Luận án tiến sĩ nghiên cứu xử lý nâng cao nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính bằng phương pháp điện hóa với điện cực chọn lọc (tt)

MỞ ĐẦU
Ứng dụng công nghệ điện hóa như một bước xử lý cấp 3 để giảm
độ màu nước thải dệt nhuộm đã thu hút được sự quan tâm của nhiều
nhà khoa học trên thế giới trong những năm gần đây do những ưu
điểm nổi trội của phương pháp như phạm vi áp dụng rộng, thiết bị
đơn giản và gọn nhẹ, dễ hoạt động, nhiệt độ xử lý thấp hơn so với
các phương pháp khác và không tạo bùn, ít sản phẩm phụ sau quá
trình xử lý. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp điện hóa là tiêu
tốn năng lượng. Tuy nhiên việc tìm tòi và cải tiến các vật liệu điện
cực có xu hướng giảm thiểu được chi phí về năng lượng.
Trước thực trạng nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm như hiện
nay thì vấn đề đối với Việt Nam là tìm ra được một phương pháp xử
lý nước thải có chứa thuốc nhuộm hoạt tính sao cho đồng thời thỏa
mãn cả về hiệu quả xử lý và phù hợp về kinh tế. Đề tài “Nghiên cứu
xử lý nâng cao nƣớc thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính bằng
phƣơng pháp điện hóa với điện cực chọn lọc” được thực hiện
nhằm góp phần xử lý triệt để các chất ô nhiễm trong nước thải dệt
nhuộm.
Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu tìm ra loại vật liệu điện cực sử dụng trong hệ thống
điện hóa để xử lý nâng cao nước thải dệt nhuộm với chi phí điện cực
và chi phí năng lượng thấp.
- Xác định được chế độ làm việc tối ưu của quá trình xử lý điện hóa
các thuốc nhuộm hoạt tính khó phân hủy sinh học trong nước thải dệt
nhuộm nhằm đạt được hiệu suất xử lý cao mà năng lượng điện tiêu
thụ thấp.
- Áp dụng phương pháp điện hóa với vật liệu điện cực đã xác định được
để xử lý nâng cao nước thải của Công ty CP Dệt may 29/3 –Đà Nẵng.
Đối tƣợng nghiên cứu
- Nước thải dệt nhuộm tự tạo chứa thuốc nhuộm hoạt tính.
- Nước thải thực tế của Công ty Cổ phần Dệt may 29/3 – Đà Nẵng

nhằm kiểm chứng.
Nội dung nghiên cứu
- Xác định tính chất điện hóa của một số loại điện cực anot được lựa
chọn sử dụng trong nghiên cứu.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính (pH, mật độ dòng điện,
nồng độ chất điện ly, thời gian và nồng độ thuốc nhuộm đầu vào) lên
1


hiệu quả xử lý độ màu và độ giảm COD của nước thải chứa TNHT
bằng các vật liệu điện cực nghiên cứu.
- Lựa chọn vật liệu điện cực anot thích hợp sử dụng trong hệ thống
điện hóa để xử lý nâng cao nước thải chứa TNHT với chi phí điện
cực và chi phí năng lượng thấp.
- Xây dưng phương trình động học của quá trình xử lý điện hóa nước
thải chứa TNHT bằng điện cực anot đã xác định được. Đánh giá hiệu
quả phân hủy TNHT của phương pháp điện hóa thông qua các kết
quả phân tích GC/MS, LC/MS, IR, XRD…
- Xác định chế độ vận hành tối ưu của quá trình xử lý nước thải chứa
TNHT bằng phương pháp điện hóa với điện cực đã lựa chọn bằng bài
toán quy hoạch thực nghiệm. Kiểm chứng phương pháp xử lý với
nước thải thực của công ty CP Dệt may 29/3 – Đà Nẵng.
Phạm vi nghiên cứu
Đề tài sử dụng công nghệ điện hóa để xử lý nâng cao (xử lý bậc
3) các thuốc nhuộm hoạt tính khó phân hủy sinh học trong nước thải
dệt nhuộm ở quy mô phòng thí nghiệm. Lựa chọn chỉ tiêu COD
(mgO2/l) và độ màu (Pt-Co) là những thông số chính để đánh giá
hiệu quả xử lý của phương pháp.
Ý nghĩa khoa học của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện công nghệ

điện hóa sử dụng hệ điện cực đáp ứng các yêu cầu về kỹ thuật, kết
hợp với các chế độ vận hành thích hợp có thể xử lý nâng cao nước
thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính với hiệu quả cao, tiết kiệm năng
lượng và giảm chi phí xử lý.
Những đóng góp mới của đề tài
- Xác định được vật liệu điện cực anot thép Ferosilic (Fe-14Si-5Cr0,7Mn) sử dụng cho hệ thống xử lý điện hóa có khả năng xử lý độ
màu và phân hủy được các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học trong
nước thải dệt nhuộm với năng lượng tiêu thụ thấp. Điện cực Ferosilic
được chế tạo từ nền sắt và các nguyên tố hợp kim, trong đó hàm
lượng nguyên tố Si là 14%. Đây là loại vật liệu điện cực mới trong
lĩnh vực xử lý nước thải dệt nhuộm với các ưu điểm: có giá thành
thấp, ít tan trong quá trình điện hóa nên không sinh ra nhiều bùn, có
độ bền hóa và bền điện hóa cao nên ít phải thay thế do đó có thể tiết
kiệm được chi phí đầu tư, có khả năng xúc tác điện hóa cao dẫn đến
tăng hiệu suất xử lý cho quá trình.
2


- Xác định được mô hình động học của quá trình phân hủy TNHT
Yellow 145 và Red 198 bằng phương pháp oxi hóa điên hóa với điện
cực thép Ferosilic tuân theo phản ứng giả bậc 1 có các hằng số tốc
độ phản ứng tương ứng là 68,2 .10-3 phút-1 và 88,2.10-3 phút-1.
- Xác định được các điều kiện vận hành tối ưu (mật độ dòng điện,
pH, nồng độ chất điện ly, thời gian điện hóa, nhiệt độ, nồng độ thuốc
nhuộm đầu vào, tỷ lệ diện tích giữa các điện cực anot và catot) để xử
lý điện hóa nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính với hiệu suất xử lý
cao và tiết kiệm năng lượng.
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN
1.1. Công nghệ dệt nhuộm và đặc tính nƣớc thải
1.1.1. Quy trình công nghệ

1.1.2. Đặc tính của nước thải dệt nhuộm
1.1.3. Tác động đến môi trường của nước thải dệt nhuộm
1.2. Phân loại thuốc nhuộm và đặc tính của thuốc nhuộm hoạt
tính
1.2.1. Phân loại thuốc nhuộm
1.2.2. Đặc tính của thuốc nhuộm hoạt tính.
1.3. Các phƣơng pháp xử lý TNHT trong nƣớc thải dệt nhuộm
1.3.1. Các phương pháp xử lý truyền thống
1.3.1.1. Phương pháp keo tụ
1.3.1.2. Phương pháp hấp phụ
1.3.1.3. Các quá trình màng
1.3.1.4. Phương pháp sinh học
1.3.2. Các phương pháp oxi hóa nâng cao
1.3.2.1. Các phương pháp nâng cao trên cơ sở Ozon và UV
1.3.2.2. Các hệ Fenton (H2O2/Fe2+) và hệ kiểu Fenton (H2O2/Fe3+)
1.3.2.3. Phương pháp điện hóa
1.4. Xử lý nƣớc thải dệt nhuộm bằng phƣơng pháp điện hóa
1.4.1. Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý nước thải bằng điện hóa
1.4.1.1. Sơ đồ nguyên lý xử lý nước thải bằng phương pháp điện hóa.
1.4.1.2. Các quá trình điện cực khi điện phân xử lý nước thải.
1.4.1.3. Các phương pháp điện hóa trong xử lý nước thải.
1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện hóa trong xử lý
nước thải
1.4.2.1. Ảnh hưởng của vật liệu làm điện cực
1.4.2.2. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện
3


