3.1. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ NRR BẰNG QUÁ TRÌNH FENTON ĐIỆN HÓA KẾT HỢP OXY HÓA NRR BẰNG QUÁ TRÌNH FENTON ĐIỆN HÓA KẾT HỢP OXY HÓA ANOT
3.1.1. Ảnh hưởng của pH ban đầu đến hiệu quả xử lý COD và độ màu màu
Để nghiên cứu ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu quả xử lý COD và độ màu bằng quá trình Fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot Ti/PbO2, thực hiện tiến hành các thí nghiệm với độ pH của dung dịch ban đầu khác nhau (2, 3, 4, 5, 6). Các điều kiện thí nghiệm khác được cố định như sau: Cường độ dòng điện I = 0,2A (Mật độ dòng J = 0,833 mA/cm2), T = 28 - 30oC (nhiệt độ phòng), nồng độ xúc tác Fe2+ = 0,1 mM, thời gian điện phân 1 giờ. Khí nén được sục liên tục vào hệ thí nghiệm để bão hòa không khí.
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH đầu vào của NRR đến hiệu suất xử lý COD thể hiện ở hình 3.1.
Hình 3.1.Ảnh hưởng của pH ban đầu đến hiệu quả xử lý COD Từ Hình 3.2 cho thấy hiệu suất xử lý COD tại các giá trị pH khác nhau Từ Hình 3.2 cho thấy hiệu suất xử lý COD tại các giá trị pH khác nhau
47
biến đổi theo một đường cong đỉnh hiệu suất đạt được giá trị pH = 3 với hiệu suất tương ứng là 88,89%. Ngược lại, khi dung dịch nước thải có tính axit hoặc bazơ hơn thì hiệu suất đạt được đều thấp hơn.
Kết quả này chứng minh pH là một yếu tố quan trọng có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình Fenton điện hóa. Cụ thể là khi pH của dung dịch NRR tăng dần từ 3 đến 6 thì hiệu quả xử lý giảm đi nhanh chóng đặc biệt đối với COD hiệu suất giảm tới hơn 10% khi pH tăng từ 3 lên 4. Nguyên nhân là do khi pH tăng, nồng độ ion H+ giảm, dẫn đến lượng H2O2 sinh ra trong quá trình khử O2 trên catot giảm.
O2 + 2H+ + 2e- → H2O2 (3.1) Fe 2+ + 2H2O2 → Fe 3+ + OH- + HO● (3.2) Đồng thời thì H2O2 cũng là một chất không ổn định trong dung dịch cơ. H2O2 nhanh chóng phân hủy thành oxy và nước ở pH trung tính đến cao với hằng số tốc độ 2,3 × 10−2 và 7,4 × 10−2 min-1 tương ứng ở pH 7,0 và 10,5. Lượng H2O2 sinh ra giảm kéo theo lượng gốc tự do HO● sinh ra sẽ giảm, do đó hiệu quả quá trình xử lý giảm. Ngoài ra khi pH tăng, cũng dẫn đến khả năng phản ứng giữa Fe3+ và OH- tạo thành kết tủa Fe(OH)3 làm giảm hiệu suất quá trình khoáng hóa.
Tuy nhiên khi pH giảm xuống dưới 3 thì hiệu quả xử lý cũng giảm đáng kể. Nguyên nhân có thể được giải thích là do ở giá trị pH là 2 xảy ra phản ứng giữa HO● và H+ :
HO● + H+ + e-→ H2O (3.3)
Và phản ứng sau làm giảm lượng hydro peroxide được tạo ra:
H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O (3.4) Ngoài ra, ở pH dưới 3 hydro peroxide sẽ ổn định theo sự hình thành ion oxonium:
48
H2O2 + H+→ H3O2+ (3.5) Ion này giúp peroxide ổn định hơn trong hệ nhưng làm giảm hoạt tính của H2O2 với ion Fe2+. Điều này dẫn đến làm giảm số lượng các vị trí hoạt động cho quá trình khử O2 trên catot tạo thành hydro peoxit H2O2 dẫn tới giảm gốc tự do OH●.
