Các phân tích thống kê được thực hiện gồm có trị số trung bình vàđộ lệch chuẩn của 3 lần lặp lại các giá trị đo đạc và phân tích.
- Trị số trung bình số học x được tín h: n i i n x x 1
- Độ lệch chuẩn S được tính bởi công thức:
1 ) ( 1 2 n x x S n i i
Trong đó xilà giá trị thu được lần thứ i khi thí nghiệm được lặp lại n lần.
3.4.2.3 Tính toán trong thí nghiệm phân hủy màu
- Sự phân hủy màu của màu nhuộm được tính toán thông qua hệ số hấp thụ cực đại của máy quang phổ UV-Vis:
Hiệu suất khử màu (%) = 100
0 0 x A A A
Ao: Độ hấp thụ của dịch nhuộm ban đầu;
A: Độ hấp thụ của dịch nhuộm sau xử lý.
Điện năng và chi phí
Điện năng tiêu thụ và chi p hí xử lý được tính toán dựa trên nghiên cứu của Abdel và cộng sự cho bởi các phương trình sau (Abdel và cộng sự, 2012).
Điện năng tiêu thụ (kWh/ m3)
Chi phí xử lý = Giá điện *Điện tiêu thụ
Trong đó:
U: hiệu thế đặt tại hai bản điện cực (V),
I:cường độ dòngđiện (A), t: thời gian điện phân(giây), V: thể tích bình phản ứng (lít)
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢVÀ THẢO LUẬN
4.1 Xây dựng đường chuẩn của màu nhuộm
Sau khi pha dung dịch màu, quét bước sóng từ 380 – 750 nm xác định được bước sóng ứng với độ hấp thu cực đại (Amax), đo độ hấp thu với bước sóng này (λmax) được Bảng 4.1. Từ đó lập được đường chuẩn của MN.
Bảng 4.1. Độ hấp thu ứng cực đại ứng với từng nồng độ màu của MN
C (g/L) A
Sunzol Black B 150% Sunfix Red S3B 100%
Độ hấp thu (Abs) Độ màu (Pt-Co) COD (mg/L) Độ hấp thu (Abs) Độ màu (Pt-Co) COD (mg/L) 0,01 0,235 246 8,1 0,154 65 4,07 0,02 0,461 484 16,2 0,322 129 4,07 0,03 0,685 750 19,9 0,467 191 6,1 0,04 0,936 1030 24,3 0,638 256 6,1 0,05 1,160 1230 32,6 0,794 315 10.,17 0,06 1,360 1440 36,7 0,951 371 14,24 0,07 1,577 1680 44,1 1,108 439 16,27 0,08 1,804 1910 48,4 1,261 499 20,34 0,09 2,011 2150 56,2 1,458 566 24,41 0,10 2,243 2370 60,7 1,58 622 26,44 0,11 2,491 2640 67,8 1,74 686 28,48 0,12 2,683 2860 72,7 1,885 765 32,54 0,13 2,900 3090 80,5 2,033 812 34,58 0,14 3,078 3310 84,7 2,181 878 38,64 0,15 3,302 3580 91,9 2,303 938 38,64 λmax 600 541
Hình 4.1Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ và độ màu vào hàm lượng màu của màu Sunzol Black B 150%ở bước sóng 600 nm
Hình 4.2 Đồ thị biểu thị sự phụthuộc độ hấp thụ và độ màu vào hàm lượng màu của
màu Sunfix Red S3B 100%ở bước sóng 541 nm
4.2 Mối liện hệgiữa cường độ, mật độdòng và thếgiữa các điện cực
Mối liện hệ giữa cường độ mật độvà hiệu thếgiữa các điện cực được xác định thông qua thí nghiệm khử màu 50 mg/l SRS chứa 1200 mg/l sulphate tại pH 11 trong 4,0 phút trong khi điều chỉnh mật độ dòng từ 43,3 đến 130,0 A/m2. Hơn nữa như đềcập tại chương 3 khoảng cách giữa các điện cực được giửcố định 15 mm vì
vậy mật độdòngứng với mỗi thông số cường độ sẽlà hằng số. Mối liên hệgiữa các thông số được biểu diễn trong bảng 4.2. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 4.2 Mối liên hệgiữa cường độ, mật độdòng và hiệu thếtrong thí nghiệm điệnhóa
Cường độ Mật độ Diện tích bềmặt Thế ban đầu Thếsau cùng
I J S Uđầu Ucuối [A] [A/ m2] [cm2] [V] [V] 2 43.3 461.68 10 10 3 65.0 15 15 4 86.6 20 19 5 108.3 25 20 6 130.0 30 22
4.3 Khảo sát quá trình loại màu bằng điện hóa4.3.1 Pha màu 4.3.1 Pha màu
Ở nhiệt độ thường độ hòa tan MN rất hạn chế. Để tạo dung dịch màu cho quá trình xử lý, chúng tôi tiến hành pha màu theo quy trình trong mục 3.3., chương 3 có nêu. Quá trình trải qua nhiều giai đoạn như: Đun nóng, khuấy từ, chỉnh pH… Nhằm mục đích tạo ra mẫu dung dịch chứa MN “tan hoàn toàn” và MN trong dung dịch phải ở dạng “thủy phân”.
Nhắc lại: Trong nước thải nhuộm dạng tồn tại của màu nhuộm hoạt tính là dạng thủy phân. S─R─T─X + OH → S ─ R─ T─ OH + HX
Với cấu trúc này, độ hòa tan trong dd của MN rất cao, vì thế khả năng xử lý triệt để màu rất khó khăn.
4.3.2 Lựa chọn đốitượng nghiên cứu và các yếu tốkhảo sát
4.3.2.1 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là màu Sunzol Black B và Sunfix Red S3B. Đây là một trong số nhiều màu hoạt tính vẫn còn ít nghiên cứu. Hơn nữa, sau khi khảo sát một số cơ
sở nhuộm, chúng tôi thấy đây là một trong số những màu được sử dụng nhiều ở TP. HCM và có thành phần độc hại cao cho môi trường.
Sunzol Black B (SBB): Có phần hoạt tính là vinilsulfon, trong phân tử có hai nhóm mang màu azobenzen tạo nên màu xanh đen của MN, cấu trúc khá đối xứng.
Dạng tồn tại trong dung dịch xử lý là dạng thủy phân hoàn toàn (Hình 4. 3 và 4.4)
Chưa thủy phân
Thủy phân
Hình 4.3 Dạng tồn tại của Sunzol Black B trong dung dịch
Sunfix Red S3B (SRB) có gốc mang màu azo, với phần hoạt tính hỗn hợp cả Triazin lẫn Vinyl sulphone.
Chưa thủy phân
Thủy phân
Hình 4.4 Dạng tồn tại của màu Sunfix Red S3B
4.3.2.2 Các yếu tố khảo sát
Quá trình điện hóa khử màu thuốc nhuộm chịu ảnh hưởng của các yếu tố, trong nghiên cứunày chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố sau:
1. pH
2. Hàm lượng muối Sulphate 3. Mật độ dòng
4. Thời gian điện hóa 5. Nồng độ chất màu
Khi khảo sát ảnh hưởng của yếu tố nào thì yếu tố đó thay đổi trong quá trình thí nghiệm, các yếu tố khác được giữ cố định. Kết quả thích hợp đạt được cho một yếu tố, sẽ được lựa chọn cho thí nghiệm khảo sát yếu tố tiếp theo.
4.4 Xác định các yếu tốthích hợp cho quá trình khửmàu bằng điện hóa4.4.1 Xác định pH thích hợp 4.4.1 Xác định pH thích hợp
pH quyết định dạng tồn tại của ion keo tụ và thuốc nhuộm trong dung dịch, pH quá cao hay quá thấp đều ảnh hưởng không tốt đến hiệu quả xử lý. Để xác định pH tối ưu cho quá trình khử màu chúng tôi tiến hành khảo sát ở các điểm pH 3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12 khi cố định các yếu tố nồng độ chất màu, nồng độ sulphate, mật độ dòng trong một khoảng thời gian xác định thu được kết quả biểu diễn như hình sau:
Hình 4.5Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xửlý màu và COD
(SO42-1200 mg/l; 65,0 A/m2; 4,0 phút cho SRS và 43,3 A/m2; 7,0 phút cho SBB) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhận xét: Qua đồ thị ta thấy được khoảng pH để các quá trình khử màu nhuộm hiệu quả là 6 - 11. Ở pH = 11 hiệu suất khử với hai màu là tốt nhất , hiệu quả khử màu và COD của SBB là 70,4 và 55,1%, với SRB giảm 46,1 và 42,4% . Việc này rất hợp lý vì theo Divagar và cộng sự (Lakshmanan và cộng sự, 2009) ngưỡng keo tụ của Fe3+đạt hiệu quả cao nhất tại pH 6 - 11, tại đây dạng tồn tại của Fe3+chủ yếu của là Fe(OH)3có khả năng loại màu rất hiệu quả (hình 4.6).
Hình 4.6 Dạng tồn tại của Fe3+trong dung dịchởcác pH khác nhau
Hiệu suất có sự chênh lệch lớn có thể do sự sai khác về mật độdòng và thời gian trong quá trình khảo sát thí nghiệm riêng của mỗi màu. Hơn nữa, bản chất nước thải dệt nhuộm đầu ra thường là 9 - 12 (Bảng 1.2), vì thế việc lựa chọn điều kiện pH thích hợp nằm trong ngưỡng này có lợi thế rất lớn về chi phí trung hòa nước thải, do đó 11 được lựa chọn cho các thí nghiệm tiếp theo của SBB và SR S.
4.4.2 Xác định nồng độsulphate tối ưu
Trong nước thải dệt nhuộm hàm lượng sulphate luôn rất cao ảnh hưởng lớn đến khả năng xử lý nước thải trong thực tế vì chúng gâyức chế vi sinh trong công trình xử lý sinh học hay giảm hiệu quá trong quá trình keo tụ tạo bông. Nghiên cứu khảo sát ngưỡng sulphate từ 800 – 2000 mg/l nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của yếu tố này đến quá trình keo tụ điện hóa kết quả thu được với hai màu được trình bày theo hình 4.7.
Hình 4.7Ảnh hưởng của nồng độ sulphate đến khả năng khử màu của SBB và SBR (pH 11; 65,0 A/m2, 4,0 phút cho SRS và 43,3 A/m2; 7,0 phút cho SBB)
Nhận xét: Qua biểu đồ trên ta thấy rằng: Nồn g độ muối sulphate có ảnh hưởng Đến khả năng khử màu của cả hai màu nhưng không đáng kể (chênh lệch 3 -5%). Khi nồng độ muối tăng quá cao có xu hướng giảm hiệu suất khử màu kết quả này cũng được khẳng định trongnghiên cứu của Primitivo (Del Ángel và cộng sự, 2014) khi nồng độ sulphate quá cao làm giảm hiệu quả keo tụ. Chúng tôi chọn nồng độ 500 và 1200 mg/l cho các thí nghiệm tiếp theo của SRS và SBB.
4.4.3 Xác định mật độdòng tối ưu
Một trong những yếu tố chính trong xử lý điện hóa chính là mật độ dòng, mật độ dòng càng cao, lượng electron tách khỏi anot càng nhiều, lượng ion kim loại sinh ra càng lớn khả năng khử màu theo đó cũng tăng lên. Tuy nhiên mật độ càng lớn lượng điện năng tiêu thụ và rũi ro về an toàn cũng tăng theo (định luật Faraday) việc xác định được giá trị thích hợp vừa đủ hiệu quả nhưng tiết kiệm, an toàn là rất cần thiết. Thí nghiệm này thay đổi mật độ dòng từ 43,3 - 130,0 A/m2, để chọn ra giá trị thích hợp nhất trong quá trình giảm màu.
Hình 4.8Ảnh hưởng của mậtđộ dòngđến khả năng khửmàu (pH 11; 4,0 phút, SO42-1200 mg/l cho SRS và SO42-1400 mg/l; 7,0 phút cho SBB)
Nhận xét: Hình 4.8 cho thấy rằng hiệu quả có thểghi nhận rỏ khiJ≥ 108,3A/m2,ở giá trị thấp hơn hiệu quả thường không cao. hiệu suất giảm màu tại mật độ này đối với cả hải màu nhuộm đạtrất cao >97% việc tối ưu hóa không còn ý nghĩa. Các thí nghiệm trước đây cũng chứng minh được tốc độ và khả năng loại bỏ chất ô nhiễm tăng theo cường độ dòng điện. Thí nghiệm của Umran Tezcan Un và cộng sự
(2009) (Tezcan Ün và cộng sự, 2009) cho kết quả % COD xử lý tăng từ 63,8% lên 70,2% khi mật độ dòngtăng 150 A/m2 lên 250 A/cm2. K.S. Parama Kalyani và cộng sự (2009) (Kalyani và cộng sự, 2009) cũng đã nêu ra kết quả thí nghiệm là hiệu quả xử lý COD tăng 58% lên 84% với cường độ dòngđiện 50 A/m2 lên 150 A/m2.
Tuy nhiên, cường độ dòngđiện tăng dẫn đến điện thế tăng theo, làm cho trong bể phản ứng có các tác dụng phụ như nhiệt tăng. Đồng thời chi phí vận hành cũng tăng theo do tải trọng điện tích cần thiết và lượng sắt bị oxy hóa tăng. Do đó, cần giới hạn cường độ dòngđiện để tránh những phản ứng phụ và giảm chi phí vận hành. Vì thế chúng tôi lựa chọn mật độ 86,6 A/m2 với hiệu suất khử màu và COD lần lượt 98,1và 64,8% cho SBB và 68,5và 48,5% cho SRS cho thí nghiệm xác định thời gian phản ứng thích hợp.
4.4.4 Xác định thời gian điện hóa tối ưu
Cùng với mật độ dòng, thời gian xử lý chính là một trong những thông số quan trọng nhất trong quá trình điện hóa, thời gian càng tăng lượng ion kim loại thoát ra từ anot càng nhiều, hiệu suất cũng tăng lên. Nhưng cũng giống với mật độ đòng, thời gian càng dài năng lượng sinh ra càng lớn (định luật Faraday), tốn thêm chi phí động thời làm gia nhiệt phản ứng. Vì thế việc xác định được thời điểm dừng thích hợp cho quá trình xử lý là một trong những yêu cầu cơ bản của xử lý bằng dòng điện. Do yếu tố quan trọng của thời gian phản ứng chúng tôi thực hiện lần lượt nhiều thí nghiệm thay đổi từ 2- 13 phút, với các yếu tố khác được giử cố định như bảng 4.3 và xác định được ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả khử màu theo hình 4.9 sau.
Bảng 4.3 Thông sốcác yếu tốtrong thí nghiệm thay đổi thời gian
Thông số pH SO42- Mật độ dòng Nồng độ màu nhuộm Thời gian
Màu nhuộm - [mg/l] [A/m2] [mg/l] [Phút]
SBB 11 1400 86.6 50 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
Hình 4.9Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng loại màu
(pH 11; 86,6 A/m2; SO42-1200 mg/l cho SRS và SO42-1400 mg/l cho SBB)
Nhận xét: Trong tất cả các thí nghiệm và trong suốt thời gian điện phân, dung dịch chuyển sang màu xanh và các bọt khí xuất hiện ở cathode. Từ phút thứ 6 trở đi hiệu quả khử màu gần như hoàn toàn (> 97 %) cho cả hai màu nhuộm, màu trong bể phản ứnbị loại gần như hoàn toàn, các cặn màu xanh và màu vàng hình thành. Màu xanh và màu vàng là do sự có mặt của các hydroxide Fe(II) và Fe(III). Các hydroxit kim loại sinh ra theo quy trình như công thức đãđược nêu trên.
Theo định luật Faraday, khi thời gian điện phân tăng lượng ion sắt và hydro tăng cao dẫn đến mật độ phân bố của các cấu tử keo tụ tăng. Lượng điện tích trong bể phản ứng cũng tăng theo thời gian ) khi cố định cường độ dòng điện, điều nàyảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất xử lý. Kết quả là hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm tăng khi thời gian điện phân tăng. Tuy nhiên, khi thời gian phản ứng dài, lượng ion OH-sinh ra trong quá trình điện phân H2O ở cathode tăng, làm cho pH của dung dịch tăng lên. Khi pH của dung dịch lớn hơn 10, Fe(OH)4-là ion chính trong dung dịch, ion này không có khả năng keo tụ hiệu quả. Chính vì vậy, các chất ô nhiễm còn lại trong dung dịch không keo tụ được, cộng thêm lượng Fe(OH)4- hòa tan làm cho COD và độ màu của dung dịch tăng lên. Kết quả này tương tự như Abdel và cộng sự trong quá trình khử COD trong nước thải thuốc trừ sâu (Abdel và cộng sự, 2012). Trong thí nghiệm này, chúng tôi chọn thời gian thích hợp là 5,0 phút với màu SRS và 6,0 phút với màu SBB cho thí nghiệm xử lý tiếp theo.
4.4.5 Xác định nồng độmàu nhuộm hiệu quả
Thông thường hàm lượng màu trong nước thải nhuộm hoạt tính khá cao (độ màu xấp xỉ 1000 Pt-Co), nồng độ quá cao hay quá thấp cần một lượng xác định chất keo tụ hay nói cách khác mỗi nồng độ màu cần xác định chính xác điều kiện thí nghiệm điện hóa. Trong thí nghiệm này, chúng tôi thay đổi nồng độ chất màu từ 30 – 140 mg/l nhằm tìm kiếm ngưỡng chất màu hiệu quả nhất của SRS và SBB, kết quả được trình bày tại hình 4.10.
Hình 4.10Ảnh hưởng của nồng độ màu đến khả năng khử màu (pH 11; 86,6 A/m2; 5,0 phút; SO42-1200 mg/l cho SRS và SO42-1400 mg/l; 5,0 phút
cho SBR)
Nhận xét: Qua biểu đồ trên cho thấy nồng độ màu ảnh hưởng lớn đền khả năng xử lý nồng độ càng cao hiệu suất khử màu càng giảm. Điều này có thê giải thích ứng với một mật độ dòng và thời gian nhất định hàm lượng hydroxit tạo thành trong dung dịch chỉ có nồng độ nhất định khi nồng độ càng cao hay phân tử màu nhuộm trong dung dịch càng nhiều lượng hydroxit không thể phản ứng đủ và ngược lại. Theo đó nồng độ thí nghiệm thích hợp cho quá trình xử lý là 50mg/l cho cả hai thuốc nhuộm với hiệu suất khử màu đạt trên . Kết quả này một lần nữa khẳng định
được ý tưởng dùng xử lý hoàn toàn màu nước thải nhuộm trong thời gian ngắn bằng dòngđiện là rất có cơ sở.
4.4.6 Điện năng tiêu thụvà chi phí xửlý (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điện năng tiêu thụ và chi phí đóng vai trò rất quan trọng trong việc xem xét tính ứng dụng công nghệ này trong thực tế. Trong nghiên cứu này c húng tôi tính đến hai thông số này dựa vào phương trìnhđãđược đề cập trong chương 3 tại các thời điểm tối ưu trong quá trình xử lý. Các tính toán được tóm gọn trong bảng 4.4
Bảng 4.4 Chi phí xửlý vàđiện năng tiêu thụtại thời điểm tối ưu
*Thông số pH SO4 2-
T IDC J CR CODR Econs CFe Chi phí