Luận văn Loại bỏ phẩm màu hữu cơ bằng vật liệu thải biến tính

Nội dung tài liệu: Luận văn Loại bỏ phẩm màu hữu cơ bằng vật liệu thải biến tính

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------- Đặng Thế Anh LOẠI BỎ PHẨM MÀU HỮU CƠ BẰNG VẬT LIỆU THẢI BIẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2016
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------- Đặng Thế Anh LOẠI BỎ PHẨM MÀU HỮU CƠ BẰNG VẬT LIỆU THẢI BIẾN TÍNH Chuyên ngành: Hóa Môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Đào Sỹ Đức PGS.TS. Đỗ Quang Trung Hà Nội - 2016
3. LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin chân thành cảm ơn TS. Đào Sỹ Đức và PGS.TS. Đỗ Quang Trung, những người thầy đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm trong suốt thời gian em thực hiện và hoàn thành Luận văn. Em xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ và các Thầy, Cô giáo Phòng thí nghiệm Hóa Môi trường, Bộ môn Công nghệ Hóa học, khoa Hóa học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ em về kiến thức và hỗ trợ thiết bị thực nghiệm có liên quan tới Luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả luận văn Đặng Thế Anh
4. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC .................................................................................................................. i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ iv DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. v DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. vi MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN .................................................................................... 2 1.1. Nước thải dệt nhuộm chứa phẩm màu hữu cơ khó phân hủy ................... 2 1.1.1. Chất hữu cơ khó phân hủy ........................................................................ 2 1.1.2. Nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm ...................................................... 2 1.1.3. Các loại thuốc nhuộm thường dùng ở Việt Nam ...................................... 3 1.1.4. Ảnh hưởng của nước thải dệt nhuộm ........................................................ 8 1.2. Tổng quan các phương pháp xử lý thuốc nhuộm trong nước thải dệt nhuộm ..................................................................................................................... 9 1.2.1. Các phương pháp hóa lý............................................................................ 9 1.2.2. Các phương pháp sinh học ...................................................................... 11 1.2.3. Các phương pháp điện hóa ...................................................................... 12 1.2.4. Các phương pháp hóa học ....................................................................... 12 1.2.5. Ứng dụng kỹ thuật Fenton xử lý màu thuốc nhuộm trong nước thải dệt nhuộm ................................................................................................................ 17 1.3. Bùn đỏ và tác hại bùn đỏ với môi trường .................................................. 23 1.4. Kết luận tổng quan ....................................................................................... 24 CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM ............................................................................ 25 2.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................... 25 2.2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................... 25 2.3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 25 2.4. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ ...................................................................... 26 2.4.1. Hóa chất .................................................................................................. 26 2.4.2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ............................................................... 26 2.5. Quy trình thực nghiệm ................................................................................ 27 i
5. 2.5.1. Biến tính bùn đỏ ...................................................................................... 27 2.5.2. Khảo sát hoạt tính của xúc tác ................................................................ 28 2.6. Các phương pháp phân tích ........................................................................ 28 2.6.1. Phương pháp xác định nồng độ RY 160 trong mẫu ................................ 28 2.6.2. Phương pháp sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM).......................... 29 2.6.3. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) .................................. 29 2.6.4. Phương pháp xác định bề mặt riêng BET. .............................................. 30 2.7. Phương pháp xử lý số liệu ........................................................................... 30 2.7.1. Phương pháp tính toán ............................................................................ 30 2.7.2. Phương pháp xử lý số liệu động học ....................................................... 30 2.7.3. Phương pháp xử lý số liệu năng lượng hoạt hóa ..................................... 31 CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 32 3.1. Xác định bước sóng hấp thụ đặc trưng của dung dịch phẩm nhuộm ..... 32 3.2. Xây dựng đường chuẩn nồng độ của dung dịch phẩm nhuộm ................ 33 3.3. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới hoạt tính xúc tác của bùn đỏ biến tính .. 33 3.3.1. Ảnh hưởng của lượng Fe (III) đưa vào biến tính bùn đỏ ........................ 34 3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung bùn đỏ ..................................................... 36 3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian nung bùn đỏ .................................................... 37 3.4. Đặc tính của bùn đỏ biến tính ..................................................................... 38 3.4.1. Hình thái bề mặt ...................................................................................... 38 3.4.2. Thành phần của bùn đỏ ........................................................................... 40 3.4.3. Diện tích bề mặt riêng ............................................................................. 41 3.5. Khảo sát điều kiện thực hiện phương pháp Fenton dị thể ....................... 43 3.5.1. Ảnh hưởng của hydropeoxit .................................................................... 43 3.5.2. Ảnh hưởng của hàm lượng bùn đỏ biến tính .......................................... 46 3.5.3. Ảnh hưởng của pH .................................................................................. 48 3.5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch ......................................................... 51 3.6. Động học quá trình xử lý màu bằng kỹ thuật Fenton dị thể sử dụng xúc tác bùn đỏ biến tính ............................................................................................. 53 3.7. Năng lượng hoạt hóa của quá trình xử lý màu bằng kỹ thuật Fenton dị thể sử dụng xúc tác bùn đỏ biến tính ................................................................ 57 ii
6. 3.8. Kết quả phân tích phổ UV-vis của dung dịch phẩm màu ........................ 58 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 61 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 68 iii
7. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BET Brunauer- Emmett- Teller BJH Barrett-Joyner-Halenda COD Chemical oxigen demand Nhu cầu oxi hóa học EDX Engery dispersive X-ray spectroscopy Phổ tán xạ năng lượng tia X H Hiệu suất phân hủy RY 160 Reactive Yellow 160 Phẩm màu Reactive Yellow 160 SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét UV-vis Ultraviolet-visible spectroscopy Phổ tử ngoại khả kiến RM-Fe(III) Hệ xúc tác bùn đỏ biến tính bằng muối sắt (III) iv
8. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Điện thế oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa mạnh ................................ 14 Bảng 1.2. Các phản ứng chính của hệ phản ứng Fenton và hằng số tốc độ tương ứng ................................................................................................................................... 18 Bảng 2.1. Các hóa chất cơ bản được sử dụng để tiến hành thí nghiệm .................... 26 Bảng 2.2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ................................................................ 26 Bảng 3.1. Hàm lượng muối sắt (III) sunfat được sử dụng để biến tính bùn đỏ ........ 34 Bảng 3.2. Thành phần các nguyên tố trong bùn đỏ trước biến tính và sau biến tính. ................................................................................................................................... 40 Bảng 3.3. Kết quả đo diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp ......................................... 42 v
9. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Các quá trình hình thành gốc hydroxyl .................................................... 15 Hình 2.1. Công thức cấu tạo thuốc nhuộm hoạt tính RY 160. ................................. 26 Hình 3.1. Phổ UV-vis của RY 160 ........................................................................... 32 Hình 3.2. Tương quan giữa độ hấp thụ quang và nồng độ phẩm RY 160 ............... 33 Hình 3.3. Ảnh hưởng của lượng Fe (III) đưa vào biến tính bùn đỏ ......................... 35 Hình 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung bùn đỏ ...................................................... 36 Hình 3.5. Ảnh hưởng của thời gian nung bùn đỏ ..................................................... 38 Hình 3.6. Ảnh SEM của mẫu bùn đỏ trước biến tính (a) và sau biến tính (b) ......... 39 Hình 3.7. Phổ EDX của bùn đỏ trước biến tính (a) và sau biến tính (b) .................. 40 Hình 3.8. Đẳng nhiệt hấp phụ khí Nitơ của mẫu bùn đỏ ......................................... 41 Hình 3.9. Sự phân bố thể tích lỗ xốp mẫu bùn đỏ .................................................... 42 Hình 3.10. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 tới hiệu quả xử lý .................................. 44 Hình 3.11. Ảnh hưởng của H2O2 tới tốc độ phản ứng .............................................. 45 Hình 3.12. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác tới hiệu quả xử lý ........................... 46 Hình 3.13. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác tới tốc độ phản ứng ........................ 47 Hình 3.14. Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả xử lý .................................................... 49 Hình 3.15. Các hợp chất Fe(III) phụ thuộc vào pH tại 20 oC ................................... 50 Hình 3.16. Ảnh hưởng của pH tới tốc độ phản ứng ................................................. 51 Hình 3.17. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất xử lý ........................................... 52 Hình 3.18. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng ......................................... 53 Hình 3.19. Kết quả xác định hằng số tốc độ phản ứng theo bậc một ....................... 55 Hình 3.20. Kết quả xác định hằng số tốc độ phản ứng theo bậc hai ........................ 56 Hình 3.21. Mối quan hệ tuyến tính cuả lnk và 1/T ................................................... 57 Hình 3.22. Phổ UV-vis của RY 160 theo thời gian xử lý ([RY 160] = 200 mg/L) . 58 vi
10. MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trường nói chung, ô nhiễm môi trường nước nói riêng đang là một vấn đề toàn cầu. Nguồn gốc ô nhiễm môi trường nước chủ yếu là do các nguồn nước thải không được xử lý thải trực tiếp ra môi trường bao gồm nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất công nghiệp, nông nghiệp... Một trong những ngành công nghiệp gây ô nhiễm môi trường lớn là ngành dệt nhuộm. Với dây chuyền công nghệ phức tạp, bao gồm nhiều công đoạn sản xuất khác nhau nên nước thải sau sản xuất dệt nhuộm chứa nhiều loại hợp chất hữu cơ độc hại, đặc biệt là các công đoạn tẩy trắng và nhuộm màu. Nghiên cứu, xử lý nước thải có chứa phầm nhuộm hữu cơ khó phân hủy là một vấn đề rất quan trọng nhằm loại bỏ hết các chất này trước khi xả ra môi trường, bảo vệ con người và môi trường sinh thái. Trong những năm gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu và sử dụng các phương pháp khác nhau nhằm xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải như: phương pháp vật lý, phương pháp sinh học, phương pháp hoá học, phương pháp điện hoá... Trong đó, việc xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại bằng kỹ thuật Fenton dị thể sử dụng vật liệu thải là một trong những hướng nghiên cứu mới đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu, do có thể góp phần vào việc khắc phục nhược điểm cơ bản của kỹ thuật Fenton đồng thể là chi phí cao cho hóa chất, nguyên vật liệu và khó thu hồi xúc tác. Ngoài ra, việc phát triển các vật liệu xúc tác dị thể trên nền tảng các nguồn thải công nghiệp còn góp phần giải quyết, giảm thiểu ảnh hưởng của các nguồn thải đó tới môi trường. Trong Luận văn Loại bỏ phẩm màu hữu cơ bằng vật liệu thải biến tính, bùn đỏ được biến tính và sử dụng như một loại xúc tác Fenton dị thể trong mục tiêu phân hủy phẩm màu hữu cơ với mục tiêu biến nguồn thải nguy hại bùn đỏ thành nguồn tài nguyên có thể sử dụng hữu ích trong bảo vệ môi trường, giảm chi phí quá trình xử lý nước, tối ưu hóa các điều kiện vận hành và tính toán các thông số cơ bản, đặc trưng của quá trình xử lý. 1