PHẦN II: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ
3.1 Kết quả nghiên cứu xử lý nước thải mía đường bằng quá trình Fenton
3.1.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của lượng H2O2 ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với nước thải đầu vào
Điều kiện thí nghiệm:
Nồng độ CODvào: 2850 (mgO2/L) Độ màu: 377 Pt-Co Thời gian khảo sát: 80 phút; pH ban đầu: 3.0;
Lượng Fe2+: 0.0067 mol/L; Lượng H2O2: Thay đổi nồng độ mol/L từ 0.083 – 0.183;
Bảng 3.1: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng H2O2 ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với nước thải đầu vào
STT mol
Fe2+/L mol
H2O2/L Tỉ số Fe2+/H2O2
Nước thải sau xử lý COD
(mg/L)
Hiệu suất COD
(%)
Độ màu (Pt-Co)
Hiệu suất khử màu
(%)
1 0.0067 0.083 0.081 2534.4 11.07 159.4 57.71
2 0.0067 0.100 0.067 2246.4 21.18 120.7 67.98
3 0.0067 0.117 0.057 2016.0 29.26 93.9 75.10
4 0.0067 0.133 0.050 1612.8 43.41 73.0 80.63
5 0.0067 0.150 0.045 1843.2 35.33 80.5 78.66
6 0.0067 0.167 0.040 1958.4 31.28 92.4 75.49
7 0.0067 0.183 0.037 2361.6 17.14 113.3 69.96
55
Hình 3.1: Ảnh hưởng của lượng H2O2 đến khả năng khử màu và khử COD của quá trình Fenton (đối với nước thải ban đầu)
Nhận xét: Kết quả từ thí nghiệm xác định lượng H2O2 tối ưu với tải trọng nước thải ban đầu cho thấy hiệu suất xử lý COD 43.41% và xử lý độ màu 80.63%. Kết quả trên cho thấy không hiệu quả bằng các phương pháp xử lý độ màu khác đang được áp dụng (<90%). Vì vậy ta cần thực hiện thêm thí nghiệm xác định tải trọng tối ưu cho đối tượng nước thải mía đường để tìm ra khoảng COD đầu vào thích hợp cho quá trình Fenton.
3.1.2 Kết quả nghiên cứu tải trọng COD tối ưu nước thải Điều kiện thí nghiệm:
Thời gian khảo sát: 80 phút; pH ban đầu: 3.0;
Lượng H2O2: 0.133 mol/L; Lượng Fe2+: 0.0067 mol/L.
Thay đổi tải trọng COD bằng pha loãng nồng độ: 2, 5, 10, 15, 20 lần;
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 . 0 8 1 0 . 0 6 7 0 . 0 5 7 0 . 0 5 0 . 0 4 5 0 . 0 4 0 . 0 3 7
Hiệu suất (%)
Tỷ số Fe2+/H2O2
Hiệu Suất COD Hiệu Suất Khử Màu
Bảng 3.2: Kết quả nghiên cứu tải trọng COD tối ưu nước thải
STT mol Fe2+/L
mol H2O2/L
Tỉ số Fe2+/H2O2
Nước thải sau xử lý COD
(mg/L) Hiệu suất
COD (%) Độ màu (Pt-Co)
Hiệu suất khử màu
(%)
1 0.0067 0.133 0.050 478 60.14 49.2 84.93
2 0.0067 0.133 0.050 207 56.96 43.2 83.24
3 0.0067 0.133 0.050 113 52.24 38.7 82.19
4 0.0067 0.133 0.050 82 49.59 35.8 76.47
