thí nghiệm fenton

Thí nghiệm Fenton
Thực hiện phản ứng Fenton với tác nhân oxi hóa là H2O2 và chất xúc tác là phèn
sắt FeSO4.7H2O.
Mẫu nước thải được lấy từ hố thu gom nước thải của Công ty TNHH Vietbo để
tiến hành thí nghiệm
a.

Mục tiêu thí nghiệm

Xem xét khả năng xử lý nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp Oxy hóa nâng
cao trên hệ Fenton H2O2/Fe2+.
Xác định pH tối ưu.
Xác định hàm lượng và tỉ lệ tối ưu giữa H 2O2 và phèn sắt (II) để xử lý COD và độ
màu nước thải dệt nhuộm.
b.

Cơ chế quá trình Fenton

Quá trình Fenton thường có 4 giai đoạn:
 Điều chỉnh pH thích hợp: quá trình Fenton thường diễn ra có hiệu quả cao trong khoảng
pH thấp: pH = 2 - 4, cao nhất trong khoảng pH = 2,8. Do đó, trong điều kiện xử lý nước
thường gặp (pH = 5 - 9 ), quá trình xảy ra không hiệu quả. Vì vậy, cần hạ pH của nước
xuống để đạt hiệu quả xử lý tối đa.
 Phản ứng Oxi hóa diễn ra: trong quá trình Oxi hóa, ion sắt hóa trị 2 sẽ tác dụng với
Hydrogen peoxit H2O2 sinh ra gốc tự do Hydroxyl *OH gọi là phản ứng Fenton.
Fe2+ + H2O2 => Fe3+ + *HO + OHGốc *OH sau khi hình thành sẽ tham gia vào quá trình oxi hóa các hợp chất hữu
cơ trong nước thải và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử cao thành
các hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ dễ phân hủy.
CHC (cao phân tử) + *HO → CHC (thấp phân tử) + CO2 + H2O+ OH Trung hòa và keo tụ: sau khi xảy ra quá trình oxi hóa cần thực hiện nâng pH của quá trình
> 7 để tiến hành kết tủa Fe3+ mới hình thành.
Fe3+ + 3OH- → Fe(OH)3

Kết tủa Fe(OH)3 mới hình thành sẽ thực hiện các cơ chế keo tụ, đông tụ, hấp phụ
một phần các hợp chất hữu cơ, chủ yếu là các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử cao.
 Qúa trình lắng: sau khi thực hiện kết tủa Fe(OH) 3 tạo ra một lượng bùn kết tủa chứa rất
nhiều sắt. Bùn cặn này được lắng và loại bỏ ra ngoài. Việc loại bỏ lượng bùn này làm


giảm đáng kể lượng COD và độ màu trong nước thải. Nước thải sau khi qua quá trình
Fenton còn lại chủ yếu là các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sẽ được xử lý bổ sung bằng
các công trình phía sau.
Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton:
 Độ pH: độ pH ảnh hưởng rất lớn đến độ phân hủy và nồng độ Fe 2+, 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.
 Tỉ lệ Fe2+/H2O2: nồng độ H2O2 và tỉ lệ Fe2+/H2O2 có ảnh hưởng đến sự tạo thành và sự mất
gốc hydroxyl vì thế tồn tại một tỉ lệ Fe 2+/H2O2 tối ưu khi sử dụng. Tỉ lệ này nằm trong
khoảng rộng 0,3 – 1:10 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 CO 32-, HCO3- , Cl- sẽ tóm bắt gốc *OH làm
giảm hiệu quả của quá trình Fenton
OH + CO32- → *CO3 + HO-

*

*

OH + HCO3- → *HCO3 + HOOH + Cl- → *ClOH-

*

( k = 4,2 × 10 8 mol −1 .s −1 )

(

( k = 1,5 × 10 7 mol −1 .s −1 )
(k = 4,3 × 109 mol −1.s −1 )

- Phản ứng giữa *OH và CO32- xảy ra nhanh hơn nhiều so với HCO 3-. Vì vậy nên khi tăng

pH cân bằng giữa CO32- - HCO3- sẽ chuyển dịch theo hướng tạo ra CO 32- 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 ÷ 400C
- 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
- 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


c.

Dụng cụ, hóa chất và thiết bị thí nghiệm

Bảng 4.1:Danh sách các hóa chất, dụng cụ và thiết bị trong thí nghiệm Fenton
STT

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1
2
3
4
5
d.

