Nghiên cứu thiết kế mô hình công nghệ oxi hóa bậc cao fenton hấp thụ xử lý nước thải mực in nhà xuất bản đại học công nghiệp phục vụ giảng dạy môn thực hành xử lý nước thải

BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG – Tháng 11/2020 BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế mơ hình cơng nghệ Oxi hóa bậc cao Fenton– Hấp phụ xử lý nước thải mực in Nhà xuất Đại học Công nghiệp phục vụ giảng dạy Môn thực hành xử lý nước thải Mã số đề tài: 171.4021 Chủ nhiệm đề tài: Vũ Đình Khang Đơn vị thực hiện: Viện Khoa học Công nghệ Quản lý mơi trường Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2020 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 LỜI CẢM ƠN Đề tài cấp sở “Nghiên cứu thiết kế mơ hình cơng nghệ Oxi hóa bậc cao Fenton– Hấp phụ xử lý nước thải mực in Nhà xuất Đại học Công nghiệp phục vụ giảng dạy Môn thực hành xử lý nước thải” thực hỗ trợ kinh phí từ trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM Chúng xin chân thành cảm ơn Ban giám Hiệu, Ban lãnh đạo Viện Khoa học Cơng nghệ Quản lý Mơi trường, Phịng Quản lý Khoa học hợp tác Quốc tế tạo điều kiện cho thực nghiên cứu BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thơng tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế mơ hình cơng nghệ Oxi hóa bậc cao Fenton– Hấp phụ xử lý nước thải mực in Nhà xuất Đại học Công nghiệp phục vụ giảng dạy Môn thực hành xử lý nước thải 1.2 Mã số: 171.4021 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên Đơn vị công tác (học hàm, học vị) Vai trò thực đề tài ThS Vũ Đình Khang Viện KHCN&QLMT Chủ nhiệm đề tài ThS Bùi Thị Ngọc Phương Viện KHCN&QLMT Tham gia Sinh viên Viện KHCN&QLMT Tham gia (sinh viên) Sinh viên Viện KHCN&QLMT Tham gia (sinh viên) 1.4 Đơn vị chủ trì: 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 03 năm 2017 đến tháng 03 năm 2018 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 03 năm 2019 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 03 năm 2017 đến tháng 03 năm 2019 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): (Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến Cơ quan quản lý) 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 50 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Nước thải mực in chứa đa dạng thành phần chất ô nhiễm bao gồm chất hữu có tính bền cao chất vô tạo màu Các chất gọi pigment hữu vô khó xử lý phương pháp sinh học truyền thống [1, 2, 3, 4] Phương pháp oxi hoá bậc cao Fenton đồng thể phương pháp hoá học có khả xử lý hiệu nguồn thải có đặc tính bền Tuy nhiên phương pháp hoá học ứng dụng xử lý nước thải ln gây tốn đáng kể chi phí vận hành phải sử dụng nhiều hoá chất tốn lượng vận hành BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 Nghiên cứu giải pháp xử lý nước thải mực in xưởng in trường Đại học Cơng nghiệp với mục đích thiết kế mơ hình với giải pháp thiết kế giúp hoà trộn tối đa tạo điều kiện tiếp xúc hố chất với nhằm thức đẩy q trình phản ứng xảy hoàn toàn tiết kiệm Ngoài giải pháp thiết kế tập trung nghiên cứu ứng dụng lượng thuỷ lực để hồ trộn hố chất nhằm giảm tối đa nguồn lượng điện sử dụng cho thiết bị khuấy trộn Nghiên cứu thành cơng mơ hình làm sở tư vấn giải pháp quy trình cơng nghệ xử lý nước thải xưởng in Nhà xuất Đại học Công nghiệp tương lai Khả xử lý nguồn nước thải từ hoạt động giảng dạy, nghiên cứu trường đại học có nghĩa lớn bước hạn chế tối đa nguồn thải ô nhiễm vào môi trường Đây sách chung tiêu chí cần thiết đánh giá chất lượng hoạt động trường học Hiện nay, mức độ đầu tư sở vật chất cho hoạt động giảng dạy phục vụ giảng dạy Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh ngày trọng phát triển Các mơ hình phục vụ giảng dạy nghiên cứu khoa học phòng thực hành ngày đa dạng phong phú Tuy nhiên, mơ hình thực