6. Cấu trúc của đề tài
2.1.2. Dụng cụ, trang thiết bị phụ trợ
2.1.2.1. Dụng cụ - Pipet các loại. - Bình định mức 1000ml, 100ml, 50ml. - Cốc thủy tinh 2000ml, 1000ml, 100ml. - Ống thủy tinh có nắp vặn 10ml. - Micro xiranh 5μl, 50μl. - Phễu lọc, giấy lọc. - Nhiệt kế - Cuvet nhựa 2.1.2.1. Trang thiết bị phụ trợ
- Máy đo pH Branson
- Cân phân tích Precisa với độ chính xác 0,0001g - Tủ sấy
- Bếp cách cát - Máy li tâm - Máy khuấy từ
2.1.3. Thiết bị
Máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS (UV-VIS spectrophotometer V530- JASCO)
Hệ thống thí nghiệm khảo sát sự phân hủy RGB
Sơ đồ hệ thống thí nghiệm
Hệ thống thí nghiệm được lắp đặt và được minh hoạ bằng sơ đồ trong hình 2.1. Bình phản ứng reactor) được cung cấp từ hãng R-CAN được làm bằng thép không rỉ có kích thước 34.3 cm × 6.5 cm, bên trong có đèn UV bước sóng 254 nm, công suất đèn 12 W được bao bọc bằng một ống thuỷ tinh thạch anh đ bảo vệ đèn. Dung dịch mẫu phản ứng được bơm tuần hoàn qua bình phản ứng với tốc độ dòng 3lít/phút.
1. Cốc đựng dung dịch phân tích 2. Ổ cắm điện
3. Công tơ hút
4. Ống dẫn dung dịch 5. Đèn UV
6. Khoá điều chỉnh lưu lượng
7. Dây điện
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống thí nghiệm
Khi cắm điện bộ phận công tơ hút 3) chạy hút dung dịch mẫu phân tích trong cốc 1) đi qua ống dẫn 4) và nó được đưa vào đèn UV 5) theo chiều mũi tên.
Khi bật đèn UV thì dung dịch sẽ được chiếu sáng bởi các photon, trường hợp này chất xúc tác là Fe2+
sẽ tương tác với H2O2 tạo ra các gốc tự do HO như đã trình bày trong cơ chế của phản ứng Fenton. Gốc HO này có thế hoá bằng 2,8V nên có tính hoá rất mạnh, hoá hầu hết các chất hữu cơ khó phân huỷ trong nước.
2.2. ác bƣớc tiến hành thực nghiệm
Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ RGB thông qua độ chuy n hóa RGB và chỉ số COD được tiến hành trên mẫu giả. Qua tham khảo tài liệu, chúng tôi chuẩn bị dung dịch thuốc nhuộm như sau:
Pha chế dung dịch thuốc nhuộm nồng độ 500 mg/L: Cân chính xác 0.5 gam thuốc nhuộm IRF và định mức bằng nước cất trong bình định mức 1000 mL.
Pha chế dung dịch thuốc nhuộm nồng độ 50 mg/L: lấy chính xác 100 mL hoặc 50 mL) dung dịch thuốc nhuộm nồng độ 500 mg/L pha loãng bằng nước cất trong bình định mức 1 L hoặc 500 mL) ta được dung dịch nồng độ 50 mg/L.
Sau khi pha mẫu, thí nghiệm được tiến hành theo các trình tự khác nhau đối với mỗi hệ tác nhân.
2.2.1. Hệ UV/H2O2
1L dung dịch thuốc nhuộm nồng độ 50 ppm được chứa trong cốc th tích 2L. Đặt cốc chứa dung dịch thuốc nhuộm này lên máy khuấy từ và bật máy. Điều chỉnh pH dung dịch bằng NaOH 6M và H2SO4 1:5 sử dụng máy đo pH. Cho H2O2 với lượng xác định vào dung dịch.
2 1
6 7
Kết nối dung dịch mẫu này với hệ thống đèn UV như hình 2.3. Bật đèn UV và công tơ hút. Thời gian phản ứng được tính từ khi đèn UV được bật lên.
