Nghiên cứu khả năng xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm bằng hệ quang xúc tác TiO2 - Phạm Nguyễn Kim Tuyến

Tài liệu Nghiên cứu khả năng xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm bằng hệ quang xúc tác TiO2 - Phạm Nguyễn Kim Tuyến: TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 3(28) - Thaùng 5/2015 39 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ ĐỘ MÀU NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM BẰNG HỆ QUANG XÚC TÁC TiO2 PHẠM NGUYỄN KIM TUYẾN(*) TÓM TẮT Nghiên cứu khả năng xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm bằng hệ quang xúc tác TiO2 dạng bột trong quy mô phòng thí nghiệm đã được thực hiện. Trước tiên, chúng tôi tiến hành khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình xử lý độ màu bằng hệ quang xúc tác dạng bột, từ đó đưa ra điều kiện tối ưu hóa nhằm ứng dụng vào xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế bằng việc thêm các tác nhân bổ trợ như O2 và H2O2. Kết quả thu được cho thấy việc thêm O2, H2O2 có thể tăng hiệu suất xử lý nước thải và hệ xúc tác TiO2 cho thấy có độ bền rất cao, hoạt tính xử lý methylen xanh gần như không giảm sau 4 lần sử dụng liên tiếp. Khi kết hợp hệ xúc tác TiO2 với O2/H2O2 để xử lý một số nguồn nước thải thật với đầu vào có độ màu tương ứng với đầu ra của chuẩn cột B thì kết quả cho thấy trong thời gian 90 phút, ...

pdf12 trang | Chia sẻ: quangot475 | Ngày: 18/01/2021 | Lượt xem: 34 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Nghiên cứu khả năng xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm bằng hệ quang xúc tác TiO2 - Phạm Nguyễn Kim Tuyến, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 3(28) - Thaùng 5/2015 39 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ ĐỘ MÀU NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM BẰNG HỆ QUANG XÚC TÁC TiO2 PHẠM NGUYỄN KIM TUYẾN(*) TÓM TẮT Nghiên cứu khả năng xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm bằng hệ quang xúc tác TiO2 dạng bột trong quy mô phòng thí nghiệm đã được thực hiện. Trước tiên, chúng tôi tiến hành khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình xử lý độ màu bằng hệ quang xúc tác dạng bột, từ đó đưa ra điều kiện tối ưu hóa nhằm ứng dụng vào xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế bằng việc thêm các tác nhân bổ trợ như O2 và H2O2. Kết quả thu được cho thấy việc thêm O2, H2O2 có thể tăng hiệu suất xử lý nước thải và hệ xúc tác TiO2 cho thấy có độ bền rất cao, hoạt tính xử lý methylen xanh gần như không giảm sau 4 lần sử dụng liên tiếp. Khi kết hợp hệ xúc tác TiO2 với O2/H2O2 để xử lý một số nguồn nước thải thật với đầu vào có độ màu tương ứng với đầu ra của chuẩn cột B thì kết quả cho thấy trong thời gian 90 phút, độ màu của nước thải sau khi qua hệ xúc tác đều đạt tiêu chuẩn loại A của QCVN 13: 2008/BTNMT, dưới 50 Pt-Co. Kết quả này cho thấy khả năng ứng dụng hệ TiO2 kết hợp O2/H2O2 vào thực tế là rất cao. Từ khóa: TiO2, xử lý độ màu, nước thải dệt nhuộm, methylene xanh, xúc tác quang hóa ABSTRACT Research is carried out in lab-scale for optimizing the decolorization of textile wastewater under powdered TiO2 photocatalytic system. Study was conducted to evaluate the parameters that can effect on the textile