(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xử lý Cr(VI) trong nước bằng phương pháp keo tụ điện hóa

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
––––––––––––––––––––––––

NGUYỄN NGỌC TUẤN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ Cr(VI) TRONG NƯỚC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
––––––––––––––––––––––––

NGUYỄN NGỌC TUẤN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ Cr(VI) TRONG NƯỚC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 8.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ĐÌNH VINH

THÁI NGUYÊN - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả khảo sát và nghiên cứu chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nghiên
cứu khoa học nào.

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2019
Tác giả
Nguyễn Ngọc Tuấn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi đã
nhận được sự động viên, giúp đỡ quý báu của nhiều đơn vị và cá nhân. Đầu tiên, tôi
xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến quý Thầy Cô tham gia giảng dạy lớp Hóa học
khóa 11, quý Thầy Cô công tác tại Phòng Sau Đại học Trường Đại học Khoa học - Đại
học Thái Nguyên.
Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến TS. Nguyễn Đình Vinh, người
đã hết lòng giúp đỡ và hướng dẫn tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình chuẩn bị, nghiên

cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ của các bạn bè đồng nghiệp, gia đình, người thân
đã giúp đỡ tôi rất nhiều khi thực hiện luận văn này.
Dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện, song chắc chắn rằng luận văn
này sẽ không thể tránh khỏi thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự góp ý của quý Thầy
Cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn được bổ sung hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2019
Tác giả
Nguyễn Ngọc Tuấn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................... a
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................. c
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ d
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................... 2
1.1. Giới thiệu chung về phương pháp keo tụ điện hóa .................................... 2
1.1.1. Cơ sở lý thuyết ........................................................................................ 2
1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng.............................................................................. 7
1.1.3. Ứng dụng ............................................................................................... 13
1.2. Nguồn phát thải và độc tính của Cr(VI) ................................................... 14
1.2.1. Nguồn phát thải ..................................................................................... 14
1.2.2. Độc tính ................................................................................................. 15
1.3. Xử lý Cr(VI) bằng phương pháp keo tụ điện hóa .................................... 16

1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................ 16
1.3.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ..................................................... 17
1.4. Các phương pháp nghiên cứu................................................................... 18
1.4.1. Phương pháp UV-Vis ............................................................................ 18
1.4.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X .................................................................. 20
1.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ............................................. 22
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................... 23
2.1. Hóa chất.................................................................................................... 23
2.2. Thiết bị ..................................................................................................... 23
2.2. Chế tạo thiết bị EC ................................................................................... 23
2.2.1. Chế tạo điện cực .................................................................................... 23
2.2.2. Chế tạo bể phản ứng .............................................................................. 23
2.2.3. Lắp đặt thiết bị EC ................................................................................ 23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




2.3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý Cr(VI) bằng EC ...... 24
2.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ dòng điện và thời gian .................. 24
2.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH ............................................................. 25
2.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của chất điện li ................................................ 25
2.3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu ............................ 25
2.3.5. Nghiên cứu xử lý mẫu nước tổng hợp .................................................. 25
2.4. Các phương pháp phân tích ...................................................................... 26
2.4.1. Phương pháp hân tích hàm lượng Cr(VI) ............................................. 26
2.4.2. Phân tích cặn sau xử lý.......................................................................... 30
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 30
3.1. Kết quả xây dựng và đánh giá đường chuẩn ............................................ 30
3.1.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn ............................................................ 31

3.1.2. Kết quả đánh giá độ tin cậy của đường chuẩn ...................................... 32
3.2. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện và thời gian ........................................ 35
3.3. Ảnh hưởng của pH ................................................................................... 38
3.4. Ảnh hưởng của chất điện li ...................................................................... 39
3.5. Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu ................................................. 42
3.6. Kết quả xử lý mẫu nước tổng hợp............................................................ 43
3.7. Cấu trúc của cặn bùn sau xử lý ................................................................ 44
KẾT LUẬN .................................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 48

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Các quá trình xảy ra trong phương pháp EC .................................... 3
Hình 1.2. Cơ chế chính của quá trình EC ......................................................... 4
Hình 1.3. Đơn điện cực song song (a), nối tiếp (b); điện cực đôi mắc nối
tiếp (c)............................................................................................ 10
Hình 1.4. Mô hình lắp đặt EC: hệ bể (a); hệ liên tục (b) (1-bể nước; 2-bơm; 3nhánh vào ngăn đầu tiên; 4-điện cực; 5-ngăn đầu; 6-bùn; 7-ngăn
thứ 2; 8- tách bùn; 9-nhánh đã xử lý; 10-bể nước qua xử lý; 11cửa xả nước; 12-máy khuấy............................................................ 12
Hình 1.5. Minh họa về mặt hình học định luật nhiễu xạ Bragg. .................... 21
Hình 2.1. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm: nguồn điện (1); máy khuấy từ (2); anot
(3); catot (4) ................................................................................... 24
Hình 3.1. Đường chuẩn xác định hàm lượng Cr(VI) trong nước ................... 32
Hình 3.2. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến hiệu xuất xử lý Cr(VI) ....... 36
Hình 3.3. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến hiệu xuất dòng điện ........... 37
Hình 3.4. Ảnh hưởng của pH ban đầu đến hiệu suất xử lý Cr(VI) ................. 38
Hình 3.5. Ảnh hưởng của chất điện li đến hiệu suất xử lý Cr(VI) .................. 40

