Bảng 2.1. Các dụng cụ cần dùng trong thí nghiệm
STT Dụng cụ thí nghiệm Số lượng (cái)
1 Bercher 250ml 3
2 Pipet bầu 10ml, 20ml và pipet vạch
2ml, 5ml, 10ml 5
3 Bình định mực 25ml, 50ml, 1000ml 10
4 Cuvet thủy tinh 2
5 Máy ly tâm 1
31 2.2. NỘI DUNG THỰC NGHIỆM
2.2.1. Nước thải
Tiến hành khảo sát hiệu suất xử lý độ màu của quá trình quang xúc tác TiO2 từ các loại nước thải tự tổng hợp từ thuốc nhuộm methylen xanh, sau khi khảo sát chọn điểm tối ưu chạy ứng dụng trên các loại nước thải tự tổng hợp khác và nước thải thật.
Yêu cầu đầu vào nước thải đáp ứng cho nghiên cứu đó là độ màu, sao cho đạt yêu cầu loại B của QCVN 13:2008/BTNMT là 150Pt-Co. Đối với nước thải tự tổng hợp tự thuốc nhuộm methylen xanh có công thức hóa học: C16H18N3ClS (M= 373.9g/mol) thì pha nước thải có nồng độ dung dịch 3x10-5M với độ màu nước thải là 198 Pt-Co và với 2x10-5M có độ màu là 110 Pt-Co. Do yêu cầu đầu vào của nước thải nên ta chọn nước thải có đầu vào có nồng độ cao nhất để thực hiện nghiên cứu là 3x10-5M.
Pha dung dịch methylen xanh cân 0,3739g, hòa tan vào nước cất và định mức thành 1000ml thu được dung dịch methylen xanh 10-3M. Rút 30ml dung dich 10-3M, định mức thành 1000ml thu được dung dịch methylen xanh 3x10-5M. Khi pha thuốc nhuộm cần chú ý do methylen dễ dàng bám vào thành thủy tinh của dụng cụ dẫn đến sai số.
Dung dich orange cam, congo đỏ có độ màu khá cao, để đạt tiêu chuẩn loại B thì nồng độ của orange cam khoảng 0,4x10-5 thì độ màu là189Pt-Co và congo đỏ là 0,2x10-5 là 153Pt-Co. Do điều kiện phòng thí nghiệm nên pha dung dich ban đầu có nồng độ là 10-5M và độ màu của congo đỏ và acid orange lần lượt là 765Pt-Co, 472,5Pt-Co.
Đối với nước thải thật, dựa vào độ màu của tiêu chuẩn cột B của qui chuẩn với độ màu là 150Pt-Co để pha nước thải đầu vào cho thí nghiệm.
2.2.2. Thí nghiệm quá trình quang xúc tác
Chuẩn bị mẫu
Cân lượng TiO2 cần thiết cho vào becher.
Cho 250ml dung dich nước thải vào mỗi becher.
Tiến hành thí nghiệm
Mỗi lần chạy mô hình ta tiến hành chạy trên ba hệ UV, VIS và tối cùng lúc nhằm giảm bớt sai số do mỗi lần pha dung dịch.
32 Tùy vào mục đích và mỗi lần chạy hệ thống, các dung dịch phản ứng quang hóa được chuẩn bị gồm nước thải với nồng độ dung dich thay đổi và xúc tác TiO2 với hàm lượng thay đổi là: 0,5g; 0,25g và 0,125g TiO2/250ml dung dịch nước thải.
Thời gian chạy mô hình trong 1 giờ 30 phút và cứ 30 phút lấy 10ml dung dịch mẫu một lần để đem đi ly tâm tách TiO2 với tốc độ 4300 vòng/5 phút trước khi tiến hành đo quang.
2.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
Để khảo sát khả năng hấp phụ và hoạt tính của xúc tác, hiệu suất của xử lý dựng đường chuẩn của thuốc nhuộm.
Bảng 2.2. Qui trình dựng đường chuẩn của methylen xanh, orange acid, congo đỏ STT 1 2 3 4 5 6 Dung dịch MB 10-4 M (ml) 0 1 2 3 4 5 Nước cất (ml) 50 49 48 47 46 45 Nồng độ 10-5M 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Sau đo mật độ quang
Bảng 2.3. Bước sóng hấp thu tối ưu của các mẫu nước thải
STT Mẫu λmax(nm)
1 Methylen xanh 660
2 Congo đỏ 498
3 Acid orange 482
4 Độ màu Pt-Co 455
33 Hình 2.3. Đồ thị đường chuẩn methylen xanh
34 Hình 2.5. Đồ thị đường chuẩn acid orange
35
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trước tiên chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của các thông số điều kiện phản ứng đến hoạt tính quang xúc tác dạng bột. Để thực hiện nghiên cứu này, chúng tôi lựa chọn một hóa chất để khảo sát là MB. Chúng tôi cũng nghiên cứu khả năng tối ưu hóa khả năng xử lý bằng việc sử dụng thêm các tác nhân bổ trợ như O2, H2O2. Sau đó, ở phần tiếp theo, chúng tôi nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng TiO2 để xử lý nhiều nguồn nước thải dệt nhuộm khác nhau trong đó có một số nguồn nước thải thật.
