Luận văn Nghiên cứu quá trình phân hủy thuốc nhuộm indanthren red fbb bằng tác nhân fe3+/c2o42 - /h2o2/vis

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHAN THỊ THƯƠNG HOÀI NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY THUỐC NHUỘM INDANTHREN RED FBB BẰNG TÁC NHÂN Fe3+/C2O42-/H2O2/VIS Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 60 44 27 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐÀ NẴNG - 2011 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. BÙI XUÂN VỮNG Phản biện 1: TS. TRỊNH ĐÌNH CHÍNH Phản biện 1: TS. ĐOÀN THỊ THU LOAN Luận văn sẽ ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ khoa học họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 30 tháng 12 năm 2011 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài Chất thải ngành dệt nhuộm gây ảnh hưởng nghiêm trọng ñến môi trường. Hằng năm, khoảng 15% tổng sản phẩm thuốc nhuộm trên thế giới ñược thải ra môi trường [12]. Thuốc nhuộm có cấu trúc bền vững nên khó bị phân hủy bởi phương pháp sinh học [19] và phương pháp truyền thống. Gần ñây, trên thế giới xuất hiện phương pháp mới, nổi bật ñể xử lí nước thải dệt nhuộm là phương pháp oxi hóa nâng cao (advanced oxidation processes-AOPs). AOPs là những phương pháp tạo ra một lượng lớn các gốc hydroxyl có hoạt tính cao, có khả năng oxi hóa hầu hết chất ô nhiễm hữu cơ thành CO2, H2O, ion vô cơ hoặc các hợp chất dễ phân hủy sinh học [12]. Các công trình nghiên cứu [24], [32], [41], [42] cho thấy, trong các phương pháp AOPs, quá trình Fenton (Fe2+/H2O2) và quá trình quang Fenton/UV (Fe2+/H2O2/UV) có hiệu quả rất cao. Tuy nhiên, những phương pháp này có một số hạn chế như phản ứng chỉ ñạt hiệu quả cao khi pH=2–4 và có chiếu xạ UV. UV là nguồn sáng ñược sử dụng phổ biến nhất trong AOPs nhưng lại không rẻ. Quá trình quang Fenton cải tiến Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis (Fenton/mặt trời) mong ñợi có thể thay thế ñược các quá trình Fenton truyền thống. Đây là quá trình hiệu quả cao cho việc phân hủy màu thuốc nhuộm [19], [33], [37] tận dụng nguồn bức xạ mặt trời, lại thân thiện môi trường. Quá trình này hữu ích cho xử lí nước thải ở các vùng nhiệt ñới và xích ñạo [33]. Ở Việt Nam, phương pháp Fenton ñặc biệt là quá trình Fenton/mặt trời vẫn còn là phương pháp tương ñối mới, chỉ có vài công trình nghiên cứu ñể xử lí nước rác [1], nước thải nhà máy giấy [3]. Xuất phát từ tình hình ñó và với mục tiêu xử lí nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp quang-Fenton, chúng tôi chọn ñề tài “Nghiên cứu quá trình phân hủy thuốc nhuộm Indanthren Red FBB bằng tác nhân Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis” với mong muốn góp phần vào xử lí nước thải ở nước ta. 2 2. Mục ñích nghiên cứu Tìm các ñiều kiện tối ưu cho quá trình phân hủy Indanthren Red FBB (IRF) bởi các hệ tác nhân Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis; Fe2+/H2O2; Fe2+/H2O2/UV; UV/H2O2. So sánh hiệu quả phân hủy bởi 4 hệ tác nhân. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Tiến hành nghiên cứu trên mẫu dung dịch thuốc nhuộm IRF. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến sự phân hủy IRF bằng các hệ tác nhân Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis; Fe2+/H2O2; Fe2+/H2O2/UV; UV/H2O2. 4. Phương pháp nghiên cứu 4.1. Nghiên cứu lí thuyết Phân tích, tổng hợp lý thuyết: nghiên cứu cơ sở khoa học của ñề tài. Nghiên cứu tài liệu liên quan và trao ñổi với giáo viên hướng dẫn. 4.2. Nghiên cứu thực nghiệm COD của dung dịch ñược xác ñịnh bằng phương pháp bicromat. Độ chuyển hoá của IRF ñược xác ñịnh bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – VIS. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài Tìm ñược các ñiều kiện tối ưu cho quá trình phân hủy IRF bởi các hệ tác nhân Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis; Fe2+/H2O2; Fe2+/H2O2/UV; UV/H2O2. 6. Cấu trúc của luận văn Chương 1: Tổng quan Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận Kết luận và kiến nghị. 3 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Nước thải dệt nhuộm 1.1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm và ñộc tính của thuốc nhuộm 1.1.2. Indanthren Red FBB (IRF) 1.1.3. Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm 1.1.4. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm 1.1.5. Nguồn phát sinh và ñặc tính nước thải công nghiệp dệt nhuộm 1.2. Các phương pháp xử lí nước thải dệt nhuộm hiện nay 1.2.1. Phương pháp xử lí cơ học 1.2.2. Phương pháp hóa lý 1.2.2.1. Phương pháp keo tụ 1.2.2.2. Phương pháp hấp phụ 1.2.2.3. Phương pháp lọc 1.2.3. Phương pháp sinh học 1.2.4. Phương pháp ñiện hóa 1.2.5. Phương pháp hóa học 1.2.5.1. Khử hóa học 1.2.5.2. Oxi hóa hóa học 1.3. Phương pháp Fenton 1.3.1.Cơ sở lý thuyết của quá trình Fenton 1.3.2. Phương thức phản ứng của gốc hydroxyl HO• 1.3.3. Cơ chế tạo thành gốc HO• và ñộng học các phản ứng Fenton 1.3.4. Quá trình quang Fenton (Fenton/UV) [13], [40], [45] 1.3.5. Quá trình Fenton/mặt trời (Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis) 1.3.6. Những yếu tố ảnh hưởng trong phương pháp Fenton [8], [40] 1.3.6.1. Ảnh hưởng của ñộ pH 1.3.6.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ Fe2+/H2O2 và loại ion Fe (Fe2+ hay Fe3+) 1.3.6.3. Ảnh hưởng của các anion vô cơ 4 1.3.6.4. Ảnh hưởng của ion oxalat [23], [46] 1.3.7. Ưu ñiểm và nhược ñiểm của phương pháp Fenton 1.4. Ứng dụng phương pháp Fenton 1.4.1. Ứng dụng phương pháp Fenton trong xử lí nước thải dệt nhuộm 1.4.2. Ứng dụng khác của phương pháp Fenton 1.5. Tình hình nghiên cứu, áp dụng các quá trình Fenton ở Việt Nam 1.6. Kết luận tổng quan Chương 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 2.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 2.1.1. Sơ ñồ và nguyên tắc hoạt ñộng hệ thống thí nghiệm 2.1.2. Các bước tiến hành thực nghiệm 2.1.3. Xác ñịnh hiệu suất COD bằng phương pháp bicromat 2.1.3.1. Định nghĩa 2.1.3.2. Nguyên tắc phương pháp xác ñịnh COD 2.1.3.3. Thuốc thử 2.1.3.4. Qui trình phân tích mẫu 3mL mẫu ñã oxi hóa bằng các tác nhân 1.0mL dung dịch K2Cr2O7 0,1N 2mL H2SO4 ññ (ñã thêm Ag2SO4) Ống nghiệm có nút vặn Đun trên bếp cách cát ở 150oC trong 2h lắc ñều Đo mật ñộ quang K2Cr2O7 dư ở bước sóng 439 nm 5 Hiệu suất xử lí COD ñược tính theo công thức sau: H% = ((COD)o – (COD)t) ×100%/(COD)o COD0: giá trị COD của mẫu ban ñầu chưa phản ứng Fenton. CODt: giá trị COD của mẫu sau khi ñã phản ứng tại các thời ñiểm t. 2.1.4. Xác ñịnh hiệu suất chuyển hoá IRF bằng phương pháp ño quang Hiệu suất chuyển hóa IRF Hch (%) tính theo công thức: D0: mật ñộ quang tương ứng với nồng ñộ IRF ban ñầu. Dt: mật ñộ quang tương ứng với nồng ñộ IRF ở thời ñiểm t. 2.2. Nội dung các nghiên cứu thực nghiệm 2.2.1. Phân hủy IRF bằng hệ tác nhân UV/H2O2 2.2.1.1. Khảo sát ảnh hưởng nồng ñộ H2O2 ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 2.2.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 2.2.