TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tổng quan về phẩm nhuộm và nước thải dệt nhuộm
Ngành dệt nhuộm tiêu thụ lượng lớn nước trong quá trình sản xuất và thải ra lượng nước thải đáng kể gây ô nhiễm môi trường Nước thải ngành dệt nhuộm chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ khó phân hủy, pH dao động từ 9 đến 12 do các chất tẩy; đồng thời chứa nhiều hóa chất độc hại như phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, ion kim loại hòa tan và kim loại nặng, gây ô nhiễm lâu dài và ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống sinh vật dưới nước, đất và nguồn nước ngầm Nước thải dệt nhuộm có độ màu lớn, nhiệt độ cao và pH cao, đòi hỏi phải xử lý triệt để trước khi thải ra môi trường nhằm tránh gây ô nhiễm Theo các chuyên gia, công đoạn nhuộm và hoàn tất sản phẩm chiếm đến 72,3% lượng nước tiêu thụ trong ngành, với nhu cầu sử dụng trung bình từ 12-65 lít nước cho 1 mét vải và thải ra 10-40 lít nước Sự ô nhiễm nguồn nước chính là thách thức lớn nhất của ngành công nghiệp dệt nhuộm hiện nay.
1.1.2 Một số nhóm thuốc nhuộm thường dùng ở Việt Nam
Thuốc nhuộm, còn gọi là phẩm nhuộm, gồm các hợp chất mang màu dạng hữu cơ hoặc phức kim loại như Cu, Co, Ni, Cr Tuy nhiên, hiện nay, dạng phức kim loại ít được sử dụng do nước thải chứa kim loại nặng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Thuốc nhuộm hữu cơ hiện rất phổ biến trên thị trường do tính an toàn và thân thiện với môi trường Các loại thuốc nhuộm được phân loại dựa trên cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng của chúng Ở Việt Nam, thuốc nhuộm thường phẩm chưa được sản xuất trong nước, tất cả đều phải nhập khẩu từ các hãng sản xuất quốc tế.
Có hai cách để phân loại thuốc nhuộm:
Phân loại thuốc nhuộm theo cấu trúc hóa học [5]:
Thuốc nhuộm azo là nhóm thuốc nhuộm chứa nhóm màu azo (-N=N-), với phân tử có thể có một (monoazo), nhiều nhóm azo như diazo, triazo, hoặc polyazo Đây là họ thuốc nhuộm quan trọng nhất, chiếm khoảng 60-70% tổng số thuốc nhuộm tổng hợp và chiếm tới hai phần ba 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 lƣợng thuốc nhuộm tổng hợp
Thuốc nhuộm triaryl metan là các dẫn xuất của metan trong đó nguyên tử carbon trung tâm tham gia liên kết với mạch liên kết của hệ mang màu Các hợp chất này bao gồm diaryl metan và triaryl metan, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nhuộm màu nhờ đặc tính nổi bật của chúng.
Họ thuốc nhuộm này phổ biến thứ 3, chiếm 3% tổng số lƣợng thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm phthaloxianin có hệ màu trong phân tử là hệ liên hợp khép kín, tạo ra màu sắc đặc trưng cho thuốc nhuộm Các nguyên tử H trong nhóm imin dễ bị thay thế bởi ion kim loại, giúp điều chỉnh màu sắc của thuốc nhuộm Ngoài ra, các nguyên tử N khác cũng tham gia tạo phức với kim loại, làm tăng khả năng thay đổi màu sắc theo các loại kim loại kết hợp.
Họ thuốc nhuộm này có độ bền màu với ánh sáng rất cao, chiếm khoảng 2% tổng số lƣợng thuốc nhuộm
Ngoài ra, còn các họ thuốc nhuộm khác ít phổ biến, ít có quan trọng hơn nhƣ: thuốc nhuộm nitrozo, nitro, polymetyl, arylamin, azometyn, thuốc nhuộm lưu huỳnh…
Phân loại thuốc nhuộm theo đặc tính áp dụng là cách phân loại chuẩn toàn cầu, được ghi nhận trong bộ đại từ điển thuốc nhuộm Color Index (CI), dựa trên cấu tạo hóa học, màu sắc và phạm vi sử dụng của từng loại thuốc nhuộm Trong đó, các thuốc nhuộm dành cho xơ sợi xenlullo như bông và visco được chia thành thuốc nhuộm hoàn nguyên, lưu hóa, hoạt tính và trực tiếp Tiếp đến là các loại thuốc nhuộm dành cho xơ sợi tổng hợp, len, tơ tằm như thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ (cation) và thuốc nhuộm axit, phù hợp với từng đặc điểm và yêu cầu của từng loại sợi.
Thuốc nhuộm hoàn nguyên, bao gồm:
Thuốc nhuộm hoàn nguyên không tan là hợp chất màu hữu cơ không hòa tan trong nước, chứa nhóm xeton trong phân tử với dạng tổng quát R=C=O Trong quá trình nhuộm, thuốc nhuộm chuyển đổi từ dạng layco axit không tan trong nước sang dạng layco bazơ dễ hòa tan trong dung môi kiềm Đây là quá trình quan trọng giúp cải thiện khả năng thẩm thấu và độ bám dính của thuốc nhuộm trên sợi vải.
Hợp chất này có khả năng bắt màu mạnh vào xơ, giúp dễ dàng nhận diện và phân tích Sau khi rửa sạch bằng kiềm, nó trở về dạng layco axit, giúp loại bỏ các phản ứng không mong muốn Quá trình oxi hóa bởi không khí khiến hợp chất trở lại dạng nguyên thủy, đảm bảo tính ổn định của sản phẩm cuối cùng.
Thuốc nhuộm hoàn nguyên tan là muối este sunfonat của hợp chất layco axit của thuốc nhuộm hoàn nguyên không tan, với công thức R≡C-O-SO3Na Nó dễ bị thủy phân trong môi trường axit và có khả năng bị oxi hóa trở về dạng không tan ban đầu, ảnh hưởng đến tính chất và ứng dụng của thuốc nhuộm trong các quá trình công nghiệp.
Khoảng 80% thuốc nhuộm hoàn nguyên thuộc nhóm antraquinon
Thuốc nhuộm lưu hóa chứa nhóm disunfua đặc trưng (D-S-S-D), có khả năng chuyển đổi thành dạng tan (layco: D-S-) qua quá trình khử, giúp quá trình nhuộm hiệu quả hơn Quá trình này tương tự như thuốc nhuộm hoàn nguyên và được sử dụng để nhuộm vật liệu xenlulo qua ba giai đoạn chính: hòa tan, hấp phụ vào sợi xenlulo và oxy hóa trở lại để cố định màu sắc trên sợi.
Thuốc nhuộm trực tiếp là loại thuốc nhuộm anion có khả năng bắt màu trực tiếp vào sợi xenlulo và có cấu trúc chung là Ar-SO₃Na Khi hòa tan trong nước, thuốc nhuộm phân ly thành dạng anion để dễ dàng liên kết với sợi vải Trong mỗi loại thuốc nhuộm trực tiếp, ít nhất 70% cấu trúc chứa nhóm azo, và tổng cộng, lên đến 92% các thuốc nhuộm này đều thuộc lớp azo, giúp tăng cường khả năng bám màu và độ bền màu cho sợi vải.
