Nghiên cứu xử lý chất màu hữu cơ của dung dịch nhuộm bằng phương pháp keo tụ điện hoá

NGHIấN CỨU XỬ Lí CHẤT MÀU HỮU CƠ CỦA DUNG DỊCH NHUỘM BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HOÁ A STUDY ON THE DECOLOURIZATION OF DYE-CONTAINING SOLUTIONS BY ELECTROCOAGULATION Lấ TỰ HẢI Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng TểM TẮT Ảnh hưởng của vật liệu anụt, pH dung dịch, mật độ dũng và nồng độ thuốc nhuộm (Ryndye - W - Red - 3M và Ryndye - W - Violet FFBN) đến quỏ trỡnh khử màu của dung dịch nhuộm đó được nghiờn cứu bằng phương phỏp keo tụ điện húa. Kết quả nghiờn cứu cho thấy màu của dung dịch nhuộm được xử lý hiệu quả tại mật độ dũng 1A/dm2, pH = 7,0 và nồng độ chất màu 100ppm với anụt hũa tan Al, Fe. Hiệu suất tỏch màu của dịch màu đỏ cao hơn hiệu suất tỏch màu của dịch màu tớm. ABSTRACT The effects of sacrificial anodes, initial pH, current density and concentration of dyes (Ryndye- W-Red-3M and Ryndye - W - Violet FFBN) on the decolourization of dye-containing solutions have been studied by means of electrocoagulation. The experimental results showed that the colour of dyes in the aqueous phase was effectively removed when iron and aluminium were used as sacrificial anodes. The anode current density was 1A/dm 2 and solution pH was 7,0. The yield of decolourization of Ryndye-W-Red-3M was higher than that of Ryndye - W - Violet FFBN. 1. Mở đầu Cùng với sự phát triển của nền công nghiệp và kinh tế đất n-ớc, nền công nghiệp dệt n-ớc ta có những b-ớc phát triển nhảy vọt về chất và l-ợng. Chúng ta đã xây dựng nhiều nhà máy dệt-nhuộm với trang thiết bị hiện đại để tạo ra nhiều loại mặt hàng đáp ứng nhu cầu cho ngành may mặc của đất n-ớc. Tuy nhiên, sự phát triển của ngành dệt-nhuộm đã làm nảy sinh vấn đề môi tr-ờng từ n-ớc thải của các nhà máy này. Tính trung bình có tới 30% l-ợng thuốc nhuộm ch-a đ-ợc sử dụng trong dung dịch nhuộm đi vào n-ớc thải gây cản trở quá trình hấp thụ oxi và bức xạ mặt trời, gây bất lợi cho hô hấp và sinh tr-ởng của các quần thể vi sinh vật và các loài sống trong n-ớc. Vì vậy, xử lý màu của n-ớc thải nhuộm là vấn đề cần thiết và cấp bách đối với môi tr-ờng. Có nhiều ph-ơng pháp xử lý màu của n-ớc thải nhuộm nh- hấp phụ, keo tụ sinh học, oxi hóa hóa học, keo tụ hóa học, keo tụ điện hóa... [1, 2, 3, 4]. Trong các ph-ơng pháp đó, keo tụ điện hóa là một ph-ơng pháp có nhiều -u điểm nh- không phải đ-a thêm hóa chất vào n-ớc thải, thiết bị đơn giản và dễ thực hiện... Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu quá trình xử lý chất màu hữu cơ của dung dịch nhuộm bằng ph-ơng pháp keo tụ điện hóa. 2. Ph-ơng pháp thực nghiệm Điện cực anôt đ-ợc sử dụng trong quá trình keo tụ điện hóa là nhôm mác A7 và thép CT3. Bề mặt điện cực đ-ợc gia công bằng phẳng, đánh bóng cơ học bằng giấy nhám SiC (1200), tẩy dầu mỡ trong axeton và tẩy gỉ trong dung dịch HCl 15% có thêm chất ức chế Urotropin. Sau khi tẩy gỉ bề mặt kim loại đ-ợc trung hòa trong dung dịch kiềm yếu (Na2CO3 10g/l) và rửa lại bằng n-ớc cất nhiều lần. Các chất màu hữu cơ đ-ợc dùng trong dung dịch nhuộm có tên th-ơng mại là Ryndye- W-Red-3M (màu đỏ) có b-ớc sóng đặc tr-ng  = 500nm và Ryndye - W - Violet FFBN (màu tím) có b-ớc sóng đặc tr-ng  = 560nm. Dung dịch nghiên cứu đ-ợc chuẩn bị bằng cách hòa tan một l-ợng NaCl vào 200ml n-ớc cất. Sau đó hòa tan thuốc nhuộm hữu cơ vào dung dịch NaCl, pH dung dịch đ-ợc điều chỉnh bằng dung dịch HCl và NaOH. Dung dịch điện phân đ-ợc lấy ra theo thời gian điện phân và phân tích trên máy đo quang để tính hiệu suất quá trình keo tụ [5, 6]. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. ảnh h-ởng của các yếu tố đến quá trình keo tụ điện hóa chất màu bằng anôt nhôm 3.1.1. ảnh h-ởng của pH ảnh h-ởng của pH đến hiệu suất quá trình keo tụ điện hóa dung dịch thuốc nhuộm màu đỏ và màu tím có thành phần và điều kiện điện phân nh- sau: - Nồng độ NaCl 1000ppm - Nồng độ chất màu 100ppm - Khoảng cách anôt và catôt: 20mm - Mật độ dòng i = 0,5A/dm2 - Thời gian điện phân t = 10 phút Kết quả của ảnh h-ởng pH đến hiệu suất keo tụ đ-ợc trình bày ở bảng 1. Bảng 1: ảnh h-ởng của pH đến hiệu suất quá trình keo tụ pH 4 5 6 7 8 9 10 Hiệu suất (Y%) Màu đỏ 40,25 57,54 73,87 87,75 78,45 50,65 41,50 Màu tím 35,50 48,61 67,38 75,18 70,35 40,58 34,23 Kết quả thu đ-ợc cho thấy hiệu suất quá trình keo tụ cho dịch màu đỏ và màu tím đạt giá trị cao nhất tại pH = 7. Trong môi tr-ờng axit và kiềm hiệu suất quá trình keo tụ giảm. Nguyên nhân là do trong môi tr-ờng axit nhôm bị hòa tan và tồn tại d-ới dạng ion Al3+ và Al(OH)2 +. Cơ chế keo tụ trong môi tr-ờng axit là cơ chế nén cấu trúc lớp kép [3,6]. Do vậy, để keo tụ các hạt keo màu theo cơ chế này thì phải cần một l-ợng rất lớn ion Al3+ và Al(OH)2 +. Trong vùng pH từ 6 đến 8, cấu tử gây keo tụ th-ờng tồn trại d-ới dạng polime nh- Al13O4(OH)24 7+ hoặc kết tủa Al(OH)3 [1,6]. Các phức polime và kết tủa hydroxyt nhôm gây keo tụ cho hệ kreo theo cơ chế hấp phụ, trung hòa điện tích và quét kết tủa. Việc kết hợp các cơ chế này đã làm cho quá trình keo tụ chất màu xảy ra dễ dàng và đạt hiệu suất cao. Trong môi tr-ờng kiềm (pH = 9 và 10), kết tủa Al(OH)3 bị hòa tan và tồn tại d-ới dạng ion Al(OH)4 - hoặc AlO2 -. Nồng độ kết tủa Al(OH)3 giảm dẫn đến hiệu suất quá trình keo tụ giảm. Kết quả ở bảng 1 còn cho thấy hiệu suất keo tụ của dịch màu đỏ lớn hơn dịch màu tím. Nguyên nhân này có thể do cấu trúc không gian của phân tử thuốc nhuộm màu đỏ cồng kềnh hơn cấu trúc không gian của phân tử thuốc nhuộm màu tím. 3.1.2. ảnh h-ởng của mật độ dòng Mật độ dòng ảnh h-ởng đến hiệu suất và thời gian tách loại chất màu. Quá trình keo tụ điện hóa đ-ợc tíên hành trong dung dịch có thành phần nh- (3.3.1) ở pH = 7 với các giá trị mật độ dòng từ 0,5 A/dm2 đến 2 A/dm2. Kết quả của ảnh h-ởng mật độ dòng đến hiệu suất keo tụ đ-ợc trình bày ở bảng 2 và 3. Bảng 2: ảnh h-ởng của mật độ dòng đến hiệu suất và thời gian keo tụ dung dịch màu đỏ Mật độ dòng (A/dm2) 0,5 1,0 2,0 T = 10 phút 87,74 91,54 89,63 T = 15 phút 91,46 98,80 94,50 Bảng 3: ảnh h-ởng của mật độ dòng đến hiệu suất và thời gian keo tụ dung dịch màu tím Mật độ dòng (A/dm2) 0,5 1,0 2,0 T = 10 phút 75,18 81,57 77,42 T = 15 phút 82,36 95,62 89,56 T = 20 phút 90,15 97,84 91,28 Kết quả thu đ-ợc cho thấy ở mật độ dòng thấp thời gian tách loại chất màu tăng và hiệu suất keo tụ giảm. Khi tăng mật độ dòng, l-ợng chất keo tụ tạo ra nhiều. Do đó, hiệu suất quá trình keo tụ tăng và thời gian keo tụ giảm. Với dung dịch nhuộm màu đỏ, ở mật độ dòng 1 A/dm2 thời gian keo tụ để đạt hiệu suất 98,80% là 15 phút. Trong tr-ờng hợp dịch màu tím, hiệu suất keo tụ đạt 97,84% với thời gian t = 20 phút (i = 1A/dm2). Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng mật độ dòng thì hiệu suất keo tụ giảm. Nguyên nhân là do sự thoát oxi trên bề mặt điện cực. 3.1.3. ảnh h-ởng của nồng độ chất màu ảnh h-ởng của nồng độ chất màu đến hiệu suất quá trình keo tụ trong dung dịch có pH = 7, thời gian keo tụ 15 phút và mật độ dòng i = 1 A/dm2 đ-ợc trình bày ở bảng 4. Bảng 4: ảnh h-ởng của nồng độ chất màu đến hiệu suất quá trình keo tụ Nồng độ chất màu (ppm) 100 300 400 500 Hiệu suất keo tụ (Y%) Dịch màu đỏ 98,80 76,15 63,72 52,65 Dịch màu tím 95,62 70,52 58,38 43,71 Kết quả cho thấy khi nồng độ chất màu tăng từ 100 - 500ppm thì hiệu suất keo tụ trong cùng một thời gian điện phân giảm. Vì khi nồng độ chất màu tăng thì phải cần l-ợng lớn chất keo tụ. 3.2. ảnh h-ởng của các yếu tố đến quá trình keo tụ điện hóa chất màu bằng anôt sắt 3.2.1. ảnh h-ởng của pH Thành phần dung dịch và điều kiện điện phân nh- (3.3.1). Kết quả của ảnh h-ởng pH đến hiệu suất keo tụ đ-ợc trình bày ở bảng 5. Bảng 5: ảnh h-ởng của pH đến hiệu suất quá trình keo tụ pH 4 5 6 7 8 9 10 Hiệu suất (Y%) Màu đỏ 36,18 47,25 56,30 78,54 76,28 74,35 72,15 Màu tím 30,55 41,50 53,82 71,41 69,52 67,28 66,85 Nh- vậy, trong môi tr-ờng axit hiệu suất keo tụ cho dung dịch màu đỏ và tím đạt giá trị thấp. Vì trong môi tr-ờng axit sắt bị hòa tan và tồn tại d-ới dạng ion Fe2+ và Fe3+. Các ion này gây keo tụ chất màu theo cơ chế nén cấu trúc lớp kép. Do đó, để quá trình keo tụ xảy ra với hiệu suất cao thì phải cần một l-ợng lớn ion Fe2+ và Fe3+. Trong môi tr-ờng pH = 7  10, quá trình thủy phân của ion Fe2+ và Fe3+ xảy ra mạnh tạo thành phức chất keo tụ của Fe có điện tích d-ơng và kết tủa hydroxyt sắt. Các phức và kết tủa này dễ dàng keo tụ chất màu để tạo thành khối kết tủa. Hiệu suất quá trình keo tụ đạt cao nhất tại pH = 7 (Y = 78,54% cho dịch màu đỏ và 71,41% cho dịch màu tím). ở môi tr-ờng kiềm mạnh, hiệu suất keo tụ lại giảm do sự tạo kết tủa hydroxyt trên bề nặt đã hạn chế quá trình hòa tan anôt sắt. 3.2.2. ảnh h-ởng của mật độ dòng Quá trình keo tụ điện hóa đ-ợc tiến hành trong dung dịch có thành phần nh- (3.4.1) ở pH = 7 tại các giá trị mật độ dòng 0,5 A/dm2, 1A/dm2 và 2A/dm2. Kết quả của ảnh h-ởng mật độ dòng đ-ợc trình bày ở bảng 6 và 7. Bảng 6: ảnh h-ởng của mật độ dòng đến hiệu suất và thời gian keo tụ dịch màu đỏ Mật độ dòng (A/dm2) 0,5 1,0 2,0 T = 10 phút 78,54 85,25 80,57 T = 15 phút 86,36 93,70 91,68 Bảng 7: ảnh h-ởng của mật độ dòng đến hiệu suất và thời gian keo tụ dịch màu tím Mật độ dòng (A/dm2) 0,5 1,0 2,0 T = 10 phút 71,41 79,28 77,53 T = 15 phút 79,36 86,72 84,38 T = 20 phút 82,61 90,66 89,27 Cũng giống nh- tr-ờng hợp keo tụ với anôt nhôm, ở tr-ờng hợp anôt sắt hiệu suất keo tụ tăng khi mật độ dòng tăng. Tuy nhiên, ở mật độ dòng  2A/dm2 thì hiệu suất keo tụ giảm vì có sự thoát oxi trên bề mặt điện cực. 3.2.3. ảnh h-ởng của nồng độ chất màu ảnh h-ởng của nồng độ chất màu đến hiệu suất quá trình keo tụ trong dung dịch có pH = 7, thời gian keo tụ 15 phút và mật độ dòng i = 1A/dm2 đ-ợc trình bày ở bảng 8. Bảng 8. ảnh h-ởng của nồng độ chất màu đến hiệu suất quá trình keo tụ Nồng độ chất màu (ppm) 100 300 400 500 Hiệu suất keo tụ (Y%) Dịch màu đỏ 93,70 70,15 55,30 40,72 Dịch màu tím 86,72 65,76 43,28 32,63 Kết quả cũng cho thấy khi nồng độ chất màu tăng thì hiệu suất keo tụ giảm vì cần một l-ợng chất keo tụ lớn. 4. Kết luận Kết quả nghiên cứu quá trình keo tụ chất màu hữu cơ trong dung dịch thuốc nhuộm bằng ph-ơng pháp hòa tan anôt nhôm và sắt cho phép đ-a ra những kết luận sau: 1- Quá trình keo tụ điện hóa chất màu bằng anôt Al đạt hiệu suất 98,80% cho dịch màu đỏ tại pH = 7,0, mật độ dòng 1A/dm2 trong thời gian 15 phút và hiệu suất 97,84% cho dịch màu tím ở pH = 7,0; i = 1A/dm2 trong thời gian điện phân t = 20 phút. 2- Quá trình keo tụ chất màu bằng anôt Fe đạt hiệu suất 93,70% cho dịch màu đỏ có pH = 7,0 với mật độ dòng i = 1A/dm2 và thời gian điện phân 15 phút. Hiệu suất keo tụ cho dịch màu tím đạt 90,66% với dung dịch có pH = 7,0, mật độ dòng i = 1A/dm2 và thời gian t = 20 phút. 3- Cơ chế keo tụ chất màu hữu cơ bằng ph-ơng pháp hòa tan điện hóa anôt Al, Fe trong môi tr-ờng axit là cơ chế nén cấu trúc lớp kép. Trong môi tr-ờng trung tính và bazơ quá trình keo tụ xảy ra theo cơ chế hấp phụ, trung hòa điện tích và quét kết tủa. Cấu trúc không gian của phân tử chất màu có ảnh h-ởng đến hiệu suất quá trình keo tụ. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất tách màu của dung dịch màu đỏ lớn hơn hiệu suất tách màu của dung dịch màu tím. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lờ Văn Cỏt, Cơ sở húa học và kỹ thuật xử lý nước, Nhà Xuất bản Thanh niờn, Hà Nội, 1999 [2] D. K. Gardiner, J. Soc, Dyers and Colourists, 94 (1978) 339. [3] D. R. Jenke, Water Research, 18 (1984) 855. [4] F. W. Pontius, Water quality and the treatment, 4th end McGraw-Hill, New York, 1990. [5] Từ Văn Mặc, Phõn tớch húa lý, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1995. [6] B. D.Water, Treatment of Dye wasters, Vol 2, Pitman Publishing Limited, London, 1984.