3. Cấu trúc của luận văn
3.4.2. Khoảng cách từ ống kim loại tới bề mặt dung dịch
Tôi đã tiến hành thay đổi khoảng cách từ đầu phát plasma jet đến bề mặt dung dịch chất màu Rhodamine B, với mong muốn sẽlàm thay đổi tốc độ phân hủy. Thí nghiệm này, sẽđược thiết kế giống như hình 3.7. Theo đó tôi tiến hành thí nghiệm với 02 thiết kế như sau: (1) đầu phát plasma ngập trong dung dịch
chất màu Rhodamine B (hình 3.7 (A)); (2) đầu phát plasma jet cách bề mặt dung dịch 5 mm (hình 3.7 (B)).
Hình 3.7. Cách bố trí kim phát plasma và cốc dung dịch trong trường hợp (A)
đầu phát plasma jet ngập trong dung dịch chất màu Rhodamine B; (B) đầu
phát plasma jet cách bề mặt dung dịch 5 mm
Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.8. Việc sử dụng bố trí ống thạch anh chìm trong dung dịch cho kết quả xử lý Rhodamine B chậm hơn nhiều so với khi sử dụng ống thạch anh cao hơn mặt nước 5 mm.
Hình 3.8. So sánh tốc độ xử lý Rhodamine B ở hai trường hợp: (A) đầu phát
plasma jet ngập trong dung dịch chất màu Rhodamine B; (B) đầu phát
Ta thấy trong trường hợp ống thạch anh chìm trong dung dịch cho tốc độ xử lý (hằng số tốc độ k = 0.13 min-1 chậm hơn so với khi ống nổi trên mặt nước (k = 0.18 min-1. Sử dụng phương trình (3) có thể giải thích được vấn đề này. Việc ống thạch anh chìm trong nước đã hạn chế không khí tham gia vào quá trình phản ứng. Điều này có nghĩa là có ít khí oxy tham gia vào quá trình này và tạo ra được ít •O qua đó gián tiếp giảm lượng gốc hydroxyl (•OH). Đó chính là lý do tốc độ phản ứng bị giảm xuống khi ống thạch anh chìm trong nước. 3.5. Tìm phương pháp tăng tốc độ xử lý Rhodamine B
Như đã trình bày ở phần trên, việc thay đổi loại khí có thể thay đổi tốc độ phản ứng của các loại khí, do có thểtác động tới các phản ứng sinh ra •OH. Vì vậy tôi đã thay đổi thành phần các loại khí với mục đích có thể tìm được ra trường hợp có hiệu suất phản ứng cao nhất.
3.5.1. Thí nghiệm sử dụng khí Ni-tơ (N2) thay thế khí argon (Ar)
Cùng với khí argon, ni-tơ là một loại khí thường xuyên được sử dụng làm khí dẫn phát plasma, tùy từng mục đích của hệ thí nghiệm plasma, các nhóm nghiên cứu sẽ khảo sát đểtìm được loại khí phù hợp với nghiên cứu của mình. Vì vậy, tôi thử thí nghiệm sử dụng hai loại khí là khí argon (Ar) bằng khí ni-tơ (N2) làm khí dẫn phát plasma. Các thông số thí nghiệm khác trong hai thí nghiệm là hoàn toàn giống nhau bao gồm mẫu thí nghiệm 10 ml, công suất nguồn l W, tốc độ dòng khí 4 l/min. Kết quả thu được về hiệu quả khử Rhodamine B được trình bày trong hình 3.9.