Mặt khác, các loại sắt tạo thành phức ổn định với H2O2 ở giá trị pH thấp hơn làm hiệu quả oxy hóa giảm đáng kể.
Từ kết quả nghiên cứu trên, để xử lý COD bằng công nghệ EF - AO ta có thể chọn pH của NRR đầu vào là 3.
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH đầu vào của NRR đến hiệu suất xử lý độ màu thể hiện ở Hình 3.2.
Hình 3.2.Ảnh hưởng của pH ban đầu đến hiệu quả xử lý độ màu
Từ Hình 3.2 trên cho thấy hiệu suất xử lý độ màu tại các giá trị pH khác nhau là khác nhau. Ở pH đầu vào là 3 có hiệu suất xử lý độ màu cao hơn so với các pH đầu vào khác ở các thời điểm lấy mẫu nghiên cứu. Hiệu suất xử lý độ màu cao nhất là 80,35% ở pH đầu vào là 3. Khi pH dung dịch tăng từ 3
49
đến 6, thì hiệu suất xử lý độ màu trong NRR giảm dần. Hiện tượng này là do pH tăng, nồng độ ion H+ giảm dẫn đến lượng H2O2 sinh ra trong quá trình khử O2 trên catot (phản ứng 3.1) giảm, do đó hiệu suất xử lý giảm.
Khả năng phân ly của chất màu hữu cơ ở các pH khác nhau là khác nhau. Do đó khi có sự thay đổi pH làm cho quá trình phân ly thay đổi dẫn tới hiệu suất xử lý thay đổi. Như vậy để xử lý độ màu bằng công nghệ EF - AO ta có thể chọn pH của NRR đầu vào là 3.
Các đồ thị trên còn cho thấy giá trị COD và độ màu giảm nhanh chóng trong khoảng 15 phút đầu của quá trình. Điều này có thể được giải thích bởi phản ứng Fenton tạo ra gốc ●OH chỉ diễn ra mãnh liệt ngay trong thời gian đầu phản ứng khi H2O2 được xúc tác bởi Fe2+ làm COD và độ màu nước rác giảm nhanh, tại các thời điểm sau đó gốc tự do tham gia vào một loạt các phản ứng cạnh tranh như đã trình bày ở trên làm tốc độ phân hủy độ màu và COD chậm dần. Theo kết quả nghiên cứu của luận văn sau 45 phút phản ứng của hệ thống đạt được hiệu quả xử lý cao nhất và sau đó bão hòa.
Trong phần này, đã trình bày nghiên cứu về ảnh hưởng của các giá trị pH đầu vào khác nhau của nước thải đến khả năng xử lý NRR bằng phương pháp EF - AO. Kết quả cho thấy, khả năng loại bỏ chất ô nhiễm đều giảm đi khi môi trường nước thải có pH cao.
Lê Văn Tuấn và cộng sự [16] cũng chỉ ra rằng các điều kiện pH có ý nghĩa khác nhau về hiệu quả loại bỏ COD và độ màu trong NRR khi pH=3 là điều kiện lý tưởng để xử lý COD và độ màu. Kết quả nghiên cứu luận văn cũng cho thấy, tại pH = 3 hiệu suất xử lý COD và độ màu đều đạt hiệu suất cao nhất. Cụ thể ở Bảng 3.1:
70
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
Luận văn đã đạt được một số kết quả như sau:
1. Luận văn đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot bằng vật liệu Ti/PbO2 trong xử lý nước rỉ rác bao gồm: pH, cường độ dòng điện và nồng độ xúc tác Fe2+ để lựa chọn ra điều kiện phù hợp để xử lý COD và độ màu trong NRR cụ thể như sau:
pH = 3;
Cường độ dòng điện giữ ổn định là I = 0,5 A tương đương mật độ dòng điện là 2,083 mA/cm2;
Thời gian điện phân: 45 phút; Nồng độ xúc tác Fe2+ = 0,08 mM;
Hiệu suất xử lý cao nhất đạt 98,61% đối với COD và 85,16% đối với độ màu tại điều kiện phù hợp đã tìm ra ở trên. Nước rỉ rác sau xử lý tại điều kiện tối ưu có giá trị COD giảm tử 5760 mg/L xuống còn 80 mg/L và giá trị độ màu giảm từ 70,14 Pt - Co xuống còn 10,41 Pt - Co. Nước rỉ rác sau xử lý đạt QCVN 40:2011/BTNMT (cột B)
2. Trong các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD và độ màu đến quá trình Fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot bằng vật liệu Ti/PbO2 trong xử lý nước rỉ rác thì pH là quan trọng nhất. Do khi dung dịch nước thải có tính axit hoặc bazơ hơn thì hiệu suất đạt được đều thấp hơn, pH = 3 mới đạt hiệu quả xử lý cao nhất.
