V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1.1.4.3. Thành phần polisacharide
Hình 2.6 cho thấy khối tỷ lệ khối lượng của mannose and galactose trong gum khoảng 3,5: 1. Kết quả này khá tương thích với kết quả thu được của Ali và cộng sự (2004). Kết quả này cho thấy khả năng kém hòa tan của gum trong nước có thể do liên kết hydrogen nội phân tử gây ra.
Hình 2.6. Hàm lượng mannose và galactose trong mẫu gum
Từ những kết quả sắc ký đồ thu được (FTIR, GPC và HPLC) cùng với các nghiên cứu về galactomannan trước đây (Blackburn, 2004; Sanghi và cộng sự, 2006), cho
thấy cấu trúc gum hạt muồng hoàng yến có thể được biểu diễn như Hình 2.7.
Hình 2.7. Cấu trúc đề xuất của gum muồng hoàng yến
2.1.1. Nước thải giả định và dung dịch keo tụ cho thí nghiệm 2.1.1.1. Pha chế nước thải giả định
Từ khảo sát thực tế một số cơ sở nhuộm và nghiên cứu tài liệu (Loan, 2011;
Thanh và cộng sự, 2013) nhận thấy rằng trong số các nước thải nhuộm gây ô nhiễm
môi trường nước thải từ công đoạn nhuộm của màu nhuộm hoạt tính đang là loại nước thải khó xử lý và chiếm chi phí cao nhất. Vì thế nhóm nghiên cứu quyết định chọn đối tượng này trong nghiên cứu xử lý nước thải nhuộm.
Một khó khăn khác trong quá trình nghiên cứu nước thải nhuộm hoạt tính đó là nước thải nhuộm thực tế thường bao gồm nhiều hỗn hợp màu do nhuộm nhiều sản phẩm có màu sắc khác nhau theo đơn đặt hàng, các màu nhuộm mặc dầu có chỉ số độ màu rất lớn nhưng thông số COD lại không cao, vì thế để khảo sát hiệu suất xử lý nếu chỉ dùng thông số COD sẽ không thực sự chính xác trong khi độ màu tổng cộng (hoặc độ hấp thu) lại gây sai số lớn (vì độ màu không có tính cộng gộp, giá trị độ màu chỉ cho giá trị có thông số của màu có ưu thế).
Do những lý do trên trong đề tài nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành tạo ra mẫu nước thải giả lập với các màu nhuộm riêng rẽ gần giống với thực tế đặc biệt là độ màu (~1000 Pt-Co) và pH (~11) hai thông số quan trọng nhất trong nước thải nhuộm hoạt tính để màu nhuộm ở trạng thái thủy giải hoàn toàn. Quy trình chuẩn bị nước thải được tóm gọn trong Hình 2.8.
Hai màu nhuộm sử dụng trong nghiên cứu là Sunzol Black B 150% (SBB), Sunfix Red S3B 100% (SRS) của hãng Oh-Young (Hàn Quốc) được lấy trực tiếp từ cơ sở nhuộm Tiền Kim Thành, KCN Lê Minh Xuân, Hồ Chí Minh với công thức, phổ hấp thu và cấu trúc như Hình 2.9 và 2.10.
2.1.1.2. Xây dựng đường chuẩn của màu nhuộm
Hình 2.8. Quy trình pha nước thải nhuộm giả lập
Hình 2.9. Đặc tính lý học của các màu dùng trong thí nghiệm *
Hình 2.10. Màu và phổ hấp thu của màu nhuộm dùng trong thí nghiệm
Bảng 2.1. Độ hấp thu cực đại ứng với từng nồng độ màu của màu nhuôm
C (g/L) A
Sunzol Black B 150% Sunfix Red S3B 100% Độ hấp thu (Abs) Độ màu (Pt-Co) COD (mg/L) Độ hấp thu (Abs) Độ màu (Pt-Co) COD (mg/L) 0,01 0,235 246 8,1 0,154 65 4,07 0,02 0,461 484 16,2 0,322 129 4,07 0,03 0,685 750 19,9 0,467 191 6,1 0,04 0,936 1030 24,3 0,638 256 6,1 0,05 1,160 1230 32,6 0,794 315 10.,17 0,06 1,360 1440 36,7 0,951 371 14,24 0,07 1,577 1680 44,1 1,108 439 16,27 0,08 1,804 1910 48,4 1,261 499 20,34 0,09 2,011 2150 56,2 1,458 566 24,41
0,13 2,900 3090 80,5 2,033 812 34,58
0,14 3,078 3310 84,7 2,181 878 38,64
0,15 3,302 3580 91,9 2,303 938 38,64
λ max 600 541
Hình 2.11. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thu và độ màu vào hàm lượng màu của màu Sunzol Black B 150% ở bước sóng 600 nm.