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt ñộ ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 2.2.2. Phân hủy IRF bằng hệ tác nhân Fe2+/H2O2 2.2.2.1. Khảo sát ảnh hưởng nồng ñộ H2O2 ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 2.2.2.2. Khảo sát ảnh hưởng nồng ñộ Fe2+ ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 2.2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 2.2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt ñộ ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 2.2.3. Phân hủy IRF bằng hệ tác nhân Fe2+/H2O2/UV 2.2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng nồng ñộ H2O2 ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 2.2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng nồng ñộ Fe2+ ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 2.2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 2.2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt ñộ ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 2.2.4. Phân hủy IRF bằng hệ tác nhân Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis 2.2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng nồng ñộ H2O2 ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 2.2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng nồng ñộ Fe3+ ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 2.2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng nồng ñộ H2C2O4 ñến sự phân hủy IRF 2.2.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của pH ban ñầu ñến sự phân hủy IRF 6 2.2.5. So sánh hiệu quả phân hủy IRF bởi 4 hệ tác nhân 2.2.5.1. So sánh hiệu quả phân IRF bởi 4 hệ tác nhân ở ñiều kiện tối ưu 2.2.5.2. So sánh hiệu quả phân IRF bởi 4 hệ tác nhân ở cùng ñiều kiện 2.3. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất 2.3.1. Dụng cụ 2.3.2. Thiết bị 2.3.3. Hoá chất Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả sự phân hủy IRF bằng hệ phản ứng UV/H2O2 3.1.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ H2O2 ban ñầu ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ UV/H2O2 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 hi e u su a t c hu ye n ho a (% ) thoi gian (phut) [H202]ppm 20 40 60 80 100 120 Hình 3.1: Ảnh hưởng của nồng ñộ H2O2 ban ñầu ñến hiệu suất chuyển hoá IRF (%) của hệ tác nhân UV/H2O2 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 hi e u su at CO D (% ) thoi gian (phut) [H2O2]ppm 20 40 60 80 100 120 Hình 3.2: Ảnh hưởng của nồng ñộ H2O2 ban ñầu ñến hiệu suất COD (%) của hệ tác nhân UV/H2O2 7 Nhận xét: Kết quả hình 3.1 và hình 3.2 cho thấy việc tăng nồng ñộ H2O2 ban ñầu làm tốc ñộ phân hủy IRF tăng lên. Khi nồng ñộ H2O2 dưới 80 ppm, hiệu suất chuyển hóa tăng ñáng kể. Tuy nhiên, hiệu suất phân hủy IRF chỉ tăng nhẹ khi nồng ñộ H2O2 trên 80 ppm. Sau 21 phút xử lí, hiệu suất chuyển hóa IRF 30.8% và hiệu suất COD 24.1% khi nồng ñộ H2O2 80 ppm. Nồng ñộ H2O2 tối ưu ñược chọn là 80 ppm. 3.1.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân UV/H2O2 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 hi e u su a t c hu ye n ho a (% ) thoi gian (phut) pH 2 3 4 5 6 Hình 3.3: Ảnh hưởng pH ñến hiệu suất chuyển hóa IRF (%) của hệ UV/H2O2 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 hi eu su a t C O D (% ) thoi gian (phut) pH 2 3 4 5 6 Hình 3.4: Ảnh hưởng của pH ñến hiệu suất COD của hệ UV/H2O2 Nhận xét: Kết quả trên hình 3.3 và hình 3.4 cho thấy ñộ pH có ảnh hưởng lớn ñến tốc ñộ phản ứng và hiệu suất phân hủy IRF. Hiệu suất phân hủy tăng khi pH tăng từ 2-5, cao nhất ở giá trị pH trong khoảng 4-5. Khi pH lớn hơn 5, hiệu suất phân hủy giảm. Giá trị pH tối ưu ñược chọn là 5. 8 3.1.