Xử lý nước thải cà phê hoàn tan bằng BẰNG CÔNG NGHỆ QUANG FENTON

Để giảm thiểu ảnh hưởng xấu của nước thải cà phê tới môi trường, nhiều phương pháp xử lý được nghiên cứu và ra đời, trong đó có phương pháp oxi hóa nâng cao (AOPs). Trong đó quá trình Fenton và QuangFenton là một trong những quá trình oxi hóa nâng cao được chú ý những năm gần đây. Tuy nhiên do tốc độ phản ứng của quá trình Fenton khá chậm hơn so với quá trình QuangFenton, tỉ lệ khử màu của quá trình Fenton là chậm hơn nhiều so với quá trình QuangFenton Các công trình nghiên cứu khoa học liên quan như Masahiro Tokumura và cộng sự (2006) 14 đã tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải cà phê bằng quá trình QuangFenton với các điều kiện tối ưu pH = 3, nồng độ Fe2+ và H2O2 lần lượt là 14 mgl và 800 mgl cho hiệu quả loại bỏ màu 100% sau 210 phút phản ứng dưới bức xạ đèn UV. Ngoài ra, để thấy được hiệu quả xử lý của công nghệ QuangFenton, Sabaikai và cộng sự (2014) 19 đã tiến hành xử lý nước thải sản xuất trà Oolong bằng công nghệ QuangFenton. Kết quả cho thấy tại pH = 3, nồng độ Fe2+, H2O2 lần lượt là 20 mgl và 500 mgl: Hiệu quả xử lý polyphenol đạt 97% sau 60 phút phản ứng và hiệu quả loại bỏ COD gần như 100% sau 100 phút phản ứng. Qua nghiên cứu trên có thể thấy rằng, quá trình QuangFenton có thể áp dụng thành công trong xử lý nước thải cà phê, thậm chí khi có mặt trong các mẫu phức tạp như SW và STP 9. Từ những nhận định trên, công nghệ Quang Fenton hệ Fe2+H2O2UV được định hướng cho nghiên cứu xử lý nước thải cà phê hòa tan Trung Nguyên – Nhà máy cà phê Sài Gòn.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM

KHOA CNSH & KTMT

- -KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÀ PHÊ HÒA TAN

BẰNG CÔNG NGHỆ QUANG FENTON,

HỆ Fe2+/H2O2/UV.

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AOPs: Advanced Oxidation Processes

BOD : Biochemical Oxygen Demand

COD : Chemical Oxygen Demand

CTR : Chất thải rắn

KCN : Khu công nghiệp

NN&PTN : Nông nghiệp và phát triển nông thônQCVN : Quy chuẩn Việt Nam

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

STP : Sewage treatment plant

SW : Surface Water

UV : Ultraviolet

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU1.1 Đặt vấn đề

Cà phê là một loại thức uống không thể thiếu đối với nhiều người Cùng với sựphát triển của các ngành công nghiệp và dịch vụ khác, nhu cầu về các sản phẩm cà phêngày càng tăng Cà phê dần trở thành mặt hàng nông sản chế biến xuất khẩu quantrọng của Việt Nam Theo số liệu của Bộ NN&PTNT, Bản đồ Thương mại toàn cầu(GTA) và thương nhân trong nước, kim ngạch xuất khẩu cà phê trong 7 tháng đầu mùa

vụ 2013/2014 đạt 14.5 triệu bao (tương đương 870.000 tấn), FAS/USDA dự báo mùa

vụ 2014/2015 nước ta có thể xuất khẩu được 28 triệu bao (tương đương 1.68 triệu tấn)

cà phê, tăng 8% so với mùa vụ trước [2] Việt Nam đã trở thành nước xuất khẩu cà phêđứng thứ hai trên thế giới sau Brazil Chính vì vậy, ngành công nghiệp này không thểthiếu được trong đời sống của người dân

Có thể nói cà phê tạo nguồn lợi hết sức to lớn về kinh tế: tạo ra các sản phẩmngày càng đa dạng để phục vụ trong nước, xuất khẩu khối lượng lớn nhân cà phê đểthu nhiều ngoại tệ cho đất nước và tạo công ăn việc làm cho người lao động

Tuy nhiên, vì quá chú trọng đến kinh tế, không đảm bảo phát triển bền vững đãgây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái nói riêng cũng như môi trường nóichung Quá trình xả thải nước thải cà phê chứa thành phần ô nhiễm cao, các chất hữu

có khó phân hủy sinh học từ các nhà máy chế biến cà phê đã ức chế sự hoạt động của

vi sinh vật thủy sinh, ảnh hưởng đến sức khỏe và đời sống của con người

Để giảm thiểu ảnh hưởng xấu của nước thải cà phê tới môi trường, nhiều phươngpháp xử lý được nghiên cứu và ra đời, trong đó có phương pháp oxi hóa nâng cao(AOPs) Trong đó quá trình Fenton và Quang-Fenton là một trong những quá trình oxihóa nâng cao được chú ý những năm gần đây Tuy nhiên do tốc độ phản ứng của quátrình Fenton khá chậm hơn so với quá trình Quang-Fenton, tỉ lệ khử màu của quá trìnhFenton là chậm hơn nhiều so với quá trình Quang-Fenton

Các công trình nghiên cứu khoa học liên quan như Masahiro Tokumura và cộng

sự (2006) [14] đã tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải cà phê bằng quá trình Fenton với các điều kiện tối ưu pH = 3, nồng độ Fe2+ và H2O2 lần lượt là 14 mg/l và

Quang-800 mg/l cho hiệu quả loại bỏ màu 100% sau 210 phút phản ứng dưới bức xạ đèn UV.Ngoài ra, để thấy được hiệu quả xử lý của công nghệ Quang-Fenton, Sabaikai và cộng

sự (2014) [19] đã tiến hành xử lý nước thải sản xuất trà Oolong bằng công nghệQuang-Fenton Kết quả cho thấy tại pH = 3, nồng độ Fe2+, H2O2 lần lượt là 20 mg/l và

500 mg/l: Hiệu quả xử lý polyphenol đạt 97% sau 60 phút phản ứng và hiệu quả loại

bỏ COD gần như 100% sau 100 phút phản ứng Qua nghiên cứu trên có thể thấy rằng,quá trình Quang-Fenton có thể áp dụng thành công trong xử lý nước thải cà phê, thậmchí khi có mặt trong các mẫu phức tạp như SW và STP [9]

Từ những nhận định trên, công nghệ Quang Fenton hệ Fe2+/H2O2/UV được địnhhướng cho nghiên cứu xử lý nước thải cà phê hòa tan Trung Nguyên – Nhà máy cà phêSài Gòn

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

− Xác định giá trị tối ưu của 3 yếu tố ảnh hưởng (pH, nồng độ Fe2+, nồng độ H2O2)đến công nghệ oxy hóa xúc tác quang để xử lý nước thải cà phê

