5. Cấu trúc luận văn
3.4. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG XỬ
LÝ NƯỚC THẢI NUÔI TÔM CỦA VẬT LIỆU BiOI/TiO2 PHÂN TÁN TRÊN PHA NỀN
3.4.1. Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác BiOI/TiO2 trên một đơn vị diện tích đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu khi sử dụng nguồn sáng đèn
Nước thải nuôi tôm trước hết được xử lý bằng phương pháp vi sinh trong điều kiện không sục khí với nồng độ vi sinh là 3 ppm. Sau đó, nước thải được xử lý bằng phương pháp oxi hóa nâng cao trong khay xi măng có phân tán vật
liệu BiOI/TiO2 với khối lượng lần lượt là 5 mg, 6 mg, 7 mg, sử dụng nguồn sáng đèn LED. Hiệu quả của việc xử lý được khảo sát thông qua các thông số đặc trưng pH, COD, BOD và NH4+.
3.4.1.1. Kết quả khảo sát pH
Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác đến pH theo thời gian xử lý được biểu diễn qua hình 3.11.
Hình 3. 11. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị pH với các khối lượng xúc tác khác nhau trên một đơn vị diện tích khi sử dụng nguồn sáng đèn
Từ kết quả thực nghiệm (hình 3.11) chúng tôi nhận thấy: giá trị pHtăng dần theo thời gian xử lý xúc tác quang. Ví dụ ở 0,5 giờ đầu tiên sau khi xử lý, giá trị pHở tất cả các mẫu đều tăng dần, giá trị tăng cao nhất xảy ra ở mẫu 7 mg (tăng 1,59%) và tăng thấp nhất ở mẫu 5 mg (tăng 1,30%). Đồng thời, kết quả cũng cho thấy giá trị pH tỷ lệ thuận với mật độ chất xúc tác. Đến 6 giờ sau khi xử lý, giá trị pH của các khối lượng 5 mg, 6 mg, 7 mg lần lượt là 8,31 ± 0,01; 8,34 ± 0,01; 8,35 ± 0,01. Kết quả trên có thể được giải thích là do sự khác nhau về khối lượng của chất xúc tác trong mẫu nước thải. Với cùng chất lượng nước đầu vào, giá trị pH có xu hướng tăng dần theo thời gian xử lý là do sự chuyển hoá các hợp chất hữu cơ có trong nước thải, quá trình quang xúc tác oxi hóa các hợp chất của nito của vật liệu composite và có thể vẫn còn có sự tham
0 2 4 6 8 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 G á trị p H Thời gian (h) 5mgBiOI/TiO2 6mgBiOI/TiO2 7mgBiOI/TiO2
gia của các vi khuẩn trong chế phẩm vi sinh trong việc phân giải các hợp chất hữu cơ tạo ra các sản phẩm phân giải như H2S, NH3,… Chính những yếu tố này làm tăng giá trị pH trong quá trình xử lý vật liệu xúc tác quang.
Để đánh giá hiệu quả xử lý xúc tác quang trong điều kiện sử dụng nguồn sáng đèn, chúng tôi tiếp tục theo dõi các chỉ tiêu đặc trưng khác trong nước thải. Kết quả được trình bày trong những nội dung tiếp theo.
3.4.1.2. Kết quả khảo sát NH4+
Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác đến giá trị NH4+ theo thời gian xử lý được biểu diễn qua hình 3.12.