Hình 3.9. So sánh (A) độ pH khi sử dụng hai loại khí dẫn Ar và N2 và (B) tỉ lệ Rhodamine B còn lại trong dung dịch trong hai thí nghiệm sử dụng hai loại
khí dẫn Ar và N2
Qua hình 3.9 (B), chúng ta có thể nhận ra rằng tốc độ xử lý Rhodamine B khi sử dụng khí ni-tơ làm khí dẫn plasma chậm hơn nhiều so với khi sử dụng khí argon. Việc này có thể được giải thích bởi các phương trình sau đây: [35, 43] ∗ 𝑒 + 𝑁 → 2 ∙ 𝑁 + 𝑒 (10) ∙ 𝑁 +∙ 𝑂 → 𝑁𝑂 (11) ∙ 𝑂 + 𝑁𝑂 → 𝑁𝑂 (12) 𝑁𝑂 +∙ 𝑂𝐻 → 𝐻𝑁𝑂 (13) 𝑁 𝑂 + 4 ∙ 𝑂𝐻 → 2𝐻𝑁 + 𝐻 𝑂 (14) 𝐻𝑁 + 2 ∙ 𝑂𝐻 → 𝐻𝑁 + 𝐻 𝑂 (15) 𝑁𝑂 +∙ 𝑂𝐻 → 𝐻𝑁𝑂 (16) Chúng ta thấy ởphương trình (10), việc sử dụng khí N2 sẽ giải phóng ra nhiều ni-tơnăng lượng cao •N hơn so với khi sử dụng khí Ar. Việc sinh ra các nguyên tử•N năng lượng cao tăng khảnăng xảy ra phản ứng của phương trình (11), tạo ra khí NO tham gia vào các phản ứng trong phương trình (12), (13), (14), (15) và (16) làm giảm lượng •OH đồng thời giảm lượng •O gián tiếp tác
động tiêu cực tới việc tạo ra thêm •OH theo các phương trình (4) và (7) từđó ảnh hưởng tới quá trình phân hủy Rhodamine B bằng •OH.
Việc pH của dung dịch mẫu khi xử lý với “xúc tác” khí ni-tơ giảm nhanh hơn (Hình 3.9 (A)) cũng phần nào cũng chứng minh kết quả tương tự. Các phương trình (13, (14), (15) và (16) cho thấy khi tạo ra càng nhiều •N sẽ càng tạo ra nhiều axit như axit nitric (HNO3) (ởphương trình (15), (16)) và axit nitrit (HNO2) (ởphương trình (13), (14)).
Vậy việc sử dụng khí dẫn argon cho kết quả xử lý tốt hơn khi sử dụng khí ni-tơ.
3.5.2. Thí nghiệm sử dụng ống thạch anh đục lỗ
Như đã thấy ở trên, việc tăng thêm oxy có thể tăng thêm phản ứng tạo ra •OH tôi đưa ra một phương pháp để có thể tăng khí oxy. Do trong không khí có một tỉ lệ oxy khá lớn nên tôi đã tìm cách tăng lượng không khí tham gia vào quá trình phản ứng với mong muốn rằng quá trình này sẽ cho kết quả xử lý tốt hơn so với trường hợp ống thạch anh nguyên vẹn. Tôi đã thực hiện phép so sánh giữa hai thiết kế, giữa thiết kếđầu phát plasma nguyên vẹn (hình 3.10 (A)) và thiết kếđầu phát plasma bị đục lỗ (hình 3.10 (B)). Lỗ đục có đường kính 1 mm.
Hình 3.10. Cách bố trí kim phát plasma và cốc dung dịch trong trường hợp
Theo định luật Bernoulli đối với dòng chảy không nén được, ta có thể thấy rằng vì có một lượng khí tốc độ cao đi ra ởđầu kim châm, nên sẽ có một lượng không khí tràn vào ống thạch anh theo lỗ đục.
Hình 3.11. Cơ chế hoạt động của ống thạch anh
Trong thí nghiệm, tôi giữ nguyên thể tích mẫu là 10 ml, công suất nguồn phát là 1 W, tốc độ dòng khí argon là 4 l/min. Kết quả thi được được tôi trình bày trong đồ thị hình 3.12.
Hình 3.12. So sánh tốc độ xử lý Rhodamine B ở hai trường hợp: (A) đầu phát
plasma nguyên vẹn; (B) đầu phát plasma jet bịđục một lỗ
Ta thấy việc có thêm không khí tham gia vào không cho kết quả xử lý tốt hơn trong thời gian đầu song thời gian sau đó lại có tốc độ phản ứng nhanh hơn. Tôi đã giải thích việc này dựa trên hai yếu tố, trong không khí, tỉ lệ của khí O2 và N2 xấp xỉ là 20% và 80%. Trong thời gian đầu, khí ni-tơ tham gia
phản ứng đã xuất hiện các phản ứng (10) đến (16) ảnh hưởng đến việc tạo ra gốc hydroxyl (•OH) nên tốc độ phản ứng trở nên chậm hơn. Trong thời gian sau, theo suy đoán ban đầu, các phản ứng tạo ra các axit HNO3 và HNO2 đạt trạng thái bão hòa nên lúc này các gốc hydroxyl (•OH) được tạo ra nhiều hơn trạng thái bình thường (do có thêm O2 tham gia vào quá trình phản ứng).