hành xử lý nuớc thải ln tình trạng sử dụng tải thời điểm cao điểm giảng dạy Mật độ sử dụng cao, chất lượng mô hình thực hành xử lý nước thải hai yếu tố gây trở ngại ảnh hưởng đến hiệu chất lượng đào tạo Nghiên cứu thiết kế thành cơng mơ hình oxi hố bậc cao Fenton- Hấp phụ khơng xác định giải pháp xử lý nước thải từ xưởng in hiệu mà quan trọng cịn ứng dụng vào giảng dạy môn thực hành Viện Khoa học Công nghệ quản lý mơi trường Mơ hình nghiên cứu, thiết kế ứng dụng hiệu sản phẩm có tương tác nghiên cứu thành viên Viện Khoa học công nghệ Quản lý môi trường hỗ trợ tư vấn khí từ Khoa Cơ khí Liên kết đào tạo nghiên cứu khoa học đơn vị xu hướng hợp tác ln khuyến khích nhằm nâng cao tính lên kết thoả mãn tính hỗ trợ chiến lược phát triển chất lượng đào tạo Mục tiêu 2.1 Mục tiêu tổng qt: Nghiên cứu thiết kế mơ hình Oxi hoá bậc cao Fenton- Hấp phụ xử lý nước thải mực in xưởng in trường Đại học Công nghiệp TP.HCM; ứng dụng mơ hình cơng BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 nghệ phục vụ giảng dạy môn Thực hành xử lý nước thải Viện Khoa học Công nghệ Quản lý Môi trường 2.2 Mục tiêu cụ thể: - Xác định số vận hành mơ hình đạt hiệu xử lý nước thải mực in tối ưu; ứng dụng vào thiết kế mơ hình ứng dụng; - Thiết kế lắp đặt mơ hình cơng nghệ Oxi hố bậc cao Fenton- Hấp phụ xử lý nước thải mực in (nguồn nước thải từ xưởng in trường Đại học Công nghiệp TP.HCM), cơng suất thiết kế Q = 10 lít/h Mơ hình có khả tích hợp với mơ hình Thực hành xử lý nước thải khác ứng dụng vào dạy thực hành xử lý nước thải ngành Công nghệ kỹ thuật môi trường; Tổng quan mực in nước thải mực in 3.1 Thành phần, tính chất phân loại mực in Mực in hệ phân tán gồm pigment (chất phân tán) đóng vai trò tạo màu cho mực in chất dầu liên kết (môi trường phân tán) giữ cho mực in có đặc tính in cần thiết Ngồi mực in cịn có chất phụ gia điều chỉnh tính chất khác cho mực in độ nhớt, tốc độ khô  Thành phần mực in  Chất tạo màu (Pigment): Tạo màu sắc cho mực in.Pigment chất màu có kích thước nhỏ, khơng tan nước dung môi thông thường Pigment thuờng sử dụng làm chất tạo màu cho mực in, gồm loại pigment vơ & pigment hữu Ngoài ra, muội than dùng để chế tạo mực in màu đen Hình 1: Chất tạo màu Pigment BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 Các nhóm pigment phổ biến nay:  Pigment hữu cơ: Các chất màu hữu phân chia theo cấu trúc hóa học hợp chất axit azo, sắc tố phthalocyanin, anthraquinone, họ Indigo, quinacridone, hai sắc tố oxazine, metan sắc tố thơm polycyclic khác  Pigment vơ cơ: Đó muối, oxit kim loại trắng có màu, bột kim loại không tan nước, bền sáng, bền nhiệt pigment hữu cơ, có độ đậm khơng cao độ phân tán thấp Nói đến pigment vơ phải kể đến loại pigment trắng phổ biến Al(OH)3, TiO2, ZnO với độ phân tán cao, có tính bền sáng bền với acid, kiềm, bột trắng mịn có độ phủ tốt hay pigment vô nhân tạo Xanh Milori có độ phủ cao gây độc  Chất kết dính: Liên kết thành phần mực giúp mực bám vào bề mặt in Được sử dụng chủ yếu làm chất kết dính, dầu liên kết dung dịch tạo thành từ nhựa hịa tan dầu dung mơi hữu Dầu liên kết chất pha lỏng mực in, tạo cho mực in có tính chất mong muốn chảy, kết dính Việc tạo loại mực in khác phụ thuộc vào thành phần dầu liên kết thành phần chất tạo màu Thành phần cấu tạo gồm hỗn hợp dầu nhựa Ngồi cịn có nhựa liên kết thể dung dịch polymer thích hợp cho loại vật liệu cần in, tạo thành từ loại nhựa thiên nhiên, nhựa tổng hợp… Vai trị:  Là mơi trường phân tán bột màu, phụ gia  Tạo lực bám dính với vật liệu in  Tạo độ bóng, kháng nhiệt, kháng hóa chất, bền nước… Một số nhựa thơng dụng: acrylics, cellulose dẫn xuất, poly vinyl chloryl…  Dung môi: Tạo dòng chảy giúp mực truyền lên bề mặt vật liệu in Dung mơi hịa tan nhựa rắn tạo thành thể đồng Làm loãng hệ mực in Tăng khả phân