Hình 2.12. Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc độ hấp thụ và độ màu vào hàm lượng màu của màu Sunfix Red S3B 100% ở bước sóng 541 nm.
2.1.1.3. Dung dịch keo tụ
Ngoài gum hạt muồng (với tính chất được đề cập trong chương 1), các hóa chất keo tụ phổ biến trên thị trường hiện nay như polyaluminium Chloride (PAC), phèn sắt -Iron (II) ammonium sulphate hexahydrate (FAS) và chitosan cũng được sử dụng trong thí nghiệm khử màu nhằm mục đích so sánh đánh giá hiệu quả của chất keo tụ mới này.
PAC (Poly Aluminium Chloride), 15% Al2O3 công thức [Al2(OH)nCl6·nxH2O]m , cung cấp bởi công ty hóa chất Biên Hòa.
Phèn sắt -Iron (II) ammonium sulphate hexahydrate (FAS), 14% Fe, công thức Fe(NH4)2(SO4)2∙6H2O, hàng của công ty Guangdong Xilong, Trung Quốc.
Chitosan (CTS) có độ đề axetyl (ĐĐA) ~92%, khối lượng phân tử trung bình (Mw) 170.000 g/mol là sản phẩm của Công ty Hóa Nước –Tp.Hồ Chí Minh. Trước khi thí nghiệm được kiểm tra lại ĐĐA bằng FTIR (Hình 2.13).
Dung dịch chuẩn các chất keo tụ được tiến hành bằng cách hòa tan 200 ± 1 mg bột (gum, chitosan, PAC hay FAS) trong 100 mL nước cất (hay 0.05 M HCl trong trường hợp chitosan) khuấy từ trong 5 phút, sau đó siêu âm trong 60 phút để tạo hỗn hợp đồng nhất. Dung dịch gốc được trử lạnh 5°C và được pha loãng đến nồng độ thích hợp khi sử dụng (từ 80 mg/L đến 350 mg/L). 30 40 50 60 70 80 90 100 %T
2.2. THIẾT BỊ DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM
Các thiết bị chính sử dụng cho quá trình thí nghiệm bao gồm: Máy keo tụ Jar- test: dùng cho thí nghiệm khảo sát khử màu
Hình 2.14. Mô hình Jartest
Máy quang phổ dùng để đo độ hấp thu, độ màu của màu nhuộm trong quá trình thí nghiệm. Máy do hãng HACH (Hoa Kỳ) sản xuất, model DR5000, bước sóng quét từ 190 – 1100 nm.
Hình 2.15. Máy quang phổ UV-Vis
Máy đun hoàn lưu dùng trong phân tích COD (COD REACTOR 230V/50Hz) do hãng HACH- Hoa kỳ sản xuất. Nhiệt độ được kiểm soát thông qua nhiệt kế theo kèm (Hình 2.16).
Hình 2.16. Máy đun hoàn lưu COD reactor Máy đo pH do hãng METTLER TOLEDO (Thụy Sĩ) sản xuất
Hình 2.17. Máy đo pH
2.3. QÚA TRÌNH THÍ NGHIỆM
2.3.1 Khảo sát quá trình keo tụ nước thải bằng gum
Màu nhuộm sử dụng Sunzol Black B 150% (SBB) và Sunfix Red S3B 100% (SRS). 2.3.1.1 Xác định pH tối ưu
Cố định hàm lượng gum 100 mg/L và các yếu tố nồng độ màu nhuộm, thời gian và tốc độ khuấy;
Biến thiên giá trị pH tại các điểm 3, 7, 10 và 12 (điều chỉnh pH bằng dung dịch NaOH 0.1N, HCl 0.1N).