1.3 Ý nghĩa đề tài

+ Tìm ra được điều kiện tối ưu của 3 yếu tố: pH, nồng độ Fe2+, nồng độ H2O2

+ Đóng góp nghiên cứu mới phục vụ công tác xử lý nước thải

− Ý nghĩa thực tiễn

+ Nâng cao hiệu quả xử lý nước thải cà phê

+ Góp phần bảo vệ môi trường

1.4 Đối tượng nghiên cứu

− Nước thải từ quá trình sản xuất cà phê tại nhà máy sản xuất cà phê hòa tan saukhi đã qua xử lý sơ bộ của công ty Cổ phần tập đoàn Trung Nguyên (KCN MỹPhước 2 – Bình Dương)

− Phương pháp xử lý: oxy hóa bậc cao xúc tác quang hệ Fe2+/ H2O2/UV

1.5 Phạm vi nghiên cứu

− Khảo sát 3 yếu tố (pH, nồng độ Fe2+, nồng độ H2O2 ) ảnh hưởng đến quá trình xử

lý nước thải cà phê hòa tan bằng công nghệ Quang Fenton

− Nghiên cứu được tiến hành tại phòng thí nghiệm trường ĐH Công Nghiệp ThựcPhẩm Tp.HCM.

− Các yếu tố khác ảnh hưởng ngoài phạm vi nghiên cứu được loại trừ

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Tổng quan ngành công nghiệp cà phê tại Việt Nam

2.1.1Tình hình sản xuất cà phê tại Việt Nam

Hình 2.1: Hạt cà phê

Cây cà phê là một trong những cây công nghiệp quan trọng của vùng nhiệt đới

Cà phê có tính thích nghi rộng, chịu được hạn So với các cây công nghiệp khác thì càphê là cây dễ trồng, tuổi thọ cao, ít mắc các bệnh nguy hiểm, cho năng suất cao, năngsuất khá Vì thế diện tích cà phê của nước ta những năm gần đây tăng lên đáng kể.Niên vụ năm 2000/2001 là 410.000 ha đến năm 2009/2010 đã tăng lên 500.000 ha [2]

Cà phê là thức uống thông dụng trên thế giới Hợp chất đặc trưng và quan trọngnhất trong cà phê là Cafein Có tác dụng kích thích thần kinh và tăng cường hoạt độngcủa tế bào não, thúc đẩy hoạt động tuần hoàn, do vậy khi dùng cà phê với một lượngthích hợp sẽ giúp con người trở nên sảng khoái và minh mẫn hơn

Cà phê không chỉ đơn thuần là một sản phẩm nông nghiệp thuần túy mà nó thật

sự trở thành ngành kinh tế đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới Trên thếgiới đã công nhận và sử dụng rộng rãi thuật ngữ “coffee industrial” – ngành côngnghiệp cà phê với tổng giá trị giao dịch toàn cầu khoảng 10 tỷ USD (chỉ sau dầu hỏa).Ngành cà phê không chỉ là một sản phẩm chế biến mà nó còn có các yếu tố tài chính,thương mại, đầu tư,… Cà phê chính là mặt hàng được đầu tư nhiều nhất thế giới.Việt Nam là thành viên mới nhất trong danh sách xếp hạng những quốc gia sảnxuất cà phê lớn nhất thế giới Tham gia vào thị trường này từ những năm 1990, Việt

Nam hiện xếp thứ hai toàn thế giới sau Brazil về tổng sản lượng cà phê và là quốc giaxuất khẩu cà phê Robusta lớn nhất thế giới Trong giai đoạn từ 1995 đến 2001, ViệtNam đã tăng gấp ba diện tích trồng cà phê, cải tiến công nghệ và giống cây cà phê đểcải thiện hiệu suất thu hoạch hạt cà phê trên mỗi hec-ta canh tác Trong khi người nôngdân Colombia cần một triệu hecta đất canh tác để tạo ra khoảng 1/3 tổng lượng cung

cà phê, thì người nông dân Việt Nam chỉ cần 2/3 triệu hecta để sản xuất ra hơn mườitriệu bao cà phê mỗi năm Tuy nhiên, trong giai đoạn 5 năm đó, do hệ thống tưới tiêucòn hạn chế không đáp ứng được thay đổi quy mô lớn và đột xuất, đa phần diện tíchcanh tác không có đủ lượng nước cần thiết

Hình 2.2: Diện tích và sản lượng cà phê Việt Nam từ năm 2005 - 2014

Về nguồn cung, hiện ngành xuất khẩu cà phê có trên 140 doanh nghiệp xuấtkhẩu, với 4 doanh nghiệp hàng đầu là TCT Cà phê Việt Nam, Cà phê 2/9, XNKIntimex, và Tập đoàn Thái Hòa Các doanh nghiệp nhỏ lẻ tổ chức mua và xuất khẩu càphê, đồng thời bán lại cho khoảng 20 doanh nghiệp nước ngoài có nhà máy hoặc cơquan đại diện tại Việt Nam Chiến lược ngành cà phê Việt Nam hiện nay là khuyếnkhích các nhà đầu tư nước ngoài (cũng như trong nước) đầu tư vào lĩnh vực cà phêrang xay, chế biến cà phê hòa tan như Nestlé, Olam, Vinacafe Biên Hòa, Cà phê TrungNguyên

2.1.2 Thành phần chính của nước thải cà phê hòa tan

+ Đường trong cà phê là do nhớt hoặc phần ngoài của quả cà phê

(Nguồn: Tổng cục thống kê, Bộ

NN&PTNN)

+ Trong quá trình lên men, đường bị phân hủy thành rượu và CO2 Sau đó rượuchuyển thành acid acetic làm cho pH của nước giảm.

+ Là phần chất nhầy bao quanh hạt cà phê

+ Thành phần chủ yếu của nhớt là protein, đường và pectin Phần nhớt rất khó

bị phân hủy, nó thường kết tủa thành lớp đen trên bề mặt Lớp chất rắn này

có thể làm tắc nghẽn đường ống và giảm lượng oxi trong nước

+ Nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải rất cao Những chất này được phânhủy dần dần bởi các vi sinh vật trong nước Trong quá trình này chúng cần sửdụng oxi trong nước Lượng oxi cần thiết để các vi sinh vật phân hủy hoàntoàn các chất hữu cơ trong một khối lượng nước nhất định được gọi là “nhucầu oxi sinh học”, viết tắt là BOD

+ Lượng BOD càng cao thì lượng oxi trong nước mất càng nhiều nên các sinhvật yếm khí có điều kiện hoạt động Điều này dẫn đến nước thải cà phê bịbốc mùi

+ Các chất hữu cơ có nguồn gốc từ vỏ và thịt cà phê

− Hương liệu tự nhiên:

+ Đây là chất tạo màu cho cà phê

+ Các hương liệu này không làm hại đến môi trường Tuy nhiên chúng làm chonước thải cà phê có màu xanh đậm hoặc đen, ảnh hưởng đến hiệu quả xử lýnước thải và cảnh quan môi trường

2.2 Tổng quan về công nghệ chế biến cà phê hòa tan của công ty Cổ phần tập đoàn Trung Nguyên

2.2.1Giới thiệu về ngành công nghiệp chế biến cà phê hòa tan của Công ty

Chi nhánh Công ty cổ phần tập đoàn Trung Nguyên – Nhà máy cà phê Sài Gònđược đặt tại lô A, đường NA7, KCN Mỹ Phước 2, thị xã Bến Cát, Bình Dương Nổitiếng trong lĩnh vực sản xuất cà phê và là đơn vị sản xuất cà phê đứng đầu Tỉnh BìnhDương, Công ty cổ phần tập đoàn Trung Nguyên nằm trong nhóm những công ty sảnxuất cà phê lớn của cả nước

Trung Nguyên cà phê đã đứng vững và liên tục phát triển Năm 1996, thành lậpcông ty bắt đầu từ 1 cơ sở chế biến cà phê nhỏ, 4 chàng sinh viên trẻ tuổi đã quyết chíthành lập công ty với ước mơ xây dựng 1 thương hiệu cà phê nổi tiếng, đưa hương vị

cà phê Việt Nam lan tỏa khắp thế giới Vào năm 1998, với câu khẩu hiệu "Mang lại

sang trọng của Sài Gòn Từ đó đến nay, công ty đã ngày càng phát triển với nhiều loại

cà phê và hệ thống nhà máy chế biến cà phê từ Bắc vào Nam

Sản phẩm cà phê xay

Nhiên liệu dầu FO

Nhiên liệu dầu FO

Khí thải, nhiệt, ồnỒn

Ly tâmTrích ly

RangXay

Đóng gói

Đóng

CTRSản phầm cà phê hòa tan

ĐóngCTR

2.2.2Phương pháp chế biến cà phê hòa tan

(Nguồn: Công ty Cổ phần tập đoàn Trung Nguyên)

Thuyết minh quy trình:

Nguyên liệu sử dụng cho công nghệ chế biến cà phê bao gồm: Cà phênhân, đường, bột kem và nước Cà phê nhân được đưa vào máy sàng để phân loại

Cà phê hạt

Sản phẩm cà phê rang

Sản phẩm cà phê hòa tan

Hình 2.3: Sơ đồ chế biến cà phê hòa tan Trung Nguyên

Tiếp theo, cà phê được đưa sang máy rang để cà phê chín đều và có mùi thơm Saukhi rang, hạt cà phê được làm nguội tự nhiên và thêm một lượng nhỏ nước vào để tạo

độ ẩm khoảng 4.5%

Sau khi làm nguội, cà phê rang được chuyển qua công đoạn đóng gói thành phẩm

để tạo sản phẩm cà phê rang nguyên hạt, hoặc được đưa vào máy xay để tạo sản phẩm

cà phê rang xay Để tạo sản phẩm là cà phê hòa tan và cà phê hòa tan 3 trong 1, bột càphê được đưa vào máy để trích ly dịch cà phê (trong quá trình trích ly không sử dụngbất kỳ một loại hóa chất nào mà chỉ bổ sung nước nóng vào)

Sau khi trích ly, dịch cà phê được đưa qua máy ly tâm để loại bỏ xác cà phê cònlại Tiếp theo là quá trình cô đặc và sấy Kế tiếp, phần tạo sản phẩm cà phê hòa tan sẽđược chuyển qua công đoạn đóng gói thành phẩm, phần tạo sản phẩm cà phê 3 trong 1

sẽ được chuyển qua công đoạn trộn đường, bột kem trước khi đóng gói thành phẩm

Quy trình chế biến cà phê hòa tan được thực hiện theo các bước sau:

về kích thước và tỷ trọng

Quá trình rang quyết định chất lượng cà phê hòa tan, cà phê dưới tác động củanhiệt độ, các phản ứng hóa học sẽ diễn ra tạo nên hương vị màu sắc đặc trưng của càphê Quá trình rang nhiệt độ của hạt cà phê tăng lên do nhiệt lượng cung cấp từ tácnhân gia nhiệt và nhiệt lượng do các phản ứng hóa học bên trong hạt sinh ra

Nhiệt độ thường rang là 180oC và tăng dần nhiệt độ lên từ 200oC – 240oC trongvòng 15 – 25 phút thì tổn thất về khối lượng là 16% - 18% Trong quá trình rang, nồng

độ chất khô hòa tan thường tăng lên, sự thay đổi nồng độ chất khô hòa tan phụ thuộcvào mức độ rang, thiết bị rang và loại cà phê

Quá trình xay cà phê mục đích chính là giảm kích thước của hạt cà phê, phá cỡcấu trúc vốn có của hạt cà phê rang để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trích ly khisản xuất cà phê hòa tan

Ngoài ra, việc xay cà phê còn tạo điều kiện cho một số khí (đặc biệt là CO2) đượcsinh ra trong quá trình rang bị giữ lại bên trong hạt sẽ thoát ra ngoài, tạo điều kiện tốtcho quá trình bao gói Sau khi xay, cà phê phải được trích ly càng nhanh càng tốt đểgiảm thất thoát mùi vị

Quá trình trích ly nhằm thu các chất hòa tan có trong bột cà phê rang và nước.Dùng nước nóng 80 - 90oC để trích ly Không dùng nước có nhiệt độ quá cao vì sẽtrích ly những chất không tốt cho sản phẩm Đây là giai đoạn quan trọng, quyết địnhđến chất lượng, hương vị và cả sản lượng cà phê hòa tan

Quá trình được thực hiện bằng cách cho dung môi tiếp xúc với cà phê trong thiết

bị để hòa tan các chất có trong cà phê và được đưa sang giai đoạn tiếp theo Bã cà phêđược tách ra sau đó sấy khô và đưa đi xử lý

Bột cà phê dùng để sản xuất cà phê hòa tan cần có kích thước lớn và tiến hànhtrích ly nhiều lần để hạn chế lượng bột mịn tan sâu vào trong nước khi trích ly

Sau khi trích ly nồng độ chất khô hòa tan trong dịch trích cà phê thường thấp.Hiện nay nồng độ chất khô trong dung dịch cao nhất có thể đạt được khoảng 25 -30% Khi nồng độ chất thô trong dung dịch còn thấp như thế, việc thực hiện quá trìnhsấy để thu hồi sản phẩm sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế cao Do đó dịch trích cầnphải được cô đặc đến một nồng độ chất khô cao hơn để quá trình sấy được thực hiên

hiệu quả hơn Như vậy mục đích của quá trình cô đặc là nhằm nâng cao nồng độ chấtkhô trong dịch trích nhằm tăng hiệu quả của quá trình sấy.