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân UV/H2O2 0 3 6 9 12 15 18 21 24 15 20 25 30 35 40 45 hi e u su a t c hu ye n ho a (% ) thoi gian (phut) Nhiet do (0C) 30 40 50 60 70 Hình 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến hiệu suất chuyển hoá IRF (%) của hệ tác nhân UV/H2O2 0 3 6 9 12 15 18 21 24 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 hi e u su a t C O D (% ) thoi gian (phut) nhiet do (0C) 30 40 50 60 70 Hình 3.6: Ảnh hưởng nhiệt ñộ ñến hiệu suất COD (%) của hệ UV/H2O2 Nhận xét: Kết quả trên hình 3.5 và hình 3.6 hiệu suất chuyển hóa và hiệu suất COD ñạt ñược tương ứng là 35.1% và 29.6% sau 21 phút xử lí ở nhiệt 300C. Nhưng khi ñun ñến 700C thì hiệu suất chuyển hóa giảm nhẹ. Vì vậy, chúng tôi chọn nhiệt ñộ phòng 30oC là ñiều kiện tối ưu. 3.1.4. Kết luận cho phần nghiên cứu phân hủy IRF bằng hệ tác nhân UV/H2O2 Điều kiện tối ưu khi phân hủy IRF nồng ñộ 50 ppm bằng hệ UV/H2O2 ở nhiệt ñộ phòng là H2O2 80 ppm, pH = 5. Ở ñiều kiện này hiệu suất chuyển hóa ñạt 35.1%, hiệu suất COD ñạt 29.6% sau 21 phút xử lí. 9 (a) (b) Hình 3.7: Dung dịch mẫu IRF trước (a) và sau (b) xử lí bằng hệ UV/H2O2 3.2. Kết quả sự phân hủy IRF bằng hệ phản ứng Fenton (Fe2+/H2O2) 3.2.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ H2O2 ban ñầu ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân Fenton 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 hi eu su at ch u ye n ho a (% ) thoi gian (phut) [H2O2]ppm 20 40 60 80 100 120 Hình 3.8: Ảnh hưởng của nồng ñộ H2O2 ñến hiệu suất chuyển hóa IRF (%) của hệ tác nhân Fenton 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 hi e u su at CO D (% ) thoi gian (phut) [H202]ppm 20 40 60 80 100 120 Hình 3.9: Ảnh hưởng của nồng ñộ H2O2 ñến hiệu suất COD (%) của hệ tác nhân Fenton Kết quả trên hình 3.8 và hình 3.9 cho thấy khi nồng ñộ H2O2 trong khoảng từ 20 ñến 80 ppm thì ñộ chuyển hóa IRF tăng nhanh. Khi nồng ñộ 10 H2O2 > 80 ppm thì khả năng phân hủy IRF tăng chậm, có xu hướng giảm. Nồng ñộ H2O2 ban ñầu tối ưu là 80 ppm, tại ñó hiệu suất COD là 64.7% 3.2.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ Fe2+ ban ñầu ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân Fenton 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 hi eu su at ch u ye n ho a CO D (% ) thoi gian (phut) [Fe2+]ppm 5 6.5 8.5 10 13 15 Hình 3.10: Ảnh hưởng của nồng ñộ Fe2+ ñến hiệu suất chuyển hóa IRF (%)của hệ tác nhân Fenton 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 10 20 30 40 50 60 70 hi e u su at CO D (% ) thoi gian (phut) [Fe2+]ppm 5 6.5 8.5 10 13 15 Hình 3.11: Ảnh hưởng của nồng ñộ Fe2+ ñến hiệu suất COD (%) của hệ tác nhân Fenton Nhận xét: Kết quả ở hình 3.10 và hình 3.11 cho thấy ñối với hệ Fenton thì hiệu suất chuyển hóa IRF, hiệu suất COD tăng nhanh khi tăng hàm lượng Fe2+, nhưng khi nồng ñộ Fe2+ > 8.5 ppm thì tăng không ñáng kể nữa, thậm chí hiệu suất COD còn giảm trong trường hợp nồng ñộ Fe2+ là 15 ppm. Hàm lượng Fe2+ phù hợp là 8.5 ppm, khi ñó hiệu suất COD là 61.1%. 3.2.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân Fenton 11 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 hi eu su a t c hu ye n ho a (% ) thoi gian (phut) pH 1 2 3 4 5 Hình 3.12: Ảnh hưởng của pH ñến hiệu suất chuyển hóa IRF (%) của hệ tác nhân Fenton 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 hi e u su a t C O D (% ) thoi gian (phut) pH 1 2 3 4 5 Hình 3.13: Ảnh hưởng của pH ñến hiệu suất COD (%) của hệ Fenton Nhận xét: Kết quả trên hình 3.12 và hình 3.13 cho thấy sự phân hủy IRF tăng dần khi pH tăng từ 1 ñến 3 và sau ñó giảm xuống khi tăng pH > 4. Như vậy, khoảng pH thuận lợi là 3–4, pH tối ưu là 3. 3.2.