Khảo sát hoạt tính xúc tác của nước phèn trong xử lý nước thải dệt nhuộm

Journal of Science – 2014, Vol. 4 (3), 109 – 113 An Giang University 109 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA NƯỚC PHÈN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM Nguyễn Trung Thành 1 , Nguyễn Hồng Nhật 2 1 TS. Khoa Kỹ thuật-Công nghệ & Môi trường, Trường Đại học An Giang 2 Khoa Kỹ thuật-Công nghệ & Môi trường, Trường Đại học An Giang Thông tin chung: Ngày nhận bài: 30/06/14 Ngày nhận kết quả bình duyệt: 05/09/14 Ngày chấp nhận đăng: 22/10/14 Title: An investigation on the catalytic activity of the iron alum-water in textile wastewater treatment Từ khóa: Hệ Fenton, nồng độ xúc tác sắt thấp, nước phèn, nước thải dệt nhuộm Keywords: Fenton system, iron alum- water, low concentration of iron catalyst, textile wastewater ABSTRACT Iron alum-water is natural water with a high concentration of metal ions and presents itself almost everywhere in the environment. In this study, the catalyst function of iron alum-water is investigated in the H2O2/iron alum-water system toward the textile wastewater treatment. The experimental results show that the H2O2/iron alum-water system is more advantageous than that of Fenton system with the same concentration of iron catalyst in textile wastewater treatment. For example, for H2O2/iron alum-water system activity, it can highly decrease COD of wastewater from 12000 mgO2/L down to 490 mgO2/L at pH ~2.0; 0.2 mL of H2O2 in 24 hours of reaction time; for Fe2SO4/H2O2 system, wastewater COD was in low reduction under the same experimental conditions and iron catalyst concentration. The higher pH conditions (pH ≈ 5.0), the H2O2/iron alum-water system activity has still been in stability I do not understand; while the Fe2SO4/H2O2 system activity is decreased in the same experimental conditions. This study shows that there are many advantages of iron alum-water in environmental treatment, including re-use of wastewater in environmental treatment application, no-use (or less use) of chemicals, and no-sludge after the treatment. TÓM TẮT Nước phèn là nước tự nhiên có nồng độ ion kim loại cao và có mặt khắp nơi trong tự nhiên. Trong nghiên cứu này, nước phèn được sử dụng với vai trò là xúc tác trong hệ tác chất H2O2/nước phèn để xử lý nước thải dệt nhuộm. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ tác chất H2O2/nước phèn có nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệ oxy hoá cổ điển - hệ Fenton. Trong nghiên cứu này, chúng tôi nhận được kết quả rất thú vị đó là hệ H2O2/nước phèn có thể xử lý nước thải dệt nhuộm (COD đầu vào ~ 12000 mgO2/L) có thể giảm COD rất nhiều (COD đầu ra ~490 mgO2/L) ở điều kiện pH ~ 2,0; 0,2 mL H2O2 và thời gian thực hiện 24 giờ ; trong khi đó, hệ H2O2/Fe2SO4 lại cho hiệu quả thấp hơn ở cùng điều kiện thí nghiệm và cùng nồng độ xúc tác ion sắt. Ở các điều kiện thí nghiệm với pH cao hơn (pH ≈ 5.0), hệ H2O2/nước phèn vẫn giữ hoạt tính ổn định; trong khi đó hoạt tính của hệ H2O2/Fe2SO4 giảm ở cùng điều kiện thí nghiệm. Nghiên cứu này đã thỏa mãn các mong đợi trong xử lý môi trường như sử dụng các chất thải để xử lý môi trường, hạn chế sử dụng hóa chất, không tạo chất thải rắn (bùn từ quá trình kết tủa xúc tác sắt). 