Phân hủy chất màu hữu cơ bằng quá trình fenton dị thể với xúc tác chứa sắt tẩm trên chất mang carbon ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.96 MB, 113 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
----------
NGUYỄN ANH DŨNG
PHÂN HỦY CHẤT MÀU HỮU CƠ BẰNG QUÁ TRÌNH
FENTON DỊ THỂ VỚI XÚC TÁC CHỨA SẮT
TẨM TRÊN CHẤT MANG CARBON –
ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số ngành: 60520320
TP. HCM, tháng 03 năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
----------
NGUYỄN ANH DŨNG
PHÂN HỦY CHẤT MÀU HỮU CƠ BẰNG QUÁ TRÌNH
FENTON DỊ THỂ VỚI XÚC TÁC CHỨA SẮT
TẨM TRÊN CHẤT MANG CARBON –
ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số ngành: 60520320
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Hữu Thiện
TP. HCM, tháng 03 năm 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Hữu Thiện
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí
Minh, ngày tháng 13 năm 03 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
TT
Họ và tên
Chức danh Hội đồng
1
GS.TS. Hoàng Hưng
Chủ tịch
2
PGS.TS. Thái Văn Nam
Phản biện 1
3
TS. Nguyễn Quốc Bình
Phản biện 2
4
TS. Nguyễn Xuân Trường
Ủy viên
5
TS. Nguyễn Thị Phương
Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi luận văn đã được sửa chữa
(nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Anh Dũng
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 03/11/1978
Nơi sinh: Nghệ An
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
MSHV: 1541810003
I- Tên đề tài:
Phân hủy chất màu hữu cơ bằng quá trình Fenton dị thể với xúc tác chứa sắt tẩm trên
chất mang Carbon - Ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm
II- Nhiệm vụ và nội dung:
(1).
Tổng quan các tài liệu nghiên cứu.
(2).
Nghiên cứu chế tạo, khảo sát tính chất hoá lý của xúc tác chứa Fe trên chất
mang Carbon.
(3).
Đánh giá khả năng phân hủy màu của xanh methylen đối với hệ Fenton dị
xúc tác sắt trên than hoạt tính.
(4).
Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình phân hủy màu của xanh
methylen bằng hệ Fenton dị thể và khả năng tái sử dụng của vật liệu.
(5).
Thử nghiệm khả năng phân hủy chất màu hữu cơ trong mẫu nước thải dệt
nhuộm đối với hệ Fenton dị thể được nghiên cứu.
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ngày tháng
năm 2017
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. Phạm Hữu Thiện
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
TS. Phạm Hữu Thiện
PGS. TS. Thái Văn Nam
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)
Nguyễn Anh Dũng
ii
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này cho phép tôi gửi lời cảm ơn đến Trường
Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh và Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng TP. Hồ
Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực luận văn này. Đặc biệt, tôi xin cảm
ơn Thầy TS. Phạm Hữu Thiện đã trực tiếp hướng dẫn và làm cố vấn cho tôi trong
suốt thời gian thực hiện luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn
bè và người thân đã giúp đỡ và động viên tôi, giúp tôi vượt qua những khó khăn trong
suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Tuy nhiên, do thời gian thực hiện luận văn có hạn và những hạn chế về kinh
nghiệm, do đó các kết quả thực hiện luận văn này sẽ không tránh khỏi những thiếu
sót, hạn chế nhất định. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các quý
thầy, cô để giúp tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)
Nguyễn Anh Dũng
iii
TÓM TẮT
Mục tiêu của nghiên cứu này là ứng dụng kỹ thuật fenton dị thể một cách hiệu
quả trong phân hủy chất màu hữu cơ (methylen blue) và màu trong nước thải dệt
nhuộm tạo tiền đề và cơ sở khoa học cho các nghiên cứu khác trên cơ sở kỹ thuật
fenton dị thể. Thông qua các quá trình tổng hợp tài liệu, điều chế xúc tác sắt trên chất
mang than hoạt tính, nghiên cứu đặc trưng của xúc tác và bố trí thực nghiệm, nghiên
cứu đã (1) - Điều chế thành công xúc tác với hàm lượng Fe bổ sung từ 5 đến 25%
mang trên chất mang than hoạt tính từ than tre bằng phương pháp tẩm ướt; (2) - Phân
tích các đặc trưng lý hóa của xúc tác như: BET, TEM, SEM, IR... Kết quả cho thấy
xúc tác điều chế có cấu trúc xốp, pha hoạt động của sắt mang trên than là Fe2O3, pha
hoạt động này phân tán khá đồng đều trên bề mặt than; (3) - Các yếu tối ưu ảnh hương
đến quả trình hấp phụ như sau: pH = 3; hàm lượng H2O2 = 2 mL; nhiệt độ phản ứng
= 60oC; thời gian xử lý = 15 phút; nồng độ methylen blue = 50 ppm; hàm lượng xúc
tác = 0,2 g; dung lượng hấp phụ cục đại: Amax = 312,5 mg/g; quá trình hấp phụ
methylen blue tuân theo đường đẳng nhiệt Langmuir với hệ số R2 = 99,71%; (4) Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng tiến hành thử nghiệm khả năng xử lý của xúc tác trên
02 mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế tại Công ty TNHH Dệt Liên Châu và Công ty
TNHH Dệt Tường Long. Kết quả thử nghiệm cho thấy xúc tác có khả năng xử lý khá
triệt để một số các chỉ số ô nhiễm của nước thải dệt như mùi, COD, TOC và nồng độ
methylen blue giảm trên 60%.
