PHẦN II: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2 Phương pháp nghiên cứu
2.2.3 Phương pháp khảo sát điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa bậc cao bằng hệ tác nhân Fenton
Thí nghiệm Fenton truyền thống được tiến hành với các hoá chất Fenton và ở các điều kiện tiến hành khác nhau:
+ Xác định tải trọng COD tối ưu
+ Xác định nồng độ chất oxy hóa (H2O2) tối ưu (hiệu quả xử lý đạt tốt nhất) và thời gian tối ưu cho quá trình xử lý.
+ Xác định tỉ lệ H2O2/Fe2+ tối ưu cho quá trình xử lý.
+ Xác định ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý.
Quy trình thí nghiệm gồm các bước như sau:
Bước 1: dung dịch mẫu ban đầu có thể tích 300ml được điều chỉnh pH về khoảng mong muốn bằng dung dịch H2SO4 10% hay dung dịch NaOH 5%.
Hình 2.2: Tiến hành điều chỉnh mẫu nước thải về pH 3
Bước 2: Thêm xúc tác là FeSO4.7H20 dung dịch vào mẫu nước với nồng độ xác định.
Bước 3: Tiếp tục cho từ từ một thể tích V (ml) dung dịch H2O2 30% vào hỗn hợp trên. Thể tích chất oxy hóa được tính toán nhằm đạt được nồng độ để xử lý như mong muốn. Lúc này phản ứng bắt đầu xảy ra.
Hình 2.3: Lần lượt cho Fe2+, H2O2 vào mẫu và đem đi khuấy 130 rpm
Bước 4: Sau khi tiến hành phản ứng trong một thời gian cần thiết, bắt đầu nâng pH của hỗn hợp sau phản ứng bằng dd NaOH 5% đến khoảng pH 7 nhằm loại bỏ sắt dưới dạng kết tủa Fe(OH)3 đồng thời làm cho lượng H2O2 còn lại phân hủy theo phản ứng:
2H2O2 → 2H2O + O2
Hình 2.4: Điều chỉnh mẫu về pH 7 bằng dung dịch NaOH, H2SO4
Bước 5: Để lắng dung dịch mẫu đã xử lý 10 phút, sau đó hút nước phía trên mặt để đo đạc xác định hiệu quả xử lý.
45
Hình 2.5: Để mẫu lắng 10’, sau đó hút nước phần trên đem đi phân tích
Xác định hiệu quả xử lý (chủ yếu thông qua thông số COD và độ màu) Hình 2.6: Quy trình thí nghiệm khảo sát điều kiện tối ưu cho
quá trình oxy hóa bậc cao bằng hệ tác nhân Fenton Nước thải mía
đường tại bể gom
Nước thải mía đường có pH thích hợp
Dung dịch sau lắng NaOH, H2SO4
điều chỉnh pH
FeSO4.7H20 H2O2
Dùng NaOH chỉnh pH > 7
47 Chuẩn bị:
Từ nhiều nghiên cứu đã được thực hiện ta có được các kết quả tham khảo của các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Fenton như sau:
- pH: phản ứng Fenton đạt tốc độ phản ứng cao nhất tại khoảng hẹp pH 3 và giảm khi tăng pH (Parsons, 2004)
- Thời gian lưu: hiệu quả khử màu tăng khi thời gian xử lý từ 30 phút đến 4h (David, 2015).
- Tốc độ khuấy: hiệu quả khử màu tăng khi tăng tốc độ khuấy từ 100 đến 500 rpm (David, 2015). Ở tốc độ cao hơn tác nhân Fenton được trộn đều nên sự oxy hóa các chất ô nhiễm diễn ra nhanh hơn.
- Tỉ lệ tác nhân Fenton: tỉ lệ Fe(II) : H2O2 thường dùng trong các tài liệu tham khảo từ 1:10-40 (mol/mol) (Gharib-Bibalan, 2016).
- Tỉ lệ H2O2 : COD: mỗi loại nước thải có tỉ lệ riêng, tỉ lệ này dao động khá lớn trong khoảng 0.5-3:1 (mol/mol) (Trần Mạnh Trí và Trần Mạnh Trung, 2011).