1. GIỚI THIỆU Trong các ngành sản xuất thì ngành dệt nhuộm là một trong các ngành sử dụng nhiều nước, do đó lưu lượng nước thải khá lớn và dòng thải có chứa nhiều chất gây ô nhiễm nên cần phải xử lý trước khi thải ra môi trường (như: thuốc nhuộm, hóa chất phụ gia được sử dụng trong quá trình Journal of Science – 2014, Vol. 4 (3), 109 – 113 An Giang University 110 nhuộm). Để xử lý loại nước thải này, quá trình oxy hóa nâng cao được sử dụng rất phổ biến, trong đó hệ Fenton cổ điển được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Vào năm 2005, tác giả K. Barbusiński đã công bố kết quả nghiên cứu khả năng làm giảm độ màu của nước thải dệt nhuộm bằng hệ Fenton, hay nghiên cứu của hai tác giả là Ganesan.R, và Thanasekaran.K được công bố năm 2011 về khả năng giảm độ màu trong nước thải dệt nhuộm bằng hệ Fenton/quang học. Tại Việt Nam, hai tác giả là Trần Mạnh Trí, Trần Mạnh Trung đã công bố kết quả nghiên cứu quá trình oxy hóa nâng cao trong xử lý nước và nước thải vào năm 2005, và đến năm 2010, tác giả Nguyễn Văn Phước và Võ Chí Cường đã công bố nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý COD khó phân hủy sinh học trong nước rác bằng phản ứng Fenton. Đối với nghiên cứu này, các thí nghiệm được tiến hành nhằm chứng minh khả năng xúc tác của nước phèn trong hệ H2O2/nước phèn (tương tự như hệ Fenton cổ điển với nồng độ xúc tác sắt thấp) để giảm giá trị COD của nước thải dệt nhuộm, và tận dụng nguồn tác chất tự nhiên là nước phèn bề mặt với vai trò là xúc tác trong hệ H2O2/nước phèn thay cho xúc tác nhân tạo. Nước phèn bề mặt được hình thành từ quá trình rửa trôi phèn từ đất vào ao, hồ đầm lầy hay từ quá trình mao dẫn khoáng halotrichite lên mặt đất. Tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long thì đất phèn chiếm một diện tích khá lớn (63,4 % trên tổng 2,4 triệu ha diện tích nhóm đất mặn và đất phèn, hàm lượng Fe 3+ khoảng 10,78 mg/100 g đất, hàm lượng Al 3+ khoảng 4,28 mg/100 g đất (Hồ Quang Đức và cs., 2011). Do đó trong nước phèn bề mặt thì hàm lượng của các ion kim loại này cũng tương đối cao (hàm lượng sắt tổng khoảng 25 ppm, nhôm tổng vào khoảng 8,5 ppm (Lương Thị Kiều Trinh, 2013) rất phù hợp với yêu cầu nghiên cứu. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu nghiên cứu Nước tự nhiên nhiễm phèn: được thu trực tiếp từ các đầm lầy tại xã Tân Tuyến, huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang (lấy mẫu, bảo quản và lọc mẫu được tiến hành theo TCVN 6663-1:2011(Bộ Khoa học và Công nghệ [BKHCN], 2011) và TCVN 6663- 3:2008 (BKHCN, 2008). Nước thải dệt nhuộm: được lấy tại một cơ sở dệt nhuộm thuộc thị xã Tân Châu, tỉnh An Giang. Nước thải được lọc và lưu trữ ở nhiệt độ 4 o C theo TCVN 6663-1:2011(BKHCN, 2011) và TCVN 6663-3:2008 (BKHCN, 2008). 2.2 Phương pháp phân tích: Chất lượng nước tự nhiên nhiễm phèn: (chủ yếu là hàm lượng các ion sắt và các ion khác có hàm lượng thấp) được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử với máy ICP. Chất lượng nước thải dệt nhuộm và đánh giá hiệu quả hoạt tính xúc tác của nước phèn: được đánh giá thông qua chỉ tiêu COD (chỉ số COD được xác định theo TCVN 6491 - 1999 (Bộ Khoa học, Công Nghệ và Môi trường, 1999). 