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

C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy được biểu diễn trên hình 3.38. Quan sát đồ thị hình

3.38 cho thấy, đối với cả 3 trường hợp sử dụng điện cực catôt C; C/Ppy; C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy, hiệu suất suy giảm COD đều tăng dần theo thời gian khoáng hóa. Tuy nhiên, khi sử dụng điện cực C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy, hiệu suất suy giảm COD tại mọi thời điểm đều đạt giá trị cao hơn so với 2 trường hợp sử dụng catôt C và C/Ppy. Điển hình là sau 5 giờ khoáng hóa, hiệu suất suy giảm COD đạt 84 %, cao hơn so với trường hợp sử dụng catôt C và C/Ppy với hiệu suất suy giảm COD đạt giá trị tương ứng 72 % và 75 %.

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

100 180

80 150

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 165 trang tài liệu này.

120

%COD

60 H%

20 30

0 0

0 1 2 3 4 5

Thêi gian (giê)

Hình 3.38. Ảnh hưởng của vật liệu catôt đến sự biến thiên hiệu suất suy giảm COD và hiệu suất dòng theo thời gian khoáng hóa công gô đỏ 0,25 mM

Kết quả xác định hiệu suất dòng trong quá trình khoáng hóa công gô đỏ (hình 3.38) cũng cho thấy, khi sử dụng điện cực catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy, hiệu suất dòng khoáng hóa công gô đỏ tại mọi thời điểm đều đạt giá trị cao hơn so với trường hợp sử dụng catôt C và C/Ppy. Đặc biệt, tại những thời điểm đầu

tiên của quá trình khoáng hóa, hiệu suất dòng đạt giá trị khá cao 168 % sau 1 giờ khoáng hóa khi sử dụng catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy, cao hơn so với trường hợp sử dụng catôt C (120 %) và C/Ppy (gần 147 %). Hiệu suất dòng thu được trong quá trình khoáng hóa lớn hơn 100 % được giải thích là trong quá trình xử lý bằng hiệu ứng Fenton điện hoá, cùng một lúc có thể có nhiều quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ diễn ra đồng thời như: quá trình oxy hóa trực tiếp trên anôt; quá trình oxy hóa gián tiếp nhờ gốc hydroxyl (OH) sinh ra trực tiếp trên điện cực anôt hoặc gián tiếp trên điện cực catôt nhờ hiệu ứng Fenton... Theo thời gian, hiệu suất dòng giảm xuống do nồng độ công gô đỏ và các sản phẩm trung gian đã bị suy giảm đáng kể.

Kết quả xác định COD cũng cho phép khẳng định, điện cực catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy có khả năng xúc tác tốt hơn đối với quá trình khử oxy hòa tan tạo H2O2 (phản ứng 1.44) so với 2 loại điện cực C và C/Ppy, do đó làm tăng tốc độ của phản ứng oxy hóa công gô đỏ bằng gốc hydroxyl sinh ra trên điện cực catôt theo phản ứng 1.6.

3.5.2. Ảnh hưởng của mật độ dòng áp đặt

Quá trình khảo sát ảnh hưởng của mật độ dòng đến quá trình khoáng hóa công gô đỏ bằng hiệu ứng Fenton điện hóa được thực hiện trong điều kiện: dung dịch Na2SO4 0,05 M, pH3, Fe2+ 1 mM, anôt Pt, catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy, tốc độ sục oxy 1 l/phút. Kết quả được xác định bằng phương pháp phân tích phổ UV-Vis và xác định COD.

Sự biến thiên hiệu suất phân hủy, hiệu suất suy giảm COD và hiệu suất dòng theo điện lượng Q trong quá trình khoáng hóa công gô đỏ được biểu diễn trên các hình 3.39 và 3.40.

Quan sát đồ thị hình 3.39 cho thấy, khi áp đặt mật độ dòng 1 mA/cm2,

tại các thời điểm khác nhau, khi có cùng một giá trị điện lượng Q chuyển qua bình, hiệu suất phân hủy công gô đỏ luôn đạt giá trị cao hơn so với trường hợp áp đặt các mật độ dòng 0,5; 5 và 10 mA/cm2. Ở giá trị điện lượng

0,25 A.h/l, hiệu suất phân hủy đạt giá trị 75 % tại mật độ dòng 1 mA/cm2, cao hơn so với hiệu suất phân hủy tại các mật độ dòng 0,5; 5 và 10 mA/cm2 với các giá trị tương ứng 34 %; 65 % và 41 %.

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 3.39. Ảnh hưởng của mật độ dòng áp đặt đến sự biến thiên hiệu suất phân hủy công gô đỏ 0,25 mM theo điện lượng Q

Quan sát đồ thị hình 3.40 cho thấy, khi áp đặt mật độ dòng 1 mA/cm2, hiệu suất suy giảm COD đạt giá trị cao nhất tại mọi thời điểm trong quá trình khoáng hóa công gô đỏ. Điển hình, ở điện lượng Q = 1,0 A.h/l, hiệu suất suy giảm COD khoảng 91 % khi áp đặt mật độ dòng 1 mA/cm2, cao hơn so với trường hợp áp đặt các mật độ dòng 0,5; 5 và 10 mA/cm2 với các giá trị tương ứng là 59 %; 78 % và 63 %. Bên cạnh đó do các quá trình xảy ra trên bề mặt điện cực có thể tạo ra các tác nhân oxy hóa mạnh có khả năng oxy hóa hoàn toàn công gô đỏ và các hợp chất trung gian dẫn đến hiệu suất dòng điện đều đạt giá trị rất cao. Đặc biệt trong trường hợp áp đặt mật độ dòng 1 mA/cm2, khi điện lượng Q = 0,05 A.h/l, hiệu suất dòng điện đạt giá trị rất cao 502 % so

với các trường hợp áp đặt mật độ dòng khác. Hiệu suất dòng điện tại những thời điểm đầu tiên của quá trình khoáng hóa khá cao trên 100 % được giải thích tương tự trường hợp khoáng hóa công gô đỏ sử dụng các vật liệu catôt khác nhau.

1 mA/cm2

5 mA/cm2

10 mA/cm2

0,5 mA/cm2

120 600

100

%COD

500

H %

400

300

40 200

20 100

0 0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Q (A.h/l)

Hình 3.40. Ảnh hưởng của mật độ dòng áp đặt đến sự biến thiên hiệu suất suy giảm COD và hiệu suất dòng khoáng hóa công gô đỏ 0,25 mM theo Q

Các kết quả thu được có thể giải thích như sau: khi mật độ dòng áp đặt thấp (< 1 mA/cm2), tốc độ phản ứng khử oxy hòa tan tạo H2O2 trên điện cực catôt chưa cao, do đó tốc độ hình thành gốc •OH chậm dẫn đến hiệu suất khoáng hóa công gô đỏ chưa cao.

Khi mật độ dòng áp đặt cao (≥ 5 mA/cm2), phản ứng khử oxy hòa tan trên điện cực catôt tạo H2O2 (phản ứng 1.44) bị hạn chế tốc độ do phản ứng khử ion H+ tạo H2 che phủ bề mặt điện cực catôt (phản ứng 3.12), mặt khác, trên điện cực anôt có thể xảy ra các phản ứng khác như phản ứng oxy hóa

H2O giải phóng oxy (phản ứng 1.46) làm tiêu tốn điện lượng của quá trình. Vì vậy, trong trường hợp mật độ dòng lớn hơn 1 mA/cm2, hiệu suất khoáng hóa công gô đỏ giảm, kết quả này cũng phù hợp với các công bố của Boye và các

cộng sự về kết quả khoáng hóa 2,4,5-T bằng hiệu ứng Fenton điện hóa [37,70].

Từ các kết quả thu được có thể khẳng định, mật độ dòng thích hợp là điều kiện thuận lợi cho quá trình hình thành gốc hydroxyl trong hệ phản ứng Fenton điện hoá, tác nhân oxy hoá mạnh các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ. Mặt khác, tại những thời điểm ban đầu của quá trình khoáng hóa, hiệu suất dòng đạt giá trị khá cao được lý giải là do nhiều quá trình có thể xảy ra đồng thời như: oxy hóa trực tiếp công gô đỏ trên điện cực anôt và oxy hóa gián tiếp công gô đỏ trên điện cực catôt nhờ các tác nhân oxy hóa mạnh như •OH, HO •...

3.5.3. Kết luận về quá trình khoáng hóa công gô đỏ:

+ Kết quả khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố như vật liệu catôt, mật độ dòng áp đặt đến quá trình khoáng hóa công gô đỏ cho thấy, quá trình khoáng hóa công gô đỏ bằng hiệu ứng Fenton điện hóa đạt kết quả rất khả quan, đặc biệt trong những điều kiện thích hợp.

+ Điều kiện thích hợp trong điều kiện khảo sát của luận án về quá trình khoáng hóa công gô đỏ 0,25 mM bằng hiệu ứng Fenton điện hóa là: dung dịch Na2SO4 0,05 M, pH3, Fe2+ 1 mM, tại mật độ dòng áp đặt 1 mA/cm2, điện cực catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy, tốc độ sục khí oxy 1 l/phút.

+ Kết quả phân tích phổ UV-Vis: Tại điều kiện tối ưu trong quá trình khảo sát, hiệu suất phân hủy công gô đỏ 0,25 mM đạt 75 % sau 5 giờ.

+ Kết quả xác định COD: Hiệu suất suy giảm COD đạt 91 % sau 20 giờ khoáng hóa.

3.6. Quá trình khoáng hóa metyl da cam

Trên cơ sở các kết quả khảo sát quá trình khoáng hóa metyl đỏ và công gô đỏ, quá trình khoáng hóa metyl da cam được thực hiện trong điều kiện: dung dịch Na2SO4 0,05 M, pH3, metyl da cam 1,0 mM, Fe2+ 1 mM, catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy, tốc độ sục oxy 1 l/phút, ở các mật độ dòng áp đặt khác nhau (0,5; 1; 5 và 10 mA/cm2).

3.6.1. Kết quả phân tích phổ UV-Vis

3.6.1.1. Xây dựng đường chuẩn cường độ hấp thụ - nồng độ metyl da cam

Đường chuẩn sự phụ thuộc cường độ hấp thụ vào nồng độ metyl da cam được xây dựng trên cơ sở 9 mẫu dung dịch Na2SO4 0,05 M, pH3 chứa metyl da cam với các nồng độ từ 0,0612 mM đến 0,13 mM. Phổ UV-Vis của 9 dung dịch được biểu diễn trên hình 3.41. Metyl da cam được đặc trưng bởi một dải phổ trong vùng nhìn thấy với cực đại hấp thụ tại bước sóng 501 nm, tương ứng với cấu trúc của liên kết azo trong phân tử metyl da cam, đây là vùng hấp thụ màu xanh da trời, chính vì vậy dung dịch metyl da cam tại pH3 có màu đỏ, màu bù của màu xanh da trời. Hấp thụ cực đại này tương ứng với sự chuyển mức n * của electron ở liên kết đôi - N = N - trong phân tử metyl da cam. Ngoài ra còn 2 dải phổ khác ở bước sóng 280 và 215 nm, đặc trưng cho cấu trúc vòng benzen và gốc axit. Kết quả cho thấy, cường độ của các pic trên phổ UV-Vis giảm dần theo sự suy giảm nồng độ metyl da cam phù hợp với định luật Lambe-Bia.

Quan sát đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ hấp thụ cực đại tại bước sóng 501 nm vào nồng độ metyl da cam (hình 3.42) cho thấy, sự biến đổi cường độ hấp thụ theo nồng độ metyl da cam được đặc trưng bởi đường thẳng gần như tuyến tính, tương ứng với phương trình: y = 5,4707x + 1,1982 xác định theo phương pháp bình phương tối thiểu có độ chính xác R2= 0,9959. Phương trình đường thẳng này được sử dụng để xác định nồng độ metyl da cam trong quá trình khoáng hóa bằng hiệu ứng Fenton điện hóa.

Hình 3.41. Phổ UV-Vis của metyl da cam ở các nồng độ khác nhau

Hình 3.42. Đường chuẩn sự phụ thuộc cường độ hấp thụ cực đại tại bước sóng 501 nm vào nồng độ metyl da cam

3.6.1.2. Sự biến thiên hiệu suất phân hủy metyl da cam

Phổ UV-Vis của metyl da cam theo thời gian khoáng hóa tại mật độ dòng áp đặt 1 mA/cm2, sử dụng điện cực catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy được biểu diễn trên hình 3.43. Cường độ hấp thụ tại bước sóng 501 nm giảm liên tục theo thời gian khoáng hóa, tương ứng với sự phân hủy cấu trúc - N = N -. Kết quả này có thể được giải thích là, ở giai đoạn đầu của quá trình khoáng hóa, gốc OH tạo ra đã tấn công vào nhóm mang màu azo, phá vỡ liên kết – N

= N –, phân hủy hệ thống cấu trúc liên hợp trong toàn phân tử, hiện tượng này sẽ gây ra sự mất màu của dung dịch do nhóm tạo màu azo đã bị phá hủy.

Bên cạnh đó, ở giai đoạn đầu của quá trình khoáng hóa (từ 0 đến 10 giờ), cường độ hấp thụ tại bước sóng 280 nm tăng dần. Sau đó pic tại bước sóng này không còn xuất hiện trong suốt thời gian khoáng hóa tiếp theo, tuy nhiên cường độ pic tại 215 nm tăng dần trong suốt quá trình khoáng hóa. Điều này cho phép khẳng định metyl da cam đã bị khoáng hóa gần như hoàn toàn tạo thành CO2, H2O và các hợp chất vô cơ tan, chất hữu cơ không chứa vòng benzen.

Ảnh hưởng của mật độ dòng áp đặt đến sự biến thiên hiệu suất phân huỷ metyl da cam theo thời gian khoáng hóa được biểu diễn trên hình 3.44. Ở cùng giá trị điện lượng chuyển qua bình, hiệu suất phân huỷ metyl da cam trong trường hợp áp đặt mật độ dòng 1 mA/cm2 luôn đạt giá trị cao nhất so với trường hợp áp đặt các mật độ dòng khác. Điển hình, khi điện lượng Q = 0,25 A.h/l, với mật độ dòng 1 mA/cm2, hiệu suất phân huỷ metyl da cam đạt

72 %, cao hơn so với trường hợp áp đặt mật độ dòng 0,5; 5 và 10 mA/cm2

với hiệu suất phân hủy tương ứng là 47 %; 56 % và 52 %). Kết quả thu được cho phép khẳng định, quá trình khoáng hóa metyl da cam bằng hiệu ứng Fenton điện hóa đạt hiệu suất lớn nhất ở mật độ dòng áp đặt 1 mA/cm2. Kết quả này phù hợp với kết quả khoáng hóa metyl đỏ và công gô đỏ ở phần trên.