Thuốc nhuộm phân tán là loại thuốc nhuộm có khả năng hòa tan rất thấp trong nước, chỉ hòa tan nhất định trong dung dịch chất hoạt động bề mặt Chúng chủ yếu được sử dụng để nhuộm các loại xơ sợi tổng hợp kị nước, mang lại màu sắc bền đẹp cho sợi vải Trong số các loại thuốc nhuộm phân tán, có đến 59% cấu trúc hóa học thuộc nhóm azo, giúp đảm bảo hiệu quả nhuộm cao và độ bền màu lâu dài.
32% thuộc cấu trúc antraquinon, còn lại thuộc các lớp hóa học khác
Các thuốc nhuộm bazơ trước đây được sử dụng để nhuộm tơ tằm, ca bông, bằng các muối clorua, oxalat hoặc muối kép của bazơ hữu cơ Các thuốc nhuộm bazơ này dễ tan trong nước, giúp cation mang màu dễ dàng thấm sâu vào sợi vải Ngoài ra, thuốc nhuộm bazơ còn có khả năng biến tính, tăng cường độ bền màu và tính ổn định của quá trình nhuộm.
Phân tử thuốc nhuộm cation có đặc điểm là mang điện tích dương không định vị, được sử dụng để nhuộm xơ acrylic hiệu quả Trong các loại thuốc nhuộm bazơ, các lớp hóa học chính phân bố đều gồm azo chiếm tỷ lệ cao nhất (43%), kế đến là metin (17%), triazylmetan (11%), arcrydin (7%), antraquinon (5%) và các thành phần khác Điều này giúp nâng cao khả năng bám dính và độ bền màu trên sợi acrylic, đáp ứng các tiêu chuẩn nhuộm công nghiệp.
Thuốc nhuộm axit là muối của axit mạnh và bazơ mạnh, tan trong nước phân ly thành ion, trong đó anion mang màu sắc tạo liên kết ion với vật liệu có tâm dương Chúng có khả năng tự nhuộm màu các sợi protein như len, tơ tằm và polyamit trong môi trường axit Khoảng 79% thuốc nhuộm axit là các hợp chất azo, 10% là antraquinon, 5% là triarylmetan, và phần còn lại gồm các lớp hóa học khác.
Tổng quan các phương pháp xử lý thuốc nhuộm trong nước thải dệt nhuộm 11 1 Phương pháp hấp phụ
1.2 Tổng quan các phương pháp xử lý thuốc nhuộm trong nước thải dệt nhuộm
Nước thải dệt nhuộm thường có thành phần không ổn định do đặc thù của công nghệ, thiết bị và sản phẩm sử dụng Nước thải này chứa một lượng lớn hóa chất đa dạng, chủ yếu là phẩm màu và chất trơ, gây khó khăn trong quá trình xử lý Việc lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp để loại bỏ các thành phần hữu cơ và các chất ô nhiễm khó phân hủy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lưu lượng nước thải, đặc tính chất thải, tiêu chuẩn xả thải và hình thức xử lý tập trung hay cục bộ.
Dưới đây là một số phương pháp xử lý hóa học, sinh học, lý học đã được nghiên cứu và ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm:
Phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi để làm sạch nước thải khỏi các chất hữu cơ hòa tan, đặc biệt sau quá trình xử lý sinh học hoặc trong các trường hợp nước thải chứa lượng nhỏ các chất không dễ phân hủy sinh học Những chất này thường có độc tính cao và không thể loại bỏ hoàn toàn bằng phương pháp sinh học Khi các chất cần loại bỏ cần hấp phụ hiệu quả và chi phí của chất hấp phụ không quá cao, phương pháp hấp phụ là lựa chọn tối ưu để đảm bảo nước thải đạt tiêu chuẩn môi trường.
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;
Phương pháp hấp phụ hoạt động bằng cách chuyển chất ô nhiễm vào bên trong hạt hấp phụ, tạo vùng khuếch tán trong Các chất thường được sử dụng làm vật liệu hấp phụ bao gồm than hoạt tính, đá ong, các chất tổng hợp và các chất thải công nghiệp như xỉ, tro, mạt sắt, cũng như khoáng sản như đất sét và silicagen Phương pháp này hiệu quả trong việc loại bỏ các 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 hấp phụ bằng vật liệu rất đa dạng và quan trọng trong xử lý ô nhiễm môi trường.
Tách các chất hữu cơ nhƣ 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;
Nhược điểm của than hoạt tính là khó tái sinh nếu bị đóng cặn, dễ gây ra hiện tượng bắt cháy trong quá trình tái sinh Trong khi đó, Silicagen có giá thành cao hơn so với than hoạt tính, điều này ảnh hưởng đến quyết định sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp.
Phương pháp này có nhiều ưu điểm nhưng không kinh tế nên không được sử dụng rộng rãi
1.2.2 Phương pháp oxi hóa 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 đổi thành các hợp chất ít độc hơn và dễ dàng tách ra khỏi nước, giúp làm sạch hiệu quả Tuy nhiên, quá trình này tiêu tốn lượng lớn tác nhân hóa học, nên chỉ được sử dụng trong những trường hợp các tạp chất gây nhiễm bẩn không thể loại bỏ bằng các phương pháp khác.
Clo và các hợp chất chứa clo hoạt tính là những chất oxy hóa phổ biến nhất trong xử lý nước thải Chúng được sử dụng để loại bỏ các hợp chất gây ô nhiễm như H₂S, hydrosunfit, phenol, methylsunfit và xyanua, giúp đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn an toàn và hạn chế tác động tiêu cực.
Khi clo tác dụng với nước thải xảy ra phản ứng
Cl2 + H2O → HClO + HCl HClO → H + + ClO - Tổng clo, HClO và ClO - đƣợc 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 để xử lý nước thải phụ thuộc vào mức độ xử lý trước đó Cụ thể, cần sử dụng khoảng 10 g/m³ clo hoạt tính cho nước thải sau xử lý cơ học để đảm bảo diệt khuẩn hiệu quả Trong khi đó, đối với nước thải đã qua xử lý sinh học hoàn toàn, lượng clo hoạt tính cần giảm còn khoảng 5 g/m³ nhằm đảm bảo an toàn và tối ưu hóa quá trình xử lý Việc xác định chính xác lượng clo hoạt tính phù hợp giúp nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, đồng thời tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường quốc gia.
Ozon tác động mạnh mẽ đến các chất khoáng và chất hữu cơ trong nước, giúp oxy hóa và loại bỏ hiệu quả các tạp chất Quá trình ozon hóa có khả năng khử màu, khử mùi, và tiệt trùng nước, với hơn 99% vi khuẩn bị tiêu diệt sau quá trình xử lý Ngoài ra, ozon còn oxy hóa các hợp chất nito, photpho, góp phần nâng cao chất lượng nước sạch và an toàn cho sức khỏe.
1.2.3 Phương pháp oxi hóa nâng cao
Trong xử lý nước thải, nó được đặt tên là oxy hóa nâng cao (AOPs-
Các Quá trình Oxy hóa Nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOPs) yêu cầu tạo ra chất trung gian có hoạt tính cao, có khả năng oxy hóa hiệu quả các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học trong xử lý nước thải Trong đó, các gốc hydroxyl tự do (OH •) đóng vai trò then chốt trong việc phá vỡ cấu trúc phân tử của các hợp chất ô nhiễm phức tạp Áp dụng các giải pháp AOPs như quy trình Fenton và các quá trình liên quan giúp nâng cao hiệu quả xử lý nước thải bằng cách tạo ra các gốc hydroxyl mạnh mẽ để phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học.
Quá trình Fenton, hay còn gọi là quá trình Fenton-like, được xem là giải pháp hiệu quả cao và có khả năng ứng dụng lớn trong xử lý các mẫu hữu cơ bền, khó phân hủy bằng phương pháp khác Được công bố lần đầu bởi J.H Fenton vào năm 1894 trên tạp chí Hóa học Mỹ, quá trình này sử dụng tổ hợp H₂O₂ và muối sắt Fe²⁺ làm chất oxy hóa, mang lại hiệu quả xử lý cao cùng tính kinh tế phù hợp Tuy nhiên, nhược điểm chính là cần duy trì môi trường pH thấp, tiêu tốn nhiều hóa chất, và sau xử lý sản phẩm có thể bị khoáng hóa hoàn toàn, không tận dụng được nguyên liệu cho quá trình xử lý sinh hóa sau đó Do đó, quá trình Fenton thường chỉ nên được sử dụng để phân hủy một phần, nhằm chuyển đổi các chất khó phân hủy sinh học thành dạng dễ phân hủy hơn, trước khi tiếp tục các quá trình xử lý sinh học tiếp theo để tối ưu hiệu quả xử lý.
Các chất trong nước thải dệt nhuộm chủ yếu là các chất có khả năng phân hủy sinh học, tuy nhiên cũng chứa đựng các hợp chất độc hại như các chất khử vô cơ, fomandehit, kim loại nặng và các chất khó phân hủy như dung dịch tẩy, hồ giặt và dầu khoáng Để đảm bảo quá trình xử lý sinh học hiệu quả, nước thải cần được xử lý trước để loại bỏ các chất gây độc và giảm tỷ lệ các hợp chất khó phân hủy thông qua phương pháp xử lý cục bộ Các phương pháp sinh học phổ biến trong xử lý nước thải công nghiệp dệt gồm bùn hoạt tính, lọc sinh học hoặc kết hợp nhiều bước xử lý sinh học để nâng cao hiệu quả Quá trình xử lý sinh học dùng bùn hoạt tính hiếu khí và kỵ khí cũng cho hiệu quả cao nhưng có nhược điểm là thời gian xử lý kéo dài và khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy của các chất màu còn hạn chế.
Tổng quan về đá ong (Laterite)
Laterite là quá trình rửa trôi và tích tụ tuyệt đối các cation Fe 3+ , Fe 2+ , Al 3+ ,
Mn 6+ trong các tầng đất, dưới tác động của điều kiện môi trường như sự phong hóa, dòng chảy, mực nước ngầm thay đổi, mất thảm phủ, xói mòn
Trong đất laterite chủ yếu chứa hydroxit oxit sắt nước hoặc không nước, cùng với một lượng nhỏ oxit nhôm Tầng đất gần mặt giúp thổ nhưỡng chứa nhiều Fe²⁺, dễ dàng bị oxi hóa thành Fe³⁺ khi tiếp xúc với oxy Quá trình này dẫn đến các oxit sắt liên kết với các hạt keo như kaolinit hình thành mạng lưới dày đặc, và khi mất nước, các liên kết này càng trở nên chặt chẽ hơn, ảnh hưởng đến đặc tính của đất laterite.
Laterite hình thành nới có độ dốc không cao lắm, có điều kiện tích tụ Fe,
Al, Mn Nhất là các vùng đồi núi trung du các tỉnh: Hà Bắc, Vĩnh Phúc, Sơn Tây, Đồng Nai, Tây Ninh, Bà Rịa – Vũng Tàu [7]
1.3.2 Đặc tính đá ong Đá ong là một sản phẩm màu đỏ phong hóa của đá bazan Đây là những gì còn lại của các loại đá silicat thông thường nếu chúng ta loại bỏ phần lớn các kim loại silica, kiềm và kiềm thổ Nó là chủ yếu gồm sắt, nhôm, titan và oxit mangan vì đây là những thành phần hòa tan nhất của các loại đá trải qua một loại hóa chất đƣợc gọi là phong laterization hoặc lateritization [1]
Hình 1.1 Mẫu đá ong với chiều rộng 8cm
1.3.3 Các hướng xử lý môi trường sử dụng đá ong
Đá ong có khả năng khử độc trong nước nhờ khả năng phá vỡ cấu trúc cấu kết của các ion kim loại nặng Quá trình làm sạch nước bằng đá ong dựa trên các cơ chế hấp thụ, trao đổi ion và từ tính, phù hợp với từng đối tượng và mục đích sử dụng Đặc biệt, đá ong giúp loại bỏ các chất kim loại nặng độc hại mà vẫn giữ nguyên các khoáng chất hữu ích trong nước, đảm bảo an toàn và chất lượng nước sạch.
Đá ong không chỉ được sử dụng làm vật liệu xây dựng nhờ khả năng liên kết chắc chắn bằng xi măng, tạo nên những mạch vữa bền vững, mà còn có đặc tính hấp thụ nhiệt kém, tỏa nhiệt nhanh, giúp công trình mát vào mùa hè và ấm vào mùa đông Nhờ đó, các công trình xây dựng sử dụng đá ong giúp tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu việc sử dụng điều hòa và lò sưởi, từ đó giảm chi phí và bảo vệ môi trường Ngoài ra, đá ong còn được ứng dụng để tạo môi trường phù hợp cho cá, và nghiên cứu còn tập trung vào hàm lượng oxit sắt cao, chiếm tới 65% khối lượng, để làm nền hấp thụ muối sắt phục vụ phản ứng Fenton xử lý phẩm màu hữu cơ khó phân hủy.
Đá ong (laterite) là khoáng chất phong phú và phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt tập trung ở các khu vực giáp ranh giữa đồi núi và đồng bằng, nơi có quá trình phong hóa quặng sắt và dòng nước ngầm chứa oxi hòa tan Chủ yếu, đá ong gồm các khoáng vật như kaolinit, goethite, hematit và gibbsite, hình thành qua quá trình phong hóa tự nhiên Các oxit sắt như goethite và hematit tạo màu nâu đỏ đặc trưng cho đá ong Với đặc tính xử lý môi trường, đá ong được sử dụng để khử độc trong nước và làm vật liệu xây dựng nhà ở, góp phần bảo vệ môi trường hiệu quả.
Đá ong có thành phần chứa nhiều sắt (Fe), đem lại khả năng hấp phụ vượt trội nhờ đặc tính xốp tương đối cao và diện tích bề mặt riêng lớn Những đặc điểm này giúp đá ong trở thành chất xúc tác hiệu quả trong các phản ứng Fenton, nâng cao hiệu suất xử lý ô nhiễm môi trường.
MỤC TIÊU – ĐỐI TƯỢNG – NỘI DUNG – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu góp phần tìm kiếm và điều chế các vật liệu dễ kiếm, có giá thành rẻ, thân thiện với môi trường, đồng thời có khả năng thúc đẩy quá trình Fenton để xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy Các vật liệu này giúp tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải chứa hợp chất hữu cơ phức tạp, mang lại giải pháp tiết kiệm và bền vững cho môi trường Việc sử dụng vật liệu dễ kiếm, giá thành thấp không những giảm chi phí mà còn mở rộng khả năng ứng dụng công nghệ xử lý chất thải trong thực tiễn.
- Biến tính đá ong thành vật liệu có khả năng xúc tác cho quá trình Fenton
- Tìm các điều kiện thích hợp để tiến hành kỹ thuật Fenton sử dụng đá ong biến tính xử lý phẩm màu đạt hiệu suất tốt nhất
- Đánh giá hiệu quả khi áp dụng kỹ thuật Fenton/đá ong biến tính cho đối tượng nước thải dệt nhuộm.
Đối tƣợng nghiên cứu
- Đá ong tự nhiên đƣợc lấy ở Thạch Thất – Hà Đông – Hà Nội
Các phẩm màu chất lượng bao gồm màu đỏ cờ, màu đỏ sen, màu đỏ vang, màu xanh và màu vàng, được mua từ Công ty TNHH Thương Mại Tân Hồng Phát, địa chỉ số 92 Cửa Bắc, Quán Thánh, Ba Đình, Hà Nội.
- Mẫu nước thải dệt nhuộm được lấy mẫu ở làng nghề dệt nhuộm Vạn Phúc (Hà Đông).
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu biến tính đá ong thành vật liệu có khả năng xúc tác
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất khi áp dụng quá trình Fenton sử dụng đá ong biến tính xử lý dung dịch phẩm màu
- Áp dụng quá trình Fenton/đá ong biến tính cho các mẫu nước phẩm nhuộm và mẫu nước thải dệt nhuộm.
Hóa chất, thiết bị và dụng cụ
Bảng 2.1: Hóa chất thí nghiệm
STT Tên hóa chất Mục đích sử dụng
1 Phẩm màu Làm mẫu thí nghiệm
2 Đá ong Làm chất xúc tác
Bổ sung Fe 3+ để biến tính vật liệu (đá ong) tạo chất xúc tác cho quá trình Fenton
4 Nước cất Pha hóa chất, rửa dụng cụ
5 Axit H 2 SO 4 loãng Giảm độ pH của dung dịch, rửa ống COD và bình tam giác,…
6 Dung dịch H2O2 Chất xúc tác
7 Dung dịch NaOH loãng Tăng pH của dung dịch
8 Dung dịch chuẩn máy đo pH Chuẩn máy đo pH
9 Muối NaCl, Na2SO4, KNO3 Sử dụng trong phản ứng ion cản
10 Dung dịch K 2 Cr 2 O 7 0,04M Phân tích COD
11 Dung dịch Ag2SO4/H2SO4 Phân tích COD
13 (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O; H2SO4 đặc Pha chế dung dịch Fe 2+
Bảng 2.2: Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
STT Tên thiết bị Mục đích sử dụng
1 Máy đo độ hấp thụ quang Đo độ hấp thụ quang
2 Cân điện tử Cân hóa chất, phẩm màu, chất xúc tác
4 Bếp điện Cô cạn mẫu
6 Máy đo pH Chuẩn độ pH
7 Máy đo SEM Quét ảnh bề mặt vật liệu
Bảng 2.3: Dụng cụ thí nghiệm
STT Dụng cụ Mục đích sử dụng Số lƣợng
1 Bình định mức 1000ml Pha phẩm màu 1
2 Bình định mức 500ml Pha phẩm màu 1
3 Cốc thủy tinh 1000ml Xử lý phẩm màu 1
4 Cốc thủy tinh 200ml Làm thí nghiệm 5
5 Cốc thủy tinh 50ml Đựng dung dịch lọc 5
6 Pipet 1ml, 2ml, 10ml Hút hóa chất và dung dịch mẫu 3
8 Phễu lọc Lọc hóa chất 5
9 Giấy lọc Lọc hóa chất 6
10 Đũa thủy tinh Khuấy hóa chất 5
12 Bình tam giác Chuẩn độ mẫu 2
13 Ống COD Phân tích COD 5
15 Ống đong Đong nước cất 1
16 Bình tia nước cất Rửa dụng cụ, bổ sung nước,… 1
17 Cối thủy tinh, chày Giã nhỏ vật liệu, hóa chất 1
18 Nhán dãn Ghi nhớ 1 cuộn
Phương pháp nghiên cứu
2.5.1 Phương pháp biến tính đá ong
- Từ đá ong tự nhiên được rửa sạch, nghiền, rây đến kích thước hạt nhỏ hơn 0,2mm và đƣợc đựng trong lọ PE sạch, đậy kín
- Phương pháp biến tính đá ong dựa trên phương pháp biến tính đá ong thành vật liệu hấp phụ kim loại nặng
2.5.2 Phương pháp xác định đặc trưng bề mặt vật liệu (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quét bề mặt mẫu bằng chùm tia điện tử hội tụ cao trong chân không, thu thập các tín hiệu phản ánh đặc điểm của mẫu tại từng điểm chiếu, từ đó tạo ra hình ảnh rõ nét về bề mặt Ảnh SEM cung cấp thông tin về hình dạng, hình thái cấu trúc, độ kết tinh, kích thước hạt và vi cấu trúc trên bề mặt mẫu, giúp nghiên cứu các đặc điểm bề mặt một cách chi tiết Ưu điểm của SEM là có chi phí thấp hơn và thao tác điều khiển đơn giản hơn so với kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phù hợp cho nhiều ứng dụng trong phân tích vật liệu và khoa học vật liệu.
Nhƣợc điểm: Độ phân giải kém hơn kính hiển vi điển tử truyền qua
2.5.3 Phương pháp xác định nồng độ phẩm màu
Để theo dõi sự thay đổi nồng độ và xác định nồng độ phẩm màu, trong khóa luận sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-vis (Ultra violet visible spectroscopy) Phương pháp này giúp phân tích chính xác chiều cao và vị trí cực đại hấp thụ của các hợp chất, từ đó xác định nồng độ của phẩm màu trong mẫu thử Ưu điểm của UV-vis là dễ thực hiện, nhanh chóng và không làm hư hại mẫu, phù hợp để nghiên cứu các chất màu trong lĩnh vực hóa học và công nghiệp thực phẩm Kết quả thu được từ phương pháp này đảm bảo độ nhạy cao, giúp theo dõi biến đổi nồng độ của phẩm màu theo thời gian một cách chính xác.
Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis là phương pháp phân tích hiện đại được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thực phẩm và hóa học nhờ khả năng cung cấp kết quả phân tích nhanh chóng và chính xác cao Phương pháp này dựa trên nguyên lý của định luật Beer-Lambert, giúp đo lường nồng độ chất đo trong mẫu một cách chính xác và hiệu quả.
Phương pháp phân tích phát triển mạnh nhờ đặc điểm đơn giản, đáng tin cậy và tính ứng dụng rộng rãi trong kiểm tra sản xuất hóa chất, luyện kim, nghiên cứu hóa sinh và môi trường Các bước thực hiện cụ thể của phương pháp này bao gồm việc chuẩn bị mẫu, tiến hành phân tích và xử lý dữ liệu nhằm đảm bảo kết quả chính xác và đáng tin cậy.
Bước 1: Pha dung dịch phẩm màu ở nồng độ 50ppm, quét phổ từ 300nm – 800nm Xác định bước sóng có hấp thụ cực đại λmax
Bước 2: Pha dung dịch phẩm màu có nồng độ khác nhau, từ 0 – 50ppm Đo Abs của các dung dịch ở λmax
Bước 3: Lập đường chuẩn, xác định khoảng tuyến tính
Bước 4: Theo dõi thời gian (0, 30, 60, 90, 120 phút) Chích 15ml dung dịch thí nghiệm, lọc và xử lý sơ bộ, đem đi đo Abs
2.5.4 Phương pháp xác định nhu cầu oxy hóa học (COD)
Nồng độ (khối lượng) của oxi được xác định dựa trên lượng dicromat tiêu tốn để oxi hóa các chất lơ lửng và hòa tan trong mẫu nước Quá trình chuẩn độ diễn ra bằng cách đun hồi lưu mẫu thử với lượng dicromat đã biết trước, sau đó thêm thủy ngân II sunfat và bạc trong axit H2SO4 đặc để xác định lượng dicromat còn lại Trong quá trình này, một phần dicromat bị khử do sự có mặt của các chất dễ oxi hóa, và lượng dicromat còn lại được chuẩn độ bằng sắt (II) amoni sunfat, sử dụng feroin hoặc phenylanthranilic làm chất chỉ thị Giá trị COD sau đó được tính dựa trên lượng dicromat bị khử, với quy ước 1 mol dicromat tương đương với 1,5 mol oxy (O₂), đảm bảo tiêu chuẩn xác định hiệu quả ô nhiễm của mẫu nước.
Chất chỉ thị là feroin (màu chuyển từ xanh lá cây sang nâu hơi đỏ) hoặc axit phenylanthralinic (màu chuyển từ nâu đỏ sang xanh lá cây) [4]
Mẫu đƣợc lấy vào bình thủy tinh, bảo quản lâu nhất trong 5 ngày ở 0 0 C đến 50 0 C, thêm H2SO4 để bảo quản mẫu
Khi lấy một phần mẫu thử để phân tích phải lắc lọ đựng mẫu sao cho đảm bảo tính đồng nhất của mẫu [4]
2.5.5 Phương pháp khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton sử dụng đá ong biến tính
Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu xử lý mẫu chứa phẩm màu Reactive Yellow 160 bằng phương pháp Fenton di thể, sử dụng 0,05ml H₂O₂ 30% và xúc tác đá ong biến tính (Lat-Fe(III)) Quá trình xử lý được thực hiện trên 200ml dung dịch chứa 50ppm RY 160 ở pH = 7, nhằm tối ưu hóa hiệu quả loại bỏ màu và nghiên cứu quá trình phân hủy oxy hóa.
Khảo sát các yếu tố: pH, nhiệt độ, lƣợng chất xúc tác, lƣợng H2O2 là các yếu tố cụ thể
- Ngoài ra còn khảo sát thêm một số yếu tố: tái sử dụng chất xúc tác, ion cản, lƣợng Fe
Theo dõi sự thay đổi hàm lượng Reactive Yellow 160 trong dung dịch mẫu bằng phương pháp đo độ hấp thụ quang UV-vis tại bước sóng hấp thụ cực đại sau các khoảng thời gian 0, 30, 60, 90 và 120 phút để đánh giá quá trình phản ứng và biến đổi của chất trong dung dịch Quá trình này giúp xác định thời gian phản ứng và hiệu quả của phản ứng màu dyes trong môi trường phân tích Phương pháp đo UV-vis là công cụ chính để theo dõi mức độ biến đổi của Reactive Yellow 160 theo thời gian, đảm bảo kết quả chính xác và phù hợp với các tiêu chuẩn phân tích.
2.6 Phương pháp tính hiệu suất
Hiệu suất xử lý phẩm màu
Hàm lượng RY 160 trong nước được xác định bằng phương pháp quang phổ trên máy UV-Vis Cary 100 ở bước sóng 421nm, là bước sóng hấp thụ đặc trưng của phẩm nhuộm được xác định qua thực nghiệm Hiệu quả xử lý màu (H, %) được tính dựa trên công thức phù hợp, giúp đánh giá mức độ loại bỏ màu sắc hiệu quả trong quá trình xử lý nước.
Trong đó: C o nồng độ phẩm màu ban đầu (mg/l)
Ct nồng độ phẩm màu xác định sau thời gian t (mg/l)
Hiệu suất xử lý COD
H = COD ban đầu - COD sau xử lý
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Nghiên cứu biến tính đá ong thành vật liệu có khả năng xúc tác
3.1.1 Quy trình biến tính đá ong
Lấy 10g đá ong và 1,5g Fe2(SO4)3 hòa trộn trong cốc thủy tinh 50mL, thêm 20mL nước cất rồi khuấy cơ học hỗn hợp với tốc độ 120 vòng/phút trong 2 giờ để đảm bảo phản ứng đồng đều Sau đó, hỗn hợp được nung ở nhiệt độ 500°C trong 2 giờ để biến đổi cấu trúc Cuối cùng, làm nguội và thu được xúc tác là đá ong biến tính, sản phẩm dùng trong các ứng dụng công nghiệp.
3.1.2 Đặc trưng bề mặt của đá ong biến tính Đặc tính của đá ong và hệ xúc tác Lat-Fe(III) dựa trên nền vật liệu đá ong sau biến tính đƣợc tập trung phân tích trên ảnh SEM Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu Việc tạo ảnh của mẫu vật đƣợc thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật thông qua phần mềm LEO
Hình 3.1 thể hiện ảnh SEM của mẫu đá ong trước và sau khi biến tính Ảnh SEM cho thấy đá ong là vật liệu xốp, sau biến tính bề mặt được phủ một lớp màng bao phủ, làm tăng diện tích bề mặt và số lượng tâm hấp phụ Trong hình 3.1a, mẫu đá ong chưa biến tính có kích thước lớn, thô và bề mặt không có lớp màng bảo vệ, còn hình 3.1b thể hiện mẫu sau biến tính với cấu trúc đặc khít, nhỏ, mịn, giúp nâng cao khả năng xúc tác cho quá trình Fenton Sự khác biệt rõ rệt giữa hai mẫu thể hiện qua các ảnh SEM cho thấy quá trình biến tính đã cải thiện đáng kể đặc tính vật liệu.
3.1.3 Ảnh hưởng của muối sắt đến hoạt tính xúc tác của vật liệu
Trong phản ứng Fenton dị thể, hiệu quả xử lý ô nhiễm phụ thuộc vào số lượng gốc OH• trong dung dịch Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến lượng gốc OH• là hàm lượng Fe3+ có trong dung dịch Do đó, việc tối ưu hóa lượng muối Fe (III) ngâm tẩm vào đá ong là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm bằng phản ứng Fenton.
Hình 3.2 Ảnh hưởng của lượng Fe (III) đưa vào biến tính đá ong 200ml [RY 160 = 50ppm]; V H2O2 30% = 0,05ml; pH 7; [Lat-Fe(III)] = 1,25 g/L; t o = 30 o C; tốc độ khuấy 120 vòng/phút)
Kết quả thực nghiệm cho thấy rõ sự khác biệt giữa đá ong sử dụng muối sắt (III) sunfat và không sử dụng, cho thấy vai trò quan trọng của việc ngâm tẩm muối sắt (III) lên đá ong Việc ngâm tẩm đá ong trong muối sắt (III) từ 30 đến 120 phút giúp đạt hiệu suất xử lý lên tới 100%, nhờ vào sự gia tăng của Fe(III) làm tăng số lượng gốc tự do Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của quá trình ngâm tẩm trong nâng cao hiệu quả xử lý của đá ong.
OH • Ảnh hưởng của hàm lượng Fe(III) có thể giải thích thông các phản ứng cơ bản của quá trình Fenton dị thể nhƣ sau [10]:
Fe 3+ + H2O2 → Fe(OOH) 2+ + H + (1) Fe(OOH) 2+ → Fe 2+ + HO2 ●
(5) Với mẫu đá ong không ngâm tẩm muối sắt (III) thì hiệu suất xử lý rất thấp, chƣa đạt đƣợc 10% sau 120 phút.
Xác định bước sóng hấp thụ đặc trưng của dung dịch phẩm nhuộm và xây dựng đường chuẩn nồng độ của dung dịch phẩm nhuộm
và xây dựng đường chuẩn nồng độ của dung dịch phẩm nhuộm
Dung dịch 5 phẩm màu Reactive Yellow 160, Direct Blue 199, Direct Red
Dung dịch 239, Direct Red 224 và Acid Red 23 được quét phổ UV-vis để xác định bước sóng hấp thụ đặc trưng ở nồng độ 50 ppm Kết quả phân tích cho thấy các bước sóng tối ưu của từng hợp chất được ghi nhận trong bảng 3.1, giúp xác định đặc tính quang phổ của các mẫu màu nhằm hỗ trợ quá trình phân tích và ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp và môi trường.
Bảng 3.1 Bước sóng hấp thụ cực đại của các phẩm màu
STT Chất màu Viết tắt λ max
(Nguồn: Nhóm nghiên cứu – 2017) Nhận xét:
- Dung dịch của các phẩm màu trên đƣợc quét phổ UV-vis với nồng độ
200 mg/L (50ppm) để xác định bước sóng hấp thụ đặc trưng
- Bước sóng hấp thụ cực đại của các phẩm màu được thể hiện ở trên, phù hợp với màu sắc đặc trƣng của các phẩm màu
Bảng 3.2 Đường chuẩn nồng độ và độ hấp thụ quang của các phẩm màu STT Chất màu Phương trình tương quan y = ax + b
R 2 Khoảng nồng độ tuyến tính
(Nguồn: Nhóm nghiên cứu – 2017) Nhận xét:
Chúng tôi xây dựng đường chuẩn nồng độ và độ hấp thụ quang của các phẩm màu tại các bước sóng khác nhau nhằm loại bỏ màu của phẩm nhuộm một cách chính xác Phương pháp này giúp xác định quang phổ đặc trưng của từng phẩm màu, từ đó đảm bảo quá trình phân tích diễn ra hiệu quả Việc thiết lập đường chuẩn là bước quan trọng giúp loại bỏ tác động của màu nhuộm, nâng cao độ chính xác của kết quả phân tích.
Kết quả thực nghiệm xây dựng đường chuẩn thể hiện mối quan hệ giữa độ hấp thụ quang và nồng độ phẩm màu vàng cho thấy có thể xác định chính xác nồng độ các phẩm màu (C) dựa trên giá trị độ hấp thụ quang (Abs) Thông qua bảng 3.2, công thức đã được xác định để tính nồng độ phẩm màu từ độ hấp thụ quang, giúp nâng cao độ chính xác trong phân tích và định lượng mẫu phẩm.
Nồng độ các phẩm màu trong dung dịch mẫu nghiên cứu được xác định thông qua đo hấp thụ quang của dung dịch, dựa trên định luật Lambert-Beer Phương pháp này cho phép xác định chính xác lượng phẩm màu có trong mẫu dựa trên mức độ hấp thụ của dung dịch Liên quan đến quá trình phân tích, đo hấp thụ quang là kỹ thuật quan trọng giúp cung cấp thông tin về nồng độ các hợp chất màu trong mẫu nghiên cứu Định luật Lambert-Beer là cơ sở khoa học giúp liên kết giữa độ hấp thụ quang và nồng độ của các chất trong dung dịch Đây là phương pháp phổ biến và hiệu quả trong phân tích thành phần màu sắc của mẫu nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm.
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý phẩm màu
Trong quá trình xử lý phẩm màu trong nước thải dệt nhuộm, việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả loại bỏ chất màu độc hại Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý gồm có nồng độ chất oxy hóa, pH của nước thải và thời gian phản ứng, cần được kiểm soát chặt chẽ để đạt kết quả tối ưu Đặc biệt, nồng độ chất oxy hóa đóng vai trò quyết định trong việc phân hủy các hợp chất phẩm màu, do đó cần xác định mức phù hợp để tránh lãng phí hoặc không hiệu quả Theo các nghiên cứu, cân bằng các yếu tố này sẽ giúp tăng khả năng xử lý, giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường hiệu quả hơn.
H2O2, hàm lƣợng vật liệu, pH, nhiệt độ, Sau đây, là kết quả nghiên cứu về từng yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý phẩm màu
3.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ chất oxy hóa H 2 O 2
Trong hệ phản ứng Fenton, nồng độ H₂O₂ đóng vai trò quyết định trong quá trình hình thành và tiêu thụ nhóm hydroxyl, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả xử lý Hàm lượng H₂O₂ cao hay thấp đều tác động đến hiệu suất phân hủy phẩm màu, như được trình bày rõ nét qua hình 3.3 Việc tối ưu hóa nồng độ H₂O₂ là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu quả của quá trình xử lý trong hệ phản ứng Fenton.
Hình 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ H 2 O 2 tới hiệu suất xử lý
200ml [RY 160 = 50ppm]; pH 7; [Lat-Fe(III)] = 1,25 g/L; t o = 30 o C; tốc độ khuấy 120 vòng/phút)
Kết quả thực nghiệm trên hình 3.3 cho thấy, thể tích H2O2 30% từ 0 ml đến 0,05 ml có hiệu quả loại bỏ phẩm màu không chênh lệch lớn, chứng tỏ khả năng xử lý màu sắc tương đối ổn định trong phạm vi này Sau 60 phút đầu tiên, hiệu suất xử lý chỉ đạt trên 40%, cho thấy quá trình oxy hóa vẫn còn đang trong giai đoạn bắt đầu Khi tăng thời gian xử lý lên, kết quả cải thiện rõ rệt hơn, cho thấy thời gian là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu quả loại bỏ phẩm màu trong quá trình xử lý bằng H2O2 30%.
Trong khoảng thời gian 90 đến 120 phút, hiệu suất xử lý với 0,05ml H2O2 đạt trên 70% Tăng nồng độ H2O2 trong vùng khảo sát giúp tăng hàm lượng các gốc tự do, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý, theo cơ chế phản ứng Fenton dị thể Thời gian xử lý 120 phút cho phép thể tích H2O2 thay đổi mà vẫn duy trì hiệu suất cao, thể hiện rõ mối liên hệ giữa nồng độ H2O2 và hiệu quả xử lý chất ô nhiễm.
Trong quá trình xử lý, khi nồng độ H₂O₂ tăng từ 0 mM đến 0,2 mM, hiệu suất xử lý đạt trên 70% tại 0,05 ml, với sự chênh lệch không đáng kể giữa các mức Tuy nhiên, khi lượng H₂O₂ tăng cao hơn, xảy ra phản ứng phân hủy H₂O₂, dẫn đến giảm hiệu suất và ảnh hưởng đến quá trình xử lý hiệu quả.
Nhƣ vây, thể tích H 2 O2 30% trong vùng khảo sát là 0,05 ml cho hiệu suất tốt nhất, thể tích H2O2 này đƣợc sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo
3.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu đá ong biến tính
Nghiên cứu này nhằm đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng đá ong biến tính đến quá trình xử lý ô nhiễm trong điều kiện cố định về pH = 7 Trong quá trình nghiên cứu, thể tích H2O2 30% được sử dụng là 0,05ml, và hàm lượng xúc tác được khảo sát ở các mức khác nhau gồm 0 g/L, 0,5 g/L, 1,25 g/L và 2,5 g/L để xác định hiệu quả tối ưu Thí nghiệm được thực hiện trên 200ml dung dịch RY 160 (50ppm) tại 30°C, với tốc độ khuấy cơ học liên tục trong vòng 120 phút để đảm bảo phản ứng xảy ra hoàn toàn.
Hình 3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác tới hiệu suất xử lý
Kết quả khảo sát cho thấy, hiệu suất phân hủy phẩm màu RY 160 tăng rõ rệt khi hàm lượng xúc tác từ 0 g/L lên 2,5 g/L, đặc biệt từ 0 g/L đến 1,25 g/L, do sự gia tăng số lượng gốc tự do tạo thành Tuy nhiên, khi hàm lượng xúc tác là 2,5 g/L, hiệu suất xử lý lại thấp hơn so với 1,25 g/L ở tất cả các thời điểm khảo sát, cho thấy sự tối ưu trong việc sử dụng lượng xúc tác phù hợp để nâng cao hiệu quả phân hủy.
Hiệu suất xử lý đạt cao khi hàm lượng vật liệu là 1,25 g/L, vượt quá mức 1,25 g/L có thể do xúc tác chứa sắt đóng vai trò như tác nhân bẫy, tiêu thụ các gốc tự do hydroxyl Các kết quả thực nghiệm cho thấy hàm lượng vật liệu tối ưu phù hợp là 1,25 g/L, giúp nâng cao hiệu quả xử lý chất thải.
Quá trình Fenton đồng thể và dị thể thể thể hiện vai trò chủ đạo nhờ vào khả năng oxy hóa mạnh của gốc tự do hydroxyl, được hình thành qua phản ứng giữa Fe²⁺ hoặc Fe³⁺ với H₂O₂ pH đóng vai trò là yếu tố cực kỳ quan trọng, ảnh hưởng quyết định đến hiệu quả xử lý của kỹ thuật Fenton; thường xuyên được thực hiện tốt trong môi trường pH 2-3 Tuy nhiên, khi có xúc tác đá ong biến tính tham gia, pH lại ảnh hưởng đáng kể đến khả năng phân hủy phẩm màu, do đó các nghiên cứu tập trung vào khoảng pH từ 6-9, phù hợp với điều kiện về nồng độ phẩm nhuộm, hàm lượng xúc tác và H₂O₂ đã khảo sát trước đó.
Hình 3.5 Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý 200ml [RY 160 = 50ppm]; V H2O2 30% 0,05ml; [Lat-Fe(III)] = 1,25 g/L; t o =
30 o C; tốc độ khuấy 120 vòng/phút)
Kết quả thực nghiệm trên hình 3.5 cho thấy pH ảnh hưởng mạnh đến quá trình xử lý, với hiệu quả cao nhất đạt được ở pH 7, khi quá trình diễn ra thuận lợi nhất.
Thời gian (phút) pH 6 pH 7 pH8 pH9
Tại pH 6, 8 và pH 9 hiệu quả xử lý cao tương đương nhau, chỉ có pH 7 là hiệu quả xử lý vƣợt trội hơn
Nghiên cứu chỉ ra rằng pH 7 là điều kiện phù hợp để thực hiện các phương pháp xử lý, vì giá trị này cho hiệu quả xử lý cao (>90%) và ít gây hòa tan kim loại từ vật liệu ra dung dịch Các kết quả trên hình 3.5 cho thấy các mức pH 6, 7, 8 và 9 đều có hiệu quả xử lý gần như nhau, phản ánh tính linh hoạt của khoảng pH này trong quá trình xử lý Ngoài ra, pH khoảng này đặc biệt phù hợp vì ít gây ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình xử lý, khác với các điều kiện axit thông thường của quá trình Fenton, vốn dễ làm tăng hòa tan vật liệu rắn.
3.3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tiến hành phản ứng
Tiến hành khảo sát thí nghiệm ở những điều kiện đã khảo sát ở những thí nghiệm trên nhƣng nhiệt độ dung dịch tiến hành khác nhau ở 30 o C, 40 o C và
50 o C Kết quả thí nghiệm đƣợc thể hiện ở hình 3.6
Hình 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ thí nghiệm tới hiệu suất xử lý phẩm màu
200ml [RY 160 = 50ppm]; V H2O2 30% 0,05ml; [Lat-Fe(III)] = 1,25 g/L; tốc độ khuấy 120 vòng/phút)
Kết quả thực nghiệm cho thấy, ở nhiệt độ 40°C và 50°C, hiệu suất xử lý đạt trên 90%, với các mức thời gian gần như tương đương nhau Nhìn chung, thay đổi nhiệt độ từ 30°C đến 50°C ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xử lý, đặc biệt là trong các quá trình xử lý công nghiệp Tăng nhiệt độ trong khoảng này giúp cải thiện hiệu quả xử lý, đảm bảo hiệu suất ổn định và tối ưu hóa quá trình.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, xử lý trong khoảng nhiệt độ 30°C là phù hợp để thực hiện quá trình Fenton kết hợp đá ong biến tính, đạt hiệu suất gần như 100% sau 60 đến 120 phút Ở nhiệt độ này, quá trình phân hủy H₂O₂ diễn ra nhanh hơn, các ion sắt trở nên linh hoạt hơn, giúp tăng khả năng hình thành gốc hydroxyl OH• và nâng cao hiệu quả xử lý Do đó, nhiệt độ 30°C được lựa chọn làm điều kiện chính cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm tối ưu hóa quá trình xử lý hiệu quả.
3.3.5 Ảnh hưởng của ion cản
Tiến hành khảo sát thí nghiệm dưới các điều kiện đã được nghiên cứu trước đó, sử dụng các muối NaCl, Na₂SO₄ và KNO₃ Kết quả của các thí nghiệm đã được trình bày minh họa rõ nét qua hình 3.7, 3.8 và 3.9, góp phần làm rõ ảnh hưởng của các loại muối này đến quá trình khảo sát.
Hình 3.7 Ảnh hưởng của ion clorua (Cl - ) tới hiệu suất xử lý phẩm màu 200ml [RY 160 = 50ppm]; V H2O2 30% 0,05ml ; pH=7; [Lat-Fe(III)] = 1,25 g/L; t o 0 o C; tốc độ khuấy 120 vòng/phút)
Hình 3.8 Ảnh hưởng của ion sunfat (SO 4
2- ) tới hiệu suất xử lý phẩm màu 200ml [RY 160 = 50ppm]; V H2O2 30% 0,05ml ; pH=7; [Lat-Fe(III)] = 1,25 g/L; t o 0 o C; tốc độ khuấy 120 vòng/phút)
Hình 3.9 Ảnh hưởng của ion nitrat (NO 3
- ) tới hiệu suất xử lý phẩm màu 200ml [RY 160 = 50ppm]; V H2O2 30% 0,05ml ; pH=7; [Lat-Fe(III)] = 1,25 g/L; t o 0 o C; tốc độ khuấy 120 vòng/phút)
Các kết quả thực nghiệm cho thấy muối của ion nitrat (NO3
-) không gây cản trở cho quá trình xử lý mà ngƣợc lại nó còn xúc tác cho quá trình Fenton
Hiệu quả xử lý của dung dịch KNO3 0,5 mol/l diễn ra tốt hơn, cho thấy kết quả xử lý đạt hiệu quả cao khi có mặt muối KNO3 Tuy nhiên, khi lượng muối tăng lên, hiệu quả xử lý lại giảm đi rõ rệt Do đó, việc kiểm soát lượng muối KNO3 là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất xử lý trong quá trình xử lý.
Áp dụng kỹ thuật Fenton – đá ong biến tính trong xử lý tải lƣợng COD của mẫu phẩm màu và mẫu nước thải dệt nhuộm
Chỉ tiêu COD được sử dụng để xác định hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá ô nhiễm môi trường nước Việc xử lý COD có ý nghĩa lớn, giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ nguồn nước sạch cho môi trường Nghiên cứu loại bỏ COD trong 5 loại phẩm nhuộm, bao gồm DB 199 (xanh) và DR, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp.
239 (đỏ cờ), DR 224 (đỏ sen), AR 23 (đỏ vang), RY 160 (vàng)
Bảng 3.3 Kết quả đo COD của mẫu phẩm màu sau xử lý
Mẫu phẩm màu Viết tắt COD trước xử lý
Kết quả phân tích cho thấy, theo QCVN 13 : 2015/BTNMT, hàm lượng COD cho phép của cột A đối với các cơ sở đang hoạt động là 100mg/l, trong khi đó cột B là 200mg/l Từ dữ liệu thu thập, tất cả 5 loại phẩm màu gồm đỏ vang, đỏ sen, đỏ cờ, màu xanh và màu vàng đều có hàm lượng COD nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn này.
B, so với quy chuẩn Màu đỏ cờ và màu xanh nằm trong giới hạn cho phép so của cột A, so với quy chuẩn Còn màu vàng, đỏ sen và đỏ vang đều vƣợt quá giới hạn cho phép của cột A, so với quy chuẩn Hiệu suất xử lý của màu xanh đạt kết quả tốt nhất (57%), các phẩm màu còn lại hiệu suất xử lý đạt đƣợc chƣa cao Nhƣ vậy, khả năng áp dụng quy trình Fenton sử dụng đá ong biến tính xử lý trực tiếp đối với các phẩm màu là khác nhau Để đánh giá khả năng áp dụng quy trình này cần triển khai ở một giai đoạn cụ thể sau khi đã xử lý ở các bậc khác nhau
3.4.2 Mẫu nước thải dệt nhuộm
Ngoài ra, nghiên cứu mẫu nước thải dệt nhuộm tại làng nghề Vạn Phúc (Hà Đông) đã thực hiện thu thập hai mẫu nước từ các cơ sở sản xuất dệt nhuộm để phân tích chất lượng môi trường Các mẫu nước thải này cho thấy mức độ ô nhiễm đáng kể do hoạt động sản xuất kéo dài, gây tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe cộng đồng nơi đây Việc đánh giá tình trạng ô nhiễm nước thải dệt nhuộm tại Vạn Phúc giúp đưa ra các đề xuất quản lý chất thải hiệu quả, góp phần duy trì phát triển bền vững của làng nghề truyền thống.
Hình 3.12 Lấy mẫu nước thải dệt nhuộm tại làng nghề Vạn Phúc
Sau pha loãng mẫu nước thải dệt nhuộm trước và sau xử lý, tiến hành các bước xác định COD (đã nêu ở phần phương pháp nghiên cứu)
Công thức tính hiệu suất: H = COD trước xử lý - COD sau xử lý
Kết quả đƣợc thể hiện tại bảng 3.4
Bảng 3.4 Số liệu và kết quả của COD mẫu nước thải Mẫu nước thải dệt nhuộm COD trước xử lý COD sau xử lý Hiệu suất (%)
Kết quả phân tích cho thấy, mẫu M1 – T (trước xử lý), M1 – S (sau xử lý) và M2 – S (sau xử lý) đều có hàm lượng COD nằm trong giới hạn cho phép theo quy chuẩn QCVN 13:2015/BTNMT, cột A đối với cơ sở đang hoạt động Cụ thể, hàm lượng COD của mẫu M1 – T vượt ngưỡng của cột A (100mg/l), trong khi các mẫu còn lại đều đạt tiêu chuẩn với hàm lượng COD từ 100mg/l trở xuống, phù hợp với tiêu chuẩn môi trường và đảm bảo sự tuân thủ quy định về xử lý nước thải.
B, so với quy chuẩn Mẫu M2 – T có hàm lƣợng COD vƣợt gấp 2 lần so với giới hạn cho phép của cột B, so với quy chuẩn Còn đối với cột A thì tất cả 4 mẫu đều vƣợt quá giới hạn cho phép, so với quy chuẩn Mẫu 1 có hiệu suất xử lý đạt thấp hơn hiệu suất xử lý mẫu 2 (