3.1. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU KIỆN PHẢN
ỨNG ĐẾN HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA TiO2 DẠNG BỘT
3.1.1. Khả năng tự phân hủy của methylen xanh dưới bức xạ UV, Vis
Khảo sát khả năng tự phân hủy của methylen xanh bằng bức xạ UV khi không có xúc tác trong điều kiện khuấy từ liên tục để có thể xác định chính xác hoạt tính thực sự của quá trình quang xúc tác. Kết quả đo độ hấp thu quang A, nồng độ trước và sau khi xử lý được thể hiện trong bảng 3.1:
Bảng 3.1. Hiệu suất chuyển hóa MB sau 1 giờ 30 phút không có xúc tác
Thời gian Độ hấp thu
quang A Nồng độ MB Hiệu suất
UV 0 0.8092 9.95x10 -6 0.5% 90 phút 0.7412 9.12x10-6 8.8% Vis 0 0.8123 9.99x10 -6 0.1% 90 phút 0.8062 9.91x10-6 0.9%
Khi khuấy từ và chiếu sáng bức xạ UV liên tục trong 90 phút thì hàm lượng MB phân hủy là 8,8%, dưới bức xạ Vis chỉ 0,9%. Như vậy bức xạ UV có khả năng phân hủy MB, còn Vis gần như không ảnh hưởng. Trong các thí nghiệm với xúc tác tiếp theo, chúng tôi sẽ trừ đi phần tham gia của đèn UV để có được hoạt tính chuyển hóa xúc tác chính xác nhất.
3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ tác chất
Để xác định mức độ ảnh hưởng do nồng độ ban đầu của các dung dịch lên hiệu suất phân hủy các chất hữu cơ thì tiến hành khảo sát với 3 mẫu dung dịch tự tổng hợp methylen xanh có nồng độ thay đổi là 10-5M, 2x10-5M, 3x10-5M, 5x10-5M, 7x10-5M phản ứng với hàm lượng xúc tác TiO2 tối ưu là 0.5g TiO2/250ml. Cho mô hình gồm 3
36 hệ (UV, Vis và tối) chạy trong 90 phút liên tục, sau đó tiến hành phân tích mẫu. Sự thay đổi hiệu suất phân hủy quang hóa của các dung dịch phản ứng khi có sự thay đổi nồng độ dung dich được biểu diễn qua hình 3.1 như sau:
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ tác chất đến hiệu xuất xử lý Hiệu suất của cả ba hệ UV, Vis và tối khi tăng nồng độ dung dịch nhưng hiệu suất xử lý ở hệ UV giảm không nhiều chỉ 3% và hệ Vis thì hiệu suất giảm 12%, điều này cho thấy TiO2 không những có khả năng xử lý chất ô nhiễm ở nồng độ thấp. Khả năng ứng dụng quá trình quang xúc tác TiO2 vào thực tế là rất cao do tiết kiệm được lượng hóa chất sử dụng và giảm chi phí vận hành.
3.1.3. Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác
Trong quá trình quang xúc tác dị thể, hàm lượng chất xúc là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy quang hóa và tính kinh tế của phương án. Để nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đối với quá trình quang phân hủy các hợp chất hữu cơ ta tiến hành thí nghiệm như sau: phản ứng quang hóa được thực hiện với dung dịch tự tổng hợp, với các hàm lượng xúc tác thay đổi 0,5g, 0,25g và 0,125g TiO2/250ml ở ba hệ UV, Vis và tối, sau khi để hệ chạy trong 90 phút ta tiến hành phân tích. Hiệu suất phân hủy các hợp chất hữu cơ sau 90 phút quang hóa trình bày ở hình 3.2 và 3.3 sau:
37 Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý theo khối lượng ở nồng độ 3x10-5M
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý theo khối lượng ở nồng độ 2x10-5M Ta nhận thấy hiệu suất xử lý giảm theo khối lượng của xúc tác nhưng không nhiều ở 3 hệ (tối, Vis và UV) và ở cả nồng độ 3x10-5M và 2x10-5M. Ta có thể giải thích dựa vào tâm hoạt động trên bề mặt TiO2 và khả năng truyền sáng vào dung dịch. Khi ta tăng hàm lượng xúc tác là làm tăng tâm hoạt động tham gia phản ứng nhưng cũng gián tiếp làm giảm khả năng truyền sáng đến dung dịch làm giảm thể tích vùng phản ứng. Ngoài ra, theo nghiên cứu thì khối lượng 2g TiO2/l là khối lượng tối ưu [13], do đó không có hiện tượng TiO2 kết tụ lại và điều này làm cho một phần bề mặt TiO2 không thể hấp thụ ánh sáng cũng như hấp phụ các chất hữu cơ dẫn đến hiệu suất phản ứng cũng giảm.
