Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật môi trường: Nghiên cứu khử một số màu nhuộm hoạt tính bằng phương pháp keo tụ điện hóa

46 - Sự phân hủy màu của màu nhuộm được tính toán thông qua hệ số hấp thụ c ực đại của máy quang phổ UV -Vis: Hi ệu suất khử m àu (%) = 100 0 0 x A AA  A o : Đ ộ hấp thụ của dịch nhuộm ban đầu; A: Đ ộ hấp thụ của dịch nhuộm sau xử lý. Đi ện năng và chi phí Đi ện năng ti êu thụ và chi p hí x ử lý đ ược tính toán dựa trên nghiên cứu của Abdel và c ộng sự cho bởi các phương trình sau (Abdel và cộng sự, 2012). Đi ện năng t iêu th ụ (kWh/ m 3 ) Chi phí xử lý = Giá đi ện * Đi ện tiêu thụ Trong đó: U: hi ệu thế đặt tại hai bản điện cực (V), I: cư ờng độ dòngđiện (A), t: th ời gian điện phân (giây), V: th ể tích bình phản ứng ( lít) Giá đi ện tại v i ệt nam quy đổi ra USD l à 0.06 USD/kWh = 1200 - 1500 VNĐ/kWh.

47 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ TH ẢO LUẬN 4.1 Xây dựng đường chuẩn của màu nhuộm Sau khi pha dung d ịch m àu, quét bước sóng từ 380 – 750 nm xác đ ịnh đ ược bước sóng ứng với độ hấp thu cực đại (A max ), đo đ ộ h ấp thu với bước sóng này (λ max ) đư ợc B ảng 4.1 . T ừ đó lập đ ược đường chu ẩn của MN. B ảng 4.1. Đ ộ 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% Đ ộ hấp thu (Abs) Đ ộ màu (Pt-Co) COD (mg/L) Đ ộ hấp thu (Abs) Đ ộ 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 λ max 600 541

48 Hình 4.1 Đ ồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ và độ màu vào hàm lượng màu c ủa m àu Sunzol Black B 150%ở b ư ớc sóng 600 nm Hình 4.2 Đ ồ thị biểu thị sự phụ thu ộc độ hấp thụ và độ màu vào hàm lượng màu của màu Sunfix Red S3B 100%ở b ư ớc sóng 541 nm 4.2 Mối liện hệ giữa cường độ, mật độ dòng và thế giữa các điện cực Mối liện hệ giữa cường độ mật độ và hiệu thế giữa 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/m 2 . Hơn nữa như đề cập tại chương 3 khoảng cách giữa các điện cực được giử cố định 15 mm vì

49 vậy mật độ dòng ứng với mỗi thông số cường độ sẽ là hằng số. Mối liên hệ giữa các thông số được biểu diễn trong bảng 4.2. Bảng 4.2 Mối liên hệ giữa cường độ, mật độ dòng và hiệu thế trong thí nghiệm điện hóa Cường độ Mật độ Diện tích bề mặt Thế ban đầu Thế sau cùng I J S U đầu U cuối [A] [A/ m 2 ] [cm 2 ] [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 hóa 4.3.1 Pha màu Ở nhiệt độ th ường độ hòa tan MN rất hạn chế. Để tạo dung dịch màu cho quá trình x ử lý, chúng tôi ti ến hành pha màu theo quy trình trong m ục 3.3., chương 3 có nêu. Quá trình tr ải qua nhiều giai đoạn như: Đun nóng, khuấy từ, chỉnh pH… Nh ằm mục đích t ạo ra mẫu dung dịch chứa MN “tan hoàn toàn” và MN trong dung dịch phải ở dạng “thủy phân”. Nh ắc lại: Tr ong nư ớc thải nhuộm dạng tồn tại của màu nhuộm hoạt tính là dạng th ủy phân. S─ R─T ─X + OH → S ─ R─ T─ OH + HX V ới cấu trúc này, độ hòa tan trong dd c ủa MN rất cao, vì thế khả năng xử lý triệt để màu r ất khó khăn. 4.3.2 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu và các yếu tố khảo sát 4.3.2.1 L ựa chọn đối t ượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là màu Sunzol Black B và Sunfix Red S3B. Đây là một trong s ố nhiều m àu hoạt tính vẫn còn ít nghiên cứu. Hơn nữa, sau khi khảo sát một số cơ