Hình 3.6. Ảnh hưởng của nòng độ NaCl hiệu suất xử lý Cr(VI) .................... 41
Hình 3.7. Sự biến đổi của hiệu suất và khối lượng Cr xử lý theo nồng độ
ban đầu của Cr(VI) ........................................................................ 42
Hình 3.8. Kết quả xử lý mẫu thực ................................................................... 44
Hình 3.9. Giản đồ XRD của cặn bùn sau xử lý ............................................... 45
Hình 3.10. Ảnh SEM của cặn bùn sau xử lý ................................................... 45

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Hằng số cân bằng và thế khử của các phản ứng với điện cực sắt .... 6
Bảng 2.1. Thành phần hóa học và điều kiện xử lý mẫu nước thải .................. 26
Bảng 2.2. Phương pháp đánh giá độ đúng ...................................................... 28
Bảng 2.3. Các thí nghiệm kiểm tra độ chính xác của đường chuẩn ............... 29
Bảng 3.1. Độ hấp thụ quang của dãy dung dịch chuẩn ................................... 31
Bảng 3.2. Kết quả đo độ hấp thụ quang và kết quả tính độ chệch ở các
nồng độ khác nhau......................................................................... 33
Bảng 3.3. Thí nghiệm đánh giá độ chụm và kết quả tính sai số tương đối..... 34
Bảng 3.4. Kết quá đánh giá đường chuẩn bằng thực nghiệm ......................... 35

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Ký hiệu

Tên đầy dủ

EC

Keo tụ điện hóa

UV-Vis

Tử ngoại khả kiển

SEM

Hiển vi điện tử quét

XRD

Nhiễu xạ tia X

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp là sự ô nhiễm nguồn nước
gây ra bởi các dòng nước thải tại các khu công nghiêp. Trong đó, vấn đề ô nhiễm
kim loại nặng đang ngày một trầm trọng và việc nghiên cứu xử lý chúng là một vấn
đề cấp bách nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe của con người.

Nước thải của các ngành công nghiệp mạ có chứa nhiều kim loại nặng
như Cr, Ni, Cu, Zn… trong đó Cr chủ yếu tồn tại ở dạng ion Cr(VI). Các ion
Cr(VI) có độc tính cao và rất linh động. Do vậy việc xử lý ion Cr(VI) được
nhiều nhà khoa học quan tâm. Để xử lý ion Cr(VI) có nhiều phương pháp như
phương pháp hóa học, phương pháp sinh học, điện hóa và hấp phụ. Trong đó
phương pháp điện hóa tỏ ra là một phương pháp hiệu quả và thân thiện môi
trường. Bởi vì, xử lý theo phương pháp này không cần sử dụng thêm hóa chất,
lượng chất ô nhiễm thứ cấp thấp và phù hợp với nhiều nguồn nước.
Công nghệ keo tụ điện hóa được nghiên cứu và áp dụng để xử lý các
nguồn nước khác nhau như thước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt, nước
ngầm…ở Việt Nam như trên thế giới.
Tuy nhiên việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp keo tụ điện hóa
(electrocoagulation, EC) để xử lý nguồn nước thải có chứa ion Cr(VI) còn chưa
được nghiên cứu nhiều. Do vậy, nội dung nghiên cứu của luận văn "Nghiên cứu
xử lý Cr(VI) trong nước bằng phương pháp keo tụ điện hóa" có nhiều ý nghĩa
về mặt khoa học và thực tiễn.
Nội dung của luận văn tập trung vào các nội dung sau:
1. Xây dựng và đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của đường chuẩn
trong phương pháp phân tích Cr(VI) theo TCVN 7939 : 2008.
2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý Cr(VI) bằng
công nghệ EC nhằm tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý.
3. Thử nghiệm xử lý mẫu thực có thành phần tương tự như nước thải của
ngành công nghiệp mạ.
4. Đánh giá sơ bộ về cặn bùn sinh ra trong quá trình EC.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu chung về phương pháp keo tụ điện hóa
1.1.1. Cơ sở lý thuyết
Phương pháp keo tụ điện hóa (electrocoagulation, EC) có thể được sử
dụng để xử lý nước uống hoặc nước thải. EC bao gồm quá trình tạo ra các chất
keo tụ tại chỗ (in situ) bằng quá trình oxi hóa bằng dòng diện. Trong quá trình
này, anot bị tan dần thành các ion và các ion này bị thủy phân trong nước để
tạo thành các chất keo tụ như các hydroxit và các ion. Al và Fe là vật liệu phổ
biến nhất được dùng làm điện cực bởi vì chúng có nhiều ưu điểm như rất phổ
biến, giá thành rẻ, ít độc, hiệu quả cao trong việc làm sạch nước. Hơn nữa, catot
cũng có vai trò làm sạch nước như phân hủy các chất hoặc làm nổi các chất
bẩn do bọt khí H2 sinh ra. Thông thường, anot và catot được làm từ cùng một
loại vật liệu mặc dù quá trình hòa tan điện hóa chỉ xảy ra tại anot. EC có thể
được thực hiện trong bể hoặc bằng quá trình liên tục [1] .
Keo tụ điện hóa gồm nhiều cơ chế khác nhau như điện hóa (hòa tan kim
loại, khử nước, oxi hóa chất ô nhiễm...), hóa học (cân bằng axit bazơ, kết tủa
hydroxit, oxi hóa khử...) và vật lý (hấp phụ vật lý, keo tụ, tuyển nổi...). Các quá
trình này có thể xảy ra theo thứ tự hoặc đồng thời [2].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 1.1. Các quá trình xảy ra trong phương pháp EC
Trong quá trình EC, các chất keo tụ được tạo ra do anot bị hòa tan dưới
tác dụng của dòng điện. Các phản ứng như sau:
+ Tại anot, kim loại bị oxi hóa tạo thành cation:
M → Mz+ +zeTrong trường hợp hiệu điện thế lớn có thể xảy ra các phản ứng khác như
oxi hóa nước, clorua...
+ Tại catot, nước bị khử để tạo thành H2 và OH-:

3

3H2O + 3e → H2 +3OH- E=0.00V
2

Lượng kim loại bị hòa tan tại anot có thể được tính theo công thức
Faraday:
m = ΦItM/ZF (1.1)
Trong đó, M là nguyên tử khối, F hằng số Faraday, I cường độ dòng điện,
t thời gian, Φ hiệu suất dòng điện
Ion kim loại sinh ra có thể trải qua nhiều cân bằng như axit-bazơ, tạo
phức, kết tủa, oxi hóa khử. Tuy nhiên, quá trình phổ biến nhất là sự hình thành
hydroxit ít tan. Hệ quả là các chất bẩn bị hấp phụ bởi các hydroxit và lắng
xuống dưới [3].
+ Đối với quá trình tạo phức, chất ô nhiễm có thể đóng vai trò như phối
tử liên kết với hydroxit kim loại:
L-H + (OH)OFe → L-OFe +H2O
L-H + (OH)(OH)2Al → L-(OH)2Al +H2O
+ Đối với quá trình oxi hóa khử điện hóa: các chất ô nhiễm như Cr(VI)
bị khử về Cr(III) và kết tủa ở dạng hydroxit, các ion nitrat bị khử tạo thành
nitrit, amoniac và nito.
+ Đối với quá trình hấp phụ: các chất ô nhiễm được hấp phụ trực tiếp tại
điện cực.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Oxi hóa hoặc khử bởi
dòng điện

Hấp phụ trên

Kết tủa
Đồng kết tủa

các chất kết
Chất ô nhiễm

Hấp phụ trên
các điện cực

Phản ứng hóa
học
Tương tác vật Lý

Hình 1.2. Cơ chế chính của quá trình EC
* Điện cực nhôm
Đối với điện cực nhôm sẽ xảy ra quá trình oxi hóa ở anot theo các phương
trình sau:
+ Anot tan (Al tại anot bị oxi hóa)
𝐴𝑙 → 𝐴𝑙 3+ + 3𝑒
+ Sự hình thành các tiểu phân polyme (hydroxyl)
𝐴𝑙 3+ + 𝐻2 𝑂  𝐴𝑙(𝑂𝐻)2+ + 𝐻+
+
𝐴𝑙(𝑂𝐻)2+ + 𝐻2 𝑂  𝐴𝑙(𝑂𝐻)+
2 + 𝐻
+
𝐴𝑙(𝑂𝐻)+
2 + 𝐻2 𝑂  𝐴𝑙(𝑂𝐻)3 + 𝐻
+

𝐴𝑙(𝑂𝐻)3 + 𝐻2 𝑂  Al(OH)−
4 + 𝐻

Al tồn tại chủ yếu ở dạng cation khi pH<4, ở dạng aluminat anion khi
pH>10 và ở dạng kết tủa khi 4Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




cũng đã được tìm thấy. Lượng axit sinh ra trong quá trình thủy phân sẽ được
trung hòa bởi ion OH- sinh ra tại catot làm dung dịch cuối cùng có PH=7-8. Sản
phẩm cuối cùng của quá trình thủy phân là các hydroxit nhôm ở dạng vô định
hình với diện tích bề mặt lớn dẫn đến việc hấp thụ các chất tan lớn và khả năng
bắt giữ các hạt lơ lửng cao [4].
Phản ứng thứ hai có thể xảy ra tại điện cực do tương tác của nhôm với
axit hoặc kiềm:
2Al + 6H+ → 2Al3+ + 3H2
2Al + 6H2O + 2OH- → 2Al(OH)-4 + 3H2
Hệ quả là lượng nhôm bị hòa tan trong quá trình EC lớn hơn so với việc
tính toán từ công thức Faraday.
Vấn đề quan trọng của quá trình EC là sự thụ động hóa của catot dẫn đến
sự tiêu tốn năng lượng. Điều này có thể giảm thiểu bằng cách tối ưu hóa dòng
điện hoặc thêm NaCl. Ion clorua sẽ thúc đẩy quá trình ăn mòn tạo lỗ do sự
tương tác của ion clorua với nhôm oxit. Quá trình ăn mòn phụ thuộc vào pH,
nồng độ và bản chất điện ly và mật độ dòng điện. Quá trình ăn mòn tạo lỗ trống
này có ảnh hưởng đến tổng lượng hòa tan của nhôm tại anot [5].
* Điện cực sắt
Các phản ứng xảy ra trong quá trình EC với điện cực sắt phức tạp hơn so
với điện cực nhôm bởi vì sắt có thể hình thành ion Fe2+ và Fe3+. Các ion này

thủy phân trong nước và hình thành nhiều tiểu phân khác nhau như được trình
bày trong bảng 1.1.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Bảng 1.1. Hằng số cân bằng và thế khử của các phản ứng với điện cực sắt
Phản ứng

Hằng số CB, pK

+
+
𝐹𝑒 2+
(𝑎𝑞) + 𝐻2 𝑂  𝐹𝑒(𝑂𝐻)(𝑎𝑞) + 𝐻(𝑎𝑞)

9.397

2+
+
𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 2𝐻2 𝑂  𝐹𝑒(𝑂𝐻)2 (𝑎𝑞) + 2𝐻(𝑎𝑞)

20.494

2+
+
𝐹𝑒(𝑎𝑞)

+ 2𝐻2 𝑂  𝐹𝑒(𝑂𝐻)2 (𝑆) + 2𝐻(𝑎𝑞)

13.564

2+
+
𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 3𝐻2 𝑂  𝐹𝑒(𝑂𝐻)−
3 (𝑎𝑞) + 3𝐻(𝑎𝑞)

28.991

3+
+
𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 𝐻2 𝑂  𝐹𝑒(𝑂𝐻)+(𝑎𝑞) + 𝐻(𝑎𝑞)

2.187

3+
+
𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 2𝐻2 𝑂  𝐹𝑒(𝑂𝐻)+
2 (𝑎𝑞) + 2𝐻(𝑎𝑞)

4.594

3+
+
𝐹𝑒(𝑎𝑞)

+ 3𝐻2 𝑂  𝐹𝑒(𝑂𝐻)2 (𝑎𝑞) + 3𝐻(𝑎𝑞)

12.56

2+
3+
+
𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 2𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 8𝐻2 𝑂  𝐹𝑒3 (𝑂𝐻)8 (𝑆) + 8𝐻(𝑎𝑞)

20.222

3+
+
𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 2𝐻2 𝑂  αFeO(OH)(s) + 3𝐻(𝑎𝑞)

0.491

3+
+
𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 2𝐻2 𝑂  γFeO(OH)(s) + 3𝐻(𝑎𝑞)

1.371

3+
𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 4𝐻2 𝑂  Fe(𝑂𝐻)−

4

(𝑎𝑞)

+
+ 4𝐻(𝑎𝑞)

21.588

3+
+
2𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 2𝐻2 𝑂 𝐹𝑒2 (𝑂𝐻)4+
2 (𝑎𝑞) + 2𝐻(𝑎𝑞)

13.771

3+
+
3𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 4𝐻2 𝑂 𝐹𝑒3 (𝑂𝐻)5+
4 (𝑎𝑞) + 4𝐻(𝑎𝑞)

6.228

Phản ứng

E° (V)

2+

𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 2e  𝐹𝑒(𝑆)

-0.41

3+
𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 3e  𝐹𝑒(𝑆)

-0.04

3+
2+
𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 1e  𝐹𝑒(𝑎𝑞)

+0.77

Mặc dù chưa có sự thống nhất, nhưng phần lớn các nghiên cứu đều cho
rằng quá trình oxi hóa anot tạo ra ion Fe(II) là chủ yếu, còn ion Fe(III) là không
đáng kể. Quá trình oxi hóa Fe(II) thành Fe(III) phụ thuộc nhiều vào pH dung
dịch và lượng oxi hòa tan. Trong môi trường axit, Fe(II) bị oxi hóa rất chậm
trong khi đó nó chuyển ngay thành Fe(III) trong môi trường trung tính hoặc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




kiềm. Điều này dẫn đến việc tính toán lý thuyết lượng sắt bị hòa tan không phù
hợp với thực tế. Ở pH thấp, các quá trình xảy ra tương tự với điện cực nhôm

còn ở pH cao hiệu suất hòa tan điện cực giảm xuống do xuất hiện nhiều phản
ứng thứ cấp. Sản phẩm cuối cùng của của quá trình này là kết tủa sắt(III)
hydroxit có khả năng hấp phụ các chất hòa tan và lôi kéo các hạt lơ lửng [6,7].
* Hai sự khác biệt lớn giữa điện cực Fe so với điện cực Al đó là: điện
cực Fe tạo hệ đệm yếu hơn so với điện cực Al làm cho dung dịch có tính axit;
ion Fe(II) có độ tan cao nên khó khăn trong việc làm bền hệ keo làm giảm hiệu
quả của quá trình EC. Hệ quả là cần phải tối ưu hóa quá trình EC khi sử dụng
điện cực sắt bằng các phương pháp sau:
+ Tăng hàm lượng oxi hòa tan trong dung dịch bằng sục khí.
+ Tăng pH của dung dịch >7.5 để thúc đẩy quá trình oxi hóa Fe(II).
+ Thêm các chất oxi hóa khác như clo hoặc thêm điện cực.
+ Tăng thời gian tiếp xúc để oxi hóa hoàn toàn Fe(II).
* Ưu điểm của điện cực sắt:
+ Không độc, có thể sử dụng cho nhiều loại nước khác nhau.
+ Giá thành rẻ.
1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình EC bao gồm dòng
điện, đặc trưng của nước (pH, độ dẫn điện), cấu tạo của hệ thống EC (bề mặt
điện cực, khoảng cách giữa các điện cực).
1.1.2.1. Ảnh hưởng của dòng điện
Dòng điện I là yếu tố quan trọng của EC và thường được quy về mật độ
dòng điện i đó là điện lượng trên một đơn vị diện tích bề mặt điện cực. Mật độ
dòng quyết định lượng chất keo tụ ở anot và lượng H 2 giải phóng ra ở canot
theo định luật Faraday. Mật độ dòng điện ảnh hưởng đến sự thủy phân của ion
kim loại qua sự thay đổi pH trong quá trình EC. Do đó, dòng điện ảnh hưởng
trực tiếp đến cơ chế đông keo tụ và tạo thuận lợi cho việc chuyển điện tích của
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