tán bột màu Đồng thời điều chỉnh độ nhớt thích hợp in  Phụ gia: Cải thiện tính chất vật lý cần thiết cho mực in để phù hợp cho trường hợp khác Một số phụ gia thường dùng mực in: chất làm khơ, chất kháng oxi hóa, chất chống dinh lưng, chất phá bọt, chất làm đặc, chất hóa dẻo, chất ổn định, chất kháng trượt, phụ gia thấm ướt, chất kháng tĩnh điện, chất BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 phân tán ổn định, chất hoạt động bề mặt, chất bảo quản Tuy nhiên, lượng phụ gia cho vào phải theo tỉ lệ thích hợp để tránh ảnh hưởng đến chất lượng mực in  Tính chất mực in  Tính chất quang học: màu, độ sáng, độ bão hòa (độ sạch), tính suốt hay nửa tính phủ (Các tính chất định việc sử dụng hệ mực chồng màu chuẩn CMYK, in nền, hay màu pha), độ bóng…  Các tính chất in: độ nhớt (tính cản chảy bị lực tác dụng), độ dính (tổng hợp tính chất kết dính nội ngoại), tính chất cấu trúc (sự ổn định hệ mực)  Sự kết dính lớp mực bề mặt vật liệu in  Độ bền màng mực sau khô: bền với lực ma sát, bền màu tác dụng ánh sáng, bền tác dụng nước dung môi hữu cơ, bền nhiệt…  Phân loại mực Mực in thơng thường gồm có loại sau: mực ruy băng (ribbon), mực nước (Aqueous), mực gốc dầu, mực sấy, mực gốc nhựa, mực Dye sublimation, mực bột mực than  Mực ruy băng (ribbon) Là loại mực in học lâu đời nhất, mà máy đánh chữ thơng dụng Đó là loại film mực cuộn tròn theo dạng ruy băng, chuyên dùng cho máy in tem nhãn mã vạch Ribbon ngày thường giới hạn cho ứng dụng đặc biệt Tuy nhiên, loại ribbon khác ribbon in nhiệt in chất cao thường in chất màu đặc biệt, kim loại, mà loại khó thay cơng nghệ khác Hình 2: Mực ruy băng BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020  Aqueous inks – mực nước Aqueous loại chất lỏng giúp mang hạt màu, Aqueous hiểu đơn giản nước Mực gốc nước phân thành loại: nhuộm (dye) pigment, thường hiểu Dye UV  Ưu điểm: màu sắc rực rỡ, kích thước hạt mực nhỏ, hình ảnh chất lượng cao  Nhược điểm: khơng có khả chống nước, nhạt dần ánh sáng mặt trời Chính ưu nhược điểm loại mực mà chủ yếu ứng dụng băng rôn, quảng cáo ngắn hạn với yêu cầu màu sắc chất lượng hình ảnh cao  Mực Solvent – mực gốc dầu Mực solvent nói chung mực pigment Chúng thường chứa hạt pigment thuốc nhuộm dye, không giống mực gốc nước chất mang nước – mực solvent loại hợp chất hữu (VOC) – gốc dầu Ưu điểm mực solvent chúng tương đối rẻ cho phép in vật chất dẻo không phủ vinyl, loại thường dùng tạo hình ảnh dán xe, bảng quảng cáo, băng rơn decan dính Khác với mực gốc nước, sản phẩm in dùng mực gốc solvent có đặc tính hồn tồn chống nước an tồn ánh mặt trời mà khơng cần phải có lớp phủ đặc biệt hết Mực solvent cho màu sắc rực rỡ, khơng mực dye gốc nước Tuy nhiên, nhược điểmcủa cần hệ thống thơng khí khu vực in ấn để tránh hóa chất độc hại bay  Mực sấy UV Các sản phẩm in mực sấy UV sau in, mực in sấy khô cách phơi ánh sáng UV cường độ mạnh Ưu điểm lớn mực sấy UV chúng “khơ” xử lý sấy, chúng ứng dụng rộng vật liệu không phủ, chúng cho chất lượng hình ảnh cao Tuy nhiên, chúng cịn q đắt, u cầu phải có mơ đun xử lý sấy mực đắc tiền lắp máy in, mực sấy có thể tích đáng kể lên bề mặt, dễ vỡ sau khô in lên vật liệu mềm dẻo Và nhế, chúng thường sử dụng máy in phẳng khổ lớn, loại máy in trực tiếp lên vật liệu cứng plastic, gỗ hay nhôm Tuy nhiên, chúng ngày sử dụng nhiều loại máy in hybrid để in vật liệu vinyl vật liệu dẻo khác mà thường in với mực solvent BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020  Mực Latex – mực gốc nhựa Mực Latex hay nhựa cơng nghệ hồn tồn Mực gốc nhựa hỗn hợp nước với thành phần polymer kết dính lên bề mặt vật liệu nhờ nhiệt, khơng cần phải hệ thống lọc khí hay giải phóng solvent Mực gốc cao su khơng mùi, phù hợp với loạt ứng dụng nhà mà máy in dùng mực solvent thực Sản phẩm in tồn ngồi