3. Một số kết quả đánh giá cho thấy phương pháp xử lý COD và độ màu trong nước rỉ rác khi kết hợp Fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot bằng vật liệu Ti/PbO2 có hiệu suất xử lý tốt khi sử dụng từng phương pháp Fenton và oxy hóa điện hóa riêng lẻ.
71
Kiến nghị
Do khuôn khổ nghiên cứu của luận văn có hạn, các kết quả của luận văn là các nghiên cứu cơ bản áp dụng Fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot bằng vật liệu Ti/PbO2 trong xử lý nước rỉ rác. Để có thể áp dụng được phương pháp này vào thực tế, cần có những nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện công nghệ xử lý nước rỉ rác kết hợp Fenton điện hóa với quá trình oxy hóa anot bằng vật liệu Ti/PbO2. Một số các kiến nghị được tác giả đưa ra như sau:
- Khảo sát thêm với một số loại điện cực khác xử lý nước rỉ rác bằng hệ Fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot để so sánh hiệu quả xử lý COD và độ màu trong nước rỉ rác khi sử dụng các loại điện cực khác nhau.
- Khảo sát yếu tố khoảng cách giữa các điện cực ảnh hưởng hiệu quả xử lý COD và độ màu trong nước rỉ rác khi sử dụng các loại điện cực khác nhau.
- Đánh giá hiệu quả xử lý các chỉ tiêu hóa lý khác trong nước rỉ rác của hệ fenton điện hóa sử dụng điện cực anot bằng vật liệu Ti/PbO2
- Trong thời gian tới sẽ áp dụng công nghệ trên để xây dựng và vận hành thử nghiệm mô hình pilot để có thể bước đầu đánh giá hiệu quả kinh tế của giải pháp này.
72
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2017, Báo cáo hiện trạng môi
trường quốc gia năm 2017 Chuyên đề quản lý chất thải, Nhà xuất bản Tài
nguyên - Môi trường và Bản đồ Việt Nam.
2. World Bank, 2018, Đánh giá công tác quản lý chất thải rắn sinh
hoạt và chất thải công nghiệp nguy hại: các phương án và hành động.
3. S.A. Cheng et al, 2003, Optimizing electron spin resonance detection of hydroxyl radical in water, Chemosphere, vol. 52, pp. 1797-1805.
4. J. Hoigne, 1997, Inter-calibration of OH radical sources and water quality parameters, Water Sci. and Technol., vol. 35 (4), pp. 1-8.
5. G.V. Buxton et al, 1988, Critical Review of rate constants for reactions of hydrated electronsChemical Kinetic Data Base for Combustion Chemistry. Part 3: Propane, J. Phys. Chem. Ref. Data, vol. 17, pp. 513-886.
6. C. Comninellis, C. Pulgarin, 1991, Anodic oxidation of phenol for waste water treatment, J. Appl. Electrochem., vol. 21, pp. 703-708.