Tiến trình thí nghiệm như sau:
- Cho vào 6 becker đánh số thự tự, mỗi becker 0.5 lít dung dịch màu nhuộm đã được pha với nồng độ 50mg/l (SRS) hay 100 mg/L (SBB);
- Dùng dung dịch NaOH (0.1N), acid HCl (0.1N), chỉnh và cố định lần lượt các giá trị pH đã chọn khảo sát;
- Cho lần lượt vào mỗi becker với 1 lượng gum như nhau với nồng độ 100mg/l; - Đặt 6 becker vào giàn máy Jar-test, bật máy, chỉnh máy khuấy nhanh ở tốc độ 180 vòng/phút trong 2 phút, giảm tốc độ quay xuống 60 vòng/phút, giữ tốc độ này trong 15 phút;
- Tắt máy khuấy, sau đó lấy 1 ít mẫu đem phân tích các chỉ tiêu pH, độ dẫn, độ hấp thu, COD;
- Giá trị pH tối ưu là giá trị ứng với mẫu có độ hấp thu và COD thấp nhất. 2.3.1.2 Xác định tốc độ khuấy tối ưu
Thực hiện tương tự bước khảo sát pH, nhưng cố định pH, thời gian khuấy, nồng độ gum và màu nhuộm.
Thay đổi tốc độ khuấy ở các mốc: 25, 30, 45, 60, 75, 90 vòng/phút. Trình tự thí nghiệm như sau:
- Cho vào 6 becker đánh số thự tự, mỗi becker 0.5 lít dung dịch màu nhuộm đã được pha với nồng độ 50mg/l (SRS) hay 100 mg/L (SBB);
- Dùng dung dịch NaOH (0.1N), acid HCl (0.1N), chỉnh và cố định pH theo giá
trị pH tối ưu đã được khảo sát ở mục 2.3.1.1.
- Cho lần lượt vào mỗi becker với 1 lượng gum như nhau với nồng độ 100mg/l; - Đặt 6 becker vào thiết bị Jar-test, lắp các cánh khuấy, khuấy nhanh 180 vòng/phút trong 2 phút, giảm tốc độ quay xuống theo từng giá trị đã chọn trước, giữ tốc độ này trong 15 phút;
- Tắt máy khuấy, sau đó lấy 1 ít mẫu đem phân tích các chỉ tiêu pH, độ dẫn, độ hấp thu, COD;
- Tốc độ khuấy tối ưu sẽ tương ứng với mẫu có độ hấp thu và COD thấp nhất.
2.3.1.3. Xác định thời gian khuấy tối ưu
Cố định các yếu tố pH, tốc độ khuấy, nồng độ gum và màu nhuộm. Thay đổi thời gian khuấy qua các mốc: 15, 30, 45, 60, 90 phút. Trình tự thí nghiệm như sau:
- Cho vào 6 becker đánh số thự tự, mỗi becker 0,5 lít dung dịch màu nhuộm đã được pha với nồng độ nồng độ 50mg/l (SRS) hay 100 mg/L (SBB);
- Dùng dung dịch NaOH (0.1N), acid HCl (0.1N), chỉnh và cố định pH theo giá
trị pH tối ưu đã được khảo sát ở mục 2.3.1.1;
- Cho lần lượt vào mỗi becker với 1 lượng gum như nhau với nồng độ 100mg/l; - Đặt becker vào thiết bị Jar-test, lắp các cánh khuấy, khuấy nhanh 180 vòng/phút
trong 2 phút, giảm tốc độ quay xuống theo tốc độ khuấy tối ưu đã được xác định ở
mục 2.3.1.2 và giữ tốc độ này qua các mốc thời gian đã chọn trước;
- Tắt máy khuấy, sau đó lấy 1 ít mẫu đem phân tích các chỉ tiêu pH, độ dẫn, độ hấp thu, COD;
- Thời gian khuấy tối ưu ứng với mẫu có độ hấp thu và COD thấp nhất. 2.3.1.4. Xác định nồng độ gum tối ưu
Cố định các yếu tố pH, nồng độ màu nhuộm, thời gian và tốc độ khuấy. Khảo sát nồng độ gum ở từ 40 đến 350 mg/l;
trị pH tối ưu đã được khảo sát ở mục 2.3.1.1;
- Cho lần lượt vào mỗi becker với 1 lượng gum đã được chọn để khảo sát;
- Đặt becker vào thiết bị Jar-test, lắp các cánh khuấy, khuấy nhanh 180 vòng/phút
trong 2 phút, giảm tốc độ quay xuống theo tốc độ khuấy tối ưu đã được xác định ở mục 2.3.1.2, và giữ tốc độ này qua các mốc thời gian tối ưu được xác định ở mục
2.3.1.3;
- Tắt máy khuấy, sau đó lấy 1 ít mẫu đem phân tích các chỉ tiêu pH, độ dẫn, độ hấp thu, COD;
- Nồng độ chitosan tối ưu sẽ tương ứng với mẫu có độ hấp thu và COD thấp nhất. 2.3.1.5. Xác định nồng độ màu tối ưu
Cố định các yếu tố pH, nồng độ gum, thời gian và tốc độ khuấy.
Chọn khảo sát nồng độ màu nhuộm ở các mức 20, 50, 80, 100, 120, 140 mg/l Trình tự thí nghiệm như sau:
- Cho vào 6 becker đánh số thự tự, mỗi becker 0,5 lít dung dịch màu nhuộm đã được pha với từng nồng độ đã được chọn trước.
- Dùng dung dịch NaOH (0.1N), acid HCl (0.1N), chỉnh và cố định pH theo giá
trị pH tối ưu đã được khảo sát ở mục 2.3.1.1;
- Cho lần lượt vào mỗi becker với 1 lượng chitosan tối ưu đã được xác định ở
mục 2.3.1.2;
- Đặt becker vào thiết bị Jar-test, lắp các cánh khuấy, khuấy nhanh 180 vòng/phút
trong 2 phút, giảm tốc độ quay xuống theo tốc độ khuấy tối ưu đã được xác định ở mục 2.3.1.3, và giữ tốc độ này qua các mốc thời gian tối ưu được xác định ở mục
2.3.1.4;
- Tắt máy khuấy, sau đó lấy 1 ít mẫu đem phân tích các chỉ tiêu pH, độ dẫn, độ hấp thu, COD;
- Nồng độ màu nhuộm tối ưu sẽ tương ứng với mẫu có độ hấp thu và COD thấp nhất.
2.3.1. Khảo sát quá trình keo tụ nước thải bằng các chất keo tụ khác
Các bước khảo sát tương tự như khảo sát quá trình keo tụ màu bằng gum với sự thay đổi các yếu tố như Bảng 2.2.
Bảng2.2. Các bước khảo sát quá trình xử lý màu bằng PAC, FAS và chitosan Bước thí nghiệm Yêu tố Khoảng khảo sát
1 pH 3 - 12
2 Tốc độ khuấy (A) [vòng/phút] 25- 90 3 Thời gian khuấy (t) [phút] 5 - 150
4 Nồng độ chất keo tụ [mg/L] 1.Chitosan 20 - 140 2. FAS (Fe2+) 60 - 320 3. PAC 40 - 1100 5 Nồng độ màu [mg/L] 20 - 140
2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.4.1. Phương pháp phân tích 2.4.1. Phương pháp phân tích
Các phương pháp phân tích dùng trong thí nghiệm hầu hết là các phương pháp phân tích nước và nước thải.
2.4.1.1. Xác định độ dài bước sóng có độ hấp thu cực đại
- Bước sóng cho khả năng hấp thụ cực đại được xác định bằng cách cho quét 3 mL dung dịch MN với máy quang phổ kế UV-Vis DR5000, cuvet thạch anh, trong dải bước sóng 380 - 750 nm. Từ phổ hấp thu này xác định các đỉnh hấp thu cực đại và các bước sóng tương ứng của từng loại MN sử dụng trong khoá luận.
