- 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 làm 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 đánh giá hiệu 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 25oC. 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 PbO2. 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 42oC. 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 150% (SBB) và Sunfix Red S3B 100% cung cấp bởi Công ty dệt nhuộm Tân Phú Cường, Tân Bình với công thức và cấu trúc như hình 3.1.
Hình 3.1Đặc tính lý học của các màu dùng trong thí nghiệm
λmax: bước sóng hấp thu tối đa
- Phèn nhôm dùng trong thí nghiệm là loại phèn nhôm (Kalium a luminum sulfat K2SO4·Al2[SO4]3·24H2O) bột mịn 10,3% Al2O3, Công ty hóa chấtBiên Hòa. -Nước dùng pha chuẩn là nước cất hai lần
- Các hóa chất khác: NaOH 0,1N và H2SO40,2N, … đều đạt chuẩn trong phân tích. Nước thải nhuộm thực tế tại DNTN Tiền Kim Thành (Lô D12, đường số 6A, Khu TTCN Lê Minh Xuân, xã Tân Nhựt, huyện Bình Chánh, Tp.HCM) với các thông số được nêu trong bảng 3.1 đây cũng là thông số đặc trưng cho nước thải của nhà máy nhuộm hoạt tính (Loan, 2011; Thanh và cộng sự, 2013).
Bảng 3.1 Thông số nước thải đầuvào của DNTN Tiền Kim Thành
Các thông số Đơn vị Kết quảphân tích
pH 8 - 11
TSS mg/l 250-270
COD mg/l 180-300
Độmàu Pt - Co 200-350
3.1.2 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm3.1.2.1 Máy quang phổ so màu UV-Vis 3.1.2.1 Máy quang phổ so màu UV-Vis
Máy quang phổ so màu DR5000 do hãng HACH (Hoa Kỳ) sản xuất. Bước sóng quét có thể đạt từ 190 –1100 nm.
Hình 3.2 Máy quang phổ UV-Vis
3.1.2.2 Máy đo pH
Máy đo pH do hãng METTLER TOLEDO (Thụy Sĩ) sản xuất
Hình 3.3Máy đo pH (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.2.1 Phương pháp tạo mẫu nước
Cân 0,050 g MN cho vào bìnhđịnh mức 1,0lít, thêm 80ml nước cất, vài giọt NaOH (0,1M), lắc đều cho MN tan hết. Thêm 800ml nước cất, dùng NaOH chỉnh pH khoảng 11, định mức thành 1,0 lít, sau đó đun nóng dung dịch đến 700C, kết hợp khuấy từ trong 1,0 giờ, đảm bảo cho mẫu tan hoàn toàn và MN trong nước là dạng hoàn toàn thủy phân.
3.2.2Phương pháp Jartes
Nồng độ màu nhuộm khảo sát: - Sunzol Black B 150%: 50mg/l - Sunfix Red S3B 100%: 50mg/l
3.2.2.1 Xác định pH tối ưu
- Cho vào 6 beckerđánh số thự tự mỗi becker 500 ml dung dịch MN.
- Dùng dung dịch NaOH (0,1N) và acid HCl (0,1N) chỉnh pH mỗi becker lần lượt 5-12.
- Nồng độ phèn trong dung dịch màu nhuộm 60 mg/l.
- Đặt becker vào thiết bị Jar-test, lắp các cánh khuấy, khuấy nhanh 180vòng/phút trong 2,0 phút, giảm tốc độ quay xuống 60 vòng/phút, giữ tốc độ này trong 15 phút.
- Tắt máy khuấy, để lắng 30phút, sau đó lấy 3,0 ml mẫu trên bề mặt xác định chỉ tiêu độ màu.
pH tối ưu sẽ tương ứng với mẫu có độ màu thấp nhất.
3.2.2.2 Khảo sát nồng độ màu tối ưu
- Cho vào 6 becker đánh số thự tự mỗi becker 500ml MN với các nồng độ khác nhau 30-140 mg/l.
- Dùng dung dịch NaOH (0,1N), acid HCl (0,1N), chỉnh và cố định pH tối ưu ở mỗi becker.
- Cố định nồng độ phèn tối ưu trong dung dịch màu nhuộm đã k hảo sát ở trên.
- Đặt becker vào thiết bị Jar-test, lắp các cánh khuấy, khuấy nhanh 180 vòng/phút trong 2,0 phút, giảm tốc độ quay xuống tốc dộ khuấy tối ưu, giữ tốc độ này trong thời gian khảo sát tối ưu.
- Tắt máy khuấy, để lắng 30 phút, sau đó lấy mẫu trên bề mặt xác định chỉ tiêu độ màu.
Nồng độ màu tối ưu sẽ tương ứng với mẫu có độ màu thấp nhất.
3.2.2.3 Khảo sát quá trình xử lý màu bằng phèn nhôm
Bảng 3.2 Các yếu tố khảo sát củaphèn nhôm
Yếu tố Khoảng khảo sát
pH 5- 12
Nồng độ chất keo tụphèn nhôm (mg/l) 1000
Nồng độ màu (mg/l) 2
Hình 3.4 Mô hình Jartest dùng trong thí nghiệm
3.2.3Phương pháp thí nghiệm
Sử dụng trong điện phân như trong hình 3.5 sử dụng bộ nguồn một chiều có điều chỉnh điện thế giữ ổn định điện thế trong suốt quá trìnhđiên phân.
Kích thước điên cực 10×10 cm. Khoảng cách điên cực là 15 -20 mm, sử dụng hai cặp điện cực (2 anôt, 2 catôt). Vật liệu điện cực CT3. Mẫu màu nhuộm pha với nồng độ nhất định bằng nước cất.
Hình 3.5 Mô hìnhđiện hóa dùng tron g thí nghiệm
3.3 Khảo sát quá trình xửlý màu pha bằng điện hóa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Quá trình khảo sát dựa trên sự đánh giá phô hấp phụ UV, qua quá trình điện phân bản chất phổ hấp phụ màu nhuộm thay đổi, thông qua đó đánh giá sự phân hủy cấu trúc của màu nhuộm và hợp chất khác được tạo ra.
Ngoài việc đánh giá thay đổi cấu trúc của màu nhuộm theo sự thay đổi của phổ UV, thông số COD cũng được đề cập đến như là một thông số cho biết việc oxi hóa một phần màu nhuộm trong dung dịch tạo ra sản phẩm khoáng hóa.
Căn cứ vào đặc tính nước thải nhuộm lấy tại cơ sở , điều kiện phòng thí nghiệm và tham khảo tài liệu từ các nghiên cứu (Pekel và cộng sự, 2013; Al và cộng sự, 2012;
Lakshmanan và cộng sự, 2009; Asselin và cộng sự, 2008) các yếu tố điều chỉnh và thông số thay đổi được tóm tắt trong bảng 3.2
Bảng 3.3Các bước và yếu tố thí nghiệm cho màu SRB , SRS
Bước
thí nghiệm Yếu tố Khoảng khảo sát
1 pH 3-12
2 Muối Na2SO4(g/l) 1200 -1400
3 Nồng độ màu (mg/l) 30-140
4 Mật độ dòng (A/m2) 43,3-130
5 Thời gian (phút) 4-10
Được chi tiết hóa như sau:
3.3.1. Xác định pH tối ưu
Cố định lượng sulphate (chọn nồng độ 4000 mg/l) và các yếu tố nồng độ thuốc nhuộm (30 - 140 mg/l), mật độ dòng (43,3 - 130,0 A/m2) và thời gian phản ứng (4 - 10 phút);
Biến thiên giá trị pH tại các điểm 3 - 12 (điều chỉnh pH bằng dung dịch NaOH 0,1M và HCl 0,1M).
Tiến trình thí nghiệm như sau:
- Cho vào bìnhđiện hóa 3,0 lít dung dịch thuốc nhuộm đãđược pha với nồng độ 30-140mg/l và lượng sulphate 4000 mg/l;
- Dùng dung dịch NaOH (0,1M), axít HCl (0,1M), chỉnh và cố định lần lượt các giá trị pH đã chọn khảo sát;
- Gắn điện cực
- Bật máy, chỉnh dòng tương ứng 43,3 A trong 4,0 phút;
- Tắt máy, để lắng 30 phút, sau đó lấy mẫu đem phân tích độ hấp thu. pH lựa chọn chính là pH mẫu có độ hấp thu thấp hoặc thích hợp nhất.
3.3.2. Xác định nồng độ sulphate tối ưu
Thực hiện tương tự bước khảo sát pH, nhưng cố định pH (tại ngưỡng X lựa
chọn),mật độ dòng (43,3 - 130,0 A/m2), nồng độ màu nhuộm (30 - 140 mg/l) trong thời gian 4 - 10 phút.
Thay đổi nồng độ muối ở các mức: 4000- 5000 mg/l.
Trình tự thí nghiệm như sau:
- Cho vào bìnhđiện hóa 4,0lít dung dịch thuốc nhuộm đãđược pha với nồng độ 30 - 140 mg/l lần lượt ở các hàm lượng muối sulphate khác nhau;
- Dùng dung dịch NaOH (0,1M), axít HCl (0,1M), chỉnh và cố định pH theo giá trị pH X tối ưu đãđược khảo sát ở mục 3.3.1;
- Gắn điện cực (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Bật máy, chỉnh mật độ dòngtương ứng43,3 A/m2trong 2–15 phút; - Tắt máy, để lắng 30 phút, sau đó lấymẫu đem phân tích độ hấp thu.
Nồng độ sulphate lựa chọn sẽ tương ứng với mẫu có độ hấp thu thấp hoặc thích hợp nhất.
3.3.3. Xác định mật độ dòng tối ưu
Cố định các yếu tố pH, nồng độ màu nhuộm, hàm lượng sulphate trong 4,0phút.
Thay đổi mật độ dòngở các mức43,3 - 130,0 A/m2;
Trình tự thí nghiệm như sau:
- Cho vào bìnhđiện hóa 3,0 lít dung dịch thuốc nhuộm đãđược pha với nồng độ màu 50 mg/l và sulphate thích hợp (mục.3.3.2);
- Dùng dung dịch NaOH (0,1M) và axít HCl (0,1M), chỉnh và cố định pH theo giá trị pH X tối ưu đãđược khảo sát ở mục 3.3.1;
- Gắn điện cực
- Bật máy, chỉnh mật độdòng tương ứng 43,3 A/m2trong4,0 phút; - Tắt máy, để lắng 30 phút, sau đó lấy mẫu đem phân tích độ hấp thu.
Cường độ dòng thích hợp được chọn sẽ tương ứng với mẫu có độ hấp thu thấp hoặc kinh tế nhất.
3.3.4. Xác định thời gian điện hóa tối ưu
Cố định các yếu tố pH, nồng độ màu nhuộm, hàm lượng sulphate và cường độ dòng trong ngưỡng thời giant hay đổi từ 4 - 10phút.
- Cho vào bìnhđiện hóa 3,0 lít dung dịch thuốc nhuộm đãđược pha với nồng độ màu 50 mg/l và sulphate thích hợp (mục3.3.2);
- Dùng dung dịch NaOH (0,1M) và axít HCl (0,1M), chỉnh và cố định pH theo giá trị pH X tối ưu đãđược khảo sát ở mục 3.3.1;
- Gắn điện cực
- Bật máy, chỉnh dòng khảo sát tương ứng với mật độ dòng thích hợp (muc
3.3.3) trong khoảng thời gian khảo sát 4 - 10 phút;
- Tắt máy, để lắng 30 phút, sau đó lấy mẫu đem phân tích độ hấp thu.
Thời gian điện hóa thích hợp được chọn sẽ tương ứng với mẫu có độ hấp thu thấp hoặc kinh tế nhất.
3.3.5. Xác định nồng độ màu tối ưu
Cố định các yếu tố pH, nồng độ sulphate, thời gian và cường độ dòng.
Chọn khảo sát nồng độ MN ở các mức 30 - 140 mg/l Trình tự thí nghiệm như sau:
- Cho vào bìnhđiện hóa 3,0 lít dung dịch thuốc nhuộm đãđược pha với nồng độ 50mg/l và dung dịch sulphate thích hợp xác định tại mục 3.3.2;
- Dùng dung dịch NaOH (0,1M), axít HCl (0,1M), chỉnh và cố định pH theo giá trị pH X tối ưu đãđược khảo sát ở mục 3.3.1;
- Gắn điện cực
- Bật máy, chỉnh mật độ dòng thích hợp (muc 3.3.3) trong thời gian tương ứng
(mục 3.3.4);
- Tắt máy, để lắng 30phút, sau đó lấy mẫu đem phân tích độ hấp thu.
Nồng độ màu được chọn sẽ tương ứng với mẫu có độ hấp thu thấp hoặc thích hợp nhất. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.4. Phương phápphân tích và xử lý số liệu 3.4.1Phươngpháp phân tích
Các phương pháp phân tích dùng trong thí nghiệm hầu hết là các phương pháp phân tích nước.
3.4.1.1 Xácđịnh độdài sóng cóđộhấpthu cực đại
Bước sóng cho khả năng hấp thụ cực đại được xác định bằng cách cho quét 3,0 ml dung dịch MN với máy quang phổ kế, cuvet thạch anh, trong dải bước sóng 190 - 900 nm. Từ phổ hấp thu này xác định các đỉnh hấp thu cực đại và các bước sóng tương ứng của từng loại thuốc nhuộm sử dụng trong luận án.
Độ hấp thụ trình bày trong kết quả thí nghiệm là hiệu số giữa độ hấp thu tổng cộng