wastewater decolorization process over TiO2 powdered photocatalyst. The optimum condition is obtained and the addition of O2, H2O2 can improve the treatment efficiency. TiO2 system also showed very high stable and recycle ability, the methylene blue treatment output remains unchanged after 4 consecutive uses. When the combination of TiO2 system and O2/H2O2 was applied to real wastewater sources that have input color corresponding to standard output of column B, the results showed that after a period of 90 minutes running through the catalytic system, all the wastewater sources had color indexes of 50 in Pt/Co scale (standard type A). It proved a very promising opportunity for full-scale application of the TiO2 system with O2/H2O2 catalysts. Keyword: TiO2, decolorization, textile wastewater, methylene blue, photocatalytic 1. PHẦN MỞ ĐẦU (*) Nước thải dệt nhuộm là sự tổng hợp nước thải phát sinh từ tất cả các công đoạn hồ sợi, nấu tẩy, tẩy trắng, làm bóng sợi, nhuộm in và hoàn tất. Theo phân tích của các chuyên gia, trung bình, một nhà máy dệt nhuộm sử dụng một lượng nước đáng (*)TS, Trường Đại học Sài Gòn kể, trong đó, lượng nước được sử dụng trong các công đoạn sản xuất chiếm 72,3%, chủ yếu là trong công đoạn nhuộm và hoàn tất sản phẩm [1]. Xét hai yếu tố là lượng nước thải và thành phần các chất ô nhiễm trong nước thải, ngành dệt nhuộm được đánh giá là ô nhiễm nhất trong số các ngành công nghiệp [2-4]. Trong số các chất 40 ô nhiễm có trong nước thải dệt nhuộm, thuốc nhuộm là thành phần khó xử lý nhất, đặc biệt là thuốc nhuộm azo không tan – loại thuốc nhuộm được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, chiếm 60-70% thị phần [1]. Thông thường, các chất màu có trong thuốc nhuộm không bám dính hết vào sợi vải trong quá trình nhuộm mà bao giờ cũng còn lại một lượng dư nhất định tồn tại trong nước thải. Lượng thuốc nhuộm dư sau công đoạn nhuộm có thể lên đến 50% tổng lượng thuốc nhuộm được sử dụng ban đầu [1,3,5]. Xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm có rất nhiều phương pháp bao gồm cả sinh học và hóa lý, trong đó các phương pháp hóa lý thường được áp dụng là các quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs – Advanced Oxidation Processes) [4-10] . AOPs được xem là những công nghệ nổi bật trong xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm trong nước thải nhờ không gây ô nhiễm thứ cấp như các phương pháp khác. Trong số các AOPs thì quá trình xúc tác quang đang được ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường. Đặc điểm nổi bật của quá trình xúc tác quang là các chất hữu cơ có thể đạt đến mức vô cơ hóa hoàn toàn, không phát sinh ra bùn bã thải, chí phí đầu tư và vận hành thấp, thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường, có thể sử dụng nguồn UV nhân tạo hoặc thiên nhiên và không cần dùng thêm bất cứ loại hóa chất oxy hóa nào [9,10]. Đối với quá trình quang xúc tác trên nền TiO2 thì ngoài các ưu điểm giống như các AOPs khác, xúc tác TiO2 là một loại hóa chất phổ biến, không độc, bền hóa học với quá trình quang xúc tác, ít bị ảnh hưởng bởi pH và có thể tái sử dụng [10]. Trong nghiên cứu này, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử độ màu nước thải dệt nhuộm bằng hệ quang xúc tác TiO2 trong qui mô phòng thí nghiệm được khảo sát. Ngoài ra, nghiên cứu cũng tiến hành thí nghiệm nâng cao hiệu suất xử lý khi thêm O2 và H2O2 vào hệ. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất – dụng cụ Xúc tác titanium dioxide (TiO2) dạng bột và methylene xanh (MB) sử dụng trong quá trình nghiên cứu được mua từ hãng Merck - Đức. Trong khi đó, congo đỏ và orange cam có xuất xứ từ Trung Quốc. Mẫu nước thải sau khi được xử lý bằng hệ quang xúc tác TiO2 dạng bột được đem đi ly tâm tách TiO2 bằng máy ly tâm Beoco U320R và đo mật độ quang để xác định độ màu bằng máy đo quang DR3000. 2.2. Nguồn nước thải dệt nhuộm Nghiên cứu khả năng xử lý độ màu của nước thải dệt nhuộm của quá trình quang xúc tác TiO2 được thực hiện trên nguồn nước thải giả định và nguồn nước thải thật. Đầu tiên nghiên cứu thực hiện trên nguồn nước thải giả định được pha chế từ thuốc nhuộm methylen xanh C16H18N3ClS (M = 373.9g/mol), để chọn các điều kiện tối ưu cho các thí nghiệm chạy ứng dụng trên các loại nước thải giả định khác được pha chế từ dung dịch orange cam C16H10N2Na2O7S2 (M = 452,3g/mol) và congo đỏ C32H22N6Na2O6S2 (M= 696,6g/mol) và nước thải thật. Yêu cầu độ màu đầu vào trước khi xử lý của nước thải dệt nhuộm trong nghiên cứu này là phải lớn hơn 150Pt-Co (yêu cầu loại B của QCVN 13:2008/BTNMT). 2.3. Mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm được thực hiện trên ba hệ là hệ có chiếu UV, Vis và hệ tối. Đối với hệ UV, mô hình thí nghiệm gồm thùng xốp hình chữ nhật với kích thước 70x50cm và đèn UV (loại UV – A dài 60 cm, bước sóng từ 320 - 380nm, công suất 15W). Đối với hệ VIS, mô hình thí nghiệm gồm thùng 41 xốp hình chữ nhật với kích thước 50x40cm và đèn Vis (dài 40 cm, bước sóng từ 400 - 700nm, công suất 15W). Mỗi đèn được bố trí cố định ngay phía trên becher đựng dung dịch thải nhằm cung cấp photon cho quá trình quang xúc tác. Ngoài ra, mỗi thùng được dán giấy bạc chắn sáng để đảm bảo điều kiện thí nghiệm. Trên mỗi nắp thùng tiến hành khoét hai lỗ: một lỗ để cách khuấy, còn lỗ còn lại để rút mẫu và quan sát cánh khuấy có hoạt động bình thường hay không để kịp thời điều chỉnh. Dung dịch phản ứng được đặt trong becher 250ml và được khuấy trộn liên tục bằng cách khuấy trong quá trình phản ứng. Hệ thống cánh khuấy gồm hai cánh khuấy tự tạo bằng ống hút gắn vào motor. Hệ thống sục khí O2 bằng cách sử dụng máy đẩy khí để thổi O2 vào đáy becher. Đối với hệ tối thì mô hình thí nghiệm được bố trí tương tự như hai hệ trên nhưng khác là không có chiếu sáng. Mô hình thí nghiệm xử lý nước thải bằng hệ quang xúc tác TiO2 trong ba điều kiện chiếu UV, Vis và tối được trình bày ở hình 1. 2.4. Phương pháp thực hiện Mỗi lần chạy mô hình được tiến hành cùng một lúc trên ba hệ UV, Vis và tối nhằm giảm bớt sai số từ mỗi lần pha dung dịch. Dung dịch nước thải và TiO2 cần dùng được cho vào 3 becher 250 ml, khuấy đều. Đặt 3 becher vào ba mô hình tương ứng cho ba hệ UV, Vis và tối. Trong quá trình chạy mô hình với thời gian 90 phút liên tục, định kỳ sau 30 phút là lấy 10ml mẫu đem đi ly tâm tách TiO2 với tốc độ 4300 vòng/5 phút trước khi đo quang để tính toán hiệu suất phản ứng. Hình 1. Mô hình thí nghiệm xử lý nước thải của ba hệ UV, Vis và tối 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác 3.1.1. Khả năng tự phân hủy của methylen xanh dưới bức xạ UV, Vis Khảo sát khả năng tự phân hủy của methylen xanh bằng bức xạ UV khi không có xúc tác trong điều kiện khuấy từ liên tục để có thể xác định chính xác hoạt tính thực sự của quá trình quang xúc tác. Kết quả đo độ hấp thu quang, nồng độ của MB trước và sau khi xử lý được thể hiện ở bảng 1. 