Các thông số ảnh hưởng

Có nhiều thông số khác nhau ảnh hưởng đến hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm trong nước thải bằng phương pháp điện hóa. Các thông số chính ảnh hưởng bao gồm: - pH dung dịch có thể ảnh hưởng đến sự hình thành các hydroxit kim loại trong

dung dịch và điện thế của các chất keo. Nó cũng ảnh hưởng đến sự hòa tanđiện cực cathode làm bằng aluminium.

- Mật độ dòng tỷlệvới số lượng phảnứng điện hóa xảy ra trên bềmặt điện cực. - Thời gian phản ứng hoặc điện tích thêm vào trên một đơn vị thể tích tỷ lệ với

lượng bông cặn sinh ra trong hệ thống điện hóa và các phản ứng khác xảy ra trong hệthống.

- Thế điện hóa quyết định loại phảnứng xảy ra trên bềmặt điện cực. - Nồng độô nhiễmảnh hưởng đến hiệu suất xửlý.

- Nồng độ anion: như sulphate hoặc flouride,ảnh hưởng đến cấu trúc của hydroxit bởi vì chúng có thểthay thếcác ion hydroxit trong quá trình kết tủa.

- Nhiệt độ ảnh hưởng đến sựhình thành cặn, tốc độphảnứng và độ dẫn điện. Phụ thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm, nhiệt độ tăng có thể ảnh hưởng tích cực hoặc tiêu cực lên hiệu suất xửlý.

- Các thông sốkhác: như điều kiện thủy động và khoảng cách các điện cực, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất xửlý và lượng điện tiêu thụ.

a) pH dung dịch

pH dung dịch là một thông số chính trong phản ứng điện hóa. Nó ảnh hưởng đến độ dẫn điện của dung dịch, độ hòa tanđiện cực, _{các lo}ại hydroxit và thế điện hóa của các chất ô nhiễm. Các cation, hydroxit sắt và nhôm làm cho các chất bẩn mất ổn định. Các loại bông cặn keo tụ hiệu quả được hình thành trong môi trường pH acid, trung tính và kiềm yếu. Ở môi trường kiềm cao Al(OH)^4- và Fe(OH)^4- được hình thành, các ion này có khả năng kết tủa kém. Như hình 2.4 đã mô tả, Fe³⁺ có vùng pH ảnh hưởng lớn hơn Al³⁺ và cũng có hiệu quả cao ở pH kiềm nhẹ. Các anion cũng ảnh hưởng đến pH tối thích của quá trình keo tụ. Ảnh hưởng của pH nước lên hiệu quả loại bỏ các chất dô nhiễm hầu hết được giải thích bởi các cơ chế đã nêu trước đây. Tuy nhiên, pH tăng trong quá trìnhđiện hóa, làm cho thông số này thay đổi liên tục; do đó khó có thể thực các nghiên cứu về cơ chế xảy ra trong hệ thống điện hóa.

ỞpH thấp hơn 3, tốc độ giải phóng Al trong quá trìnhđiện phân với hằng số điện tích trên một đơn vị thể tích thấp hơn so với pH > 3. Quá trình hòa tan hóa học của cathode nhôm xuất hiện với pH tăng đến một mức tại đó nhôm tạo phức. Có khả năng dung dịch có tính acid sẽ ức chế phản ứng này vì các ion hydroxit sinh ra dược tiêu thụ bởi acid trong dung dịch. Ở pH acid, độ hòa tan của các điện sực sắt đáng kể thậm chí không có điện phân. Trong khi đó, sự oxy hóa Fe²⁺ thành Fe³⁺ chỉ xảy ra ở pH > 5. Tốc độ hòa tan giảm ở pH cao, do tốc độ ăn mòn của sắt giảm ở môi trường kiềm có mặt oxy vì lớp oxit trơ hình thành trên bề mặt. Từ đó thấy rằng, pH ban đầu là một thông số chính để chọn keo tụ điện hóa hay keo tụ hóa học để xử lý nước.

Có vài chất ô nhiễm cần có pH tối thích để xử lý chúng như photpho và cation kim loại. Ảnh hưởng của pH ban đầu lên quá trình loại bỏ photphat từ nước thải bằng điện hóa với điện cực sắt đãđược nghiên cứu. Hiệu suất xử lý cao nhất ở pH = 3. pH nước thải tăng đến độ kiềm mạnh (pH = 10 ÷ 12) trong quá trình xử lý, do PO₄^3- thay thế vị trí các ion OH^-. Ở pH cao, tốc độ xử lý thấp do sự hình thành Fe(OH)^4-và nồng độ FePO₄ hòa tan cao.Ở pH cao hơn, nhiều ion OH^-hơn PO₄^3-do đó chúng chiếm ưu thế và FePO₄hình thành ít hơn.

Như nhôm và sắt, các cation kim loại khác cũng có thể tạo thành hydroxit trong môi trường nước. Hầu hết các hydroxit có độ hòa tan trong nước thấp và có thể được loại bỏ bởi quá trình keo tụ và trợ keo tụ trong hệ thống điện hóa. Hanay và Hasar đã nghiên cứu khả năng loại bỏ Cu²⁺, Mn²⁺ và Zn²⁺ bằng điện cực nhôm. Hiệu quả xử lý tăng khi pH ban đầu của nước thải tăng. Nghiên cứu cũng cho kêt quả tương tự khi loại bỏ Co²⁺, As⁵⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Cd²,… Tuy nhiên, hiệu quả xử lý Hg²⁺không bị ảnh hưởng đáng kể trong khoảng pH = 3 ÷ 7.

b) Mật độ dòngđiện và thời gian xử lý

Mật độ dòng điện là thông số ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ của phản ứng điện hóa xảy ra trên bề mặt của điện cực và cũng có ảnh hưởng đến điện thế của điện cực. Ở điện cực sắt và nhôm, phản ứng hòa tan là phản ứng cơ bản, và các phản ứng khác xảy ra không đáng kể ở mật độ dòng và thế điện cực thông thường khi dung dịch có pH trung tính hay acid. Ở môi trường pH kiềm, tốc độ hòa tan của điện cực sắt có thể thấp hơn giá trị tính được theo định luật Faraday, điều này cho thấy có các phản ứng khác xảy ra ở anode trong điều kiện này.

Chất keo tụ sinh ra bởi điện phân có thể được tính theo đinh luật Faraday khi biết thời gian phản ứng và cường độ. Nồng độ keo tụ sinh qua bởi quá trìnhđiện phân ở anode tỷ lệ với lượng điện tích trên một đơn vị thể tích (coulombs/ lít). Tuy nhiên, tổng lượng keo tụ hòa tan cũng bao gồm quá trình hòa tan hóa học điện cực ở pH thấp và quá trình hòa tan kim loại ở điện cực cathode. Mật độ dòngđiện có vài ảnh hưởng đến sự hòa tan hóa học ở điện cực cathode, do nó ảnh hưởng đến tốc độ sinh ra ion hydroxit ở cathode. Holt và cộng sự (2002) nghiên cứu quá trình hòa tan

nhômở cathode trong buồng điện phân gồm điện cực anode bằng titan có phủ platin và điện cực cathode nhôm. Họ áp dụng hằng số điện tích trên đơn vị thể tích (540 C/l) và các mật động dòng khác nhau. Theo kết _quả nghiên cứu, khi mật độ dòng điện giảm, lượng nhôm sinh ra tăng. Kết quả chỉ ra rằng thậm chí ở mật độ dòng thấp (nhỏ hơn 0.01 A/m²) vẫn xảy ra phản ứng hòa tan của điện cực cathode nếu pH dung dịch không quá acid và do đó kết luận rằng lượng nhôm sinh raở cathode phụ thuộc và thời gian phản ứng hơn lượng điện tích trên một đơn vị thể tích.

c) Nồng độ anion

Nồng độ anion trong dung dịch ảnh hưởng đến lớp điện tích kép ở điện cực nhôm. Anion sulphate là chất cản trở ăn mòn và do đó làm giảm lượng cation k im loại sinh ra. Clo lại phá vỡ lớp điện tích kép và làm cho quá trình ăn mòn xảy ra nhanh chóng. Ảnh hưởng của các chất điện phân lên hiệu quả của hệ thống EC đã được nghiên cứu để xử lý nước thải quá trình sản xuất sữa và quá trình hấp thụ mỡ bằng điện cực nhôm với sự có mặt của NaCl, Na₂SO₄, NH₄Cl và (NH₄)₂SO₄. Kết quả cho thấy, anion sulphate làm tăng lượng điện tích tiêu thụ và làm cho điện hóa có hiệu quả kém. Tỷ lệ [Cl^-]/[SO₄^2-] nên lớn hơn hoặc bằng 0.1 để đảm bảo lớp điện tích kép bị phả vỡ. Trompette và Vergnes (2009) kết luận rằng nồng độ có thể ảnh hưởng lên lớp điện tích kép, một vài loại muối có thể kết tủa ở bề mặt cathode nếu nồng độ muối trong nước quá cao. Lớp phủ này làm tăng lượng điện tiêu thụ một cách đáng kể.

Hơn nữa, các anion có thể thay thế các anion hydroxit trong quá trình kết tủa, nó cóảnh hưởng đến tính chât của hydroxit và từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất và điều kiện tối ưu của quá trình keo tụ. Sự cạnh tranh của các anion cũng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả xử lý nếu các chất ô nhiễm là anion như fluoride hoặc photphat. Nồng độ ion sulphate có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xử lý flourie do ion fluoride có thể kết hợp với Al³⁺.

d) Nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu quả xử lý chất ô nhiễm bằng điện hóa đãđược nghiên cứu. Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch lên hiệu quả xử lý Boron bằng điện

hóa ở khoảng nhiệt độ 293 ÷ 333⁰K đã được nghiện cứu (Khaoula và cộng sự, 2013). Khi nhiệt độ tăng từ 293⁰K lên 333⁰K, hiệu suất loại bỏ boron tăng từ 84% lên 96%. Quá trình xử lý nước thải nhà máy giấy cho kết quả ngược lại, hiệu quả loại bỏ độ màu, COD và Phenol giảm 10 ÷ 20% khi nhiệt độ tăng từ 2930K lên 333⁰K. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu quả loại bỏ Photphat từ nước thải bởi điện hóa trong khoảng nhiệt độ trên có hiệu quả xử lý thấp hơn 29% ở 293⁰K và tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Tác giả đã kết luận ở nhiệt độ thấp, độ hòa tan của anode xảy ra ở tốc độ thấp. Bên cạnh đó, k_{hi nhi}ệt độ quá cao, các hydroxit cấu trúc lớn lơ lửng trong nước đóng trên bề mặt điện cực. Nhiệt độ tăng cũng làm làm tăng độ hòa tan của nhôm. Tuy nhiên, nhiệt độ tăng có cả ảnh hưởng tốt và xấu lên hiệu quả xử lý. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất x ử lý phụ thuộc vào cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm.

2.3.2.Ưunhược điểm của phương pháp keo tụ điện hóa

2.3.2.1 Nhược điểm của phương pháp keo tụ điện hóa

- Hiện tại rất ít đề tài nghiên cứu về phương pháp nay, phụ kiện phục vụ cho ngành điện hóa đểnghiên cứuchưa có.

- Thiết bị điện hóa chưa có, đa sốlà thiết bịngoại nhập. - Quimô điện hóa thường áp dụngởmô hình nhỏ.

- Thiết bị điện cực của điện hóa hay bị thụ động sau thời gian phảnứng.

2.3.2.2 Ưu điểm của phương pháp keo tụ điện hóa

- Tiết kiện điện tích xây dựng, thời gian phảnứng nhanh.

- Xửlý hoàn toànởdạng vết (các phương pháp khác rất khó thực hiện) - Dễthao tác vận hành thiết bị.

2.3.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp keo tụ điện hóa

- Quá trìnhđiện hóa được nghiên cứu ứng dụng vào lĩnh vực môi trường để xử lý làm sạch nước và nước thải, chủ yếu là nước thải công nghiệp. Phương pháp này có thể được ứng dụng để xử lý các hợp chất xyanua, thuốc nhuộm azo, amin, andehyd, antraquinon...trong nước thải công nghiệp nhuộm, sản xuất hóa chất bảo vệ thực vật, hóa dầu, công nghiệp giấy…

- Trong quá trình oxi hóa điện hóa, các chất ô nhiễm hữu cơ độc hại, khó phân hủy trong nước thải có thể phân rã hoàn toàn thành CO₂, NH₃, các ion vô cơ và nước, hoặc thành các hợp chất đơn giản hơn không độc hoặc ít độc hơn, dễ bị phân hủy sinh học hơn. Anod thường là các vật liệu không hòa tan điện hóa (điện cực thụ động), thông thường là điện cực titan được phủ một lớp kim loại rất mỏng các kim loại quý như ruteni, rodi, platin, iridi, oxit chì, thiếc,… , và thùng điện phân có thể có hoặc không có màng ngăn.

- Chiang và cộng sự (1997) đã pha chế loại nước thải chứa clotetraxyclin, EDTA, lignin và tanic axit, mỗi thảnh phần có tải lượng COD là 2500 mg/l (±200) để xử dụng l^{àm nguyên liệu cho quá trình oxi hóa điện hóa. Thí} nghiệm tiến hành trong bìnhđiện phân dung tích 600 ml với điện cực anot là titan phủlớp dioxit chì và catot là tấm thép. Kết quả cho thấy, dùng sodium clorua nồng độ5000 mg/l với mật độdòngđiện 7500 mA/cm²là chất điện ly tốt hơn dùng sodium sunfat hoặc sodium nitrat có cùng nồng độvà mật độ dòng. Ngoài ra, khả năng khử màu và COD được tăng lên khi tăng nồng độ natri clorua và mật độdòngđiện. Mức độ xử lý COD đạt được 92, 66, 79 và 89 tương ứng với clotetraxyclin, EDTA, lignin và axit tanic khi sử _dụng chất điện ly là natri clorua. EDTA không có màu, nhưng độ màu của clotetraxyclin, lignin và axit tanic đã giảm được 98, 95, 91 % tương ứng. Khi phân tích độ độc bằng phép thử microtox đã cho thấy quá trình oxi hóa đã có tác dụng giảm độ độc của các hợp chất hữu cơ bền vững rất nhiều Comninellis và Pulgarin (1991) đã đ_{ánh giá hi}ệu quả của quá trình oxi hóa điện hóa khi xử lý nước thải có chứa các hợp chất phenol. Thí nghiệm tiến hành trong bình phản ứng có dung tích 600 ml ởnhiệt độ 25^oC. Tất cả các

hợp chất phenol có nhóm thế cacboxylic hoặc hydroxyl đều bị oxi hóa một cách dễ dàng trên điện cực platin và tạo thành các anion phenolat và cation phenixium. Tốc độ phân hủy các hợp chất hữu cơ tỉ lệ theo _dòng điện trên anot. Dòng anot khi xử dụng dung dịch kiềm nhận thấy cao hơn khi sửdụng dung dịch axit. Trong số các hợp chất phenol thử nghiệm, những hợp chất phenol có nhóm định chức hydroxyl càng nhiều thì càng dễ bị oxi hóa điện hóa.

2.3.3.2 Nước thải nhuộm

- Theo nhà hóa học Hattori và cộng sự (2003) dòng điện một chiều sẽ phân hủy thuốc nhuộm hòa tan, màu tím khi sử dụng điện cực bằng kim cương hoặc platin. Thuốc nhuộm màu tím sẽ bị phân hũy trên bề mặt catod và trong khi đó những phần chia nhỏ hơn sẽ bi phân hũy thành những dạng đơn giản có khối lượng phân tử nhỏ hơn trên bề mặt anod. Tốc độ nhạt màu cao nhất khi sử dụng kim cương làm anod và catod hơn là khi sử dụng những chất khác. Tuy nhiên, khi sử dụng những vật liệu khác làm điện cực thì tổng hàm lượng cacbon hữu cơ cũng giảm đi rất là nhanh chống. Acid acetic và acid oxalic là sản phẩm trung gian của quá trình, khí CO₂ là sản phẩm cuối cùng ứng vớisự giảm nồng độ acid oxalic.

- Theo các nhà khoa học Nhật Bản đã nghiên cứu hiệu quả của việc phân hủy các hợp chất hữu cơ bằng phương pháp điện hóa để xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm được nghiên cứu với anode PbO_{2. Phenol, Natri dodecyl sulfat} là những chất được chọn nghiên cứu chính. Và thuốc nhuộm màu tím được chọn nghiên cứu phân hủy bằng phương pháp này, thông thường, màu sẽ mất đi sau 1 giờ điện phân Vlyssides và Israilides (1998)đã nghiên cứu ở cấp độ thử nghiệm áp dụng quá trình oxi hóa điện hóa để xử lý nước thải của nhà máy dệt nhuộm ởThrace, Hy Lạp.

- Titan/platin được sử dụng làm điện cực anot và thép không rỉ 304 được sử dụng làm điện cực atot. Các điện cực được cung cấp dòng điện 20V và 50A. Thùng điện phân có dung tích 5 lít, dùng bơm để cho dung dịch lưu chuyển

tuần hoàn với tốc độ10 lít/phút. Hệ thống ổn nhiệt luôn duy trì nhiệt độ nước thải luôn ở 42^oC. Đặc tính nước thải như sau: BOD 5450 mg/l; COD 1.200 mg/l; màu 3400 đơn vị ADMI; tổng Nitơ (TKN) 34 mg/l; pH=10.

Trong quá trình thử nghiệm, cho ta thấy nếu đưa thêm NaCl và axit HCl, hiệu suất xử lý COD và xử lý màu gia tăng. Tải lượng COD giảm được 93% sau 40 phút xử lý, mật đô dòng điện 890 mA/cm²có thêm vào 2,0 ml NaCl 1% (tương ứng 10.000 mg NaCl/l) và 2 ml HCl 36%. Độ màu đơn vị ADMI giảm được 92% và TKN giảm đến 99%.

- Từ các nghiên cứu trên cho thấy với ưu điểm nhỏ gọn, đơn giản dễ vận hành, không tốn hóa chất phụ trợ (ổn định pH hoặc nồng độ), hiệu quả cao (có thể loại đến 99% chất hữu cơ, mà cũng rất kinh tế (Cao nhất 9.500 vnd/ m³ nước thải theo Cañizares và cộng sự (2009)) cho thấy keo tụ điện hóa là công nghệ rất triển vọng cao trong xử lý triệt để nước thải ngành nhuộm.

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 3.1 Hóa chất và thiết bị

3.1.1 Hóa chất

Các màu nhuộm dùng trong thí nghiệm là màu nhuộm công nghiệp: Sunzol Black B