Hình 3. 12. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độNH4+ với các khối lượng xúc tác khác nhau trên một đơn vị diện tích khi sử dụng nguồn sáng đèn
Từ kết quả thực nghiệm (hình 3.12) chúng tôi nhận thấy: ở các khối lượng chất xúc tác khác nhau, nồng độ NH4+ giảm nhanh theo thời gian xử lý xúc tác quang. Ví dụ ở 0,5 giờ đầu tiên sau khi xử lý, nồng độ NH4+ ở tất cả các mẫu đều giảm nhanh, giảm nhiều nhất ở mẫu 7 mg (giảm 7,81%). Sau 3 giờ xử lý xúc tác quang dưới điều kiện chiếu sáng bằng đèn LED, nồng độ NH4+ của tất cả các mẫu nước thải đều giảm nhanh và đạt tiêu chuẩn xả thải theo QCVN
0 5 10 15 20 25 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 H àm lư ợn g N H4 + (m g /L ) Thời gian (h) 5mgBiOI/TiO2 6mgBiOI/TiO2 7mgBIOI/TiO2
40:2011/BTNMT, cụ thể nồng độ NH4+ của các mẫu tương ứng với khối lượng xử lý chất xúc tác tăng dần từ 5 đến 7 mg là: 8,34 ± 0,55 mg/L; 6,18 ± 0,46 mg/L; 4,27 ± 0,08 mg/L. Ở các thời gian xử lý tiếp theo, nồng độ NH4+ giảm chậm và sau 6 giờ, hiệu quả xử lý NH4+ ở các mẫu nước thải với mật độ chất xúc tác 5 mg, 6 mg, 7 mg lần lượt là 81,40%; 92,09%; 93,45%.
Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác đến khả năng xử lý NH4+ có thể được giải thích như sau: Nồng độ NH4+ đều giảm nhanh ở 0,5 giờ đầu và giảm mạnh vào giờ thứ 3 ở các khối lượng xử lý xúc tác quang do NH3 có trong mẫu nước thải được tạo ra do các quá trình phân giải và chuyển hóa một phần sẽ bị bay hơi hoặc cũng có thể bị hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác [9]. Dưới tác dụng của ánh sáng đèn LED, vật liệu BiOI/TiO2 được hoạt hóa và trở thành chất quang xúc tác, thúc đẩy quá trình phân hủy NH4+ nhờ các gốc tự do có khả năng oxi hóa mạnh tạo ra các phân tử đơn giản thứ cấp. Khi khối lượng vật liệu tăng sẽ làm tăng khả năng tạo thành các gốc tự do oxi hóa mạnh làm cho ion NH4+ có trong môi trường. Cơ chế phản ứng được giải thích như sau [9, 11, 17]: NH4+ + 3H2O NO3- + 10H+ + 8e- NO3- + h NO2- + ½ O. ½ O. + O2 O3 NO2- + h NO + O. O. + H2O 2OH NO + OH HNO2 NO2- + O3 NO3- + O2
Từ những đánh giá trên, chúng tôi nhận thấy hiệu quả xử lý nồng độ NH4+ xảy ra tốt nhất ở khối lượng 7 mg xúc tác (93,45%) và chênh lệch không nhiều với khi sử dụng ở khối lượng 6 mg (92,09%), và sẽ đạt tiêu chuẩn xả thải sau 3 giờ xử lý xúc tác quang ở tất cả các khối lượng xử lý.
Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác đến giá trị BOD5 theo thời gian xử lý được biểu diễn qua hình 3.13.