iv
ABSTRACT
The objective of this study was to apply effective heterogeneous fenton fenton
technique in the decomposition of organic pigments (methylen blue) and dye in textile
wastewater to create a premise and scientific basis for other research based on
heterogeneous fenton technique. Through the processes of document synthesis,
preparing iron catalysts on on the carrier by activated carbon, studying the
characteristics of catalysts and arranging experiments, the study has (1) - successfully
prepared catalysts with iron content from 5 to 25% on activated carbon (produced
from bamboo) by wet impregnation; (2) - Analysis of chemical and physical
characteristics of catalysts such as BET, TEM, SEM, IR ... Results showed that
porous structure of catalysts, active phase of iron on activated carbon is Fe2O3 and
this phase is distributed fairly uniformly on the surface of activated carbon; (3) - The
optimum factors affect to the adsorption process as follows: pH = 3; H2O2 = 2 mL;
reaction temperature = 60oC; processing time = 15 minutes; methylen blue
concentration = 50 ppm; catalytic amount = 0.2 g; large adsorption capacity: A max =
312.5 mg/g; adsorption of methylene blue followed the Langmuir isothermal line
with R2 is 99.71%; (4) - In addition, the study also conducted the test processing
capacity of catalytic on two samples of textile wastewater at Lien Chau Textile Co.,
Ltd and Tuong Long Textile Co., Ltd. The results showed that the catalyst can
treatment some pollutants of textile wastewater such as odor, COD, TOC and
methylen blue decreased more than 60%.
v
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
TÓM TẮT ................................................................................................................ iii
ABSTRACT ............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................. ix
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. xi
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... xii
DANH MỤC ĐỒ THỊ ........................................................................................... xiv
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ......................................................................1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU................................................................................3
2.1. Mục tiêu tổng quát .......................................................................................3
2.2. Mục tiêu cụ thể .............................................................................................3
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...............................................................................4
4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ....................................................5
4.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................5
4.2. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................5
5. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI.....................................................................................5
5.1. Ý nghĩa khoa học .........................................................................................5
5.2. Ý nghĩa thực tiễn ..........................................................................................6
6. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI ...................................................................................6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................7
1.1. Quá trình Fenton ..........................................................................................7
1.1.1. Cơ sở lý thuyết ......................................................................................7
1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton .......................................12
vi
1.1.3. Ứng dụng của quá trình Fenton trong xử lý nước thải dệt nhuộm [12]
.......................................................................................................................14
1.2. Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm ............................................15
1.2.1. Phương pháp trung hòa, điều chỉnh pH ..............................................15
1.2.2. Phương pháp hấp phụ ..........................................................................15
1.2.3. Phương pháp màng..............................................................................16
1.2.4. Phương pháp sinh học .........................................................................16
1.2.5. Phương pháp đông keo tụ....................................................................16
1.2.6. Phương pháp dùng các chất oxy hoá mạnh .........................................17