Dụng cụ
Số lượng
Cốc thủy tinh
1
Máy đo pH
1
Beaker 1000ml
2

Beaker 100ml
2
Beaker 50ml
2
Pipet 10ml
1
Pipet 5ml
1
Bình tia nước cất
1
Quả bóp cao su
1
Buret
1
Đũa thủy tinh
1
Ống đong 50ml
1
Nhiệt kế đo nhiệt độ
1
Máy đo độ màu
1
Ống ly tâm
6
Hóa chất
Axit H2SO4 10%
NaOH 10%
H2O2 30%
Phèn sắt (FeSO4.7H2O)
NaHSO3

Phương pháp tiến hành:

B.1. Kết quả thí nghiệm Fenton đối với nước thải đầu vào
Trong đó COD đầu vào 630 mg/l, độ màu 1551 Pt - Co


Thí nghiệm B.1.1. Xác định pH tối ưu

Bước 1 : Lấy 400 ml nước thải cho vào 6 beaker 1000 ml. Điều chỉnh pH cho mỗi
beaker ứng với các giá trị pH = 2,5; pH = 3; pH = 4; pH = 5; pH = 6; pH = 7. Đánh dấu
các beaker theo thứ tự giá trị pH nhận được.
Bước 2 : Thêm 10 ml dung dịch phèn sắt Fe2SO4.7H2O 10%.
Bước 3 : Chọn tỷ lệ phản ứng giữa Fe2+ / H2O2 = 0,5/10 ( mol/mol ). Dựa vào tỷ
Fe2+ / H2O2 và lượng phèn cho vào là 10 ml ta tính được lượng H2O2 50% cần cho vào 400
ml nước thải là 5 ml. Thêm từ từ 5 ml dung dịch H2O2 50% vào 400 ml nước thải.


Bước 4 : Khuấy trộn để phản ứng oxy hoá diễn ra, tốc độ khuấy trộn là 60
vòng/phút. Thời gian phản ứng là 60 phút.
Bước 5 : Sau phản ứng, quá trình trung hòa được thực hiện bằng dung dịch NaOH,
đưa pH của nước thải sau phản ứng Fenton về pH = 7 để kết tủa ion Fe 3+.
Bước 6: Ở giai đoạn cuối của quá trình xử lý Fenton, bùn đặc được lắng trong
khoảng thời gian 30 phút.
Bước 7 : Lấy phần nước trong bên trên phân tích nồng độ COD và độ màu.
Bước 8 : So sánh kết quả, pH tối ưu là mức pH có nồng độ COD thấp nhất.
Kết quả xác định pH tối ưu theo bảng 4.11
Bảng 4.2:Kết quả xác định pH tối ưu trong Fenton nước thải đầu vào
ST
T

1
2

Chỉ tiêu

Đơn vị

pH=2,5

pH=3

pH=4

pH=5

COD
Độ màu

mg/l
Pt - Co

240
228,83

176
162,17

160
128,83

80
102,17

pH=6

pH=7

224
135,5

320
148,83

(Nguồn: Trung tâm công nghệ quản lý môi trường và tài nguyên,ĐH Nông Lâm,
TPHCM, từ ngày 04/04/2010)

Hình 4.1: Biểu đồ thể hiện pH xử lý COD tối ưu trong thí nghiệm Fenton nước thải đầu
vào


Hình 4.2: Biểu đồ thể hiện pH xử lý độ màu tối ưu trong phản ứng Fenton nước thải đầu
vào
Nhận xét:
Theo hình 4.14, phản ứng Fenton xử lý COD đạt hiệu quả cao tại khoảng pH từ
pH = 3 đến pH = 6. Tuy nhiên, tại pH = 5 là pH tối ưu của phản ứng Fenton khi xử lý
nước thải của Công ty TNHH VietBo. Tại pH = 5, COD của nước thải giảm còn 80 mg/l,
đạt hiệu suất là 87, 3%.
Trong khoảng pH = 4 đến pH = 6 thì hiệu quả xử lý độ màu của phản ứng Fenton
cũng đạt hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên, tại pH = 5, là pH tối ưu để xử lý độ màu trong
nước thải của phản ứng Fenton. Độ màu trong nước thải sau xử lý giảm xuống còn

102,17 Pt – Co, đạt hiệu suất 93,41%.
=>Vậy, tại pH= 5 là pH tối ưu để thực hiện phản ứng Fenton đối với nước thải
Công ty TNHH VietBo.