- Tùy vào điều kiện phòng thí nghiệm hiện có, thí nghiệm khảo sát sơ bộ sẽ được thực hiện với giá trị tham khảo cố định nhằm xác định thông số tối ưu ảnh hưởng đến quá trình khử màu của nước thải từ nhà máy đường.
Bảng 2.2: Các thông số thực hiện thí nghiệm khảo sát sơ bộ
Thông số Giá trị
pH Khoảng hẹp 3
Thời gian phản ứng 80 phút
Tốc độ khuấy 130 rpm
Tỉ lệ Fe2+ : H2O2 1:10-40 (mol/mol)
Tỉ lệ H2O2: COD 0.5-3:1 (mol/mol)
Thí nghiệm khảo sát sơ bộ sẽ được thực hiện với với tỉ lệ Fe2+ : H2O2 như trên tại pH = 3 với thời gian lưu 80 phút. Tiếp tục khảo sát các điều kiện tối ưu còn lại với lượng Fe2+ cơ bản tối ưu từ thí nghiệm khảo sát sơ bộ.
2.2.3.1 Thí nghiệm Xác định lượng H2O2 tối ưu với tải trọng nước thải ban đầu - Phân tích COD đầu vào của nước thải.
- Điều chỉnh điều kiện thực hiện thí nghiệm theo Bảng 2.3 với thể tích nước thải 300 mL cho mỗi becher.
- Lần lượt thêm các lượng H2O2 khác nhau vào các becher.
- Sau thời gian phản ứng, tắt máy khuấy và dùng NaOH nâng pH nước thải lên 7 để kết thúc phản ứng Fenton. Tiếp tục quá trình khuấy chậm với vận tốc 60 rpm trong 10 phút, sau đó để lắng trong 10 phút.
- Xác định độ màu và COD sau xử lý.
- Xác định lượng H2O2 tối ưu với tải trọng nước thải ban đầu.
Bảng 2.3: Các thông số thực hiện thí nghiệm xác định lượng H2O2 tối ưu
Thông số Giá trị
pH 3
Thời gian phản ứng 80 phút
Tốc độ khuấy 130 rpm
Lượng Fe(II) Kết quả tối ưu từ thí nghiệm (1)
2.2.3.2 Thí nghiệm xác định tải trọng nước thải tối ưu
- Pha loãng nước thải theo các hệ số pha loãng 2, 5, 10, 15, 20.
- Phân tích COD đầu vào của nước thải từng tải trọng
- Điều chỉnh điều kiện thực hiện thí nghiệm theo Bảng 2.4 với thể tích nước thải 300 mL cho mỗi becher.
- Sau thời gian phản ứng, tắt máy khuấy và dùng NaOH nâng pH nước thải lên 7 để kết thúc phản ứng Fenton. Tiếp tục quá trình khuấy chậm với vận tốc 60 rpm trong 10 phút, sau đó để lắng trong 10 phút.
- Xác định độ màu và COD sau xử lý.
- Xác định tải trọng COD tối ưu
49
Bảng 2.4: Các thông số thực hiện thí nghiệm xác định tải trọng COD tối ưu Thông số Giá trị
pH 3
Thời gian phản ứng
80 phút
Tốc độ khuấy 130 rpm
Lượng Fe(II) Kết quả tối ưu từ thí nghiệm khảo sát sơ bộ
Lượng H202 Kết quả tối ưu từ thí nghiệm xác định lượng H202 đối với tải trọng nước thải đầu vào
2.2.3.4 Thí nghiệm xác định lượng H2O2 tối ưu ứng với tải trọng nước thải tối ưu - Phân tích COD đầu vào của nước thải.
- Điều chỉnh điều kiện thực hiện thí nghiệm theo Bảng 2.5 với thể tích nước thải 300 mL cho mỗi becher.
- Lần lượt thêm các lượng H2O2 khác nhau vào các becher.
- Sau thời gian phản ứng, tắt máy khuấy và dùng NaOH nâng pH nước thải lên 7 để kết thúc phản ứng Fenton. Tiếp tục quá trình khuấy chậm với vận tốc 60 rpm trong 10 phút, sau đó để lắng trong 10 phút.
- Xác định độ màu và COD sau xử lý.