1.4.2.3. Ảnh hưởng của bản chất nước thải
1.4.2.4. Ảnh hưởng của một số thông số khác

1.4.3. Vật liệu điện cực trong xử lý điện hóa
1.4.3.1. Vật liệu điện cực anot
1.4.3.2.Vật liệu điện cực catot
1.4.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điện hóa
trong xử lý nước thải dệt nhuộm.
Các kết quả nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy:
- Quá trinh điện hóa có thể xử lý được tất cả các loại thuốc nhuộm.
Tuy nhiên, hiệu quả xử lý các thuốc nhuộm thấp hay cao phụ thuộc
nhiều vào loại vật liệu làm điện cực áp dụng, loại thuốc nhuộm xử lý
và các điều kiện vận hành (pH, chất điện ly, mật độ dòng…).
- Hiệu quả xử lý thuốc nhuộm của một số vật liệu điện cực chưa cao
do hiệu quả dòng thấp, hoạt tính không cao và không ổn định trong
quá trình xử lý. Ngoài ra, chi phí điện cực cao và tiêu hao năng
lượng lớn là các yếu tố gây hạn chế cho việc ứng dụng vào xử lý
thực tế của một số loại vật liệu điện cực như Pt và BDD.
Hướng nghiên cứu xử lý điện hóa nước thải dệt nhuộm ở Việt nam
còn rất ít, mang tính riêng lẻ. Phần lớn các nghiên cứu chỉ dừng lại ở
quá trình xử lý các chất ô nhiễm theo cơ chế keo tụ điện hóa sử dụng
các điện cực hợp kim nhôm. Trong quá trình xử lý, điện cực này bị
hòa tan nhiều dẫn đến hay phải thay thế do đó làm tăng chi phí điện
cực. Một số nghiên cứu khác thì xử lý chất ô nhiễm theo hiệu ứng
fenton điện hóa, thời gian xử lý lâu do đó tốn năng lượng. Ngoài ra,
việc ứng dụng phương pháp xử lý này trong thực tế còn rất hạn chế.
Các kết quả nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm bằng các loại
vật liệu điện cực khác nhau trên Thế giới và ở Việt nam cho thấy,
việc khảo sát để tìm ra vật liệu điện cực mới cho hiệu quả xử lý tốt,
giá thành thấp, dễ chế tạo cho lĩnh vực xử lý nước thải dệt nhuộm là
rất cần thiết. Do vậy, luận án này sẽ tập trung vào việc nghiên cứu
tìm ra loại vật liệu điện cực anot phổ biến, có giá thành thấp để có
thể xử lý nước thải dệt nhuộm chứa TNHT sao cho đồng thời thỏa

mãn cả về hiệu quả xử lý và phù hợp về kinh tế.
1.5. Đặc tính một số vật liệu được lựa chọn làm điện cực anot sử
dụng trong nghiên cứu
Ở Việt nam, vật liệu composite trên nền sắt khá phổ biến và là
loại vật liệu đáp ứng được các điều kiện để có thể sử dụng làm điện
4


cực trong xử lý nước thải dệt nhuộm. Lựa chọn các vật liệu điện cực
thép SUS 304 và thép Ferosilic (Fe-14Si-5Cr-0.7Mn) để nghiên cứu
xử lý nước thải chứa TNHT vì đây là loại vật liệu có độ bền hóa học,
bền điện hóa, mật độ dòng cho phép khá cao và giá thành thấp phù
hợp với lĩnh vực xử lý nước thải dệt nhuộm ở quy mô công nghiệp.
Trong luận án cũng sử dụng điện cực Pt để nghiên cứu xử lý nước
thải dệt nhuộm nhằm khảo sát khả năng xử lý và so sánh hiệu quả xử
lý các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học và độ màu của nước thải
dệt nhuộm với các vật liệu anot được chế tạo từ thép hợp kim.
CHƢƠNG 2 - PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất và vật liệu nghiên cứu.
2.1.1. Thiết bị, dụng cụ
Hệ thống nghiên cứu xử lý nước thải chứa
thuốc nhuộm hoạt tính bằng phương pháp
điện hóa theo sơ đồ nguyên tắc được thể
hiện trên hình 2.1.
2.1.2. Hóa chất
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý điện hóa xử lý nước thải

2.1.3. Vật liệu điện cực
Các vật liệu điện cực được sử dụng trong nghiên cứu là thép
Ferosilic (Fe-14Si-5Cr-0.7Mn) được đặt chế tạo, thép SUS 304 được

mua trên thị trường và Pt có diện tích bề mặt điện cực khoảng 13
cm2. Catot là thép không gỉ với diện tích khoảng 6,5 cm2.
2.2. Các phƣơng pháp thực nghiệm và xử lý số liệu
2.2.1. Phương pháp thực nghiệm
2.2.1.1. Sơ đồ tổng thể phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Quy trình thực nghiệm được thực hiện như sơ đồ trong hình 2.3.
2.2.1.2. Chuẩn bị nước thải
Để thực hiện nghiên cứu, pha dung dịch thuốc nhuộm hoạt tính
(Yellow 145, Red 198 và Blue 21) giống với nước thải thực từ máy
nhuộm của công ty cổ phần dệt may 29/3 (Đà Nẵng) - một công ty
dệt nhuộm có tính điển hình về sử dụng các loại thuốc nhuộm hoạt
tính trong quá trình sản xuất.

5


Hình 2.3. Sơ đồ quy trình nghiên cứu thực nghiệm

Trong thực tế, để tạo ra nhiều gam màu khác nhau người ta thường
dùng kỹ thuật phối ghép từ 3 màu cơ bản đỏ, vàng và xanh với tỷ lệ
khác nhau. Vì vậy để việc nghiên cứu có ý nghĩa đối với việc xử lý
nước thải thực, bên cạnh các mẫu đơn ( pha với các TNHT Red 198,
Yellow145 và Blue 21) mẫu hỗn hợp dung dịch thuốc nhuộm hoạt tính
sẽ được chuẩn bị bằng cách pha các loại thuốc nhuộm ở trên theo tỷ lệ
thể tích như nhau.
- Các mẫu nước thải thực được lấy ngay sau các máy nhuộm của
Công ty CP Dệt may 29/3 - Đà Nẵng.
2.2.1.3. Keo tụ nước thải bằng chất keo tụ PAC.
2.2.1.4.Xác định tính chất của một số vật liệu điện cực anot sử dụng
trong nghiên cứu.

- Xây dựng đường cong phân cực
- Xác định độ hòa tan của các vật liệu điện cực anot sử dụng trong
nghiên cứu
- Xác định đặc tính điện hóa của các điện cực nghiên cứu bằng
phương pháp đường cong phân cực.

6


2.2.1.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính đến hiệu quả xử
lý độ màu và độ giảm COD của nước thải chứa TNHT bằng phương
pháp điện hóa với các vật liệu điện cực khác nhau.
2.2.1.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác đến hiệu quả xử
lý độ màu và độ giảm COD của nước thải chứa TNHT bằng phương
pháp điện hóa với điện cực lựa chọn – thép Ferosilic.
2.2.2. Các phương pháp xử lý số liệu
2.2.2.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm xác định chế độ tối ưu
cho quá trình xử lý điện hóa nước thải chứa TNHT bằng điện cực
Ferosilic.
2.2.2.2. Phương pháp xây dựng phương trình động học phản ứng oxy
hóa điện hóa phân hủy thuốc nhuộm trong nước thải (động học hình
thức).
2.2.3. Các phương pháp phân tích
CHƢƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tính chất của các loại vật liệu điện cực nghiên cứu.
3.1.1. Đường cong phân cực các vật liệu điện cực nghiên cứu
Kết quả đo đường cong phân cực được thể hiện trong các hình
3.1(a,b,c).

(a)

(b)

(a)

(c)
Hình 3.1. Đường cong phân cực của điện cực Pt (a) thép Ferrosilic (b),
thép SUS 304(c) trong nước thải dệt nhuộm chứa TNHT

Từ kết quả thu được có thể thấy Pt là một kim loại có độ bền điện
hóa rất cao. Nó là loại điện cực trơ không tan khi phân cực anot, điều
này phù hợp với các kết quả nghiên cứu trước đây đã kết luận. Các
điện cực thép SUS 304 và thép Ferosilic đều khá bền khi phân cực
7


anot. Điện cực Ferosilic có điện thế ổn định dương hơn (- 0,4V) so
với điện thế ổn định của thép SUS 304 (- 0,45 V). Khi vật liệu có
điện thế âm lớn hơn thì sự hoà tan của điện cực anot tăng lên làm
tăng tổn thất vật liệu điện cực. Theo đồ thị hình 3.1 (b,c), dòng thụ
động của 2 loại vật liệu hợp kim thép ở trong khoảng điện thế hẹp
gần như nhau, nhưng khi phân cực anot lớn đến +0,75 V thì dòng
anot của thép Ferosilic (khoảng 0,45. 10-4 mA/cm2) nhỏ hơn dòng
anot của thép SUS 304 (khoảng 1,7.103 mA/cm2 ). Điều này có nghĩa
tốc độ hòa tan của thép SUS 304 lớn hơn khá nhiều so với thép
Ferosilic. Với các kết quả này, điện cực Ferosilic có độ bền điện hóa
cao hơn thép SUS 304.
3.1.2. Độ hòa tan của điện cực thép SUS 304 và thép Ferosilic
Tổn thất khối lượng các loại vật liệu anot nghiên cứu thu được từ
thực nghiệm với điện cực thép SUS 304 là 9.10-3 g/dm2.h và điện cực

thép Ferosilic là 1,25. 10-3 g/dm2.h. Như vậy trong 2 loai điện cực
trên thì điện cực thép Ferosilic có độ hoà tan nhỏ hơn.
3.1.3. Đặc tính điện hóa của các điện cực anot Pt, thép Ferosilic và
thép SUS 304 trong dung dịch nghiên cứu.
3.1.3.1. Các phản ứng trên điện cực Pt
Từ kết quả đường cong phân cực anot của điện cực Pt trong dung
dịch NaCl (0,5 g/l) cho thấy tăng điện thế phân cực anot tới
0,5V/SCE dòng anot tăng nhẹ và khi điện thế lớn hơn 1V/SCE, dòng
anot tăng vọt tương ứng với phản ứng oxy hoá nước trên điện cực Pt.
Từ đường cong phân cực anot của điện cực Pt trong dung dịch
NaCl (0,5 g/l) + TNHT màu hỗn hợp (0,6 g/l), cho thấy khi bổ sung
thêm thuốc nhuộm trong dung dịch khảo sát, so với đường cong phân
cực trong dung dịch vắng mặt thuốc nhuộm, dòng điện anot tăng nhẹ
tại điện thế khoảng 0,9 V/SCE, cho phép dự đoán trong dung dịch
NaCl và thuốc nhuộm có khả năng xảy ra phản ứng oxy hóa trực tiếp
các TNHT trên điện cực anot Pt tại điện thế 0.9 V/SCE.
3.1.3.2. Các phản ứng trên điện cực anot thép SUS 304
Từ kết quả đường cong phân cực anot của điện cực thép SUS 304
trong dung dịch NaCl (0,5 g/l), cho thấy tại điện thế khoảng –
0,2V/SCE, kim loại bắt đầu bị ăn mòn theo phản ứng hòa tan kim
loại, dòng anot tăng mạnh. Theo lý thuyết, trong dung dịch NaCl,
nếu có phản ứng oxy hóa thì chỉ có duy nhất 2 phản ứng oxy hóa
nước và oxy hóa kim loại xảy ra. Từ kết quả thu được đã cho thấy
8


khi điện thế anot tăng, mật độ dòng điện thu được là do phản ứng hòa
tan kim loại thép SUS 304 và oxy hóa nước trên điện cực thép SUS
304.
Từ kết quả đường cong phân cực anot của điện cực SUS 304 trong

dung dịch NaCl (0,5 g/l) + TNHT màu hỗn hợp (0,6 g/l), cho thấy
khi bổ sung thêm thuốc nhuộm vào dung dịch khảo sát, tại điện thế 0,45V/SCE có sự tăng nhẹ của mật độ dòng điện. Điều này tương
ứng với sự oxy hóa thuốc nhuộm trong dung dịch khảo sát. Như vậy,
kết quả thu được đã cho thấy thuốc nhuộm có khả năng bị oxy hóa
trực tiếp trên điện cực anot thép SUS 304 tại điện thế khoảng -0,45
V/SCE trong dung dịch NaCl.
3.1.3.3. Các phản ứng trên điện cực anot thép Ferosilic
Từ kết quả đường cong phân cực anot của điện cực thép Ferosilic
trong dung dịch NaCl (0,5 g/l), cho thấy điện thế tăng dẫn đến mật
độ dòng điện tăng nhưng khi điện thế đạt khoảng 0.35V/SCE thì mật
độ dòng điện gần như không tăng và ổn định ở khoảng 2.10-4
mA/cm2 . Điều này có thể cho phép dự đoán thép Ferosilic có khả
năng bị thụ động. Khi điện thế tăng đến giá trị 0.8V/SCE, dòng điện
lại tiếp tục tăng tương ứng với phản ứng oxy hóa nước. Quan sát độ
lớn của mật độ dòng điện anot thì thấy rõ, mật độ dòng điện hòa tan
thép Ferosilic và dòng oxy hóa nước trên điện cực thép Ferosilic nhỏ
hơn nhiều so với thép SUS 304.
Từ kết quả đường cong phân cực anot của điện cực thép Ferosilic
trong dung dịch NaCl (0,5 g/l) + TNHT màu hỗn hợp (0,6 g/l), cho
thấy khi bổ sung thêm thuốc nhuộm sẽ có sự tăng mật độ dòng điện
tại điện thế -0.4 V/SCE, tương ứng với quá trình hòa tan thép và sự
oxy hóa thuốc nhuộm trong dung dịch khảo sát. Kết quả thu được
cũng đã cho thấy khi có mặt thuốc nhuộm trong dung dịch khảo sát,
mật độ dòng điện tăng đáng kể so với trường hợp không có thuốc
nhuộm. Điều này chứng tỏ phản ứng oxy hóa thuốc nhuộm xảy ra
trên điện cực thép Ferosilic với tốc độ tương đối lớn.
Như vậy, các kết quả thu được từ mục 3.1 cho phép đi đến một số
kết luận về tính chất điện hóa của 2 loại vật liệu thép Ferosilic và
thép SUS 304 như sau :
- Cả 2 loại vật liệu điện cực thép Ferosilic và thép SUS 304 đều có

độ bền điện hóa tương đối cao, do đó lượng sắt bị hòa tan ít trong
quá trình xử lý điện hóa nước thải chứa TNHT.
9