5 0.0067 0.133 0.050 64 45.75 31.3 74.07
Hình 3.2: Ảnh hưởng tải trọng nước thải đầu vào đến khả năng khử màu và khử COD của quá trình Fenton
Nhận xét: So với tải trọng nước thải ban đầu, khi pha loãng nước thải theo các tỉ lệ khác nhau đều cho hiệu suất khử COD và khử màu cao hơn hẳn. Cụ thể tỉ lệ pha loãng 2 lần cho hiệu suất cao nhất, tăng 16.73% cho khử COD và 4.3% cho khử màu. Ta có thể kết luận nước thải pha loãng 2 lần là tải trọng tối ưu dùng để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý của quá trình Fenton trong bài nghiên cứu này.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
2 5 1 0 1 5 2 0
Hiệu suất (%)
Hệ số pha loãng COD
Hiệu Suất COD Hiệu Suất Khử Màu
57
3.1.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng H2O2 ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu
Điều kiện thí nghiệm:
Nồng độ CODvào: 1198 (mgO2/L); Độ màu: 326.3 Pt-Co;
Thời gian khảo sát: 80 phút; pH ban đầu: 3.0;
Lượng Fe2+: 0.0067 mol/L; Lượng H2O2: Thay đổi nồng độ mol/L từ 0.083 – 0.183;
Bảng 3.3: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng H2O2 ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu
STT mol
Fe2+/L mol
H2O2/L Tỉ số Fe2+/H2O2
Nước thải sau xử lý COD
(mg/L)
Hiệu suất COD
(%)
Độ màu (Pt-Co)
Hiệu suất khử màu (%)
1 0.0067 0.083 0.081 678 43.4 76.0 76.71
2 0.0067 0.100 0.067 612 48.9 64.1 80.07
3 0.0067 0.117 0.057 513 57.2 53.6 83.56
4 0.0067 0.133 0.050 474 60.4 47.7 85.39
5 0.0067 0.150 0.045 526 56.1 50.7 84.47
6 0.0067 0.167 0.040 553 53.8 56.6 82.65
7 0.0067 0.183 0.037 579 51.7 62.6 80.82
Hình 3.3: Ảnh hưởng của lượng H2O2 đến khả năng khử màu và khử CODcủa quá trình Fenton (tải trọng tối ưu)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 . 0 8 1 0 . 0 6 7 0 . 0 5 7 0 . 0 5 0 . 0 4 5 0 . 0 4 0 . 0 3 7
Hiệu suất (%)
Tỷ số Fe2+/H2O2
Hiệu Suất COD Hiệu Suất Khử Màu
Nhận xét:Vai trò của H2O2 là tác nhân oxy hóa trong quá trình Fenton. Sự ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến hiệu quả khử màu được khảo sát từ 0.083 mol/L đến 0.183 mol/L, kết quả được thể hiện ở đồ thị trên. Theo đó, hiệu suất khử màu tăng từ 76.71% lên 85.39% khi nồng độ H2O2 thay đổi từ 0.083 mol/L lên 0.133 mol/L, tương ứng với hiệu suất khử COD nước thải tăng từ 43.4% lên 60.4%. Do khi tăng lượng H2O2 gốc tự do HO sẽ sản sinh nhiều hơn, quá trình Fenton cho hiệu suất cao hơn. Hiệu suất khử màu cao nhất là 85.39%
tương ứng với 0.133 mol H2O2/L.