Hình 3. 13. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị BOD5 với các khối lượng xúc tác khác nhau trên một đơn vị diện tích khi sử dụng nguồn sáng đèn
Từ kết quả thực nghiệm (hình 3.13) chúng tôi nhận thấy: nồng độ BOD5 giảm theo thời gian xử lý xúc tác quang. Ở 0,5 giờ đầu tiên sau khi xử lý, nồng độ BOD5ở tất cả các mẫu đều giảm, giá trị giảm thấp nhất xảy ra ở mẫu 6 mg (giảm 3,37%) và giảm nhiều nhất ở mẫu 5 mg (giảm 4,16%). Và chỉ sau 5 giờ xử lý xúc tác quang dưới ánh sáng đèn, tất cả các mẫu đều có nồng độ BOD5 đạt tiêu chuẩn xả thải theo QCVN 02-19:2014/BNNPTNT cụ thể nồng độ BOD5 của các mẫu tương ứng là: 48,48 ± 1,15 mg/L (5 mg); 43,50 ± 0,47 mg/L (6 mg); 41,36 ± 1,30 mg/L (7 mg). Sau 6 giờ xử lý xúc tác quang, hiệu quả xử lý nồng độ BOD5 của 5 mg, 6 mg, 7 mg lần lượt là: 72,58%; 74,69%; 75,25%. Từ 3 giờ đến 3,5 giờ giá trị BOD5đo được thay đổi mạnh nhất, giá trị này giảm tương ứng là 27,47% (5 mg); 26,07% (6 mg); 26,36% (7 mg), từ 3,5 giờ đến 6 giờ thì chỉ giảm nhẹ. 0 40 80 120 160 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 H àm lư ợn g BO D5 (m g /L ) Thời gian (h) 5mgBIOI/TiO2 6mgBIOI/TiO2 7mgBIOI/TiO2
Kết quả trên có thể được giải thích là do sự khác nhau về khối lượng của vật liệu xúc tác trong mẫu nước thải. Giá trị BOD5 giảm nhanh trong 3,5 giờ đầu tiên là do giai đoạn đầu nồng độ chất hữu cơ trong nước thải lớn. Dưới điều kiện chiếu sáng, vật liệu thực hiện phản ứng quang xúc tác, oxi hóa các hợp chất hữu cơ có trong nước làm giá trị BOD5 giảm mạnh, đồng thời sự hoạt động của vi sinh vật còn lại trong nước thải sau khi xử lý vi sinh có khả năng tham gia vào việc phân giải có hợp chất hữu cơ.
Như vật, chúng tôi nhận thấy hiệu quả xử lý nồng độ BOD5xảy ra tốt nhất ở khối lượng 7 mg xúc tác (75,25%) và chênh lệch không nhiều với khi sử dụng ở khối lượng 6 mg (74,69%), và sẽ đạt tiêu chuẩn xả thải sau 5 giờ xử lý xúc tác quang ở tất cả các khối lượng xử lý.
3.4.1.4. Kết quả khảo sát COD
Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác đến giá trị COD theo thời gian xử lý được biểu diễn qua hình 3.14.
Hình 3. 14. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị COD với các khối lượng xúc tác khác nhau trên một đơn vị diện tích khi sử dụng nguồn sáng đèn
0 100 200 300 400 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 H àm lư ợn g CO D (m g/ L ) Thời gian (h) 5mgBiOI/TiO2 6mgBiOI/TiO2 7mgBiOI/TiO2
Từ kết quả thực nghiệm (hình 3.14) chúng tôi nhận thấy: ở tất cả các nồng độ xử lý, chúng tôi nhận thấy đều diễn ra chung một xu hướng ở các khối lượng xúc tác của vật liệu: nồng độ COD giảm theo thời gian xử lý xúc tác quang. Điều này có thể giải thích vì: sự chiếu xạ của ánh sáng đã tạo ra các photon cần thiết cho sự chuyển điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn của chất quang xúc tác BiOI/TiO2 tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân tách cặp electron – lỗ trống quang sinh, tạo ra nhiều gốc tự do hơn, từ đó, làm phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải [21, 22]. Ở 0,5 giờ đầu tiên, nồng độ COD ở tất cả các mẫu đều giảm nhanh, giá trị giảm thấp nhất xảy ra ở mẫu 5 mg (giảm 11,11%) và giảm cao nhất ở mẫu 7 mg (giảm 12,92%). Hiệu quả xử lý COD ở các mẫu nước thải sau 6 giờ xúc tác lần lượt là: 52,94% (5 mg); 59,69% (6 mg); 59,83% (7 mg). Từ 0,5 giờ đến 1 giờ, giá trị COD thay đổi mạnh nhất, giá trị này giảm tương ứng là 6,09% (5 mg); 7,37% (6 mg), 8,00% (7 mg). Sau 6 giờ xử lý xúc tác quang ở khối lượng chất xúc tác là 7 mg thì nồng độ COD đạt quy chuẩn QCVN 02-19:2014/BNNPTNT, nồng độ COD ở các mẫu 5 mg, 6 mg, 7 mg lúc này lần lượt là 175,40 ± 4,20 mg/L; 150,27 ± 3,03 mg/L; 149,73 ± 3,59 mg/L. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi tăng nồng độ chất xúc tác, thì hiệu suất quang phân hủy các hợp chất hữu cơ đều tăng nhưng chỉ đến một giới hạn nhất định. Điều này có thể giải thích dựa trên tâm hoạt động trên bề mặt của vật liệu composite và khả năng truyền sáng vào dung dịch. Khi nồng độ xúc tác tăng sẽ làm cho tâm hoạt động tham gia phản ứng tăng nhưng khi đã đủ tâm hoạt động thì hiệu suất phân hủy không thay đổi nhiều nữa.
