Khả năng ứng dụng phương pháp điện hóa cao áp để xử lý ô nhiễm môi trường

Hóa học & Kỹ thuật môi trường<br /> <br /> KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA CAO ÁP<br /> ĐỂ XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG<br /> Nguyễn Đức Hùng*, Vũ Năng Nam, Trần Thị Ngọc Dung<br /> Tóm tắt: Công nghệ điện hóa DC cao áp có khả năng tạo vật liệu nano và các<br /> phản ứng plasma điện cực nên có thể thực hiện các quá trình phản ứng xử lý một số<br /> tác nhân gây ô nhiễm môi trường. Điện cực sắt tại điều kiện điện áp DC 13 kV<br /> trong nước cất 2 lần và khoảng cách các điện cực 300 mm, sẽ tạo được nano sắt<br /> nồng độ 43,8 mg/L, kích thước nano đạt từ 20  100 nm trong 30 phút. Nano sắt tạo<br /> ra cũng là một tác nhân có thể xử lý ô nhiễm môi trường nhờ cơ chế fenton và keo<br /> tụ điện hóa. Mặt khác sự xuất hiện plasma điện cực sẽ tạo được nhiều nhóm gốc<br /> cũng có khả năng phản ứng với các chất ô nhiễm môi trường. Quá trình xử lý<br /> metylen xanh nồng độ 300 mg/L bằng dòng DC tại 2,5 kV với khoảng cách 2 điện<br /> cực sắt 200 mm và tỷ lệ SA/SK= 1 sẽ tạo sắt nano và plasma điện cực với hiệu suất<br /> xử lý metylen xanh đạt được đến 99,99 % chỉ sau 10 phút.<br /> Từ khóa: Điện hóa DC cao áp; Sắt nano; Plasma điện cực; Metylen xanh; Xử lý ô nhiễm bằng điện hóa cao áp.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ (HAY MỞ ĐẦU)<br /> Công nghệ điện hóa được ứng dụng để xử lý môi trường do các khả năng phản ứng rất<br /> phong phú được mô tả tại hình 1 như: oxy hóa hoặc khử trực tiếp trên các điện cực; oxy<br /> hóa điện hóa gián tiếp trên bề mặt điện cực qua các hợp chất clo hoặc hydroxyl trung<br /> gian; oxy hóa điện hóa gián tiếp trong lòng dung dịch bằng các chất oxi hóa được tạo ra từ<br /> điện cực [1]. Công nghệ điện hóa sử dụng dòng DC cao áp còn có thêm khả năng tạo vật<br /> liệu nano kim loại [2, 3] cũng như tạo plasma trên các điện cực [4, 5] tùy thuộc vào bản<br /> chất của các kim loại điện cực cũng như chế độ thực hiện công nghệ. Với điện cực sắt khả<br /> năng tạo thành nano sắt hóa trị không cũng đã được chế tạo từ nước cất 2 lần [6]. Khả<br /> năng xử lý các chất ô nhiễm bằng sắt hóa trị không cũng đã được chứng minh tại [7].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Những khả năng xử lý các chất ô nhiễm bằng kỹ thuật điện hóa.<br /> Với những kết quả thu được từ các tài liệu [2-6] có thể dự đoán đến khả năng xử lý các<br /> chất ô nhiễm môi trường bằng phương pháp điện hóa cao áp. Kết quả bước đầu về khả<br /> năng ứng dụng dòng DC cao áp để xử lý metylen xanh (MB) sẽ được trình bày trong bài<br /> báo này.<br /> <br /> <br /> 126 N. Đ. Hùng, V. N. Nam, T. T. N. Dung, “Khả năng ứng dụng … ô nhiễm môi trường.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Hệ thống thiết bị để thực hiện quá trình điện hóa DC cao áp gồm: bộ nguồn DC cao áp<br /> và bình phản ứng thủy tinh 2 lớp hình trụ thẳng được trình bày tại hình 2. Catot là điện cực<br /> Fe hình trụ,  2,5 mm được đúc epoxy trong nút thủy tinh nhám tiêu chuẩn 29 để giới hạn<br /> bề mặt phản ứng chỉ là diện tích tiết diện của điện cực (SK=19,64 mm2). Catot được lắp<br /> vào phía dưới đáy bình phản ứng thủy tinh để làm kín và giữ dung dịch phản ứng. Anot<br /> cũng là điện cực Fe hình trụ  2,5 mm và được đúc epoxy với đường kính  10 mm để<br /> giới hạn diện tích phản ứng và được gá vào nút xốp để có thể thay đổi được khoảng cách<br /> giữa 2 điện cực HA-K khi không cần xác định khí thoát ra từ các phản ứng điện cực. Diện<br /> tích anot tiếp xúc với nước cất 2 lần được khống chế bằng chiều dài không bọc bỡi epoxy<br /> là: 0, 10, 20, 30, 40 và 50 mm được ký hiệu tương ứng là D0, D1, D2, D3, D4, D5. Vậy tỷ<br /> số diện tích (SA=SĐ+SXQ)/SK tương ứng là: 1; 17; 33; 49; 65 và 81 lần để dễ xuất hiện<br /> plasma điện cực. Nước cất 2 lần là dung môi phản ứng khi không có và có MB:<br /> (C16H18ClN3S) của hãng Guangzhou Jinhuada Chemical Reagent, Trung Quốc sản xuất<br /> được pha với nồng độ 300 mg/L tạo nên độ dẫn 156 S.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Mô hình hệ thống thiết bị thực hiện phản ứng điện hóa DC cao áp:<br /> a) Nguồn DC cao áp và hộp điều khiển, b) Bình phản ứng thủy tinh, 1. Anôt Fe,<br /> 2. Catốt Fe, 3. Bình phản ứng thủy tinh chứa nước cất 2 lần, 4. Vỏ thủy tinh chứa nước<br /> làm mát, 5. Van thoát khí, 6. Van tháo sản phẩm, 7. Nước làm mát tuần hoàn, 8. bơm tuân<br /> hoàn nước làm mát, 9. Nguồn DC cao áp, 10. Hộp điều khiển.<br /> Kích thước và hình dạng của nano sắt (FeNPs) được xác định nhờ ảnh TEM chụp bằng<br /> máy Jeol Jem của Nhật tại Viện Vệ sinh dịch tể Hà Nội. Nồng độ của FeNPs được tính<br /> theo định luật Faraday [2, 3]. Độ dẫn của nước cất 2 lần và dung dịch MB được đo bằng<br /> thiết bị Hanna HI 8733 của Singapore còn nồng độ MB được phân tích bằng phương pháp<br /> so màu quang điện tại bước sóng 664 nm trên máy Hitachi UH5300 Spectrophotometer tại<br /> Viện Công nghệ Môi trường, VAST với đường chuẩn được xây dựng trong khoảng từ 1<br /> mg/L đến 10 mg/L đạt R2 = 99,65.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 127<br />  Hóa học & Kỹ thuật môi trường<br /> <br /> 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Quá trình phản ứng điện hóa với dòng DC cao áp tại U = 13 kV của điện cực sắt trong<br /> nước cất 2 lần, tỷ lệ diện tích các điện cực sắt: SA/SK = 1, khoảng cách các điện cực HA-K:<br /> 300 mm, sau thời gain t = 30 phút, sẽ xuất hiện plasma trên các điện cực và sản phẩm sau<br /> phản ứng có kích thước nano dạng hình cầu (hình 3).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Plasma<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a b<br /> Hình 3. Ảnh (a) sự xuất hiện plasma trên các điện cực và (b) TEM của dung dịch<br /> sau điện phân bằng DC cao áp với nước cất 2 lần, điện cực Fe:<br /> SA/SK = 1, HA-K: 300 mm, tại U = 13 kV và t = 30 phút.<br /> Quan sát từ hình 3a có thể nhận thấy plasma xuất hiện cả trên hai điện cực đều cùng<br /> ánh sáng vàng cam chứng tỏ khí ở cả hai điện cực bản chất có thể như nhau do cùng một<br /> loại khí như là hidro được thoát ra từ catot và tụ lại cả trên anot. Quá trình phân hủy nước<br /> bằng plasma điện cực sẽ tạo ra lượng lớn khí H2 và môi trường ion hóa gồm các phân tử,<br /> nguyên tử, ion và các gốc tự do [4, 8]. Từ hình 3b nhận thấy các hạt sắt nano có kích thước<br /> khác nhau, nhưng chủ yếu nhỏ hơn 20 nm và phân tán tốt. Tuy nhiên, các hạt lớn cũng có<br /> xu hướng kết tụ, dính thành đám.<br /> Hình 4 biểu diễn hàm lượng sắt (tính từ lượng điện Q, mAh theo Faraday) phụ thuộc<br /> vào thời gian phản ứng phụ tại các điều kiện thí nghiệm của công nghệ DC cao áp như:<br /> khoảng cách giữa 2 điện cực anot-catot (HA-K), giá trị điện áp và tỷ lệ diện tích giữa điện<br /> cực anot và catot (SA/SK). Kết quả hình 4 cho thấy nồng độ FeNPs tăng đều trong suốt thời<br /> gian diễn ra thí nghiệm tại tất cả các điều kiện phản ứng. Khi điện áp tăng từ 1,5 kV đến<br /> 3,5 kV nồng độ FeNPs cũng tăng nhưng chậm dần từ 2,5 kV đến 3,5 kV (hình 4b). Hình<br /> 4c cho thấy khi tỷ số SA/SK tăng từ 1 (D0) đến 81 lần (D5), nồng độ FeNPs tạo thành do<br /> phản ứng DC cao áp cũng tăng nhưng ít hơn so với sự thay đổi điện áp. Ngược lại nồng độ<br /> FeNPs sẽ giảm khi tăng khoảng cách giữa 2 điện cực tăng từ 200 mm đến 450 mm (hình<br /> 4a). Có thể giải thích các quy luật phụ thuộc được biểu diễn tại hình 4 như sau: Vì khả<br /> năng tạo thành FeNPs [6] sẽ phụ thuộc vào quá trình hòa tan anot Fe: Fe – 2e  Fe2+<br /> cũng như quá trình khử: Fe2+ + H2  Fe0 + 2H+, nên khi diện tích điện cực anot lớn sẽ tạo<br /> điều kiện hòa tan hòa tan sắt do đó sẽ tạo khả năng tăng FeNPs.<br /> <br /> <br /> <br /> 128 N. Đ. Hùng, V. N. Nam, T. T. N. Dung, “Khả năng ứng dụng … ô nhiễm môi trường.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 25 40<br /> 45cm 1,5 kV D5<br /> 25<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Nång ®é s¾t tÝnh theo Faraday (mg/L)<br /> 40cm 35 2 kV D4<br /> Nång ®é s¾t tÝnh theo Faraday (mg/L)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Nång ®é s¾t tÝnh theo Faraday (mg/L)<br /> 20 35cm 2,5 kV D3<br /> 30cm 30 3kV D2<br /> 20<br /> 25cm 3,5 kV D1<br /> 20cm 25 D0<br /> 15<br /> 15<br /> 20<br /> <br /> 10<br /> 15<br /> 10<br /> <br /> 10<br /> 5<br /> 5<br /> 5<br /> <br /> <br /> 0 0<br /> 0<br /> <br /> -5<br /> 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10<br /> Thêi gian (Phót) Thêi gian (Phót) Thêigian(Phót)<br /> <br /> a) tại 2,5 kV, SA/SK=49 b) H=35 mm, SA/SK=49 c) H=30 mm, U=2,5 kV<br /> Hình 4. Nồng độ sắt nano thu được phụ thuộc vào thời gian phản ứng DC cao áp<br /> tại các điều kiện khác nhau (cMB= 300 mg/L, t= 10 phút): a) khoảng cách HA-K, b) điện<br /> áp U, kV và c) tỷ lệ D: SA/SK.<br /> <br /> 260<br /> <br /> 240<br /> Nång ®é methylen xanh (mg/L)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 220<br /> <br /> 200<br /> <br /> 180<br /> <br /> 160<br /> <br /> 140<br /> <br /> 120<br /> <br /> 100<br /> <br /> 80<br /> <br /> 60<br /> 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5<br /> <br /> §iÖn thÕ (kV)<br /> <br /> Hình 5. Sự phụ thuộc vào điện áp của nồng độ methylen xanh sau xử lý tại:<br /> HA-K: 350 mm, SA/SK=49 và thời gian 10 phút có xuất hiện plasma anot và catot.<br /> Tương tự, điện áp tăng thúc đẩy cả quá trình hòa tan anot và quá trình thoát khí H2 tại<br /> catot nên sẽ làm tăng khả năng tạo FeNPs. Ngược lại khi tăng khoảng cách giữa 2 điện<br /> cực, thời gian tiếp xúc giữa khí H2 sinh ra với ion sắt trong lòng dung dịch diễn ra chậm<br /> hơn nên lượng FeNPs sinh ra sẽ ít hơn. Như vậy bằng công nghệ DC cao áp sử dụng điện<br /> cực sắt đã tạo được trong dung dịch: Fe2+, FeNPs và các gốc OH*, O*, H2O*, … [8] đều là<br /> những tác nhân có thể phản ứng với các chất gây ô nhiễm môi trường, điển hình là thuốc<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 129<br />  Hóa học & Kỹ thuật môi trường<br /> <br /> nhuộm MB. Hình 5 biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ MB sau phản ứng điện hóa DC<br /> cao áp phụ thuộc vào điện thế thí nghiệm cho thấy, với nồng độ ban đầu của MB trong<br /> dung dịch là 300 mg/L sau khi xử lý tại 3,5 kV với HA-K=350 mm và SA/SK= 49 lần chỉ<br /> còn 78,13 mg/L. Plasma được xuất hiện sớm trên cả anot và catot do độ dẫn của dung dịch<br /> có MB tăng đến 156 S. Vì vậy khi giảm khoảng cách điện cực HA-K=200 mm, tỷ lệ<br /> SA/SK= 1 thì plasma đã xuất hiện trên cả anot và catot chỉ sau 10 phút nên nồng độ MB sau<br /> xử lý chỉ còn 0,028 mg/L đạt hiệu suất đến 99,99% (hình 6c).<br /> 65<br /> 80<br /> <br /> 60<br /> 70 100<br /> <br /> 55<br /> 60<br /> HiÖu suÊt xö lý (%)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 90<br /> HiÖu suÊt xö lý (%)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> HiÖu suÊt xö lý (%)<br /> 50 50<br /> 80<br /> <br /> 45 40<br /> 70<br /> 30<br /> 40<br /> 60<br /> 20<br /> 35<br /> <br /> 10 50<br /> 20 cm 25 cm 30 cm 35 cm 40 cm 1 kV 1,5 kV 2 kV 2,5 kV 3 kV 3,5 kV D0 D1 D2 D3 D4 D5<br /> <br /> Kho¶ng c¸ch ®iÖn cùc (cm) HiÖu ®iÖn thÕ (kV) TØ lÖ kÝch th­íc t­¬ng ®èi cña ®iÖn cùc anot/catot (mm /mm2)<br /> 2<br /> <br /> <br /> <br /> a b c<br /> Hình 6. Hiệu suất xử lý metylen xanh ([MB]= 300 mg/L, t= 10 phút) phụ thuộc vào a)<br /> khoảng cách HA-K mm, b) điện áp kV và tỷ lệ c) diện tích SA/SK.<br /> Hiệu suất xử lý MB phụ thuộc vào các điều kiện công nghệ DC cao áp được trình bày<br /> tại hình 6.<br /> Kết quả từ hình 6 cho thấy, trong điều kiện thí nghiệm, hiệu suất của các quá trình xử<br /> lý MB sẽ giảm khi tăng khỏang cách điện cực cũng như tăng tỷ lệ SA/SK, song lại tăng<br /> khi tăng điện áp. Hiệu suất xử lý sẽ có giá trị cao nhất đến 99,99 % khi điện áp DC là 2,5<br /> kV, khoảng cách anot và catot là 200 mm và tỷ lệ SA/SK =1. Những kết quả này không<br /> tương ứng với quá trình tạo thành FeNPs tại hình 4. Điều này chứng tỏ rằng vai trò của<br /> sự hình thành plasma điện cực sẽ ảnh hưởng nhiều hơn đến quá trình xử lý MB so với<br /> vai trò của FeNPs.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Các phản ứng điện hóa của điện cực sắt với dòng DC cao áp trong môi trường nước có<br /> metylen xanh được xử lý với hiệu suất đến 99,99% chỉ 10 phút nhờ sắt nano và plasma<br /> điện cực. Nồng độ sắt nano tăng theo thời gian phản ứng, điện áp cũng như tỷ lệ diện tích<br /> anot và catot, nhưng giảm khi khoảng cách anot và catot tăng. Ngược lại hiệu suất xử lý<br /> metylen xanh tăng khi tăng điện áp nhưng giảm khi tăng khoảng cách và tỷ lệ diện tích<br /> anot với catot do plasma điện cực ảnh hưởng nhiều hơn.<br /> Lời cảm ơn: Các tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ<br /> Việt Nam đã tạo điều kiện thực hiện nghiên cứu cho bài báo thông qua dự án mã số<br /> VAST.SXTN.03/16-17.<br /> <br /> <br /> 130 N. Đ. Hùng, V. N. Nam, T. T. N. Dung, “Khả năng ứng dụng … ô nhiễm môi trường.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. P. Mandal, B. K. Dubey, and A. K. Gupta, Review on landfill leachate treatment by<br /> electrochemical oxidation: Drawbacks, challenges and future scope, Waste<br /> Management, Vol. 69, (2017), pp. 250-273.<br /> [2]. Nguyễn Đức Hùng, Khả năng chế tạo dung dịch nano kim loại bằng quá trình hòa<br /> tan anot với điện áp cao, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, T. 50 Số 6, (2012), trang<br /> 669–676.<br /> [3]. Nguyen Duc Hung, Nguyen Minh Thuy, Nguyen Nhi Tru, Characteristics and<br /> electrochemical mechanisms of a nanosilver solution formed by anodic dissolution<br /> with high DC voltage, Eur. Phys. J. Appl. Phys., 63, (2013), 20402, 10p.<br /> [4]. Nguyễn Đức Hùng, Phản ứng điện hóa tại điện áp cao với plasma điện cực, Tạp chí<br /> Hóa học, T. 50, Số ĐB, (2012), trang 103-111.<br /> [5]. Nguyễn Đức Hùng, Nguyễn Minh Thùy, Nguyễn Thanh Hải, Phan Thị Trang, Nguyễn<br /> Nhị Trự, Hiệu ứng điện ly plasma trong quá trình điều chế dung dịch nano bạc bằng<br /> dòng một chều cao áp, Tạp chí Hóa học, T. 52, Số 3, (2014), trang 326-333.<br /> [6]. Nguyễn Đức Hùng, Đỗ Thanh Tuấn, Điều chế dung dịch sắt nano bằng quá trình hòa<br /> tan anốt điện áp cao, Tạp chí Hóa học, T. 50, Số 4, (2012), trang 425-428.<br /> [7]. Le Quoc Trung, Nguyen Duc Hung, Nguyen Hoai Nam, Tran Van Chung, I. Francis<br /> Cheng, Oxidation of 2,4.6-Trinitroresorcine Using Zero-Valent Iron, Asian Journal of<br /> Chemistry, Vol. 22, No. 4, (2010), pp. 3200-3206.<br /> [8]. Bo Jiang, Jingtang Zheng, Shi Qiu, Mingbo Wu, Qinhui Zhang, Zifeng Yan,<br /> Qingzhong Xue, Review on electrical discharge plasma technology for wastewater<br /> remediation, Chemical Engineering Journal, 236, (2014), pp. 348–368.<br /> ABSTRACT<br /> POSSIBILITY FOR APPLY OF DC HIGH VOLTAGE<br /> TO TREAT THE ENVIRONMENTAL POLLUTION<br /> High-voltage DC electrochemical technology is capable for manufactoring of<br /> nanomaterials and electrodic plasma reactions, which can be used to reactively<br /> treat environmental pollutants. With high-voltage DC by iron electrodes, the iron<br /> nanoparticle will produced as well as an agent of environmental pollution that can<br /> be fenton reaction. On the other hand, the presence of plasma electrodes will create<br /> many active radicals that are also capable of reacting to environmental pollutants.<br /> Methylene blue (300 mg/L) at 2,5 kV with 200 mm spacing iron electrode and SA/SK<br /> = 1 will produce nanoparticles and plasma electrodes and treatment efficiency of<br /> methylene blue get up to 99.99% in just 10 minutes.<br /> Keywords: High voltage electrochemistry; Nano iron; Electrodic plasma; Methylene blu; Electrochemistry<br /> with high voltage enviromental treatment.<br /> <br /> Nhận bài ngày 27 tháng 11 năm 2018<br /> Hoàn thiện ngày 19 tháng 12 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 4 năm 2019<br /> <br /> Địa chỉ: Viện Công nghệ Môi trường, VAST, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội.<br /> *<br /> Email: nguyenduchung1946@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 131<br />