2.2.2. Hệ Fe2+
/H2O2/UV (Fenton/UV)
1L dung dịch thuốc nhuộm nồng độ 50 ppm được chứa trong cốc th tích 2L. Đặt cốc chứa dung dịch thuốc nhuộm này lên máy khuấy từ và bật máy. Điều chỉnh pH dung dịch bằng NaOH 6M và H2SO4 1:5 sử dụng máy đo pH. Cho Fe2+ với lượng xác định vào dung dịch.
Kết nối dung dịch mẫu này với hệ thống đèn UV như trong hình 2.3. Kế tiếp, cho H2O2 vào. Bật đèn UV và công tơ hút.
Thời gian phản ứng được tính từ khi đèn UV được bật lên.
Hình 2.2: Hệ thống phản ứng Fenton/UV và UV/H2O2 phân hủy RGB
2.3. Xác định hiệu suất OD bằng phƣơng pháp bicromat r2O72-/Cr3+
Tiến hành phản ứng trong 21 phút. Sau mỗi 3 phút chạy mẫu, dung dịch được lấy ra đem đo mật độ quang. Đồng thời hút lấy 10 ml cho vào lọ có nút, thêm 1 ml KOH 6M đ tủa ion sắt và một lượng nhỏ MnO2 đ xúc tác phân huỷ H2O2 dư. Sau khi xử lí hết bọt khí, cho mẫu vào ống li tâm . Dung dịch sau li tâm chúng tôi đem xác định COD.
2.3.1. Thuốc thử
- Dung dịch chuẩn K2Cr2O7 0.1N: Hoà tan ống chuẩn K2Cr2O7 0.1N trong 50 mL nước cất, thêm 167 mL H2SO4 98% và 33.3 g HgSO4. Làm lạnh và định mức đến 1L.
- Dung dịch hỗn hợp H2SO4 và Ag2SO4: Cân 5.5 g Ag2SO4 trong 1 kg H2SO4
đậm đặc d = 1.84 g/ml), đ 1-2 ngày cho tan hoàn toàn Ag2SO4.
- Dung dịch chuẩn kali hydro phtalat:
+ Pha dung dịch kali hydro phtalat gốc: cân 850 mg kali hydro phtalat đã sấy khô ở 103oC và định mức bằng nước cất đến th tích 1000 ml.
+ Pha dung dịch kali hydro phtalat chuẩn: pha loãng 20 ml dịch kali hydro phtalat gốc thành 100 ml. Dung dịch này chứa 200 mgO2/l.
2.3.2.Qui trình phân tích mẫu
Từ tài liệu [8], [9] chúng tôi đã xây dựng qui trình xác định COD như sau:
Nồng độ COD trong mẫu được xác định dựa vào phương trình đường chuẩn bi u thị mối tương quan giữa COD và mật độ quang của K2Cr2O7 dư như sau:
Pha dãy dung dịch chuẩn COD có nồng độ từ 0-100 mgO2/l theo bảng sau: Số thứ tự
Th tích mL) 1 2 3 4 5 6
Th tích K2Cr2O7 0.1N 1 1 1 1 1 1
Th tích hỗn hợp H2SO4, Ag2SO4 2 2 2 2 2 2 Th tích kali hydro phtalat chuẩn 0 0.6 1.2 1.8 2.4 3.0
Th tích nước cất 3.0 2.4 1.8 1.2 0.6 0
COD (mgO2/L) 0 20 40 60 80 100
3ml mẫu đã được oxi hoá bằng các tác nhân 1.0ml dung dịch K2Cr2O7 0,1N 2ml H2SO4 đậm đặc đã thêm Ag2SO4) Ống nghiệm có nút vặn Đun trên bếp cách cát ở 150o C trong 2h lắc đều Đ nguội và đo mật độ quang K2Cr2O7 dư ở
Cách tiến hành xác định COD trong mẫu chuẩn như qui trình trên. Chúng tôi xây dựng được đường chuẩn D = f COD) như hình 2.5.
Hình 2.3: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ tuyến tính giữa COD và mật độ quang
Hiệu suất xử lí COD được tính theo công thức sau: % 100 ) ( ) ( ) ( % 0 0 COD COD COD H t Trong đó:
- COD0: là giá trị COD của mẫu ban đầu chưa phản ứng Fenton.