Thí nghiệm B.1.2. Xác định hàm lượng phèn sắt FeSO4.7H2O tối ưu

Bước 1: Điều chỉnh pH nước thải về pH = 5 là pH tối ưu trong thí nghiệm 1 bằng
dung dịch acid H2SO4 10%. Lấy 6 beaker thủy tinh 1000 ml, cho vào mỗi beaker 400 ml
nước thải.
Bước 2: Thêm phèn sắt (FeSO 4.7H2O) 10% dao động ứng với các tỷ lệ Fe 2+ / H2O2

sau:

0, 3
10

;

0, 4
10

;

0, 5 0, 6
10 10
;

;

0, 7
10

;

0,8
10


Vậy phèn sắt (FeSO4.7H2O) dao động ứng với các giá trị sau: 6 ml; 8 ml; 10 ml,
12 ml; 14 ml; 16 ml vào 6 beaker nước thải có thể tích mỗi beaker là 400 ml. Đánh dấu
thứ tự các beaker theo giá trị phèn nhận được ở mỗi beaker.
Bước 3: H2O2 được châm từ từ với hàm lượng 5ml vào 400 ml nước thải.
Bước 4: Khuấy đều hỗn hợp trên máy khuấy với tốc độ 60 vòng/phút, thời gian
phản ứng là 60 phút.
Bước 5: Sau phản ứng, quá trình trung hòa được thực hiện bằng dung dịch NaOH,
đưa pH của nước thải sau phản ứng Fenton về pH = 7 để kết tủa ion Fe 3+.
Bước 6: Ở giai đoạn cuối của quá trình xử lý Fenton, bùn đặc được lắng trong
khoảng thời gian 30 phút.
Bước 7: Lấy phần nước trong tiến hành phân tích COD và độ màu.
Bước 8: So sánh kết quả, lượng phèn sắt tối ưu ứng với nồng độ COD và độ màu
còn lại trong nước thải thấp nhất. Ghi nhận lượng phèn tối ưu và tỷ lệ Fe 2+ / H2O2 tối ưu.
Kết quả xác định lượng phèn tối ưu theo bảng 4.12
Bảng 4.3:Kết quả xác định lượng phèn tối ưu trong Fenton nước thải đầu vào
Đơn vị

Lượng
phèn
6ml

Lượng
phèn
8ml

Lượng
phèn
10ml

Lượng
phèn
12ml

Lượng
phèn
14ml

Lượng
phèn
16ml

COD

mg/l

224

89,6

80

70,4

96

102,4

Độ màu

Pt - Co

60,5

58,83

53,83

52,17

55,5

65,5

ST
T

Chỉ
tiêu

1
2

(Nguồn: Trung tâm công nghệ quản lý môi trường và tài nguyên,ĐH Nông Lâm,
TPHCM, từ ngày 04/04/2010)


Hình 4.3: Biểu đồ thể hiện hàm lượng phèn xử lý COD tối ưu trong Fenton nước thải đầu
vào

Hình 4.4: Biểu đồ thể hiện hàm lượng phèn xử lý độ màu tối ưu trong phản ứng Fenton
nước thải đầu vào
Nhận xét:
Khi cố định tại các cốc pH = 5, hàm lượng H2O2 là 5 ml, thay đổi hàm lượng phèn
tại các cốc theo như hình 4.16 thì hàm lượng phèn sắt trong phản ứng Fenton xử lý COD
đạt hiệu quả cao nhất nằm trong khoảng từ 8 ml đến 14 ml.


Trong đó, tại lượng phèn bằng 12 ml thì hiệu quả xử lý COD trong nước thải là
cao nhất. Tại lượng phèn này, COD trong nước thải giảm xuống còn 70,4 mg/l, đạt hiệu
suất là 88,83%. Đây là lượng phèn tối ưu.
Đối với hiệu quả xử lý độ màu, từ điểm có lượng phèn là 10 ml đến 14 ml thì hiệu
quả xử lý đạt cao nhất. Trong đó, tại lượng phèn bằng 12 ml thì hiệu quả xử lý độ màu
cũng đạt cao nhất. Độ màu trong nước sau xử lý còn 52,17 Pt – Co, đạt hiệu suất là
96,64%
=>Vậy, tại lượng phèn bằng 12 ml là giá trị phèn tối ưu trong phản ứng Fenton đối
với 400 ml nước thải Công ty TNHH VietBo tương ứng với tỷ lệ Fe 2+/ H2O2 = 0,6/10
(mol/mol).
 Thí nghiệm B.1.3. Xác định hàm lượng hydro peoxit tối ưu
Bước 1: Điều chỉnh pH của nước thải về pH= 5 là pH tối ưu trong thí nghiệm 1
bằng dung dịch acid H2SO4 10%. Lấy 6 beaker thủy tinh 1000 ml, cho vào mỗi beaker
400 ml nước thải.

