BẰNG HỆ XÚC TÁC FENTON TRONG MễI TRƢỜNG NƢỚC
3.2.1. Khảo sỏt đặc điểm sự phõn hủy của MNP
3.2.1.1. Ảnh hưởng của cỏc tỏc nhõn Fenton đến khả năng phõn hủy MNP
Ảnh hưởng của hàm lượng H2O2 đến hiệu suất chuyển húa MNP
Để nghiên cứu ảnh h-ởng của hàm l-ợng H2O2 cho vào dung dịch đến hiệu suất phân hủy MNP khi dùng hệ Fenton, chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm thay đổi l-ợng H2O2 ban đầu. Thí nghiệm đ-ợc tiến hành với hàm l-ợng MNP ban đầu là 444,64 mg/l, l-ợng FeSO4.7H2O thêm vào là 1,75x10-4M, l-ợng H2O2 thêm vào thay đổi trong khoảng 1,75x10-3M, 1,75x10-2M, 3,5x10-2M,. Kết quả nghiên cứu đ-ợc trình bày trên Bảng 3.2.
Bảng 3.2. ảnh h-ởng của hàm l-ợng H2O2 đến sự phân hủy MNP (C0 MNP = 444,64(*) mg/l, pH = 3,0, CFe(II) = 1,75x10-4 M) Thời gian phản ứng (t, phút) 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 chỳ: Nếu lấy dung dịch cú MNP ban đầu (140 – 190 mg/l) (tức nằm trong khoảng nồng độ tương đương với cỏc hợp chất NPs khỏc) thỡ chỉ sau 5 phỳt đó đạt hiệu suất phõn hủy H=100% ,ở nhiệt độ 300
C, pH =3.
Kết quả khảo sỏt ảnh hƣởng của H2O2 đến khả năng phõn hủy MNP cho ta thấy: Khi cho nồng độ Fe(II) khụng đổi (CFe(II) = 1,75x10-4M), ở giỏ trị nồng độ H2O2 = 1,75.10-3M cho hiệu suất phõn hủy MNP đạt 99,77% sau 15 phỳt phản ứng, cũn ở giỏ trị nồng độ H2O2 = 1,75.10-2M cho hiệu suất phõn hủy MNP đạt 100% cũng sau 15 phỳt phản ứng, tuy nhiờn, chỉ mất cú 13 phỳt phản ứng khi ở giỏ trị nồng độ
32
H2O2 = 3,5.10-2M, lƣợng MNP đó bị phõn hủy hoàn toàn, đạt hiệu suất phõn hủy 100%.
Nhƣ vậy, khi nồng độ Fe(II) khụng đổi, cho nồng độ H2O2 ban đầu tăng dần ở những giỏ trị khỏc nhau thỡ hiệu suất phõn hủy MNP cũng tăng dần. Ảnh hƣởng của nồng độ H2O2 ban đầu cú ảnh hƣởng lớn đến khả năng phõn hủy MNP.
Ảnh hưởng của hàm lượng Fe+2
đến hiệu suất chuyển húa MNP
Để nghiên cứu ảnh h-ởng của hàm l-ợngFe+2 cho vào dung dịch đến hiệu suất phân hủy MNP khi dùng hệ Fenton, chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm thay đổi hàm l-ợng 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, hàm l-ợng FeSO4.7H2O thêm vào thay đổi trong khoảng 1,75.10-4M, 1,75.10-2M, 3,5.10-2M. Kết quả nghiên cứu đ-ợc trình bày trên Bảng 3.3.
Bảng 3.3. ảnh h-ởng của hàm l-ợng Fe(II) đến sự chuyển hóa MNP (C0MNP = 444,64(*)mg/l, pH = 3,0, CH2O2 = 1,75.10-2M) Thời gian phản ứng (t, phút) Hàm l-ợng MNP bị phân hủy, 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 7 27,81 93,75 16,35 96,32 11,68 97,37 10 20,36 95,42 7,42 98,33 3,29 99,26 13 8,22 98,15 0,89 99,80 0 100 15 0 100 0 100
(*) Ghi chỳ: Nếu lấy dung dịch cú MNP ban đầu (140 – 190 mg/l) (tức nằm trong khoảng nồng độ tương đương với cỏc hợp chất NPs khỏc) thỡ chỉ sau 5 phỳt đó đạt hiệu suất phõn hủy H=100% ,ở nhiệt độ 300
C, pH =3.
Kết quả khảo sỏt ảnh hƣởng của nồng độ Fe(II) ban đầu đến hiệu suất và tốc độ phõn hủy MNP trong nƣớc dẫn trờn Bảng 3.3 ta nhận thấy nhƣ sau:
Hiệu suất phõn hủy MNP bằng tỏc nhõn Fenton tăng rất nhanh theo thời gian phản ứng. Khi nồng độ H2O2 khụng đổi, ở nồng độ Fe(II) là 1,75x10-4M cho hiệu
33
suất phõn hủy đạt 100% sau 15 phỳt, cũng ở thời gian đú, ở nồng độ Fe(II) là CFe(II) =
1,75x10-2M cho hiệu suất phân hủy đạt 100%, nh-ng ở 13 phút đầu MNP đã bị phân hủy 99,80%. Ở nồng độ Fe(II) là CFe(II) =3,5x10-2M, cho thấy chỉ mất 13 phỳt phản ứng MNP đó bị phõn hủy hoàn toàn 100%.
Nhƣ vậy, ảnh hƣởng của nồng độ Fe(II) đến khả năng phõn hủy MNP là đỏng kể. Khi nồng độ H2O2 khụng đổi thỡ càng tăng nồng độ Fe(II) càng làm tăng hiệu suất phõn hủy MNP càng tăng nhanh.
3.2.1.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phõn hủy MNP
Trong đa số các phản ứng hoá học, khi môi tr-ờng pH thay đổi thì tốc độ phản ứng cũng thay đổi theo.
Để nghiên cứu ảnh h-ởng của pH đến hiệu suất (H, %) và tốc độ (V, mg/l/phút) phân hủy MNP theo thời gian qua quá trình Fenton, đã tiến hành thí nghiệm với điều kiện nghiên cứu đ-ợc trình bày ở mục 2.3.1.1. Lựa chọn pH của các dung dịch MNP làm thí nghiệm đ-ợc thay đổi t-ơng ứng là pH = 3, pH = 5, pH = 7. Các kết quả nghiên cứu đ-ợc trình bày ở Bảng 3.4 d-ới đây.
Bảng 3.4. ảnh h-ởng của pH đến sự phân hủy MNP (C0 MNP = 444,64mg/l, CH2O2 = 1,75.10-3 M, CFe(II) = 1,75.10-4 M) Thời gian, phỳt Hàm l-ợng MNP bị phân hủy, mg/l pH =3 pH = 5 pH = 7 CMNP mg/l H, % V, mg/l/ph CMNP mg/l H, % V, mg/l/ph CMNP mg/l H, % V, mg/l/ph 0 444,64 0 0 444,64 0 0 444,64 0 0 5 106,7 76,0 67,6 196,35 55,84 49,66 317,59 28,57 25,41 10 20,36 95,4 42,43 47,78 89,25 39,68 356,32 15 0 100 29,64 12,29 97,23 28,82 407,8 Từ kết quả đƣợc dẫn trờn Bảng 3.4 ta nhận thấy nhƣ sau:
- Ở cỏc mụi trƣờng pH = 3, hiệu suất phõn hủy MNP đạt 100% sau 15 phỳt phản ứng, tốc độ phõn hủy MNP đạt 29,64 mg/l/phỳt.
- Ở mụi trƣờng pH = 5, hiệu suất và tốc độ phõn hủy MNP bằng tỏc nhõn Fenton thấp hơn, chỉ đạt hiệu suất phõn hủy 97,23% và tốc độ phõn hủy 28,82mg/l/phỳt.
34
- Ở mụi trƣờng pH = 7, khả năng phõn hủy MNP bằng tỏc nhõn Fenton chỉ xảy ra ở 5 phỳt đầu tiờn, hiệu suất và tốc độ phõn hủy MNP thấp hơn rất nhiều chỉ đạt hiệu suất phõn hủy 28,57% và tốc độ phõn hủy 25,41mg/l/phỳt nhƣng sau 5 phỳt thỡ phản ứng Fenton khụng hiệu quả.
Nhƣ vậy, kết quả khảo sỏt đó cho thấy cú tớnh quy luật vỡ phản ứng Fenton thƣờng chỉ xảy ra thuận lợi và hiệu quả cao trong mụi trƣờng axớt yếu (pH 2-4), cao nhất ở pH khoảng 2,8; cũn ở mụi trƣờng pH>5 phản ứng khụng cú hiệu quả. Khi pH >6 hiệu suất phản ứng sụt giảm do sự chuyển húa ion Fe(II) thành hydroxit sắt (III) dạng keo. Hydroxit sắt (III) xỳc tỏc phõn hủy H2O2 thành oxy và nƣớc mà khụng tạo nờn gốc *OH (gốc hydroxyl) (gốc hydroxyl là sản phẩm của phản ứng Fenton cú khả năng phõn hủy cỏc hợp chất nitrophenol rất mạnh). Điều này chứng tỏ khi sử dụng tỏc nhõn Fenton để xử lý phõn hủy cỏc hợp chất NPs thỡ mụi trƣờng cần đƣợc duy trỡ ở khoảng 3-5.
3.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất chuyển húa MNP
Trong nghiờn cứu về phản ứng Fenton cho thấy sự ảnh hƣởng của nhiệt độ khỏ lớn đến khả năng phõn hủy cỏc hợp chất nitrophenol. Để khảo sỏt, nghiờn cứu sự ảnh hƣởng của nhiệt độ đến khả năng phõn hủy MNP trong quỏ trỡnh Fenton theo thời gian, chỳng tụi đó cho nhiệt độ dung dịch MNP ở những mức độ khỏc nhau: 300C, 400C, 500C, ở điều kiện mụi trƣờng pH = 3. Nồng độ MNP ban đầu là 444,64 mg/l, CH2O2 = 1,75.10-2M, CFe(II) = 1,75.10-4M. Các kết quả nghiên cứu đ-ợc trình bày ở Bảng 3.5 d-ới đây
Bảng 3.5. Sự phõn hủy MNP theo nhiệt độ ở mụi trƣờng pH=3
(C0 MNP = 444,64mg/l(*), CH2O2 = 1,75.10-2M, CFe(II) = 1,75.10-4M, pH=3) Thời gian, phỳt Hàm l-ợng MNP bị phân hủy, mg/l t = 300C t = 400C t = 500C CMNP, mg/l H, % CMNP, mg/l H, % CMNP, mg/l H, % 0 444,64 0 444,64 0 444,64 0 5 106,7 76,0 0,14 99,98 0 100 10 20,36 95,4 0 100 15 0 100
35
(*) Ghi chỳ: Nếu lấy dung dịch cú MNP ban đầu (140 – 190 mg/l) (tức nằm trong khoảng nồng độ tương đương với cỏc hợp chất NPs khỏc) thỡ chỉ sau 5 phỳt đó đạt hiệu suất phõn hủy H=100% ở ngay nhiệt độ 300
C.
Kết quả khảo sỏt sự ảnh hƣởng của nhiệt độ đến khả năng phõn hủy MNP trờn
Bảng 3.5 cho thấy nhƣ sau:
- Sau 15 phỳt phản ứng Fenton, ở nhiệt độ 300C, MNP bị phõn hủy hoàn toàn 100%. Trong khi đú, sau 10 phỳt, ở nhiệt độ 400
C, MNP đó đạt hiệu suất phõn hủy 100%. Cũn ở nhiệt độ 500C, MNP bị phõn hủy 100% chỉ mất đỳng 5 phỳt.
Nhƣ vậy, kết quả khảo sỏt cho thấy khi nhiệt độ càng tăng thỡ tỉ lệ thuận với nú, hiệu suất phõn hủy MNP bằng tỏc nhõn Fenton càng nhanh.
3.2.1.4. Ảnh hưởng thời gian phản ứng Fenton đến hiệu suất phõn hủy MNP
Thời gian thực hiện quỏ trỡnh Fenton cú khả năng sẽ ảnh hƣởng lớn đến hiệu suất phõn hủy MNP. Để nghiờn cứu sự ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng phõn hủy MNP bằng cỏc tỏc nhõn Fenton, chỳng tụi đó tiến hành quỏ trỡnh phõn hủy MNP bằng tỏc nhõn Fenton ở những thời điểm khỏc nhau: 5 phỳt, 10 phỳt, 15 phỳt, 20 phỳt, 25 phỳt. Dung dịch MNP ở mụi trƣờng pH=3, cỏc nồng độ MNP, Fe(II), H2O2 ban đầu lần lƣợt tƣơng ứng là C0
MNP = 444,64mg/l, CH2O2 = 1,75.10-2M, CFe(II) = 1,75.10-4M. Các kết quả nghiên cứu đ-ợc trình bày ở Bảng 3.6 d-ới đây
Bảng 3.6. Sự phõn hủy MNP theo thời gian ở mụi trƣờng pH=3, t = 300
C (C0 MNP = 444,64mg/l(*), CH2O2 = 1,75.10-2M, CFe(II) = 1,75.10-4M, pH=3) Thời gian, phỳt Hàm l-ợng MNP bị phân hủy, mg/l CMNP, mg/l H, % 0 444,64 0 5 106,7 76,0 10 20,36 95,4 15 0 100
(*) Ghi chỳ: Nếu lấy dung dịch cú MNP ban đầu (140 – 190 mg/l) (tức nằm trong khoảng nồng độ tương đương với cỏc hợp chất NPs khỏc) thỡ chỉ sau 5 phỳt đó đạt hiệu suất phõn hủy H=100%.
Kết quả trờn Bảng 3.6. cho ta thấy lƣợng MNP bị phõn hủy tƣơng đối nhanh bằng tỏc nhõn Fenton. Sau 5 phỳt, lƣợng MNP bị phõn hủy 76,0 %. Sau 15 phỳt,
36
lƣợng MNP bị phõn hủy hoàn toàn 100%. Nhƣ vậy, sự phõn hủy MNP bằng tỏc nhõn Fenton phụ thuộc theo thời gian. Thời gian phản ứng càng lõu, sự phõn hủy MNP càng lớn.
3.2.2. Khảo sỏt đặc điểm sự phõn hủy của DNP
3.2.2.1. Ảnh hưởng của tỏc nhõn Fenton đến khả năng phõn hủy DNP
Ảnh hưởng của hàm lượng H2O2 đến hiệu suất phõn hủy DNP
Để nghiên cứu ảnh h-ởng của hàm l-ợng H2O2 cho vào dung dịch đến hiệu suất và tốc độ phân hủy DNP khi dùng hệ Fenton, chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm thay đổi l-ợng H2O2 ban đầu. Thí nghiệm đ-ợc tiến hành với l-ợng DNP ban đầu là 163,0 mg/l, l-ợng FeSO4.7H2O thêm vào là 3,5x10-4M, l-ợng H2O2 thêm vào thay đổi trong khoảng 3,5x10-3M, 7,0x10-3M, 14,0x10-3M,. Kết quả nghiên cứu đ-ợc trình bày trên Bảng 3.7.
Bảng 3.7. ảnh h-ởng của hàm l-ợng H2O2 đến sự phân hủy DNP ( C0
DNP = 163,0mg/l, pH = 3,0, CFe(II) = 3,5x10-4M)
Thời gian phản ứng (t, phút)
Hàm l-ợng DNP bị phân hủy, mg/l
CH2O2 = 3,5x10-3M CH2O2 = 7,0x10-3M CH2O2 = 14,0x10-3M
Ct , mg/l H, % Ct , mg/l H, % Ct , mg/l H, % 0 163,0 0 163,0 0 163,0 0 15 6,83 95,81 5,16 96,83 3,24 98,01 30 1,36 99,16 0,37 99,77 0,02 99,97 45 0,61 99,63 0 100 0 100 60 0 100
Kết quả trờn Bảng 3.7. cho thấy: Khi nồng độ Fe(II) = 3,5x10-4M khụng đổi, theo thời gian phản ứng, ở nồng độ H2O2 = 3,5x10-3M, lƣợng DNP bị phõn hủy hoàn toàn (100%) ở 60 phỳt, ở nồng độ H2O2 = 7,0x10-3M,lƣợng DNP bị phõn hủy hoàn toàn (100%) chỉ hết 45 phỳt. Ở nồng độ H2O2 = 14,0x10-3M, lƣợng DNP cũng bị phõn hủy hoàn toàn (100%) ở 45 phỳt nhƣng ngay ở phỳt 30, DNP đó bị phõn hủy 99,97%.
Nhƣ vậy, với nồng độ Fe(II) khụng đổi thỡ ở những nồng độ H2O2 khỏc nhau cho hiệu suất phõn hủy DNP khỏc nhau và tăng dần khi nồng độ H2O2 tăng dần.
37
Ảnh hưởng của hàm lượng Fe+2
đến hiệu suất phõn hủy DNP
Để nghiên cứu ảnh h-ởng của hàm l-ợng Fe+2 trong dung dịch đến hiệu suất phân hủy DNP khi dùng hệ Fenton, chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm thay đổi l-ợng Fe+2 ban đầu. Thí nghiệm đ-ợc tiến hành với l-ợng DNP ban đầu là 163,0 mg/l, l-ợng H2O2 thêm vào là 3,5.10-3M, l-ợng FeSO4.7H2O thêm vào thay đổi trong khoảng 1,75.10-4M, 3,5.10-4M, 7,0.10-4M. Kết quả nghiên cứu đ-ợc trình bày trên
Bảng 3.8 d-ới đây.
Bảng 3.8. ảnh h-ởng của hàml-ợng Fe(II) đến sự phân hủy DNP (C0DNP = 163,0mg/l, pH = 3,0, CH2O2 = 3,5.10-3M)
Thời gian phản ứng (t, phút)
Hàm l-ợng DNP bị phân hủy, mg/l
CFe(II) = 1,75.10-4M CFe(II) = 3,5.10-4M CFe(II) = 7,0.10-4M Ct , mg/l H, % Ct , mg/l H, % Ct , mg/l H, % 0 163,0 0 163,0 0 163,0 0 15 36,79 77,74 6,83 95,81 0 100 30 13,34 91,93 1,36 99,16 45 8,39 94,92 0,61 99,63 60 6,22 96,23 0 100
Kết quả khảo sỏt sự ảnh h-ởng của hàm l-ợng Fe(II) đến hiệu suất phân hủy DNP đ-ợc dẫn trờn Bảng 3.8 cho thấy: Ở nồng độ H2O2 khụng đổi, lƣợng Fe(II) thay đổi tăng dần từ nồng độ 1,75.10-4M đến 7,0.10-4M thỡ hiệu suất phõn hủy DNP cũng tăng tƣơng ứng theo thời gian. Khi Fe(II) cú nồng độ 1,75x10-4M, hiệu suất phõn hủy DNP đạt 96,23% ở phỳt 60, cũng ở thời gian ấy khi Fe(II) cú nồng độ 3,5x10-
4M, hiệu suất phõn hủy DNP đạt 100%. Tuy nhiờn, khi Fe(II) cú nồng độ 7,0x10-
4M, hiệu suất phõn hủy DNP đạt 100% chỉ cần 15 phỳt phản ứng. Nhƣ vậy, lƣợng Fe(II) ảnh hƣởng đến sự phõn hủy DNP đỏng kể trong quỏ trỡnh Fenton.
3.2.2.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất chuyển húa dung dịch DNP
Để nghiên cứu ảnh h-ởng của pH đến hiệu suất (H, %) và tốc độ (V, mg/l/phút) phân hủy DNP theo thời gian qua quá trình Fenton, chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm với điều kiện nghiên cứu đ-ợc trình bày ở mục 2.2.3.1. Lựa chọn pH của các dung dịch DNP làm thí nghiệm đ-ợc thay đổi t-ơng ứng là pH = 3, pH = 5, pH = 7. Các kết quả nghiên cứu đ-ợc trình bày ở Bảng 3.9 d-ới đây.
38
Bảng 3.9. ảnh h-ởng của pH đến hiệu suất phân hủy DNP (C0 DNP = 163,0mg/l, CH2O2 = 1,75.10-3 M, CFe(II) = 1,75.10-4 M) Thời gian, phỳt Hàm l-ợng DNP bị phân hủy, mg/l pH =3 pH = 5 pH = 7 CDNP mg/l H, % V, mg/l/ph CDNP mg/l H, % V, mg/l/ph CDNP mg/l H, % V, mg/l/ph 0 163,0 0 0 163,0 0 0 163,0 0 0 15 6,83 95,81 10,4 86,75 46,78 5,08 120,2 26,26 2,85 30 1,36 99,16 5,4 40,19 75,34 4,09 117,2 28,10 1,53 45 0,61 99,63 3,6 16,53 89,86 3,25 124,5 23,62 0,86 60 0 100 2,72 5,61 96,56 2,62 130,1 20,18 0,55
Hình 3.5. Đồ thị ảnh h-ởng pH đến hiệu suất phân hủy DNP
Từ kết quả đƣợc dẫn trờn Bảng 3.9 và Hỡnh 3.5 ta nhận thấy nhƣ sau:
- Ở mụi trƣờng pH = 3, hiệu suất phõn hủy DNP cựng đạt 100% sau 60 phỳt phản ứng, tốc độ phõn hủy của hợp chất đạt 2,72 mg/l/phỳt. Tuy nhiờn, tốc độ phõn hủy của DNP ở mụi trƣờng pH =3 nhanh hơn so với mụi trƣờng pH = 5, cũng sau 60 phỳt phản ứng nhƣng ở pH = 5, hiệu suất phõn hủy chỉ đạt 96,56% và tốc độ phõn hủy là 2,62mg/l/phỳt.
- Ở mụi trƣờng pH = 7, hiệu suất và tốc độ phõn hủy DNP bằng tỏc nhõn Fenton rất thấp.
Nhƣ vậy, cũng giống nhƣ trƣờng hợp với MNP, khi khảo sỏt ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất và tốc độ phõn hủy DNP, kết quả đó cho thấy cú tớnh quy luật vỡ phản ứng Fenton thƣờng chỉ xảy ra thuận lợi và hiệu quả cao trong mụi trƣờng axớt yếu (pH 2-4), cao nhất ở pH khoảng 2,8; cũn ở mụi trƣờng pH>5 phản ứng khụng cú hiệu quả. Khi pH >6 hiệu suất phản ứng sụt giảm do sự chuyển húa ion Fe(II) thành hydroxit sắt (III) dạng keo. Hydroxit sắt (III) xỳc tỏc phõn hủy H2O2 thành oxy và nƣớc mà khụng tạo nờn gốc *OH (gốc hydroxyl) (sản phẩm của phản ứng