38 3.1.4. Khả năng tái sử dụng của xúc tác TiO2
Tái sử dụng lại xúc tác là một trong yếu tố nổi bật nhằm nâng cao tính khả thi của việc áp dụng quá trình quang xúc tác TiO2. Để nghiên cứu khả năng tái sử dụng của xúc tác ta tiến hành thí nghiệm với 0,5gTiO2/250ml nước thải ở nồng độ 10-5M.
Hình 3.4. Đồ thị thể hiện khả năng tái sử dụng của xúc TiO2
Thực nghiệm cho thấy không có sự suy giảm nào về hoạt tính của TiO2 ở cả 3 hệ xúc tác tối, Vis và UV. Theo một vài công trình nghiên cứu của Al-Sayyed và Mills cũng cho biết không có sự suy giảm hoạt tính sau 10 chu trình liên tiếp được sử dụng trong phản ứng phân hủy 4-Clorophenol. Đây là một triển vọng có thể tái sử dụng lại xúc tác để giảm hóa chất và chi phí xử lý.
Khi tiến hành xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý độ màu của nước thải tự tổng hợp bởi thuốc nhuộm MB, rút ra một số nhận xét như sau:
- MB phân hủy dưới bức xạ UV;
- Hàm lượng chất xúc tác, nồng độ dung dịch ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng;
- Xúc tác TiO2 có khả năng tái sử dụng;
3.2. NÂNG CAO HIỆU SUẤT XỬ LÝ CỦA TiO2
3.2.1 Hiệu suất xử lý của TiO2
Thuốc nhuộm là một trong những chất hữu cơ khó phân hủy, để xử lý đạt tiêu chuẩn của BTNMT, có thể xả thải ra môi trường thì nâng cao hiệu suất xử lý của TiO2 là một trong những yêu cầu thực tế và được quan tâm nhiều. Để nâng cao hiệu
39 xuất chúng tôi chọn điểm có hiệu suất xử lý thấp nhất ở hệ UV và độ màu của nước thải đầu vào đạt tiêu chuẩn loại B của BTNMT để tiến hành khảo sát. Theo khảo sát ở hệ UV tại nồng độ cao nhất mà nghiên cứu chọn để khảo sát với khối lượng xúc tác khác nhau và nồng độ dung dịch mà tại đó độ đạt tiêu chuẩn loại B của BTNMT, chạy trong 90 phút. Hiệu suất xử lý trình bày trong hình 3.5:
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý theo khối lượng ở nồng độ 3x10-5M Dựa vào biểu đồ hình 3.5 trên, ta có thể nhận thấy hiệu suất xử lý ở khối lượng M1 nước thải là tại thời điểm 30 phút và 60 phút là thấp hơn so với 0,25g TiO2/250ml và 0,5g TiO2/250ml nhưng ở 90 phút thì gần như là hiệu suất không giảm. Dựa vào đồ thị ta chọn điểm khảo sát nâng cao hiệu suất xử lý ở 30 phút với khối lượng 0,125 g TiO2/250 ml với nồng độ nước thải là 3x10-5M.