- Xác định lượng H2O2 tối ưu với tải trọng nước thải tối ưu
Bảng 2.5: Các thông số thực hiện thí nghiệm xác định lượng H2O2 tối ưu
Thông số Giá trị
pH 3
Thời gian khuấy 80 phút
Tốc độ khuấy 130 rpm
Lượng Fe(II) Kết quả tối ưu từ thí nghiệm khảo sát sơ bộ
2.2.3.5 Thí nghiệm xác định lượng Fe2+ tối ưu với tải trọng nước thải tối ưu - Phân tích COD đầu vào của nước thải.
- Điều chỉnh điều kiện thực hiện thí nghiệm theo Bảng 2.6 với thể tích nước thải 300 mL cho mỗi becher.
- Lần lượt thêm các lượng Fe2+ khác nhau vào các becher.
- Thêm lượng H2O2 tối ưu đã xác định ở trên vào từng becher.
- Sau thời gian phản ứng, tắt máy khuấy và dùng NaOH nâng pH nước thải lên 7 để kết thúc phản ứng Fenton. Tiếp tục quá trình khuấy chậm với vận tốc 60 rpm trong 10 phút, sau đó để lắng trong 10 phút.
- Xác định độ màu và COD sau xử lý.
Bảng 2.6: Các thông số thực hiện thí nghiệm xác định lượng Fe(II) tối ưu
Thông số Giá trị
pH 3
Thời gian lưu 80 phút
Tốc độ khuấy 130 rpm
Lượng H2O2
Kết quả tối ưu từ thí nghiệm xác định lượng H202 tối ưu ứng với tải trọng tối ưu
2.2.3.6 Thí nghiệm xác định lượng pH tối ưu với tải trọng nước thải tối ưu - Phân tích COD đầu vào của nước thải.
- Điều chỉnh điều kiện thực hiện thí nghiệm theo Bảng 2.7 với thể tích nước thải 300 mL cho mỗi becher.
- Điều chỉnh các giá trị pH cần khảo sát.
- Sau thời gian phản ứng, tắt máy khuấy và dùng NaOH nâng pH nước thải lên 7 để kết thúc phản ứng Fenton. Tiếp tục quá trình khuấy chậm với vận tốc 60 rpm trong 10 phút, sau đó để lắng trong 10 phút.
- Xác định độ màu và COD sau xử lý.
51
Bảng 2.7: Các thông số thực hiện thí nghiệm xác định lượng pH tối ưu
Thông số Giá trị
Thời gian lưu 80 phút
Tốc độ khuấy 130 rpm
Lượng H2O2
Kết quả tối ưu từ thí nghiệm xác định lượng H202 tối ưu ứng với tải trọng tối ưu
Lượng Fe2+ Kết quả tối ưu từ thí nghiệm xác định lượng Fe2+ tối ưu ứng với tải trọng tối ưu
2.2.3.7 Thí nghiệm xác định lượng thời gian xử lý tối ưu với tải trọng nước thải tối ưu - Phân tích COD đầu vào của nước thải.
- Điều chỉnh điều kiện thực hiện thí nghiệm theo Bảng 2.8 với thể tích nước thải 300 mL cho mỗi becher.
- Bấm đồng hồ tính thời gian khuấy.
- Sau thời gian phản ứng, tắt máy khuấy và dùng NaOH nâng pH nước thải lên 7 để kết thúc phản ứng Fenton. Tiếp tục quá trình khuấy chậm với vận tốc 60 rpm trong 10 phút, sau đó để lắng trong 10 phút.
- Xác định độ màu và COD sau xử lý.
Bảng 2.8: Các thông số thực hiện thí nghiệm xác định thời gian xử lý tối ưu
Thông số Giá trị
Lượng H2O2
Kết quả tối ưu từ thí nghiệm xác định lượng H202 tối ưu ứng với tải trọng tối ưu
Lượng Fe(II) Kết quả tối ưu từ thí nghiệm xác định lượng Fe2+ tối ưu ứng với tải trọng tối ưu
Tốc độ khuấy 130 rpm
pH Kết quả tối ưu từ thí nghiệm xác định lượng pH tối ưu ứng với tải trọng tối ưu