Sử dụng bùn đỏ biến tính và tia uv làm xúc tác cho quá trình phân hủy phẩm màu hữu cơ

- Nghiên cứu áp dụng điều kiện của quá trình Fenton và bùn đỏ biến tính cho dung dịch mẫu phẩm và mẫu nước thải.. - Phương pháp theo dõi nồng độ các chất màu trắc quang UV – vis - Phương

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô của trường Đại học Lâm Nghiệp, khoa Quản lý tài nguyên rừng và Môi trường, đặc biệt là các thầy cô Trung tâm phân tích môi trường của trường đã tạo điều kiện cho

em thực hiện khóa luận này

Em cũng xin chân thành cám ơn TS Vũ Huy Định và Ths Đặng Thế Anh

đã nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành tốt bài khóa luận Trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo khóa luận, khó tránh khỏi sai sót

Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp thầy, cô để bài khóa luận của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 18 tháng 5 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Vũ Thùy Dương

TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1 Tên khóa luận tốt nghiệp:

“SỬ DỤNG BÙN ĐỎ BIẾN TÍNH VÀ TIA UV LÀM XÚC TÁC CHO

QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY PHẨM MÀU HỮU CƠ”

2 Giáo viên hướng dẫn: TS Vũ Huy Định

Ths Đặng Thế Anh

3 Sinh viên thực hiện: Vũ Thùy Dương

4 Mục tiêu nghiên cứu

- Mục tiêu tổng quan: Góp phần tìm kiếm vật liệu có khả năng xúc tác cho quá trình oxi hóa nâng cao xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy

5 Đối tượng nghiên cứu

- Bùn đỏ: Sản phẩm thải của quá trình sản xuất nhôm tại nhà máy Aluminum Tân Rai – Bảo Lâm – Lâm Đồng

- Phẩm màu: Được cung cấp bởi công ty TNHH Thương Mại Tân Hồng Phát – số 92 Cửa Bắc, Quán Thánh, Ba Đình, Hà Nội

6 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu biến tính bùn đỏ thành vật liệu có khả năng xúc tác

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton và bùn đỏ biến tính như: pH, H2O2, xúc tác, thời gian tia UV, ion cản,…

- Nghiên cứu áp dụng điều kiện của quá trình Fenton và bùn đỏ biến tính cho dung dịch mẫu phẩm và mẫu nước thải

7 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp biến tính bùn đỏ

- Phương pháp xác định đặc điểm bề mặt vật liệu (SEM)

- Phương pháp theo dõi nồng độ các chất màu (trắc quang UV – vis)

- Phương pháp xác định nhu cầu oxi hóa học (COD)

- Phương pháp khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton và bùn

đỏ biến tính

8 Những kết quả đạt được

Từ quá trình nghiên cứu, khóa luận đã đạt được những kết quả sau:

- Đưa ra được quy trình biến tính bùn đỏ: Bùn đỏ sau khi được biến tính

thành vật liệu có hoạt tính xúc tác cao Điều kiện phù hợp để biến tính bùn đỏ

thành hệ xúc tác xúc tác là: 0,75g Fe2(SO4)3/5g bùn đỏ, nung ở nhiệt độ 500o

C trong 3 giờ

- Đặc trưng vật liệu, tính chất bề mặt của bùn đỏ trước và sau xúc tác được

xác định bằng phương pháp SEM Kết quả cho thấy bề mặt bùn đỏ sau biến tính

có cấu trúc đặc khít hơn, ngoài ra trên bề mặt cấu trúc bùn đỏ có các khoảng

trống lớn do sự hòa tan tạo điều kiện cho các tiểu phân sắt (III) oxit bám trên bề

mặt bùn đỏ hình thành trung tâm xúc tác của hệ xúc tác

- Tìm được điều kiện tiến hành kỹ thuật Fenton sử dụng bùn đỏ kết hợp

với tia UV, xử lý phẩm màu, nước thải dệt nhuộm: Các yếu tố ảnh hưởng đến

hiệu suất khi áp dụng kỹ thuật Fenton dị thể dùng hệ xúc tác bùn đỏ cho đối

tượng phẩm màu RY160, DB199, DR 239, DR 224, AR 23 ở nồng độ 50 ppm

đã được nghiên cứu Điều kiện thích hợp: lượng bùn đỏ xúc tác 0,5 g/l; thể tích

H2O2 30% 0,05 ml; pH 2; tốc độ khuấy 120 vòng/phút Hệ xúc tác có khả năng

tái sử dụng nhiều lần, tuy nhiên hiệu suất xử lý phẩm màu có xu hướng giảm khi

tái sử dụng

- Đánh giá được khả năng áp dụng kỹ thuật Fenton xử lý bùn đỏ biến tính

và tia UV cho đối tượng nước thải dệt nhuộm, phẩm màu, kết quả xử lý COD

của các mẫu phẩm cho hiệu suất xử lý cao So sánh với QCVN

13:2015/BTNMT, kết quả sau khi xử lý COD của các mẫu đều nằm trong giới

hạn cho phép của quy chuẩn Còn COD của mẫu nước thải có hiệu suất xử lý

cũng tương đối cao, tuy nhiên COD chưa đạt quy chuẩn cho phép

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2

1.1 Sơ lược về phẩm nhuộm 2

1.2 Ảnh hưởng của nước thải dệt nhuộm 6

1.3 Tổng quan về vật liệu nghiên cứu 7

1.3.1 Nguồn phát sinh 7

1.3.2 Đặc tính bùn đỏ 8

1.3.3 Các hướng xử lý môi trường sử dụng bùn đỏ 9

1.4 Các công thức của phẩm màu 13

1.5 Các phương pháp xử lý nước thải 15

1.5.1 Phương pháp hấp phụ 15

1.5.2 Phương pháp oxi hóa nâng cao 16

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton 18

1.7 Phản ứng Fenton kết hợp với tia UV 19

1.7.1 Tia UV 19

1.7.2 Phản ứng Fenton kết hợp với tia UV 20

1.8 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 21

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 23

2.2 Đối tượng nghiên cứu 23

2.3 Nội dung nghiên cứu 23

2.4 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ 23

2.4.1 Hóa chất 23

2.4.2 Thiết bị 25

2.4.3 Dụng cụ 25

2.5 Phương pháp nghiên cứu 26

2.5.1 Phương pháp biến tính vật liệu 26

2.5.2 Phương pháp xác định đặc điểm bề mặt vật liệu (SEM) 26

2.5.3 Phương pháp theo dõi nồng độ các chất màu (trắc quang UV – vis) 26

2.5.4 Phương pháp xác định nhu cầu oxi hóa học COD 28

2.5.5 Phương pháp khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton bùn đỏ biến tính và tia UV 30

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

3.1 Nghiên cứu biến tính bùn đỏ 32

3.1.1 Điều kiện biến tính 32

3.1.2 Đặc điểm bề mặt của bùn đỏ biến tính 32

3.2 Xác định bước sóng hấp thụ đặc trưng và xây dựng đường chuẩn 34

3.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton bùn đỏ biến tính 38

3.3.1 Ảnh hưởng của hydropeoxit 39

3.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác 40

3.3.3 Ảnh hưởng của pH 41

3.3.4 Ảnh hưởng của thay đổi thời gian tia UV 42

3.3.5 Ảnh hưởng của ion cản 42

3.3.6 Tái sử dụng xúc tác Red Mud-Fe(III) 46

3.3.7 Hiệu suất xử lý các phẩm màu thông dụng 47

3.4 Khảo sát khả năng áp dụng điều kiện của quá trình Fenton bùn đỏ biến tính cho dung dịch mẫu phẩm và mẫu nước thải 47

3.4.1 Hiệu suất xử lý COD của mẫu phẩm 47

3.4.2 Hiệu suất xử lý COD nước thải dệt nhuộm của làng nghề Vạn Phúc 49

KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Danh mục các hóa chất cần thiết cho nghiên cứu 24

