intTypePromotion=1
ADSENSE

Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm bằng công nghệ Fenton điện hóa xúc tác dị thể Fe3O4

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

12
lượt xem
1
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thuốc nhuộm tổng hợp là sản phẩm được sử dụng rộng rãi, nhưng nó cũng ảnh hưởng to lớn đến môi trường. Trong suốt quá trình dệt nhuộm, 12% thuốc nhuộm bị thất thoát và khoảng 20% trong số này được thải vào môi trường. Theo nghiên cứu này, nước thải dệt nhuộm được xử lý bằng công nghệ Fenton điện hóa xúc tác dị thể Fe3O4.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm bằng công nghệ Fenton điện hóa xúc tác dị thể Fe3O4

  1. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM BẰNG CÔNG NGHỆ FENTON ĐIỆN HÓA XÚC TÁC DỊ THỂ FE3O4 Nguyễn Thị Ánh Thu*, Nguyễn Hoàng Hà Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM *Tác giả liên lạc: nguyenthianhthupy95@gmail.com TÓM TẮT Thuốc nhuộm tổng hợp là sản phẩm được sử dụng rộng rãi, nhưng nó cũng ảnh hưởng to lớn đến môi trường. Trong suốt quá trình dệt nhuộm, 12% thuốc nhuộm bị thất thoát và khoảng 20% trong số này được thải vào môi trường. Theo nghiên cứu này, nước thải dệt nhuộm được xử lý bằng công nghệ Fenton điện hóa xúc tác dị thể Fe3O4. Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), bố trí thí nghiệm trung tâm (CCF) để khảo sát sự ảnh hưởng của 3 yếu tố: pH (2 - 4), nồng độ Fe2+ (1 – 3mMol) và hiệu điện thế (10 – 20V) đến hiệu quả xử lý COD và độ màu của quá trình. Tại pH = 2.8, nồng độ Fe2+ = 2mMol, hiệu điện thế U= 16,4V cho hiệu quả xử lý COD và độ màu tốt nhất có giá trị lần lượt là 90% và 98,9% sau 30 phút xử lý. Kết quả cho thấy rằng, giá trị COD và độ màu đầu ra đạt cột A, QCVN 13:2015/BTNMT. Từ khóa: Công nghệ Fenton điện hóa, nước thải dệt nhuộm, phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), bố trí thí nghiệm trung tâm (CCF). OPTIMIZATION OF DECOLORIZATION AND COD REMOVAL FROM TEXTILE WASTEWATER USING ELECTRO FENTON PROCESS WITH Fe3O4 AS HETEROGENEOUS CATALYST Nguyen Thi Anh Thu *, Nguyen Hoang Ha Ho Chi Minh City University of Food Industry * Corresponding authour: nguyenthianhthupy95@gmail.com ABSTRACT Synthetic dye is a widely used product, but dyeing industrial effluents have adversely impacted environment. During dyeing processes, 12% of dye is wasted, and approximately 20% of this amount is discharged to the environment. In this study, Electro-Fenton (EF) system was applied to treat a textile wastewater with Fe3O4 as heterogeneous catalyst. Response surface methodology (RSM) - Central composite Design (CCF) was used to investigate the effects of pH (2 – 4), Fe2+ concentration (1 - 3), and voltage (10 - 20) on the COD and Color removal. At pH 2.8, Fe2+ concentration of 2.0 mMol, and voltage of 16.4 V, the treatment system reached its optimum operating condition. In this case, COD and Color in the effluent were 90% and 98.9%, respectively, after 30 mins of treatment which met the national standard (QCVN 13:2015/BTNMT, Column