Tuy nhiên sau giá trị tối ưu trên tốc độ khử màu bắt đầu giảm dù tăng nồng độ H2O2 trong nước thải do H2O2 bắt đầu tóm bắt gốc tự do hydroxyl và xuất hiện sự tái tổ hợp của gốc tự do theo các phương trình dưới đây:
2 3
HOFe OH Fe
2 2 2 2
H O HO HOH O
HO HO H O2 2
Mặt khác HO2 được sinh ra cũng có khả năng tóm bắt HO:
2 2 2
HO HO H O O
3.1.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng Fe2+ ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu
Điều kiện thí nghiệm:
Nồng độ CODvào: 1205 (mgO2/L); Độ màu: 321.9 Pt-Co;
Thời gian khảo sát: 80 phút; pH ban đầu: 3.0;
Lượng H2O2: 0.133 mol/L; Lượng Fe2+ : Thay đổi nồng độ mol/L từ 0.0033 – 0.0183;
59
Bảng 3.4: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng Fe2+ ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu
STT mol Fe2+/L
mol H2O2/L
Tỉ số Fe2+/H2O2
Nước thải sau xử lý COD
(mg/L)
Hiệu suất COD
(%)
Độ màu (Pt-Co)
Hiệu suất khử màu (%)
1 0.0033 0.133 0.025 632 47.55 61.1 81.02
2 0.0050 0.133 0.038 583 51.62 55.1 82.87
3 0.0067 0.133 0.050 484 59.83 47.7 85.19
4 0.0083 0.133 0.062 470 61.00 41.7 87.04
5 0.0100 0.133 0.075 448 62.82 37.3 88.43
6 0.0117 0.133 0.088 424 64.81 35.8 88.89
7 0.0133 0.133 0.100 397 67.05 32.8 89.81
8 0.0150 0.133 0.113 377 68.71 31.3 90.28
9 0.0167 0.133 0.126 398 66.97 34.3 89.35
10 0.0183 0.133 0.138 461 61.74 38.8 87.96
Hình 3.4: Ảnh hưởng của lượng Fe2+ đến khả năng khử màu và khử COD của quá trình Fenton (tải trọng tối ưu)
Nhận xét: Để xác định nồng độ Fe2+ tối ưu cho hiệu suất khử màu cao nhất, các giá trị từ 0.0033 mol Fe2+/L đến 0.0183 mol Fe2+/L đã được khảo sát dựa trên cơ sở tỉ lệ mol giữa Fe2+/H2O2 trong các tài liệu tham khảo. pH ban đầu của nước thải được điều chỉnh về
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00
0 . 0 2 5 0 . 0 3 8 0 . 0 5 0 . 0 6 2 0 . 0 7 5 0 . 0 8 8 0 . 1 0 . 1 1 3 0 . 1 2 6 0 . 1 3 8
Hiệu suất (%)
Tỷ sô Fe2+/H2O2
Hiệu Suất COD Hiệu Suất Khử Màu
khoảng gần 3 để đánh giá đúng hiệu quả của nồng độ Fe2+ trong quá trình Fenton. Qua đồ thị trên ta thấy do Fe2+ là yếu tố xúc tác và khơi mào cho phản ứng phân hủy H2O2 để sinh gốc tự do HO nên càng tăng nồng độ Fe2+ trong nước thải thì hiệu suất khử màu cũng tăng.
Kết quả cho thấy hiệu suất khử màu tăng từ 81.02% đến giá trị tối ưu nhất là 90.28%, tương ứng với lượng Fe2+ tăng từ 0.0033 mol/L lên 0.0150 mol/L.
Tuy nhiên khi qua giá trị Fe2+ tối ưu khả năng xử lý của quá trình Fenton bắt đầu giảm. Vì hàm lượng Fe2+ có ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ của phản ứng Fenton. Quá trình Fenton xảy ra các phản ứng:
2 3
FeH O2 2FeHO OH (3.5)
3 2
2 2 2
FeH O FeHHO (3.6)
2 3
HOFe OHFe (3.7)
Khi nồng độ ion sắt quá cao so với H2O2 thì lúc đó Fe2+ sẽ tham gia phản ứng với vai trò là chất chính chứ không đóng vai trò chất xúc tác nữa, do khi Fe2+ có nồng độ lớn thì nó sẽ tham gia phản ứng với gốc HO theo phản ứng (3.7), làm tiêu thụ mất một phần gốc HO dẫn đến hiệu quả oxy hóa các chất hữu cơ của gốc HO theo phương trình phản ứng (3.8) giảm đi:
HO RH R H O 2 (3.8)
Như vậy trong phản ứng Fenton, hàm lượng chất xúc tác Fe2+ cho vào phải tương ứng với lượng H202 do tỷ lệ Fe2+ /H2O2 có ảnh hưởng lớn đến việc hình thành và phân hủy gốc HO. Mặt khác do cân bằng của phản ứng (3.5) tạo ra ion Fe3+ nên khi Fe2+ quá lớn tham gia phản ứng (3.7) cũng tạo ra Fe3+ sẽ làm chuyển dịch cân bằng phản ứng (3.5) nên cũng gây giảm hiệu suất khử khi tỷ lệ Fe2+/ H2O2 quá cao. Kết quả làm tiêu hao gốc hydroxyl vừa tạo ra, vừa hạn chế khả năng tạo ra nó, cho nên tỷ lệ mol Fe2+/H2O2 có ảnh hưởng đến sự tạo thành và mất mát gốc hydroxyl theo phương trình nói trên.