1.2.7. Phương pháp oxy hoá nâng cao - hệ Fenton .......................................19
1.3. Giới thiệu về thuốc nhuộm (chất màu hữu cơ) và các hệ xúc tác trong xử lý
chất màu hữu cơ ................................................................................................22
1.3.1. Giới thiệu về ô nhiễm chất màu hữu cơ ..............................................22
1.3.2. Các hệ xúc tác trong xử lý chất màu hữu cơ .......................................26
1.4. Các nghiên cứu liên quan ...........................................................................33
1.4.1. Tình hình nghiên cứu và áp dụng các quá trình Fenton trên thế giới .33
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................35
1.5. Tổng quan về xúc tác .................................................................................37
1.5.1. Xúc tác trên chất mang........................................................................37
1.5.2. Phương pháp điều chế xúc tác trên chất mang ....................................38
CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....40
2.1. Nguyên nhiên liệu và dụng cụ, thiết bị thí nghiệm ....................................40
2.1.1. Nguyên, nhiên liệu ..............................................................................40
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm ............................................................40
2.2. Phương pháp nghiên cứu............................................................................41
2.2.1. Sơ đồ phương pháp nghiên cứu ..........................................................41
2.2.2. Điều chế xúc tác ..................................................................................43
2.2.3. Các phương pháp hoá lý nghiên cứu đặc trưng của xúc tác ...............45
vii
2.2.4. Phương pháp đánh giá hiệu quả phân hủy Methylen blue của vật liệu
.......................................................................................................................47
2.2.5. Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng phân hủy Methylen
blue của vật liệu xúc tác ................................................................................48
2.2.6. Phương pháp thử nghiệm khả năng phân hủy MB trên một số mẫu nước
thải thực tế .....................................................................................................50
2.2.7. Các phương pháp nghiên cứu phân tích và đánh giá hiệu quả xử lý ..50
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN..............................53
3.1. Điều chế xúc tác bằng phương pháp tẩm ướt.............................................53
3.2. Khảo sát cấu trúc và đặc trưng lý hóa của vật liệu ....................................53
3.2.1. Khảo sát diện tích bề mặt (BET) của than hoạt tính ...........................53
3.2.2. Ảnh SEM của than hoạt tính và hệ vật liệu xúc tác Fe/Than ..............54
3.2.3. Ảnh TEM của than hoạt tính và hệ vật liệu xúc tác Fe/Than .............56
3.2.4. Phổ hồng ngoại (FT-IR) của than hoạt tính và hệ vật liệu xúc tác
Fe/Than .........................................................................................................57
3.2.5. Giản đồ XRD của hệ vật liệu xúc tác Fe/Than ...................................60
3.3. Đánh giá hiệu quả xử lý Methylen blue của xúc tác ..................................62
3.4. Các điều kiện ảnh hưởng đến sự suy thoái của MB ...................................64
3.4.1. Ảnh hưởng của pH ..............................................................................64
3.4.2. Ảnh hưởng của liều lượng H2O2 .........................................................66
3.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ ......................................................................68
3.4.4. Ảnh hưởng của lượng xúc tác trong phân hủy Methylene Blue .........70
3.4.5. Ảnh hưởng của nồng độ Methylene Blue ban đầu ..............................72
3.4.6. Động học của quá trình xúc tác quang hóa trong phản ứng phân hủy
thuốc nhuộm ..................................................................................................74
3.5. Nhận xét chung ..........................................................................................78
3.6. Thử nghiệm khả năng phân hủy Methylen blue trên một số mẫu nước thải
thực tế ................................................................................................................80
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................82
viii
1. KẾT LUẬN .......................................................................................................82
2. KIẾN NGHỊ ......................................................................................................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................84