Bảng 2.2 Danh mục các thiết bị cần thiết cho nghiên cứu 25

Bảng 2.3 Danh mục các dụng cụ cần thiết cho nghiên cứu 25

Bảng 3.1 Bước sóng hấp thụ cực đại của các phẩm màu 34

Bảng 3.2 Đường chuẩn nồng độ và độ hấp thụ quang của các phẩm màu 35

Bảng 3.3 Hiệu suất xử lý COD của mẫu phẩm 48

Bảng 3.4 Kết quả đo COD của mẫu nước thải 49

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Bùn đỏ ở Lâm Đồng (nguồn: lamdongtv.vn) 8

Hình 2.1 Bùn đỏ sử dụng tia UV và máy khuấy 31

Hình 3.1 Bùn đỏ biến tính 32

Hình 3.2 Ảnh SEM của bùn đỏ sau biến tính với các kích thước khác nhau 33 Hình 3.3 Phổ UV – vis của các phẩm màu : RY 160, DB 199, DR 239, DR 224, AR 23 35

Hình 3.4 Tương quan giữa độ hấp thụ quang và nồng độ của các phẩm: RY 160, DB 199, DR 239, DR 224, AR 23 38

Hình 3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác tới hiệu quả xử lý 39

Hình 3.6 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác tới hiệu quả xử lý 40

Hình 3.7 Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả xử lý 41

Hình 3.8 Ảnh hưởng của thay đổi thời gian tia UV tới hiệu quả xử lý 42

Hình 3.9 Ảnh hưởng của ion clorua tới hiệu quả xử lý 43

Hình 3.10 Ảnh hưởng của ion sunfat tới hiệu quả xử lý 44

Hình 3.11 Ảnh hưởng của ion nitrat tới hiệu quả xử lý 45

Hình 3.12 Hiệu suất xử lý phẩm màu khi tái sử dụng bùn đỏ qua 2 lần xử lý 46 Hình 3.13 Hiệu suất xử lý các màu thông dụng 47

Hình 3.14 Biểu đồ thể hiện nồng độ COD trước và sau xử lý, hiệu suất xử lý COD của mẫu phẩm 48

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AR 23 Acid red 23: Thuốc nhuộm màu đỏ vang

COD Chemical oxygen demand: Nhu cầu oxy hóa học

DB 199 Direct Blue 199: Thuốc nhuộm màu xanh

DR 224 Direct Red 224: Thuốc nhuộm màu đỏ sen

DR 239 Direct Red 239: Thuốc nhuộm màu đỏ cờ

EDX Engery dispersive X-ray spectroscopy:Phổ tán xạ năng lƣợng tia X

RM Red mud: bùn đỏ

RY 160 Reactive Yellow 160: Phẩm màu vàng 160

SEM Scanning electron microscope: Kính hiển vi điện tử quét

UV-vis Ultraviolet-visible spectroscopy : Phổ tử ngoại khả kiến

MỞ ĐẦU

Hiện nay, trước sự phát triển ngày càng lớn mạnh của đất nước về kinh tế

và xã hội, đặc biệt là sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp đã ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sống của con người, kèm theo đó là nhu cầu đời sống của người dân càng nâng cao Trong đó, ngành công nghiệp dệt nhuộm có những bước phát triển mạnh mẽ, tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng có chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường Trong nền kinh tế quốc dân, ngành dệt nhuộm chiếm một vị trí khá quan trọng vì đây là một trong những ngành công nghiệp không chỉ góp phần việc giải quyết vấn đề công ăn việc làm trong xã hội mà còn thúc đẩy tăng trưởng nhanh kim ngạch xuất khẩu cho đất nước Tuy vậy, ô nhiễm môi trường do nước thải ngành dệt nhuộm là một thực tế cần có giải pháp xử lý và là nhiệm vụ rất cần thiết [1], [2]

Trong những năm gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu và sử dụng các phương pháp khác nhau nhằm xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải như: phương pháp vật lý, phương pháp sinh học, phương pháp hoá học, phương pháp điện hoá [4] Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế nhất định về mặt kỹ thuật cũng như mức độ phù hợp với điều kiện kinh tế của từng quốc gia Trong đó, việc xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại bằng phương pháp hấp phụ kết hợp và oxi hóa nâng cao với hiệu ứng Fenton là một trong những hướng nghiên cứu mới đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu [3]

Việc tìm ra vật liệu có khả năng xúc tác cho quá trình oxi hóa nâng cao vẫn đang được quan tâm, nhằm tìm ra vật liệu có hoạt tính xúc tác cao, rẻ tiền dễ

kiếm, ít ảnh hưởng đến môi trường Tôi lựa chọn đề tài “Sử dụng bùn đỏ biến

tính và tia UV làm xúc tác cho quá trình phân hủy phẩm màu hữu cơ” tập

trung nghiên cứu biến tính bùn đỏ thành vật liệu xúc tác, có thể áp dụng xử lý phẩm màu có trong nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp Fenton dị thể sử dụng xúc tác bùn đỏ và tia UV

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sơ lược về phẩm nhuộm

Phẩm nhuộm (thường gọi: thuốc nhuộm), những hợp chất hữu cơ có màu,

có khả năng nhuộm màu các vật liệu như vải, giấy, nhựa, da Ngoài những nhóm mang màu (quinon, azo, nitro), phẩm nhuộm còn chứa các nhóm trợ màu như

OH, NH2 có tác dụng làm tăng màu và tăng tính bám của phẩm vào sợi [6]

Có hai cách để phân loại thuốc nhuộm:

 Phân loại thuốc nhuộm theo cấu trúc hóa học [6]:

 Thuốc nhuộm azo: nhóm mang màu là nhóm azo (-N=N-), phân tử thuốc nhuộm có một (monoazo) hay nhiều nhóm azo (diazo, triazo, polyazo) Đây là họ thuốc nhuộm quan trọng nhất và có số lượng lớn nhất, chiếm khoảng 60-70% số lượng các thuốc nhuộm tổng hợp, chiếm 2/3 các màu hữu cơ trong Color Index

 Thuốc nhuộm antraquinon: trong phân tử thuốc nhuộm chứa một hay nhiều nhóm antraquinon hoặc các dẫn xuất của nó :