- Điện cực thép Ferosilic có độ bền điện hóa cao hơn so với điện cực
thép SUS 304.
- Khi xử lý điện hóa nước thải chứa TNHT bằng vật liệu điện cực
thép Ferosilic, các TNHT sẽ bị phân hủy theo cơ chế oxy hóa trực
tiếp trên điện cực anot là chủ yếu. Thuốc nhuộm hoạt tính cũng có
thể được tách ra khỏi nước thải bằng quá trình keo tụ điện hóa do có
một lượng nhỏ sắt tan ra. Tuy nhiên, quá trình keo tụ điện hóa chỉ là
quá trình phụ, không phải là quá trình xử lý chiếm vai trò chủ đạo.
3.2. Ảnh hƣởng của các yếu tố chính lên hiệu quả xử lý độ màu
và độ giảm COD của nƣớc thải chứa TNHT bằng phƣơng pháp
điện hóa với các loại vật liệu điện cực khác nhau
3.2.1.Ảnh hưởng của mật độ dòng điện
Kết quả nghiên cứu đã cho thấy để quá trình xử lý điện hóa nước
thải chứa TNHT màu hỗn hợp đạt hiệu quả xử lý độ màu và hiệu suất
giảm CODcao mà điện năng tiêu tốn ít, với điện cực Ferosilic sử
dụng mật độ dòng điện 15,1 mA/cm2; với điện cực Pt sử dụng mật
độ dòng điện là 45 mA/cm2 và với điện cực Pt sử dụng mật độ
dòng điện là 30 mA/cm2.
3.2.2. Ảnh hưởng của pH ban đầu
Từ kết quả nghiên cứu thu được, lựa chọn giá trị pH thích hợp
cho điện cực Pt là 4, điện cực thép SUS 304 là 5 và điện cực thép
Ferosilic là 3 để quá trình xử lý đạt được hiệu quả cao mà vẫn tiết
kiệm năng lượng và đồng thời tốn ít hóa chất để điều chỉnh pH sau
quá trình keo tụ (pH sau quá trình keo tụ là 4,8).
3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ chất điện ly

Từ kết quả nghiên cứu thu được, lựa chọn hàm lượng NaCl hợp lý
là 0,25 g/l đối với điện cực SUS 304, 0,5 g/l với điện cực Pt và thép
Ferosilic khi xử lý điện hóa nước thải dệt nhuộm chứa TNHT màu
hỗn hợp.
3.2.4. Ảnh hưởng của thời gian điện hóa
Trong quá trình điện hóa xử lý nước thải dệt nhuộm chứa TNHT,
với mỗi loại vật liệu điện cực ta cần chọn thời gian xử lý thích hợp
để sao cho hiệu suất xử lý cao mà điện năng tiêu thụ nhỏ nhằm tiết
kiệm chi phí xử lý. Từ các kết quả khảo sát thu được, lựa chọn thời
gian xử lý thích hợp cho quá trình xử lý nước thải chứa TNHT màu
hỗn hợp với vật liệu điện cực thép SUS 304 là 15 phút, điện cực Pt là
20 phút và điện cực thép Ferosilic là 30 phút.
10


3.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ thuốc nhuộm đầu vào
Các kết quả thu được đã cho thấy, quá trình xử lý điện hóa nước
thải chứa TNHT màu hỗn hợp bằng các vật liệu điện cực nghiên cứu
chỉ đạt hiệu quả cao trong dải nồng độ COD đầu vào ≤ 345 mg/L đối
với các điện cực thép Ferosilic và thép SUS 304 và CODv ≤ 300
mg/L đối với điện cực Pt.
Như vậy, từ các kết quả thu được trong mục 3.2 có thể đi đến một
số kết luận sau :
- Hiệu suất xử lý độ màu và độ giảm COD của quá trình xử lý điện
hóa nước thải dệt nhuộm với các vật liệu điện cực nghiên cứu bị ảnh
hưởng chủ yếu bới 5 yếu tố: Mật độ dòng điện, pH, nồng độ chất
điện ly, thời gian điện hóa và nồng độ thuốc nhuộm đầu vào.
- Xác định được điều kiện làm việc thích hợp cho hiệu quả cao mà
tiết kiệm năng lượng của 3 vật liệu điện cực nghiên cứu như trong
bảng 3.7.

Bảng 3.7. Một số điều kiện vận hành thích hợp của quá trình xử lý điện hóa
nước thải chứa TNHT màu hỗn hợp với các vật liệu điện cực khác nhau
Thông số
Thép SUS
Thép
Pt
304
Ferosilic
Thể tích dung dịch (ml)
200
200
200
Khoảng cách giữa các điện cực (cm)
2
2
2
Diện tích điện cực anode (cm2)
13
13
13
Nhiệt độ (0C)
25
25
25
pH
5
3
4
Mật độ dòng điện J (mA/cm2)
30

15,2
45
NaCl(g/l)
0,25
0,5
0,5
Thời gian (phút)
15
30
20

3.3. Lựa chọn vật liệu điện cực thích hợp để xử lý nƣớc thải chứa
thuốc nhuộm hoạt tính bằng phƣơng pháp điện hóa.
Tiến hành xử lý điện hóa nước thải chứa TNHT màu hỗn hợp với
các vật liệu điện cực nghiên cứu Pt, thép Ferosilic và thép SUS 304
tại các điều kiện làm việc thích hợp đã xác định được như trong bảng
3.7. Kết quả hiệu suất xử lý độ màu và độ suy giảm COD, năng
lượng điện tiêu thụ tại điều kiện làm việc thích hợp cho hiệu quả cao
và tiết kiệm năng lượng của mỗi vật liệu điện cực nghiên cứu xác
định từ thực nghiệm được trình bày trong bảng 3.8.
Bảng 3.8. Hiệu quả xử lý độ màu, độ giảm COD và năng lượng điện tiêu
thụ của quá trình xử lý điện hóa nước thải chứa TNHT màu hỗn hợp với các
11


vật liệu điện cực khác nhau.

TT

Điện cực

Nước thải trước xử
lý

Nước thải sau xử
lý

COD
(mg/l)

Độ màu
(Pt-Co)

COD
(mg/l)

Độ màu
(Pt-Co)

Hiệu suất xử lý
(%)
ηkCOD ηkmàu
(%)
(%)
66
79

Điện
năng tiêu
thụ

(kWh/kg
COD)
90,3

1

Fero/Fe

250

534

85

112

2

SUS 304/Fe

250

534

150

80

40

85

140

3

Pt/Fe

250

534

99

96

60,3

82

385

Từ các kết quả thực nghiệm về hiệu quả xử lý COD, độ màu cũng
như tính toán lượng năng lượng tiêu thụ khi xử lý 1 kg COD (bảng
3.9) cho thấy trong 3 loại vật liệu điện cực anot sử dụng nghiên cứu,
điện cực thép Ferosilic có độ bền điện hoá, không sinh nhiều bùn
thải, ít tiêu tốn điện cực, chi phí năng lượng thấp, hiệu quả xử lý độ
màu và độ giảm COD của nước thải chứa TNHT cao nên dùng điện
cực loại này sẽ có nhiều lợi thế hơn điện cực Pt và điện cực thép
SUS 304. Do đó lựa chọn thép Ferosilic làm vật liệu điện cực cho xử

lý điện hóa nước thải dệt nhuộm.
3.4. Ảnh hƣởng của các yếu tố khác lên hiệu quả xử lý độ màu và
độ giảm COD của nƣớc thải chứa TNHT bằng phƣơng pháp điện
hóa với điện cực thép Ferosilic.
3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Kết quả nghiên cứu đã cho thấy khi xử lý nước thải chứa TNHT
bằng quá trình điện hóa với điện cực thép Ferosilic, hiệu quả xử lý
độ màu và độ giảm CODcủa phương pháp không bị ảnh hưởng nhiều
khi thay đổi nhiệt độ của dung dịch nước thải trong khoảng từ 25°C
÷ 40 °C.
3.4.2. Ảnh hưởng của thành phần nước thải
3.4.2.1.Ảnh hưởng nồng độ Na2SO4
Kết quả nghiên cứu thu được cho thấy khi xử lý nước thải chứa
TNHT bằng phương pháp điện hóa với điện cực Ferosilic, nồng độ
Na2SO4 trong khoảng 0,005M ÷ 0,05 M không ảnh hưởng nhiều đến
hiệu suất xử lý độ màu và độ giảm CODcủa phương pháp.
3.4.2.2.Ảnh hưởng nồng độ Na2CO3
Kết quả nghiên cứu cho thấy khi xử lý nước thải chứa TNHT bằng
phương pháp điện hóa với điện cực thép Ferosilic, hàm lượng
12


Na2CO2 trong dung dịch nước thải cao hơn 0,005M sẽ làm giảm
hiệu suất xử lý độ màu và độ giảm CODcủa phương pháp.
3.4.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ diện tích giữa các điện cực
Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình xử lý điện hóa nước thải
chứa TNHT màu hỗn hợp đạt hiệu suất xử lý độ màu, độ giảm
CODcao nhất với năng lượng điện tiêu thụ nhỏ nhất tại tỷ lệ Sa/Sc =
2. Do đó lựa chọn tỷ lệ diện tích giữa 2 điện cực anot và catot Sa/Sc =
2 để thiết lập hệ thống xử lý.

3.5. Động học của quá trình phân hủy TNHT bằng phƣơng pháp
oxi hóa điện hóa với điện cực thép Ferosilic
Phản ứng tổng quát quá trình oxy hóa thuốc nhuộm bằng gốc
hydroxyl xảy ra như sau :
Dye + OH nCO2 + mH2O + các chất khoáng hóa
(3-14 )
(Dye: Phân tử thuốc nhuộm)
Tốc độ của phản ứng oxi hóa thuốc nhuộm hoạt tính trên có thể
biểu diễn bằng phương trình động học hình thức như sau :
v = k.[Dye]x.[OH]y
(3.1)
Trong đó: v: tốc độ phản ứng, k: hằng số tốc độ phản ứng, x và y:
bậc riêng phần của phản ứng
Với phương trình tốc độ phản ứng giữa gốc OH và thuốc nhuộm
như trên, nếu nồng độ của gốc OH không thay đổi thì phương trình
(3.1) có thể đưa về dạng phương trình tốc độ phản ứng giả bậc 1.
Trong quá trình điện hóa nước thải chứa TNHT, tốc độ hình thành
gốc OH* được kiểm soát bởi dòng điện áp vào hệ điện cực. Khi tiến
hành xử lý điện hóa nước thải chứa TNHT, giả thiết trong cùng một
điều kiện vật liệu điện cực, mật độ dòng điện, pH, nồng độ các chất
trong dung dịch xử lý, nhiệt độ…nồng độ của gốc OH* tạo ra trong
dung dịch hầu như không thay đổi. Giả thiết này đã được sử dụng
trong các công bố quốc tế về lĩnh vực nghiên cứu xử lý điện hóa
nước thải dệt nhuộm. Với giải thiết này, phương trình (3.1) có thể
chuyển thành dạng :
(3.2)
Với
là hằng số tốc độ phản ứng giả bậc 1 (phút-1)
Sự phân hủy thuốc nhuộm trong nước thải được giả thiết tuân theo
quy luật động học của phản ứng giả định bậc 1, khi đó x = 1 do đó :

v = k’.[Dye]
(3.4)
13


Tích phân từ 0 đến t phương trình 3.4, ta có:
(3.6)
Trong quá trình phân hủy thuốc nhuộm, chỉ số COD của dung dịch
nước thải xử lý tỷ lệ với nồng độ thuốc nhuộm trong dung dịch,
nghĩa là [Dye] ~ COD của nước thải. Từ phương trình (3.6) ta có
(3.8)
Với CODo là giá trị COD ban đầu của nước thải; CODt là giá trị
COD tại thời điểm t.
Tiến hành thí nghiệm xác định sự biến thiên COD của nước thải
chứa TNHT màu đỏ và màu vàng theo thời gian điện hóa. Vẽ các đồ
thị hàm số - ln(CODt /CODo )= k’.t từ kết quả thực nghiệm thu được.
Các giá trị k’ đối với quá trình phân hủy thuốc nhuộm màu đỏ và
màu vàng được xác định từ các hệ số góc của các đồ thì trên.

Hình 3.27. Đồ thị xác định hằng số tốc độ
phản ứng biểu kiến giả bậc 1 của quá trình
khoáng hóa thuốc nhuộm màu đỏ
và màu vàng

Hình 3.28. Đồ thị động học xử
lý thuốc nhuộm hoạt tính màu
vàng và màu đỏ của quá trình
xử lý điện hóa

Quan sát trên đồ thị hình 3.27 cho thấy với cả màu vàng và màu

đỏ, đồ thị đều là đường thẳng. Điều này chứng tỏ sự biến thiên của
chỉ số COD theo thời gian khoáng hóa tuân theo quy luật của phản
ứng giả bậc 1. Kết quả tính toán hằng số tốc độ phản ứng giả bậc 1
đối với quá trình khoáng hóa thuốc nhuộm màu vàng và màu đỏ
được mô tả trong bảng 3.9.
Bảng 3.9. Hằng số tốc độ biểu kiến k* đối với quá trình phân hủy TNHT
màu vàng và màu đỏ bằng phương pháp xử lý điện hóa

Thuốc nhuộm hoạt tính
Giá trị k*(phút-1)
Giá trị R2
-3
Màu vàng
68,2 .10
0.985
Màu đỏ
88,2 .10-3
0.997
- Phƣơng trình tốc độ biểu kiến phản ứng giả bậc 1 phân hủy
thuốc nhuộm hoạt tính màu đỏ và màu vàng bằng phƣơng pháp
xử lý điện hóa
Bảng 3.10. Phương trình tốc độ biểu kiến phản ứng giả bậc 1
14


Thuốc
nhuộm
Màu
Vàng

Phương trình tốc độ phản ứng
phân hủy thuốc nhuộm

Phương trình động học

Màu Đỏ

- Xác định sai số và kiểm định sự tương hợp của mô hình động học
Kêt quả tính sai số mô hình so với thực nghiệm của màu vàng ở
bảng 3.11 và màu đỏ ở bảng 3.12.
Bảng 3.11. Bảng tính sai số mô hình động học phản ứng phân hủy thuốc
nhuộm màu vàng trong nước thải bằng quá trình oxi hóa điện hóa với bậc
phản ứng n = 1

t
yi
ŷi
Si =│yi- ŷi │

0
70
70
0

3
59
57
2

5

47
49
2

10
34
36
2

13
29
29
0

15
26
25
1

Bảng 3.12. Bảng tính sai số mô hình động học phản ứng phân hủy thuốc
nhuộm màu đỏ trong nước thải bằng quá trình oxi hóa điện hóa với bậc
phản ứng n = 1.

t
0
2
3
7
11
yi

60
47
43
25
20
ŷi
60
50
45
32
22
Si =│yi- ŷi │
0
3
2
7
2
Cả hai mô hình động học ở trên đều có sai số trung bình ≤ 10% nên
mô hình động học phản ứng giả bậc 1 chấp nhận được.
3.6. Đánh giá hiệu quả phân hủy các TNHT của quá trình xử lý
điện hóa bằng điện cực thép Ferosilic.
Trong quá trình oxy hóa điện hóa nước thải chứa TNHT màu đỏ và
màu vàng, các tác nhân oxi hóa như OH* và Cl2 được tạo ra từ quá
trình điện hóa sẽ phản ứng với phân tử thuốc nhuộm và tạo ra các sản
phẩm trung gian theo phản ứng
OH* + Thuốc nhuộm
→ hợp chất trung gian
OH* + hợp chất trung gian → CO2 + H2O + sản phẩm
Như vậy phản ứng phân hủy thuốc nhuộm là một phản ứng nối tiếp
phức tạp. Thuốc nhuộm biến hóa thành sản phẩm phản ứng qua

nhiều giai đoạn nối tiếp nhau. Một số sản phẩm trung gian kém bền
và có đời sống ngắn. Các sản phẩm trung gian của phản ứng phân
15


hủy thuốc nhuộm có thể xác định và định lượng được với lượng rất
nhỏ và bị biến hóa thành sản phẩm cuối cùng trong điều kiện phản
ứng. Kết quả phổ UV vis theo thời gian xử lý của nước thải màu đỏ
và màu vàng được đưa trên đồ thị hình 3.30 (a,b).