- Độ hấp thụ trình bày trong kết quả thí nghiệm là hiệu số giữa độ hấp thụ tổng Sai Gon University
Bảng 2.3. Các thông số và phương pháp phân tích
Thông số Đơn vị Phương pháp phân tích
pH Đo bằng máy pH tại phòng thí nghiệm
Độ màu Pt-Co Đo bằng máy quang phổ UV–Vis DR5000 COD mg/L Standard Method (SMEWW 5220C : 2012) Độ hấp thụ Abs Đo bằng máy quang phổ UV–Vis DR5000
2.4.2. Phương pháp xử lý số liệu
2.4.2.1. Phương pháp hồi quy tuyến tính
Dùng phần mềm bảng tính Excel xây dựng đường chuẩn biểu thị mối quan hệ giữa lượng màu có trong dung dịch với độ hấp thụ quang, cũng như lượng màu còn lại trong dung dịch với lượng màu đã bị hấp phụ.
2.4.2.2. Phương pháp thống kê toán học
Các phân tích thống kê được thực hiện gồm có trị số trung bình và độ lệch chuẩn của 3 lần lặp lại các giá trị đo đạc và phân tích.
- Trị số trung bình số học x được tính: n i i n x x 1
- Độ lệch chuẩn S được tính bởi công thức:
1 ) ( 1 2 n x x S n i i
Trong đó xi là giá trị thu được lần thứ i khi thí nghiệm được lặp lại n lần. 2.4.2.3. Tính toán trong thí nghiệm phân hủy màu, COD
- Sự phân hủy màu của màu nhuộm được tính toán thông qua hệ số hấp thụ cực đại của máy quang phổ UV-Vis:
Hiệu suất khử màu (%) = 100 0
0 x
A A A
Ao: Độ hấp thụ của dịch MN ban đầu; A: Độ hấp thụ của dịch MN sau xử lý.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN THÍ NGHIỆM KEO TỤ
Quá trình keo tụ chịu ảnh hưởng của các yếu tố, trong nghiên cứu này chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố sau:
1. pH
2. Tốc độ khuấy 3. Thời gian khuấy 4. Nồng độ chất keo tụ 5. Nồng độ chất màu
Khi khảo sát ảnh hưởng của yếu tố nào thì yếu tố đó thay đổi trong quá trình thí nghiệm, các yếu tố khác được giữ cố định. Kết quả thích hợp đạt được cho một yếu tố, sẽ được lựa chọn cho thí nghiệm khảo sát yếu tố tiếp theo.
3.1 XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ THÍCH HỢP CHO QUÁ TRÌNH KHỬ MÀU BẰNG GUM
3.1.1. Xác định pH tối ưu
pH quyết định dạng tồn tại của gum và màu nhuộm trong dung dịch, pH quá cao hay quá thấp đều ảnh hưởng không tốt đến hiệu quả xử lý (Sanghi và cộng sự, 2006; Assadi và cộng sự, 2013). Để xác định pH tối ưu cho quá trình khử màu chúng tôi tiến hành khảo sát ở các điểm pH 3, 7, 10 và 12 khi cố định nồng độ chất gum, nồng độ màu nhuộm tốc độ, trong một khoảng thời gian khuấy xác định (Bảng 4.1) thu được kết quả biểu diễn như Hình 3.1.
Bảng 3.1. Điều kiện ban đầu của thí nghiệm khảo sát pH của gum Sai Gon University
SRS 60 30 100 50
Hình 3.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả khử màu bằng gum hạt muồng hoàng yến Từ kết quả thu được ở hình 3.1 cho thấy hiệu quả khử màu bằng gum chịu ảnh hưởng rất lớn khi pH thay đổi. Trong môi trường kiềm (pH 10) hiệu quả khử màu cao hơn trong môi trường acid. (với SBB là 31.7 và 18.1%; với SRS là 39.2 và 14.3% cho màu và COD). Giá trị này khá tương đồng với giá trị pH 9.5 trong nghiên cứu của