Họ thuốc nhuộm này chiếm đến 15% số lượng thuốc nhuộm tổng hợp

 Thuốc nhuộm triaryl metan: triaryl metan là dẫn xuất của metan mà trong đó nguyên tử C trung tâm sẽ tham gia liên kết vào mạch liên kết của hệ mang màu:

diaryl metan

triaryl metan

Họ thuốc nhuộm này phổ biến thứ 3, chiếm 3% tổng số lượng thuốc nhuộm

 Thuốc nhuộm phtaloxianin: hệ mang màu trong phân tử của chúng là

hệ liên hợp khép kín Đặc điểm chung của họ thuốc nhuộm này là những nguyên

tử H trong nhóm imin dễ dàng bị thay thế bởi ion kim loại còn các nguyên tử N khác thì tham gia tạo phức với kim loại làm màu sắc của thuốc nhuộm thay đổi

Họ thuốc nhuộm này có độ bền màu với ánh sáng rất cao, chiếm khoảng 2% tổng số lượng thuốc nhuộm

Ngoài ra, còn các họ thuốc nhuộm khác ít phổ biến, ít có quan trọng hơn như: thuốc nhuộm nitrozo, nitro, polymetyl, arylamin, azometyn, thuốc nhuộm lưu huỳnh…

 Phân loại theo đặc tính áp dụng [6], [13], [9]:

Đây là cách phân loại các loại thuốc nhuộm thương mại đã được thống nhất trên toàn cầu và liệt kê trong bộ đại từ điển về thuốc nhuộm: Color Index (CI), trong đó mỗi thuốc nhuộm được chỉ dẫn về cấu tạo hóa học, đặc điểm về màu sắc và phạm vi sử dụng Theo đặc tính áp dụng, người ta quan tâm nhiều nhất đến thuốc nhuộm sử dụng cho xơ sợi xenlullo (bông, visco ), đó là các thuốc nhuộm hoàn nguyên, lưu hóa, hoạt tính và trực tiếp Sau đó là các thuốc nhuộm cho xơ sợi tổng hợp, len, tơ tằm như: thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ (cation), thuốc nhuộm axit

 Thuốc nhuộm hoàn nguyên, bao gồm:

- Thuốc nhuộm hoàn nguyên không tan: là hợp chất màu hữu cơ không tan trong nước, chứa nhóm xeton trong phân tử và có dạng tổng quát: R=C=O

Hợp chất này bắt màu mạnh vào xơ, sau đó khi rửa sạch kiềm thì nó lại trở về dạng layco axit và bị oxi không khí oxi hóa về dạng nguyên thủy

- Thuốc nhuộm hoàn nguyên tan: là muối este sunfonat của hợp chất layco axit của thuốc nhuộm hoàn nguyên không tan, R≡C-O-SO3Na Nó dễ bị thủy phân trong môi trường axit và bị oxi hóa về dạng không tan ban đầu

Khoảng 80% thuốc nhuộm hoàn nguyên thuộc nhóm antraquinon

 Thuốc nhuộm lưu hóa: chứa nhóm disunfua đặc trưng (D-S-S-D, D- nhóm mang màu thuốc nhuộm) có thể chuyển về dạng tan (D-S-) qua quá trình khử Giống như thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lưu hóa dùng để nhuộm vật liệu xenllulo qua 3 giai đoạn: hòa tan, hấp phụ vào xơ sợi và oxi hóa trở lại

 Thuốc nhuộm trực tiếp: đây là loại thuốc nhuộm anion có khả năng bắt màu trực tiếp vào xơ sợi xenllulo và dạng tổng quát: Ar-SO3Na Khi hòa tan trong nước, nó phân ly cho về dạng anion thuốc nhuộm và bắt màu vào sợi Trong mỗi màu thuốc nhuộm trực tiếp có ít nhất 70% cấu trúc azo, còn tính trong tổng số thuốc nhuộm trực tiếp thì có đến 92% thuộc lớp azo

 Thuốc nhuộm phân tán: đây là loại thuốc nhuộm này có khả năng hòa tan rất thấp trong nước (có thể hòa tan nhất định trong dung dịch chất hoạt động

bề mặt) Thuốc nhuộm phân tán dùng để nhuộm các loại xơ sợi tổng hợp kị nước Xét về mặt hóa học có đến 59% thuốc nhuộm phân tán thuộc cấu trúc azo, 32% thuộc cấu trúc antraquinon, còn lại thuộc các lớp hóa học khác

 Thuốc nhuộm bazơ – cation:

Các thuốc nhuộm bazơ trước đây dùng để nhuộm tơ tằm, ca bông cầm màu bằng tananh, là các muối clorua, oxalat hoặc muối kép của bazơ hữu cơ Chúng dễ tan trong nước cho cation mang màu Các thuốc nhuộm bazơ biến tính

- phân tử được đặc trưng bởi một điện tích dương không định vị - gọi là thuốc nhuộm cation, dùng để nhuộm xơ acrylic Trong các màu thuốc nhuộm bazơ, các lớp hóa học được phân bố: azo (43%), metin (17%), triazylmetan (11%), arcrydin (7%), antraquinon (5%) và các loại khác

 Thuốc nhuộm axit: là muối của axit mạnh và bazơ mạnh nên chúng tan trong nước phân ly thành ion: Ar-SO3Na → Ar-SO3-

+ Na+, anion mang màu thuốc nhuộm tạo liên kết ion với tâm tích điện dương của vật liệu Thuốc nhuộm axit có khả năng tự nhuộm màu xơ sợi protein (len, tơ tằm, polyamit) trong môi

trường axit Xét về cấu tạo hóa học có 79% thuốc nhuộm axit azo, 10% là

antraquinon, 5% triarylmetan và 6% các lớp hóa học khác

 Thuốc nhuộm hoạt tính: là thuốc nhuộm anion tan, có khả năng phản

ứng với xơ sợi trong những điều kiện áp dụng tạo thành liên kết cộng hóa trị với

xơ sợi Trong cấu tạo của thuốc nhuộm hoạt tính có một hay nhiều nhóm hoạt

tính khác nhau, quan trọng nhất là các nhóm: vinylsunfon, halotriazin và

halopirimidin

Dạng tổng quát của thuốc nhuộm hoạt tính: S – R – T – Y, trong đó :

- S : nhóm cho thuốc nhuộm độ hòa tan cần thiết (-SO3Na, -COONa, -SO2CH3)

- R : nhóm mang màu của thuốc nhuộm

- Y : nhóm nguyên tử phản ứng, trong điều kiện nhuộm nó tách khỏi

phân tử thuốc nhuộm, tạo khả năng cho thuốc nhuộm phản ứng với xơ (Cl,

-SO2, -SO3H, -CH=CH2, )