Sấy nhằm đưa dịch trích cà phê cô đặc thành dạng bột khô để tiện lợi cho quátrình bảo quản và sử dụng Quá trình này gồm 3 giai đoạn: Phun sương, tách ẩm và thuhồi sản phẩm

nhờ cơ cấu phun sương trong thiết bị

+ Giai đoạn trộn mẫu với không khí nóng: Các hạt nhỏ li ti vừa hình thànhtrong giai đoạn trên được trộn trực tiếp với không khí nóng để bốc hơi nướctrong mẫu Đây là giai đoạn tách ẩm ra khỏi nguyên liệu,sản phẩm được tạothành ở dạng bột mịn Thời gian tách ẩm diễn ra từ vài giây đến vài chụcgiây

+ Giai đoạn thu hồi sản phẩm sau sấy từ dòng không khí thoát ra: Có thể sửdụng hệ thống cyclone để thu hồi sản phẩm, hiệu suất dao động 90 - 98%

2.3 Tổng quan quá trình oxi hóa nâng cao

Bảng 2.1: Khả năng oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa

Gốc hydroxyl

OzonHydrogen peroxitPermanganatHydrobromic axitClo dioxit

Hypocloric axitHypoiodic acidClo

Brom Iod

2.802.071.781.681.591.571.491.451.361.090.54

(Nguồn: Zhou, H and Smith, D.H., 2001)

Đặc tính của các gốc tự do là trung hòa về điện Mặt khác, các gốc này không tồntại có sẵn như những tác nhân oxi hóa thông thường, mà được sản sinh ngay trong quátrình phản ứng, có thời gian sống rất ngắn, khoảng vài nghìn giây nhưng liên tục đượcsinh ra trong suốt quá trình phản ứng

2.3.2 Cơ sở lý thuyết quá trình Fenton (Fenton Process)

Năm 1894 trong tạp chí Hội hóa học Mỹ đã công bố công trình nghiên cứu củatác giả J.H.Fenton, trong đó ông quan sát thấy phản ứng oxy hóa axit malic bằnghydrogen peroxit (H2O2) đã được gia tăng mạnh khi có mặt các ion sắt [18] Sau đó, tổhợp H2O2 và muối sắt Fe2+ được sử dụng làm tác nhân oxy hóa rất hiệu quả cho nhiều

đối tượng rộng rãi các chất hữu cơ và được mang tên “tác nhân Fenton” (Fenton

Reagent) Tác nhân Fenton đã được biết đến hàng thế kỷ nay và thực tế đã chứng minh

là một tác nhân oxi hóa rất mạnh do sự hình thành gốc hydroxyl *OH trong quá trìnhphản ứng

Phản ứng Fenton là phản ứng phân hủy H2O2 dưới tác dụng xúc tác của Fe2+ sinh

ra các gốc tự do hydroxyl *OH, còn ion Fe2+ bị oxy hóa thành ion Fe3+ [4]

*OH (1)Gốc *OH tạo ra có thể tác dụng với các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước để phânhủy, khoáng hóa chúng, hoặc cũng có thể tác dụng lại với ion Fe2+ để tạo thành ion

Fe3+ theo phương trình:

*OH + (2)Mặt khác, sự phân hủy H2O2 cũng có thể xảy ra dưới tác dụng xúc tác của Fe3+

Quá trình Fenton có ưu việt ở chỗ các tác nhân H2O2 và muối sắt tương đối rẻtiền và có sẵn, đồng thời không độc hại, dễ vận chuyển, dễ sử dụng, trong khi đó hiệuquả oxi hóa được nâng cao hơn rất nhiều so với H2O2 sử dụng một mình Áp dụng quátrình Fenton để xử lý nước và nước thải có thể dẫn đến khoáng hóa hoàn toàn các chấthữu cơ thành CO2, H2O và các ion vô cơ

2.3.3Các quá trình tạo ra gốc *OH

Các quá trình oxy hóa nâng cao trên cơ sở gốc hydroxyl đã được nghiên cứu để ápdụng vào xử lý nước và nước thải cho đến nay có thể thống kê ở Bảng 2.2

Bảng 2.2: Quá trình tạo ra gốc *OH

Quang Fentonbiến thể

9 và năng lượngcao (tia γ, tia X,

Quá trình nănglượng cao (tia

γ, tia X, chùmelectron)

10 và năng lượngphoton UV

12 và năng lượng

13 và năng lượngphoton UV chân

VUV/oxy hóa

2.3.4Quá trình Quang Fenton

Fe2+ + H2O2 Fe3+ + -OH + *OH (1)

Fe3+ + H2O2 Fe2+ + *HO2 + H+ (2)Theo phản ứng (2), Fe3+ sau khi được tạo ra sẽ tiếp tục phản ứng với H2O2 tạothành Fe2+, lại tiếp tục tham gia phản ứng (1) Tuy nhiên vì hằng số tốc độ của phảnứng (2) rất thấp so với phản ứng (1) nên quá trình phân hủy H2O2 chủ yếu do phản ứng(1) thực hiện Vì thế trong thực tế phản ứng xảy ra chậm dần sau khi toàn bộ Fe2+ đã sửdụng hết cho phản ứng (1) và chuyển sang Fe3+

Các nghiên cứu gần đây cho thấy phản ứng (1) thậm chí cả phản ứng (2) nếu đặtdưới bức xạ của ánh sáng UV hoặc lân cận UV hoặc ánh sáng khả kiến đều được nângcao rõ rệt và nhờ đó có thể khoáng hóa dễ dàng các chất ô nhiễm hữu cơ, ngay cảnhững chất hữu cơ khó phân hủy như thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ Quá trình này đượcgọi là quá trình quang Fenton, thực chất là quá trình Fenton được nâng cao nhờ bức xạcủa các photon ánh sáng

Trong những điều kiện tối ưu của quá trình Fenton tức khi pH thấp (pH < 4), ion

Fe3+ phần lớn nằm dưới dạng phức [Fe3+(OH)-]2+ Chính dạnh này hấp thụ ánh sáng UVtrong miền 250 nm < λ < 400 nm rất mạnh, hơn hẳn so với Fe3+ Phản ứng khử [Fe3+

(OH)-]2+ trong dung dịch bằng quá trình quang hóa học cho phép tạo ra một số gốchydroxyl *OH phụ thêm theo phương trình sau [16]:

Fe3+ + H2O [Fe3+(OH)-]2+ + H+ (3)[Fe3+(OH)-]2+ + hv Fe2+ + *OH (4)Tổng hợp 2 phương trình trên sẽ được:

Fe3+ + H2O + hv Fe2+ + H+ + *OH (5)Phản ứng này là phản ứng đặc trưng của quá trình quang Fenton Tiếp theo sauphản ứng (3) sẽ là phản ứng Fenton thông thường (1) Do đó, nhờ tác dụng bức xạ củatia UV, ion sắt được chuyển hóa từ Fe3+ thành Fe2+ và sau đó ngược lại (Fe2+ thành Fe3+)bằng quá trình Fenton thông thường tạo thành một chu kì không dừng

Quang phân phức FeIII

Phản ứng FentonFeII + H2O2

Quang phân H2O2 Quang phân trực tiếpA + hv Phản ứng*OH + A

So với quá trình Fenton thông thường, quá trình quang Fenton xảy ra tạo gốc

*OH được phát triển rất thuận lợi

Các phản ứng xảy ra trong quá trình quang Fenton được mô tả trên sơ đồ dưới

đây:

(Nguồn: Trần Mạnh Trí, Trần Mạnh Trung, 2005)

2.3.5Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải cà phê bằng công nghệ

Quang Fenton.