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân Fenton 0 3 6 9 12 15 18 21 24 30 40 50 60 70 80 90 hi e u su at ch u ye n ho a (% ) thoi gian (phut) nhiet do (0C) 30 40 50 60 70 Hình 3.14: Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến hiệu suất chuyển hóa IRF (%) 12 0 3 6 9 12 15 18 21 24 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 hi e u su at CO D (% ) thoi gian (phut) nhiet do (0C) 30 40 50 60 70 Hình 3.15: Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến hiệu suất COD (%) Nhận xét: Kết quả trên hình 3.14 và hình 3.15 cho thấy khi tăng nhiệt ñộ thì hiệu suất chuyển hóa IRF và hiệu suất COD tăng lên rất nhanh trong 12 phút ñầu phản ứng. Sau thời gian 12 phút thì khả năng phân hủy tăng thêm không ñáng kể. Ở nhiệt ñộ 700C hiệu suất phân hủy giảm. Như vậy, nhiệt ñộ thích hợp cho phản ứng là 300C ñối với hệ Fenton. 3.2.5. Kết luận phần nghiên cứu phân hủy IRF bằng tác nhân Fenton Điều kiện tối ưu khi phân hủy IRF nồng ñộ 50 ppm bằng hệ Fe2+/H2O2 ở nhiệt ñộ phòng là H2O2 80 ppm, Fe2+ 8.5 ppm, pH = 3. Hiệu suất chuyển hóa ñạt 79%, hiệu suất COD ñạt 61.1% sau 21 phút xử lí. 3.3. Kết quả sự phân hủy IRF bằng hệ phản ứng Fenton/UV 3.3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ H2O2 ban ñầu ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân Fenton/UV 0 3 6 9 12 15 18 21 24 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 hi e u su a t c hu ye n ho a (% ) thoi gian (phut) [H2O2]ppm 20 40 60 80 100 120 Hình 3.16: Ảnh hưởng của nồng ñộ H2O2 ñến hiệu suất chuyển hóa IRF (%) của hệ tác nhân Fenton/UV 13 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 hi e u su a t C O D (% ) thoi gian (phut) [H2O2]ppm 20 40 60 80 100 120 Hình 3.17: Ảnh hưởng của nồng ñộ H2O2 ñến hiệu suất COD (%) Nhận xét: Kết quả trên hình 3.16 và hình 3.17 cho thấy, nồng ñộ H2O2 tăng, ñộ chuyển hóa IRF tăng. Khi nồng ñộ H2O2>80 ppm thì sự phân hủy chậm lại. Nồng ñộ H2O2 tối ưu là 80 ppm, khi ñó hiệu suất COD 86.3%. 3.3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ Fe2+ ban ñầu ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân Fenton/UV 0 3 6 9 12 15 18 21 24 30 40 50 60 70 80 90 100 hi e u su a t c hu ye n ho a (% ) thoi gian (phut) [Fe2+]ppm 5 6.5 8.5 10 13 15 Hình 3.18: Ảnh hưởng của nồng ñộ Fe2+ ñến hiệu suất chuyển hóa IRF (%) của hệ tác nhân Fenton/UV 0 3 6 9 12 15 18 21 24 20 30 40 50 60 70 80 90 hi eu su at CO D (% ) thoi gian (phut) [Fe2+]ppm 5 6.5 8.5 10 13 15 Hình 3.19: Ảnh hưởng của nồng ñộ Fe2+ ñến hiệu suất COD (%) 14 Nhận xét: Kết quả trên hình 3.18 và hình 3.19, chúng tôi nhận thấy ñối với hệ Fenton/UV thì hiệu suất phân hủy có xu hướng tăng nhanh khi tăng hàm lượng Fe2+, nhưng khi nồng ñộ Fe2+ > 6.5 ppm thì tăng không ñáng kể nữa, thậm chí hiệu suất COD còn giảm trong trường hợp nồng ñộ Fe2+ ≥ 13 ppm. Chúng tôi chọn nồng ñộ Fe2+ tối ưu là 6.5 ppm. 3.3.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân Fenton/UV 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 hi e u su a t c hu ye n ho a (% ) thoi gian (phut) pH 1 2 3 4 5 Hình 3.20: Ảnh hưởng của pH ñến hiệu suất chuyển hóa IRF (%) của hệ tác nhân Fenton/UV 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 hi e u su a t C O D (% ) thoi gian (phut) pH 1 2 3 4 5 Hình 3.21: Ảnh hưởng của pH ñến hiệu suất COD (%) của hệ tác nhân Fenton/UV Nhận xét: Kết quả ở hình 3.20 và hình 3.21 cho thấy rõ ràng rằng ñộ pH có ảnh hưởng lớn ñến tốc ñộ phản ứng và hiệu suất phân hủy IRF. Trong các phản ứng Fenton khuynh hướng chung là sự phân hủy của IRF tăng dần khi pH tăng từ 1 ñến 3 và sau ñó giảm xuống. Điều này phù hợp với 15 nghiên cứu [30], [32], [41] trước ñây. Hệ Fenton/UV có hiệu suất chuyển hóa ñạt ñược rất cao: sau 21 phút và ở pH = 3, phản ứng ñã ñạt 100%, hiệu suất COD tương ứng là 86.3%. Như vậy, phản ứng Fenton/UV xảy ra thuận lợi khi pH từ 3 – 4, ñạt tốc ñộ cao nhất khi pH = 3. Vì vậy, pH = 3 là giá trị tối ưu trong nghiên cứu này. 3.3.