V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
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
Sanghi và cộng sự (2006) khi sử dụng trong khử màu nước thải nhuộm.
Tại pH 10, cấu trúc của các màu nhuộm hoạt tính chủ yếu ở dạng hydroxyethyl sulfone như miêu tả trong Hình 3.1 (Ojstršek và cộng sự, 2008). Dạng tồn tại này có thể dễ dàng tạo liên kết giữa π electron của màu nhuộm với nhóm cis-hydroxy có trong gum (Blackburn, 2004). Vì thế màu nhuộm có thể bị loại trừ bằng gum hạt với cơ chế minh hoạ trong Hình 3.2.
Ở môi trường kiềm cao (pH 12), nối carbonhydrate của gum có thể bị phân hũy một phần (Whistler và BeMiller, 1958). Điều này làm cho gum khó tương tác hiệu quả với màu nhuộm ngay cả khi dạng tồn tại của nó vẫn giử nguyên là hydroxyethyl sulfone tại pH này. Do đó hiệu suất khử màu của gum giảm tại pH 12.
Trái lại tại pH trung tính và acid, phân tử màu nhuộm bị proton hóa, trên phân tử màu xuất hiện các gốc mang điện tích dương (tại vị trí của nhóm amine). Tương tác đẩy giữa bề mặt gum và màu nhuộm dẫn đến hiệu suất khử màu hầu như không đáng kể tại các giá trị pH này.
Hình 3.2. Cấu trúc màu nhuộm nghiên cứu tại các pH khác nhau (chạy bằng I-lab 2.0)
3.1.2. Xác định tốc độ khuấy tối ưu
Trong thí nghiệm Jar-test, tốc độ khuấy trộn quyết định khả năng hình thành và duy trì các “bông keo”. Tốc độ khuấy trộn thích hợp sẽ giúp cho các bông keo lớn dần, tương tác hiệu quả mà không làm vỡ cấu trúc (Joo và cộng sự, 2007). Nghiên cứu khảo sát tốc độ khuấy trộn thay đổi từ 25 – 90 vòng/phút (Bảng 3.2) nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của yếu tố này đến quá trình keo tụ bằng gum kết quả thu được với hai màu được trình bày theo Hình 3.3.
Bảng 3.2. Điều kiện ban đầu của thí nghiệm khảo sát tốc độ khuấy trộn của gum
1.1.1.1pH Thời gian Nồng độ gum IDC Tốc độ khuấy trộn
- [phút] [mg/L] [mg/L]
[Vòng/phút]
SBB 10 30 100 100
25, 30, 45, 60, 75 và 90
SRS 10 30 100 50
Quan sát trên Hình 3.3 cho thấy, tốc độ khuấy ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ, với hai màu nhuộm khác nhau tốc độ khuấy trộn hiệu quả cũng khác nhau: SRS 45 vòng/ phút (khử màu 44.7%, khử COD 26.3%) trong khi SBB 60 vòng/ phút (khử màu 30.9%, khử COD 18.3%). Hiệu quả xử lý khác nhau của hai màu nhuộm hoạt tính trên có thể đến do sự khác biệt đặc điểm cấu trúc của bản thân hai màu nhuộm trong khi màu SBB có hai nhóm vinyl sulphone thì SRS có một nhóm triazine trong phân tử.
Tốc độ khuấy trộn này tương thích với tốc độ khuấy trộn trong nghiên cứu của
Tatsi và cộng sự (2003), theo đó tốc độ khuấy trộn 45 (SRS) và 60 (SBB) được lựa
chọn cho các nghiên cứu tiếp theo.
Hình 3.3. Cơ chế tương tác của màu nhuộm và gum (Blackburn, 2004) Sai Gon University
Hình 3.4. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến hiệu quả khử màu bằng gum
3.1.3. Xác định thời gian khuấy tối ưu
Cùng với tốc độ khuấy trong thí nghiệm Jar-test, thời gian khuấy cũng đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định hiệu quả xử lý. Trong giai đoạn này thời gian xử lý thay đổi từ 15 – 90 phút (Bảng 3.3) nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của yếu tố này đến quá trình keo tụ bằng gum kết quả thu được trình bày trên Hình 3.5.
Bảng 3.3. Điều kiện ban đầu của thí nghiệm khảo sát thời gian khuấy trộn của gum
Màu nhuộm pH Tốc độ Nồng độ gum IDC Thời gian khuấy trộn - [Vòng/phút] [mg/L] [mg/L] [phút]
SBB 10 60 100 100
15, 30, 45, 60 và 90
SRS 10 45 100 50
Từ hình 3.5 thấy rằng cùng với sự gia tăng thời gian phản ứng, hiệu quả khử màu tăng dần. Hiệu quả giảm màu và COD của hai màu SRS và SBB lần lượt là 44.5, 40.4 và 25.1, 25.5%. Tuy nhiên khi vượt quá ngưỡng tối ưu (30 phút với SRS và 45 phút với SBB) hiệu quả xử lý gần như không đổi thậm chí có xu hướng giảm (SRS).
Điều này có thể do quá trình “bền hóa” (restabilization) hay keo hóa trở lại của hệ (Sanghi và cộng sự, 2002). vì thế 30 (SRS) và 45 phút (SBB) được lựa chọn cho các thí nghiệm nghiên cứu tiếp theo.
Hình 3.5. Ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn đến hiệu quả khử màu bằng gum
3.1.4. Xác định nồng độ gum tối ưu
Lượng chất keo tụ là một trong những yếu tố có tác động trực tiếp đến chất lượng nước sau xử lý, vì vậy mục đích của phần này là tìm ra lượng gum thích hợp nhất cho thí nghiệm khử màu. Nồng độ gum được thay đổi từ 40-350 mg/L trong khi các yếu tố khác được giử nguyên trong quá trình thí nghiệm (bảng 3.4). Kết quả thí nghiệm được trình bày trên Hình 3.6.
Bảng 3.4. Điều kiện ban đầu của thí nghiệm khảo sát nồng độ gum thích hợp
Màu nhuộm
pH Tốc độ Thời gian IDC Nồng độ gum - [Vòng/ph
út] [phút]
[mg/L ]
[mg/L] Sai Gon University
Hình 3.6 cho thấy ban đầu hiệu quả khử màu của gum tăng dần khi nồng độ gum tăng. Hiệu quả khử màu SRS là 54.3% màu, 40.9% COD và màu SBB là 56.8% màu, 33.4% COD tương ứng với nồng độ gum là 200 mg/L. Tuy vậy khi nồng độ gum