V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 tăng dần hiệu quả khử màu lại giảm xuống. Xu hướng tăng rồi giảm về hiệu suất trên có khả năng do quá trình hình thành liên kết gum và màu nhuộm lúc đầu dễ dàng khi hàm lượng gum chưa đạt đến mức độ tối ưu, khi trong dung dịch hàm lượng gum tăng lên trong khi nồng độ màu nhuộm không đổi, quá trình cạnh tranh giữa các phân tử gum xảy ra làm giảm khả năng liên kết hình thành giữa gum và màu nhuộm (Blackburn, 2004; Sanghi và cộng sự, 2006). Nồng độ gum 200 mg/L được lựa chọn cho thí nghiệm khảo sát nồng độ màu nhuộm thích hợp.
Hình 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ gum đến hiệu quả khử màu Sai Gon University
3.1.5. Xác định nồng độ màu nhuộm tối ưu
Giai đoạn này nồng độ màu nhuộm được thay đổi từ 20-140 mg/L trong khi các yếu tố khác được giữ nguyên trong quá trình thí nghiệm (bảng 3.5). Kết quả thí nghiệm được trình bày trên Hình 3.7.
Bảng 3.5 Điều kiện ban đầu của thí nghiệm khảo sát nồng độ màu thích hợp bằng gum
Màu nhuộm pH Tốc độ Thời gian Nồng độ gum Nồng độ màu - [Vòng/phút ] [phút] [mg/L] [mg/L] SBB 10 60 45 200 20, 50, 80, 100, 120 và 140 SRS 10 45 30
Hình 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ màu đến hiệu suất khử màu Sai Gon University
3.2. XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ THÍCH HỢP CHO QUÁ TRÌNH KHỬ MÀU BẰNG CHITOSAN BẰNG CHITOSAN
Để so sánh hiệu suất khử màu của gum so với các hóa chất khác, chúng tôi tiến hành nghiên cứu khả năng xử lý các màu nhuộm này bằng chất keo tụ là chitosan, PAC và phèn sắt II. Đây là những chất keo tụ phổ biển áp dụng trong xử lý hầu hết các loại nước thải công nghiệp trong đó có ngành nhuộm.
3.1.1. Xác định pH tối ưu
Chitosan là một polymer nên ở pH quá thấp nó sẽ bị phá hủy làm mất hoạt tính của chitosan. Còn ở pH quá cao thì nhóm –NH3+ sẽ bị deproton hóa làm tương tác tĩnh điện giữa hai nhóm R-NH3+ và Dye-SO3- giảm, độ hấp thụ của chitosan sẽ giảm khi pH tăng.
Để xác định pH tối ưu cho quá trình xử lý chúng tôi tiến hành khảo sát ở các điểm pH 5, 7, 9, 10 và 11 khi cố định các yếu tố nồng độ chitosan, nồng độ chất màu, tốc độ, thời gian khuấy (bảng 3.6) kết quả được biểu diển theo hình 3.8.
Bảng 3.6. Điều kiện ban đầu của thí nghiệm khảo sát pH của chitosan
Màu nhuộmTốc độ khuấy Thời gian (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nồng độ chitosan IDC pH [Vòng/phút] [phút] [mg/L] [mg/L] SBB 60 15 60 50 5, 7, 9, 10, 11 SRS 90 30 80
Hình 3.8. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất khử màu bằng chitosan
Nhận xét: Qua đồ thị ta thấy được khoảng pH để chất keo tụ chitosan khử màu nhuộm tốt nhất là 9. Ở pH = 9, hiệu quả khử màu của màu SBB là 81.7% màu và 85.3% COD trong khi màu SRS là 59.2% màu và 83.7% COD, Có thể thấy rằng pH = 9 là pH phù hợp với nước thải dệt nhuộm, không làm mất đi hoạt tính của chitosan và không tốn quá nhiều hóa chất để chỉnh pH đầu vào nước thải.