Ứng dụng keo tụ điện hoá trong xử lý nước thải mực in

Trong những năm gần đây, giải pháp cho vấn đề ô nhiễm nước thải, chất thải rắn đang là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm. Nước thải mực in là một loại nước thải có độ màu và hàm lượng COD trong nước thải cao. Hàm lượng COD (Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxi hoá hoá học) có thể lên đến 20.000 mg/L và đôi khi hơn 100.000 mg/L, SS khoảng 800-1200 mg/L, màu xanh đậm với độ màu trên 100.000 Pt/Co.[1] Do đó, xử lý nước thải mực in đang là một trong những vấn đề cấp thiết đối với những xí nghiệp nhà máy in bao bì nói riêng và các xí nghiệp đóng gói nói chung trong định hướng phát triển bền vững của toàn thế giới.

Có nhiều phương pháp xử lý nước thải mực in như phương pháp keo tụ, phương pháp hấp phụ, phương pháp màng, các phương pháp oxy hóa nâng cao, phương pháp điện hóa, keo tụ điện hóa kết hợp siêu âm.^[2] Trong các phương pháp nêu trên, keo tụ điện hóa kết hợp siêu âm thu hút được sự quan tâm rất lớn của các nhà nghiên cứu do các ưu điểm như xử lý hoàn toàn chất ô nhiễm với tốc độ cao, thời gian xử lý ngắn, đặc biệt có khả năng xử lí trực tiếp nước thải không đòi hỏi bước tiền xử lý sử dụng hiệu ứng vi cộng hưởng của bọt khí với nhiệt độ cao đến 4.000-10.000 K và áp suất hàng ngàn atm.^[3] Do đó, trong nghiên cứu này chúng tôi kết hợp kĩ thuật keo tụ điện hóa và siêu âm để xử lí nước thải mực in.

MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ

Mô hình thí nghiệm được mô phỏng Hình 1. Trong đó, điện cực có kích thước dài : rộng : cao = 15:3:0,1 cm cấu tạo từ nhôm, có tiết diện tiếp xúc với nước thải 0,465 dm².

Hình 1: Sơ đồ minh họa hệ thí nghiệm keo tụ điện hóa kết hợp rung siêu âm

1. Nguồn điện 1 chiều; (2) Bể rung siêu âm; (3) Điện cực dương;

(4) Điện cực âm; (5) Nước thải mực in

Trong thời gian phản ứng 10 phút^[4] với môi trường pH = 6,34 ^[5] và cường độ dòng điện thay đổi từ 0,25 A đến 0,55 A, thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến hiệu suất xử lý nước thải mực in được thực hiện. Kết quả thu được trong Hình 2 cho thấy, mật độ dòng điện càng tăng thì hiệu quả xử lý COD càng cao. Ở mật độ dòng cao, điện cực anot hòa tan nhiều, các phân tử điện dương sinh ra nhiều, chúng hấp phụ gây keo tụ các chất mang điện tích âm trong nước. Mặt khác, mật độ dòng cao cũng sẽ dẫn đến điện trường trong dung dịch lớn làm tăng khả năng xảy ra các phản ứng oxi hóa, khử các chất hữu cơ, phá vỡ mối liên kết trong mạch carbon, làm giảm đi các nhóm mang màu của phần chất màu tan trong nước, nên làm cho nước thải dần mất màu. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng mật độ dòng lên cao thì hiệu suất xử lý COD có xu hướng giảm xuống do năng lượng điện hóa vượt ngưỡng làm cho quá trình hòa tan điện cực diễn ra quá mạnh tạo quá nhiều ion gây dư thừa và ăn mòn điện cực rất nhanh gây tổn hao năng lượng, tiêu tốn kinh phí thay điện cực. Trong nghiên cứu này, hiệu suất xử lý tốt nhất đạt 77,42% khi mật độ dòng điện là 0,97 A/dm²_, có đôi chút khác biệt với nghiên cứu của ThS. Đinh Tuấn ^[6]. Sự khác biệt này do trong nghiên cứu ThS. Đinh Tuấn đã dùng nước thải pha chế và sử dụng thêm NaCl mà gốc Cl^- trong quá trình điện hóa có thể tạo ra các gốc chất có khả năng làm tăng hiệu quả xử lý, đạt 96% ở mật độ dòng 0,9 A/dm².

Trong môi trường kiềm, ở điện cực anot phản ứng tạo O₂ diễn ra nhanh (4OH^- - 4e = O₂ + 2H₂O). Khí O₂ thoát ra là chất oxi hóa có tác dụng khử màu các chất hữu cơ. Khi môi trường kiềm cao thì lượng OH^- nhiều dẫn đến lượng O₂ sinh ra nhiều có thể gây cản trở đến quá trình điện cực. Khi pH quá cao làm những chất Al(OH)₃ được sinh ra khi ion ở anot tan ra kết hợp với OH^-, đóng vai trò là tâm keo tụ chất hữu cơ, lại bị tan ra hoặc hình thành quá nhiều dẫn đến hiệu quả xử lý giảm.

(1) pH, (2) Mật độ dòng , (3) Thời gian phản ứng

Hình 2: COD sau xử lý và hiệu suất xử lý khi thay đổi

Phương pháp keo tụ điện hóa cho hiệu quả xử lý tối ưu khi nước thải có pH = 7. Kết quả này tương đồng với kết quả nghiên cứu của TS. Bùi Thị Tuyết Loan trong nghiến cứu xử lý nước thải mực in bằng phương pháp keo tụ điện hóa. TS. Loan đã sử dụng điện cực nên sắt và cho kết quả pH tối ưu là 7, với hiệu suất xử lý đạt 70,5% ^[7].

Thời gian điện hóa càng tăng hiệu quả xử lý càng cao, Tuy nhiên, khi thời điện hóa tiếp tục tăng lên đến 40 phút thì hiệu quả xử lý có xu hướng giảm xuống. Lý giải cho điều này đó là khi thời gian điện hóa ngắn thì không đủ điều kiện cho các phản ứng oxi hóa khử các chất hữu cơ diễn ra, đồng thời không đủ thời gian hình thành nên nhiều các chất keo tụ dẫn đến hiệu quả xử lý không được cao. Kết quả nghiên cứu này tương đồng với kết quả nghiên cứu phân hủy thuốc nhuộm bằng phương pháp keo tụ điện hóa sử dụng điện cực inox của tác giả Bùi Quang Cư và các cộng sự ^[8]. Nhóm tác giả này cho kết quả nghiên cứu xử lý COD trong nước thải dệt nhuộm là 70% trong thời gian điện hóa 25 phút.

Rung siêu âm có khả năng tăng hiệu quả xử lý nước thải mực in. Hiệu suất xử lý COD tăng lên khoảng 12%. Hiệu suất xử lý độ màu cả hai phương pháp đều đạt tới 99,10% với phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp siêu âm. Siêu âm làm tăng hiệu quả xử lý của phương pháp là do các sóng xung kích tạo ra từ siêu âm làm phân bố đều các ion tạo ra trong quá trình điện hóa giúp cho quá trình thủy phân tạo Al(OH)₃ tăng cao. Hơn nữa, rung siêu âm có tác dụng liên tục làm sạch bề mặt điện cực khỏi các lớp bùn bám vào khi điện hóa tạo và một phần nào đó tăng khả năng phá vỡ liên kết của các chất mang màu do có thể làm tăng từ trường, sóng tạo ra có thể tác động đến mức tế bào; từ đó làm tăng hiệu quả xử lý nước thải mực in bằng phương pháp keo tụ điện hóa. Bên cạnh đó, thời gian xử lý các loại nước thải hầu như không thay đổi so với điện hóa không sử dụng siêu âm. Như vậy siêu âm đã có tác dụng làm tăng hiệu quả xử lý nước thải mực in khi kết hợp với keo tụ điện hóa sử dụng điện cực nhôm.

KẾT LUẬN

Các kết quả cho thấy phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp siêu âm có khả năng xử lý hiệu quả mực in có nồng độ khác nhau lên đến 92% COD và loại bỏ độ màu đến 98% trong một khoảng thời gian ngắn không yêu cầu sử dụng thêm các chất hóa học. Điều kiện tối ưu cho phương pháp: mật độ dòng điện chạy trong điện cực là 0,97 A/dm², pH ban đầu của nước thải là 7, thời gian phản ứng là 25 phút và khoảng các giữa các điện cực là 3cm. Khả năng ứng dụng của phương pháp này trong xử lý nước thải mực in và có thể mở rộng cho xử lí các loại nước thải khác. Phương pháp keo tụ điện hoá đang được quan tâm nhiều trong thời gian gần đây, phương pháp này ít sử dụng hoá chất, không gây ô nhiễm thứ cấp do các thành phần hoá chất dư trong dòng thải. Hơn thế nữa phương pháp này còn áp dụng xử lý hiệu quả một số thành phần kim loại nặng trong nước thải các ngành công nghiệp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. I. Yan-bao, C. Ji-xia, S. Wei-nan, and W. Chao-yang, Printing-ink and Environmental Protection, Journal of Xi'an University of Arts and Science (Natural Science Edition), 2007, 2(10), 111-114.

2. L. Ding, Y. Chen and J. Fan, An overview of the treatment of print ink wastewaters, Journal of Environmental Chemistry and Ecotoxicology, 2011, 3(10), 272-276.

3. R. Mahdavi and S. S. Ashraf Talesh, The effect of ultrasonic irradiation on the structure, morphology and photocatalytic performance of ZnO nanoparticles by sol-gel method, Ultrasonics Sonochemistry, 2017, 39, 504-510.

4. S. Adamovic, M. Prica, B. Dalmacija, S. Rapajic, D. Novakovic, Z. Pavlovic and S. Maletic, Feasibility of electrocoagulation /flotation treatment of waste offset printing developer based on the response surface analysis, Arabian Journal of Chemistry, 2016, 9(1), 152-162.

5. Nguyen Thi Huong, Comparation of the removal efficiency of textile wastewater by using electrocoagulation method and fenton oxidation process, Journal of Science and Technology – Da Nang University, 2009, 6(30), 120-106.

6. Dinh Tuan, Investigation of removal of textile wastewater by using coagulation method- electrolytic flotation with Aluminum and Iron as anode electrodes, Master’s Thesis, Da Nang University, Da Nang (2011).

7. Bui Thi Thanh Loan, Study on removal of printing ink wastewater, National Library of Vietnam, Ha Noi.

8. Bui Quang Cu, Do The Hung, Bui Quang Minh and Nguyen Van That, Examination of degradable behavior of dyes from aqueous solution by using electrochemical method, Journal of Science and Technology, 2008, 46(4), 83-92

Thông tin về tác giả: TS. Phạm Hương Quỳnh hiện đang công tác tại Viện Công nghệ HaUI, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội. Tốt nghiệp Đại học sư phạm Thái Nguyên năm 2000 chuyên ngành sinh học. Tốt nghiệp Thạc sỹ năm 2006 tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội chuyên ngành Công nghệ Môi trường. Đạt học vị Tiến sỹ chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường tại Đại học Bách Khoa Hà Nội 2016.

Hướng nghiên cứu chính hiện nay: Nghiên cứu xử lý nưaớc thải bằng phương pháp sinh học và vật liệu nano,