Từ những đánh giá trên, chúng tôi nhận thấy hiệu quả xử lý nồng độ COD xảy ra tốt nhất ở khối lượng 7 mg xúc tác (59,83%) và chênh lệch không nhiều với khi sử dụng 6 mg khối lượng xúc tác (59,69%), và sẽ đạt tiêu chuẩn xả thải sau 6 giờ xử lý xúc tác quang ở khối lượng xử lý là 7 mg.
3.4.2. Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác BiOI/TiO2 trên một đơn vị diện tích đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu khi sử dụng nguồn sáng mặt trời
Nước thải nuôi tôm trước hết được xử lý bằng phương pháp vi sinh trong điều kiện không sục khí với nồng độ vi sinh là 3 ppm. Sau đó, nước thải được xử lý bằng phương pháp oxi hóa nâng cao trong khay xi măng có phân tán vật liệu BiOI/TiO2 với khối lượng lần lượt là 5 mg, 6 mg, 7 mg, sử dụng nguồn sáng mặt trời. Hiệu quả của việc xử lý được khảo sát thông qua các thông số đặc trưng pH, COD, BOD và NH4+.
3.4.2.1. Kết quả khảo sát pH
Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác đến giá trị pH theo thời gian xử lý được biểu diễn qua hình 3.15.
Hình 3. 15. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị pH với các khối lượng xúc tác khác nhau trên một đơn vị diện tích khi sử dụng nguồn sáng mặt trời
Từ kết quả thực nghiệm (hình 3.15) chúng tôi nhận thấy: giá trị pHtăng dần theo thời gian xử lý xúc tác quang. Ở 0,5 giờ đầu tiên sau khi xử lý, giá trị pHở tất cả các mẫu đều tăng dần, giá trị tăng cao nhất xảy ra ở mẫu 7 mg (tăng
0 2 4 6 8 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 G iá trị p H Thời gian (h) 5mgBiOI/TiO2 6mgBiOI/TiO2 7mgBiOI/TiO2
0,43%) và tăng thấp nhất ở mẫu 6 mg (tăng 0,14%). Theo thời gian xử lý xúc tác quang, giá trị pH đo được tỷ lệ thuận với khối lượng chất xúc tác, ví dụ giá trị pH của các mẫu ở 2,5 giờ lần lượt là: 8,31 ± 0,01 (5 mg); 8,34 ± 0,01 (6 mg); 8,35 ± 0,01 (7 mg); xu hướng này vẫn giữ nguyên cho đến 6 giờ: 8,23 ± 0,01 (5 mg); 8,25 ± 0,01 (6 mg); 8,33 ± 0,01 (7 mg).
Kết quả trên có thể được giải thích tương tự như mục 3.4.1.1, tuy nhiên khi sử dụng nguồn sáng là mặt trời, giá trị pH ở các mẫu nhìn chung thấp hơn so với khi sử dụng nguồn sáng là đèn. Kết quả này có thể giải thích dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời vật liệu BiOI/TiO2 chuyển hoá mạnh các hợp chất hữu cơ, các hợp chất của nito có trong nước thải làm cho giá trị pH tăng dần theo thời gian xử lý.
Để đánh giá hiệu quả xử lý xúc tác quang trong điều kiện sử dụng nguồn sáng mặt trời, chúng tôi tiếp tục theo dõi các chỉ tiêu đặc trưng khác trong nước thải. Kết quả được trình bày trong những nội dung tiếp theo.
3.4.2.2. Kết quả khảo sát NH4+
Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác đến nồng độ NH4+ theo thời gian xử lý được biểu diễn qua hình 3.16.
Hình 3. 16. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nồng NH4+ với các khối lượng xúc tác khác nhau trên một đơn vị diện tích khi sử dụng nguồn sáng mặt trời
Từ kết quả thực nghiệm (hình 3.16) chúng tôi nhận thấy: nồng độ NH4+ giảm nhanh theo thời gian xử lý xúc tác quang và giảm mạnh ở những giai đoạn đầu. Từ 1,5 giờ đến 2 giờ giá trị NH4+ đo được thay đổi nhiều nhất, giá trị này giảm tương ứng là 37,59% (5 mg); 34,82% (6 mg); 34,48% (7 mg), từ 2 giờ đến 6 giờ thì chỉ giảm nhẹ. Và chỉ sau 2 giờ xử lý xúc tác quang với nguồn sáng mặt trời, tất cả các mẫu đều có nồng độ NH4+ đạt tiêu chuẩn xả thải theo QCVN 40:2011/BTNMT cụ thể nồng độ NH4+ của các mẫu tương ứng với khối lượng xử lý chất xúc tác tăng dần từ 5 đến 7 mg là: 9,15 ± 0,04 mg/L; 8,88 ± 0,38 mg/L; 8,88 ± 0,38 mg/L. Sau 6 giờ xử lý xúc tác quang, hiệu quả xử lý nồng độ NH4+ của 5 mg, 6 mg, 7 mg lần lượt là: 90,68%; 98,60%; 99,06%.
Kết quả trên có thể là do sự khác nhau về khối lượng của chất xúc tác quang trong mẫu nước thải. Nồng độ NH4+ của các mẫu đều giảm nhanh ở 0,5 giờ đầu và giảm mạnh vào giờ thứ 2 ở các khối lượng xử lý xúc tác quang do NH3 có trong mẫu nước thải bay hơi hoặc do hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác. Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, vật liệu composite được hoạt hóa tạo ra
0 5 10 15 20 25 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 H àm lư ợn g N H4 + (m g /L ) Thời gian (h) 7mgBiOI/TiO2 6mgBiOI/TiO2 5mgBiOI/TiO2
các cặp electron – lỗ trống quang sinh thực hiện các phản ứng ở vùng dẫn và vùng hóa trị tạo ra các cấu tử oxi hóa mạnh, thúc đẩy quá trình phân hủy NH4+ do nó tạo ra các gốc tự do có khả năng oxi hóa mạnh tạo ra các phân tử đơn giản thứ cấp. Theo thời gian, nồng độ chất ô nhiễm cũng như các gốc tự do O2
và OH giảm dần, xác suất va chạm thấp dẫn đến hiệu quả xử lý gần như không đổi. Khi khối lượng vật liệu tăng nó sẽ tạo được nhiều gốc tự do có khả năng oxi hóa mạnh làm cho ion NH4+ bị phân hủy nhiều hơn.
Từ những đánh giá trên, chúng tôi nhận thấy hiệu quả xử lý nồng độ NH4+ xảy ra tốt nhất ở khối lượng 7 mg xúc tác (99,06%) và chênh lệch không nhiều