Suy đoán trên phần nào được khẳng định bởi sựso sánh độpH dưới đây. Ta thấy độ pH khi sử dụng ống đục lỗ giảm nhanh hơn trong khoảng thời gian 10 phút đầu tiên nhưng sau đó đã đạt trạng thái gần như bão hòa và không còn sự thay đổi trong khoảng thời gian gần mười lăm phút sau đó.
Hình 3.13. Đồ thịso sánh độ pH ở hai trường hợp: (A) đầu phát plasma
nguyên vẹn; (B) đầu phát plasma jet bịđục một lỗ 3.5.3. Thí nghiệm sử dụng kết hợp khí argon và khí oxy
Việc sử dụng ống có đục lỗ gần như không khả quan trong việc tăng tốc độ xử lý chất màu Rhodamine B, vì vậy tôi đã nghĩ tới 1 cách có thểtăng được tốc độ xử lý chất màu Rhodamine B đó là việc sử dụng kết hợp khí argon và oxy. Chính vì vậy tôi đã đưa ra thiết kế thí nghiệm như hình 3.14. Về cách bố trí thí nghiệm khá giống với cách bố trí thí nghiệm ban đầu, điểm khác biệt duy nhất là việc sử dụng thêm một bình khí oxy.
Hình 3.14. Sơ đồ bố trí thí nghiệm trong thí nghiệm kết hợp khí argon và oxy Trong thí nghiệm này, tốc độ dòng khí oxy được sử dụng trong thí nghiêm rất nhỏ. Sau đó tôi thực hiện thí nghiệm với các điều kiện thí nghiệm như sau: mẫu 10 ml, công suất nguồn phát là 1.3 W, tốc độkhí trong hai trường hợp thí nghiệm là 4 l/min argon và 4 l/min argon kết hợp với oxy (tỉ lệ oxy 2%). Kết quả thu được của thí nghiệm này đã được tôi trình bày trong hình 3.15.
Hình 3.15. So sánh tỷ lệ xử lý Rhodamine B trong hai trường hợp chỉ sử dụng bình oxy và trường hợp kết hợp khí argon và oxy.
Ta thấy, việc sử dụng oxy vào thí nghiệm, tuy với nồng độ thấp hơn rất nhiều nhưng cũng góp phàn tạo ra thêm lượng lớn •OH giúp tăng tốc độ phản
ứng. Ngay tại phút thứ 14, Rhodamine B đã gần như được xử lý hoàn toàn trong dung dịch.
Việc sử dụng thêm một lượng nhỏ khí oxy trong thí nghiệm đã cho thấy tốc độ phản ứng nhanh hơn nhiều so với khi chỉ sử dụng khí argon, tôi tiếp tục tăng khí oxy cho các thí nghiệm tiếp theo để kiểm chứng điều này. Kết quả thu được là khi có cùng công suất nguồn phát, việc tăng cường oxy sẽ giảm dần độ mạnh của tia plasma, khi tỉ lệ khí O2 trong hỗn hợp khí chiếm 5% dòng khí, tia plasma hoàn toàn đã không thể quan sát được bằng mắt thường.
Vậy việc sử dụng kết hợp thêm khí oxi kết hợp khí argon (tỉ lệ O2: 2%) sẽ cho tốc độ xử lý Rhodamine B nhanh nhất.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN
Từ các kết quả nghiên cứu đã thu được, tôi có thể rút ra kết luận như sau: -Chất màu Rhodamine B trong nước có thể được xử lý bằng kĩ thuật plasma jet.
-Công suất nguồn phát càng lớn (trong thí nghiệm công suất lớn nhất 1.3 W) tốc độ xử lý chất màu càng nhanh, tốc độ khí 4 l/min là tốc độ tối ưu cho quá trình xử lý. Và khí phát plasma tối ưu cho quá trình phản ứng là khí argon. -Tác nhân chính trong quá trình xử lý Rhodamine B là gốc hidroxyl • OH. Phản ứng chính tạo ra • OH là phản ứng của O2, electron năng lượng cao và nước.
-Việc thay đổi lượng không khí tham gia vào quá trình xử lý sẽ giảm tốc độ xử lý chất màu Rhodamine B.
-Việc sử dụng sự kết hợp khí O2 và khí Ar với tỉ lệ thích hợp (O2: 2%) cho kết quả xử lý tốt nhất.
-Các kết quả nghiên cứu trình bày ở trong luận văn này đã được công bố ở tạp chí Communications in Physics (Le, Q. X. T., Tran, H. Q., Trinh, T. H. and Dao, N. T. (2021). Removal of Rhodamine B dye by plasma jet oxidation process. Communications in Physics 31(1): 95. DOI:10.15625/0868- 3166/15558).
KIẾN NGHỊ
-Đây là nghiên cứu đầu tiên về xử lý chất thải màu ở phòng Công nghệ Plasma - Viện Khoa học Vật liệu. Cùng với việc được trang bị thêm nhiều trang thiết bị mới, phòng Công nghệ Plasma có khả năng triển khai các nghiên cứu về xử lý chất thải màu khác, có tiềm năng thực hiện các nghiên cứu về xử lý các hỗn hợp chất thải màu và các mẫu chất thải phức tạp khác.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Gurnett, D.A. and A. Bhattacharjee, Introduction to plasma physics: with
space and laboratory applications. 2005: Cambridge university press.
2. terraplasma. Cold atmospheric plasma. 2021; Available from:
https://www.terraplasma.com/en/cold-plasma/.
3. Gomez, E., et al., Thermal plasma technology for the treatment of
wastes: A critical review. Journal of hazardous materials, 2009. 161(2-
3): p. 614-626.
4. Taylor, P.R. and S.A. Pirzada, Thermal plasma processing of materials:
A review. Advanced Performance Materials, 1994. 1(1): p. 35-50.
5. Aubert, A., et al., Uniaxial anisotropy and enhanced magnetostriction of CoFe 2 O 4 induced by reaction under uniaxial pressure with SPS. Journal of the European Ceramic Society, 2017. 37(9): p. 3101-3105. 6. Guillon, O., et al., Field‐Assisted Sintering Technology/Spark Plasma
Sintering: Mechanisms, Materials, and Technology Developments. Advanced Engineering Materials, 2014. 16(7): p. 830-849.
7. Kulkarni, N.V., et al., Growth of nano-particles of Al2O3, AlN and iron oxide with different crystalline phases in a thermal plasma reactor. Materials Research Bulletin, 2009. 44(3): p. 581-588.
8. Tùng, Đ.H., Plasma và ứng dụng trong y học. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 2019. 9A: p. 54.
9. Elahi, N., M. Kamali, and M.H. Baghersad, Recent biomedical
applications of gold nanoparticles: A review. Talanta, 2018. 184: p. 537-
556.
10. Zhou, R., et al., Cold atmospheric plasma activated water as a
prospective disinfectant: the crucial role of peroxynitrite. Green
Chemistry, 2018. 20(23): p. 5276-5284.
11. Burlica, R., M.J. Kirkpatrick, and B.R. Locke, Formation of reactive
species in gliding arc discharges with liquid water. Journal of
electrostatics, 2006. 64(1): p. 35-43.
12. Yan, J., et al., Degradation of gas–liquid gliding arc discharge on Acid
Orange II. Journal of hazardous materials, 2008. 157(2-3): p. 441-447.
13. Zhang, R., et al., Kinetics of decolorization of azo dye by bipolar pulsed
barrier discharge in a three-phase discharge plasma reactor. Journal of
hazardous materials, 2007. 142(1-2): p. 105-110.
14. Mok, Y.S., J.-O. Jo, and J.C. Whitehead, Degradation of an azo dye Orange II using a gas phase dielectric barrier discharge reactor
submerged in water. Chemical Engineering Journal, 2008. 142(1): p. 56-
64.
15. Piroi, D., et al. Decomposition of organic dyes in water using non-
thermal plasma. in 19th International Symposium on Plasma Chemistry.
16. Gao, J., et al., Decoloration of aqueous Brilliant Green by using glow
discharge electrolysis. Journal of hazardous materials, 2006. 137(1): p.
431-436.
17. Sun, B., et al., Characteristics of gas-liquid pulsed discharge plasma
reactor and dye decoloration efficiency. Journal of Environmental
Sciences, 2012. 24(5): p. 840-845.
18. de Brito Benetoli, L.O., et al., Pyrite-enhanced methylene blue
degradation in non-thermal plasma water treatment reactor. Journal of
hazardous materials, 2012. 237: p. 55-62.
19. Němcová, L., et al., Chemical Efficiency of H2O2 Production and Decomposition of Organic Compounds Under Action of DC Underwater
Discharge in Gas Bubbles. IEEE Transactions on Plasma Science, 2011.
39(3): p. 865-870.
20. Nguyen, M.D., et al., Cold atmospheric plasma treatment on failed
finger perforator flap: A case report. Clinical Plasma Medicine, 2020.
19-20: p. 100105.
21. Xuan, L.T.Q., L.N. Nguyen, and N.T. Dao, Synthesis of stabilizer-free, homogeneous gold nanoparticles by cold atmospheric-pressure plasma
jet and their optical sensing property. Nanotechnology, 2021. 33(10): p.
105603.
22. Sivakumar, M. and A.B. Pandit, Ultrasound enhanced degradation of
Rhodamine B: optimization with power density. Ultrasonics
Sonochemistry, 2001. 8(3): p. 233-240.
23. Nguyen, T.K.S., Nghiên cứu xử lý Rhodamine B bằng vật liệu hấp phụ Sepiolite. 2016, Học viện Nông nghiệp Việt Nam.
24. Đặng, V.L., Nghiên cứu hấp phụ thuốc nhuộm Rhodamine B bằng vật
liệu hấp phụ từ bã mía đã qua xử NaOH và NaOH/H2O2. 2018, Trường
Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng.
25. Baldev, E., et al., Degradation of synthetic dye, Rhodamine B to
environmentally non-toxic products using microalgae. Colloids and
Surfaces B: Biointerfaces, 2013. 105: p. 207-214.
26. Hermann, K.L., et al., Discoloration of rhodamine b dye by white-rot fungi in solid bleached sulfate paperboard coated with polyethylene
terephthalate: scale-up into non-sterile packed-bed bioreactor. Journal
of Environmental Chemical Engineering, 2020. 8(3): p. 103685.
27. Ju, D., et al., Biosorption of a reactive dye (Rhodamine-B) from an
aqueous solution using dried biomass of activated sludge. Bioresource
Technology, 2008. 99(17): p. 7971-7975.
28. Gupta, V.K., et al., Removal of Rhodamine B, Fast Green, and Methylene Blue from Wastewater Using Red Mud, an Aluminum Industry Waste. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2004. 43(7): p. 1740- 1747.
29. Shenvi, S.S., et al., Humic Acid Based Biopolymeric Membrane for Effective Removal of Methylene Blue and Rhodamine B. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015. 54(18): p. 4965-4975.
30. Daneshvar, N., et al., UV/H2O2 treatment of Rhodamine B in aqueous solution: Influence of operational parameters and kinetic modeling. Desalination, 2008. 230(1-3): p. 16-26.
31. Jasco. Theory of UV-Visible Spectroscopy (The Basics). Available from:
https://jascoinc.com/learning-center/theory/spectroscopy/uv-vis-
spectroscopy/.
32. UV-Vis Frequently Asked Questions - Instrument Design. Available
from: https://www.ssi.shimadzu.com/products/uv-vis-
spectrophotometers/faqs/instrument-design.html.
33. Nguyen, L.N., et al., In situ plasma-assisted synthesis of polydopamine-
functionalized gold nanoparticles for biomedical applications. Green
Chemistry, 2020. 22(19): p. 6588-6599.
34. Muruganandham, M. and M. Swaminathan, Photochemical oxidation of
reactive azo dye with UV–H2O2 process. Dyes and pigments, 2004.
62(3): p. 269-275.
35. Chen, Y., et al., Degradation of aqueous Rhodamine B by plasma generated along the water surface and its enhancement using
nanocrystalline Fe-, Mn-, and Ce-doped TiO 2 films. Environmental
Science and Pollution Research, 2014. 21(16): p. 9948-9958.