PHỤ LỤC ...................................................................................................................1
ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
STT Từ viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
1
BET
Brunauer-Emmett-Teller
Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp
phụ nitrogen
2
BOD
Biochemical Oxigen
Demand
Nhu cầu oxi hóa sinh học
3
COD
Chemical Oxygen Demand
Nhu cầu oxy hóa học
4
DO
Disolved Oxigen
Hàm lượng oxy hòa tan
5
EDX EDS
Phổ tán xạ năng lượng tia X
6
FT-IR
7
HR-TEM
8
IUPAC
Energy- Dispersive X-ray
Spectroscopy
Fourrier Transformation
InfraRed
High Resolution
Transmission Electron
Microscopy
International Union of
Pure Applied Chemistry
Liên minh quốc tế về Hóa học
thuần túy và Hóa học ứng dụng
9
MB
Methylen Blue
Màu Xanh Methylen
10
PVA
Polyvinyl Alcohol
Bột hóa chất công nghiệp
11
SEM
Scanning Electron
Microscope
Ảnh hiển vi điện tử quét
12
SS
Suspended Solids
Chất rắn huyền phù
13
TEM
Transmission Electron
Microscopy
Kính hiển vi điện tử truyền qua
14
TNHH
15
TOC
Total Organic Carbon
Tổng cacbon hữu cơ
16
TOD
Total Oxygen Demand
Nhu cầu oxy tổng cộng
17
TP.HCM
Phương pháp phổ hồng ngoại
Kính hiển vi điện tử truyền qua
phân giải cao
Trách nhiệm hữu hạn
Thành Phố Hồ Chí Minh
x
18
TPP
Trans-Pacific Partnership
Agreement
Hiệp định đối tác xuyên Thái
Bình Dương
19
TS
Total Solids
Tổng chất rắn
20
ThOD
Nhu cầu oxy lý thuyết
21
VCOSA
Theoretical Oxigen
Demand
Viet Nam Cotton &
Spinning Association
22
XRD
X-Ray Diffraction
Hiệp hội bông sợi Việt Nam
Nhiễu xạ Rơnghen
xi
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Cơ chế phản ứng của TiO2/graphen với Methylene blue ..........................28
Hình 1.2: Cơ chế phản ứng của ZnO với các chất hữu cơ ........................................30
Hình 1.3: Cơ chế phản ứng của Fe3O4/graphen với các chất hữu cơ ........................31
Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu chung ............................................................................42
Hình 2.2: Quy trình điều chế xúc tác Fe/Than ..........................................................43
Hình 2.3: Than hoạt tính trước và sau khi tẩm sắt ....................................................44
Hình 2.4: Thiết bị TOC Ultra xác định TOC ............................................................52
Hình 3.1: Than hoạt tính trước và sau khi tẩm sắt ....................................................53
Hình 3.11: Hình BET của mẫu than hoạt tính...........................................................54
Hình 3.2: Kết quả chụp ảnh SEM của than hoạt tính và xúc tác Fe/Than ở các tỉ lệ
khác nhau...................................................................................................................55
Hình 3.3: Kết quả chụp ảnh TEM của than hoạt tính và xúc tác Fe/Than ở các tỉ lệ
khác nhau...................................................................................................................57
Hình 3.4: Phổ hồng ngoại FT-IR của vật liệu 5%wt Fe/than....................................58
Hình 3.5: Phổ hồng ngoại FT-IR của vật liệu 10%wt Fe/than ..................................58
Hình 3.6: Phổ hồng ngoại FT-IR của vật liệu 15%wt Fe/than ..................................58
Hình 3.7: Phổ hồng ngoại FT-IR của vật liệu 20%wt Fe/than ..................................58
Hình 3.8: Phổ hồng ngoại FT-IR của than hoạt tính .................................................59
Hình 3.9: Ảnh chụp XRD của xúc tác 10%wt Fe/Than hoạt tính.............................60
Hình 3.10: Ảnh chụp XRD của xúc tác 20% wt Fe/than ..........................................60
xii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Khả năng oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa ......................................20
Bảng 1.2: Hằng số tốc độ phản ứng (M-1s-1) của gốc hydroxyl (•OH) so với Ozon .20
Bảng 1.3: Một số chất ô nhiễm trong nước và nước thải có thể xử lý bằng các quá
trình oxy hóa nâng cao ..............................................................................................21
Bảng 1.4: Bảng thống kê một vài nghiên cứu về TiO2/graphen ...............................27
Bảng 1.5: Bảng thống kê một vài nghiên cứu về oxit kim loại/graphen...................29
Bảng 1.6: Bảng thống kê một vài nghiên cứu về hỗn hợp oxit/graphen ...................33
Bảng 2.1: Thành phần điều chế xúc tác ở các tỉ lệ Fe/Than .....................................44
Bảng 2.2: Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen ............51
Bảng 3.1: Hiệu suất xử lý xanh methylene của các mẫu xúc tác ở các mốc thời gian
khác nhau...................................................................................................................62
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của pH đến quá trình xử lý Methylen blue của xúc tác ở các
mốc thời gian .............................................................................................................64
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của liều lượng H2O2 đến quá trình xử lý Methylen của xúc tác
...................................................................................................................................66
Bảng 3.4: Hiệu suất xử lý methylene ở các mốc nhiệt độ khác nhau .......................68
Bảng 3.5: Độ hấp thụ màu Abs của dung dịch xanh methylene trong thời gian xử lý
khi sử dụng lượng xúc tác khác nhau ........................................................................70
Bảng 3.6: Ảnh hưởng của nồng độ Methylen blue đến hiệu suất xử lý của xúc tác.72
Bảng 3.7: Xác định các thông số của đường đẳng nhiệt hấp phụ .............................74
Bảng 3.8: Các hằng số Langmuir và hệ số tương quan ............................................76
Bảng 3.9: Các hằng số Freundlich và hệ số tương quan ...........................................77
Bảng 3.10: Độ hấp phụ màu Methylen blue thực tế của xúc tác ..............................77
Bảng 3.11: Các thông số tối ưu của phần thực nghiệm ............................................79
Bảng 3.12: Kết quả xác định các chỉ tiêu của các mẫu nước thải .............................81
xiii
xiv
DANH MỤC ĐỒ THỊ
Đồ thị 2.1: Đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen .....................................52
Đồ thị 3.1: Hiệu quả xử lý Methylen blue của xúc tác ở các tỉ lệ khác nhau. ..........63
Đồ thị 3.2: Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý Methylen blue của xúc tác. .......65
Đồ thị 3.3: Ảnh hưởng của liều lượng H2O2 đến quá trình xử lý Methylen blue của
xúc tác. ......................................................................................................................67
Đồ thị 3.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu quả xử lý Methylen blue của
xúc tác. ......................................................................................................................69
Đồ thị 3.5: Ảnh hưởng của liều lượng xúc tác đến quá trình xử lý Methylen blue ở
các mốc thời gian khác nhau. ....................................................................................71
Đồ thị 3.6: Ảnh hưởng của nồng độ Methylen blue đến hiệu quả xử lý của xúc tác.
...................................................................................................................................73
Đồ thị 3.7: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. ..........................................75
Đồ thị 3.8: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich. ........................................76
Đồ thị 3.9: Đường hấp phụ theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir và thực tế. .....78
1
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Phát triển ngành dệt may trở thành “một trong những ngành công nghiệp mũi
nhọn, hướng về xuất khẩu và có khả năng đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước ngày
càng cao; tạo nhiều việc làm cho xã hội” nằm trong quy hoạch ngành dệt may đến
2020, tầm nhìn 2030 [1].
Sự phát triển của ngành dệt may Việt Nam đã tạo việc làm và thu nhập ổn định
cho khoảng 2,5 triệu lao động trực tiếp và gần 2 triệu lao động gián tiếp (thuộc các
ngành công nghiệp phụ trợ, kho bãi, vận chuyển…) [23]. Năm 2016, kim ngạch xuất
khẩu toàn ngành Dệt may Việt Nam ước đạt 28,3 tỷ USD và ước tính đạt 31 tỷ USD
trong năm 2017 [3]. Trong thời gian tới, khi nhiều hiệp định thương mại tự do, hiệp
định đối tác chiến lược xuyên Thái Bình Dương (TPP) được ký kết thì Dệt may (trong
đó có nhuộm) là một trong những ngành được hưởng lợi nhiều nhất vì vậy được chính
phủ đặc biệt quan tâm và ưu tiên đầu tư phát triển, nhất là cho xuất khẩu.
Bên cạnh những lợi ích mang lại thì ngành dệt may cũng là một trong những
ngành gây ô nhiễm môi trường đáng báo động. Với đặc thù sử dụng rất nhiều nước
và dây chuyền công nghệ phức tạp, bao gồm nhiều công đoạn sản xuất khác nhau nên
nước thải sau sản xuất dệt nhuộm rất đa dạng và phức tạp. Các chất ô nhiễm chủ yếu
có trong nước thải dệt nhuộm là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, thuốc nhuộm,
các chất hoạt động bề mặt, các hợp chất halogen hữu cơ, muối trung tính làm tăng
tổng hàm lượng chất rắn... [6]. Ngoài ra, nước thải dệt nhuộm còn chứa nhiều loại
hợp chất hữu cơ độc hại, đặc biệt là các công đoạn tẩy trắng và nhuộm màu. Nhiều
phẩm nhuộm có tính độc hại cao đối với môi trường sinh thái và con người, đặc biệt
là khả năng gây ung thư cho người sử dụng sản phẩm vì vậy đặt ra vấn đề nước thải
dệt nhuộm phải được xử lý nếu không sẽ gây mất mỹ quan, cản trở quá trình quang
hợp, làm giảm lượng oxy trong nước, gây ảnh hưởng trầm trọng đến môi trường, sinh
thái và đời sống của nhiều loài thủy sinh, động vật và con người.
2
Về cơ bản nước thải dệt nhuộm có thể được giải quyết bằng nhiều kỹ thuật khác
nhau, phổ biến là các kỹ thuật hóa lý như keo tụ, điện keo tụ, hấp phụ, màng; kỹ thuật
sinh học yếm khí, hiếu khí; các kỹ thuật hóa học như ozon hóa, oxy hóa tiên tiến…
Tuy nhiên, hiện nay các phương pháp và kỹ thuật xử lý nước thải truyền thống chưa
đem lại hiệu quả cao kèm theo đó là chi phí xử lý lớn. Hiện nay trong nhiều trường
hợp, các kỹ thuật oxy hóa tiên tiến (Quá trình Fenton) là giải pháp duy nhất để xử lý
(hoặc tiền xử lý), phân hủy phẩm màu trong nước thải bởi nhiều loại phẩm màu không
bị phân hủy sinh học, khó loại bỏ bằng kỹ thuật hóa lý thông thường.
Quá trình Fenton được phát triển đầu tiên bởi Fenton vào năm 1894. Quá trình
này được sử dụng để oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong nước với các tác chất là
H2O2và FeSO4, có khả năng oxy hóa triệt để không lựa chọn các hợp chất hữu cơ
(thuốc nhuộm) thành CO2 và H2O. Cơ sở khoa học của kỹ thuật Fenton là sử dụng
các kim loại có số oxy hóa thay đổi như Fe, Mn… làm xúc tác để tạo ra gốc hydroxyl
(•OH) có thế oxy hóa cao từ H2O2.
Fenton có 2 loại đó là Fenton đồng thể và Fenton dị thể, trong đó nhược điểm
quan trọng nhất của quá trình Fenton đồng thể là phải thực hiện ở pH thấp, sau khi
xử lý phải nâng pH lên >7 để tách các ion Fe3+ ra khỏi nước thải sau xử lý bằng nước
vôi hoặc dung dịch kiềm nhằm chuyển sang dạng keo Fe(OH)3 kết tủa, sau đó phải
qua thiết bị lắng hoặc lọc ép để tách bã keo Fe(OH)3, tạo ra một lượng bùn kết tủa
chứa rất nhiều sắt. Nhằm khắc phục nhược điểm trên, nhiều công trình nghiên cứu
thay thế bằng quặng sắt Goethite (-FeOOH), cát có chứa sắt, hoặc sắt trên chất mang
Fe/SiO2, Fe/TiO2, Fe/than hoạt tính, Fe/Zeolit… quá trình này xảy ra cũng giống như
quá trình Fenton đã khảo sát ở trên nên gọi là quá trình Fenton hệ dị thể.
Nghiên cứu này quan tâm đến việc chọn hướng nghiên cứu Fenton dị thể với
xúc tác chứa Fe trên chất mang Carbon (từ nguồn phụ phẩm nông nghiệp đã được
than hoạt tính) nhằm nâng cao hiệu quả phân hủy màu hữu cơ so với các phương pháp
xử lý màu truyền thống, hướng đến khả năng xử lý triệt để màu hữu cơ trong nước
thải; thể hiện được tính ưu việt so với kỹ thuật Fenton đồng thể (cũng có hiệu quả xử
lý màu hữu cơ rất cao) nhờ khả năng dễ thu hồi (có khả năng thu hồi bằng từ tính...)
3
và tái sử dụng xúc tác, có khả năng oxy hóa tốt chất màu hữu cơ ở khoảng pH rộng
(5 - 9) và gần như không tạo ra lượng bùn kết tủa Fe(OH)3 vì vậy giảm được chi phí
điều chỉnh pH và xử lý bùn lắng. Ngoài ra, nghiên cứu cũng cho thấy Carbon nói
chung hay Carbon được than hóa từ nguồn phụ phẩm nông nghiệp (lõi bắp, vỏ cà
phê…) nói riêng (gọi tắt là Carbon) là một loại vật liệu lọc và hấp phụ bề mặt rất tốt
được sử dụng phổ biến trong xử lý nước thải.