2.3 Bố trí thí nghiệm Các thí nghiệm trong nghiên cứu được thực hiện theo mẻ và tiến hành như sau: Hỗn hợp phản ứng gồm có 100 mL nước thải; 0,2 mL dung dịch H2O2 (30 % thể tích); một lượng nước phèn thích hợp (lượng nước phèn có thể tích thay đổi từ 0  5,0 mL với bước nhảy 0,5 mL) được khuấy trộn và điều chỉnh đến pH  2. Sau đó hỗn hợp phản ứng được giữ ổn định (không khuấy trộn) trong suốt quá trình phản ứng. Đến một khoảng thời gian thích hợp thì thu và phân tích mẫu để đánh giá hiệu quả xúc tác của nước phèn đối với việc giảm COD của nước thải. Các yếu tố như thể tích của nước phèn và thời gian xử lý ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý được quan tâm trong nghiên cứu này. Đối với thí nghiệm đối chứng, chúng tôi sử dụng dung dịch muối sắt (II) – FeSO4, có cùng nồng độ với nồng độ ion sắt trong nước phèn. Thí nghiệm được tiến hành giống như thí nghiệm của nước phèn; tuy nhiên ở đây chỉ thay thế nước phèn sắt bằng dung dịch muối Sắt (II) có cùng thể tích. (Lưu ý rằng, trong nghiên cứu này mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần). 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thành phần hóa học cơ bản của nước phèn và chất lượng nước thải dệt nhuộm Trong các nghiên cứu về hệ Fenton và khả năng phân hủy H2O2 cho thấy rằng các ion sắt và kim loại nặng giữ vai trò xúc tác quan trọng (Đào Sỹ Đức và cs., 2009; Trần Mạnh Trí và Trần Mạnh Trung, 2004). Do đó, trong nghiên cứu này, sự có mặt và hàm lượng của các ion kim loại có trong nước phèn được đặc biệt chú ý đến. Từ kết quả Journal of Science – 2014, Vol. 4 (3), 109 – 113 An Giang University 111 phân tích (Bảng 1), cho thấy rằng thành phần hóa học cơ bản của nước phèn khá đa dạng, đặc biệt là các ion sắt chiếm tỷ lệ cao nhất trong thành phần nước phèn (≈ 25,20 ppm). Đồng thời, giá trị COD của nước phèn cũng được xác định là 35 mgO2/L. Đối với nước thải dệt nhuộm, chúng tôi chỉ quan tâm đến chỉ số COD; vì đây là chỉ tiêu đặc trưng và quan trọng nhất đối với nước thải loại này. Giá trị COD đầu vào của nước thải được xác định là 12.000 mgO2/L (và pH ≈ 5,5). Bảng 1. Thành phần hóa học cơ bản của nước phèn. STT Ion kim loại Nồng độ (ppm) 1 Sắt 25,20 2 Nhôm 8,50 3 Đồng 0,95 4 Silic 6,00 3.2 Vai trò xúc tác của nước phèn Trong nghiên cứu này, để bỏ qua ảnh hưởng của quá trình pha loãng của nước thải bởi nước phèn, các thí nghiệm đã được tiến hành với một lượng nước phèn có thể tích  5 mL. Ảnh hưởng của thể tích nước phèn đến giá trị COD của nước thải được thể hiện trong Bảng 2. Từ các số liệu thực nghiệm được thể hiện trong Bảng 2, cho thấy rằng ảnh hưởng của giá trị COD của nước thải sau khi thêm nước phèn (thể tích nước phèn thêm vào từ 0,0 đến 5,0 mL) có ảnh hưởng nhỏ và không đáng kể, do đó có thể bỏ qua để việc đánh giá kết quả dễ dàng hơn. Bảng 2. Sự thay đổi giá trị COD của nước thải dệt nhuộm khi pha loãng bởi nước phèn Thể tích nước phèn (mL) Thể tích nước thải dệt nhuộm (mL) COD (mgO2/L) Giảm COD của nước thải (%) 0,0 100,0 12.000  10 0,00 1,0 100,0 12.000  13 0,00 2,0 100,0 11.994  07 0,05 3,0 100,0 11.990  11 0,08 4,0 100,0 11.970  06 0,25 5,0 100,0 11.950  14 0,42 3.2.1 Ảnh hưởng thể tích nước phèn - xúc tác đến hiệu quả xử lý COD của nước thải và so sánh khả năng cùng với muối sắt (II) Sau khi các thí nghiệm khảo sát khả năng xúc tác của nước phèn sắt trong hệ H2O2/nước phèn đã được tiến hành như đã mô tả trong phần thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm trong Hình 2 cho thấy rằng giá trị COD của nước thải đều giảm theo thời gian phản ứng. Điều này có thể kết luận rằng khả năng xúc tác của nước phèn đã được thể hiện và hiệu quả giảm COD đối với nước thải sẽ được nâng cao đối với các thí nghiệm ứng với thể tích xúc tác (nước phèn) càng cao. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, thể tích nước phèn chỉ được sử dụng ở mức cao nhất là 5 mL. Điều này được lý giải như sau: thể tích nước phèn cao (> 5 mL) sẽ ảnh hưởng đến việc đánh giá chính xác hoạt tính xúc tác của nước phèn (bởi quá trình pha loãng khi cho nước phèn vào nước thải); tránh làm thay đổi thành phần cơ bản của nước thải dệt nhuộm và không cần keo tụ tách xúc tác sắt ra khỏi hỗn hợp sau xử lý. Nhưng với hàm lượng xúc tác thấp, quá trình xử lý sẽ diễn ra dài hơn (thời gian kéo dài đến 24 giờ và hiệu quả giảm COD nước thải là 96 % ứng với thể tích nước phèn được sử dụng là 5 mL). Điều này giống với các nghiên cứu trước đây trên hệ Fenton trong các quá trình xử lý nước thải (Nguyễn Văn Phước và Võ Chí Cường, 2010; Trần Mạnh Trí và Trần Mạnh Trung, 2004). Journal of Science – 2014, Vol. 4 (3), 109 – 113 An Giang University 112 3.2.2 So sánh khả năng xúc tác của nước phèn và xúc tác sắt trong hệ Fenton Để so sánh khả năng xúc tác của hệ H2O2/nước phèn và hệ H2O2/Fe 2+ (hệ Fenton cổ điển với nồng độ xúc tác thấp) các thí nghiệm được thực hiện có điều kiện giống nhau và nồng độ Fe 2+ sử dụng là giống nhau đối với cả hệ H2O2/Fe 2+ và H2O2/nước phèn. Từ các kết quả thí nghiệm thể hiện trong Hình 3 cho thấy rằng các đường cong thể hiện sự giảm COD của nước thải theo thời gian của hệ H2O2/nước phèn và H2O2/Fe 2+ tương thích nhau khá cao. Điều này có thể kết luận rằng vai trò xúc tác của nước phèn thì được thực hiện chủ yếu bởi ion sắt. Do vậy hệ H2O2/nước phèn và hệ H2O2/Fe 2+ có thể có ứng xử giống nhau trong xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước thải tại điều kiện thí nghiệm pH = 2 Bảng 3. So sánh hoạt tính của hệ H2O2/nước phèn và hệ H2O2/Fe 2+ trong xử lý nước thải dệt nhuộm ở điều kiện pH khác nhau Giá trị pH Giá trị COD (mgO2/L) H2O2/nước phèn H2O2/Fe 2+ 2,0 490 ± 11 520 ± 09 4,0 720 ± 13 1012 ± 14 5,0 780 ± 05 5427 ± 05 7,0 4205 ± 09 10460 ± 09 Tuy nhiên, khi tiến hành các điều kiện thí nghiệm có giá trị pH > 2, kết quả thực nghiệm ở Bảng 3 cho thấy rằng hoạt tính của cả hai hệ đều giảm đối với các thí nghiệm có giá trị pH càng tăng. Điều này rất phù hợp so với các kết quả thực nghiệm từ các nghiên cứu trước đây về hệ tác chất Fenton (Đào Sỹ Đức & cs., 2009). Điều này có thể là do quá trình hydrat hóa các ion sắt trong nước được diễn ra thuận lợi hơn ở pH cao; kéo theo là hiệu quả xúc tác/xử lý nước thải giảm (Đào Sỹ Dức và Vũ Thế Ninh, 2013). Đặc biệt, khi thực hiện các thí nghiệm có pH cao, hiệu quả xúc tác của hệ H2O2/Fe 2+ giảm nhanh hơn so với hệ H2O2/nước phèn. Điều này có thể là do sự khác biệt về thành phần hóa học giữa dung dịch Fe 2+ và nước phèn. Trong nước phèn ngoài sự hiện diện của các cấu tử sắt thì các cấu tử khác như nhôm, đồng, silic cũng đã tìm thấy (Bảng 1). Dựa lý thuyết và các nghiên cứu trước đây thì quá trình phân hủy H2O2 có thể thực hiện bởi các xúc tác đồng thể (là các ion kim loại nặng như xúc tác Cu 2+ ; Co 2+ và Fe 3+ ,...) (Nguyễn Văn Phước và Võ Chí Cường, 2010; Trần Mạnh Trí và Trần Mạnh Trung, 2004). Do đó, sự hiện diện của các cấu tử này cũng đóng vai trò xúc tác rất tốt trong quá trình phân hủy H2O2 tạo các sản phẩm có khả năng oxi hóa (như oxi nguyên tử, OH * ) để thực hiện quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nước thải ở các điều kiện pH > 2. 4. KẾT LUẬN Từ các kết quả thí nghiệm thu được chúng tôi có một số kết luận như sau: Hoạt tính xúc tác của nước phèn trong hệ H2O2/nước phèn đã được chứng minh. Hệ tác chất H2O2/nước phèn có khả năng xử lý môi trường rất tốt. Tuy nhiên, quá trình xử lý được tiến hành trong một khoảng thời gian khá dài, điều này là do nồng độ của xúc tác thấp. Cụ thể là hệ H2O2/nước phèn có thể giảm giá trị COD của nước thải dệt nhuộm từ 12000 xuống 490 mgO2/L sau thời gian 24 giờ ở điều kiện pH = 2; thể tích nước phèn là 5 mL. Hình 1. Ảnh hưởng thể tích nước phèn đến giá trị COD của nước thải theo thời gian Hình 2. Hiệu quả giảm COD của nước thải của hệ H2O2/nước phèn và hệ H2O2/Fe 2+ Journal of Science – 2014, Vol. 4 (3), 109 – 113 An Giang University 113 Ngoài ra, hệ H2O2/nước phèn có khả năng hoạt động ổn định ở các điều kiện pH ≤ 5,0. Điều này có ý nghĩa kinh tế rất lớn (giảm lượng acid và xút để chỉnh pH). Thêm vào đó, nồng độ ion sắt trong dung dịch thấp, do vậy không nhất thiết phải thực hiện quá trình keo tụ sắt. Đây là sự vượt trội so với hệ H2O2/Fe 2+ (hoặc hệ Fenton cổ điển). TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Khoa học và Công nghệ. (2008). TCVN 6663- 3:2008 - Chất lượng nước - Lấy mẫu - Phần 3: Hướng dẫn bảo quản và xử lý mẫu. Bộ Khoa học và Công nghệ. (2011). TCVN 6663- 1:2011 - Chất lượng nước - Lấy mẫu - Phần 1: Hướng dẫn lập chương trình lấy mẫu và kỹ thuật lấy mẫu. Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường. (1999). TCVN 6491:1999 - Chất lượng nước. Xác định nhu cầu oxy hoá học. Đào Sỹ Đức, Nguyễn Đắc Vinh, Đỗ Thị Hồng Nhung, Hoàng Văn Hà, & Đỗ Quang Trung. (2009). Nghiên cứu xử lý phẩm nhuộm Reactive Blue 161 bằng kỹ thuật oxy hóa tiên tiến sử dụng phản ứng Fenton. Tạp chí Hóa học, 47 (2A): 48-53. Đào Sỹ Đức & Vũ Thế Ninh. (2013). Phân hủy phẩm nhuộm Reactive blue182 bằng kỹ thuật Fenton dị thể sử dụng tro bay biến tính/H2O2. Tạp chí Phát triển Khoa học & Công nghệ, tập 16, số T3: 13-21. Ganesan.R, & Thanasekaran.K. (2011). Decolourisation of textile dyeing Wastewater by modified solar PhotoFenton Oxidation. International Journal of Environmental Sciences, 1, (6), 1168-1176. Hồ Quang Đức, Nguyễn Văn Đạo, Trương Xuân Cường & Lê Thị Mỹ Hảo. (2011). Đánh giá sự biến động đất mặn và đất phèn vùng Đồng bằng sông Cửu Long sau 30 năm sử dụng. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam, 1 (22). K. Barbusiński. (2005). The Modified Fenton Process for Decolorization of Dye Wastewater. Polish Journal of Environmental Studies, 14(3), 281-285. Lương Thị Kiều Trinh. (2013). Nghiên cứu khả năng xúc tác của nước phèn trong xử lý nước thải dệt nhuộm. (Luận văn đại học không xuất bản). Trường Đại học An Giang. Việt Nam. Nguyễn Văn Phước & Võ Chí Cường. (2010). Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý COD khó phân hủy sinh học trong nước rác bằng phản ứng Fenton. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 10, 1, 71-78. Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung. (2004). Các quá trình oxy hóa nâng cao trong xử lý nước và nước thải. Hà Nội: Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.