2.3.5.1 Ảnh hưởng của pH đến quá trình xử lý

Trong phản ứng quang Fenton, pH ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ phản ứng và

hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ do nó ảnh hưởng đến nồng độ Fe2+ Nhiều nghiên

cứu đã cho thấy rằng phản ứng xảy ra thuận lợi khi pH từ 3 – 4

Khi pH < 3, có sự tạo thành của phức giữa Fe2+ với nước [Fe(H2O)]2+ làm phản

ứng của chúng với H2O2 chậm hơn và vì vậy sản sinh ít hơn gốc hoạt động hydroxyl

làm giảm tốc độ phân hủy Hơn nữa khi ở pH thấp, sự bắt lấy gốc OH• bởi H2O2 trở nên

Ghi chú: A là chất ô nhiễm cần xử lý

A∙, A* là các chất trung gian của phản ứng

Hình 2.4: Sơ đồ các phản ứng xảy ra trong quá trình Quang Fenton

tại ở dạng Fe(OH)2+ chiếm ưu thế, Fe(OH)2+ có hoạt tính cao hơn Fe2+ trong phản ứngFenton/UV Vì vậy, một lượng lớn OH• được hình thành nên hiệu quả phân hủy hợpchất hữu cơ cao.

Khi pH > 4, tốc độ phân hủy bị giảm vì các ion sắt tự do bị giảm trong dung dịch

do sự tạo thành kết tủa Fe(OH)3 làm ngăn cản sự tái sinh Fe2+[4, 6, 7, 16]

2.3.5.2 Ảnh hưởng của nồng độ H 2 O 2 đến quá trình xử lý

Việc tăng [H2O2] làm hiệu suất phân hủy tăng lên Khi tăng nồng độ H2O2 sẽ làmtạo nhiều gốc OH• hơn, nhưng khi lượng H2O2 dư nhiều sẽ có phản ứng giữa H2O2 vớigốc OH• vừa mới sinh ra theo phản ứng[6]:

2.3.5.3 Ảnh hưởng của nồng độ Fe 2+ đến quá trình xử lý

Khả năng khử màu có xu hướng tăng khi tăng nồng độ Fe2+, nhưng khi tăng quácao thì hiệu suất tăng không đáng kể nữa Kết quả này được giải thích là do khi tăngnồng độ Fe2+ làm tăng số lượng gốc HO• được tạo thành theo phương trình[10]:

2.3.5.4 Ảnh hưởng của bức xạ UV đến quá trình xử lý

Hệ Fenton/UV có hiệu suất xử lý COD rất cao được giải thích là do sự có mặtcủa tia UV Bức xạ UV không chỉ tăng sự hình thành các hydroxyl mà còn tái sinh chất

xúc tác bằng cách khử Fe3+ Trong điều kiện pH thấp, ion Fe(III) chủ yếu nằm dướidạng phức [Fe(OH)]2+ Chính dạng này hấp thu ánh sáng UV rất mạnh, hơn cả Fe3+.Dưới tác dụng của tia UV, nó tạo ra một số gốc HO• phụ thêm:

2.3.5.5 Ảnh hưởng của các anion vô cơ đến quá trình xử lý

Một số anion vô cơ thường gặp trong nước thải là những ion cacbonat (CO32-),bicacbonat (HCO3-), Clorua (Cl-) sẽ tóm bắt các gốc hydroxyl *HO làm hao tổn sốlượng gốc hydroxyl, giảm mất khả năng phản ứng oxi hóa, Những chất tóm bắt này

gọi chung là những chất tìm diệt gốc hydroxyl, những phản ứng săn lùng như sau:

Nói chung, các ion cacbonat (CO32-), bicacbonat (HCO3-), Clorua (Cl-)thường cóảnh hưởng kìm hãm tốc độ phản ứng nhiều nhất Để hạn chế các yếu tố ảnh hưởng trêncần chỉnh pH sang môi trường axit để chuyển cacbonat, bicacbonat sang cacbonic axit

(không phải chất tìm diệt gốc hydroxyl) Ngoài ra, một số anion vô cơ khác như các

gốc sunfat (SO42-), nitrat (NO3-), photphat (PO43-) cũng có thể tạo thành những phứcchất không hoạt động với Fe3+ làm cho hiệu quả của quá trình Quang Fenton giảm đinhưng ảnh hưởng này ở mức độ thấp Sự có mặt của 2 ion Cl- và SO42- đều làm giảmhiệu quả xử lý của quá trình, một phần là do khả năng bắt tóm gốc tự do HO· để tạothành các gốc tự do mới kém hoạt động hơn, mặt khác chúng tham gia tạo phức vớiion Fe2+ và Fe3+ làm giảm hoạt tính xúc tác của ion sắt

2.4 Các nghiên cứu có liên quan trong và ngoài nước

2.4.1 Các nghiên cứu trong nước

Năm 2009, Đào Sỹ Đức, Vũ Thị Mai, Đoàn Thị Phương Lan [3] đã nghiên cứu

đề tài “Xử lý màu nước thải giấy bằng phản ứng Fenton” Kết quả nghiên cứu trong

công trình này cho thấy các điều kiện phù hợp về nồng độ sắt (II) sunfat, hydro peoxit,thời gian và pH tương ứng là 0.1g/L; 0.13g/L; 40 phút và 4 Ánh sáng và TiO2 có ảnhhưởng tích cực tới quá trình xử lý Ánh sáng mặt trời cho hiệu quả xử lý cao hơn sovới ánh sáng đèn sợi đốt Hằng số tốc độ phản ứng ở các điều kiện không chiếu sáng,chiếu sáng bằng đèn sợi đốt, chiếu sáng bằng ánh sánh mặt trời, chiếu sáng bằng ánhsáng mặt trời + TiO2 được xác định tương ứng là 0.0283; 0.0504; 0.0602 và 0.1642phút-1 Ở điều kiện phù hợp, hiệu quả xử lý màu có thể đạt hơn 90% khi không sử dụngxúc tác, 100% khi có xúc tác TiO2

Năm 2011, Trương Quý Tùng, Lê Văn Tuấn [5] cùng các cộng sự nghiên cứu tại

Trường Đại học Khoa Học và Đại học Huế đã nghiên cứu đề tài “Xử lý nước rỉ rác

bằng tác nhân UV-Fenton trong thiết bị gián đoạn” Nghiên cứu này trình bày kết quả

xử lý nước rỉ rác bằng tác nhân Fenton có sự hỗ trợ của bức xạ UV Đèn tử ngoại

UV-C (200 – 275 nm, 40 W) được bố trí ngập vào trong thiết bị phản ứng để xử dụng tối

đa năng lượng bức xạ của đèn Hiệu quả xử lý nước rỉ rác bằng tác nhân UV-Fenton ởđiều kiện gián đoạn được xác định Ảnh hưởng của các yếu tố vận hành về thời gianlưu, pH, liều Fenton và COD ban đầu đến hiệu quả xử lý COD đã được nghiên cứu chỉ

ra Áp dụng quá trình UV-Fenton (pH3, H2O2 = 125 mg/L, Fe2+ = 50 mg/L và HRT =

120 phút) trên đối tượng nước rỉ rác (COD = 1412 mg/L) đã cho kết quả loại COD cao(71%) và loại màu rất cao (90%) Mẫu nước rỉ rác ban đầu có COD = 1953 mg/L, tỉ lệCOD/BOD0.15 sau quá trình xử lý có thể đạt 0.46 Đó là cơ sở để xem xét đến khảnăng kết hợp giữa quá trình UV-Fenton và sinh học Ngoài ra hiệu quả sử dụng H2O2

và Fe2+ rất cao là một ưu điểm lớn của quá trình UV-Fenton Tuy nhiên hạn chế lớnnhất của quá trình UV-Fenton này là phải được tiến hành trong môi trường pH thấp

Lê Xuân Vĩnh, Lý Tiểu Phụng, Tô Thi ̣Hiền [6] đã tiến hành đề tài “ Nghiên cứu

xử lý nước thải dệt nhuộm bằng quá trình UV/Fenton” Trong nghiên cứu này, tác giả

đã áp dụng quá trình UV/Fenton để xử lý nước thải dệt nhuộm với các thông số tối ưugồm: nồng độ H2O2 và Fe2+ đầu vào, pH, thời gian và tốc độ khuấy Nước thải ban đầu

được sục khí trong 24 giờ và lọc qua giấy lọc có kích thước lỗ 20 µm sau đó mới tiếnhành phản ứng Kết quả cho thấy các thông số tối ưu lần lượt là nồng độ H2O2 = 660mg/l, nồng độ Fe2+ = 20 mg/l, pH = 3, thời gian phản ứng 90 phút và tốc độ khuấy

100 vòng/phút đạt hiệu quả loại bỏ màu, COD tương ứng là 94.55% và 75.47% Tỉ

số BOD5/COD được nâng từ 0.1 lên 0.45 Ngoài ra, ảnh hưởng của các anion Cl-, SO4

2-lên hiệu quả xử lý cũng được kiểm tra Cả hai anion này đều cản trở quá trình khoánghóa do có khả năng bắt tóm gốc tự do hydroxyl cũng như khả năng tạo phức bền vớiion sắt

Bùi Xuân Vững cùng Nguyễn Thị Minh [7] đã nghiên cứu đề tài “Phân hủy

Nitrobenzene trong nước bằng hệ xúc tác đồng thể H 2 O 2 /Fe 2+ /UV(fenton/UV)” được

đăng trên tạp chí Khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng - số 1 Trong nghiên cứu

này, các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân hủy Nitrobenzene trong nước bằng hệ phảnứng Fenton có chiếu xạ UV bước sóng 254 nm (H2O2/ Fe2+/UV) đã được khảo sát Độchuyển hóa Nitrobenzene và độ giảm COD tăng lên khi tăng nồng độ ban đầu của

H2O2 và Fe2+ cũng như khi tăng nhiệt độ dung dịch xử lý lên 70 Sự phân hủy đạt hiệusuất cao trong khoảng pH từ 2 – 4 ở nhiệt độ phòng, điều kiện tối ưu khi phân hủydung dịch 500 ppm Nitronbenzene là H2O2 = 12 mM, Fe2+ = 0.6 mM, pH = 3 Ở điềukiện này sự chuyển hóa nitrobenzene gần như hoàn toàn và độ giảm COD khoảng 60%sau 30 phút xử lý Ngoài ra, các sản phẩm trung gian trong quá trình oxy hóa phân hủyNitrobenzene bằng Fenton/UV được xác định là hydroquinone, phenol và p-benzoquinone, o-nitrophenol., m-nitrophenol, p-nitrophenol

2.4.2Các nghiên cứu ngoài nước

Năm 2012, Alam G.Trovó và cộng sự [9] đã nghiên cứu đề tài “Degradation of

caffeine by photo-Fenton process: Optimization of treatment conditions using experimental design” Các điều kiện xử lý (nồng độ cà phê, Fe2+ và H2O2) được xácđịnh bởi các thí nghiệm Nghiên cứu cho thấy các điều kiện tối ưu cho mỗi biến thuđược là: 52 mg/L caffeine, 10 mg/L Fe2+, 42 mg/L H2O2 Dưới những điều kiện này,trong nước siêu sạch, nồng độ caffeine đạt tới giới hạn định lượng (0.76 mg/L) sau 20phút, 78% sự khoáng hóa đạt được tương ứng sau 120 phút phản ứng Tổng caffeineloại bỏ trong nước bề mặt đạt được tại thời điểm giống trong nước siêu sạch (sau 20phút), trong khi cần 40 phút trong xử lý nước thải nhà máy Hiệu quả cao của quá trình

quang Fenton cũng được quan sát trong sự phân hủy caffeine bằng xúc tác quang hóanăng lượng mặt trời sử dụng lò phản ứng CPC Điều này chứng minh rằng quá trìnhquang Fenton có thể là được thay thế khả thi cho việc loại bỏ caffeine có trong nướcthải.

Năm 2010, Taha M Elmorsi, Yasser M Riyad, Zeinhom H Mohamed and

Hassan M.H Abd El Bary [17] đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Decolorization of

Mordant red 73 azo dye in water using H 2 O 2 /UV and photo-Fenton treatment” Nghiên

cứu cho thấy rằng, phản ứng quang Fenton, ánh sáng UV, ion Fe(II) và H2O2 sẽ tạo ra

•OH Chúng sẽ phản ứng với các chất hữu cơ ô nhiễm, vì vậy mà màu của nước thải sẽđược thay đổi từ màu nâu sang màu vàng và cuối cùng trở nên mất màu Nghiên cứucho thấy rằng trong quá trình Fenton, nếu không có sự tồn tại của ánh sáng UV Tốc độkhử màu này là chậm hơn so với quá trình Quang Fenton Phản ứng xảy ra bao gồm 3giai đoạn, giai đoạn đầu tiên xảy ra khi H2O2 được thêm vào lò phản ứng và màu sắcthay đổi nhanh chóng, màu của dung dịch bắt đầu được loại bỏ nhanh (giai đoạn II) vàsau đó nó trở nên nhanh hơn và không có sự thay đổi màu (giai đoạn III) Tốc độ loại

bỏ màu trong giai đoạn II tại nồng độ nước thải đầu vào của 250ppm, 300ppm,400ppm là: r = - 0.0322 (Abs)2; r = - 0.0271 (Abs)2; r = - 0.0196 (Abs)2, nhưng trái lạitốc độ loại bỏ màu trong giai đoạn III tại nồng độ nước thải đầu vào của 250ppm,300ppm, 400ppm là: r = - 0.0049 (Abs); r = - 0.0211 (Abs); r = - 0.005 (Abs) Kết quảcho thấy rằng phản ứng quang Fenton rất hiệu quả để loại bỏ màu của nước thải càphê

Năm 2013, Waraluk Sabaikai, Makoto Sekine, Masahiro Tokumura and

Yoshinori Kawase [19] nghiên cứu đề tài “UV-light photo-Fenton degradation of

phonyphenol in oolong tea manufacturing wastewater” Nghiên cứu cho thấy quá trình

quang Fenton làm giảm TOD của nước thải trà Oolong tại pH = 3, nồng độ Fe2+ =20mg/L và nồng độ H2O2 = 500 mg/L Khoảng 96% sự khoáng hóa đạt được sau 60phút, COD được loại bỏ gần như hoàn toàn sau khoảng 100 phút Sự phân hủypolyphenol của trà ô long có thể được chia làm 2 giai đoạn Nồng độ polyphenolnhanh chóng giảm xuống còn khoảng 30% trong vòng 2 phút và tốc độ phân hủy chậmlại trong giai đoạn tiếp theo Sau 60 phút, 97% polyphenol bị phân hủy dưới liều lượngtối ưu của chất phản ứng Fenton Hầu hết sự khử màu hoàn toàn của nước thải trà ô

long đạt được sau 80 phút Kết quả hiện tại cho thấy rằng hệ phản ứng Fenton có chiếu

xạ UV có thể xử lý nước thải sản xuất trà rất hiệu quả

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Nội dung nghiên cứu

Khảo sát 3 yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải từ quá trình sản xuất

cà phê hòa tan bằng công nghệ Quang Fenton, hệ Fe2+/H2O2/UV: pH, nồng độ Fe2+,nồng độ H2O2 Sau đó xác định khoảng giá trị tối ưu của 3 thông số trên và dùng phầnmềm Modde 5.0 để lập kế hoạch thực nghiệm Cuối cùng, đánh giá hiệu quả xử lýCOD, độ màu Nội dung nghiên cứu được mô tả theo sơ đồ sau:

3.1.1Lập đường chuẩn độ màu

Dựa vào sự hấp thu ánh sáng của hợp chất màu có trong dung dịch Phươngpháp xác định là phương pháp so màu

Nước thải cà phê

Xử lý sơ bộ (keo tụ, loại bỏ cặn, lọc cặn)

Phân tích các thông số đầu vào: pH, COD, độ

màu

Lập đường chuẩn độ màu và xác định nồng độ

hóa chất sử dụngXác định miền quy hoạch của 3 yếu tố ảnh hưởng

Khảo sát điều kiện tối ưu của 3 yếu tố ảnh hưởng([Fe2+] [H2O2], pH) bằng phần mềm Modde 5.0Đánh giá hiệu quả xử lý COD và độ màu

Hình 3.5: Sơ đồ nội dung nghiên cứu

Dung dịch màu chuẩn potassium chloroplatinate K2PtCl6 (tương ứng với đơn

HCl đậm đặc, định mức thành 1 lít

Lập đường chuẩn từ dung dịch màu chuẩn: Dùng pipet lấy dung dịch màu chuẩnvào bình định mức 25ml, định mức thành 25ml với nước cất, để có thang màu chuẩn

từ 0 – 400 đơn vị màu Pt – Co Dung dịch được pha lần lượt như sau:

Bảng 3.3: Pha chế dung dịch chuẩn

số độ hấp thu của thang độ màu chuẩn, phải pha loãng mẫu đến nồng độ thích hợp

3.1.2Xác định lại nồng độ hóa chất sử dụng

3.1.2.1 Xác định nồng độ Fe 2+

Chuẩn độ ion Fe2+ bằng dung dịch chuẩn KMnO4 theo phản ứng:

5Fe2+ + MnO4- + 8H 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2OĐây là phản ứng tự chỉ thị: Trước điểm tương đương dung dịch không có màu,sau điểm tương đương dung dịch có màu phớt hồng do khi đó dư một giọt dung dịchKMnO4

Để dễ dàng xác định điểm tương đương cần làm mất màu dung dịch do tạo ra ion

Fe3+ Muốn vậy người ta thêm H3PO4 để tạo phức không màu [Fe(PO4)2]3-

Pha dung dịch sắt II dùng để chuẩn độ: cân 10g cho vào cốc 100 ml, thêm nướccất và khuấy tan bằng đũa thủy tinh Sau đó, cho dung dịch sắt đã khuấy vào bình địnhmức 100 ml và định mức bằng nước cất

Lấy chính xác V ml (10 ml) dung dịch Fe2+ cho vào bình tam giác, thêm khoảng

5 – 7 ml hỗn hợp 2 acid H2SO4 và H3PO4

Lưu ý: Hỗn hợp 2 acid H2SO4 và H3PO4: Cho 150 ml H2SO4 đặc (d = 1.84 g/ml)thật cẩn thận vào 500 ml nước, để nguội, thêm 150 ml H3PO4 (d = 1.70 g/ml) sau đópha loãng dung dịch thành 1 lít

Từ buret nhỏ từ từ dung dịch KMnO4 có nồng độ C0 xuống bình tam giác đựngdung dịch Fe2+ cho đến khi xuất hiện màu hồng nhạt và không mất màu trong khoảng

30 giây

Ghi thể tính KMnO4 (ml) tiêu tốn, tính nồng độ Fe2+ trong dung dịch

Nồng độ mol Fe(II) trong dung dịch được tính theo công thức sau:

Xác định nồng độ bằng phản ứng oxi hóa khử với dung dịch chuẩn độ KMnO4

trong môi trường acid sulfuric

Nồng độ H2O2 có trong nước H2O2 loãng được xác định với KMnO4 như sau:

2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 K2SO4 + MnSO4 + 8H2O + O2

Dùng micropipette hút 2 ml dung dịch H2O2 cần chuẩn độ (dùng dung dịch H2O2

được pha loãng 20 lần) vào bình nón nút mài đã chứa sẵn 20 ml nước, thêm 20 mldung dịch H2SO4 10% và chuẩn độ bằng dung dịch KMnO4 0.1N

Nồng độ H 2 O 2 được tính theo công thức:

Cg/100ml = f

f: hệ số pha loãng (pha loãng 20 lần)

3.1.3Xác định miền quy hoạch của các yếu tố ảnh hưởng

3.1.3.1 Xác định miền quy hoạch của pH

Để xác định miền quy hoạch của pH, các thí nghiệm được bố trí theo Bảng 3.2 vàthí nghiệm được lặp lại 3 lần

Bảng 3.4: Bố trí thí nghiệm xác định miền quy hoạch của pH

đo COD và độ màu Xử lý số liệu và tính toán kết quả, chọn pH có hiệuquả xử lý tốt nhất

3.1.3.2 Xác định miền quy hoạch của Fe 2+

Các thí nghiệm xác định miền quy hoạch của nồng độ Fe2+ được bố trí theo Bảng3.3 và thí nghiệm được lặp lại 3 lần

Sau khi cho hóa chất và điều chỉnh pH, khuấy đều trong 1 phút, sau đó đểphản ứng 120 phút dưới ánh sáng bức xạ tia UV Sau 120 phút phản ứng,tiến hành nâng pH lên 8 để kết tủa Đợi lắng 30 phút, lấy phần dung dịchnước trong đo COD và độ màu Xử lý số liệu và tính toán kết quả, chọnnồng độ Fe2+ có hiệu quả xử lý tốt nhất.

3.1.3.3 Xác định miền quy hoạch của H 2 O 2

Bố trí thí nghiệm xác định miền quy hoạch của H2O2 thể hiện trong Bảng 3.4, cácthí nghiệm được lặp lại 3 lần

3.1.3.4 Xác định miền quy hoạch của thời gian phản ứng

Các thí nghiệm xác định miền quy hoạch của thời gian phản ứng, thí nghiệm lặplại 3 lần và được bố trí theo bảng sau:

Bảng 3.7: Bố trí thí nghiệm xác định miền quy hoạch của thời gian

Sau khi cho hóa chất và điều chỉnh pH, khuấy đều trong 1 phút, sau đó đểphản ứng dưới ánh sáng bức xạ tia UV Sau từng khoảng thời gian phảnứng, tiến hành nâng pH lên 8 để kết tủa Đợi lắng 30 phút, lấy phần dungdịch nước trong đo COD và độ màu Xử lý số liệu và tính toán kết quả,chọn thời giancó hiệu quả xử lý tốt nhất.

3.2 Vật liệu và thiết bị nghiên cứu

3.2.1Vật liệu nghiên cứu

3.2.1.1 Nước thải cà phê

Được lấy từ bể lắng 2 (sau xử lý sinh học), thời điểm lấy mẫu 8-10 giờ sáng tạiChi nhánh công ty Cổ phần tập đoàn Trung Nguyên – nhà máy cà phê Sài Gòn (KCN

Mỹ Phước 2 – Bình Dương)

Bảng 3.8: Thông số đầu vào của nước thải cà phê hòa tan Trung Nguyên

Hydro peroxid (H2O2) có hình dạng “xiên lệch”, do lực đẩy giữa các cặp đơntrên các nguyên tử Oxy Mặc dù trên thực tế liên kết O-O là một liên kết đơn, phân tử

có rào cản cao đáng kể để thực hiện vòng quay hoàn hảo là 29.45 kJ/mol, nó có

nguyên nhân là do lực đẩy của cặp đơn Các góc liên kết bị ảnh hưởng chủ yếu bởi liênkết hydro, nó giải thích sự khác biệt giữa các dạng hơi và tinh thể.

Hình 3.6: Hydro Peroxid

Phèn sắt sunfat là một hợp chất hóa học dạng tinh thể, màu xanh nước biển, cụ thể

là sắt sunfat ngậm nước có công thức hóa học là: FeSO4.7H2O Được sử dụng như mộtchất keo tụ, là hóa chất sử dụng có tính kinh tế cao cho xử lý nước thải các lĩnh vực in

ấn, nhuộm….Nó là chất keo tụ tốt có khả năng loại bỏ màu, loại bỏ các ion kim loạinặng, dầu và photpho và các chức năng khác

(Nguồn: Cylong, Trung Quốc)

Hình 3.7: Sắt(II) sunfat heptahidrat

3.2.1.4 Mô hình nghiên cứu

Hình 3.8: Mô hình đèn UVBảng 3.11: Thông số thiết kế của mô hình nghiên cứu

(Nguồn: Nhóm sinh viên thực hiện)

3.2.2Các thiết bị sử dụng

3.2.2.1 Cân bỏ túi Pocket Scale

Hình 3.9: Cân bỏ túi Pocket ScaleBảng 3.12: Thông số kỹ thuật cân bỏ túi Pocket Scale

Cấp chính xác Cấp III theo ĐLVN 13:1998)

(Nguồn: Furi, Phúc Kiến, Trung Quốc)

3.2.2.2 Cân kỹ thuật 3 số lẻ

Hình 3.10: Cân phân tíchBảng 3.13: Thông số kỹ thuật cân phân tích

Hình 3.13: Đèn UVB

Bảng 3.16: Thông số kỹ thuật đèn UVB

(Nguồn: Exo-Terra, Trung Quốc)

Hình 3.15: Thông số kỹ thuật máy phá mẫu COD

(Nguồn: Trung Quốc)

3.3 Phương pháp nghiên cứu

3.3.1Phương pháp tổng quan tài liệu

Tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến công nghệ Quang

3.3.2 Phương pháp phân tích thực nghiệm

3.3.2.1 Phân tích nồng độ Fe 2+

Cân 10g cho vào cốc 100ml, thêm nước cất và khuấy tan bằng đũa thủy tinh Sau

đó, cho dung dịch sắt đã khuấy vào bình định mức 100ml và định mức bằng nước cất Lấy chính xác V ml (10 ml) dung dịch Fe2+ cho vào bình tam giác, thêm khoảng

5 – 7 ml hỗn hợp 2 acid H2SO4 và H3PO4

Lưu ý: Hỗn hợp 2 acid H2SO4 và H3PO4: Cho 150 ml H2SO4 đặc (d = 1.84g/ml)thật cẩn thận vào 500ml nước, để nguội, thêm 150 ml H3PO4 (d = 1.70g/ml) sau đó phaloãng dung dịch thành 1 lít

Từ buret nhỏ từ từ dung dịch KMnO4 có nồng độ C0 xuống bình tam giác đựngdung dịch Fe2+ cho đến khi xuất hiện màu hồng nhạt và không mất màu trong khoảng

30 giây

Ghi thể tính KMnO4 (ml) tiêu tốn, tính nồng độ Fe2+ trong dung dịch

Nồng độ mol Fe(II) trong dung dịch được tính theo công thức sau: