Trong nghiên cứu này, xỉ sắt xốp được sử dụng làm chất xúc tác cho quá trình Fenton dị hóa. Thực nghiệm tiến hành theo mẻ để xác định điều kiện vận hành tối ưu, đánh giá khả năng xử lý và so sánh với quá trình Fenton thông thường. Kết quả cho thấy Fenton dị hóa có hiệu xử lý độ màu và COD cao, 93,27% và 85,22%. Xỉ sắt xốp có thể tái sử dụng được 3 lần, bùn thải sinh ra ít và tiêu tốn ít hóa chất.
Từ khóa: Fenton dị hóa, xúc tác, nước thải dệt nhuộm
Đặt vấn đề
Công đoạn nhuộm và hoàn tất vải lại trong ngành dệt may là những công đoạn phát thải ô nhiễm cao nhất khi tiêu thụ nhiều nước, sử dụng nhiều loại thuốc nhuộm, hóa chất với khoảng hơn 10.000 thuốc nhuộm được tiêu thụ trong công nghiệp chế biến dệt may và nồng độ của chúng dao động từ 10 đến 10.000 mg/L tùy thuộc vào quy trình [1]. Uớc tính đến năm 2050, ô nhiễm nước thải từ các ngành công nghiệp dệt may trên toàn cầu sẽ tăng gấp đôi, khiến nó trở thành ngành gây ô nhiễm lớn thứ hai trên thế giới sau ngành nông nghiệp [2].
Để xử lý nước thải này, một loạt các phương pháp đã được phát triển bao gồm: Quá trình keo tụ - tạo bông, quá trình điện hóa, hấp phụ, đông tụ, tách màng, tuyển nổi, trao đổi ion và quá trình oxy hóa nâng cao (AOP). Fenton Fe(II) với chất oxy hóa H2O2 là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để oxy hóa các chất ô nhiễm hữu cơ hiện nay. Tuy nhiên, phản ứng cần được thực hiện trong điều kiện axit hẹp, hiệu suất sử dụng H2O2 thấp, Fe(II) khó thu hồi, tạo ra lượng lớn bùn sắt và giá thành cao,... điều này hạn chế việc ứng dụng quy mô lớn của công nghệ Fenton trong công nghiệp [3]. Để giải quyết nhiều vấn đề tồn tại trong phản ứng Fenton thông thường, phản ứng Fenton dị hóa đã được phát triển với việc sử dụng các hợp chất rắn chứa sắt hoặc vật liệu rắn giàu sắt làm chất xúc tác, bề mặt chất xúc tác pha rắn phản ứng với H2O2 tạo ra các chất oxy hóa mạnh - gốc hydroxyl (OH*), sau đó oxy hóa và phân hủy các chất hữu cơ hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác. Phương pháp này khắc phục được hạn chế của phản ứng Fenton thông thường với phạm vi phản ứng pH rộng, chất xúc tác có thể được thu hồi và tái chế, không tạo ra bùn sắt, giúp giảm ô nhiễm thứ cấp và chi phí xử lý. Phương pháp này đã trở thành một công nghệ xử lý nước thải đầy tiềm năng và thân thiện với môi trường trong xu hướng phát triển bền vững hiện nay [4] [5]. Do đó, đề tài “Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải dệt nhuộm bằng hệ Fenton dị hóa” được thực hiện để đánh giá hiệu quả của phương pháp.
Phương pháp nghiên cứu
Nước thải đầu vào: Nước thải đầu vào được đầu vào được lấy sau bề điều hòa của hệ thống xử lý nước thải của Công ty TNHH Sản xuất Toàn Hùng, TP. Hồ Chí Minh
Vật liệu xúc tác: DRI lấy từ Nhà máy xử lý và tái chế bụi lò thép, Vũng Tàu.
Dụng cụ và thiết bị: Máy đo pH-ORP-Nhiệt độ Adwa AD1040 (~2,00 -16,00 pH). Máy DR900 dùng để đo độ màu. Máy nung phá mẫu COD DR200. Ngoài ra các dụng cụ khác như: cốc 500ml, pipet, puret, đũa khuấy, … và một số dụng cụ khác trong phòng thí nghiệm phục vụ cho thí nghiệm và phân tích.
H2SO4 1N và NaOH 1N được sử dụng để điều chỉnh pH. H2O2 30% sử dụng trong phản ứng Fenton hóa.
Quy trình thực nghiệm
Mô hình thí nghiệm được thiết kế theo dạng mẻ. Mô hình thí nghiệm theo dạng mẻ được thực hiện trong cốc thủy tinh thể tích 1 lít đặt trên máy khuấy từ gia nhiệt. H2SO4 được cho vào để cân chỉnh pH của nước thải cùng với đó vật liệu xúc tác xỉ sắt xốp dạng hạt có kích thước 1,0 - 1,5 mm, H2O2 cũng được cho vào trong cốc thủy tinh có chứa 1 lít nước thải theo từng điều kiện của các nghiệm thức được bố trí theo thí nghiệm Box-Behnken để thực hiện quá trình phản ứng Fenton dị hóa. Mẫu sau phản ứng được châm NaOH để nâng pH về điều kiện kết tủa của phèn sắt, sau đó để lắng trong vòng 1 giờ và tiến hành tách bùn, xỉ thải. Mẫu nước thải sau cùng được đem đi phân tích các thông số độ màu, COD, sắt, kim loại tùy theo từng nội dung thí nghiệm. Mô hình được thiết kế như Hình 1.
Hình 1: Mô hình Fenton dị hóa dạng mẻ
.jpg)
Mỗi thí nghiệm lặp lại 3 lần để đảm bảo độ tin cậy
Kết quả và thảo luận
Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của pH, liều lượng chất oxy hóa H2O2 và lượng chất xúc tác xỉ sắt xốp, đến hiệu quả xử lý độ màu và COD.
Chỉ số pH, lượng chất xúc tác xỉ sắt xốp, liều lượng chất oxy hóa H2O2 là các yếu tố có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả xử lý của quá trình Fenton dị hóa. Do đó, nghiên cứu sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) trên phần mềm Design Expert để thiết kế số lượng thí nghiệm tối ưu với ba biến độc lập (pH, liều lượng chất xúc tác xỉ sắt xốp và liều lượng chất oxy hóa - H2O2), hai biến đáp ứng là hiệu suất xử lý độ màu và COD. Nghiên cứu được thiết kế theo thí nghiệm Box-Beknken và cho ra 15 nghiệm thức. Giá trị các thông số khảo sát bao gồm: pH từ 3 - 5; lượng chất xúc tác từ 5 - 30 g/L, nồng độ chất oxy hóa H2O2 từ 2,0 - 10 mL/L ở nhiệt độ thường đến 450C và thời gian phản ứng cố định 15 phút với tốc độ khuấy cơ học 120 vòng/phút.
Bảng 1. Kết quả xử lý ở điều kiện vận hành tối ưu trên mô hình dạng mẻ của quá trình Fenton dị hóa
.jpg)
Kết quả phân tích thực nghiệm cho thấy hiệu quả xử lý độ màu và COD phụ thuộc vào cả 3 yếu tố: pH, lượng xúc tác và liều lượng H2O2. Bên cạnh đó, nhiệt độ và thời gian phản ứng cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệuquả xử lý. Điều kiện vận hành phù hợp, cho hiệu quả xử lý màu và COD cao nhất, được tìm thấy gồm pH 4,0; liều lượng H2O2 là 2,0 mL/L; lượng chất xúc tác: 30 mg/L; nhiệt độ 35oC; thời gian 25 phút.
Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải dệt nhuộm
Hiệu quả xử lý trong điều kiện vận hành tối ưu trên mô hình dạng mẻ của quá trình Fenton dị hóa được thực hiện để đánh giá khả năng xử lý dựa trên các thông số sau: hiệu quả xử lý độ màu, COD, hàm lượng một số kim loại (Pb, Ni, Zn, Mn, Fe) trong nước, lượng bùn sinh ra và lượng xỉ phát sinh. Điều kiện vận hành gồm pH 4,0; liều lượng H2O2 là 2,0 mL/L; lượng chất xúc tác: 30 mg/L; nhiệt độ 350C; thời gian 25 phút. Kết quả đánh giá hiệu quả lý xử lý được tổng hợp trong Bảng 1.
Từ kết quả trên cho thấy hiệu quả xử lý độ màu, COD đạt khá cao, 93,29% và 85,41%. Nước thải đầu ra hầu hết đã đạt cột B, QCVN 40:2011/BTNMT. Riêng COD đầu ra vẫn cao hơn giá trị cột B nhưng không đáng kể. Một số giá trị kim loại đầu ra cao hơn đầu vào là do các kim loại này có trong xỉ sắt xốp nên khi tham gia vào phản ứng đã hòa tan vào nước. Tuy nhiên hàm lượng tăng không đáng kể và vẫn đạt giá trị cột B, QCVN 40:2011/BTNMT. Lượng bùn sinh ra trung bình 2,06 kg/m3.
So sánh hiệu quả xử lý với Fenton thông thường
Với mục tiêu so sánh và đánh giá hiệu quả xử lý giữa quá trình Fenton dị hóa và quá trình Fenton thông thường, từ đó giúp cung cấp thêm các dữ liệu khoa học trong việc tham khảo và lựa chọn công nghệ xử lý thích hợp, nghiên cứu tiến hành khảo sát các yếu tố tối ưu của quá trình Fenton thông thường trên cùng mẫu nước thải với quá trình Fenton dị hóa. Kết quả tìm thấy điều kiện tối ưu của Fenton thông thường là pH 3, sắt FeSO4.7H2O 30% 12,3 mL/L, liều lượng H2O2 6,0 mL/L. Kết quả cho thấy, khi tăng thời gian phản ứng thì giá trị độ màu và COD ở hai quá trình đều giảm dần. Trong đó, quá trình Fenton thông thường có tốc độ phản ứng và xử lý nhanh hơn nhiều so với quá trình Fenton dị hóa, đặc biệt là đối với COD. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng thời gian phản ứng lên đến 45 phút thì giá trị độ màu và COD ở quá trình Fenton thông thường bắt đầu tăng trở lại, trong khi đó ở quá trình Fenton dị hóa vẫn tiếp tục giảm nhưng tốc độ khá chậm. Điều này có thể xuất phát từ quá trình Fenton thông thường có tốc độ phản ứng nhanh nên tác nhân oxy hóa tiêu hao nhanh chóng và giảm việc tạo ra gốc *OH, đồng thời các phản ứng phụ không mong muốn diễn ra cũng làm giảm hiệu quả xử lý. Ngoài ra, sau phản ứng chất xúc tác sắt (II) bị chuyển về dạng sắt (III) có tốc độ phục hồi thấp cũng làm giảm việc tạo ra gốc *OH. Quá trình Fenton dị hóa cũng diễn ra tương tự nhưng do có tốc độ phản ứng chậm hơn nên sau 25 phút vẫn còn duy trì được các tác nhân oxy hóa nhưng lượng còn lại không nhiều nên tốc độ phân hủy chất ô nhiễm cũng giảm và chậm dần.
Nhìn chung, xét về thời gian phản ứng, cả hai quá trình điều có thời gian phản ứng tối ưu được chọn ở 25 phút nhưng về hiệu quả xử lý thì quá trình Fenton thông thường có hiệu quả xử lý cao hơn so với quá trình Fenton dị hóa. Tuy nhiên, khi xét về bùn thải thì Fenton dị hóa sinh ra bùn ít hơn rất nhiều, chỉ bằng 1/5 so với Fenton thông thường. Ngoài ra, Fenton dị hóa sử dụng chất thải là xỉ sắt xốp làm xúc tác và có thể tái sử dụng 3 lần. Vì vậy Fenton dị hóa này rất có ý nghĩa về mặt bảo vệ môi trường và kinh tế tuần hoàn.
Hình 2. So sánh hiệu quả xử lý giữa Fenton dị hóa và Fenton thông thường.
.jpg)
Kết luận
Thử nghiệm cho thấy, Fenton dị hóa sử dụng xỉ sắt xốp làm xúc tác có thể xử lý tốt nước thải dệt nhuộm với hiệu suất xử lý độ màu, COD đạt rất cao, 93,39% và 85,41%. Các thông số đầu ra phần lớn đạt cột B, QCVN 40:2011/BTNMT. Khi so sánh với Fenton thông thường, hiệu suất xử lý của Fenton dị hóa có phần thấp hơn nhưng Fenton dị hóa này tận dụng được chất thải làm xúc tác, ít tốn hóa chất hơn và sản sinh ra bùn thấp, chỉ bằng 1/5 so với Fenton thông thường.
Tài liệu tham khảo
1. Martin Hartmann et al., 2010, Wastewater treatment with heterogeneous Fenton-type catalysts based on porous materials, Journal of Materials Chemistry, 20, 9002-9017;
2. Mriduta Sharma et al., 2023, Advancement in solar energy-based technologies for sustainable treatment of textile wastewater: Reuse, recovery and current perspectives, Journal of Water Process Engineering, Volume 56, 104241;
3. Cheng M, Lai C, Liu Y, Zeng G, Huang D, Zhang C, Qin L, Hu L, Zhou C, Xiong W. Coord, Chemical Review, 2018, 368: 80;
4. Marta I. Litter et al., 2017, An overview on heterogeneous Fenton and photoFenton reactions using zerovalent iron materials, Journal of Advanced Oxidation Technologies, 20160164;
5. Lida Jia et al., 2020, Heterogeneous Fenton Catalytic Oxidation for Water Treatment, Progress in Chemistry, 32(7): 978-988.
CHÂU THỊ NĂM1, DƯƠNG PHẠM HÙNG2, HUỲNH THỊ NGỌC HÂN1*
1 Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh
2 Trường Đại học Thủ Dầu Một
*: Tác giả chính- Email: han.htn_mt@hcmunre.edu.vn, điện thoại: 0984202040
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 21 (Kỳ 1 tháng 11) năm 2024
Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu giải pháp xử lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) bền vững cho Việt Nam thông qua tích hợp công nghệ vi sinh (phân hủy sinh học) và nhiệt phân. Trước áp lực gia tăng rác đô thị và yêu cầu phát triển kinh tế tuần hoàn, phương pháp này được đề xuất nhằm tận dụng tài nguyên từ rác, giảm chôn lấp và phát thải.
Nếu ở Kỳ 1, độc giả đã thấy những định hướng chiến lược và công nghệ xanh mở ra lối đi mới cho nông nghiệp Việt, thì đến Kỳ 2, điểm nhấn lại nằm ở những giải pháp cụ thể. Từ phòng thí nghiệm, nhiều nghiên cứu khoa học đã bước ra thực tiễn, đồng hành cùng doanh nghiệp, tạo nên các mô hình thành công: từ công nghệ bảo quản mới, chế biến cà phê hiện đại, đến kinh tế tuần hoàn phụ phẩm tôm và nâng tầm sản phẩm truyền thống như nước mắm. Đây chính là những hạt nhân giúp nông sản Việt gia tăng giá trị và chinh phục thị trường quốc tế.
Cao chloroform của Bí kỳ nam (Hydnophytum formicarum Jack.) được sắc ký cột với các hệ dung môi có độ phân cực khác nhau và kết hợp với kỹ thuật sắc ký lớp mỏng để thực hiện quá trình phân lập và tinh sạch các hợp chất. Cấu trúc của các hợp chất được xác định bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân và kết hợp so sánh với tài liệu tham khảo. Ba hợp chất được tinh sạch và xác định cấu trúc bao gồm luteolin (1), quercetin (2) và quercitrin (3).
Hoạt tính xua đuổi hiệu quả của p-menthan-3,8-diol (PMD) đã được chứng minh là hiệu quả an toàn cho sức khỏe, tuy nhiên, hợp chất này vẫn chưa được sử dụng phổ biến ở Việt Nam. Đã có một số công trình nghiên cứu khảo sát tổng hợp PMD chủ yếu sử dụng xúc tác acid H2SO4 loãng với các điều kiện phản ứng khác nhau về thời gian và nhiệt độ.
Cháy nổ trong sinh hoạt dân dụng vẫn là một vấn đề nhức nhối tại Việt Nam, gây ra những thiệt hại nặng nề về người và tài sản do sự bất cẩn hoặc lỗi thiết bị điện. Các hệ thống cảnh báo cháy truyền thống thường có độ trễ cao, chỉ phản ứng khi cháy đã xảy ra rõ ràng, dễ gây báo động giả và thiếu khả năng cảnh báo từ xa.
Khu vực đảo Palawan (Philippine), Sempoma SABAH (Malaysia) nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với hai mùa mưa, mùa khô rõ rệt. Tại Palawan, trung bình năm nhiệt độ không khí 28,50C, độ ẩm trung bình 58,4%, tổng lượng mưa 2.920 mm, tổng số giờ nắng trong khoảng 2,180 - 2,307h, nhiệt độ nước biển 29,30C và độ muối nước biển 33,3‰.