42 Bảng 1. Hiệu suất chuyển hóa MB sau 90 phút không có xúc tác Thời gian Độ hấp thu quang của MB Nồng độ của MB Hiệu suất UV 0 0.8092 9.95x10 -6 0.5% 90 phút 0.7412 9.12x10 -6 8.8% Vis 0 0.8123 9.99x10 -6 0.1% 90 phút 0.8062 9.91x10 -6 0.9% Khi khuấy từ và chiếu sáng bức xạ UV liên tục trong 90 phút thì hàm lượng MB phân hủy là 8,8%, dưới bức xạ Vis chỉ 0,9%. Như vậy bức xạ UV có khả năng phân hủy MB, còn bức xạ Vis có thể xem như không ảnh hưởng. Chính vì thế, trong các thí nghiệm với xúc tác tiếp theo, hiệu suất phản ứng sẽ được trừ đi phần tham gia của đèn UV để có được hoạt tính chuyển hóa xúc tác chính xác. 3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ MB Để xác định mức độ ảnh hưởng do nồng độ ban đầu của các dung dịch lên hiệu suất phân hủy các chất hữu cơ, đã tiến hành khảo sát với 3 mẫu dung dịch tự tổng hợp methylen xanh có nồng độ thay đổi là 10 -5 M, 2x10 -5 M, 3x10 -5 M, 5x10 -5 M, 7x10 - 5M, hàm lượng xúc tác TiO2 tối ưu là 0.5g TiO2/250ml. Sự thay đổi hiệu suất phân hủy quang hóa của các dung dịch phản ứng khi có sự thay đổi nồng độ dung dich được biểu diễn ở hình 2. Kết quả cho thấy khi tăng nồng độ dung dịch nước thải thì hiệu suất xử lý ở hệ UV giảm 3% và hệ Vis thì giảm 12%, điều này cho thấy TiO2 có khả năng xử lý tốt MB ở nồng độ thấp. Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ tác chất đến hiệu suất xử lý 3.1.3. Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác Trong quá trình quang xúc tác dị thể, hàm lượng chất xúc tối thiểu là đại lượng cần được xác định. Để nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đối với quá trình quang phân hủy các hợp chất hữu cơ, phản ứng quang hóa được thực hiện với 43 dung dịch giả định methylene xanh nồng độ 3.10-5M (tương ứng độ màu là 198 Pt- Co), với các hàm lượng xúc tác thay đổi 0,5g, 0,25g và 0,125g TiO2/250ml ở ba hệ UV, Vis và tối. Hình 3. Hiệu suất xử lý độ màu theo khối lượng chất xúc tác Hiệu suất xử lý giảm theo khối lượng của xúc tác nhưng không nhiều ở cả 3 hệ (tối, Vis và UV). Điều này có thể do tâm hoạt động trên bề mặt TiO2 và khả năng truyền sáng vào dung dịch vì khi tăng hàm lượng xúc tác là làm tăng tâm hoạt động tham gia phản ứng nhưng cũng gián tiếp làm giảm khả năng truyền sáng đến dung dịch từ đó thể tích vùng phản ứng bị giảm đi. Ngoài ra, theo nghiên cứu thì khối lượng 2g TiO2/l là khối lượng tối ưu [11] , do đó không có hiện tượng TiO2 kết tụ lại và điều này làm cho một phần bề mặt TiO2 không thể hấp thụ ánh sáng cũng như hấp phụ các chất hữu cơ dẫn đến hiệu suất phản ứng cũng giảm. 3.1.4. Khả năng tái sử dụng của xúc tác TiO2 Tái sử dụng lại xúc tác là một trong yếu tố nổi bật nhằm nâng cao tính khả thi của việc áp dụng quá trình quang xúc tác TiO2. Để nghiên cứu khả năng tái sử dụng của xúc tác ta tiến hành thí nghiệm với 0,5gTiO2/250ml nước thải methylene xanh ở nồng độ 3.10-5M. Thực nghiệm cho thấy không có sự suy giảm nào về hoạt tính của TiO2 ở cả 3 hệ xúc tác tối, Vis và UV. Theo một vài công trình nghiên cứu của Al-Sayyed và Mills cũng cho biết không có sự suy giảm hoạt tính sau 10 chu trình liên tiếp được sử dụng trong phản ứng phân hủy 4-Clorophenol. Đây là một triển vọng có thể tái sử dụng lại xúc tác để giảm hóa chất và chi phí xử lý. 44 Hình 4. Khả năng tái sử dụng của chất xúc tác TiO2 3.2. Nâng cao hiệu suất xử lý của hoạt tính quang xúc tác 3.2.1. Nâng cao hiệu suất xử lý khi thêm oxy vào hệ Nhằm khảo sát ảnh hưởng của oxy, thí nghiệm vẫn giữ điều kiện khảo sát 0,125gTiO2/250ml, methylene xanh ở nồng độ 3.10-5M nhưng có thêm oxy vào hệ thống sục khí, hệ chạy liên tục trong 30 phút sau đó lấy mẫu đi quang trắc. Ảnh hưởng của oxy đến hiệu suất xử lý thực nghiệm chạy mô hình được biểu diễn ở hình 5. Hình 5. Ảnh hưởng của oxy đến hiệu suất xử lý methylene xanh Dựa vào biểu đồ ở hình 5 ta thấy hiệu suất xử lý khi sục thêm oxy vào dung dịch trong quá trình thực hiện thí nghiệm ở cả hai hệ đèn Vis và UV thì hiệu suất đều tăng, ở hệ đèn Vis hiệu suất tăng 3,02% và ở hệ đèn UV tăng 3,97%. Như đã trình bày ở phần trên thì việc sục oxy vào hệ đã ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu quả của quá trình 45 quang xúc tác TiO2. Oxy đã góp phần ngăn chặn sự tái hợp giữa e- và lỗ trống tạo thành tác nhân oxy hóa là anion peroxyt. Khi đó, O2 và O2 •- đều có thể tạo thành gốc •OH bổ sung theo các phản ứng [11,12]: TiO2 (e - ) + O2 → TiO2 + O2 •- (1) 2 O2 •- + 2H2O → H2O2 + 2OH - + O2 (2) TiO2 (e - ) + H2O2 → TiO2 + OH - + • OH (3) 3.2.2. Nâng cao hiệu suất xử lý khi thêm H2O2 vào hệ TiO2 kết hợp với H2O2 và lượng O2 hòa tan trong nước tạo nên các phản ứng tạo thành OH, các gốc tự do •OH phản ứng với hầu hết các hợp chất hữu cơ hấp phụ trên bề mặt TiO2 và có thể oxy hóa chúng đến sản phẩm cuối cùng. Để xác định mức độ ảnh hưởng H2O2 đến hiệu suất phản ứng, thí nghiệm với 0.125g TiO2/250ml ở nồng độ 3x10-5M được tiến hành khảo sát với H2O2 30% ở thể tích là 0 ml; 0,5 ml; 1 ml; 1,5 ml; 2 ml; 3 ml và 4 ml, hệ đèn UV chạy trong 30 phút. Kết quả khảo sát cho thấy H2O2 không có khả năng xứ lý methylene xanh khi không có xúc tác TiO2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của H2O2 đến hoạt tính quang xúc tác của TiO2 được biểu diễn trong hình 6. Hình 6. Hiệu suất xử lý theo thể tích H2O2 trong 30 phút Kết quả ở hình 6 cho thấy khi tăng thể tích H2O2 từ 0,5 ml lên 1 ml thì hiệu suất cũng tăng tử 60% đến 80% nhưng khi tăng thể tích H2O2 lên nhiều hơn 2 ml thì hiệu suất xử lý của hệ xúc tác giảm dần. Như vậy, khi tăng quá nhiều H2O2 sẽ làm giảm hiệu suất xử lý của quá trình quang xúc tác. Điều này có thể giải thích là do lượng H2O2 thêm vào dung dịch nhiều tạo nên các phản ứng [12,13]: H2O2  2 OH (4) OH + H2O2  HO2 (5) OH + OH  H2O2 (6) OH + H2  H + H2O (7) OH + HO2   H2O + O2 (8) Lượng H2O2 nhiều nên cũng sẽ tạo được nhiều gốc OH (phản ứng 4). Các gốc OH có thể tự phản ứng với nhau tạo H2O2 và khi đó gốc OH dư sẽ phản ứng H2O2 tạo thành gốc và lúc này gốc OH sẽ phản ứng với gốc mới tạo thành H2O và O2. Ngoài ra, trong nước cũng có H2, lúc này gốc OH phản ứng với H2 sinh ra H  và H2O. Do đó, gốc OH giảm dẫn đến hiệu suất phản ứng giảm. Với 1ml H2O2 thêm vào thì hiệu suất 46 xử lý độ màu tăng cao nhất, do đó 1 ml H2O2 là thể tích tối ưu. Vì vậy, trong các nghiên cứu sau, thể tích H2O2 là 1 ml được chọn để tiến hành thí nghiệm. 3.2.3. Nâng cao hiệu suất xử lý khi thêm O2 và H2O2 vào hệ Để nâng cao hiệu suất, O2 và H2O2 được thêm vào hệ tạo thành một hệ xúc tác mới. Hệ xúc tác O2, H2O2 và TiO2 khảo sát với methylene xanh 3x10-5M, khối lượng xúc tác 0,125g TiO2/250ml, nồng độ 1x10 - 5 M và 1 ml H2O2 trong khoảng thời gian là 30 phút ở cả hai hệ Vis và UV, sau đó lấy mẫu phân tích. Thực nghiệm cho ta có thể so sánh hiệu suất theo hình 7. Dựa vào biểu đồ trên ta có thể nhận xét H2O2 nâng hiệu suất phản ứng của hệ quang xúc tác cao hơn nhiều so với O2, hiệu suất từ 48% lên 81%. Hệ xúc tác H2O2, O2 và 0,125g TiO2/250ml nước thải ở nồng độ 3x10 -5 M với thời gian 30 phút có hiệu suất đạt 87%, cao hơn tất cả các điều kiện ở cùng thời gian khối lượng xúc tác và lượng khí O2 cung cấp vào hệ. Do đó điều kiện tối ưu để xử lý độ màu nước thải là 1 ml H2O2, O2 và 0,125g TiO2/250ml. Hình 7. So sánh hiệu xử lý ở các hệ xúc tác khác nhau 3.3. Mở rộng khảo sát Ứng dụng vào thực tế là một điều khá khó khăn đối với các nghiên cứu khoa học, nhằm đưa nghiên cứu thực tế hơn chúng tôi chọn một những điểm tối ưu của đề tài để chạy ứng dụng với một vài loại nước thải tổng hợp và trên nước thải thật. 3.3.1. Tiến hành thí nghiệm trên nước thải tổng hợp khác Như trình bày ở phần trên, đối với nước tổng hợp từ thuốc nhuộm acid orange và congo đỏ thực hiện thí nghiệm ở nồng độ 1x10 -5M với điều kiện tối ưu như khi thí nghiệm trên mẫu nước thải tự tổng hợp bởi thuốc nhuộm methylen xanh là 1ml H2O2, O2 và 0,125g TiO2/250ml. Để có thể kiểm chứng độ chính xác lại quá trình chạy mẫu thì chúng tôi tiến hành chạy thêm ba điều kiện là 0,125g TiO2/250ml; 0,125g TiO2/250ml kết hợp thêm O2 vào hệ và 47 0,125g TiO2/250ml kết hợp 1ml H2O2 thời gian tiến hành thí nghiệm là 30 phút. Hình 8 và 9 thể hiện hiệu suất xử lý ở 4 điều kiện. Hình 8. Khả năng xử lý thuốc nhuộm congo đỏ Hình 9. Khả năng xử lý thuốc nhuộm acid orange Dựa vào kết quả có thể thấy các nguồn nước thải khác nhau dù ở cùng nồng độ sẽ có ảnh hưởng khác nhau lên hiệu suất phản ứng do phụ thuộc vào cấu tạo hóa học, khối lượng phân tử của hợp chất màu. Xét về cấu tạo hóa học thì acid orange là thuốc nhuộm monoazo còn congo đỏ là diazo, congo đỏ có cấu tạo phức tạp và khối lượng phân tử lớn hơn so với acid orange, dẫn đến xúc tác oxy hóa thuốc nhuộm congo đỏ sẽ khó hơn so với acid orange. Do đó hiệu suất xử lý của acid orange cao 48 hơn so với congo đỏ, hiệu suất xử lý ở điều kiện tối ưu thì thuốc nhuộm congo đỏ là 67,22% còn acid orange với hiệu suất là 70,92% . Trong 30 phút với hiệu suất của hai mẫu nước thải tự tổng hợp đều xấp xỉ 70%, để có thể xử lý độ màu đạt tiêu chuẩn loại A của QCVN 13: 2008/BTNMT ta tiến hành khảo sát ở điều kiện tối ưu và tăng thời gian xử lý. 3.3.2. Tiến hành thí nghiệm với nước thải thực tế Tiến hành khảo sát bốn hệ quang xúc tác với cả hai loại đèn UV và Vis, trong quá trình chạy mô hình thì cứ 30 phút lấy mẫu đem ly tâm tách TiO2 sau đó trắc quang theo đường chuẩn đo độ màu đơn vị Pt-Co. Sau 90 phút, ở hệ đèn UV ở tất cả bốn điều kiện thì độ màu của nước thải đều đạt tiêu chuẩn loại A. Kết quả xử lý nước thải thật sau 90 phút được thể hiện trong hình 10. Hình 10. Khả năng xử lý độ màu nước thải thật của TiO2 trong 90 phút Dựa vào kết quả cho thấy, khả năng xử lý độ màu là rất cao đã đạt tiêu chuẩn loại A QCVN13:2008/BTNMT dưới 50Pt-Co. Và ở hệ quang xúc tác có sục khí oxy và thêm 1ml H2O2 với đèn UV là thấp nhất với 21Pt- Co và đèn Vis 65 Pt-Co đã gần đạt tiêu chuẩn loại A cần chạy với thời gian dài hơn để trong hệ đèn Vis đạt tiêu chuẩn. Ngoài ra, chúng tôi còn tiến hành khảo sát ở hệ quang xúc tác có sục khí oxy và thêm 1ml H2O2 với đèn UV với độ màu cao hơn là 1198 Pt-Co thì sau 90 phút độ màu giảm còn 151 Pt-Co gần đạt tiêu chuẩn loại B. 3.3.3. So sánh hiệu suất xử lý hệ UV/TiO2 và UV/CeO2 Trong quá trình thí nghiệm chúng tôi có chạy với xúc tác CeO2, là một chất mới được phát hiện và đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Cerium (IV) oxit, còn được gọi là oxit ceric, ceria, xeri oxit hoặc xeri dioxide, là một oxit xeri kim loại đất hiếm, là bột có màu trắng vàng nhạt và công thức hóa học CeO 2. Cerium (IV) oxit kết hợp với kim loại như Ni, Cu, Pdvà oxit kim loại như ZnO, Al2O3, CuO , xử lý khí NOx, metan, các hợp chất hữu cơ khó phân 49 hủy như các hợp chất trong thuốc nhuộm, thuốc diệt cỏ[13] Để có thể so sánh một cách tương quan nhất vì hai chất xúc tác có khối lượng phân tử khác nhau do đó ở cùng một khối lượng thì số lượng hạt của CeO2 sẽ ít hơn so vơi TiO2. Do đó ta qui về số mol để có thể so sánh, lấy khối lượng của TiO2 làm chuẩn từ đó suy ra số mol và khối lượng thực tế của CeO2 cần dùng. Sau khi tính toán với 0,125g TiO2 và 0,2693g CeO2 là cùng số mol. Thí nghiệm tiến hành với hai hệ xúc tác UV/TiO2 và UV/ CeO2 với 250ml nước thải tự tổng hợp từ thuốc nhuộm methylen xanh có nồng độ M3 chạy liên tục trong 90 phút sau đó lấy mẫu trắc quang kiểm tra nồng độ. Kết quả thể hiện ở bảng 2 cho thấy hiệu suất xử lý độ màu của TiO2 cao hơn 65.8% so với CeO2. Bảng 2. So sánh hiệu suất xử lý của hệ xúc tác UV/TiO2 và UV/CeO2 Hệ xúc tác Độ hấp thu quang A Nồng độ Hiệu suất UV/TiO2 0.2495 3.87E-06 87.1% UV/CeO2 0.3822 2.36E-05 21.3% 4. KẾT LUẬN Dựa vào kết quả của quá trình khảo sát khả năng xử lý độ màu của nước thải dệt nhuộm với hệ quang xúc tác TiO2, một số kết luận được rút ra như sau: Bức xạ UV có khả năng phân hủy thuốc nhuộm MB, nồng độ dung dịch nước thải ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý nhưng không nhiều, khối lượng xúc tác trong khoảng nghiên cứu (từ 0,125g đến 0,5g trong 250 ml dung dịch) ít ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý, khi giảm khối lượng xúc từ 0,5g xuống còn 0,125g (thời gian xử lý trong 90 phút) thì hiệu suất chỉ giảm khoảng 5%. TiO2 có khả năng tái sử dụng cao, hiệu suất xử lý gần như không giảm sau bốn lần tái sử dụng. Oxy ảnh hưởng không lớn đến quá trình quang xúc tác TiO2 để oxy hóa các chất hữu cơ, trong khi đó, hydrogen peroxide ảnh hưởng nhiều đến khả năng xử lý của quá trình quang xúc tác. Thể tích hydrogen peroxide/250ml nước thải tối ưu là 1ml. Hệ quang xúc tác TiO2 khi sục thêm oxy và hydrogen peroxide nâng cao hiệu suất hơn nhiều so với hệ xúc tác UV/TiO2. Hệ xúc tác thêm H2O2, O2 với bức xạ UV có hiệu suất đạt 87% còn hệ xúc tác TiO2/UV đạt hiệu suất 48% trong 30 phút. Hiệu quả xử lý đối với nhưng loại thuốc nhuộm có cấu tạo hóa học đơn giản và khối lượng phân tử nhỏ hiệu quả hơn so với thuốc nhuộm khác có khối lượng phân tử lớn. Khảo sát trên nước thải tự nhiên với khoảng thời gian 90 phút ở tất cả các hệ khảo sát với đèn UV độ màu đều đạt tiêu chuẩn loại A dưới 50Pt-Co. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Kamaljit Singh, Sucharita Arora (2011), Removal of Synthetic Textile Dyes From Wastewaters: A Critical Review on Present Treatment Technologies, environmental science and technology, 41, 807-878. 2. Lei Zhang, Jacqueline Manina Cole (2014), TiO2-assisted photoisomerization of azo dyes using self-assembled monolayers: case study on para-methyl red towards solar- cell applications, Applied Material and Interfaces, 6, 3742-3749. 3. Nguyễn Thị Hường (2011), Hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm của hai phương pháp đông tụ điện hóa và oxi hóa bằng hợp chất fenton, Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 6(35), 102-106. 4. Nguyễn Ngọc Lân, Nguyễn Thanh Thuyết, Lê Minh Đức (2001), Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp đông tụ điện, Tuyển tập báo cáo toàn văn Hội nghị chuyên ngành điện hóa và ứng dụng, Đại học Quốc gia Hà Nội, 5. Nguyễn Đắc Vinh, Nguyễn Văn Nội, Lưu Văn Bôi, Nguyễn Hồng Hạnh (2006), Nghiên cứu tiền xử lý nước thải dệt nhuộm làng nghề Vạn Phúc bằng phương pháp keo tụ, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 3, 62-67. 6. Phan Đình Tuấn, Nguyễn Trần Huyền Anh (2008), Nghiên cứu ứng dụng than tràm hoạt tính trong xử lý nước thải dệt nhuộm, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, T. 11, S. 8, 13-18. 7. Nguyễn Thị Xuân Nhân (2010), Nghiên cứu thực nghiệm xử lý màu hoạt tính trong nước thải dệt nhuộm bằng mô hình công nghệ sinh học kỵ khí hai giai đoạn, Khóa luận tốt nghiệp Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM. 8. Bùi Thị Vụ (2011), Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp keo tụ kết hợp oxy hóa H2O2 sử dụng hoạt hóa tia UV thử nghiệm trên mô hình pilot phòng thí nghiệm, Đề tài nghiên cứu khoa học của giảng viên trường Đại học dân lập Hải Phòng. 9. Andreozzi R., Caprio V., Insola A., Marotta R.(1999), Advanced Oxidation Processes (AOPs) for water furication and recovery, Catalysis Today, 53, 51-59. 10. Rein M. (2001), Advanced Oxidation Processes – Current Status And Prospects, Proc. Estonian Acad. Sci. Chem., 50 (2), 59–80. 11. Yunbing Hea Zumin Qiu, Xiaocheng Liu, Shuxian Yu (2005). Catalytic oxidation of the dye wastewater with hydrogen peroxide. Chemical Engineering and Processin, 44,1013–1017 12. Oyama T., Zhang T., Aoshima A., Hidaka H., Zhao J., Serpone N. (2001), Photooxidative N-demethylation of methylene blue in aqueous TiO2 dispersions under UV irradiation, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 140, 163–172. 13. Mas Rosemal, H. Mas Haris, Kathiresan Sathasivam (2009), The removal of methyl red from aqueous solutions using banana Pseudostem Fibers, American Journal of applied sciences 6(9), 1690-1700. * Ngày nhận bài: 19/9/2014. Biên tập xong: 24/4/2015. Duyệt đăng: 04/5/2015.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdf101_0803_2221591.pdf
Tài liệu liên quan