2.3.1. Thiết kế thí nghiệm
2.3.1.1. Thí nghiệm chuyển hóa các dung dịch MNP, DNP, TNP và TNR bằng các qúa trình Fenton
Ảnh hưởng của thời gian lên hiệu quả phân hủy
Lấy 100 ml dung dịch MNP, DNP, TNP và TNR có nồng độ xác định cho vào bình tam giác 250 ml, cân khối lƣợng FeSO4.7H2O và thể tích dung dịch H2O2 xác định cho vào bình và lắc đều. Lấy mẫu phân tích ở các thời điểm 15 - 30 - 45 - 60 phút để phân tích.
Ảnh hưởng của hàm lượng H2O2 lên hiệu quả phân hủy
Lấy 100 ml dung dịch MNP, DNP, TNP và TNR có nồng độ xác định vào bình tam giác 250 ml, lấy thể tích dung dịch H2O2 với các mức khác nhau cho vào bình và lắc đều, sau thời gian chuyển hóa đã lựa chọn (thời gian hiệu quả phân hủy của các chất), đem phân tích trên thiết bị HPLC.
Ảnh hưởng của tác nhân Fenton lên hiệu quả phân hủy
Lấy 100 ml dung dịch MNP, DNP, TNP và TNR có nồng độ xác định vào bình tam giác 250 ml, cân khối lƣợng FeSO4.7H2O và lấy thể tích dung dịch H2O2 xác định cho vào bình và lắc đều, sau thời gian chuyển hóa đã lựa chọn (thời gian hiệu quả phân hủy của các chất), đem phân tích trên thiết bị HPLC.
Ảnh hưởng của nhiệt độ, pH lên hiệu quả phân hủy
Lấy 100 ml dung dịch MNP, DNP, TNP và TNR có nồng độ xác định vào bình tam giác 250 ml, cân khối lƣợng FeSO4.7H2O và lấy thể tích dung dịch H2O2 xác định cho vào bình và lắc đều. Đặt ở chế độ nhiệt 25, 30, 35, 40 và 500
C. Sau thời gian đã lựa chọn lấy mẫu và phân tích trên thiết bị HPLC.
Lấy 100 ml dung dịch MNP, DNP, TNP và TNR có nồng độ xác định vào bình tam giác 250 ml, điều chỉnh pH ở các mức từ 3 đến 10, cân khối lƣợng FeSO4.7H2O và lấy thể tích dung dịch H2O2 xác định cho vào bình và lắc đều. Sau thời gian đã lựa chọn lấy mẫu và phân tích trên thiết bị HPLC.
2.3.1.2. Thí nghiệm thử khả năng hấp thu và xử lý của các loài thực vật thủy sinh đối với TNP và TNR
- Bể thí nghiệm trồng cây thuỷ trúc: dùng các vại sành đƣợc mơ tả ở trên, thí nghiệm đƣợc thiết kế nhƣ sau:
Đối chứng 1: bể chỉ chứa 2 lít các dung dịch TNP và TNR - thí nghiệm về khả năng tự phân huỷ của TNP và TNR bằng ánh sáng mặt trời.
Đối chứng 2: bể chứa 4kg đất và 2 lít dung dịch TNP và TNR - thử nghiệm khả năng tự xử lý của đất và hệ vi sinh vật trong đất đối với TNP và TNR.
Các bể trồng cây có đất và dung dịch TNP và TNR, lƣợng đất và dung dịch TNP và TNR sử dụng là: 2lít dung dịch/ bể và 4 kg đất/ bể - thử nghiệm khả năng
xử lý TNP và TNR khi có mặt thuỷ trúc. Mật độ cây trồng trong các bể thí nghiệm: 300 ÷ 350g sinh khối cây/0,038m2/ 4 kg đất.
- Ở tất cả các thí nghiệm đều xác định khối lƣợng thuỷ trúc ban đầu. Thể tích dung dịch khơng thay đổi trong suốt q trình thí nghiệm (đánh dấu mực nƣớc và dùng nƣớc máy bổ sung vào sau mỗi ngày nếu bị hao hụt về thể tích). Định kỳ lấy mẫu nƣớc hoặc đất để xác định hàm lƣợng các chất ô nhiễm (TNP và TNR) bằng phƣơng pháp HPLC.