Bước 2: Thêm lượng phèn sắt (FeSO4.7H2O) 10% ứng với các giá trị thay đổi theo
từng cốc dựa trên giá trị lượng phèn tối ưu xác định ở thí nghiệm 2 là: 6 ml; 8 ml; 10 ml,
12 ml; 14 ml; 16 ml.
Bước 3: Thêm từ từ dung dịch H2O2 50% ứng với các giá trị thay đổi lượng phèn
sắt (Fe2SO4.7H2O) 10% theo tỷ lệ FeSO4 : H2O2 phản ứng tối ưu ở thí nghiệm 2 là Fe2+/
H2O2 = 0,6/10 (mol/mol).
Lượng H2O2 tính toán tương ứng: 2,5 ml; 3,3 ml; 4,1 ml; 5 ml; 5,8 ml; 6,6 ml
Vậy lượng phèn sắt (Fe2SO4.7H2O) và H2O2 tương ứng như sau:

6
8
10 12 14
2, 5 3, 3 4,1 5 5,8
;

;

;

;

16
6, 6
;

Bước 4: Khuấy đều hỗn hợp trên máy khuấy với tốc độ là 60 vòng/phút. Thời gian
phản ứng là 60 phút.
Bước 5: Sau phản ứng, quá trình trung hòa được thực hiện bằng dung dịch NaOH,
đưa pHcủa nước thải sau phản ứng Fenton về pH = 7 để kết tủa ion Fe 3+.
Bước 6: Ở giai đoạn cuối của quá trình xử lý Fenton, bùn đặc được lắng trong

khoảng thời gian 30 phút.
Bước 7: Lấy phần nước trong tiến hành phân tích COD và độ màu.


Bước 8: So sánh kết quả, lượng H 2O2 tối ưu là mức có nồng độ COD và độ màu
trong nước thải thấp nhất.
Kết quả xác định lượng H2O2 tối ưu theo bảng 4.13
Bảng 4.4:Kết quả hàm lượng H2O2 tối ưu trong Fenton nước thải đầu vào
STT
1
2

Chỉ
tiêu

Lượng
Đơn vị H2O2
2,5ml

COD
mg/l
Độ màu Pt - Co

144
60

Lượng
H2O2
3,3ml

Lượng
H2O2
4,1ml

Lượng
H2O2
5ml

67,2
58

48
43

64
49

Lượn
g
H2O2
5,8ml
70,4
49,82

Lượng
H2O2
6,6ml
92,8
55

(Nguồn: Trung tâm công nghệ quản lý môi trường và tài nguyên,ĐH Nông Lâm,
TPHCM, từ ngày 04/04/2010)

Hình 4.5: Biểu đồ thể hiện hàm lựng H2O2 xử lý COD tối ưu trong Fenton nước thải đầu
vào


Hình 4.6: Biểu đồ thể hiện hàm lượng H2O2 xử lý độ màu tối ưu trong phản ứng Fenton
nước thải đầu vào
Nhận xét:
Khi cố định tại các cốc pH = 5, thay đổi lượng phèn và hàm lượng H 2O2 theo tỷ lệ
Fe / H2O2 = 0,6/10 (mol/mol) tại các cốc theo như hình 4.19 thì hàm lượng H 2O2 trong
phản ứng Fenton xử lý COD đạt hiệu quả cao nhất nằm trong khoảng từ 3,3 ml đến 5 ml.
2+

Trong đó, tại lượng H2O2 bằng 4,1 ml thì hiệu quả xử lý COD trong nước thải là
cao nhất. Tại lượng phèn này, COD trong nước thải giảm xuống còn 48 mg/l, đạt hiệu
suất là 92,38%. Đây là lượng H2O2 tối ưu, ứng với lượng phèn là 10 ml.
Đối với hiệu quả xử lý độ màu, từ điểm có lượng phèn là 3,3 ml đến 5 ml thì hiệu
quả xử lý đạt cao nhất. Trong đó, tại lượng phèn bằng 4,1 ml thì hiệu quả xử lý độ màu
cũng đạt cao nhất. Độ màu trong nước sau xử lý còn 43 Pt – Co, đạt hiệu suất là 97,23%.
=>Kết luận: Vậy tại pH = 5, hàm lượng phèn là 10 ml, hàm lượng H 2O2 là 4,1 ml,
ứng với tỷ lệ Fe2+/ H2O2 = 0,6/10 (mol/mol) là các giá trị tối ưu trong phản ứng Fenton
đối với 400 ml nước thải Công ty TNHH VietBo.
Lượng phèn FeSO4.7H2O cần sử dụng cho 1m3 nước thải :
mFeSO4 =

1×1000
= 2500 g / m3 = 2,5kg / m3
0, 4

VH 2O2 =

Lượng H2O2 cần dùng cho 1m3 nước thải:

0, 0041×1000
= 10, 25l / m3
0, 4