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
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
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
- 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.
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 trừ cho độ hấp thu của dung dịch nền.
3.4.1.2Xác địnhpH và COD
Phân tích theo phương pháp thử tiêu chuẩn cho nước và nước thải của Hiệp hội sức khỏe cộng đồng,Hoa kỳ (Clesceri và cộng sự, 1998).
3.4.2. Phương phápxử lý số liệu
3.4.2.1Phương pháp hồi quy tuyến tính
Dùng phần mềm bảng tính Excell xây dựng đường chuẩn biểu thị mối quan hệ giữa lượng màu có trong dung dịch với độ hấp thụ quang, cũng như lượng màu cò n lại trong dung dịch với lượng màu đã bị hấp phụ.
3.4.2.2Phương pháp thống kê toán học
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.
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,