2.3.2. Phƣơng pháp phân tích nồng độ chất nghiên cứu Hàm lƣợng Fe2+ Hàm lƣợng Fe2+
đƣợc xác định bằng phƣơng pháp trắc quang, tạo phức hệ Fe2+ /1,10-Phenantrolin rồi đo ở bƣớc sóng 510 nm sử dụng thiết bị quang phổ tử ngoại – khả kiến UV-Vis Agilent 8453 (Mỹ);
Để xác định hàm lƣợng H2O2 đã sử dụng bằng phƣơng pháp chuẩn độ Iot, chỉ thị hồ tinh bột .
Để phân tích định tính, định lƣợng MNP, DNP, TNP và TNR trong dung dịch thử nghiệm và đánh giá ảnh hƣởng của tác nhân Fenton tới hiệu suất phân hủy MNP, DNP, TNP và TNR đã sử dụng thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) Agilent 1100 (Mỹ) đƣợc trang bị detectơ chuỗi (DAD). Điều kiện đo: cột sắc ký Hypersil C18 (200 x 4mm), tỷ lệ pha động axetonitril/nƣớc = 67/33 (theo thể tích); tốc độ dịng: 0,6ml/phút; áp suất: 280bar; tín hiệu đo ở bƣớc sóng của MNP: 315 nm; DNP: 365 nm; TNP: 360 nm; TNR: 420 nm. Hàm lƣợng MNP, DNP, TNP và TNR đƣợc xác định theo phƣơng pháp ngoại chuẩn [14,17,19,32].
Để xác định độ khống hóa (hàm lƣợng cácbon hữu cơ hòa tan , DOC) đã sử dụng thiết bị Analytic Jena Modell , 1997 đƣợc trang bị thêm bộ phận lấy mẫu tự động ALS-C-104. Các mẫu đƣợc xử lý trƣớc tới pH < 2,0 với H3PO4 15% để loại bỏ cacbon vô cơ ta ̣o thành trong suốt phản ƣ́ng oxi hóa . Các mẫu sau khi xử lý đƣợc phân tích ngay lập tức mà không qua bất kỳ bƣớc cất giữ nào.
2.3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu động học và xác định bậc phản ứng oxi hóa các hợp chất nitrophenol bằng tác nhân Fenton hợp chất nitrophenol bằng tác nhân Fenton
a. Căn cứ vào kết quả đo sự biến đổi nống độ chất hữu cơ theo thời gian phản
ứng
Cơ sở của phƣơng pháp này là phƣơng trình động học giả bậc nhất [60]: ln{CNP/CNP(o)}= - k’NP.t (2.1)
Ở đây: CNP và CNP(o) là nồng độ các hợp chất NPs tại thời điểm t và t=0 trong quá trình phản ứng với tác nhân Fenton. k’NP là hằng số tốc độ phản ứng giả bậc nhất (preudo-first-order rate constant), t- thời gian phản ứng. Dựa trên kết quả đo sự biến đổi chỉ số CNP và CNP(o) và xây dựng đồ thị phụ thuộc -ln{CNP/CNP(o)} – t sẽ tính đƣợc hằng số tốc độ phản ứng giả bậc nhất (k’NP).
Phƣơng pháp tính hằng số tốc độ phản ứng giả bậc một này đã đƣợc nhiều tác giả sử dụng khi nghiên cứu động học phân hủy một số hợp chất hữu cơ khác. b. Căn cứ vào kết quả đo sự biến đổi nống độ cácbon hữu cơ hòa tan (DOC)
theo thời gian phản ứng
Ngồi cách tính đã nêu trên, các tác giả tài liệu [60] cịn đề xuất phƣơng pháp tính hằng số tốc độ phản ứng dựa trên kết quả khảo sát q trình khống hóa các hợp chất hữu cơ (cụ thể là dựa trên kết quả đo chỉ số hàm lƣợng cácbon hữu cơ hòa tan DOC (CDOC) thay vì đo nồng độ hợp chất hữu cơ cụ thể (CNPs) [60]). Khi đó phƣơng trình (1) sẽ có dạng :
ln{CDOC/CDOC(o)}= - k’.t (2.2)
Ở đây k’ đƣợc gọi là tổng hằng số tốc độ phản ứng giả bậc nhất (overall preudo-first-order rate constant). Hằng số này có thể tính tốn đƣợc bằng phƣơng pháp linear least-square fit- LLSF dựa vào số liệu thu đƣợc từ phƣơng trình (2.2) [60].
2.3.4. Xác định hiệu suất điện phân các hợp chất nitrophenol
Để xác định tốc độ cũng nhƣ hiệu suất quá trình điện phân ta tiến hành đo nồng độ ban đầu và nồng độ của dung dịch sau t phút điện phân bằng phƣơng pháp HPLC. Hiệu suất điện phân đƣợc tính theo cơng thức:
% 100 o t o C C C (2.3)
Trong đó:
η : hiệu suất xử lý sau t phút (%); Co : nồng độ ban đầu của NPs (mg/l);
Ct : nồng độ của NPs sau t phút điện phân (mg/l).
2.3.5. Xác định tốc độ xử lý TNP và TNR của các loài thực vật 0 t XL C C Vdd V m t (mg/gsk/ngày) (2.4) Trong đó:
VXL : tốc độ xử lý, tính bằng mg/g sinh khối/ ngày; C0 : nồng độ ban đầu chất cần xử lý (mg/l);
Ct : nồng độ của chất cần xử lý sau t ngày xử lý (mg/l);
m: khối lượng sinh khối cây trồng (gram) (có thể tính theo thân lá và rễ); t: thời gian xử lý (ngày);
Vdd: thể tích dung dịch TNP và TNR sử dụng ban đầu.
2.3.6. Xác định hiệu suất xử lý TNP và TNR của các loài thực vật
% 100 0 0 C C C Htv t (2.5) Trong đó:
Htv: hiệu suất xử lý sau t ngày (%);
C0: nồng độ ban đầu chất cần xử lý (mg/l); Ct: nồng độ của chất cần xử lý sau t ngày (mg/l).
Chƣơng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƢNG SẮC KÝ LỎNG HIỆU NĂNG CAO CỦA MNP, DNP, TNP VÀ TNR
3.1.1. Đặc trƣng sắc ký lỏng hiệu năng cao của MNP, DNP, TNP và TNR
Nồng độ các chất MNP, DNP, TNP và TNR trong các mẫu thí nghiệm đƣợc xác định bằng phƣơng pháp HPLC (mục 2.3.2 chương Hai).
Sắc đồ HPLC của MNP, DNP, TNP và TNR đƣợc dẫn trên các Hình 3.1, Hình 3.2, Hình 3.3, Hình 3.4. dƣới đây.
Hình 3.1. Sắc đồ HPLC của dung dịch MNP ở dải pH từ 2-10 trong môi trƣờng nƣớc
min 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 mAU 0 20 40 60 80 100 120 140
DAD1 C, Sig=365,16 Ref =360,100 (DNP\DCHUAN14.D)
3
.0
6
9
Hình 3.2. Sắc đồ HPLC của dung dịch DNP ở dải pH từ 2-10 trong môi trƣờng nƣớc môi trƣờng nƣớc
MNP
DNP
Hình 3.3. Sắc đồ HPLC của dung dịch TNP ở dải pH từ 2-10 trong môi trƣờng nƣớc môi trƣờng nƣớc min 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 mAU 0 25 50 75 100 125 150 175
DAD1 C, Sig=420,16 Ref =360,100 (TNR\DCHUAN05.D)
2 .9 9 1 - T N R
Hình 3.4. Sắc đồ HPLC của dung dịch TNR ở dải pH từ 2-10 trong môi trƣờng nƣớc
TNR TNP
Bảng 3.1. Một số đặc trƣng sắc ký của các hợp chất nitrophenol tại các giá trị pH khác nhau
STT Hợp chất Nồng độ (mg/l) pH TÝn hiƯu ®o (nm) tR (phót)
Chiều cao pic
(mAu) 1 MNP 25 4,0 315 4,26 10,312 7,0 315 4,27 10,251 10,0 315 4,27 10,056 2 DNP 100 4,0 365 3,08 197,014 7,0 365 3,07 197,302 10,0 365 3,08 198,132 3 TNP 100 4,0 360 2,64 188,623 7,0 360 2,64 189,335 10,0 360 2,65 189,980 4 TNR 25 4,0 420 3,00 44,912 7,0 420 2,99 44,437 10,0 420 2,99 45,113
Nhận xét: Kết quả khảo sát các đặc trưng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)
của MNP, DNP, TNP và TNR được dẫn trên các Hình 3.1, Hình 3.2, Hình 3.3, Hình 3.4 và Bảng 3.1. ta nhận thấy đều không bị thay đổi (về thời gian lưu và chiều cao pic) khi pH của môi trường thay đổi. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả đã nghiên cứu khảo sát các đặc trưng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) của MNP, DNP, TNP, TNR của tác giả [32].
3.1.2. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định MNP, DNP, TNP và TNR bằng phƣơng pháp HPLC pháp HPLC
3.1.2.1. Xây dựng đường chuẩn xác định MNP
Đƣờng chuẩn xác định MNP đƣợc xây dựng bằng cách chuẩn bị 5 mẫu dung dịch MNP có nồng độ tƣơng ứng là 5; 10; 25; 50 và 100mg/l. Chạy từng mẫu trên máy sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC tại tín hiệu đo = 315nm cho ra đồ thị ngoại chuẩn dùng để xác định hàm lƣợng MNP trong mẫu thí nghiệm.
3.1.2.2. Xây dựng đường chuẩn xác định DNP
Đƣờng chuẩn xác định DNP đƣợc xây dựng bằng cách chuẩn bị 5 mẫu dung dịch DNP có nồng độ tƣơng ứng là 5; 10; 25; 50 và 100mg/l. Chạy từng mẫu trên máy sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC tại tín hiệu đo = 365nm cho ra đồ thị ngoại chuẩn dùng để xác định hàm lƣợng DNP trong mẫu thí nghiệm.
3.1.2.3. Xây dựng đường chuẩn xác định TNP
Đƣờng chuẩn xác định TNP đƣợc xây dựng bằng cách chuẩn bị 5 mẫu dung dịch TNP có nồng độ tƣơng ứng là 5; 10; 25; 50 và 100mg/l. Chạy từng mẫu trên máy sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC tại tín hiệu đo = 360nm cho ra đồ thị ngoại chuẩn dùng để xác định hàm lƣợng TNP trong mẫu thí nghiệm.
3.1.2.4. Xây dựng đường chuẩn xác định TNR
Đƣờng chuẩn xác định TNR đƣợc xây dựng bằng cách chuẩn bị 5 mẫu dung dịch TNR có nồng độ tƣơng ứng là 5; 10; 25; 50 và 100mg/l. Chạy từng mẫu trên máy sắc ký lỏng hiệu năng cao tại tín hiệu đo = 420nm cho ra đồ thị ngoại chuẩn dùng để xác định hàm lƣợng TNR trong mẫu thí nghiệm.
Đồ thị ngoại chuẩn xác định MNP, DNP, TNP, TNR bằng phƣơng pháp HPLC đƣợc thể hiện trên Hình 1, Hình 2, Hình 3, Hình 4. trong phần Phụ lục đồ thị
ngoại chuẩn xác định HPLC của MNP, DNP, TNP và TNR.
Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn HPLC định lƣợng các hợp chất nitrophenol, với các điều kiện đo ứng với mỗi chất nhƣ sau:
- Đối với MNP: ) 035 , 1 220 , 15 ( ). 141 , 0 561 , 16 ( x y , khoảng tuyến tính 0,5-250mg/l - Đối với DNP: ) 622 , 0 427 , 5 ( ). 147 , 0 040 , 20 ( x y , khoảng tuyến tính 0,5- 100mg/l - Đối với TNP: ) 023 , 1 564 , 7 ( ). 241 , 0 301 , 14 ( x y , khoảng tuyến tính 1,0-200mg/l - Đối với TNR: ) 920 , 0 913 , 3 ( ). 217 , 0 845 , 16 ( x y , khoảng tuyến tính 0,5-120 mg/l
Trong đó: y là diện tích pic (đơn vị diện tích) x là nồng độ (mg/l).
3.2. KẾT QUẢ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG PHÂN HỦY MNP, DNP, TNP VÀ TNR BẰNG HỆ XÚC TÁC FENTON TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC BẰNG HỆ XÚC TÁC FENTON TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC
3.2.1. Khảo sát đặc điểm sự phân hủy của MNP
3.2.1.1. Ảnh hưởng của các tác nhân Fenton đến khả năng phân hủy MNP
Ảnh hưởng của hàm lượng H2O2 đến hiệu suất chuyển hóa MNP
Để nghiên cứu ảnh h-ởng của hàm l-ợng H2O2 cho vào dung dịch đến hiƯu st ph©n hđy MNP khi dùng hệ Fenton, chúng tơi đà tiến hành thí nghiệm thay đổi l-ợng H2O2 ban đầu. Thí nghiệm đ-ợc tiến hành víi hµm l-ợng MNP ban đầu là 444,64 mg/l, l-ợng FeSO4.7H2O thêm vào là 1,75x10-4M, l-ỵng H2O2 thêm vào thay đổi trong khoảng 1,75x10-3M, 1,75x10-2M, 3,5x10-2M,. KÕt qu¶ nghiên cứu đ-ợc trình bày trên Bảng 3.2.
B¶ng 3.2. ¶nh h-ëng cđa hàm l-ỵng H2O2 đến sự phân hủy MNP (C0 MNP = 444,64(*) mg/l, pH = 3,0, CFe(II) = 1,75x10-4 M) Thêi gian ph¶n øng (t, phót) Hàm l-ợng MNP bị phân hủy, mg/l
CH2O2 = 1,75x10-3M CH2O2 = 1,75x10-2M CH2O2 = 3,5x10-2M
Ct , mg/l H, % Ct , mg/l H, % Ct , mg/l H, % 0 444,64 0 444,64 0 444,64 0 5 208,58 53,09 106,70 76,00 66,32 85,08 7 76,69 82,75 27,81 93,75 14,57 96,72 10 32,42 92,71 20,36 95,42 3,78 99,15 13 15,54 96,50 8,22 98,15 0 100 15 1,03 99,77 0 100
(*) Ghi chú: Nếu lấy dung dịch có MNP ban đầu (140 – 190 mg/l) (tức nằm trong khoảng nồng độ tương đương với các hợp chất NPs khác) thì chỉ sau 5 phút đã đạt hiệu suất phân hủy H=100% ,ở nhiệt độ 300C, pH =3.
Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của H2O2 đến khả năng phân hủy MNP cho ta thấy: Khi cho nồng độ Fe(II) không đổi (CFe(II) = 1,75x10-4
M), ở giá trị nồng độ H2O2 = 1,75.10-3M cho hiệu suất phân hủy MNP đạt 99,77% sau 15 phút phản ứng, còn ở giá trị nồng độ H2O2 = 1,75.10-2M cho hiệu suất phân hủy MNP đạt 100% cũng sau 15 phút phản ứng, tuy nhiên, chỉ mất có 13 phút phản ứng khi ở giá trị nồng độ
H2O2 = 3,5.10-2M, lƣợng MNP đã bị phân hủy hoàn toàn, đạt hiệu suất phân hủy 100%.
Nhƣ vậy, khi nồng độ Fe(II) không đổi, cho nồng độ H2O2 ban đầu tăng dần ở những giá trị khác nhau thì hiệu suất phân hủy MNP cũng tăng dần. Ảnh hƣởng của nồng độ H2O2 ban đầu có ảnh hƣởng lớn đến khả năng phân hủy MNP.
Ảnh hưởng của hàm lượng Fe+2
đến hiệu suất chuyển hóa MNP
Để nghiên cứu ảnh h-ởng của hàm l-ợng Fe+2 cho vào dung dịch đến hiệu suất ph©n hủy MNP khi dïng hÖ Fenton, chúng tơi đà tiến hành thí nghiệm thay đổi hàm l-ỵng Fe+2 ban đầu. Thí nghiệm đ-ợc tiến hành với hàm l-ợng MNP ban đầu là 444,64 mg/l, hàm l-ợng H2O2 thêm vào là 3,5.10-2M, hµm l-ỵng FeSO4.7H2O thêm vào thay đổi trong khoảng 1,75.10-4M, 1,75.10-2M, 3,5.10-2M. KÕt quả nghiên cứu đ-ợc trình bày trên Bảng 3.3.
B¶ng 3.3. ¶nh h-ởng của hàm l-ợng Fe(II) đến sù chuyÓn hãa MNP (C0MNP = 444,64(*)mg/l, pH = 3,0, CH2O2 = 1,75.10-2M) Thêi gian ph¶n øng (t, phót) Hm l-ợng MNP bị phân hñy, mg/l CFe(II) = 1,75x10-4 M CFe(II) = 1,75x10-2 M CFe(II) = 3,5x10-2 M Ct , mg/l H, % Ct , mg/l H, % Ct , mg/l H, % 0 444,64 0 444,64 0 444,64 0 5 106,70 76,00 84,41 81,01 54,73 87,69