A). Keywords: Electro Fenton (EF), Textile wastewater, Response surface methodology (RSM), Central composite Design (CCF). TỒNG QUAN nhất là ngành dệt nhuộm. Ngày nay, quá trình công nghiệp hóa, hiện Với dây chuyền công nghệ phức tạp, bao đại hóa đất nước đã gây ra các vấn đề môi gồm nhiều công đoạn khác nhau nên nước trường trên toàn cầu ảnh hưởng đến con thải sau sản xuất chứa nhiều loại hợp chất người và các loài động, thực vật khác. Đặc độc hại khó phân hủy, thuốc nhuộm, chất biệt, nguồn ô nhiễm nghiêm trọng là ô nhiễm hoạt động bề mặt, các hợp chất halogen hữu nguồn nước do sinh hoạt và công nghiệp. cơ… làm cho các chỉ tiêu nhiệt độ, COD, độ Nhiều loại nước thải chứa nhiều tác nhân độc màu… cao. Trong đó, độ màu của nước thải hại cho con người và môi trường đã và đang là một trong những chỉ tiêu khó xử lý nhất và được thải vào môi trường hằng ngày mà gây ô nhiễm nghiêm trọng đối với nguồn không được xử lý triệt để. Một trong những nước mặt, nước ngầm gồm: hợp chất màu ngành ô nhiễm nghiêm trọng và khó xử lý azo (chiếm tới 60 – 70%), metyl đỏ, Công gô 546
  2. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học đỏ,… Nước thải: Nước thải được lấy từ bể điều Ở Việt Nam hiện nay, công nghệ xử lý nước hòa ở khu xử lý nước thải của Công ty Cổ thải phổ biến được áp dụng là: xử lý lý học Phần Dệt May – Đầu Tư – Thương Mại (lắng, lọc…), xử lý hóa lý (keo tụ tạo bông, Thành Công. Đặc tính của nước thải sau tiền tuyển nổi, hấp phụ…), xử lý sinh học, xử lý xử lý được trình bày ở bảng dưới đây: hóa học (khử trùng, oxy hóa Fenton…). Nếu Bảng 1. Đặc tính nước thải dệt may Thành được thiết kế và vận hành phù hợp thì đa số Công các thành phần trong nước thải sẽ bị loại bỏ. STT Thông số Đơn vị Giá trị Tuy nhiên, một số tạp chất như kim loại 1 TSS mg/l 320 nặng, chất hữu cơ hòa tan khó phân hủy sinh 2 SO4 2- mg/l 780 học, khó bị loại bỏ và nếu được thì chi phí 3 COD mg/l 500 – 700 đầu tư và vận hành rất cao. Vì vậy, việc tìm 800 – kiếm phương pháp để nâng cao hiệu quả xử 4 Độ màu Pt-Co 1.200 lý các tạp chất này là rất quan trọng cho công 5 Độ kiềm mgCaCO3/l 477 tác bảo vệ nguồn nước. Chất xúc tác: Xúc tác dị thể Fe3O4 được Công nghệ oxy hóa bậc cao (Advanced điều chế theo phương pháp đồng kết tủa bằng Oxydation Processes- AOPs) rất có triển cách cho hỗn hợp dung dịch gồm 400ml vọng trong việc loại bỏ các loại chất hữu cơ nước cất, 9.61g Fe2(SO4)3.5H2O, 7.13g hòa tan khó phân hủy sinh học bằng cách FeSO4.7H2O, 100ml KOH 5M, khuấy đều ở khoáng hóa hoàn toàn hoặc chuyển hóa nhiệt độ 700C trong 2h. Hỗn hợp sau đó được chúng thành các hợp chất trung gian dễ phân lọc và rửa bằng nước cất vài lần, sau đó sấy hủy sinh học tạo điều kiện cho quá trình xử khô ở 450C. lý sinh học. Nguyên lý chính của công nghệ V A 1: Nguồn DC này là dùng các tác nhân oxy hóa, chất xúc 1 2: anode tác, điện, bức xạ…kết hợp với nhau trong 3: cathode một điều kiện phản ứng phù hợp sẽ tạo ra gốc 2 3 4: Buồng phản ứng oxy hóa OH. Gốc OH được biết đến là tác nhân có khả năng oxy hóa rất mạnh, có khả 4 5: thiết bị khuấy từ năng phân hủy các chất hữu cơ rất tốt, nhưng 6: Máy cấp khí khả năng tồn lưu của chất này trong môi 6 trường rất ngắn và rất dễ phản ứng với các tạp chất trong môi trường. 5 Công nghệ Fenton điện hóa đang được Hình 1. Mô hình fenton điện hóa nghiên cứu và áp dụng trong thời gian gần Quy trình thực hiện thí nghiệm: Hình 1 thể đây đã thể hiện được khả năng loại bỏ tạp hiện mô hình xử lý nước thải dệt nhuộm bằng chất hữu cơ hòa tan rất tốt với chi phí đầu tư công nghệ Fenton điện hóa. Buồng phản ứng và vận hành thấp, ít tốn thời gian. Một nhược là 1 cốc thủy tinh 500 ml, điện cực than chì điểm của phương pháp này là việc loại bỏ được kết nối với nguồn điện DC (MATRIX Fe2+ xúc tác ra khỏi nước thải. Để khắc phục MPS-3005S), khoảng cách điện cực được giữ nhược điểm đó, vật liệu Fe3O4 vừa đáp ứng cố định 2 cm trong tất cả nghiệm thức. được yêu cầu xúc tác vừa dễ dàng tách ra Không khí được cấp với tốc độ 1 lít khí/1 lít khỏi nước thải và có thể tái sử dụng để giảm nước/phút gần cathode, Fe3O4, pH, hiệu điện chi phí vận hành và chi phí xử lý bùn thải. thế được điều chỉnh theo từng nghiệm thức. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu xử lý nước Thời gian xử lý là 30 phút, sau đó Fe3O4 thải dệt nhuộm bằng công nghệ Fenton được tách khỏi nước bằng nam châm điện. điện hóa xúc tác dị thể Fe3O4” là rất cần Phần nước được sử dụng để phân tích COD thiết để tìm ra điều kiện thích hợp nhất của và độ màu. các yếu tố ảnh hưởng, từ đó nâng cao hiệu Thiết kế thí nghiệm: Sử dụng phần mềm quả xử lý và có thể phát triển sang quy mô Modde 5.0 (Umetrics, Umea, Sweden) để công nghiệp để ứng dụng vào thực tế. thiết lập kế hoạch thí nghiệm. Phương pháp bề mặt đáp ứng, kế hoạch CCF được sử VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP dụng, 3 yếu tố được khảo sát là: nồng độ Fe2+ 547
  3. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học [X1; 1, 2, 3 mMol/400ml nước thải], pH [X2; Phương pháp phân tích: pH (TCVN 2, 3, 4], và hiệu điện thế [X3; 10, 15, 20V]. 2 6492:2011 với máy pH SevenCompact hàm mục tiêu đánh giá hiệu quả xử lý là S220); độ màu (TCVN 6185:2008 với máy COD và độ màu đầu ra có dạng: đo quang phổ Photolab 6100 VIS); COD 3 3 3 3 (TCVN 6491:1999); TSS (TCVN Y   0    i xi    ii xi2    ij xi x j   6625:2000). i 1 i 1 i 1 j 1 Trong đó: Y là COD và độ màu sau xử lý; 0, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN i, ii, ij là các hệ số hồi quy; xi, xi2, xixj là Phương trình hồi quy các yếu tố khảo sát, 𝜀 là sai số. Bảng 2. Phân tích phương sai ANOVA Y1 – R2=0.879; R2Adj. = 0.853 Y2 – R2=0.910; R2Adj. = 0.891 DF SS MS F p SS MS F p Total 51 295168 5787.61 453965 8901.27 Constant 1 281946 281946 417974 417974 Corrected 50 13221.6 264.432 35990.7 719.814 Regression 9 11626.5 1291.84 33.2049 0 32762.5 3640.28 46.233 0 Residual 41 1595.1 38.9049 3228.24 78.7375 Lack of Fit 5 400.436 80.0871 2.41334 0.055 599.353 119.871 1.64151 0.174 Pure Error 36 1194.67 33.1852 2628.89 73.0246 Note: SS: Sum of square; MS: Mean of square; F: Fisher value; p: p values; DF: Degree of freedom Theo bảng 2, với hàm mục tiêu COD, độ tin Với hàm mục tiêu độ màu, độ tin cậy của mô cậy của mô hình R2 = 0.879, độ tin cậy hiệu hình R2 = 0.910, độ tin cậy hiệu chỉnh R2Adj = chỉnh R2Adj = 0.853 tương đương với R2 cho 0.891 tương đương với R2 cho thấy các yếu thấy các yếu tố khảo sát đã giải thích phần tố khảo sát đã giải thích phần lớn kết quả thí lớn kết quả thí nghiệm. Kiểm tra sự hồi quy nghiệm. Kiểm tra sự hồi quy cho thấy hệ số p cho thấy hệ số p value = 0 (< 0.05) và tính value = 0 (< 0.05) và tính toán Lack of fit toán Lack of fit cho thấy hệ số p value = cho thấy hệ số p value = 0.174 (> 0.05) vậy 0.055 (> 0.05) vậy nên số liệu thực nghiệm nên số liệu thực nghiệm rất có ý nghĩa về mặt rất có ý nghĩa về mặt thống kê ở mức ý nghĩa thống kê ở mức ý nghĩa 95%. 95%. Bảng 3. Các hệ số hồi quy của phương trình thực nghiệm COD Độ màu Thông số Mã hóa Hệ số p Hệ số p Constant 55.2864 1.36E-32 60.8028 3.45E-28 Fe2+ X1 -2.66667 0.024137 7.86667 1.78E-05 pH X2 0.533335 0.642024 11 3.27E-08 U X3 -5.86667 6.88E-06 -7.66667 2.64E-05 Fe *Fe2+ 2+ X1X1 12.5822 1.09E-06 22.1784 1.25E-08 pH*pH X2X2 7.24882 0.002037 16.1784 6.50E-06 U*U X3X3 12.5822 1.09E-06 12.1784 0.000359 Fe2+*pH X1X2 2 0.123905 6.875 0.000478 Fe2+*U X1X3 -6.00001 2.81E-05 8.875 1.55E-05 pH*U X2X3 4.66667 7.02E-04 -5.95833 0.002067 548
  4. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Dựa vào bảng cho thấy chỉ số p value của số 7.86667X1 + 11X2 – 7 .66667X3 + hạng b2 và số hạng b12 với hàm mục tiêu 22.1784X1X1 + 16.1784X2X2 + COD lần lượt là 0.642024 và 0.123905 đều 12.1784X3X3+ 6.875X1X3 + 8.875X1X2 – lớn hơn 0.05 nên không có ý nghĩa về mặt 5.95833X2X3. thống kê, nó cho thấy b2X2 và b12X1X2 không Theo bảng 4, ta thấy hiệu suất xử lý COD và tác động lớn đến mô hình thực nghiệm và số độ màu rất tốt. Cụ thể, tại nồng độ Fe2+ = 2 hạng b2, b12 bị loại trừ. Với hàm mục tiêu độ mMol, pH= 2.8 và hiệu điện thế U = 16.4 V. màu, chỉ số p value đều có giá trị nhỏ hơn Giá trị COD và độ màu đều đạt QCVN 0.05 nên tất cả các số hạng đều có ý nghĩa về 13:2015/BTNMT, cột A. Điều này chứng tỏ mặt thống kê. rằng, giá trị tính toán của mô hình phù hợp Phương trình hồi quy: vói giá trị thực nghiệm. Mặt khác, khi đạt Hàm mục tiêu COD: Y1 = 55.2864 – điều kiện phản ứng tối ưu cũng chính là điều 2.66667X1 – 5.86667X3 + 12.5822X1X1 + kiện để gốc oxy hóa OH sinh ra nhiều nhất. 7.24882X2X2 + 12.5822X3X3 – 6.00001X1X3 (Tran et.al, 2005). + 4.66667X2X3. Hàm mục tiêu độ màu: Y2 = 60.8028+ Bảng 4. Kết quả thực nghiệm khảo sát điều kiện tối ưu của 3 thông số pH, nồng độ Fe2+ và hiệu điện thế Kết quả đo QCVN Trun Hiệu Thông Đơn Đầu Phương 13:2015/BTN Stt Lần Lần g suất số vị vào Lần 1 sai MT 2 3 bình (%) Cột A 1 COD mg/l 480 48 48 48 48 90 0 100 Độ Pt- 2 5280 57 61 51 56.3 98.9 25.3 75 màu Co 85.0 82.5 101.8 79.9 97.4 77.4 93.0 74.9 88.6 72.4 84.1 79.7 69.9 75.3 67.4 70.9 64.9 66.4 62.4 62.0 59.9 57.6 57.4 53.2 Hình 2. Đồ thị bề mặt đáp ứng theo hàm mục tiêu COD và độ màu tại U = 16.4V Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm mục tiêu của hàm mục tiêu nằm trong vị trí lõm nhất COD và độ màu tại hiệu điện thế U=16.4V của đồ thị. Dựa vào đồ thị đường đồng mức có dạng lõm, các nét vạch đồng tâm chính là trên cho thấy, giá trị COD và độ màu thấp các đường đồng mức mà tại đó có giá trị nhất lần lượt nằm trong khoảng dưới 53.2 COD và độ màu bằng nhau và khoảng cực trị mg/l và 57.4 Pt-Co. a) Theo hàm mục tiêu COD b) Theo hàm mục tiêu độ màu  Độ  Mức trên  Mức dưới màu/COD Hình 3. Ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả xử lý 549
  5. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ tính mạnh hơn và bền hơn Fe3O4 để thuận lợi Kết luận cho việc tách và thu hồi chất xúc tác, tăng Nghiên cứu sử dụng công nghệ Fenton điện cao hiệu quả xử lý. hóa xúc tác dị thể Fe3O4 để xử lý nước thải Nghiên cứu có thể được thực hiện với các dệt nhuộm. Kết quả cho thấy, khả năng loại loại vật liệu điện cực khác như: TiO2/IrO2; bỏ COD và độ màu rất tốt tại nồng độ Fe2+ = Platin, BDD (Boron-doped diamond)… 2mMol cao hơn kết quả các nghiên cứu của Mở rộng nghiên cứu xử lý các loại nước thải (Dinh et al., 2009) (có nồng độ Fe 2+ = khác có các hợp chất hữu cơ độc hại khó 1mMol), pH= 2.8 tương ứng với tất cả các phân hủy sinh học có nồng độ cao như nước nghiên cứu trước (có giá trị pH = 3) (Dinh et thải công nghiệp hóa dầu, sản xuất thuốc bảo al., 2008; Patel et al., 2013) và hiệu điện thế vệ thực vật, dầu khí, sản xuất giấy và thuộc U = 16.4V thấp hơn so với nghiên cứu da,… (Nidheesh et al., 2014) (có giá trị hiệu điện Việc tính toán chi phí vận hành (chi phí hóa thế U = 20V). chất điều chỉnh pH, điện năng…) chưa thể So sánh với QCVN 13:2015/BTNMT, giá trị thực hiện chính xác trong điều kiện phòng thí COD và độ màu sau xử lý đạt cột A. nghiệm, cần tiến hành nghiên cứu với mô Đề nghị hình pilot trong điều kiện thực tế để xác định Nghiên cứu vật liệu làm chất xúc tác khác được chi phí vận hành và khẳng định điều ngoài Fe3O4 như Fe3O4/Mn3O4, Fe3O4/CeO2 kiện phản ứng. (Xu Lejin el.at, 2012) và một số hợp chất từ TÀI LIỆU THAM KHẢO BỘ TNMT 2015. “QCVN 13:2015/BTNMT”. Bộ Tài Nguyên Môi Trường. Hà Nội. ĐINH THỊ MAI THANH VÀ LÊ THỊ HỒNG NHUNG (2008), "Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý phenol bằng phương pháp Fenton điện hóa", Tạp chí Hóa Học. TRẦN MẠNH TRÍ, TRẦN MẠNH TRUNG (2005), "Các quá trình oxy hóa bậc cao trong xử lý nước và nước thải", Cơ sở khoa học và ứng dụng, Nhà Xuất bản Khoa học - kỹ thuật. BARB W.G., BAXENDALE J.H., GEOR P., HARGRAVE K.R. (1951), "Reaction of ferrous and ferric ions with hydrogen peroxide". Transactions of the Faraday Society, 47, pp. 426 - 500. EPA (1999), Standard Methods for the Examination of Water and WasteWater APHA. JAAFARZADEH N., KAKAVANDI B., TAKDASTAN A., KALANTARY R.R., AZIZI M., JORFI S. (2015), “Powder activated carbon/Fe3O4 hybrid composite as a highly efficient heterogeneous catalyst for Fenton oxidation of tetracycline: degradation mechanism and kinetic”, RSC Advances, pp. 84718-84728. 550
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2