- CODt: là giá trị COD của mẫu sau khi đã phản ứng tại các thời đi m t.
2.3. ác thí nghiệm khảo sát
Đề tài này nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy thuốc nhuộm RGB bởi các hệ tác nhân Fe2+
/H2O2/UV; UV/H2O2. Vì vậy, với mỗi hệ tác nhân, chúng tôi tiến hành khảo sát các yếu tố ở các điều kiện thí nghiệm như sau:
2.3.1. Phân hủy RGB bằng hệ tác nhân UV/H2O2
2.3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ban đầu đến sự phân hủy RGB
Các thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng thí nghiệm. - Nồng độ RGB ban đầu là 50 ppm
- pH = 3
- Nồng độ H2O2 ban đầu ([H2O2]o) thay đổi lần lượt là: 20 ppm, 40 ppm, 60 ppm, 80 ppm, 100 ppm, 120 ppm.
2.3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH ban đầu đến sự phân hủy RGB
- Nồng độ RGB ban đầu là 50 ppm
- Nồng độ H2O2 ban đầu ([H2O2]o) tối ưu đã khảo sát - pH thay đổi lần lượt ở các giá trị 2, 3, 4, 5, 6
- Thời gian phản ứng 21 phút.
2.3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu đến sự phân hủy RGB
- Nồng độ RGB ban đầu là 50 ppm - pH tối ưu đã khảo sát
- Nồng độ H2O2 ban đầu ([H2O2]o) tối ưu đã khảo sát
- Nhiệt độ thí nghiệm thay đổi lần lượt là 300C, 400C, 500C, 600C, 700C - Thời gian phản ứng 21 phút.
2.3.2. Phân hủy RGB bằng hệ tác nhân Fe2+/H2O2/UV
2.3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ban đầu đến sự phân hủy RGB
- Nồng độ RGB ban đầu là 50 ppm - pH = 3
- Nồng độ Fe2+ ban đầu là 6.5 ppm
- Nồng độ H2O2 ban đầu ([H2O2]o) thay đổi lần lượt là 20 ppm, 40 ppm, 60 ppm, 80 ppm, 100 ppm, 120 ppm.
- Thời gian phản ứng 21 phút.
2.3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Fe2+ ban đầu đến sự phân hủy RGB
- Nồng độ RGB ban đầu là 50 ppm - pH = 3
- Nồng độ H2O2 ban đầu tối ưu đã khảo sát
- Nồng độ Fe2+ ban đầu thay đổi lần lượt là 5 ppm, 6.5 ppm, 8.5 ppm, 10 ppm, 13 ppm, 15 ppm.
- Thời gian phản ứng 21 phút.
2.3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH ban đầu đến sự phân hủy RGB
- Nồng độ RGB ban đầu là 50 ppm
- Nồng độ H2O2 ban đầu tối ưu đã khảo sát - Nồng độ Fe2+ ban đầu tối ưu đã khảo sát
- pH được điều chỉnh ở các giá trị 1, 2, 3, 4, 5 - Thời gian phản ứng 21 phút.
2.3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu đến sự phân hủy RGB
- Nồng độ RGB ban đầu là 50 ppm - pH tối ưu đã khảo sát
- Nồng độ H2O2 ban đầu tối ưu đã khảo sát - Nồng độ Fe2+ ban đầu tối ưu đã khảo sát
- Nhiệt độ thí nghiệm thay đổi lần lượt là 300C, 400C, 500C, 600C, 700C - Thời gian phản ứng 21 phút.
HƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả sự phân hủy RGB bằng hệ phản ứng UV/H2O2
3.1.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ban đầu đến sự phân hủy RGB RGB
3.1.1.1. Hiệu suất chuyển hóa của RGB
Bảng 3.1. Giá trị mật độ quang đo được (Do= 0.94)
[H2O2]ppm 20 40 60 80 100 120 3 0.9201 0.90003 0.8606 0.8205 0.7401 0.7063 6 0.868 0.8482 0.7903 0.7503 0.6805 0.6625 9 0.8481 0.8122 0.7546 0.7096 0.6597 0.6522 12 0.8399 0.7859 0.73715 0.6885 0.6419 0.6469 15 0.83 0.7799 0.7176 0.6701 0.6377 0.63 18 0.8268 0.7712 0.7032 0.6601 0.636 0.6212 21 0.8207 0.7689 0.6935 0.6508 0.6249 0.6131
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ban đầu đến hiệu suất chuyển hóa RGB (%) [H2O2] ppm 20 40 60 80 100 120 3 2.1 4.3 8.4 12.7 21.3 24.9 6 7.7 9.8 15.9 20.2 27.6 29.5 9 9.8 13.6 19.7 24.5 29.8 30.6 12 10.6 16.4 21.6 26.8 31.7 31.2 15 11.7 17.0 23.7 28.7 32.2 33.0 18 12.0 18.0 25.2 29.8 32.3 33.9 21 12.7 18.2 26.2 30.8 33.5 34.8
Hình 3.1: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ban đầu đến hiệu suất chuyển hóa RGB
3.1.1.2. Hiệu suất COD(%)
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ban đầu đến hiệu suất COD(%)
[H2O2]ppm 20 40 60 80 100 120 3 2.1 4.2 7.1 11 16.2 20 6 5.1 8.9 12.8 16 19.2 21.1 9 7.4 10.3 14.9 20.1 23.1 24.7 12 7.9 12.4 18.8 22.4 23.4 24.8 15 8.6 12.6 19.5 23 24.7 25.2 18 9.1 12.7 20 23.5 25 26.9 21 9.3 12.9 20.7 24.1 26.2 27.1
Hình 3.2: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ban đầu đến hiệu suất COD
Nhận xét: Từ kết quả ở hình 3.1 và 3.2 cho thấy ở hệ UV/H2O2, khi tăng nồng độ H2O2 ban đầu [H2O2]o) làm hiệu suất phân hủy RGB và hiệu suất COD tăng lên nhưng tăng chậm.
Giải thích: Khi tăng nồng độ của H2O2 nhờ tác dụng bức xạ của UV thì sẽ tạo ra nhiều gốc HO
hơn do phương trình sau: H2O2 + hν → 2HO
Sau 21 phút xử lí với [H2O2]o là 120ppm hiệu suất chuy n hóa RGB chỉ đạt 34,8% và hiệu suất COD chỉ đạt 27,1%. Vậy nồng độ [H2O2]otối ưu là 80 ppm.
3.1.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự phân hủy RGB
3.1.2.1. Hiệu suất chuyển hóaRGB(%)
Bảng 3.4: Giá trị mật độ quang đo được
pH 2 3 4 5 6 3 0.9014 0.8205 0.7801 0.7601 0.8067 6 0.8401 0.7503 0.7132 0.7083 0.7411 9 0.8 0.7096 0.6921 0.6728 0.7113 12 0.7756 0.6885 0.6609 0.6534 0.6943 15 0.7509 0.6701 0.6409 0.6321 0.6699 18 0.7477 0.6601 0.6302 0.6201 0.6501 21 0.7399 0.6508 0.62 0.6099 0.6409
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất chuyển hóa RGB (%)
pH 2 3 4 5 6 3 4.1 12.7 17.0 19.1 14.2 6 10.6 20.2 24.1 24.6 21.2 9 14.9 24.5 26.4 28.4 24.3 12 17.5 26.8 29.7 30.5 26.1 15 20.1 28.7 31.8 32.8 28.7 18 20.5 29.8 33.0 34.0 30.8 21 21.3 30.8 34.0 35.1 31.8
Hình 3.3: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của pH đến hiệu suất chuyển hóa RGB
3.1.2.2. Hiệu suất COD (%)
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất COD(%)
pH 2 3 4 5 6 3 8.2 11 14.1 17.3 16.1 6 12.1 16 21.3 22 18 9 15 20.1 23.2 26.4 20 12 16.6 22.4 26 28.8 23.1 15 17 23 27.3 29 24.2 18 18 23.5 27.6 29.3 25 21 18.5 24.1 28.1 29.6 26.5
Nhận xét: Từ đồ thị hình 3.3 và 3.4 ta thấy khi tăng pH của dung dịch phản ứng từ 1-5 thì hiệu suất chuy n hóa RGB và hiệu suất COD tăng lên. Nếu tiếp tục tăng pH thì hiệu suất giảm xuống.
