4-dichlorophenol in aqueous solution by sonoFenton method”, Korean J Chem Eng., V 25, No.1 (2008), pp 112-117 [7] Sadao Matsuzawa, Jun Tanaka, Shinya Sato, Takashi Ibusuki, “Photocatalytic oxidation of dibenzothiophenes in acetonitrile using TiO2: effect of hydrogen peroxide and ultrasound irradiation”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry V.149, No.1-3 (2001), pp 183-189 [8] Yakov Yasman, Valery Bulatov, Vladimir V.Gridin, Sabina Agur, Noah Galil, Robert Armon, Israel Schechter, “A new sonoelectrochemical method for enhanced deoxification of hydrophilic chloroorganic pollutants in water”, Ultrasonics Sonochemistry, V.11, No.6 (2004) , pp 365-372 N.T Hà nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 147-153 153 Degradation of toluene in aqueous solution by ultrasound/H2O2 process Nguyen Thi Ha1, Luu Minh Loan1, Nguyen Quang Trung2, Ngo Van Anh1 Department of Environmental Science, Hanoi University of Science, VNU 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Institute of Environmental Technology, Vietnamese Academy of Science and Technology, 18 Hoang Quoc Viet, Hanoi, Vietnam In this study, toluene was degraded by ultrasound in the presence of hydro peroxide (H2O2) The optimal conditions for experiment were investigated in the Bandelin Sonorex ultrasound meter with the frequency of 35kHz, the initial concentration of toluene 41ppm The content of H2O2 (30% initial solution) added was 0; 34; 85; 170; 238; 340 and 510ppm, respectively The influence of pH was studied with the values of 3; and 10 The findings showed that, degradation of toluene increased with the increasing of H2O2 contents at pH value of After 120 minutes the degradation efficiency reached 45.1% with the H2O2 content of 170ppm This efficiency was significant greater than that in the absent of H2O2 (27.6%) The results of kinetic study found the toluene degradation process was followed the 1st kinetic  ... trường chi phí thấp so với phương pháp khác [2] Các yếu tố ảnh hưởng ñến hiệu loại bỏ toluen phương pháp siêu âm kết hợp với H2O2 nồng ñộ ban ñầu toluen, giá trị pH lượng H2O2 bổ sung ñược nghiên... tương ứng dung dịch 0; 34; 85; 170; 238; 340 510ppm Sau dung dịch đưa vào máy siêu âm tần số 35 kHz pH khảo sát với giá trị 3, 10 (ñiều chỉnh dung dịch HClO4 NaOH) Máy siêu âm Dung dịch toluen, ... ñộ toluen giảm từ 41ppm xuống 22,5ppm sau 120 phút kết hợp sử dụng H2O2 với siêu âm Ảnh hưởng nồng ñộ toluen ban ñầu ñến phân hủy toluen rõ rệt 60 phút ñầu phản ứng Động học trình phân hủy toluen