7. C. Comninellis, C. Pulgarin, 1993, Electrochemical oxidation of phenol for wastewater treatment using SnO2 anodes, J. Appl. Electrochem., vol. 23, pp. 108-112.
8. D. Zollinger et al, 2004, Electrochemical cleavage of 1,2- diphenylethanes at boron-doped diamond electrodes, Electrochem. Commun., vol. 6, pp. 605-608.
9. M.A. Oturan and J. Pinson, 1992, Polyhydroxylation of salicylic acid by electrocheically generated OH radicals, New J. Chem., vol. 16, pp. 705-710.
10. Do et Chen., 1994, In situ oxidative degradation of formaldehyde with hydrogen peroxide electrogenerated on the modified graphites, J. Appl.
Electrochem, vol. 24, pp. 936 - 942.
11. M.E. Taulis, 2005, Metal contaminants in leachate from sanitary landfills, in: T.A. Moore, A. Black, J.A. Centeno, J.S. Harding, D.A. Trumm
73
(Eds.), Metal, Resolutionz Press, Christchurch, New Zealand, pp. 173 - 190. 12. Lê Văn Cát, Nguyễn Hồng Khánh, Tạ Đăng Toàn, Phạm Tuấn Linh, 2009, Môi trường bãi chôn lấp chất thải và kỹ thuật xử lý nước rác, Hà Nội: Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
13. Morton A., Barlaz Peter Kjeldsen, Alix P. Rooker, Anders Baun, Anna Ledin, 2002, Present and Long-Term Composition of MSW Landfill Leachate: A Review, Critical Reviews in Environmental Science and
Technology, vol. 32(4), pp. 297-336.
14. B. Jefferson, H. Alvarez-Vazquez, S.J. Judd, 2004, Membrane bioreactors vs conventional biological treatment of landfill leachate: a brief review, Journal Chem. Technol.Biotechnol., vol. 79, pp. 1043 - 1049.
15. Trần Mạnh Trí, 2007, Báo cáo kết quả thực hiện đề tài: “Áp dụng các quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs) để xử lý nước rỉ rác đã qua xử lý sinh
học ở nhà máy xử lý Gò Cát, thực hiện trên hệ pilot 15-20 m3/ngày”, Trung
tâm công nghệ Hóa học và Môi trường.
16. Lê Văn Tuấn, Trương Quý Tùng, Nguyễn Thị Khánh Tuyền, Phạm Khắc Liệu, 2009, Xử lý nước rỉ rác bằng tác nhân UV-fenton trong thiết bị gián đoạn, Tạp chí khoa học, Đại học Huế, Tập 53, tr. 165 - 175.
17. E. Paris, L. Koshi, S. Ling, T. Jones, K. Berube, 2007, Bioreactivity of leachate from municipal solid waste landfills - assessment of toxicity, Sci.
Total Environ., vol. 384, pp. 171 - 181.
18. M.N. Adlan, H.A. Aziz, M.S.M. Zahari, S. Alias, 2004, Removal of ammoniacal nitrogen (N-NH3) from municipal solid waste leachate by using activated carbon and limestone, Waste Manage. Res., vol. 22, pp. 371 - 375.
19. H. Kim, P. Koedrith, J.I. Weon, Y.R. Seo, 2013, Toxicogenomic approaches for understanding molecular mechanisms of heacy metal mutagenicity and carcinogenicity, Int. Journal. Hyg. Envir. Heal., vol. 216, pp. 587-598.
74
Baker, E., 2001, Exposure to heavy metals and infectious disease mortality in harbor porpoises from England and Wales, Environ. Pollut., vol. 112, pp. 33- 40.
21. Nguyễn Hồng Khánh, Lê Văn Cát, Tạ Đăng Toàn, Phạm Tuấn Linh, 2009, Môi trường bãi chôn lấp chất thải và kỹ thuật xử lý nước rác, Hà Nội: NXB Khoa hoc ̣ và Kỹ thuật.