Giải thích: Khi pH axit thì khả năng sinh ra nhiều gốc HO làm cho hiệu suất phân hủy tăng lên, nhưng khi pH tăng lên cao làm giảm sự hình thành gốc HO làm giảm khả năng phân hủy của RGB.
Vậy pH tối ưu cho phản ứng là 5. Tại điều kiện này sau 21 phút xử l hiệu suất chuy n hóa đạt 35.1% và hiệu suất COD là 29.6%.
3.1.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phân hủy RGB (%)
3.1.3.1. Hiệu suất chuyển hóa của RGB (%)
Bảng 3.7: Giá trị mật độ quang đo được
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất chuyển hóa RGB (%)
Nhiệt độ 30 40 50 60 70 3 19.1 20.5 26.3 29.8 24.6 6 24.6 26.2 32.8 34.0 31.1 9 28.4 30.1 35.5 36.0 33.2 12 30.5 32.4 37.2 37.6 35.3 15 32.8 34.7 37.9 38.6 36.4 18 34.0 36.1 38.4 39.4 37.2 21 35.1 37.0 39.4 40.9 38.2 Nhiệt độ 30 40 50 60 70 3 0.7601 0.747 0.6927 0.6599 0.7089 6 0.7083 0.6941 0.6315 0.6204 0.6479 9 0.6728 0.6569 0.6061 0.6019 0.6279 12 0.6534 0.6353 0.59 0.5869 0.608 15 0.6321 0.614 0.5839 0.5769 0.5979 18 0.6201 0.6004 0.5789 0.57 0.5902 21 0.6099 0.5921 0.5701 0.5559 0.581
Hình 3.5: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất chuyển hóa RGB
3.1.3.2. Hiệu suất COD(%)
Bảng 3.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất COD(%)
Nhiệt độ 30 40 50 60 70 3 19.3 22.2 26 29.1 23 6 24 26 30.7 32 30 9 27.4 28 31.9 33.4 31 12 28.8 29.3 32.6 33.9 31.8 15 29 30.4 33 34.5 32.1 18 29.3 31.7 33.5 34.7 32.7 21 29.6 32.7 33.9 35 33
Nhận xét: Hiệu suất phân hủy của RGB tăng chậm khi tăng nhiệt độ đến 60o C. Qua kết quả đo được thì nhiệt độ tối ưu cho phản ứng là 30o
C.
3.2. Hệ Fenton/UV
3.2.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ban đầu đến sự phân hủy RGB
3.2.1.1. Hiệu suất chuyển hóa
Bảng 3.10: Giá trị mật độ quang đo được
[H2O2]ppm 20 40 60 80 100 120 3 0.561 0.4654 0.3214 0.2867 0.159 0.1075 6 0.4201 0.2785 0.1762 0.147 0.0712 0.0523 9 0.2954 0.2 0.1168 0.0515 0.038 0.044 12 0.2433 0.1525 0.0856 0.0151 0.0301 0.0329 15 0.2401 0.1311 0.0694 0.004 0.002 0.0003 18 0.223 0.112 0.0492 0.002 0.0001 0.0003 21 0.219 0.0978 0.038 0.0002 0.0001 0.0002
Bảng 3.11: Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ban đầu đến hiệu suất chuyển hóa RGB (%) [H2O2]ppm 20 40 60 80 100 120 3 40.3 50.5 65.8 69.5 83.1 88.6 6 55.3 70.4 81.3 84.4 92.4 94.4 9 68.6 78.7 87.6 94.5 96.0 95.3 12 74.1 83.8 90.9 98.4 96.8 96.5 15 74.5 86.1 92.6 99.6 99.8 100.0 18 76.3 88.1 94.8 99.8 100.0 100.0 21 76.7 89.6 96.0 100.0 100.0 100.0
Hình 3.7: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ban đầu đến hiệu suất