các ion và tích điện cho hệ keo. Lượng điện tiêu thụ trong quá trình EC là một
hàm số phụ thuộc vào thời gian [2,8]:
𝑡

P=∫0 𝑈. 𝐼. 𝑑𝑡 (1.2)
Vì năng lượng điện cần thiết cho quá trình EC liên quan đến dòng điện
và điện thế, EC có thể được điều khiển theo chế độ galvanostatic hoặc
potentiostatic. Đối với chế độ galvanostatic, quá trình EC được thực hiên bằng
việc điều khiển hoặc biến đổi dòng điện qua điện cực, trong khi đó chế độ
potentiostatic hiệu điện thế được điều chỉnh để đạt được lượng chất keo tụ mong
muốn. Chế độ potentiostatic hiếm khi được sử dụng trong quá trình EC.
Tuy nhiên, dòng điện cao có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của
quá trình EC. Ví dụ, các phản ứng thứ cấp có thể xảy ra, điện tích của hệ keo
bị đảo ngược và tái phân tán dẫn đến sự giảm hiệu quả keo tụ và giảm tuổi thọ
của điện cực. Mật độ dòng điện có thể biến đổi tùy thuộc vào bản chất và nồng
độ chất ô nhiễm có thể từ 0.01 đến 880 A/m2. Việc tối ưu hóa mật độ dòng cần
được xem xét cùng với các yếu tố khác. Để hệ EC hoạt động lâu dài mật độ
dòng nên nằm trong khoảng từ 20 đến 25 A/m2. Mật độ dòng cao có thể làm
tăng thế và sự tụt điện trở ôm giữa anot và catot[4,9].
1.1.2.2. Ảnh hưởng của pH
pH là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình EC, đặc biệt đối
với quá trình keo tụ bởi vì nó điều khiển quá trình thủy phân của ion kim loại.
Hấp phụ và keo tụ phụ thuộc nhiều vào giá trị pH. Điện tích bề mặt của kết tủa
Fe hoặc Al có thể giải thích bởi sự hấp phụ các tiểu phân mang điện lên bề mặt
hydroxit. Xét đến điện tích bề mặt, sự phụ thuộc vào pH của các tiểu phân keo
tụ và chất ô nhiểm có thể bởi do tương tác tĩnh điện. Vai trò quan trọng của pH
đến quá trình EC có thể được nhấn mạnh bởi nhiệt động học liên quan đến điện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

hóa được thể hiện qua phương trình Nernst. Đối với điện cực Al, lượng kết tủa
hydroxit tăng mạnh khi pH tăng từ 4.5 đến 7.0 và giảm xuống từ trong khoảng
pH từ 7-10. Ở pH cao hơn không thấy có sự xuất hiện của nhôm hydroxit. Đối
với điện cực sắt, lượng kết tủa sắt hydroxit tăng đáng kể với việc pH tăng từ
4.0 đến 7.0. Ở pH cao hơn thì kết tủa biến mất [3,5].
Một điều đáng chú ý là sau quá trình EC pH của nước có thể tăng đối với
nguồn nước có tính axit và giảm đối với nguồn nước có tính bazơ. Việc tăng
pH trong môi trường axit là bởi sự hình thành khí H2 tại catot trong khi đó sự
giảm pH do sự hình thành kết tủa hydroxit.
1.1.2.3. Ảnh hưởng của cấu trúc và điện cực của quá trình EC
Quá trình EC có thể bị ảnh hưởng bởi hệ thống điện cực thông qua sự
sắp xếp và khoảng cách giữa chúng. Sự sắp xếp điện cực có thể đơn giản hoặc
phức tạp. Sự sắp đặt phức tạp có thể phân chia thành đơn cực và lượng cực.
+ Điện cực đơn được mắc song song như hình 1.3a là sự sắp xếp xen kẽ
giữa anot và catot. Mỗi cặp điện cực sẽ hình thành một tế bào điện phân và thế của
chúng là như nhau. Do đó dòng điện sẽ là tổng dòng điện của các tế bào.
+ Điện cực đơn mắc nối tiếp như được mô tả trong hình 1.3b. Cặp điện
cực hy sinh sẽ được nối với nhau và không nối với hai điện cực phía ngoài.
Trong trường hợp này dòng điện chạy qua các cặp là như nhau và thế của hệ là
tổng thế của các cặp điện cực.
+ Điện cực đơn mắc nối tiếp được trình bày trong hình 1.3c. Hai điện
cực phía ngoài nối trực tiếp với nguồn điện và các điện cực hy sinh được dặt
giữa chúng. Điện cực phía ngoài là đơn cực còn điện cực hy sinh là lưỡng cực.
Các điện cực đôi không được nối với nhau và mỗi mặt của chúng sẽ tự động
đóng vai trò là anot và catot [10].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Hình 1.3. Đơn điện cực song song (a), nối tiếp (b);
điện cực đôi mắc nối tiếp (c)
Nhìn chung, hệ điện cực đơn yêu cầu điện thế thấp và mật độ dòng cao,
hệ lưỡng cực thì ngược lại. Khó có thể khẳng định cách sắp xếp nào ưu việt
hơn. Nếu xét về hiệu xuất của EC thì hệ lượng cực có hiệu suất cao hơn nhưng
nếu xét về mức tiêu thụ năng lượng thì hệ đơn cực tiêu thụ ít hơn, dễ vẫn hành
hơn. Do đó việc lựa chọn cách sắp xếp nào cần dựa trên giá thành vận hành của
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




