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)
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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
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
Màu - [mg/l] [phút] [mg/l] [A/m2] [%] [%] kWh/m3 [g/l] VNĐ/m3
SBB 11 1400 6 50 86.6 97.1 79.9 1.90 0.104 1.800
SRS 11 1200 5 50 86.6 98.7 54.7 1.67 0.087 1.580
*T Thờigian, IDC: nồng độ màu , J Mật độ dòng , CR hiệu quả khử màu, CODR hiệu quả khử COD, Econs
Điện năng tiêu thụ và CFenồng độ ion sắt trong dung dịch.
Các tính toán từ bảng 4 cho thấy, chi phí xử lý nước thải trong trường hợp chứa 2 màu SRS và SBB chỉ là 0.079 và 0.09 USD/m3. So sánh với các nghiên cứu khác xử lý màu nhuộm dung điện cực sắt giá tiền xử lý rất phù hợp thậm chí rẽ hơn
(Ozyonar và Karagozoglu, 2011; Bayramoglu và cộng sự, 2004).
4.5 Nước thải thực tế
Qua khảo sát sau 13 lần chạy với mẫu nước thải thực tế cho thấy màu nước thải nhuộm loại gần như triệt để (98,8 %) tại m ật độ dòng 6,0 A/m2; Thời gian xử lý 4,5 phút.
Phân tích kết quả thực nghiệm bằng phần mềm minitab 14 cho thấy 2 thông số thời gian và cường độ gần như có tương tác thuận với nhau (hình 4.11 và 4.12). Thời gian càng tăng hay cường độ càng tăng hiệu suất càng cao (hình 4.13). Phương trình hồi quy thu được: Hiệu suất khửmàu (%) = - 82.5 + 0.954 x J + 12.5*t
với R2 = 86,95 % và p = 0.000 (Phụ lục A8) cho thấy kết quả thu được là rất có ý nghĩa, điều này khẳng định thêm lần nữa rằng keo tụ điện hóa có thể ứng dụng rất tốt trong xử lý nước thải nhuộm hoạt tính.
130.0 117.3 108.3 86.6 65.0 56.0 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 6.6 6.0 4.5 4.0 3.0 2.4 Mật độ dòng (A/m2) H iệ u qu ả kh ử m àu (% ) Thời gian (phút)
Main Effects Plot for Hiệu suất khử màu (%)
Data Means 6.6 6.0 4.5 4.0 3.0 2.4 100 80 60 40 20 0 Thời gian (phút) M ea n 56.0 65.0 86.6 108.3 117.3 130.0 (A/m2)dòng Mật độ
Interaction Plot for Hiệu suất khử màu (%)
Data Means
Hình 4.11 Tác động chính (a) và tương tác (b) của mật độ và thời gian trong thí nghiệm xử lý nước thải thực tế
0 4 5 3 4 50 100 100 125 100 75 6 50 Mật độ dòng (A/m2) Hiệu suất khử màu (%)
Thời gian (phút)
Surface Plot of Hiệu suất khử mà vs Mật độ dòng (A/m, Thời gian (phút)
Hình 4.12 Hiệu quả xử lý keo tụ điện hóa trong thí nghiệm xử lý nước thải thực tế
4.6 So sánh với phương pháp keo tụ
Để so sánh hiệu suất loại màu dung keo tụ điện hóa so với các phương pháp khác, chúng tôi tiến hành nghiên cứu khả năng xử lý các màu này bằng phương pháp keo tụ phèn nhôm - thí nghiệm Jar-test.Đây là một phương pháp phổ biến áp dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp trong đó có nước thải nhuộm.
Đầu tiên , chúng tôi tiến hành khảo sát khả năng xử lý dung dịch màu pha loãng 2 mg/l trong khoảng pH: 4, 5, 6, 7, 8 và cố định nồng độ phèn là 1000 mg/l. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sau khi tìm được điểm pH tối ưu, chúng tôi tiến hành cố định yếu tố pH và thay đổi liều lượng phèn: 600, 800, 1000, 1200 và 1400 mg/lđể tìm ra hàm lượng phèn tối ưu.
Hiệu suất xử lý được trình bày trong Bảng 4.5, 4.6 và các Hình 4.13 và 4.14 Bảng4.5 Hiệu suất xử lý các dung dịch màu nhuộm 2 mg/lkhi thay đổi pH
Màu pha pH SBB SRS 4 15,94 19,56 5 16,06 21,85 6 16,14 22,50 7 12,25 15,88 8 5,45 14,25
Bảng 4.6 Hiệu suất xử lý các dung dịch màu nhuộm 2,0 mg/lkhi thay đổi liều lượng phèn Màu pha Phèn (mg/l) SBB SRS 600 14,73 17,81 800 18,73 23,47 1000 16,16 22,51 1200 15,82 19,47 1400 15,11 18,90
Hình 4.13 Hiệu suất xử lý màu nhuộm 2,0mg/l khi thay đổi pH
Hình 4.14 Hiệu suất xử lý màu nhuộm 2,0 mg/lkhi thay đổi liều lượng phèn
Nhận xét:
Tất cả các loại MN hoạt tính trên đều có điểm xử lý pH tối ưu là 6, trong đó khoảng pH từ 4 - 6 tỏ ra thích hợp với quá trình xử lý, ở pH kiềm (8) hoặc acid (3) đều không thích hợp cho quá trình keo tụ.
Liều lượng phèn tối ưu đạt được là 800mg/ l, liều lượng phèn mặc dù không ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất keo tụ như pH, nhưng ở nồng độ quá cao hoặc quá thấp đều không cho kết quả tốt.
Thí nghiệm cho thấy, kết quả xử lý dung dịch MN hoạt tính loại vinyl sulphone và triazine không thích hợp xử lý bằng phương pháp keo tụ, hiệu suất tổng cộng thu được khi kh ảo sát cả hai yếu tố đều <30%.
Với hiệu suất vượt trội > 90% khử màu (sau 5,0 phút) bất chấp đó là màu nhuộm loại nào, cho thấy tính hiệu suất của điện hóa so với phương pháp keo tụ thông thường.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Nghiên cứu quá trình phân hủy hai màu nhuộm (MN) hoạt tính: Sunzol Black B 150 % và Sunfix Red S3B 100%ở dạng dung dịch màu pha và nước thải thực tế tại một cơ sở nhuộm dùng mô hìnhđiện hóa, bước đầu cho ta những kết luận sau: 1. Điều kiện thích hợp trong quá trình loại màu bằng keo tụ điện hóa:
Mật độ dòng: 86,6 A/m2; pH 11; nồng độ màu nhuộm 50 mg/l; nồng độ sulphate 1200 mg/l và thời gian 5,0 phút với màu SRS hay 1400 mg/l, trong 6,0 phút với màu SBB.
2. Quá trình khử màu dung dịch màu pha và nước thải đều có hiệu suất khá cao, hiệu suất khử màu gần như hoàn toàn (trên 90%, sau 5,0 phút), bất kể màu hoạt tính đó thuộc nhóm họ vinyl sulphone hay triazine. Điều này cho thấy cấu trúc MN khôngảnh hưởng nhiều đến hiệu quả khử màu.
3. Thí nghiệm Jar-test cho thấy khả năng loại màu các nhóm hoạt tính họ vinyl sulphone và triazine cho kết quả rất thấp. Khẳng định ưu thế của điện hóa xử lý màu so với phương pháp xử lý keo tụ thông thường (không chọn lọc và hiệu suất cao).
4. Hiệu quả xử lý chất hữu cơ của quá trình keo tụ điện hóa đối với nước thải cao hơn dung dịch màu pha.
5. Chi phí điện năng trong quá trình xử lý cũng khá hợp lý so với các phương pháp xử lý hiện đang dùng trong xử lý nước thải nhuộm.
Với ưu điểm cơ bản là điều kiện vận hành đơn giản không phải cho thêm hóa chất phụ trợ, không cần thêm nhiều năng lượng trong quá trình vận hành. Keo tụ điện