Chính vì thế, việc sử Carbon làm chất mang xúc tác chứa Fe trong kỹ thuật
Fenton dị thể hứa hẹn sẽ đem lại hiệu quả xử lý màu cao hơn so với phương pháp
Fenton dị thể trên chất mang khác do Carbon vừa đóng vai trò chất mang xúc tác vừa
có chức năng là chất hấp phụ bề mặt đối với màu hữu cơ trong nước thải. Trên cơ sở
những phân tích trên đây thì việc đi sâu nghiên cứu đề tài để tìm ra điều kiện phù hợp
nhất đối với quá trình phân hủy chất màu hữu cơ, chất màu trong nước thải dệt nhuộm
là rất cần thiết, mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu tổng quát
Nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật fenton dị thể một cách hiệu quả trong phân hủy
chất màu hữu cơ (methylen bue) và màu trong nước thải dệt nhuộm tạo tiền đề và cơ
sở khoa học cho các nghiên cứu khác trên cơ sở kỹ thuật fenton dị thể.
2.2. Mục tiêu cụ thể
-
Chế tạo các xúc tác chứa Fe (ở dạng oxyt hoặc muối) trên chất mang Carbon;
-
Nghiên cứu, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy màu của
xanh methylen từ hệ xúc tác Fenton dị thể với hệ xúc tác chứa Fe trên chất
mang Carbon và chất oxy hóa H2O2 (gọi tắt là hệ Fenton dị thể được nghiên
cứu) trong phòng thí nghiệm;
-
Thử nghiệm khả năng xử lý màu của hệ Fenton dị thể được nghiên cứu đối với
nước thải dệt nhuộm của Công ty TNHH Dệt Liên Châu và Công ty TNHH
Dệt Tường Long từ đó đánh giá hiệu quả xử lý;
4
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung 1: Tổng quan các tài liệu nghiên cứu
-
Quá trình Fenton;
-
Hiện trạng phát sinh và xử lý nước thải dệt nhuộm;
-
Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm;
-
Chất màu hữu cơ và phương pháp xử lý;
-
Các hệ xúc tác trong xử lý chất màu hữu cơ;
-
Các nghiên cứu liên quan.
Nội dung 2: Nghiên cứu chế tạo, khảo sát tính chất hoá lý của xúc tác chứa Fe
trên chất mang Carbon
-
Chế tạo các xúc tác chứa Fe với hàm lượng khác nhau (5, 10, 15, 20, 25%
Fe/Than) mang trên Carbon bằng phương pháp kết tủa định vị.
-
Khảo sát các đặc tính lý hoá cơ bản của chất xúc tác:
+ Xác định sự hình thành các nhóm chức, liên kết bằng phổ hồng ngoại FTIR.
+ Phân tích thành phần pha và cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ
tia X (XRD).
+ Diện tích bề mặt riêng được đo bằng phương pháp hấp thụ/giải hấp thụ N2
(BET) tại 77oK.
+ Phương pháp chụp ảnh SEM, TEM được sử dụng để xác định kích thước,
hình thái bề mặt.
Nội dung 3: Đánh giá khả năng phân hủy màu của xanh methylen đối với hệ
Fenton dị xúc tác sắt trên than hoạt tính
Nội dung 4: Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình phân hủy màu của
xanh methylen bằng hệ Fenton dị thể
-
Ảnh hưởng của pH;
-
Ảnh hưởng của nồng độ H2O2;
-
Ảnh hưởng của nhiệt độ;
-
Ảnh hưởng của lượng xúc tác trong quá trình phân hủy MB;
5
-
Ảnh hưởng của nồng độ MB;
Nội dung 5: Thử nghiệm khả năng phân hủy chất màu hữu cơ trong mẫu nước
thải dệt nhuộm đối với hệ Fenton dị thể được nghiên cứu
Thử nghiệm khả năng phân hủy chất màu hữu cơ trong mẫu nước thải dệt nhuộm
của Công ty Cổ phần Đầu tư Phước Long và Tổng Công ty Cổ phần Phong Phú trên
hệ Fenton dị thể được nghiên cứu
4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
4.1. Đối tượng nghiên cứu
-
Vật liệu than hoạt tính
-
Dung dịch xanh methylen
-
Mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế của công ty TNHH dệt Tường Long và công
ty TNHH dệt Liên Châu. Đây là những công ty chuyên về dệt nhuộm, có sử
dụng chất nhuộm màu là methylen blue và có lượng nước thải lớn trên địa bàn
Tỉnh Bình Dương. Tuy nhiên, điểm khác nhau giữa 02 công ty này là việc tồn
tại một hàm lượng khác nhau của methylen blue trong các mẫu nước thải nhằm
sao sánh khả năng xử lý của xúc tác đối với các mẫu nước thải chứa thuần
methylen blue hoặc nước thải chứa nhiều chất màu khác nhau. Cụ thể, mẫu
nước của công ty TNHH dệt Tường Long chứa chủ yếu là thuốc nhuộm
methylen blue còn đối với mẫu nước của công ty TNHH dệt Liên Châu chứa
nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
-
Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm Trung tâm thí nghiệm thuộc Viện Khoa
học Ứng dụng HUTECH.