hệ thống. Bên cạnh điện cực phổ biến là hình chữ nhật, thì cũng có những điện
cực với các hình dạng khác nhau như hình trụ, hình đĩa. Điện cực có thể được
lắp đặt theo phương thẳng đứng hoặc nằm ngang [10,11].
Sự tụt thế tăng lên khi khoảng cách giữa các điện cực tăng. Do vậy, sự
tiêu thụ năng lượng sẽ giảm với sự giảm khoảng cách giữa các điện cực. Khi
các điện cực gần nhau hơn, nhiều bọt khí sẽ được sinh ra làm tăng thủy động
học dẫn đến việc chuyển khối và tốc độ tương tác giữa chất keo tụ và chất ô
nhiễm tăng. Hơn nữa, khoảng cách giữa các điện cực quyết định đến thời gian
lưu giữa anot và catot trong hệ liên tục và thời gian cho hệ xử lý để đạt đến hiệu
quả mong muốn. Đối với hệ phức tạp, khoảng cách giữa các điện cực sẽ xác
định số lượng điện cực trong một đơn vị thiết bị.
1.2.2.4. Ảnh hưởng của thiết kế bể phản ứng
Việc thiết kế thiết bị phản ứng là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng đến
sự vận hành chung của quá trình EC thông qua sự ảnh hưởng của nó đến các
thông số như tốc độ dòng chảy, sự hình thành keo, hiệu quả xử lý và đặc tính

nổi/chìm. Thiết bị EC được thiết kế cần đạt một số tiêu chí quan trọng, chủ yếu
là phương thức vận hành và mục đích cần đạt được. Theo các tài liệu thì việc
thiết kế thiết bị EC được chia thành ba kiểu. Đầu tiên đó là thiết bị được thiết
kế như hệ bể liên tục. Đối với kiểu thiết kế này nước được cung cấp liên tục
cho thiết bị. Kiểu thứ hai là thiết kế phân tách các chất bẩn keo tụ và kiểu cuối
cùng thiết kế hình học của điện cực. Trong thực tế, điện cực hình chữ nhật là
phổ biến nhất. Thiết kế phổ biến cho thiết bị là hệ hở với các điện cực được sắp
xếp thẳng đứng như hình 4. Với việc hở ở phía trên sẽ khiến cho việc vận hành
và bảo dưỡng được dễ dàng hơn. Các điện cực được lắp song song và cách đều
nhau [9,10].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Nguồn điện DC

Nguồn điện DC

Máy đo pH

Hình 1.4. Mô hình lắp đặt EC: hệ bể (a); hệ liên tục (b) (1-bể nước; 2-bơm; 3nhánh vào ngăn đầu tiên; 4-điện cực; 5-ngăn đầu; 6-bùn; 7-ngăn thứ 2; 8- tách
bùn; 9-nhánh đã xử lý; 10-bể nước qua xử lý; 11-cửa xả nước; 12-máy khuấy
Bên cạnh cách bố trí và khoảng cách giữa các điện cực, thể tích làm việc
( tỉ lệ diện tích điện cực/thể tích A/V) cũng được quan tâm. Tỉ lệ này là thông
số quan trọng khi muốn nâng quy mô thiết bị. Thông thường tỉ lệ này trong
khoảng từ 15 đến 45 m2/m3. Tăng tỉ lệ A/V sẽ làm giảm thời gian phản ứng và
cường độ dòng điện. Khi diện tích điện cực đủ cao thì thông số quan trọng là tỉ
lệ mật độ dòng I/V. Thông số này là sự kết hợp giữa mật độ dòng và A/V và
quyết định được chất keo tụ được hình thành theo công thức:

𝐶=

𝑀.𝐼.𝑡
𝑍.𝐹.𝑉

. 𝑡 (1.3)

Trong đó C và V lần lượt là nồng độ ion kim loại và thể thích thiết bị.
Đối với hệ liên tục, thể tích thiết bị cho phép xác định thời gian lưu của dòng
chảy và từ đó lượng chất keo tụ có thể được xác định.
Dạng hình học của thiết bị thường là hình trụ, hình hộp... có ảnh hưởng
không đáng kể đến sự hoạt động của EC. Ngoài ra, thiết bị còn có dạng hình
bậc thang tuy nhiên hiếm gặp [10].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