3.1.5 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng pH ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu
Điều kiện thí nghiệm:
Nồng độ CODvào: 1187 (mgO2/L); Độ màu: 295.0 Pt-Co;
61
Thời gian khảo sát : 80 phút; pH: Thay đổi độ pH từ 2-6;
Lượng H2O2: 0.133 mol/L; Lượng Fe2+ : 0.0150 mol/L;
Bảng 3.5: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng pH ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu
STT pH Tỉ số Fe2+/H2O2
Nước thải sau xử lý COD
(mg/L) Hiệu suất
COD (%) Độ màu (Pt-Co)
Hiệu suất khử màu
(%)
1 2 0.113 484 59.19 64.1 78.28
2 3 0.113 370 68.84 28.3 90.4
3 4 0.113 400 66.31 34.4 88.38
4 5 0.113 458 61.38 61.1 79.29
5 6 0.113 552 53.47 71.5 75.76
Hình 3.5: Ảnh hưởng của pH đến khả năng khử màu và khử COD của quá trình Fenton (tải trọng tối ưu)
Nhận xét: pH của nước thải ảnh hưởng đến tốc độ sinh gốc HO và dạng tồn tại của ion sắt. Do vậy đây là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình Fenton. Để tìm ra giá trị pH tối cho hiệu suất xử lý tối ưu, thí nghiệm được thực hiện tại các giá trị pH 2, 3, 4, 5, 6. Kết quả được thể hiện ở bảng và đồ thị cho thấy pH tối là 3. Điều này phù hợp với lý thuyết của quá trình Fenton. Tại pH =3 hiệu suất khử màu đạt 90.40 % và là giá trị cao nhất. Sau pH này khả năng xử lý bắt đầu giảm.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
2 3 4 5 6
Hiệu suất (%)
pH
Hiệu suất COD Hiệu Suất Khử Màu
Khi pH < 3, HO sẽ bị tiêu thụ bởi ion H+ làm giới hạn tốc độ xử lý (phản ứng). Ngoài ra, phản ứng tạo HO còn bị giảm do H2O2 có thể nhận 1 proton tạo oxonium ion H3O2+. Oxonium ion làm H2O2 bền hơn và làm giảm hoạt tính của Fe(II). Ở pH rất thấp sẽ hình thành phức sắt [Fe(H2O)6]2+ có tốc độ phản ứng chậm hơn các dạng tồn tại của sắt khác (Fe2+, Fe3+).
HO H e H O2
2 2 3 2
H O H H O
Tại các giá trị pH > 3 sự tạo thành OH giảm do sự kết tủa của Fe3+.
3
2 3
3 ( ) 3
Fe H OFe OH H
Sự kết tủa này làm quá trình tái sinh Fe2+ từ Fe3+ dừng lại làm giảm sinh gốc tự do hydroxyl.
3.1.6 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng thời gian phản ứng ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu
Nồng độ CODvào: 1241 (mgO2/L); Độ màu: 326.3 Pt-Co;
Điều kiện thí nghiệm: Thời gian khảo sát: Thay đổi từ 40 phút – 100 phút; pH: 3.0;
Lượng H2O2: 0.133 mol/L; Lượng Fe2+ : 0.0150 mol/L;
Bảng 3.6: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng thời gian phản ứng ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu
STT
Thời gian phản
ứng (phút)
Tỉ số Fe2+/H2O2
Nước thải sau xử lý COD
(mg/L)
Hiệu suất COD (%)
Độ màu (Pt-Co)
Hiệu suất khử màu
(%)
1 40 0.113 519 58.17 43.2 86.76
2 50 0.113 436 64.83 35.8 89.04
3 60 0.113 382 69.18 29.8 90.87
4 70 0.113 391 68.47 34.3 89.5
5 80 0.113 398 67.89 38.7 88.13
6 90 0.113 433 65.08 46.2 85.84
7 100 0.113 476 61.64 53.6 83.56
63
Hình 3.6: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến khả năng khử màu và khử COD của quá trình Fenton (tải trọng tối ưu)
Nhận xét: Nhằm phân tích mối liên hệ giữa thời gian lưu với khả năng khử màu của quá trình Fenton, thí nghiệm được khảo sát ở khoảng thời gian 40-100 phút, mỗi giá trị cách nhau 10 phút. Hiệu suất của phản ứng tăng theo thời gian phản ứng. Tuy nhiên đến một mức nào đó hiệu suất không tăng theo thời gian lưu hoặc thay đổi rất ít vì H2O2 dần phân hủy tạo thành H2O và O2, Fe2+ thành Fe3+ không còn tạo được các gốc có tính oxy hóa cao nữa. Khi thời gian lưu tăng từ 40 lên 60 phút, hiệu suất khử màu tăng từ 86.76% lên 90.87%.
Sau 60 phút, hiệu suất khử màu bắt đầu giảm theo thời gian, còn 83.56%
3.1.7 Nhận xét khả năng xử lý nước thải mía đường bằng công nghệ Fenton
Ứng dụng phương pháp Fenton trong xử lý nước thải mía đường có thể giảm COD 69.38%
và độ màu 90.87%.
pH ban đầu, nồng độ H2O2 và chất xúc tác Fe2+ là các yếu tố cảnh hưởng đến hiệu suất khử màu và COD. Thực nghiệm cũng cho thấy với điều kiện tối ưu được xác định là: Tải trọng COD tối ưu “ độ pha loãng 2 lần”, 0.133 mol H2O2/L, 0.0150 mol Fe2+/L, pH 3, thời gian phản ứng 60 phút quá trình Fenton cho hiệu suất khử độ màu và COD rất cao.
Ưu điểm của quá trình Fenton:
Các cấu tử của quá trình Fenton trước và sau phản ứng đều không độc hại với môi trường vì chúng bao gồm: H2O2, O2 các ion Fe2+, Fe3+. Mặt khác việc đưa thêm muối Fe2+
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0
Hiệu suất (%)
Thời gian phản ứng (phút) Hiệu suất COD Hiệu suất khử màu
vào để nâng cao khả năng oxy hóa của H2O2 (tạo gốc hydroxyl tự do) là loại hóa chất rẻ nên chi phí tăng thêm không đáng kể.
Hiệu suất khử màu có thể cao hơn nếu sử dụng các phương pháp oxy hóa bậc cao có sự hỗ trợ của ánh sáng, UV, các chất xúc tác mạnh hơn Fe2+.
Hạn chế quá trình Fenton:
Phản ứng phân hủy chỉ đạt hiệu quả cao khi pH bằng 3 nên tốn hóa chất điều chỉnh pH trước và sau xử lý Fenton.
Để tách ion Fe3+ ra khỏi nước thải sau xử lý cần thực hiện quá trình nâng cao độ pH
> 7 bằng nước vôi hoặc dung dịch kiềm nhằm chuyển sang dạng Fe(OH)3 kết tủa, từ đó sinh ra lượng bùn thải nhiều.