(a)

(b)

Hình 3.30. Phổ UV vis theo thời gian xử lý điện hóa đối với nước thải chứa
TNHT màu đỏ (a), màu vàng (b)

Nhìn vào đồ thị 3.30 (a,b) ta thấy có sự suy giảm cường độ hấp thụ
cực đại tại bước sóng 516 nm và 419 nm. Khi tăng thời gian xử lý
điện hóa thì cường độ các peak giảm đi và cuối cùng biến mất tương
ứng với liên kết azo đã bị phân hủy để tạo thành những hợp chất hữu
cơ trung gian có cấu trúc phân tử đơn giản hơn.
Để nhận danh được các chất hữu cơ trung gian phức tạp hình thành
trong quá trình xử lý tại thời điểm dung dịch nước thải màu đỏ và
màu vàng bắt đầu chuyển từ màu đậm sang màu nhạt hơn (7 phút
với màu đỏ và 10 phút với màu vàng), tiến hành phân tích sắc ký khí
ghép khối phổ GC-MS đối với các mẫu nước thải chứa TNHT sau xử
lý điện hóa 10 phút (màu vàng) và 7 phút (màu đỏ). Kết quả đưa
trong bảng 3.13 và bảng 3.14.
T

T

1

2

3

Bảng 3.13. Các hợp chất hữu cơ chủ yếu trong nước thải sau 7 phút xử lý
điện hóa nước thải chứa TNHT màu đỏ
Hợp chất hữu cơ và
Thời
T Hợp chất hữu cơ và
Thời
Công thức phân tử
gian
T Công thức phân tử
gian
lưu
lưu
(Phút)
(Phút)
Phenol, 2,4 – Dichloro 5,01
14 2,4-Dichloro-6-methyl8,38
C6H4Cl2O
1,5-naphthyridine C9H6Cl2N2
Phenol, 4- Chloro 5,19
15 4-Phenyl-2,58,77
C6H5ClO
dichloro(1H) imidazole C9H6Cl2N2

Phenol, 2,6-dichloro 5,3
16 2,4-Dichloro-6-methyl8,94
16


C6H4Cl2O
4

4-Chlorophenol,
trimethylsilyl ether C9H13ClOSi
Benzoic acid trimethylsilyl
ester - C10H14O2Si,

5,48

17

5,56

18

6

Quinoline - C9H7N

5,61

19

7

1,3,5-Triazine-2,4Diamine, 6-Chloro-NEthyl - C5H8ClN5
Benzoic Acid, Phenyl Ester
- C13H10O2

5,76

20

5,94

21

5

8

9
1
0
1
1
1
2
1
3

TT

1

2
3

1,5-naphthyridine C9H6Cl2N2
[1,1'-Biphenyl]-4carboxaldehyde - C13H10O

9,0

Benzenamine, 2,5 –
Dichloro – 4 - NotroC6H4Cl2N2O2
1,2-Benzenedicarboxylic
axid, Bis(2-Methylpropyl)
Ester - C16H22O4
Anthracene, 2,3-dichloro C14H8Cl2

9,03

Methanone, (4chlorophenyl)phenyl C13H9ClO
1H-Benzotriazole, 1phenyl - C12H9N3
Mordant yellow\xA012 C13H11N3O3
Botran - C6H4Cl2N2O2

9,57

9,26

9,42

à,à-Dichloroacetophenone
6,44

22
10,18
- C8H6Cl2O
Phenol, 2,4,6-trichloro 6,47
23
10,25
C6H3Cl3O
2,4,6-Trichlorophenol,
7,4
24
10,96
trimethylsylil ether C9H11Cl3OSi
1H-Pyrazole, 4-chloro-17,46
25 Dibutyl phthalate 10,3
phenyl C16H22O4
C9H7ClN2
Phenol, 2,3,4,6-tetrachloro
7,92
26 1-Triazene, 3,3-dimethyl13,56
- C6H2Cl4O
1-phenyl -C8H11N3
Bảng 3.14. Các hợp chất hữu cơ chủ yếu trong nước thải sau 10 phút xử
lý điện hóa nước thải chứa TNHT màu vàng
Hợp chất hữu cơ và Thời TT Hợp chất hữu cơ và
Thời
Công thức cấu tạo
gian
Công thức cấu tạo
gian
lưu

lưu
(Phút)
(Phút)
Ethane, hexachloro
4,31
9 Methanone, Diphenyl - C13H10O
8,46
- C2Cl6
Benzeneacetonitrile 4,75
10 Heptadecane - C17H36
8,71
- C8H7N
Ethanone, 1-(55,22
11 49,24
17


4

5

6

7
8

TT

1
2

3
4
5

methyl-3indolizinyl)C11H11NO
(2E)-3-Phenyl-2Propenenitrile C9H7N
Nonanoic acid,
trimethylsilyl ester
C12H26O2Si
2-Propanone,
1,1,1,3,3pentachloro C3HCl5O
Soquinoline, 1butyl - C13H15N
Naphthalene, 2,3,6trimethyl - C13H14

Chlorophenylsulfonylacetonitrile
- C8H6ClNO2S
5,64

12

9,73

13

1,2-Benzenedicarboxylic acid,
bis(2-methylpropyl) ester C16H22O4
Dibutyl phthalate - C16H22O4

6,39

6,73

14

Botran - C6H4Cl2N2O2

10,96

7,18

15

Sulfisoxazole - C11H13N3O3S

11,41

7,38

16

10,3

Silane, [1,46,71
phenylenebis(oxy)]bis[trimethyl
- C12H22O2Si2
Để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chứa TNHT của phương pháp điện
hóa với điện cực Ferosilic cũng như nhận danh được các sản phẩm tạo thành
sau quá trình xử lý, tiến hành phân tích GC-MS đối với các mẫu nước thải
sau quá trình xử lý. Kết quả đưa trong bảng 3.15.

Bảng 3.15. Các hợp chất hữu cơ có trong nước thải chứa TNHT màu đỏ
và màu vàng sau xử lý điện hóa
Hợp chất hữu cơ
Thời TT
Chất hữu cơ
Thời
gian
gian
lưu
lưu
(Phút)
(phút)
TNHT màu đỏ
TNHT màu vàng
9-Octadecenamide,
24,3
1 Diisoamylene
20
(Z)Disulfide, (1,15-Chloro-25,1
2 dimethylethyl)(110,2
hydroxyaniline
methylpropyl)
Bis(2-ethylhexyl)
21,65
3
10,5
Tributyl phosphate
phthalate
Acetaldehyde,
4,6

4
8,3
5-Amino-2H-tetrazole
chloro2-Butyn-1-al diethyl
11,6
5
11,1
2-Ethyl -isovaleraldehyde
acetal
18


6

6
7
8

2-Ethyl-3-vinyloxirane
2-Butyn-1-ol, 4-methoxy4-Hydroxy-3-nitrobenzoic
acid

9,8
17,1
18,41

Từ kết quả thu được ở bảng 3.13 và bảng 3.14 cho thấy các
TNHT ban đầu có cấu trúc cồng kềnh, nhiều vòng thơm đã bị tách
thành các hợp chất có phân tử lượng nhỏ hơn, số nguyên tử C ít hơn
sau 7 phút xử lý nước thải chứa TNHT màu đỏ và 10 phút xử lý nước

thải chứa TNHT màu vàng. Khi dung dịch nước thải chứa TNHT
màu đỏ và màu vàng bắt đầu chuyển từ màu đậm sang màu nhạt hơn
cũng chính là thời điểm các liên kết mang màu trong cấu trúc thuốc
nhuộm bị phá vỡ. Các nhóm mang màu chính như: -N=N-, >C=C<,
hay >C=N- sẽ bị phá vỡ liên kết dưới sự tấn công của nhóm OH*
khi được xử lý bằng quá trình điện hóa. Kết quả thu được trong bảng
3.15 cho thấy phần lớn các chất hữu cơ trung gian phức tạp được
hình thành trong quá trình xử lý (bảng 3.13 và bảng 3.14) đã biến
mất hoặc còn lại với một lượng rất nhỏ ở dạng vết sau quá trình xử lý
điện hóa. Như vậy, các TNHT có cấu trúc phức tạp ban đầu đã bị
phân hủy bởi quá trình oxi hóa điện hóa để tạo thành các chất hữu
cơ đơn giản hơn và CO2. Các sản phẩm sau xử lý này đều có thể
phân hủy dễ dàng bằng phương pháp sinh học tiếp theo.
Các kết quả trên phổ XRD đã cho thấy tỷ lệ muối Na2SO4 tăng lên
khi kéo dài thời gian điện hóa đã chứng tỏ các nhóm sulfonate –
SO3Na trong phẩm màu đã bị phân hủy và oxi hóa để tạo thành dạng
sulfate –SO4Na là dạng muối bền.
Sự hình thành muối bền Na2SO4 cũng được khẳng định bằng phổ
hồng ngoại trên các phần cặn khô của các mẫu nước thải.
Như vậy, phương pháp xử lý điện hóa sử dụng điện cực thép Ferosilic
có hiệu quả xử lý trong việc phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ và là
một phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm chứa TNHT có hiệu quả.
3.7. Qui hoạch thực nghiệm xác định chế độ tối ƣu cho quá trình
xử lý điện hóa nƣớc thải chứa TNHT bằng điện cực thép
Ferosilic.
3.7.1. Phương trình hổi quy
3.7.1.1. Bố trí ma trận thí nghiệm
Sử dụng kế hoạc trực giao bậc 2 của Box-Wilson với 5 biến số
độc lập được mã hóa gồm mật độ dòng điện, thời gian, pH, NaCl và
19

nồng độ thuốc nhuộm đầu vào. Hàm mục tiêu là hiệu suất xử lý màu
(y1) và năng lượng điện tiêu thụ (y2).
Sử dụng phần mềm modde 5.0 nhập giá trị của các yếu tố được chủ
động thay đổi, phần mềm chạy ngẫu nhiên thu được ma trận làm
việc. Tiến hành làm thí nghiệm tại các điểm của ma trận, thu được
giá trị hiệu suất xử lý màu và năng lượng tiêu thụ tương ứng.
3.7.1.2.Tính toán hệ số của phương trình hồi quy các hàm mục tiêu
Sau khi tính toán hệ số của phương trình hồi quy của các hàm mục
tiêu, kiểm tra tính có nghĩa của các hệ số bj, các phương trình hồi quy
thu được có dạng :
 Hàm mục tiêu là hiệu suất xử lý màu (y1)
y1 = 67.7039 + 2.10077x1 - 4.65896x3 - 6.42296x5 + 8.68452 5.59072 + 6.78926x1x2 - 2.49663x1x4 +1.90142x1x5 – 1,70089 x2
x5 - 2.78626 x3x4 - 5.54339 x3x5 - 4.39133 x4x5
 Hàm mục tiêu là năng lượng tiêu thụ (y2):
Y2 = 114.58 +14.805 x1 - 7.971x2 +11.418x3 - 21.96x4 - 11.211 16.48
+17.42
-8.79 x1x2 +11.021 x1x3 - 5.682 x1x5 +4.9209
x2x3 - 5.1172 x3x5
3.7.1.3. Kiểm định sự tương hợp của phương trình hồi quy với thực
nghiệm
Kiểm tra sự tương hợp của phương trình hồi quy với thực nghiệm
theo tiêu chuẩn Fisher dựa vào giá trị của các phương sai. Kết quả
cho thấy phương trình hồi quy hàm hiệu suất khử màu và phương
trình hồi quy hàm năng lượng tiêu thụ tương thích với thực nghiệm.
3.7.2. Điểm tối ưu hóa
Sử dụng phần mềm Modde 5.0 trong quy hoạch thực nghiêm ta tìm
được điểm tối ưu của quá trình với giá trị các thông số là : Mật độ
dòng điện = 17.4 mA/cm2, Thời gian = 30 phút, pH= 3.0, Lượng

NaCl = 0.64g/l, Nồng độ COD vào = 260 mg/l. Ứng với các giá trị
đó hiệu suất xử lý độ màu đạt được là 85,7 % và năng lượng tiêu thụ
là 72.33 kWh/kg COD. Kiểm tra kết quả mô hình bằng thí nghiệm
với nước thải tự tạo tại điều kiện tối ưu cho thấy kết quả chạy được
từ mô hình phù hợp để sử dụng trong thực tế.
Như vậy, hàm mục tiêu xác định được, bài toán tối ưu và phương
án quy hoạch trực giao bậc 2 là phù hợp đối với quá trình xử lý điện
hóa nước thải chứa TNHT màu hỗn hợp bằng điện cực thép
20


Ferosilic. Các số liệu tính toán từ mô hình hầu như không sai lệch
nhiều so với các số liệu thu được từ thực nghiệm.
3.8. Xử lý nâng cao nƣớc thải dệt nhuộm Công ty CP dệt may
29/3 (Đà Nẵng) bằng phƣơng pháp điện hóa với điện cực thép
Ferosilic.
3.8.1.Đặc tính nước thải Công ty CP dệt may 29/3 – Đà Nẵng.
Tiến hành lấy mẫu (3 đợt) tại một số công đoạn như : nước thải từ
máy nhuộm, nước thải sau giặt, nước thải tại hố gom, nước thải của
dòng thải sinh hoạt và các công đoạn khác trước khi vào hố gom và
đem phân tích tại phòng thí nghiệm R&D của Viện khoa học và
Công nghệ Môi trường – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Kết quả phân tích một số thông số môi trường của nước thải lấy từ
Công ty CP Dệt may 29/3 – Đà Nẵng đã cho thấy nước thải đưa vào
hệ thống xử lý (sau bể gom) có tỷ số BOD5/COD thay đổi tùy thuộc
vào đơn hàng và dao động trong khoảng từ 0,18 đến 0,42.
Hệ thống xử lý nước thải sẵn có của Công ty CP dệt may 29/3 bao
gồm các hạng mục hố gom, bể tách dầu, bể trung hòa, bể keo tụ kết
hợp bể lắng, bể xử lý sinh học, bể lắng cấp 2 và bể khử trùng.
3.8.2. Đánh giá hiện trạng xử lý của hệ thống xử lý nước thải

Công ty CP Dệt may 29/3 – Đà Nẵng
Để đánh giá hiện trạng xử lý của hệ thống xử lý nước thải công ty
Cổ phần Dệt may 29/3 – Đà nẵng, tiến hành lấy mẫu nước thải tại
một số vị trí trên hệ thông xử lý gồm : nước thải tại bể gom ; nước
thải sau bể xử lý vi sinh ; nước thải sau bể khử trùng.
Các kết quả phân tích thu được cho ta thấy nước thải sau xử lý
chưa đạt QCVN 13-MT:2015/ BTNMT về độ màu.
Tiến hành keo tụ mẫu nước thải lấy từ bể gom bằng phèn sắt đúng
theo lượng mà nhà máy sử dụng tại phòng thí nghiệm của Viện khoa
học và Công nghệ môi trường. Kết quả thu được cho thấy hiệu suất
giảm COD của quá trình keo tụ dao động trong khoảng 16,8 ÷
25,8% và hiệu suất xử lý độ màu dao động trong khoảng 3,6 ÷ 28,4%
tùy thuộc vào thành phần thuốc nhuộm sử dụng trong quá trình
nhuộm. Từ các kết quả trên có thể rút ra một số vấn đề tồn tại trong
quá trình xử lý của hệ thống xử lý nước thải tại Công ty như sau:
- Tỷ lệ BOD5/COD của nước thải sau bể keo tụ < 0,5 không phù hợp
để tiếp tục cho nước thải vào hệ thống aerotank.
- Các kết quả cho thấy hiệu suất xử lý của quá trình keo tụ không
cao. Với một số loại thuốc nhuộm khó phân hủy sinh học và độc hại
21


với vi sinh vật, nếu nước thải sau keo tụ cho trực tiếp vào bể
aerotank có thể dẫn đến khả năng gây độc cho vi sinh vật trong hệ
thống và quá trình xử lý thuốc nhuộm không được triệt để .
Vì vậy để xử lý triệt để chất ô nhiễm trong dòng thải dệt nhuộm
của Công ty với thành phần dòng thải luôn thay đổi cần phải hoàn
thiện dây chuyền xử lý nước thải để có thể xử lý triệt để chất ô nhiễm
nhằm đảm bảo nước thải sau xử lý đạt quy chuẩn xả thải ngành dệt
nhuộm QCVN 13-MT: 2015/BTNMT.

3.8.3. Đề xuất phương án xử lý nâng cao nước thải dệt nhuộm
công ty CP Dệt may 29/3 - Đà Nẵng.
Tiến hành phân luồng dòng thải từ các máy nhuộm, xử lý cục bộ
bằng phương pháp keo tụ (dùng PAC) rồi mới đến điện hóa. Dòng
thải sau điện hóa đưa thẳng vào bể xử lý sinh học sẵn có trong hệ
thống xử lý nước thải của công ty.
Với phương án này, tiến hành nghiên cứu xử lý điện hóa với nước
thải thực từ máy nhuộm của công ty được pha loãng theo tỷ lệ 1:1 và
tỷ lệ 1:5.
- Pha loãng theo tỷ lệ 1:1 (hình 3.40): Với phương án này thể tích bể
điện hóa và keo tụ nhỏ, tiết kiệm chi phí xây dựng và vật liệu làm điện
cực. Tuy nhiên, hàm lượng COD và độ màu của nước thải vào điện
hóa không nằm trong dải khảo sát tối ưu của phương pháp.
- Pha loãng theo tỷ lệ 1:5 để đưa hàm lượng chât ô nhiễm COD và độ màu
về giải nồng độ đã nghiên cứu nhằm kiểm chứng hiệu suất xử lý của
phương pháp với nước thải thực tại điều kiện vận hành tối ưu tìm được.
Lựa chọn phương án pha loãng 1:1 để hoàn thiện hệ thống xử lý
nước thải của Công ty nhằm phân hủy các thuốc nhuộm khó phân
hủy sinh học thành những chất đơn giản hơn và dễ phân hủy sinh học
hơn từ đó làm tăng tỷ số BOD/COD ≥ 0,5 thuận lợi cho xử lý sinh
học phía sau. Như vậy việc áp dụng xử lý điện hóa cục bộ dòng thải
từ máy nhuộm của Công ty CP dệt may 29/3 theo phương án pha
loãng dòng thải sau máy nhuộm với dòng thải sau giặt (giặt đợt 1 và
đợt 2) theo tỷ lệ 1:1 đã đáp ứng được 2 mục tiêu : xử lý triệt để được
chất ô nhiễm (thuốc nhuộm hoạt tính khó phân hủy sinh học) và tăng
tỷ lệ BOD5/ COD >0,5 thuận lợi cho khâu xử lý sinh học phía sau.

22

Hình 3.40. Sơ đồ dây chuyền hoàn thiện hệ thống xử lý nước thải Công ty
CP dệt may 29/3 Đà Nẵng

KẾT LUẬN
Từ các kết quả nghiên cứu xử lý độ màu và độ suy giảm chỉ số
COD của nước thải chứa TNHT được điều chế trong phòng thí
nghiệm và nước thải của Công ty CP dệt may 29-3 – Đà Nẵng bằng
phương pháp điện hóa, có thể rút ra một số kết luận sau:
1. Xác định được vật liệu điện cực anot thép Ferosilic (Fe-14Si5Cr-0,7Mn) sử dụng cho hệ thống xử lý điện hóa có khả năng phân
hủy được các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học trong nước thải dệt
nhuộm. Quá trình điện hóa với vật liệu điện cực này có thể xử lý
được độ màu và làm suy giảm chỉ số COD của nước thải với tiêu thụ
năng lượng hợp lý. Đây là loại vật liệu điện cực mới trong lĩnh vực
xử lý nước thải dệt nhuộm có một số ưu điểm như: ít tan trong quá
trình điện hóa nên không sinh ra nhiều bùn, có độ bền hóa và bền
điện hóa cao nên ít phải thay thế do đó có thể tiết kiệm được chi phí
đầu tư, có khả năng xúc tác điện hóa cao dẫn đến tăng hiệu suất xử lý
cho quá trình và có chí phí năng lượng thấp (73,2 kWh/kg COD xử
lý), giá thành thấp.
2. Mô hình động học của quá trình phân hủy TNHT màu vàng và
màu đỏ bằng phương pháp oxi hóa điên hóa với điện cực thép
Ferosilic tuân theo phản ứng giả bậc 1 có các hằng số tốc độ phản
ứng tương ứng là 68,2 .10-3 phút-1 và 88,2.10-3 phút-1. Bằng các
phương pháp phân tích phổ UV vis, GC-MS, IR, XRD của các mẫu
23


nước thải sau xử lý điện hóa cho thấy các liên kết mang màu azo
trong cấu trúc thuốc nhuộm đã bị phá vỡ dưới sự tấn công của gốc
OH*. Sự cắt đứt mạch cacbon để tạo thành các chất hữu cơ đơn giản

it độc hại hơn và sẽ tiếp tục bị phân hủy trong quá trình oxi hóa tiếp
theo để tạo thành CO2 và H2O. Quá trình phân hủy này không chỉ
làm mất màu của thuốc nhuộm mà còn góp phần làm giảm COD của
nước thải.
3. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc 2 của
Box- Wilson, luận án đã xác định được :
- Hàm mục tiêu hiệu suất xử lý màu y1
y1 = 67.7039 + 2.10077x1 - 4.65896x3 - 6.42296x5 + 8.68452 5.59072 + 6.78926x1x2 - 2.49663x1x4 +1.90142x1x5 – 1,70089 x2
x5 - 2.78626 x3x4 - 5.54339 x3x5 - 4.39133 x4x5
- Hàm mục tiêu năng lượng tiêu thụ y2
y2 = 114.58 +14.805 x1 - 7.971x2 +11.418x3 - 21.96x4 - 11.211 16.48
+17.42
-8.79 x1x2 +11.021 x1x3 - 5.682 x1x5 +4.9209
x2x3 - 5.1172 x3x5
- Điều kiện tối ưu của quá trình xử lý điện hóa bằng điện cực thép
Ferosilic đối với nước thải chứa TNHT là : Mật độ dòng điện = 17.4
mA/cm2 ; Thời gian = 30 phút; pH= 3.0, NaCl = 0,64g/l và COD đầu
vào là 260 mg/l.
4. Đã tiến hành xử lý nâng cao nước thải của công ty CP dệt may
29.3- Đà Nẵng bằng phương pháp điện hóa với điện cực thép Ferosilic
theo phương án phân luồng dòng thải từ các máy nhuộm, xử lý cục bộ
bằng phương pháp keo tụ dùng PAC kết hợp với phương pháp điện
hóa. Dòng thải sau xử lý cục bộ bằng phương pháp điện hóa sẽ được
nhập chung với nước thải từ công đoạn keo tụ sẵn có để vào bể xử lý
sinh học trong hệ thống xử lý nước thải của công ty. Dòng thải đậm đặc
từ các máy nhuộm trước khi đưa vào xử lý cục bộ được pha loãng theo
tỷ lệ 1:1 bằng nước thải từ công đoạn giặt.
Như vậy, các kết quả nghiên cứu trên đã chứng minh được rằng
phương pháp điện hóa dùng điện cực thép Ferosilic có thể áp dụng
để xử lý nâng cao nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính nhằm xử lý

triệt để các chất ô nhiễm và và tăng tỷ lệ BOD5/ COD thuận lợi cho
khâu xử lý sinh học tiếp theo với chi phí năng lượng hợp lý.

24