- T : nhóm mang nguyên tử hay nhóm nguyên tử phản ứng, thực hiện

liên kết giữa thuốc nhuộm và xơ

Là loại thuốc nhuộm duy nhất có liên kết cộng hóa trị với xơ sợi tạo độ

bền màu giặt và độ bền màu ướt rất cao nên thuốc nhuộm hoạt tính là một trong

những thuốc nhuộm được phát triển mạnh mẽ nhất trong thời gian qua đồng thời

là lớp thuốc nhuộm quan trọng nhất để nhuộm vải sợi bông và thành phần bông

trong vải sợi pha

Tuy nhiên, thuốc nhuộm hoạt tính có nhược điểm là: trong điều kiện

nhuộm, khi tiếp xúc với vật liệu nhuộm (xơ sợi), thuốc nhuộm hoạt tính không

chỉ tham gia vào phản ứng với vật liệu mà còn bị thủy phân

Ví dụ:

Thuốc nhuộm sunfatoetylsunfon Thuốc nhuộm Vinylsunfon

(dạng hoạt hóa của thuốc nhuộm gốc)

Thuốc nhuộm Vinylsunfon Xơ được nhuộm (X là O-Xenlullo)

Do tham gia vào phản ứng thủy phân nên phản ứng giữa thuốc nhuộm và

xơ sợi không đạt hiệu suất 100% Để đạt độ bền màu giặt và độ bền màu tối ưu, hàng nhuộm được giặt hoàn toàn để loại bỏ phần thuốc nhuộm dư và phần thuốc nhuộm thủy phân Vì thế, mức độ tổn thất đối với thuốc nhuộm hoạt tính cỡ 10÷50%, lớn nhất trong các loại thuốc nhuộm và màu thuốc nhuộm thủy phân giống màu thuốc nhuộm gốc nên nó gây ra vấn đề màu nước thải và ô nhiễm nước thải [2]

1.2 Ảnh hưởng của nước thải dệt nhuộm

Nguồn nước thải phát sinh trong công nghiệp dệt nhuộm từ các công đoạn

hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất Trong đó lượng nước thải chủ yếu

do quá trình giặt sau mỗi công đoạn Nhu cầu sử dụng nước trong nhà máy dệt nhuộm rất lớn và thay đổi tùy theo mặt hàng khác nhau Theo phân tích của các chuyên gia, lượng nước được sử dụng trong các công đoạn sản xuất chiếm 72,3%, chủ yếu là từ các công đoạn nhuộm và hoàn tất sản phẩm Người ta có thể tính sơ lược nhu cầu sử dụng nước cho 1 mét vải nằm trong phạm vi từ 12-

65 lít và thải ra 10 - 40 lít nước Vấn đề ô nhiễm chủ yếu trong ngành công nghiệp dệt nhuộm là sự ô nhiễm nguồn nước [6]

Các loại phẩm nhuộm tổng hợp có chứa các hợp chất azo đã có từ lâu đời

và ngày càng được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp dệt may, giấy, cao su, nhựa, da, mỹ phẩm, dược phẩm và các ngành công nghiệp thực phẩm do có đặc điểm là dễ sử dụng, giá thành rẻ, ổn định và đa dạng về màu sắc

so với màu sắc tự nhiên Tuy nhiên việc sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm và các

sản phẩm của chúng gây ra ô nhiễm nguồn nước ảnh hưởng tới sức khỏe của con người và môi trường sống

Khi đi vào nguồn nước tự nhiên như sông, hồ… với một lượng rất nhỏ của thuốc nhuộm đã cho cảm giác về màu sắc Màu đậm của nước thải cản trở sự hấp thụ oxy và ánh sáng mặt trời gây tác hại cho sự hô hấp, sinh trưởng của các loài thủy sinh, làm tác động xấu đến khả năng phân giải của vi sinh đối với các chất hữu cơ trong nước thải Đối với cá và các loài thủy sinh, các kết quả thử nghiệm trên cá của hơn 3000 loại thuốc nhuộm nằm trong tất cả các nhóm từ không độc, độc vừa, rất độc đến cực độc cho thấy có khoảng 37 % loại thuốc nhuộm gây độc cho cá và thủy sinh, khoảng 2 % thuộc loại rất độc và cực độc, các nghiên cứu cho thấy khả năng phân giải trực tiếp thuốc nhuộm hoạt tính bằng vi sinh rất thấp do đó thời gian tồn lưu dài trong môi trường [11], [12]

1.3 Tổng quan về vật liệu nghiên cứu

1.3.1 Nguồn phát sinh

Bùn đỏ là tên gọi một sản phẩm chất thải của công nghệ Bayer, phương pháp chủ yếu được áp dụng trong quá trình tinh luyện bauxite để sản xuất nhôm

Nó bao gồm một hỗn hợp các tạp chất rắn và kim loại và là một trong những vấn

đề về chất thải quan trọng nhất của ngành luyện nhôm Màu đỏ là do sắt bị oxy hoá, có thể chiếm đến 60% khối lượng của bùn đỏ

Bùn đỏ không thể dễ dàng xử lý Ở hầu hết các quốc gia, bùn đỏ được thải

ra, nó được bơm vào ao bùn đỏ Những "ao" chỉ đơn giản là khu vực đầy bùn đỏ,

nó chiếm diện tích đất chứa lớn và khu vực đất này không thể dùng cho xây dựng hay làm trang trại kể cả khi nó đã khô [10]

Cụ thể, bùn có màu đỏ là do có sự hiện diện của sắt bị ôxy hóa (có thể chiếm đến 60% khối lượng của bùn đỏ) Ngoài sắt, các thành phần chủ yếu khác của bùn đỏ gồm có cát, nhôm và một loại ô-xít titan có tên gọi anatase Nó cũng bao gồm cả các loại khoáng sản phóng xạ, ví dụ như uranium hoặc thorium

Dựa vào nguồn gốc, chất lượng và thành phần của bô-xít, lượng bùn đỏ còn sót lại sau qui trình nung chảy này sẽ khác nhau Với mỗi tấn ô-xít nhôm

được tạo thành (ô xít nhôm sau đó sẽ được điện phân để tạo thành nhôm nguyên chất), sẽ có từ khoảng 1/3 tới 2 tấn bùn đỏ

Ngoài ra, độ pH của bùn đỏ cũng rất lớn, do dung dịch natri hyđrô-xít dùng để nung chảy là rất đậm đặc Bùn đỏ đủ độc hại để giết chết động vật và thực vật, và thậm chí có thể gây bỏng, làm tổn thương đường hô hấp

Có thể nói sự nguy hiểm của bùn đỏ đối với sản xuất nhôm cũng tương tự như phóng xạ đối với nhà máy điện hạt nhân Để nhà máy điện hạt nhân vận hành an toàn thì phải che chắn thế nào để phóng xạ không thể lọt được ra ngoài

và xử lý rác thải hạt nhân cho thật an toàn đối với môi trường Đối với quá trình sản xuất nhôm cũng vậy, phải làm sao để bùn đỏ không tràn ra ngoài hồ chứa Nguyên lý là như vậy, rất đơn giản nhưng bằng công nghệ nào, vật liệu nào để làm được điều đó mới là quan trọng [1]

Hình 1.1 Bùn đỏ ở Lâm Đồng (nguồn: lamdongtv.vn)

1.3.2 Đặc tính bùn đỏ

Trong thành phần bùn đỏ có chứa các oxi và hidroxit các nguyên tố Al,

Fe, Si, Ti với tỉ lệ khá lớn, ngoài ra còn có các ion kim loại nặng độc hại như:

Mn, Cd, Cu, Cr Bản chất kiềm và thành phần kim loại nặng độc hại của bùn

đỏ tác động xấu đến môi trường và sức khỏe con người

Về khoáng học, bùn đỏ chứa những thành phần gần như bô xít như anatase, boehmite, canxite, gibsite, hematite, goethite, calcium ferrite, kaolinite

và một số các khoáng khác sinh ra từ quá trình thủy luyện, được chia làm 3 nhóm :

- “NAS” : 3(Na2O Al2O3 2SiO2)Na2X

Trong đó X là : CO22- 2OH-, SO42-, 2Cl-

- “CAS-CFS”: 3CaO(Fe2O3)x (Al2O3)1-x kSiO2 (6-2k)H2O

- “NT-CT”: Na2Ti3O7 3H2O, kassite, perovskite, portlandite

Có 3 kỹ thuật phân tích thường được dùng trong nghiên cứu bùn đỏ: Phân tích nhiệt vi sai (DTA), nhiễu xạ quang phổ hồng ngoại (IR) và nhiễu xạ tia X (X-ray)

Ngoài những tác hại cho môi trường như đã đề cập ở trên, một vấn đề khác cần quan tâm là mức độ phóng xạ của bùn đỏ Bô xít ở Jamaica thì bùn đỏ

có chứa lượng U238

và Th232 đáng kể hơn so với những nơi khác tìm thấy Khi được sử dụng trong xây dựng, mối quan tâm là nguy cơ nhiễm bức xạ ở các tòa nhà Sử dụng bùn đỏ ở Jamaica để xây dựng tường trong nhà có thể bị ảnh hưởng của tia gamma, trên ngưỡng cho phép ≤ 0,72 mSv/năm [4]

1.3.3 Các hướng xử lý môi trường sử dụng bùn đỏ

Bùn đỏ là một vấn đề khá nan giải vì nó chiếm diện tích đất và không thể xây dựng hoặc nuôi trồng gì trên đó ngay cả khi bùn khô

Với khả năng sử dụng rất hạn chế (sản xuất gạch và bê tông), bùn đỏ là một chất thải gần như vô dụng Mặc dù chúng có nhiều thành phần như sắt, titan

và nhôm (còn sót lại), con người vẫn chưa tìm ra một biện pháp hiệu quả về mặt kinh tế để chiết xuất các chất này

Phần lớn các lò luyện thường thu thập bùn đỏ để trong các hồ lớn để nước bên trong có thể bốc hơi Khi bùn đỏ đã khô hoàn toàn (một quá trình có thể mất nhiều năm), người ta sẽ đem chôn hoặc trộn bùn đỏ với đất

Bùn đỏ là một vấn đề đau đầu với nhiều quốc gia vì nó chiếm diện tích đất

và không thể xây dựng hoặc nuôi trồng gì ngay cả khi bùn khô Do là chất thải

của quá trình Bayer, bùn đỏ có độ pH (độ axit hay độ chua) cơ bản rất cao, từ 10-13 Một số phương pháp đã được sử dụng để giảm kiềm pH xuống mức có thể chấp nhận được để giảm tác động đến môi trường Hiện các nhà nghiên cứu đang tìm cách để sử dụng bùn đỏ nhưng việc làm khô bùn đòi hỏi rất nhiều năng lượng (nhiệt ẩn làm bay hơi nước) – có nghĩa là rất tốn kém nếu sử dụng nhiên liệu hóa thạch để sấy bùn [1]

Bùn đỏ làm phân bón tạo kiềm trên đất cát nhờ khả năng của bùn đỏ có độ

pH cao và khả năng trung hòa axit lớn Các nghiên cứu so sánh hiệu ứng tạo kiềm của bùn đỏ với phân bón tạo kiềm truyền thống là đá vôi (CaCO3) và NaOH Kết quả cho thấy bùn đỏ chưa có khả năng cạnh tranh với CaCO3 để có thể sử dụng làm chất tạo kiềm

Bùn đỏ sử dụng làm vật liệu xây dựng, chủ yếu trong san lấp mặt bằng, đường giao thông, sản xuất xi măng, phụ gia xi măng, phụ gia màu cho men gốm sứ, gạch không nung

Gần đây, một hướng mới cho nghiên cứu sử dụng bùn đỏ là nghiên cứu thu hồi Fe, Al, Si có trong bùn Hoặc sử dụng tính chất của bùn đỏ về bề mặt, thành phần kim loại để sử dụng làm chất hấp phụ các khí độc và hấp phụ kim loại nặng, làm xúc tác cho các phản ứng sản xuất công nghiệp

Đề tài tập trung nghiên cứu dựa vào hàm lượng oxit sắt cao của bùn đỏ,

có thể chiếm tới 65% về khối lượng để sử dụng làm nền hấp thụ muối sắt làm xúc tác cho phản ứng Fenton xử lý phẩm màu hữu cơ khó phân hủy [10]

1.3.4 Những ứng dụng bùn đỏ trong công nghiệp xây dựng

- Sản xuất gạch

Sử dụng bùn đỏ để sản xuất gạch là một phương pháp đơn giản và kinh tế

Có hai quy trình cơ bản: đầu tiên bùn đỏ được ép tạo hình và nung ở nhiệt độ cao Quy trình thứ hai là trộn bùn đỏ với chất kết dính làm đóng rắn trong môi trường nước hoặc nung ở nhiệt độ thấp

Nếu gạch làm từ bùn đỏ trộn với một lượng đất sét và tro bay, được đúc

ép, sau đem nung ở nhiệt độ 1000 – 11000C

thì có độ kháng nén khá cao từ 40 –

70 Mpa Do đặc trưng về màu (đỏ) và tỷ trọng (nhẹ) của những viên gạch này nên rất thích hợp cho xây dựng những nhà cao tầng

Nếu trộn 5 – 8% vôi vào bùn đỏ rồi đúc ép thành gạch ở lực ép 40 kg/cm2

, cường độ kháng nén sau 28 ngày đạt 4,75 – 4,22 Mpa Những viên gạch kiểu này giá thành rẻ, đáp ứng với nhu cầu xây dựng chi phí thấp

Trộn 45 phần bùn đỏ, 10 phần vôi, 5 phần xi măng, 40 phần đá mi để làm gạch tự chèn Sản phẩm đạt độ kháng nén cao nhất 26,32 Mpa [4]

- Làm chất độn trong sản xuất xi măng

Có 2 hướng sử dụng bùn đỏ vào sản xuất xi măng: Hoặc trộn bùn đỏ vào

xi măng portland thông thường như nguồn nguyên liệu oxit sắt và nhôm; hoặc pha trộn trong xi măng đặc biệt Việc sử dụng bùn đỏ để làm phụ gia cho xi măng như nguồn cung cấp Fe2O3, nhưng cũng phần nào hạn chế do những vi cấu trúc của clinker

Trong một số trường hợp bùn đỏ cũng được đề xuất làm nguyên liệu thô cho sản xuất xi măng ferrari Trộn bùn đỏ và silica theo tỷ lệ 1:1 với vôi, nung 3 lần ở nhiệt độ 1450oC để được xi măng Ferrari (Phần trăm các thành phần: Al2O3 = 4,41%, SiO2= 21,40%, Fe2O3= 5,59% và CaO= 66,12%) Cường độ kháng nén sau 3; 7; 14; và 28 ngày lần lượt là 7,4; 13; 15; và 29 Mpa

- Sử dụng bùn đỏ như là một dạng vật liệu có tính puzoland

Trong bùn đỏ có chứa những thành phần mà khi kết hợp với vôi sẽ sinh ra calcium aluminate hydrate (CAH) Phản ứng của oxit nhôm từ bùn đỏ với CaSO4 sẽ làm tăng độ cứng trong những điều kiện nhất định Ví dụ : hỗn hợp 70% bùn đỏ và 30% CaO cho một sản phẩm có độ nén là 7Mpa Sản phẩm hydrat hóa hình thành sau 4 ngày bao gồm Ca(OH)2, C4AH13 và C4AH11 Nếu thêm 10% thạch cao, độ nén sau 7 ngày là 15Mpa, sau đó cường độ nén sẽ tăng lên đáng kể

Giải pháp hữu hiệu là hỗn hợp tro bay, xi măng portland và bùn đỏ theo tỷ

lệ tương ứng 25:25:50 làm tăng độ cứng lên 27Mpa trong 7 ngày

- Sử dụng bùn đỏ như một chất tạo màu cho bê tông

Màu đỏ của bùn được tạo nên do có chứa oxit sắt và oxit titan Sử dụng bùn đỏ như chất tạo màu cho gạch, hay để chế tạo những hiệu ứng kiến trúc đặc biệt Nhiều quy trình chế biến làm nổi bật hoặc thay đổi màu cơ bản của bùn đỏ dựa trên sự thay đổi hóa học bằng cách kiểm soát độ pH hay pha trộn với các ôxyt khác Ví dụ: Khi trộn với axit yếu và khuấy đều sẽ hòa tan khoảng 40 %,

pH được điều chỉnh bằng nồng độ của Ca(OH)2 Sản phẩm thu được đem lọc và sấy khô thành bột màu nâu đỏ Nó được sử dụng như một chất tạo màu để sản xuất những sản phẩm xây dựng khác [4]

Bùn đỏ chứa 30% nước được trộn với 20% oxit sắt vàng Trộn hỗn hợp này vào xi măng khoảng 3 – 10% để tạo màu cho bê tông hoặc gạch

- Sử dụng bùn đỏ như chất độn cho bê tông và những ứng dụng khác

Sử dụng bùn đỏ để thay thế 30% cát thạch anh làm cốt liệu trong bê tông Sản phẩm có độ ổn định tốt hơn bê tông tiêu chuẩn trong những điều kiện xác định

Bùn đỏ có thể liên kết với một tác nhân giảm nước (phụ gia siêu dẻo), khi kết hợp với tro bay sẽ làm tăng cường độ kháng nén cho bê tông

Ngoài những ứng dụng kể trên, bùn đỏ hoặc vữa bùn đỏ có thể được ứng dụng để sản xuất những cốt liệu nhẹ dùng để sản xuất bê tông nhẹ

Từ những khả năng ứng dụng chất thải bùn đỏ nói trên, nhìn chung phần nào giải quyết được vấn đề bức xúc: giảm thiểu ô nhiễm môi trường, xử lý chất thải rắn, nhưng không triệt để do bởi những lý do sau:

+ Xử lý pH của bùn đỏ đến mức sử dụng được thì tốn kém, chi phí giá thành cao, không kinh tế;

+ Lượng thải bùn đỏ quá nhiều không thể sử dụng hết nếu chỉ đơn thuần sản xuất 1 sản phẩm duy nhất phục vụ xây dựng (gạch, bê tông, bột màu…)

+ Một số các quy trình đòi hỏi phải qua nung ở nhiệt độ cao, đầu tư tốn kém, nhưng lại gây ô nhiễm (vì quá trình đốt sẽ thải khí CO2)

Để cải thiện những hạn chế trên, qua thực tế thử nghiệm, tác giả đề nghị một quy trình nửa khép kín cho mục đích xử lý bùn đỏ với chi phí thấp nhất và hạn chế tối đa tác động ô nhiễm môi trường Đó là công nghệ geopolymer [4]

1.4 Các công thức của phẩm màu

Reactive Yellow 160

Công thức cấu tạo:

Công thức phân tử: C25H22ClN9Na2O12S3

Direct Red 239

Công thức cấu tạo:

Công thức phân tử: C31H19ClN7Na5O19S6

Trong trường hợp tổng quát, quá trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn:

+ Di chuyển các chất cần hấp phụ từ nước thải tới bề mặt hạt hấp phụ + Thực hiện quá trình hấp phụ

+ Di chuyển chất ô nhiễm vào bên trong hạt hấp phụ (vùng khuếch tán trong) Người ta thường dùng than hoạt tính, các chất tổng hợp hoặc một số chất thải của sản xuất như xỉ tro, xỉ, mạt sắt và các chất hấp phụ bằng khoáng sản như đất sét, silicagen…Để loại những chất ô nhiễm như: chất hoạt động bề mặt, chất màu tổng hợp, dung môi clo hoá, dẫn xuất phenol và hydroxyl…

Ứng dụng của phương pháp hấp phụ bằng vật liệu:

+ Tách các chất hữu cơ như phenol, alkylbenzen-sulphonic acid, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm từ nước thải bằng than hoạt tính

+ Có thể dùng than hoạt tính khử thuỷ ngân

+ Có thể dùng để tách các chất nhuộm khó phân huỷ

1.5.2 Phương pháp oxi hóa nâng cao

Để làm sạch nước thải có thể dùng các chất oxy hóa như clo ở dạng khí và hóa lỏng, clodioxit, canxiclorat, natri hypoclorit, kali pemanganat, kali bicromat, oxy không khí, ozon

Trong quá trình oxy hóa, các chất độc hại trong nước thải được chuyển thành các chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước thải Quá trình này tiêu tốn một lượng lớn tác nhân hóa học, do đó quá trình oxy hóa học chỉ được dùng trong những trường hợp khi các tạp chất gây nhiễm bẩn trong nước thải không thể tách bằng những phương pháp khác [2]

- Oxy hóa bằng clo:

Clo và các chất có chứa clo hoạt tính là chất oxy hóa thông dụng nhất Người ta sử dụng chúng để tách H2S, hydrosunfit, các hợp chất chứa metylsunfit, phenol, xyanua ra khỏi nước thải

Khi clo tác dụng với nước thải xảy ra phản ứng

Cl2 + H2O  HClO + HCl HClO  H+ + ClO-Tổng clo, HClO và ClO-

được gọi là clo tự do hay clo hoạt tính

Các nguồn cung cấp clo hoạt tính còn có hypoclorit, clorat, dioxyt clo… Lượng clo hoạt tính cần thiết cho một đơn vị thể tích nước thải là: 10 g/m3đối với nước thải sau xử lý cơ học, 5 g/m3

sau xử lý sinh học hoàn toàn

- Phương pháp ozon hóa:

Ozon tác động mạnh mẽ với các chất khoáng và chất hữu cơ, oxy hóa bằng ozo cho phép đồng thời khử màu, khử mùi, tiệt trùng của nước Sau quá trình ozon hóa số lượng vi khuẩn bị tiêu diệt đến hơn 99%, ozon còn oxy hóa các hợp chất nito, photpho

Trong xử lý nước thải, nó được đặt tên là oxy hóa nâng cao (AOPs- Advanced Oxidation Processes) Giải pháp này đòi hỏi tạo ra một chất trung

gian có hoạt tính cao, có khả năng oxy hóa hiệu quả các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, trong xứ lý nước thải đó là các gốc hydroxyl tự do (OH•) Trong

việc áp dụng giải pháp này (AOPs), quá trình Fenton và các quá trình kiểu Fenton (Fenton – like processes) được cho là giải pháp có hiệu quả cao và tính

ứng dụng lớn trong xử lý các phẩm mẫu hữu cơ bền, khó phân hủy bằng phương pháp khác Công trình nghiên cứu này được J.H Fenton công bố vào năm 1894 trong tạp chí hội hóa học ở Mỹ Quá trình này dùng tác nhân là tổ hợp H2O2 và muối sắt Fe2+

làm tác nhân oxy hóa, thực tế đã chứng minh hiệu quả xử lý và kinh tế của phương pháp này khá cao Nhược điểm của của nó là phải duy trì được môi trường pH thấp, tốn hóa chất, sản phẩm sau khi xử lý có thể bị khoáng hóa hoàn toàn, không tận dụng được nguyên liệu cho quá trình xử lý sinh hóa

tiếp theo Vì vậy, trong các trường hợp chỉ nên áp dụng quá trình Fenton để

phân hủy từng phần, chuyển các chất khó phân hủy sinh học thành có khả năng phân hủy sinh học rồi tiếp tục dùng các quá trình xử lý sinh học tiếp sau [2]

Sử dụng phản ứng oxy hóa để phá hủy các chất độc hại là một phương pháp xử lý ô nhiễm có hiệu quả Từ đầu những năm 70 người ta đã đưa ra một quy trình áp dụng nguyên tắc phản ứng Fenton để xử lý ô nhiễm nước thải mà theo đó hyđro peroxyt phản ứng với sắt (II) sunfat sẽ tạo ra gốc tự do hyđroxyl

có khả năng phá hủy các chất hữu cơ Trong một số trường hợp nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn, một số chất hữu cơ sẽ chuyển hóa thành CO2 và nước Hiện nay các quy định bảo vệ môi trường càng trở nên khắt khe hơn vì vậy phương pháp Fenton lại càng được chú trọng

Dùng cho phản ứng Fenton cần có xúc tác và chất oxy hóa Chất xúc tác

có thể là muối sắt hai hoặc sắt ba còn chất oxy hóa là hyđro peroxit Phản ứng tạo ra gốc tự do hyđroxyl diễn ra như sau [7]:

OH + CH3OH  CH2OH + H2O (3) Dạng chuyển đổi electron: Tạo ra những ion ở trạng thái hóa trị cao hơn (hoặc một nguyên tử, một gốc tự do nếu ion mang điện tích 1- bị oxy hóa ):

OH + [Fe(CN)6]4-  [Fe(CN)6]3- + OH(4) Dạng tương tác giữa các gốc : 2 gốc hydroxyl phản ứng với nhau hay

-1 gốc hydroxyl phản ứng với một gốc khác để tạo nên một sản phẩm bền vững hơn:

OH + OH  H2O2 Trong việc ứng dụng phản ứng Fenton xử lý nước thải, những điều kiện của phản ứng được điều chỉnh để ưu tiên xảy ra theo 2 cơ chế đầu

Ngoài ra, phản ứng oxy hóa còn được xúc tác bởi một lượng nhỏ mangan dưới dạng muối sulfate Các nghiên cứu trước đây cho thấy, sự hiện diện của mangan làm tăng hiệu quả phản ứng nhưng chỉ với một tỉ lệ mangan rất thấp (nếu nhiều mangan quá cũng không tốt) Mangan làm tăng tác dụng hấp phụ của bông hydroxit và vai trò của mangan chủ yếu thể hiện khi pH được nâng lên khoảng 7-8 [7]

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton

- Độ pH: độ pH ảnh hưởng rất lớn đến độ phân hủy và nồng độ Fe2+, từ đó ảnh hưởng đến độ phản ứng và phân hủy các hợp chất hữu cơ Phản ứng Fenton

xảy ra thuận lợi ở pH = 3 – 5, đạt được tốc độ cao nhất khí pH nằm trong khoảng hẹp trên dưới 3 [7]

- Tỉ lệ Fe 2+

/H 2 O 2: nồng độ H2O2và tỉ lệ Fe2+

/H2O2 có ảnh hưởng đến sự tạo thành và sự mất gốc hydroxyl vì thế tồn tại một tỉ lệ Fe2+

/H2O2 tối ưu khi sử dụng Tỉ lệ này nằm trong khoảng rộng 3:10 mol/mol Tùy theo đối tượng chất cần xử lý mà có tỉ lệ thích hợp

- Ảnh hưởng của các anion vô cơ: Các ion như CO3

2-, HCO3-, Cl– sẽ tóm bắt gốc OH làm giảm hiệu quả của quá trình Fenton

– HCO3– sẽ chuyển dịch theo hướng tạo ra CO32- gây bất lợi cho phản ứng

+ Các ion SO42-, NO3–, H2PO4– có thể tạo thành các phức chất không hoạt động với Fe(III) làm giảm hiệu quả quá trình Fenton

- Ảnh hưởng của nhiệt độ

+ Các phản ứng Fenton thường xảy ra ở nhiệt độ 20, 400

C

+ Tốc độ phản ứng tăng theo nhiệt độ, đặc biệt Khi nhiệt độ < 200C

+ Khi nhiệt độ lớn trong khoảng 40, 500C, hiệu suất sử dụng H2O2 giảm do sự phân hủy H2O2 tăng

- Ảnh hưởng của thời gian phản ứng [7]

+ Thời gian phản ứng phụ thuộc vào lượng xúc tác và mức độ ô nhiễm của nước thải

+ Đối với oxi hóa phenol đơn giản (<250 mg/l) : 30, 60 phút

+ Đối với nước thải phức tạp hoặc đậm đặc hơn, phản ứng mất vài giờ

1.7 Phản ứng Fenton kết hợp với tia UV

1.7.1 Tia UV

Tia cực tím hay tia tử ngoại, tia UV (từ tiếng Anh Ultraviolet) là sóng

điện từ có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy nhưng dài hơn tia X Phổ tia cực tím có thể chia ra thành tử ngoại gần (có bước sóng từ 380 đến 200 nm)

và tử ngoại xạ hay tử ngoại chân không (có bước sóng từ 200 đến 10 nm)

Khi quan tâm đến ảnh hưởng của tia cực tím lên sức khỏe con người và môi trường, thì phổ của tia cực tím chia ra làm các phần: UVA (380-315 nm), hay gọi là sóng dài hay "ánh sáng đen"; UVB (315-280 nm) gọi là bước sóng trung bình; và UVC (ngắn hơn 280 nm) gọi là sóng ngắn hay có tính tiệt trùng

Tia cực tím có thể gây tai biến về mắt khi không đeo kính bảo hộ Tác hại cấp tính có thể xảy ra trong chỉ một lúc khi ra ngoài trời đang nắng gắt Tương tự như khi da bị cháy nắng, các tế bào bao bọc mắt có thể bị hủy do tia nắng, nhất là khi phản chiếu dội lên từ mặt tuyết, xi-măng, cát hay nước Sau khi bị chiếu từ 6 - 15 giờ, bệnh nhân có những rối loạn thị giác như giảm thị lực, nhìn thấy quầng bao quanh các nguồn sáng Sau đó cảm thấy như có dị vật

ở trong mắt, chảy nước mắt, rất sợ ánh sáng Thông thường tiến triển tốt và trong khoảng 8 giờ thì khỏi, nhưng cũng có những thể nặng kéo dài vì kèm theo nhiễm khuẩn

Những hậu quả nghiêm trong như khi ra nắng nhiều lần trong thời gian dài, tia cực tím có khả năng gây các chứng bệnh mắt trầm trọng hơn, như suy hoại võng mạc và cườm mắt - làm lòa hay mù mắt

1.7.2 Phản ứng Fenton kết hợp với tia UV

Chiếu xạ UV kết hợp với hệ Fenton cho phép thúc đẩy sự hình thành ion

Fe2+ từ Fe3+ dưới tác dụng của bức xạ UV Chính vì vậy, trong một số trường hợp, hệ Fenton cổ điển (Fe2+/H2O2) thường được thực hiện với sự có mặt của bức xạ UV Thông thường, Fe2+ ban đầu được thay thế bằng Fe3+

Trong điều kiện tối ưu (pH xung quanh 3), sắt(III) thủy phân tạo Fe(OH)2+

Chiếu xạ

UV (λ > 300 nm) cho phép tạo ion Fe2+

tại chỗ và ngay sau đó phản ứng với H2O2 hình thành đồng thời gốc hydroxyl và Fe3+, chu kỳ tạo Fe2+ lại tiếp tục lặp lại

Fe3+ + H2O → Fe(OH)2+

+ H+Fe(OH)2+ + hʋ → Fe2+

+ OH

Fe2+ + H2O2→ Fe(OH)2+

+ OH H2O2 + hʋ → 2OH Tốc độ phản ứng khử Fe3+ dưới tác dụng bức xạ UV cũng như tốc độ hình thành gốc hydroxyl phụ thuộc vào bước sóng bức xạ và pH Hiệu suất 27 lượng

tử tạo gốc hydroxyl dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại với sự có mặt của ion sắt(III)

1.8 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

TS Nguyễn Trung Minh và một số đồng nghiệp của mình đã tiến hành nghiên cứu bùn đỏ và kết quả đưa ra đáp ứng được cả hai mục tiêu Một là, giảm được lượng chất thải của quá trình khai thác, chế biến bauxite Hai là, tận dụng chất thải dư thừa của quá trình khai thác, chế biến quặng, tạo ra loại vật liệu có khả năng xử lý các ô nhiễm ion kim loại nặng và các chất độc hại khác trong môi trường nước Kết quả nghiên cứu ban đầu về sự hấp phụ của vật liệu chế tạo

từ bùn đỏ Bảo Lộc, Lâm Đồng với ion kim loại nặng Pb2+ và các thông số hóa

lý, hấp phụ đẳng nhiệt khác, đã chỉ ra khả năng sử dụng bùn đỏ để xử lý ô nhiễm nước thải

TS Huỳnh Quyền, Giám đốc Trung tâm nghiên cứu công nghệ Lọc Hóa Dầu (RPTC), ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh cho biết: Cơ quan hợp tác quốc

tế Nhật Bản (JICA), Trường ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh phối hợp với Viện Công nghệ Sinh học Việt Nam, Sở Khoa học và Công nghệ TP Hồ Chí Minh và

ĐH Tokyo đã thống nhất chọn: Viên lọc được sản xuất từ bùn đỏ để xử lý khí lưu huỳnh (H2S) trong khí biogas trước khi đưa vào bếp đốt của dự án biomass tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP Hồ Chí Minh Theo TS.Quyền, nhờ đặc tính nhiều sắt và nhôm của bùn đỏ, bổ sung thêm một số chất cần thiết khác và tạo thành viên để lọc lưu huỳnh trong khí biogas trước khi đốt và chi phí thấp

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu

- Mục tiêu tổng quan: góp phần tìm kiếm vật liệu có khả năng xúc tác cho quá trình oxi hóa nâng cao xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy

2.2 Đối tượng nghiên cứu

- Bùn đỏ: sản phẩm thải của quá trình sản xuất nhôm tại nhà máy Aluminum Tân Rai – Bảo Lâm – Lâm Đồng

- Phẩm màu: được cung cấp bởi công ty TNHH Thương Mại Tân Hồng Phát – số 92 Cửa Bắc, Quán Thánh, Ba Đình, Hà Nội

2.3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu biến tính bùn đỏ thành vật liệu có khả năng xúc tác

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton bùn đỏ biến tính như: pH, H2O2, xúc tác, thời gian tia UV, ion cản,…

- Nghiên cứu áp dụng điều kiện của quá trình Fenton bùn đỏ biến tính cho dung dịch mẫu phẩm và mẫu nước thải

2.4 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ

2.4.1 Hóa chất

Bảng 2.1 Danh mục các hóa chất cần thiết cho nghiên cứu

5 Axit H2SO4 loãng Giảm độ pH của dung dịch, rửa ống

COD và bình tam giác,…

6 Dung dịch H2O2 30% Chất oxi hóa

7 Dung dịch NaOH loãng Tăng pH của dung dịch

8 Dung dịch chuẩn máy đo pH Chuẩn máy đo pH

9 Các muối NaCl, Na2SO4, KNO3 Sử dụng trong phản ứng ion cản

10 Dung dịch K2Cr2O7 0,04M Phân tích COD

11 Dung dịch Ag2SO4/H2SO4 Phân tích COD

13 (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O; H2SO4

2+

2.4.2 Thiết bị

Bảng 2.2 Danh mục các thiết bị cần thiết cho nghiên cứu

STT Tên thiết bị Mục đích sử dụng Số lƣợng

1 Máy đo độ hấp thụ quang Đo độ hấp thụ quang 1

2 Cân điện tử Cân hóa chất, chất xúc tác,

6 Pipet 1ml, 2ml, 10ml Hút hóa chất và dung dịch mẫu 3