50 sở nhuộm, chúng tôi thấy đây là một trong số những màu được sử dụng nhiều ở TP. HCM và có thành ph ần độc hại cao cho môi tr ường.  Sunzol Black B (SBB): Có ph ần hoạt tính là vinilsulfon, trong phân tử có hai nhóm mang màu azobenzen t ạo n ên màu xanh đen của MN, cấu trúc khá đối xứng .  D ạng tồn tại trong dung dịch xử lý là dạng thủy phân hoàn toàn (Hình 4. 3 và 4.4) Chưa th ủy phân Th ủy phân Hình 4.3 Dạng tồn tại của Sunzol Black B trong dung dịch  Sunfix Red S3B (SRB) có g ốc mang m àu azo, với phần hoạt tính h ỗn h ợp cả Triazin l ẫn Vinyl sulphone. Chưa th ủy phân Th ủy phân Hình 4.4 Dạng tồn tại của màu Sunfix Red S3B 4.3.2.2 Các y ếu tố khảo sát Quá trình điện hóa khử màu thuốc nhuộm chịu ảnh hưởng của các yếu tố, trong nghiên c ứu này chúng tôi kh ảo sát ảnh h ưởng của các yếu tố sau: 1. pH 2. Hàm lư ợng muối Sulphate 3. M ật đ ộ dòng

51 4. Thời gian điện hóa 5. N ồng độ chất m àu Khi kh ảo sát ảnh hưởng của yếu tố nào thì yếu tố đó thay đổi trong quá trình thí nghi ệm, các yếu tố khác đ ược giữ cố định. Kết quả thích hợp đạt được cho một yếu t ố, sẽ được lựa chọn ch o thí nghi ệm khảo sát yếu tố tiếp theo. 4.4 Xác định các yếu tố thích hợp cho quá trình khử màu bằng điện hóa 4.4.1 Xác định pH thích hợp pH quy ết định dạng tồn tại của ion keo tụ và thuốc nhuộm trong dung dịch, pH quá cao hay quá th ấp đều ảnh hưởng không tốt đến h i ệu quả xử lý. Để xác định pH t ối ưu cho quá trình khử màu chúng tôi tiến hành khảo sát ở các điểm pH 3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12 khi c ố định các yếu tố nồng độ chất màu, n ồng độ sulphate, m ật đ ộ dòng trong m ột khoảng thời gian xác định thu đư ợc kết quả biểu di ễn như hình sau: Hình 4.5 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý màu và COD (SO 4 2- 1200 mg/l; 65,0 A/m 2 ; 4,0 phút cho SRS và 43,3 A/m 2 ; 7,0 phút cho SBB) Nh ận xét : Qua đ ồ thị ta thấy được khoảng pH để c ác quá trình kh ử màu nhuộm hi ệu quả l à 6 - 11. Ở pH = 11 hi ệu suất kh ử với hai m àu là tốt nhất , hi ệu quả khử màu và COD c ủa SBB là 70,4 và 55,1%, v ới SRB gi ảm 46,1 và 42,4% . Vi ệc này r ất hợp lý v ì theo Divagar và c ộng sự (Lakshmanan và c ộng sự , 2009) ngư ỡng keo t ụ c ủ a Fe 3+ đ ạt hiệu quả cao nhất tại pH 6 - 11, t ại đây dạng tồn tại của Fe 3+ ch ủ yếu c ủa l à Fe(OH) 3 có kh ả năng loại m àu rất hiệu quả (hình 4.6).

52 Hình 4.6 Dạng tồn tại của Fe 3+ trong dung dịch ở các pH khác nhau Hiệu suất có sự chênh lệch lớn có thể do sự sai khác về mật độ dòng và thời gian trong quá trình kh ảo sát thí nghiệm ri êng của mỗi màu. Hơn n ữa, bản chất nư ớc thải dệt nhuộm đầu ra thường là 9 - 12 (B ảng 1.2) , vì th ế việc lựa chọn điều ki ện pH thích hợp nằm trong ngư ỡng n ày có lợi thế rất lớn về chi phí trung hòa nư ớc thải, do đó 11 được lựa chọn cho các thí nghiệm tiếp theo của SBB và SR S. 4.4.2 Xác định nồng độ sulphate tối ưu Trong nư ớc thải dệt nhuộm hàm lượng sulphate luôn rất cao ảnh hưởng lớn đ ến khả năng xử lý n ư ớc thải trong thực tế vì chúng gây ức chế vi sinh trong công trình x ử lý sinh học hay giảm hiệu quá trong quá trình keo tụ tạo bông. Nghiên c ứu kh ảo sát ngưỡng sulphate từ 800 – 2000 mg/l nh ằm tìm hiểu ảnh hưởng của yếu tố này đ ến quá trình keo tụ điện hó a k ết quả thu được với hai màu được trình bày theo hình 4.7.

53 Hình 4.7 Ảnh h ưởng của nồng độ sulphate đến khả năng khử màu c ủa SBB và SBR (pH 11; 65,0 A/m 2 , 4,0 phút cho SRS và 43,3 A/m 2 ; 7,0 phút cho SBB) Nh ận xét: Qua bi ểu đồ trên ta thấy rằng: Nồn g đ ộ muối sulphate có ảnh hưởng Đ ến khả năng khử màu của cả hai màu nhưng không đáng kể (chênh lệch 3 -5%). Khi n ồng độ muối tăng quá cao có xu hướng giảm hiệu suất khử màu k ết quả này c ũng được khẳng định trong nghiên c ứu c ủa Primitivo (Del Ángel và c ộng sự , 2014) khi n ồn g đ ộ sulphate quá cao làm giảm hiệu quả keo tụ . Chúng tôi ch ọn nồng độ 500 và 1200 mg/l cho các thí nghi ệm tiếp theo của SR S và SBB. 4.4.3 Xác định mật độ dòng tối ưu M ột trong những yếu tố chính trong xử lý điện hóa chính là m ật đ ộ dòng, m ật đ ộ d òng càng cao, l ư ợng electron tách khỏ i anot càng nhi ều, l ượng ion kim loại sinh ra càng l ớn khả năng khử màu theo đ ó c ũng tăng lên. Tuy nhiên mật đ ộ càng l ớn l ượng điện năng tiêu thụ và rũi ro v ề an to àn cũng tăng theo (định luật Faraday) vi ệc xác định được giá trị thích h ợp vừa đủ hiệu quả nhưng tiết kiệm, an toàn là rất c ần thiế t. Thí nghi ệm n ày thay đổi mật độ dòng từ 43,3 - 130,0 A/m 2 , đ ể chọn ra giá trị thích hợp nhất trong quá trình giảm màu.

54 Hình 4.8 Ảnh hưởng của mật độ dòng đ ến khả năng khử màu (pH 11; 4,0 phút, SO 4 2- 1200 mg/l cho SRS và SO 4 2- 1400 mg/l; 7,0 phút cho SBB) Nh ậ n xét: Hình 4.8 cho th ấy rằng hiệu quả có th ể ghi nh ận rỏ khi J ≥ 108,3 A/m 2 , ở giá tr ị thấp hơn hiệu quả thường không cao. hi ệu suất gi ảm màu tại mật độ này đối v ới cả hải m àu nhuộm đ ạt r ất cao > 97% việc tối ưu hóa không c òn ý nghĩa. Các thí nghi ệm trước đây c ũng ch ứng minh được tốc độ và khả năng loại bỏ chất ô nhiễm tăng theo cư ờng độ d òng điện. Thí nghiệm của Umran Tezcan Un và c ộng sự (2009) (Tezcan Ün và c ộng sự , 2009) cho k ết quả % COD xử lý tăng từ 63,8% lên 70,2% khi m ật đ ộ dòng tăng 150 A/m 2 lên 250 A/cm 2 . K.S. Parama Kalyani và c ộng s ự (200 9) (Kalyani và c ộng sự , 2009) c ũng đã nêu ra kết quả thí nghiệm là hiệu quả x ử lý COD tăng 58% l ên 84% v ới cường độ dòng điện 5 0 A/m 2 lên 150 A/m 2 . Tuy nhiên, cư ờng độ dòng điện tăng dẫn đến điện thế tăng theo, làm cho trong bể ph ản ứng có các tác dụng phụ như n hi ệt tăng. Đồng thời chi phí vận hành cũng tăng theo do tải trọng điện tích cần thiết và lượng sắt bị oxy hóa tăng. Do đó, cần giới h ạn cường độ dòng điện để tránh những phản ứng phụ và giảm chi phí vận hành. Vì th ế chúng tôi l ựa chọn m ật độ 86,6 A/m 2 v ới hi ệu suất khử m àu và COD lần lượt 98,1và 64,8% cho SBB và 68,5và 48,5% cho SRS cho thí nghi ệm xác định thời gian ph ản ứng thích hợp.

55 4.4.4 Xác định thời gian điện hóa tối ưu Cùng v ới m ật đ ộ d òng, thời gian xử lý chính là một trong những thông số quan tr ọng nhất trong quá trình điện hóa, thời gian càng tăng lượng ion kim loại thoát ra t ừ anot càng nhi ều, hiệu suất cũng tăng lên. Nhưng c ũng giống với m ật đ ộ đ òng , th ời gian càng dài năng lượng sinh ra càng lớn (định luật Faraday), tốn thêm chi phí đ ộng thời l àm gia nhi ệt phản ứng. V ì thế việc xác định được thời điểm dừng thích h ợp cho quá trình xử lý là một trong những yêu cầu cơ bản của xử lý bằng dòng đi ện. Do yếu tố quan trọng của thời gian phản ứng chúng tôi thực hiện lần lượt nhi ều thí nghiệm thay đổi từ 2 - 13 phút, v ới các yếu tố khác được giử cố đ ịnh như b ảng 4.3 và xác đ ịnh được ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả khử màu theo hình 4.9 sau. Bảng 4.3 Thông số các yếu tố trong thí nghiệm thay đổi thời gian Thông số pH SO 4 2- Mật độ dòng Nồng độ màu nhuộm Thời gian Màu nhu ộm - [mg/l] [A/m 2 ] [mg/l] [Phút] SBB 11 1400 86.6 50 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 SRS 11 1200 86.6 50 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8