3.2.2. Nâng cao hiệu suất xử lý khi thêm oxy vào hệ
Khảo sát khả năng ảnh hưởng của oxy, tiến hành khảo sát như sau vẫn giữ điều kiện khảo sát TiO2 ở 0,125gTiO2/250ml ở nồng độ 1x10-5M thêm vào hệ thống sục khí, hệ chạy liên tục trong 30 phút sau đó lấy mẫu đi quang trắc. Ảnh hưởng của oxy đến hiệu suất xử lý thực nghiệm chạy mô hình được biểu diễn ở hình 3.6:
40 Hình 3.6. Ảnh hưởng của oxy đến hiệu suất xử lý
Dựa vào biểu đồ ở hình 3.6 ta thấy hiệu suất xử lý khi sục thêm oxy vào dung dịch trong quá trình thực hiện thí nghiệm ở cả hai hệ đèn Vis và UV thì hiệu suất đều tăng, ở hệ đèn Vis hiệu suất tăng 3,02% và ở hệ đèn UV tăng 3,97%. Như đã trình bày ở phần trên thì nồng độ oxy cũng ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu quả của quá trình quang xúc tác TiO2. Oxy để góp phần ngăn chặn sự tái hợp giữa e- và lỗ trống và tạo thành tác nhân oxy hóa là anion peroxyt. Khi đó, O2 và O2
•- đều có thể tạo thành gốc • OH bổ sung theo các phản ứng: TiO2 (e-) + O2 → TiO2 + O2•- (3.1) 2 O2•- + 2H2O → H2O2 + 2OH- + O2 (3.2) TiO2 (e-) + H2O2 → TiO2 + OH- + •OH (3.3)
Vậy oxy ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý độ màu của quá trình xúc tác TiO2. 3.2.3. Nâng cao hiệu suất xử lý khi thêm H2O2 vào hệ
H2O2 là một chất xúc tác có khả năng xử lý độ màu những cần thời gian dài, do đó chúng tôi thêm H2O2 vào hệ nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và cũng giảm thời gian xử lý. Như đã trình bày ở phần trên, TiO2 kết hợp với H2O2 và lượng O2 hòa tan trong nước tạo nên các phản ứng tạo thành OH, các gốc tự do •OH phản ứng với hầu hết các hợp chất hữu cơ hấp phụ trên bề mặt TiO2 và có thể oxy hóa chúng đến sản phẩm khoáng cuối cùng. Để xác định mức độ ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng chúng tôi tiến hành thí nghiệm với 0.125g TiO2/250ml ở nồng độ 3x10-5Mtiến hành khảo sát
41 H2O2 30% thể tích khảo sát là 0 ml; 0,5 ml; 1 ml; 1,5 ml; 2 ml; 3 ml và 4 ml ở hệ đèn UV chạy trong 30 phút. Chúng tôi cũng đã kiểm tra khả năng xử lý MB của H2O2
(không có xúc tác), và kết quả (không trình bày ở đây) cho thấy H2O2 (không có xúc tác TiO2) không có khả năng xử lý MB. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của H2O2 đến hoạt tính quang xúc tác của TiO2 được biểu diễn trong hình 3.7
Hình 3.7. Hiệu suất xử lý theo thể tích H2O2 trong 30 phút
Kết quả ở hình 3.8 cho thấy khi tăng thể tích H2O2 từ 0,5 ml lên 1 ml thì hiệu suất cũng tăng tử 60% đến 80% nhưng khi tăng thể tích H2O2 lên cao hơn 2 ml thì hiệu suất xử lý của hệ xúc tác giảm dần. Như vậy, khi tăng quá nhiều H2O2 sẽ làm giảm hiệu suất xử lý của quá trình quang xúc tác. Điều này có thể giải thích là do lượng H2O2 thêm vào dung dịch nhiều tạo nên các phản ứng [10]:
H2O2 2 OH (3.4) OH + H2O2 HO2 (3.5) OH + OH H2O2 (3.6) OH + H2 H + H2O (3.7) OH + HO2 H2O + O2 (3.8)
Do lượng H2O2 nhiều nên tạo nhiều gốc OH (phản ứng 3.4). Các gốc OH có thể tự phản ứng với nhau tạo H2O2 và khi đó gốc OH dư sẽ phản ứng H2O2 tạo thành gốc và lúc này gốc OH sẽ phản ứng với gốc mới tạo thành H2O và O2. Ngoài ra, trong nước cũng có H2 lúc này gốc OH phản ứng với H2 sinh ra Hvà H2O. Do đó, gốc OH giảm dẫn đến hiệu suất phản ứng giảm.
42 Thể tích của H2O2 ở 1 ml thì hiệu suất xử lý tăng cao nhất, do đó 1 ml H2O2 là thể tích tối ưu. Nên trong các nghiên cứu sau chúng tôi chọn thể tích H2O2 là 1 ml để tiến hành thí nghiệm.
3.2.4. Nâng cao hiệu suất xử lý khi thêm O2 và H2O2 vào hệ
Ở phần trên chúng tôi đã nêu ảnh hưởng của O2 và H2O2 đến phản ứng quá trình quang xúc tác TiO2, cả 2 đều làm tăng hiệu suất phản ứng. Để nâng cao hiệu suất chúng tôi thêm O2, H2O2 vào hệ tạo thành một hệ xúc tác mới.
Hệ xúc tác O2, H2O2 và TiO2 khảo sát với 3x10-5M, khối lượng xúc tác 0,125g TiO2/250ml nồng độ 1x10-5Mvà 1 ml H2O2 trong khoảng thời gian là 30 phút ở cả hai hệ Vis và UV, sau đó lấy mẫu phân tích. Thực nghiệm cho ta có thể so sánh hiệu suất theo hình 3.8:
Hình 3.8. So sánh hiệu xử lý ở các hệ xúc tác khác nhau
Dựa vào biểu đồ trên ta có thể nhận xét H2O2 nâng hiệu suất phản ứng của hệ quang xúc tác cao hơn nhiều so với O2, hiệu suất từ 48% lên 81%.