1.2.2.5. Ảnh hưởng của độ dẫn điện của nước
Mật độ dòng điện phụ thuộc nhiều vào độ dẫn và độ mạnh ion của dung
dịch. Mật độ dòng tăng khi độ dẫn điện tăng. Độ dẫn điện tăng cũng làm giảm
thời gian xử lý, do đó sẽ làm giảm sự tiêu thụ năng lượng. NaCl thường được
sử dụng để tăng độ dẫn điện. Ion clorua sẽ góp phần làm giảm tác dụng không
mong muốn của các anion khác, giảm sự kết tủa của cacbonat trên bề mặt điện
cực [12]. Khi mật độ dòng điện lớn, ion clorua có thể bị oxi hóa thành các hợp
chất chứa clo có tác dụng oxi hóa các chất hữu cơ, hợp chất chứa sắt và diệt
khuẩn. Để đảm bảo cho việc hoạt động của thiết bị EC, lượng ion clorua nên
chiếm 20% tổng lượng anion. Tuy nhiên, nhiên việc tăng độ dẫn điện bằng
NaCl cần tuân theo một số tiêu chuẩn nhất định. Tùy thuộc vào mục đích sử

dụng của nước sau khi xử lý để lực chọn tiêu chuẩn phù hợp [4].
1.1.3. Ứng dụng
Công nghệ EC được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng xử các
chất độc hại trong dung dịch nước như các kim loại nặng, các chất hữu cơ, các
hợp chất chứa nitơ, photpho.... Việc loại bỏ hợp chất chứa photpho ra khỏi dung
dịch nước bằng phương pháp EC thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà
khoa học. Iredemez và cộng sự [13] nghiên cứu loại bỏ photphat ra khỏi nước
bằng công nghệ EC với điện cực bằng nhôm. Kết quả cho thấy ở điều kiện tối
ưu 100% ion phốt phat bị loại bỏ. Trong nghiên cứu [14], tác giả sử dụng điện
cực nhôm và sắt trong việc loại bỏ photphat bằng phương pháp EC và thấy rằng
nồng độ ion phốt phat giảm từ 27 mg/l trước xử lý xuống còn 0,1mg/l sau xử
lý. Ngoài ra, kết quả còn cho thấy khi sử dụng điện cực bằng sắt thì quá trình
kết tủa là chủ yếu, còn điện cực bằng nhôm thì xảy ra cả sự hấp phụ và kết tủa.
Ứng dụng công nghệ EC trong việc loại bỏ ion photphat cũng được đưa ra trong
các nghiên cứu [15–17], các kết quả thu được từ các nghiên cứu này đều cho
thấy ion photphat có thể được loại bỏ với hiệu suất cao bằng phương pháp xử
lý này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Việc xử lý các hợp chất hữu cơ như các hợp chất phenol, các loại phẩm
nhuộm bằng công nghệ EC cũng được đề cập đến trong một số nghiên cứu
[18,19]. Các kết quả đều cho thấy tính hiệu quả của phương pháp này và hứa
hẹn đây sẽ là một phương pháp hiệu quả trong xử lý nước.
Trong những năm gần đây việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời
thay cho nguồn năng lượng hóa thạch đang trở thành xu hướng tất yếu. Hussin
và cộng sự [20] đã phát triển hệ thống xử lý nước bằng theo công nghệ EC với
việc sử dụng nguồn điện từ năng lượng mặt trời. Kết quả cho thấy phương pháp

này có thể loại trừ 99% chì ra khỏi dung dịch nước sau 10 phút xử lý với một
lượng nhỏ bùn sinh ra. Trong nghiên cứu [21], nhóm tác giả đã sử phương pháp
EC dựa trên nguồn năng lượng mặt trời để xử lý các chất phẩm nhuộm trong
nước thải và thấy rằng trong điều kiện tối ưu có thể loại trừ gần như hoàn toàn
phẩm nhuộm ra khỏi nguồn nước.
1.2. Nguồn phát thải và độc tính của Cr(VI)
1.2.1. Nguồn phát thải
Ô nhiễm môi trường bởi các kim loại nặng là một vấn đề lớn trong nhiều
ngành sản xuất công nghiệp ở Việt Nam. Nước thải của các ngành công nghiệp
khai khoáng, mạ điện, pin, acqui chứa nhiều ion kim loại nặng như Pb, Cd,
Cr… với nồng độ cao từ vài mg đến vài trăm mg/l. Bên cạnh đó, nước thải từ
các hoạt động tái chế kim loại ở các làng nghề cũng chứa nhiều ion kim loại.
Tuy nhiên, các dòng thải này hầu như đều thải trực tiếp ra môi trường mà không
qua quy trình xử lí nào gây nguy hại cho môi trường.
Trong nước thải crom có thể tồn tại ở dạng Cr(III) và Cr(VI) trong đó
dạng Cr(VI) có độ linh động cao hơn và khó xử lý hơn. Crom chủ yếu tồn tại
trong nước thải của nhiều ngành công nghiệp, trong đó nước thải của các ngành
như thuộc da, phẩm màu có hàm lượng crom rất cao. Đặc biệt, nồng độ Cr(VI)
trong nước thải của ngành mạ kim loại có nồng độ rất lớn trên 30 mg/l. Do đó
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




việc xử lý nước thải của các ngành này là một vấn đề cấp bách đối với nhiều
quốc gia trong đó có Việt Nam.
1.2.2. Độc tính
Trong nước, crom tồn tại hai dạng Cr(III) và Cr(IV). Nhìn chung, sự hấp
thụ của crom vào cơ thể con người tuỳ thuộc vào trạng thái oxi hoá của nó.
Cr(VI) hấp thụ qua dạ dày, ruột nhiều hơn Cr(III) (mức độ hấp thụ qua đường

ruột tuỳ thuộc vào dạng hợp chất mà nó sẽ hấp thu) và còn có thể thấm qua
màng tế bào. Nếu Cr(III) chỉ hấp thu 1% thì lượng hấp thu của Cr(VI) lên tới
50%. Tỷ lệ hấp thu qua phổi không xác định được, mặc dù một lượng đáng kể
đọng lại trong phổi và phổi là một trong những bộ phận chứa nhiều crom nhất.
Crom xâm nhập vào cơ thể theo ba con đường: hô hấp, tiêu hoá và khi tiếp xúc
trực tiếp với da. Con đường xâm nhập, đào thải crom ở cơ thể người chủ yếu
qua con đường thức ăn, Cr(VI) đi vào cơ thể dễ gây biến chứng, tác động lên
tế bào, lên mô tạo ra sự phát triển tế bào không nhân, gây ung thư, tuy nhiên
với hàm lượng cao crom làm kết tủa các protein, các axit nucleic và ức chế hệ
thống men cơ bản. Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất kỳ con đường nào crom
cũng được hoà tan vào trong máu ở nồng độ 0,001mg/l; sau đó chúng chuyển
vào hồng cầu và hoà tan nhanh trong hồng cầu nhanh 10 ÷ 20 lần, từ hồng cầu
crom chuyển vào các tổ chức phủ tạng, được giữ lại ở phổi, xương, thận, gan, phần
còn lại chuyển qua nước tiểu. Từ các cơ quan phủ tạng crom hoà tan dần vào máu,
rồi đào thải qua nước tiểu từ vài tháng đến vài năm. Các nghiên cứu cho thấy con
người hấp thụ Cr(VI) nhiều hơn Cr(III) nhưng độc tính của Cr(VI) lại cao hơn
Cr(III) gấp khoảng 100 lần [22].
Nước thải sinh hoạt có thể chứa lượng crom tới 0,7 µg/ml mà chủ yếu ở
dạng Cr(VI) có độc tính với nhiều loại động vật có vú. Cr(VI) dù chỉ một lượng
nhỏ cũng có thể gây độc đối với con người. Nếu crom có nồng độ lớn hơn giá
trị 0,1 mg/l gây rối loạn sức khoẻ như nôn mửa…Khi thâm nhập vào cơ thể nó

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




liên kết với các nhóm –SH trong enzim và làm mất hoạt tính của enzim gây ra
rất nhiều bệnh đối với con người [23].
Crom và các hợp chất của crom chủ yếu gây các bệnh ngoài da. Bề mặt

da là bộ phận dễ bị ảnh hưởng. Niêm mạc mũi dễ bị loét. Phần sụn của vách
mũi dễ bị thủng. Khi da tiếp xúc trực tiếp vào dung dịch Cr(VI), chỗ tiếp xúc
dễ bị nổi phồng và loét sâu, có thể bị loét đến xương. Khi Cr(VI) xâm nhập vào
cơ thể qua da, nó kết hợp với protein tạo thành phản ứng kháng nguyên. Kháng
thể gây hiện tượng dị ứng, bệnh tái phát. Khi tiếp xúc trở lại, bệnh sẽ tiến triển
nếu không được cách ly và sẽ trở thành tràm hoá [24].
Khi crom xâm nhập theo đường hô hấp dễ dẫn tới bệnh viêm yết hầu,
viêm phế quản, viêm thanh quản do niêm mạc bị kích thích (sinh ngứa mũi, hắt
hơi, chảy nước mũi. Hơi CrO3 gây bỏng nghiêm trọng cho hệ thống hô hấp của
người bị thấm nhiễm [22,23].
Nhiễm độc crom có thể bị ung thư phổi, ung thư gan, loét da, viêm da tiếp
xúc, xuất hiện mụn cơm, viêm gan, thủng vách ngăn giữa hai lá mía, ung thư phổi,
viêm thận, đau răng, tiêu hoá kém, gây độc cho hệ thần kinh và tim [23,24]
Người ta thấy rằng các công nhân làm việc trong các nhà máy sản xuất
màu crom có nồng độ Cr(VI) là 0,05 mg/m3 có khả năng liên quan đến ung thư
phổi cao hơn người bình thường 44 lần. Nghiên cứu những người công nhân
làm việc ở nhà máy sản xuất chất màu cũng cho thấy những người công nhân
làm việc 2 năm thì khả năng mắc bệnh cao hơn 1,6 lần và nếu 10 năm thì khả
năng này là 1,9 lần so với người bình thường [24].
1.3. Xử lý Cr(VI) bằng phương pháp keo tụ điện hóa
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Việc sử dụng công nghệ EC trong xử lý Cr(VI) được nhiều nhà khoa học
trên thế giới quan tâm nghiên cứu do hiệu quả xử lý cao và ít tốn kém. Trong
nghiên cứu [25] các tác giả sử dụng phương pháp EC để loại bỏ các ion như
Zn2+, Cu2+ và Cr(VI) ra khỏi nước thải và thấy rằng trong một thời gian ngắn,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN