Phổ Uv-Vis Của Metyl Da Cam Theo Thời Gian Khoáng Hóa Bằng Hiệu Ứng Fenton Điện

Hình 3.43. Phổ UV-vis của metyl da cam theo thời gian khoáng hóa bằng hiệu ứng Fenton điện hóa tại mật độ dòng 1 mA/cm2

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 3.44. Ảnh hưởng của mật độ dòng áp đặt đến sự biến thiên hiệu suất phân huỷ metyl da cam theo điện lượng Q

3.6.2. Kết quả xác định CO

Sự biến thiên hiệu suất suy giảm COD và hiệu suất dòng điện theo điện lượng Q trong quá trình khoáng hóa metyl da cam ở các mật độ dòng áp đặt khác nhau được biểu diễn trên hình 3.45.

1 mA/cm2

5 mA/cm2

10 mA/cm2

0,5 mA/cm2

100 500

80 400

%COD

H %

60 300

40 200

20 100

0 0

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00

Q (A.h/l)

Hình 3.45. Ảnh hưởng của mật độ dòng áp đặt đến sự biến thiên hiệu suất suy giảm COD và hiệu suất dòng theo thời gian khoáng hóa metyl da cam 1,0 mM

Tại các giá trị điện lượng Q khác nhau, với mật độ dòng áp đặt 1 mA/cm2, hiệu suất suy giảm COD và hiệu suất dòng khoáng hóa đều đạt giá trị cao hơn so với trường hợp áp đặt mật độ dòng 0,5; 5 và 10 mA/cm2. Một lần nữa khẳng định, mật độ dòng 1 mA/cm2 là tối ưu, cho phép khoáng hóa gần như hoàn toàn metyl da cam bằng hiệu ứng Fenton điện hóa. Điển hình, với điện lượng Q = 1,0 A.h/l, khi áp đặt mật độ dòng 1 mA/cm2, hiệu suất suy giảm COD đạt 74 %, cao hơn so với khi áp đặt mật độ dòng 0,5; 5 và 10 mA/cm2 với hiệu suất suy giảm COD tương ứng đạt 46 %; 66 % và 54 %.

Bên cạnh đó, hiệu suất dòng khoáng hóa ở những thời điểm đầu tiên trong quá trình khoáng hóa tại 1 mA/cm2 đạt giá trị khá cao 437,9 % so với trường hợp áp đặt mật độ dòng 0,5; 5 và 10 mA/cm2 với các giá trị tương ứng 199 %, 331,7 % và 238,8 %. 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.

Ngoài ra, kết quả khoáng hóa metyl da cam tại mật độ dòng 1 mA/cm2 còn được nhận biết bằng sự thay đổi màu sắc của dung dịch theo thời gian khoáng hóa (hình 3.46). Quan sát hình 3.46 cho thấy, màu sắc của dung dịch suy giảm rất nhanh theo thời gian. Sau 5 giờ khoáng hóa, dung dịch metyl da cam gần như mất màu hoàn toàn, khẳng định nồng độ của metyl da cam đã suy giảm đáng kể.

Trước xử lý

Sau 1 giờ xử lý

Sau 3 giờ xử lý

Sau 5 giờ xử lý

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 165 trang tài liệu này.

Hình 3.46. Sự thay đổi màu sắc của dung dịch metyl da cam theo thời gian khoáng hóa bằng hiệu ứng Fenton điện hóa tại mật độ dòng 1 mA/cm2

Trên cơ sở các công trình nghiên cứu về cơ chế khoáng hóa các hợp chất hữu cơ họ azo đã công bố, cơ chế dự đoán của quá trình khoáng hóa metyl da cam được biểu diễn trên hình 3.47.

Hình 3.47. Dự đoán cơ chế khoáng hóa metyl da cam bằng hiệu ứng

Fenton điện hóa

3.6.3. Kết luận về quá trình khoáng hóa metyl da cam:

+ Metyl da cam bị khoáng hóa bằng hiệu ứng Fenton điện hóa với hiệu suất khá cao trong điều kiện: dung dịch Na2SO4 0,05 M, pH3, Fe2+ 1 mM, tại 1 mA/cm2, điện cực catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy, tốc độ sục oxy 1 l/phút.

+ Kết quả phân tích phổ UV-Vis: Hiệu suất phân hủy metyl da cam 1,0 mM đạt 72 % sau 5 giờ.

+ Kết quả xác định COD: Hiệu suất suy giảm COD đạt 74 % sau 20 giờ.

3.7. Điều kiện thích hợp khoáng hóa hợp chất azo bằng hiệu ứng Fenton điện hoá

Giá trị hiệu suất dòng điện trong quá trình khoáng hóa đối với cả 3 dung dịch chứa các hợp chất azo được khảo sát trong đề tài luận án này đều rất lớn và đều trên 100 %. Điều này được giải thích là do trong quá trình khoáng hóa bằng hiệu ứng Fenton điện hóa, cùng một lúc có thể xảy ra nhiều quá trình đồng thời như: quá trình oxy hóa trực tiếp hợp chất azo trên điện cực anôt, quá trình oxy hóa gián tiếp hợp chất azo nhờ các tác nhân oxy hóa mạnh sinh ra trên điện cực catôt... Theo thời gian, hiệu suất dòng điện giảm dần do nồng độ của hợp chất azo giảm, kéo theo sự giảm dần tốc độ của phản ứng oxy hóa các hợp chất azo.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình khoáng hóa một số hợp chất màu azo điển hình (metyl đỏ, công gô đỏ và metyl da cam) bằng hiệu ứng Fenton điện hóa cho thấy, quá trình khoáng hóa đạt hiệu suất cao nhất trong dung dịch Na2SO4, pH3, có ion sắt (II) 1 mM, được sục khí oxy với tốc độ 1 lít/phút khi sử dụng điện cực catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy,

tại mật độ dòng áp đặt 1 mA/cm2.

Kết quả nghiên cứu này mở ra ứng dụng hiệu ứng Fenton điện hóa vào xử lý nước thải có chứa các hợp chất màu azo, đặc biệt là nước thải nhuộm.

3.8. Động học của quá trình khoáng hóa các hợp chất azo bằng phương pháp Fenton điện hóa

Phản ứng oxy hóa thuốc nhuộm bằng gốc hydroxyl xảy ra theo phương trình tổng quát sau:

Dye + OH  nCO2 + mH2O + các chất khoáng (3.15) (Dye: Phân tử thuốc nhuộm)

Tốc độ của phản ứng 3.15 có thể được biểu diễn bằng phương trình động học 3.16 như sau:

v = k.[Dye]x.[OH]y (3.16)

Trong đó: v: tốc độ phản ứng

k: Hằng số tốc độ phản ứng

x và y: Bậc riêng phần của phản ứng

Do phản ứng Fenton phân hủy các hợp chất hữu cơ theo cơ chế gốc, gốc hydroxyl OH hình thành trong quá trình phản ứng có khả năng oxi hóa rất mạnh nhưng không bền (thời gian sống ngắn) nên nồng độ sẽ đạt đến trạng thái ổn định ([OH] = const), khi đó phương trình 3.15 chuyển thành phương trình 3.17:

v = k’.[Dye]x (3.17)

Nếu tốc độ phản ứng tuân theo quy luật của phản ứng bậc 1, ta có: x = 1 => v = k’.[Dye] (3.18)

(3.19)

(3.20)

Giải phương trình vi phân 3.20 với t chạy từ 0 đến t, ta có:

(3.21)

Trong đó: [Dye]o là nồng độ thuốc nhuộm ban đầu (t = 0) [Dye]t là nồng độ thuốc nhuộm tại thời điểm t.

Tuy nhiên, theo nghiên cứu của tác giả V.Kavitha và cộng sự [118] cho thấy, trong phản ứng oxi hóa các hợp chất azo bằng gốc OH, với tính chất đặc biệt của hợp chất azo là rất nhanh bị phân hủy trong dung dịch để hình thành các chất béo trung gian và các chất trung gian có nhân thơm, do đó tính

hằng số tốc độ phản ứng giả bậc nhất trên cơ sở đo chỉ số COD (mô hình k’COD) sẽ thích hợp hơn mô hình k’C (tính hằng số tốc độ phản ứng giả bậc nhất trên cơ sở đo chỉ số nồng độ của hợp chất azo). Do đó phương trình 3.21 được biểu diễn bằng phương trình 3.22.

(3.22)

Trên cơ sở số liệu thực nghiệm, vẽ đồ thị biểu diễn các đường cong phụ thuộc -ln[CODt/CODo) - t đối với 3 hợp chất azo metyl đỏ, công gô đỏ và metyl da cam (hình 3.48).

Hình 3.48. Đồ thị sự phụ thuộc -ln(CODt/CODo) vào thời gian khoáng hóa các hợp chất azo ở điều kiện tối ưu đã khảo sát

Quan sát đồ thị hình 3.49 cho thấy, trong cả 3 trường hợp, đồ thị đều có dạng đường thẳng. Điều này chứng tỏ sự biến đổi chỉ số COD theo thời gian

khoáng hóa tuân theo quy luật của phản ứng bậc 1. Các kết quả thu được hoàn toàn phù hợp với các công bố [37,83,120].

Phương trình động học và hằng số tốc độ k’ đối với quá trình khoáng hóa 3 hợp chất azo: metyl đỏ, công gô đỏ và metyl da cam được mô tả trong bảng 3.4.

Kết quả xác định hằng số tốc độ của phương trình giả bậc nhất k’ cho thấy, tốc độ khoáng hóa công gô đỏ cao hơn so với metyl đỏ và metyl da cam là khá phù hợp với hiệu suất suy giảm chỉ số COD sau 20 giờ khoáng hóa. Kết quả này một lần nữa khẳng định, các hợp chất azo có thể bị khoáng hóa hoàn toàn bằng phương pháp Fenton điện hóa trong điều kiện thích hợp, đặc biệt sử dụng điện cực catôt C/Ppy(Cu1,5Mn1,5O4)/Ppy.

Bảng 3.4. Hằng số tốc độ k’ đối với quá trình khoáng hóa các hợp chất azo bằng phương pháp Fenton điện hóa

Hợp chất azo

Phương trình động học

Hằng số tốc độ k’ giờ-1)

Metyl đỏ

0,0649

Công gô đỏ

0,0949

Metyl da cam

0,0653

Trong các phương trình trên, x là thời gian (giờ), y là -ln[CODt/CODo)

3.9. Xử lý nước thải dệt nhuộm bằng hiệu ứng Fenton điện hóa

Trong khuôn khổ luận án, một số mẫu nước thải trực tiếp được lấy từ các cơ sở dệt nhuộm tại 2 làng nghề Vạn Phúc và Dương Nội. Các thông số