22. Lê Cao Khải, 2019, Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương
pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học, Luận án tiến sĩ Kỹ thuật Môi
trường, Hà Nội.
23. Abbas A.A., Jingsong G. Ping L.Z., Ya P.Y., Al-Rekabi W.S., 2009, Review on landfill leachate treatments, American Journal of Applied
Sciences, vol. 6(4), pp. 672-684.
24. G. V. Buxton, C. L. Greenstock, and W. P. H. a. A. B. Ross, 1988, Critical Review of rate constants for reactions of hydrated electrons Chemical Kinetic Data Base for Combustion Chemistry. Part 3: Propane, The Journal of
Physical Chemistry, vol. 17, pp. 513-886.
25. Võ Thành Vinh, Nguyễn Đức Hùng, Nguyễn Văn Minh, Cơ chế
quá trình oxy hóa điện hóa Dimethioat, Hội nghị Khoa học và Công nghệ
Hóa Hữu cơ toàn quốc lần thứ 2.
26. S. Ammar, M. A. Oturan, L. Labiadh, A. Guersalli, R. Abdelhedi, N. Oturan, and E. Brillas, 2015, Degradation of tyrosol by a novel electro- Fenton process using pyrite as heterogeneous source of iron catalyst, Water
Research, vol. 74, pp. 77-87.
27. Tizaoui C., Bouselmi L., Mansouri L. and Ghrabi A., 2007, Landfill leachate treatment with ozone and ozone/hydrogen peroxide systems, Journal of Hazardous Materials, vol. 140, pp. 316-324.
28. Ushikoshi K., Kobayashi T., Uematsu K., Toji A., Kojima D. and Matsumoto K., 2002, Leachate treatment by the reverse osmosis system,
75
29. Singh S.K., Townsend T.G. and Boyer T.H., 2012, Evaluation of coagulation (FeCl3) and anion exchange (MIEX) for stabilized landfill leachate treatment and high-pressure membrane pretreatment, Separation and
Purification Technology, vol. 96, pp. 98-106.
30. Torres-Socías E.D., Prieto-Rodríguez L., Zapata A., Fernández- Calderero I., Oller I. and Malato S., 2015, Detailed treatment line for a specific landfill leachate remediation. Brief economic assessment., Chemical
Engineering Journal, vol. 261, pp. 60-66.
31. S. Liu, X.-r. Zhao, H.-y. Sun, R.-p. Li, Y.-f. Fang, and Y.-p. Huang, 2013, The degradation of tetracycline in a photo-electro-Fenton system,
Chemical Engineering Joural, vol. 231, pp. 441-448.
32. S. Ammar, M. A. Oturan, L. Labiadh, A. Guersalli, R. Abdelhedi, N. Oturan, and E. Brillas, 2015, Degradation of tyrosol by a novel electro- Fenton process using pyrite as heterogeneous source of iron catalyst, Water
Research, vol. 74, pp. 77-87.
33. W. Gebhardt, and H. F. Schroder, 2007, Liquid chromatography- (tandem) mass spectrometry for the follow-up of the elimination of persistent pharmaceuticals during wastewater treatment applying biological wastewater
treatment and advanced oxidation, Journal of Chromatography A 1160.
34. A. Zhihui, Y. Peng, and L. Xiaohua, 2005, Degradation of 4- Chlorophenol by microwave irradiation enhanced advanced oxidation
processes, Chemosphere 60.
35. S. Maddila, P. Lavanya, and S. B. Jonnalagadda, 2015, Degradation, mineralization of bromoxynil pesticide by heterogeneous photocatalytic ozonation, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, vol. 24, pp. 333-341.
36. Hoàng Ngọc Minh, 2012, Nghiên cứu xử lý nước thải chứa các hợp
chất hữu cơ khó phân hủy sinh học bằng các phương pháp xử lý nâng cao,
Luận án Tiến sĩ trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội.
76
làm giảm hàm lượng các chất hữu cơ khó phân hủy trong xử lý nước rỉ rác bãi