trời khoảng năm mà không cần phủ bảo vệ Một ưu khác vượt trội solvent in khơ nhanh sử dụng mà khơng cần phải có thời gian để mực khơ dính hồn tồn vài  Mực Dye Sublimation (chuyển nhiệt) Có hai loại mực in chuyển nhiệt có thị trường Loại phổ biến mực in chuyển nhiệt gốc nước sử dụng cho máy in để bàn máy in khổ rộng Một loại khác mực in chuyển nhiệt gốc dầu sử dụng máy in khổ rộng XAAR, Spectra Konica Mực chuyển nhiệt không dùng cho máy in phun, mà sử dụng cho loại máy in có cơng nghệ xử lý hồn tồn khác biệt Hình 1: Mực Dye Sublimation (chuyển nhiệt)  Mực dạng bột Mực dạng bột dùng cho máy in laser; loại mực làm cách liên kết chất màu với polymer để tạo thành loại bột nhuyễn có tính chất điện học đặc biệt BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 Hình 4: Mực dạng bột Bên máy in, tia laser “vẽ” hình ảnh cần in lên tang trống (drum), nạp tang với điện tích tĩnh điện Tang trống quay lên hộp đựng mực bột, hút bột mực mà sau chuyển lên giấy làm chảy chỗ cần in Mực dạng bột ưu việt độ bền chất lượng, cho ứng dụng in văn vẽ nét đơn Khi in lên giấy, mực bột không bị phai khó tróc Tuy nhiên, loại mực không tốt để in ảnh, máy in phun in độ phân giải cao cho hình ảnh tốt  Mực than (mực dạng đặc) Là loại mực đặc biệt đóng dạng thể rắn giống sáp Bên máy in, mực làm chảy phun lên ống lăn mực có tra dầu cơng nghệ tương tự máy in offset Hình 5: Mực than Lợi điểm cơng nghệ mực in dạng đặc in nhanh, có độ tin cậy thân thiện với mơi trường, mực in khơng độc an tồn để sử dụng Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu thường cao so với chi phí đầu tư cho máy in laser 10 BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG – Tháng 11/2020 Hình Bể phản ứng Hình Bể lắng đứng Hình Bể hấp phụ Hình 10 Van lấy mẫu van xả 135 BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG – Tháng 11/2020 PHỤ LỤC: ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC THỰC HÀNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐỀ CƯƠNG HỌC PHẦN Tên mã học phần: Thực hành xử lý nước thải (2123816) Số tín Tổng số tín chỉ: Lý thuyết: Thực hành: Tự học: Giảng viên phụ trách - ThS Vũ Đình Khang - ThS Trần Thị Ngọc Diệu - ThS Cao Thị Thúy Nga Tài liệu học tập Sách, giáo trình [1] Hồng Văn Huệ, Thốt nước-tập 2: Xử lý nước thải, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2002 [2] Viện Khoa học Công nghệ Quản lý Môi trường, Thực hành xử lý nước thải, NXB Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, 2017 Tài liệu tham khảo [1] Metcalf & Eddy, Wastewater engineering- Treatment and Reuse, McGraw Hill Inc., 2003 [2] Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga, Giáo trình cơng nghệ xử lý nước thải, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1999 [3] Trịnh Xn Lai, Tính tốn thiết kế cơng trình hệ thống xử lý nước thải, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 Thông tin môn học a Mục tiêu học phần - Mơn học có mục tiêu cụ thể sau:  Hướng dẫn vận hành xác cơng trình xử lý nước bản;  Định hướng thức trách nhiệm rèn luyện đạo đức nghề nghiệp lĩnh vực xử lý nước;  Định hướng rèn luyện khả tự nghiên cứu, tự nâng cao trình độ người học lĩnh vực xử lý nước b Mô tả vắn tắt học phần - Môn học Thực hành xử lý nước thải môn học chuyên ngành quan trọng chương trình đào tạo ngành Công nghệ kỹ thuật Môi trường Môn học giúp người học vận dụng kiến thức, kỹ kỹ thuật xử lý nước vào việc vận hành cơng trình xử lý nước c Học phần học trước (A), tiên (B), song hành (C) Hóa phân tích (2104481)/ (A) Phân tích môi trường (2123927)/(A) Kỹ thuật xử lý nước cấp (2123807)/ (A) Kỹ thuật xử lý khí thải (2123813)/ (C) Kỹ thuật xử lý nước thải (2123808)/ (C) d Yêu cầu khác 136 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 Không Chuẩn đầu môn học a Chuẩn đầu môn học Khi hồn thành mơn học, người học có khả năng: CLOs Chuẩn đầu học phần Vận hành mơ hình xử lý nước; nhận dạng trình, tượng, cố đề xuất giải pháp khắc phục vận hành hệ thống xử lý nước; Phân tích đánh giá kết thí nghiệm; Viết trình bày báo cáo kết kỹ thuật xử lý nước SO/PI b1; e1; e2; e3 b3; b4 d2; d3; g2; g3 b Ma trận tích hợp Ma trận thể tích hợp chuẩn đầu mơn học chuẩn đầu ngành CLOs a b X X c d e X f X g h i j k l X Nội dung học phần kế hoạch giảng dạy STT 1-6 Nội dung giảng dạy Bài 1: Lấy mẫu bảo quản mẫu Số tiết CLOs 30 1; 2; Bài 2: Quá trình lắng Phương pháp giảng dạy -Group work -Practice -Discussion Bài 3: Quá trình lọc Bài 4:Tuyển Bài 5: Quá trình sinh học hiếu khí lơ lững Aerotank 7-12 Bài 6: Q trình sinh học kỵ khí lơ lửngUASB Bài 7: Keo tụ - tạo 30 ; 2; -Group work -Practice -Discussion Bài 8: Hấp phụ Bài 9: Fenton Bài 10: Bài 12: Khử phosphate hóa chất Phương pháp đánh giá a Phương pháp đánh giá chuẩn đầu học phần CLOs Vận hành mơ hình xử lý nước; nhận dạng trình, tượng, cố đề Phương pháp đánh giá Kiểm tra kỹ thực hành Tỷ trọng % 100 137 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 xuất giải pháp khắc phục vận hành hệ thống xử lý nước; Kiểm tra kết thực hành Viết trình bày báo cáo kết kỹ Báo cáo thuật xử lý nước Thuyết trình Phân tích đánh giá kết thí nghiệm; 100 50 50 b Các thành phần đánh giá Phương pháp đánh giá Kỹ thực hành Kết thực hành Báo cáo Thuyết trình Tỷ trọng, % 30 20 30 20 Ngày biên soạn: 01/08/2018 Giảng viên biên soạn: ThS Vũ Đình Khang Trưởng mơn: ThS Vũ Đình Khang 138 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 PHỤ LỤC: BÀI THỰC HÀNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI BÀI Q TRÌNH FENTON MỤC ĐÍCH - Trình bày nguyên tắc ứng dụng trình Fenton xử lý nước thải; - Đánh giá ảnh hưởng thông số khác đến hiệu xử lý trình Fenton CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chung Các trình oxy hóa nâng cao (Advanced oxidation processess - AOPs) lần phát vào năm 1987 Glaze cộng sự, trình bao gồm tất phản ứng hóa học dựa vào hình thành gốc hydroxyl (•OH) có hoạt tính oxy hóa cao với oxy hóa E0=2,80 V (Bảng 9.1) Khác với chất oxy hóa thường gặp, gốc •OH tác nhân oxy hóa mạnh, có khả oxy hóa hầu hết hợp chất hữu cách không chọn lọc với số tốc độ phản ứng khoảng10 6-109 L/mol.s Bảng 9.1 Thế oxy hóa số chất oxy hóa nhiệt độ 25 0C Chất oxy hóa Thế oxy hóa (V) Năng lượng oxy hóa tương đối (*) F2 3,03 2,23 • OH 2,80 2,06 O 2,42 1,78 O3 2,07 1,52 H2O2 1,78 1,31 HO2• 1,70 1,25 MnO4- 1,68 1,24 HBrO 1,59 1,17 139 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 ClO2 1,57 1,15 HClO 1,49 1,10 Cl2 1,36 1,00 (*) So với oxy hóa Cl2 (= 1,00) Như vậy, q trình oxy hóa nâng cao định nghĩa trình oxy hóa chất hữu có nước thải dựa vào gốc tự hoạt động hydroxyl •HO tạo “in situ” trình xử lý Gốc hydroxyl tác nhân oxy hóa mạnh số tác nhân oxy hóa biết, có khả oxy hóa hầu hết hợp chất hữu thành hợp chất đơn giản (sự khoáng hóa) tạo sản phẩm oxi hóa cuối CO2 nước Từ chất oxy hóa thơng thường H2O2, O3… nâng cao khả oxy hóa chúng phản ứng hóa học khác để tạo gốc hydroxyl, thực trình oxy hóa gián tiếp thơng qua gốc hydroxyl tự Có nhiều q trình oxy hóa nâng cao nghiên cứu ứng dụng trình Perozon, Fenton, Catazon, Oxy hóa điện hóa, UV/H2O2, UV/O3, UV/H2O2/O3, UV/TiO2… 2.2 Q trình Fenton Năm 1894 tạp chí Hội hóa học Mỹ cơng bố cơng trình nghiên cứu J.H.Fenton, ơng quan sát thấy phản ứng oxy hóa axit malic H2O2 gia tăng mạnh có mặt ion sắt Sau đó, tổ hợp H2O2 muối sắt Fe2+được sử dụng làm tác nhân oxy hóa hiệu cho nhiều đối tượng rộng rãi chất hữu mang tên “ tác nhân Fenton” (Fenton Reagent) Đây q trình Fenton cổ điển 2.2.1 Quá trình Fenton đồng thể Hệ tác nhân Fenton cổ điển hỗn hợp gồm ion sắt hóa trị (thơng thường sử dụng hợp chất FeSO4) hydrogen peroxit (H2O2) Chúng tác dụng với sinh gốc tự hydroxyl •HO, cịn ion Fe2+ bị oxy hóa thành ion Fe3+ theo phản ứng (9.1) Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + •HO + OH(9.1) Phản ứng (9.1) xem khởi đầu phản ứng Fenton Trong đó, H2O2 đóng vai trị chất oxy hóa cịn Fe2+ giữ vai trị chất xúc tác Những phản ứng xảy trình Fenton số tốc độ phản ứng nhiều tác giả xác định Bảng 9.2: 140 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 Bảng 9.2 Các phản ứng trình Fenton Phản Phương trình phản ứng Hằng số tốc độ k, ứng Tác giả L/mol.s (9.1) Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + •HO + OH- 63 (9.2) Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + H+ + •HO2 3x10-3 Pignatello, 1992 (9.3) • HO + Fe2+→OH- + Fe3+ 3x108 Dorfman, 1973 (9.4) • HO + H2O2→H2O + •HO2 3,3x107 Butxon, 1988 (9.5) Fe2+ + •HO2→ Fe3+ + HO2- 1,2x106 Rush, 1985 (9.6) Fe3+ +•HO2→Fe2++ O2 + H+ 2,0x103 Rush, 1985 Gallard, 1998 Những ion Fe2+ tái sinh lại nhờ phản ứng Fe3+ H2O2 dư theo phương trình phản ứng (9.2) để sau tiếp tục xảy theo phản ứng (9.1) tạo gốc tự hydroxyl •HO Q trình khử Fe3+ thành Fe2+ mô tả phản ứng (9.2) xảy chậm, số tốc độ k nhỏ so với phản ứng (9.1) Gốc tự hydroxyl •HO sinh có khả phản ứng với Fe2+ H2O2 theo phản ứng sau, quan trọng có khả phản ứng với nhiều chất hữu (RH) có nước thải tạo thành gốc hữu có khả phản ứng cao: • HO + Fe2+→OH- + Fe3+ (9.3) • HO + H2O2→H2O + •HO2 (9.4) • HO + RH → •R + H2O (9.7) Các gốc hữu •R sinh từ phản ứng (9.7) oxy hóa Fe2+ theo phản ứng (9.8), khử Fe3+ theo phản ứng (9.9) dimer hóa theo phản ứng (9.10): • R + Fe2+→ Fe3+ + RH (9.8) • R + Fe3+→ Fe2+ + “Sản phẩm” (9.9) 141 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 • R + •R →“Sản phẩm” (dimer) (9.10) Gốc •HO2 sinh tác dụng trở lại với Fe2+ Fe3+ theo kiểu sau: • HO2 + Fe2+→HO2- + Fe3+ (9.11) • HO2 + Fe3+→H+ + O2 + Fe2+ (9.12) * Các yếu tố ảnh hưởng:  Ảnh hưởng pH Trong phản ứng Fenton đồng thể, pH ảnh hưởng lớn đến độ phân hủy nồng độ Fe2+, từ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hiệu phân hủy chất hữu Trong môi trường axit, trình khử Fe3+ → Fe2+ H2O2 theo phản ứng (9.2) xảy dễ dàng, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình tạo gốc hydroxyl tự •HO theo phản ứng (9.1) Trong môi trường pH cao, trình kết tủa Fe 3+ → Fe(OH)3 xảy nhanh trình khử phản ứng (9.2), làm giảm nguồn tạo Fe 2+, trở thành yếu tố hạn chế tốc độ phản ứng Nói chung, phản ứng Fenton xảy thuận lợi pH từ ÷ 5, đạt tốc độ cao pH nằm khoảng hẹp  Ảnh hưởng tỉ lệ Fe2+/H2O2 loại ion Fe (Fe2+ hay Fe3+) Tốc độ phản ứng tăng tăng nồng độ H2O2 Nồng độ H2O2 lại phụ thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm cần xử lý đánh giá qua COD Theo Schwarzer, H.1998, tỉ lệ mol H2O2/COD thường 0,5÷1/1 Nồng độ H2O2 tỉ lệ Fe2+/H2O2 có ảnh hưởng đến tạo thành mát gốc hydroxyl tự do, tỉ lệ thường nằm khoảng 0,3÷1/10 (tính theo mol) tùy theo đối tượng cần xử lý cần phải xác định thực nghiệm áp dụng thực tế Việc sử dụng ion Fe2+ hay Fe3+ không ảnh hưởng đến tác dụng xúc tác cho phản ứng Fenton Tuy nhiên, sử dụng H2O2 với liều lượng thấp (< 10 ÷ 15 mg/L) nên sử dụng Fe2+ tốt  Ảnh hưởng anion vơ Một số anion vơ thường có nước ngầm nước thải làm giảm hiệu trình Fenton CO32-, HCO3-, Cl-, SO42-, NO3-,… Những ion bắt gốc hydroxyl tự do, làm giảm số lượng gốc hydroxyl tự do, giảm khả tiến hành phản ứng oxy hóa tạo thành phức chất khơng hoạt động với Fe 3+ làm giảm hiệu trình Fenton • HO + CO32-→•CO3-+ OH- (9.13) 142 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 • HO + HCO3-→•HCO3+ OH- (9.14) • HO + Cl-→ •Cl + OH- (9.15) • HO + NO3-→ •NO3- + OH- (9.16) • HO + SO42-→ •SO4- + OH- (9.17) Nhìn chung, ion Cl-, CO32-, HCO3- thường có ảnh hưởng kìm hãm tốc độ phản ứng nhiều nhất, ion SO42-, H2PO4-, NO3- có ảnh hưởng mức độ thấp 2.2.2 Quá trình Fenton dị thể Nhược điểm trình Fenton đồng thể phải thực điều kiện pH thấp (pH = 3÷5), sau phải nâng pH ≥ để tách cặn Fe(OH)3 khỏi nước thải Quá trình phức tạp cho việc vận hành, tốn chi phí hóa chất xử lý làm ăn mịn thiết bị khí Bên cạnh đó, q trình xử lý lượng bùn cặn sinh nhiều cần phải có thiết bị lắng lọc phía sau để tách cặn Do đó, để khắc phục nhược điểm trình Fenton đồng thể, nguồn sắt sử dụng làm chất xúc tác nhiều cơng trình nghiên cứu thay quặng sắt Goethite (α-FeOOH), cát có chứa sắt, sắt chất mang Fe/SiO2, Fe/TiO2, Fe/than hoạt tính, Fe/Zeolit,… Q trình Fenton dị thể xảy tương tự trình Fenton đồng thể tốc độ hình thành gốc hydoxyl tăng theo pH khoảng pH 5÷9 Chất xúc tác sử dụng thời gian dài mà khơng cần phải hồn ngun hay thay thế, đồng thời tách dễ dàng khỏi phản ứng MƠ HÌNH, THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 3.1 Thiết bị mơ hình thí nghiệm Bài thực hành có bao gồm phần: Phần 1: Xác định số vận hành tối ưu trình Fenton đồng thể Thí nghiệm sử dụng thiết bị Jartest để thực khuấy trộn khuấy trộn tĩnh cốc thủy tinh Phần 2: Vận hành mơ hình Fenton với số tối ưu xác định thí nghiệm 4.4.1 4.4.2 143 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 Motor khuấy Bể phản ứng Bể phản ứng 03 cột hấp phụ Thiết bị cấp hóa chất: H2O2; NaOH; HCl Vị trí lấy mẫu V01 Bồn chứa mẫu nước Van V2 Hình 9.1 Mơ hình oxi hóa Fenton kết hợp hấp phụ đa bậc Cấu tạo mơ hình oxi hóa bậc cao Fenton đồng thể: - Thể tích vận hành hữu ích: V = 4,5 lít - Chiều dài x chiều rộng x chiều cao = 150 x 150 x 250 (mm) - 01 Bơm định lượng bơm nước thải vào, Q = 5÷10 lít/giờ - 03 bơm định lượng hóa chất, Q = 1lít/giờ 3.2 Thiết bị - Máy quang phổ UV-Vis (tử ngoại- khả kiến) - Cân phân tích - Máy đo pH 3.3 Dụng cụ vật tư - Pipet mL, mL, 5mL loại - Beaker 500 mL - Erlen 250 mL - Bình định mức 25 mL 144 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 - Đũa thủy tinh - Phễu thủy tinh - Bóp cao su - Bình tia - Cuvet - Giấy lọc 3.4 Hóa chất - Phẩm nhuộm - Dung dịch H2O2 30% - Dung dịch NaOH 0,2 N - Dung dịch H2SO4 0,2N - Dung dịch FeSO4 5% - Dung dịch MnSO4 5% TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM 4.1 Tìm bước sóng hấp thụ màu tối ưu - Cách thực tương tự Mục 4.1, Bài 4.2 Xây dựng phương trình đường chuẩn - Cách thực tương tự Mục 4.2, Bài 4.3 Chuẩn bị mẫu nước thải - Sử dụng phẩm màu pha vào nước tạo môi trường nước thải nhiễm phẩm màu có nồng độ Cv = 50 mg/L Pha thể tích nước thải V = 20 lít - Xác định độ hấp thụ màu xác định lại nồng độ phẩm nhuộm nước thải trước xử lý phương pháp quang phổ hấp thụ 4.4 Tiến hành thí nghiệm 4.4.1 Khảo sát lượng H2O2 tối ưu Thí nghiệm khảo sát lượng H2O2 tối ưu tiến hành sau: - Chuẩn bị beaker 500 mL Cho vào beaker 250 mLmẫu nước thải chuẩn bị - Thêm mL dung dịch phèn sắt FeSO4 5% 145 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 - Tiếp tục thêm dung dịch H2O2 30% với thể tích thay đổi là: 0,5; 1,5; 2,5; 3,5; 4,0 4,5 mL - Chỉnh pH dung dịch khoảng pH= ÷ - Khuấy với vận tốc 30 vòng/phút vòng phút - Để yên cho phản ứng oxi hóa xảy - Sau đó, dùng dung dịch NaOH 0,2N để điều chỉnh pH = ÷ Khuấy nhẹ - Để lắng khoảng 30 phút - Lấy phần nước sau lắng đem đo độ hấp thụ xác định nồng độ phẩm nhuộm cịn lại Mẫu có giá trị độ hấp thụ nồng độ phẩm nhuộm thấp ứng với thể tích H2O2 sử dụng tối ưu 4.4.2 Khảo sát lượng Fe2+ tối ưu - Chuẩn bị beaker 500 mL Cho vào beaker 250 mL mẫu nước chuẩn bị - Thêm dung dịch phèn sắt FeSO4 5% với thể tích thay đổi là: 1; 3; 5; 7; 11 mL - Tiếp tục thêm dung dịch H2O2 30% với thể tích tối ưu xác định Mục 4.4.1 - Các bước lại thực tương tự Mục 4.4.1 - Lấy phần nước sau lắng đem đo độ hấp thụ quang xác định nồng độ phẩm nhuộm lại Tiến hành vẽ đồ thị, mẫu có giá trị độ hấp thụ quang nồng độ phẩm nhuộm thấp ứng với thể tích Fe2+ sử dụng tối ưu 4.4.3 Khảo sát lượng xúc tác MnSO4 tối ưu - Chuẩn bị beaker 500 mL Cho vào beaker 250 mL mẫu nước chuẩn bị - Thêm dung dịch phèn sắt FeSO4 5% với với thể tích tối ưu xác định Mục 4.4.2 - Tiếp tục thêm dung dịch H2O2 30% với thể tích tối ưu xác định Mục 4.4.1 - Sau thêm dung dịch MnSO4 5% với thể tích thay đổi 1; 3; 5; 7; 11 mL - Các bước lại thực tương tự Mục 4.4.1 - Lấy phần nước sau lắng đem đo độ hấp thụ xác định nồng độ phẩm nhuộm lại Tiến hành vẽ đồ thị, mẫu có giá trị độ hấp thụ nồng độ phẩm nhuộm thấp ứng với thể tích MnSO4 sử dụng tối ưu 4.4.4 Khảo sát khả xử lý mơ hình Fenton 146 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 - Cân chỉnh bơm nước thải vào để thời gian lưu nước bể phản ứng Fenton đạt HRT = 90 phút - Tính tốn hiệu chỉnh bơm cho lưu lượng hóa chất sử dụng (H2O2 30%; NaOH 0,2N; H2SO4 0,2N; FeSO4 5%) phù hợp với công suất xử lý số - vận hành tối ưu xác định thí nghiệm mục 4.4.1 mục 4.4.2 phía Lấy mẫu nước định kỳ 10phút/1 lần vị trí nước thải sau bể lắng xác định - độ hấp thụ tính nồng độ màu Kết thúc vận hành hiệu xử lý nồng độ màu đạt ≥ 80% liên tục 60 phút KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 5.1 Quan sát mơ tả tượng xảy thí nghiệm Fenton 5.2 Lập bảng kết thể thay đổi độ hấp thụ nồng độ phẩm nhuộm theo thơng số q trình (thể tích H2O2, FeSO4 MnSO4) Từ đó, xác định hiệu xử lý phẩm nhuộm Bảng 9.3 Bảng số liệu khảo sát ảnh hưởng thông số khác trình Fenton đến hiệu xử lý Beaker Thông số cần xác định (thể tích H2O2, FeSO4, MnSO4), mL Độ hấp thụ quang Nồng độ phẩm nhuộm, mg/L Hiệu xử lý, % 5.3 Vẽ đồ thị thể thay đổi nồng độ phẩm nhuộm hiệu xử lý theo thơng số q trình Nhận xét giải thích số liệu thực nghiệm 5.4 Ghi nhận nồng độ liều lượng hóa chất sử dụng để điều chỉnh pH dung dịch 5.5 Ghi nhận tượng xảy bể xử lý mơ hình ? Nêu cố xảy suốt trình vận hành, giải pháp khắc phục ? CÂU HỎI 6.1 Nêu yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xử lý trình Fenton đồng thể 147 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 6.2 Trình bày ưu nhược điểm q trình Fenton đồng thể 6.3 Vai trị gốc hydroxyl •OH xử lý nước thải trình Fenton 6.4 Cho biết ứng dụng trình Fenton xử lý nước thải 6.5 So sánh trình Fenton đồng thể Fenton dị thể 6.6 Dựa lượng hóa chất sử dụng (H2O2, FeSO4, H2SO4, NaOH) thí nghiệm, tính tốn lượng hóa chất cần thiết để xử lý 1m3 nước thải có chứa phẩm nhuộm với nồng độ đầu vào 50 mg/L TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Văn Huệ, Trần Đức Hạ (2002), Chương 10 – Xử lý nước thải phương pháp hóa học - Thốt nước – tập II: Xử lý nước thải, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Trần Mạnh Trí, Trần Mạnh Trung, Các q trình oxi hóa nâng cao xử lý nước nước thải – Cơ sở khoa học ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2005 [3] Metcalf and Eddy (1991), Part 11: Advanced wastewater treatment -Wastewater engineering: treatment and reuse, McGraw Hill Phần nâng cao 148 BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẤP TRƯỜNG – Tháng11/2020 149 ... Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế mơ hình cơng nghệ Oxi hóa bậc cao Fenton? ?? Hấp phụ xử lý nước thải mực in Nhà xuất Đại học Công nghiệp phục vụ giảng dạy Môn thực hành xử lý nước thải 1.2 Mã số: 171.4021... hình Oxi hoá bậc cao Fenton - Hấp phụ xử lý nước thải mực in xưởng in trường Đại học Công nghiệp TP.HCM; ứng dụng mơ hình cơng nghệ phục vụ giảng dạy môn Thực hành xử lý nước thải Viện Khoa học Công. .. QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế mơ hình cơng nghệ Oxi hóa bậc cao Fenton? ?? Hấp phụ xử lý nước thải mực in Nhà xuất Đại học Công nghiệp phục vụ giảng