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân Fenton/UV 0 3 6 9 12 15 18 21 24 50 60 70 80 90 100 hi eu su a t c hu ye n ho a (% ) thoi gian (phut) nhiet do (0C) 30 40 50 60 70 Hình 3.22: Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến hiệu suất chuyển hóa IRF (%) của hệ tác nhân Fenton/UV 0 3 6 9 12 15 18 21 24 30 40 50 60 70 80 90 100 hi e u su a t C O D (% ) thoi gian (phut) nhiet do (0C) 30 40 50 60 70 Hình 3.23: Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến hiệu suất COD (%) của hệ tác nhân Fenton/UV Nhận xét: Kết quả ở hình 3.22 và hình 3.23 cho thấy khi tăng nhiệt ñộ thì hiệu suất phân hủy IRF tăng, tuy nhiên sau 12 phút thì khả năng phân hủy tăng thêm không ñáng kể khi tăng nhiệt ñộ lên trên nhiệt ñộ phòng. 16 3.3.5. Kết luận cho phần nghiên cứu phân hủy IRF bằng hệ tác nhân Fenton/UV Điều kiện tối ưu khi phân hủy IRF nồng ñộ 50 ppm bằng hệ Fe2+/H2O2/UV ở nhiệt ñộ phòng là H2O2 80 ppm, Fe2+ 6.5 ppm, pH = 3. Ở ñiều kiện này hiệu suất chuyển hóa ñạt 100%, hiệu suất COD ñạt 86.3% sau 21 phút xử lí. Hệ tác nhân Fe2+/H2O2/UV cho hiệu quả xử lí rất cao. Hình 3.24: Dung dịch mẫu IRF sau khi xử lí bằng hệ tác nhân Fenton/UV 3.4. Kết quả sự phân hủy IRF bằng hệ phản ứng Fenton/mặt trời 3.4.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ H2O2 ban ñầu ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân Fenton/mặt trời 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 hi e u su a t c hu ye n ho a (% ) thoi gian (phut) [H2O2]ppm 20 40 60 80 100 120 Hình 3.25: Ảnh hưởng của nồng ñộ H2O2 ñến hiệu suất chuyển hóa IRF(%) của hệ tác nhân Fenton/mặt trời 17 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 hi e u su a t C O D (% ) thoi gian (phut) [H2O2]ppm 20 40 60 80 100 120 Hình 3.26: Ảnh hưởng của nồng ñộ H2O2 ñến hiệu suất COD (%) của hệ tác nhân Fenton/mặt trời Nhận xét: Kết quả trên hình 3.25 và hình 3.26 chỉ ra rằng khi tăng nồng ñộ H2O2 sự phân hủy màu tăng nhanh. Hiệu suất chuyển hóa tăng từ 34% ñến 97% tương ứng với ñộ giảm COD tăng từ 28.5% ñến 82.7% ở phút 21 khi tăng nồng ñộ H2O2 từ 20–120 ppm. Vì vậy, chúng tôi chọn nồng ñộ tối ưu của H2O2 là 80 ppm. Ở ñiều kiện này, hiệu suất chuyển hóa IRF là 95.6% và hiệu suất COD là 78.8%. 3.4.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ Fe3+ ban ñầu ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân Fenton/mặt trời 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 hi e u su a t c hu ye n ho a (% ) thoi gian (phut) [Fe3+]ppm 5 6.5 8.5 10 13 15 Hình 3.27: Ảnh hưởng của nồng ñộ Fe3+ ñến hiệu suất chuyển hóa IRF (%) của hệ tác nhân Fenton/mặt trời 18 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 hi e u su at CO D (% ) thoi gian (phut) [Fe3+]ppm 20 40 60 80 100 120 Hình 3.28: Ảnh hưởng của nồng ñộ Fe3+ ñến hiệu suất COD (%) của hệ tác nhân Fenton/mặt trời Nhận xét: Kết quả trên hình 3.27 và hình 3.28 cho thấy ñộ chuyển hóa tăng từ 70.2% ñến 97% tương ứng với ñộ giảm COD tăng từ 47.1% ñến 80.1% ở phút 21 khi tăng nồng ñộ Fe3+ từ 5 – 15 ppm. Hiệu quả phân hủy IRF tăng nhanh khi nồng ñộ Fe3+ ban ñầu tăng từ 5–8.5 ppm. Tuy nhiên, ñộ phân hủy màu tăng nhẹ khi nồng ñộ Fe3+ ban ñầu tăng từ 8.5– 15 ppm. Vì vậy, nồng ñộ Fe3+ = 8.5 ppm là nồng ñộ tối ưu. 3.4.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ axit oxalic ban ñầu ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân Fenton/mặt trời 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 hi e u su a t c hu ye n ho a (% ) thoi gian (phut) [H2C2O4]pmm 0 15 45 65 100 150 Hình 3.29: Ảnh hưởng của nồng ñộ axit oxalic ñến hiệu suất chuyển hóa IRF (%) của hệ tác nhân Fenton/mặt trời 19 0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 hi e u su a t C O D (% ) thoi gian (phut) [H2C2O4]ppm 20 40 60 80 100 120 Hình 3.30: Ảnh hưởng của nồng ñộ axit oxalic ñến hiệu suất COD (%) của hệ tác nhân Fenton/mặt trời Nhận xét: Kết quả trên hình 3.29 và hình 3.30 cho thấy: khi nồng ñộ axit oxalic tăng từ 15 – 45 ppm, hiệu suất chuyển hóa tăng từ 76.2% ñến 94.8% và hiệu suất phân hủy COD tăng từ 59.1% ñến 78.1% ở phút 21. Tuy nhiên, hiệu suất tăng không ñáng kể khi nồng ñộ axit oxlalic tăng trên 45 ppm. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các công trình [11], [19], [20], [23], [29], [35], [37], [46] ñã công bố trước ñây. Tóm lại, oxalat là một yếu tố chìa khóa trong hệ Fenton/mặt trời. Chúng tôi chọn nồng ñộ tối ưu cho axit oxalic là 45 ppm. 3.4.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH ñến sự phân huỷ IRF bằng hệ tác nhân Fenton/mặt trời 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 hi e u su at ch u ye n ho a (% ) thoi gian (phut) pH 1 2 3 4 5 6 Hình 3.31: Ảnh hưởng của pH ñến hiệu suất chuyển hóa IRF (%) của hệ tác nhân Fenton/mặt trời 20 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 hi eu su a t C O D (% ) thoi gian (phut) pH 1 2 3 4 5 6 Hình 3.32: Ảnh hưởng của pH ñến hiệu suất COD (%) của hệ tác nhân Fenton/mặt trời Nhận xét: Kết quả ở hình 3.31 và hình 3.32 chỉ ra rằng hiệu suất chuyển hóa tăng dần từ 29.7% ñến 98.9%.khi pH tăng từ 1 - 4. Ở pH = 5 ñược quan sát là có hiệu quả cao nhất, cụ thể hiệu suất chuyển hóa là 99.8% và hiệu suất COD là 84.8%. Ở pH = 6 hiệu suất chuyển hóa là 98.7%. Hiệu suất có xu hướng giảm ở pH > 6. Chúng tôi chọn khoảng pH thích hợp cho hệ Fenton/mặt trời này là 4-6 và giá trị pH tối ưu là 5. Như vậy, hệ Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis ñã khắc phục ñược hạn chế về pH và giảm giá thành xử lí so với các hệ Fenton truyền thống khác. 3.4.5. Kết luận cho phần nghiên cứu phân hủy IRF bằng hệ tác nhân IRF bằng hệ tác nhân Fenton/mặt trời Điều kiện tối ưu khi phân hủy IRF nồng ñộ 50 ppm bằng hệ Fenton/mặt trời là H2O2 80 ppm, H2C2O4 45 ppm, Fe3+ 8.5 ppm, pH = 5. Hiệu suất chuyển hóa 99.8%, hiệu suất COD ñạt 84.8% sau 21 phút xử lí. Hình 3.33: Dung dịch mẫu IRF sau khi xử lí bằng Fenton/mặt trời 21 3.5. So sánh hiệu quả phân hủy IRF bởi 4 hệ tác nhân 3.5.1. So sánh hiệu quả phân hủy IRF bởi 4 hệ ở các ñiều kiện tối ưu Bảng 3.31: Điều kiện tối ưu cho quá trình phân hủy IRF bởi các tác nhân Hệ tác nhân Yếu tố UV/H2O2 Fenton Fenton/UV Fenton/mặt trời Nồng ñộ H2O2 80ppm 80ppm 80ppm 80ppm Fe2+ hoặc Fe3+ 8.5ppm 6.5ppm 8.5ppm Nồng ñộ H2C2O4 45ppm pH 5 3 3 5 Nhiệt ñộ 300C 300C 300C 300C 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 hi e u su a t c hu ye n ho a (% ) thoi gian (phut) He UV/H2O2 He Fenton He Fenton/UV He He Fenton/mat troi Hình 3.3: Hiệu suất chuyển hóa IRF (%) của các hệ ở ñiều kiện tối ưu 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 hi e u su a t C O D (% ) thoi gian (phut) He UV/H2O2 He Fenton He Fenton/UV He Fenton/mat troi Hình 3.35: Hiệu suất COD(%) phân hủy IRF của các hệ tác nhân ở ñiều kiện tối ưu 22 3.5.2. So sánh hiệu quả phân hủy IRF bởi 4 hệ tác nhân ở cùng một ñiều kiện 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 hi e u su at ch u ye n ho a (% ) thoi gian (phut) He UV/H2O2 He Fenton He Fenton/UV He Fenton/mat troi Hình 3.36: Hiệu suất chuyển hóa IRF (%) của các hệ tác nhân ở cùng ñiều kiện 0 3 6 9 12 15 18 21 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 hi e u su a t C O D (% ) thoi gian (phut) He UV/H2O2 He Fenton He Fenton/UV He Fenton/mat troi Hình 3.37: Hiệu suất COD (%) phân hủy IRF của các hệ tác nhân ở cùng một ñiều kiện 3.5.3. Nhận xét Nhìn vào kết quả trên ñồ thị hình 3.34, hình 3.35, hình 3.36, hình 3.37, chúng tôi nhận thấy hoạt tính oxi hóa của các hệ phản ứng tăng dần theo thứ tự: UV/H2O2<Fe2+/H2O2< Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis < Fe2+/UV/H2O2. Hiệu suất phân hủy của hệ Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis xấp xỉ hệ Fe2+/UV/H2O2. 