Ảnh Hưởng Của Vật Liệu Catôt Đến Sự Biến Thiên Hiệu Suất Suy Giảm Cod Và

catôt, gốc OH tạo thành ít, do đó hiệu suất suy giảm COD và hiệu suất dòng oxy hóa metyl đỏ tại các thời điểm khoáng hóa đều cao hơn so với trường hợp không có ion Fe2+ nhưng đều thấp hơn so với trường hợp có ion Fe2+ với nồng độ lớn hơn 0,5 mM.

Khi tăng nồng độ Fe2+ lên 1 mM, hiệu suất suy giảm COD và hiệu suất dòng oxy hóa metyl đỏ đạt giá trị cao nhất tại mọi thời điểm khoáng hóa. Chứng tỏ, hàm lượng Fe2+ 1 mM đủ để phản ứng hết với H2O2 sinh ra trên catôt tạo gốc HO.

Khi nồng độ ion Fe2+ > 1 mM, hiệu suất suy giảm COD và hiệu suất dòng điện khoáng hóa lại giảm. Điều này được giải thích là do, khi lượng Fe2+ dư sẽ xảy ra quá trình oxy hóa ion Fe2+ trên anôt tạo Fe3+ (phản ứng 3.14), cặp oxy hóa - khử Fe3+/Fe2+ dư này sẽ xảy ra chu trình oxy hóa khử liên tục trên catôt và anôt làm giảm hiệu suất của quá trình khoáng hóa.

Dựa trên kết quả khảo sát này, nồng độ Fe2+ 1 mM được lựa chọn cho các nghiên cứu, khảo sát tiếp theo.

3.4.3.2. Ảnh hưởng của vật liệu điện cực catôt

Theo kết quả khảo sát của một số công trình khoa học đã công bố cho thấy, vật liệu điện cực catôt là một trong các yếu tố quyết định tốc độ phản ứng khử oxy tạo H2O2 - tác nhân chính tham gia vào quá trình Fenton điện hoá và quyết định tốc độ khoáng hoá các hợp chất hữu cơ độc hại [62,72,83].

Trong luận án này, ảnh hưởng của các điện cực catôt C, C/Ppy và C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy đến hiệu suất khoáng hóa metyl đỏ đã được khảo sát trong dung dịch Na2SO4 0,05 M, pH3, có ion Fe2+ 1 mM, tại mật độ dòng áp đặt

5 mA/cm2.

Hiệu suất suy giảm COD, hiệu suất dòng điện và hiệu suất phân hủy trong quá trình khoáng hóa metyl đỏ theo thời gian được đánh giá bằng phương pháp xác định COD và phân tích phổ UV-Vis.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 165 trang tài liệu này.

a/ Kết quả xác định COD

Sự biến thiên hiệu suất suy giảm COD và hiệu suất dòng điện theo thời gian khoáng hóa metyl đỏ 0,35 mM trong dung dịch Na2SO4 0,5M, ở pH3, tại mật độ dòng áp đặt 5 mA/cm2, sử dụng 3 loại điện cực catôt C, C/Ppy và

C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy, trong điều kiện có sục khí oxy với tốc độ 1 lít/phút được biểu diễn trên hình 3.24. Kết quả cho thấy, cả 3 điện cực đều có khả năng xúc tác cho phản ứng khử oxy tạo H2O2 trên catôt, thể hiện bởi hiệu suất suy giảm COD trong quá trình khoáng hóa metyl đỏ đối với cả 3 trường hợp đều tăng dần theo thời gian khoáng hóa. Tuy nhiên, trong trường hợp sử dụng điện cực catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy, tại mọi thời điểm khoáng hóa, hiệu suất suy giảm COD và hiệu suất dòng oxy hóa đều đạt giá trị cao hơn cả. Cụ thể là sau 5 giờ khoáng hóa, hiệu suất suy giảm COD đạt 68 %, hiệu suất dòng khoáng hóa đạt 116 %. Trong cùng thời điểm đó, đối với 2 trường hợp sử dụng điện cực C và C/Ppy, hiệu suất suy giảm COD đạt các giá trị lần lượt là 32 % và 60 %, hiệu suất dòng khoáng hóa đạt các giá trị tương ứng là 55 % và 103 % .

C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy C/Ppy

100 250

80 200

%COD

60 150

40 100

20 50

0 0

0 1 2 3 4 5

Thêi gian (giê)

Hình 3.24. Ảnh hưởng của vật liệu catôt đến sự biến thiên hiệu suất suy giảm COD và hiệu suất dòng theo thời gian khoáng hóa metyl đỏ 0,35 mM

Các kết quả thu được chứng tỏ, vật liệu điện cực catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy có khả năng xúc tác tốt đối với quá trình khử oxy tạo H2O2 áp dụng trong khoáng hóa metyl đỏ bằng hiệu ứng Fenton điện hoá.

b/ Kết quả phân tích phổ UV-Vis:

* Xây dựng đường chuẩn cường độ hấp thụ UV-Vis - nồng độ

Phổ UV-Vis của metyl đỏ ở các nồng độ khác nhau được biểu diễn trên hình 3.25. Cấu trúc của metyl đỏ được đặc trưng bởi một dải phổ trong vùng nhìn thấy với cực đại hấp phụ ở 523 nm và hai dải phổ khác trong vùng tử ngoại ở bước sóng khoảng 290 và 215 nm. Điều này chứng tỏ rằng, các cấu trúc khác nhau trong phân tử cho các pic hấp thụ khác nhau, liên kết chính của metyl đỏ bao gồm liên kết azo (– N = N –), vòng benzen và các nhóm axit. Nhóm mang màu chứa nhóm azo hấp phụ trong vùng nhìn thấy, tương ứng với sự chuyển dịch n * trong nhóm – N = N –. Vòng benzen được hấp thụ trong vùng tử ngoại, tương ứng với sự chuyển điện tử *.

Hình 3.25. Phổ UV-Vis của metyl đỏ ở các nồng độ khác nhau

Từ các giá trị cường độ hấp thụ cực đại tại bước sóng 523 nm ở các nồng độ metyl đỏ biến đổi trong khoảng 0,175 mM đến 0,35 mM cho phép xác định đường chuẩn sự phụ thuộc cường độ hấp thụ theo nồng độ (hình 3.26). Sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ cực đại vào nồng độ metyl đỏ gần như tuyến tính, tương ứng với phương trình đường thẳng y = 1,6083x + 0,1698 được xác định theo phương pháp bình phương tối thiểu với độ chính xác cao R2 = 0,9964. Phương trình đường thẳng này được sử dụng để xác định nồng độ metyl đỏ trong quá trình xử lý.

Hình 3.26. Đường chuẩn sự phụ thuộc cường độ hấp thụ cực đại tại bước sóng 523 nm vào nồng độ metyl đỏ

* Sự suy giảm nồng độ metyl đỏ trong quá trình khoáng hóa

Sự suy giảm nồng độ metyl đỏ trong quá trình khoáng hóa được xác định dựa trên cơ sở sự suy giảm cường độ hấp thụ cực đại tại bước sóng 523 nm theo định luật Lambe-Bia (phương trình 2.3). Giản đồ phổ UV-vis theo thời gian khoáng hóa metyl đỏ được biểu diễn trên hình 3.27 cho thấy,

sau thời gian 30 phút khoáng hóa, cường độ hấp thụ cực đại metyl đỏ trong vùng nhìn thấy đối với trường hợp sử dụng catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy giảm khá nhanh, sau đó cường độ hấp thụ tiếp tục giảm dần theo thời gian khoáng hóa với tốc độ chậm hơn và giữ ổn định sau 60 phút khoáng hóa, điều này có thể giải thích là do, theo thời gian khoáng hóa, nồng độ metyl đỏ giảm dần kéo theo tốc độ phân hủy metyl đỏ giảm, làm giảm cường độ hấp thụ cực đại metyl đỏ. Sự suy giảm cường độ hấp thụ cực đại tại bước sóng 523 nm trong quá trình khoáng hóa metyl đỏ ở cùng điều kiện, sử dụng điện cực C và C/Ppy cũng có kết quả tương tự.

Bên cạnh đó, cường độ hấp thụ ở vùng tử ngoại tại bước sóng 290 và 215 nm trong cả 3 trường hợp đều tăng lên, điều này được dự đoán là do các sản phẩm trung gian chứa vòng benzen được hình thành. Theo tác giả Elodie Guivarch và các cộng sự, các sản phẩm này là các dẫn xuất hydrocacbon như hydroquinon, 1,4-benzoquinon... [83].

Từ kết quả thu được cho thấy, nhóm azo trong metyl đỏ bị tấn công và phá hủy ngay ở giai đoạn đầu tiên của quá trình xử lý, theo thời gian gốc hydroxyl sinh ra trên điện cực catôt sẽ tấn công phá hủy các dẫn xuất hydrocacbon này để tạo ra CO2, H2O và các khoáng chất khác. Cơ chế của quá trình khoáng hóa các hợp chất azo bằng hiệu ứng Fenton điện hóa được đề xuất trong nghiên cứu của Elodie Guivarch và các cộng sự [83].

Đồ thị hình 3.28 biểu diễn sự biến thiên hiệu suất phân hủy metyl đỏ theo thời gian khoáng hóa trong dung dịch Na2SO4 0,05 M, pH3, Fe2+ 1 mM tại mật độ dòng áp đặt 5 mA/cm2, sử dụng các điện cực catôt C, C/Ppy và C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy. Hiệu suất phân hủy metyl đỏ trong trường hợp sử dụng điện cực catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy tại các thời điểm khác nhau đều đạt giá trị cao nhất so với trường hợp sử dụng catôt C và C/Ppy.

Hình 3.27. Phổ UV-vis của metyl đỏ theo thời gian khoáng hóa tại mật độ dòng 5 mA/cm2, catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy

Hình 3.28. Ảnh hưởng của vật liệu điện cực catôt đến sự biến thiên hiệu suất phân hủy metyl đỏ theo thời gian khoáng hóa

Kết quả phân tích UV-Vis hoàn toàn phù hợp với kết quả xác định COD, một lần nữa khẳng định, vật liệu điện cực catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy trong quá trình khoáng hóa metyl đỏ cho hiệu suất khoáng hóa cao hơn các điện cực C và C/Ppy. Điều này mở ra ứng dụng vật liệu điện cực catôt composit C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy trong khoáng hóa các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường. Trên cơ sở kết quả thu được, điện cực C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy được dùng trong các khảo sát tiếp theo.

3.4.3.3. Ảnh hưởng của mật độ dòng áp đặt

Ảnh hưởng của mật độ dòng áp đặt đến hiệu suất khoáng hóa các hợp chất màu azo bằng hiệu ứng Fenton điện hóa được xác định bằng cách tiến hành khoáng hóa metyl đỏ tại các giá trị mật độ dòng áp đặt khác nhau (0,5; 1; 5 và 10 mA/cm2) trong dung dịch Na2SO4 0,05 M, tại pH3 chứa metyl đỏ 0,35 mM và ion Fe2+ 1 mM, ở nhiệt độ phòng, sử dụng điện cực anôt Pt, catôt

C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy, sục oxy với tốc độ 1 l/phút.

Phổ UV-Vis của metyl đỏ theo thời gian khoáng hóa, tại mật độ dòng áp đặt 1 mA/cm2 được biểu diễn trên hình 3.29. Cường độ hấp thụ cực đại metyl đỏ trong vùng nhìn thấy tại bước sóng 523 nm giảm khá nhanh theo thời gian khoáng hóa. Tại thời điểm đầu của quá trình khoáng hóa, cường độ hấp thụ cực đại metyl đỏ đạt giá trị khá cao, sau đó giảm dần theo thời gian. Sau 5 giờ khoáng hóa, cường độ hấp thụ cực đại metyl đỏ suy giảm gần như hoàn toàn, do liên kết azo trong phân tử metyl đỏ đã bị phá hủy làm cho nồng độ metyl đỏ suy giảm đáng kể.

Ảnh hưởng của mật độ dòng áp đặt đến sự biến thiên hiệu suất phân hủy metyl đỏ theo điện lượng Q được biểu diễn trên hình 3.30.

Hình 3.29. Phổ UV-vis của metyl đỏ theo thời gian khoáng hóa tại 1 mA/cm2, catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy

1 mA/cm2

5 mA/cm2

10 mA/cm2

0,5 mA/cm2

100



0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Q(A.h/l)

Hình 3.30. Ảnh hưởng của mật độ dòng áp đặt đến sự biến thiên hiệu suất phân hủy metyl đỏ theo điện lượng Q