-
Phạm vi thời gian: nghiên cứu tiến hành trong 06 tháng.
5. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
5.1. Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu này cho thấy một cách loại bỏ methylen blue mang tính khoa học
bên cạnh đó còn cung cấp các số liệu thực nghiệm ban đầu cho các nghiên cứu tiếp
6
theo về khả năng xử lý và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý methylen blue
của vật liệu than hoạt tính được biến tính với Fe.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Giúp các doanh nghiệp có thêm một lựa chọn mới trong việc sử dụng chất xúc
tác cho hiệu quả xử lý methylen blue cao trong thời gian xử lý rất ngắn.
6. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Hiện có nhiều nghiên cứu sử dụng chất xúc tác trên chất mang để xử lý methylen
blue trong hệ fenton tuy nhiên đối tượng nghiên cứu trên chất mang là than hoạt tính
tẩm Fe là hướng đi mới hiện nay, chưa có nhiều nghiên cứu thực hiện.
7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Quá trình Fenton
1.1.1. Cơ sở lý thuyết
Năm 1894 trong tạp chí của Hội hóa học Mỹ đã công bố nghiên cứu của tác giả
J.H.Fenton, trong đó ông quan sát thấy phản ứng oxi hóa của axit malic đã tăng mạnh
khi có mặt các ion sắt. Sau đó tổ hợp H2O2 và muối sắt Fe2+ đã được sử dụng làm tác
nhân oxi hóa rất hiệu quả cho nhiều đối tượng các chất hữu cơ và được mang tên “tác
nhân Fenton”. Quá trình Fenton ưu việt ở chỗ tác nhân H2O2 và muối sắt tương đối
rẻ và có sẵn, đồng thời không độc hại và dễ vận chuyển, dễ sử dụng trong khi hiệu
quả của oxi hóa nâng cao hơn rất nhiều so với chỉ sử dụng H2O2 độc lập. Áp dụng
quá trình Fenton để xử lý nước thải có thể dẫn đến khoáng hóa hoàn toàn các hữu cơ
thành CO2, H2O và các ion vô cơ.
1.1.1.1. Quá trình Fenton đồng thể
Thông thường quá trình oxi hóa Fenton đồng thể gồm 4 giai đoạn:
-
Điều chỉnh pH cho phù hợp;
-
Phản ứng oxi hóa: Trong giai đoạn phản ứng oxi hóa xảy ra sự hình thành
gốc tự do *OH hoạt tính và phản ứng oxi hóa chất hữu cơ. Cơ chế hình thành
gốc tự do *OH sẽ được xét cụ thể sau. Gốc tự do *OH hình thành sẽ tham gia
vào phản ứng oxi hóa các hợp chất hữu cơ có trong nước cần xử lý, chuyển
chất hữu cơ từ dạng cao phân tử thành các chất hữu cơ có khối lượng phân tử
thấp.
-
Trung hòa và keo tụ: Sau khi xảy ra quá trình oxi hóa cần nâng pH dung dịch
lên > 7 để thực hiện kết tủa Fe3+ mới hình thành. Kết tủa Fe(OH)3 mới hình
thành sẽ thực hiện các cơ chế keo tụ, đông tụ, hấp thụ một phần các chất hữu
cơ chủ yếu là các chất hữu cơ cao phân tử.
-
Quá trình lắng: Các bông keo sau khi hình thành sẽ lắng xuống khiến làm
giảm COD, màu, mùi trong nước thải. Sau quá trình lắng, các chất hữu cơ còn
lại (nếu có) trong nước thải chủ yếu là các chất hữu cơ có khối lượng phân tử