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. KẾT LUẬN Từ kết quả thực nghiệm chúng tôi ñi ñến các kết luận chính sau: (1) Hệ UV/H2O2: Đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến sự phân hủy IRF trong nước bằng hệ tác nhân UV/H2O2 có chiếu xạ UV bước sóng 254 nm. Hiệu suất chuyển hóa IRF và hiệu suất COD tăng lên khi tăng nồng ñộ H2O2 ban ñầu cũng như khi tăng nhiệt ñộ xử lí dung dịch lên 700C. Tuy nhiên, hiệu suất phân hủy của hệ UV/H2O2 chưa cao. Điều kiện tối ưu khi phân hủy IRF nồng ñộ 50 ppm bằng hệ UV/H2O2 ở nhiệt ñộ 30oC là H2O2 80 ppm, pH = 5. Hiệu suất chuyển hóa ñạt 35.1%, hiệu suất COD ñạt 29.6 % sau 21 phút xử lí. (2) Hệ Fenton (Fe2+/H2O2): Đã khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố Fe2+, H2O2, pH, nhiệt ñộ ñến sự phân hủy IRF trong nước bằng hệ phản ứng Fenton. Sự phân hủy ñạt hiệu suất cao trong khoảng pH từ 3 ñến 4. Điều kiện tối ưu khi phân hủy dung dịch IRF 50 ppm bằng hệ Fenton ở nhiệt ñộ 30oC là H2O2 80 ppm, Fe2+ 8.5 ppm, pH = 3, hiệu suất chuyển hóa ñạt 79 %, hiệu suất COD ñạt 61.1% sau 21 phút xử lí. (3) Hệ Fenton/UV (Fe2+ /H2O2/UV): Đã khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố Fe2+, H2O2, pH, nhiệt ñộ ñến sự phân hủy IRF trong nước bằng hệ phản ứng Fenton/UV có chiếu xạ UV bước sóng 254 nm. Sự phân hủy ñạt hiệu suất cao trong khoảng pH từ 3 ñến 4. Điều kiện tối ưu khi phân hủy dung dịch IRF 50 ppm bằng hệ Fenton/UV ở nhiệt ñộ 30oC là H2O2 80 ppm, Fe2+ 6.5 ppm, pH = 3, hiệu suất chuyển hóa ñạt 100%, hiệu suất COD ñạt 86.3% sau 21 phút xử lí. (4) Hệ Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis: Đã khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố Fe3+, H2O2, H2C2O4, pH ñến sự phân hủy IRF trong nước bằng hệ phản ứng Fenton/mặt trời dưới chiếu xạ mặt trời. Sự phân hủy ñạt hiệu suất cao trong khoảng pH từ 4 ñến 6. Điều kiện tối ưu khi phân hủy dung 24 dịch IRF 50 ppm bằng hệ Fenton/mặt trời là H2O2 80 ppm, H2C2O4 45 ppm, Fe3+ 8.5 ppm, pH = 5, hiệu suất chuyển hóa 99.8%, hiệu suất COD ñạt 84.8% sau 21 phút xử lí. Chúng tôi nhận thấy hoạt tính oxi hóa của các hệ phản ứng tăng dần theo thứ tự: UV/H2O2 < Fe2+/H2O2 < Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis < Fe2+/UV/H2O2. Hiệu suất phân hủy của hệ Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis xấp xỉ hệ Fe2+/UV/H2O2 cộng với nhiều ưu ñiểm vượt trội như hạ giá thành xử lí, thân thiện với môi trường nên hệ tác nhân Fe3+/C2O42-/H2O2/Vis có thể thay thế ñược hệ Fenton truyền thống trong quá trình áp dụng công nghệ Fenton xử lí nước thải. Quá trình này ñặc biệt hữu ích cho xử lí nước thải ở các vùng nhiệt ñới, xích ñạo dồi dào ánh sáng mặt trời. Trong ñiều kiện khí hậu Việt Nam, tận dụng nguồn năng lượng mặt trời ñể ứng dụng xử lí nước thải là khả thi. 2. KIẾN NGHỊ - Quá trình Fenton/UV có chi phí thấp, hiệu quả xử lí các chất hữu cơ ñộc hại khá cao do vậy nên ñược nghiên cứu ñưa vào xử lí nước thải. - Xây dựng mô hình pilot ñối với hệ Fenton/mặt trời và tiến hành triển khai các kết quả nghiên cứu trong phần thực nghiệm ñể xử lí nước thải tại các nhà máy dệt nhuộm ở Việt Nam. - Sơ ñồ ñề xuất hệ thống phản ứng Fenton/mặt trời như sau: Sắt(III) sunfat Nước thải pH=5 pH=7÷8 Nguồn chiếu xạ (ánh sáng mặt trời hoặc ñèn nóng sáng) Axit sunfuric Bể phản ứng Bể trung hòa Bể lắng lọc Hydro peroxit NaOH Nguồn tiếp nhận Axit oxalic Ca(O )2