Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp dệt nhuộm đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế nhưng đồng thời cũng là nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là nước thải chứa thuốc nhuộm và hóa chất độc hại. Theo số liệu thu thập tại Công ty Cổ phần Dệt may Đầu tư Thương mại Thành Công, nước thải dệt nhuộm có độ màu trung bình khoảng 1880 Pt-Co, COD dao động từ 200 đến 700 mg/L, TOC khoảng 111,6 mg/L, và pH từ 9 đến 11, vượt xa quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt nhuộm (QCVN 13-MT:2015/BTNMT). Các chất ô nhiễm này khó phân hủy sinh học, gây độc tính cao và ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái thủy sinh cũng như sức khỏe con người.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm bằng công nghệ Fenton điện hóa xúc tác dị thể sử dụng chất xúc tác Fe3O4/CeO2. Nghiên cứu nhằm xác định điều kiện tối ưu về pH, hiệu điện thế, khoảng cách điện cực, tỉ lệ Fe3O4 và CeO2, lượng chất xúc tác và vật liệu điện cực để đạt hiệu quả xử lý cao nhất. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh, sử dụng mẫu nước thải thực tế lấy từ bể điều hòa của nhà máy dệt nhuộm tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2018.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đồng thời giảm chi phí vận hành so với các phương pháp truyền thống. Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện công nghệ xử lý nước thải công nghiệp, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường hiện hành, đồng thời mở ra hướng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về quá trình Fenton điện hóa xúc tác dị thể, trong đó hydrogen peroxide (H2O2) được sinh ra tại chỗ qua phản ứng điện hóa, kết hợp với chất xúc tác Fe3O4/CeO2 để tạo ra gốc hydroxyl tự do (*OH) có khả năng oxy hóa mạnh các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải. Hai cơ chế chính của quá trình này gồm: (i) xúc tác nhờ cặp oxy hóa-khử Fe2+/Fe3+ hòa tan trong dung dịch và (ii) xúc tác trên bề mặt chất xúc tác dị thể.

Chất xúc tác Fe3O4/CeO2 có chức năng kép vừa là chất hấp phụ vừa là chất xúc tác, với khả năng hấp phụ vượt trội nhờ diện tích bề mặt lớn và tính từ tính giúp dễ dàng tách ra khỏi dung dịch. Sự kết hợp giữa Fe và Ce tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình oxy hóa, tăng hiệu quả phân hủy thuốc nhuộm. Phương trình phản ứng chính bao gồm sự tạo thành *OH từ H2O2 và Fe2+ hoặc Ce3+ trong môi trường acid, theo phương trình:

$$ \mathrm{Fe^{2+} + H_2O_2 \rightarrow Fe^{3+} + \cdot OH + OH^-} $$

$$ \mathrm{Ce^{3+} + H_2O_2 \rightarrow Ce^{4+} + \cdot OH + OH^-} $$

Các yếu tố như pH, hiệu điện thế, khoảng cách điện cực, tỉ lệ Fe3O4/CeO2 và vật liệu điện cực ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tạo gốc hydroxyl và hiệu quả xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mẫu nước thải dệt nhuộm lấy từ Công ty CP Dệt may Đầu tư Thương mại Thành Công, TP. Hồ Chí Minh. Chất xúc tác Fe3O4/CeO2 được tổng hợp bằng phương pháp tam và oxy hóa kết tủa, sau đó được phân tích đặc trưng cấu trúc bằng các kỹ thuật XRD, TEM và EDX để xác định kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và thành phần nguyên tố.

Mô hình thí nghiệm sử dụng cốc thủy tinh 500 mL, điện cực graphite hoặc iridi, bộ nguồn một chiều điều chỉnh điện áp từ 0-30 V, máy sục khí oxy với tốc độ 2,5 L/phút, thực hiện ở nhiệt độ phòng 30-35 °C. Các thông số vận hành như pH (2-6), hiệu điện thế (5-20 V), khoảng cách điện cực (2-4 cm), lượng chất xúc tác (0,25-1,25 g/L), tỉ lệ Fe3O4/CeO2 (1:1, 1:2, 2:1) và vật liệu điện cực được khảo sát theo từng bước để xác định điều kiện tối ưu.

Phân tích các chỉ tiêu ô nhiễm gồm độ màu, COD, TOC trước và sau xử lý theo tiêu chuẩn SMEWW và TCVN. Phương pháp thống kê sử dụng Microsoft Excel và OriginPro 8 để xử lý số liệu, tính toán hiệu suất xử lý và xác định phương trình động học bậc nhất cho quá trình phân hủy màu và TOC.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của pH: Hiệu quả loại bỏ độ màu cao nhất đạt 84,84% tại pH 3 sau 120 phút xử lý, so với 67,83% ở pH 2 và 72,62% ở pH 6. Điều này phù hợp với cơ chế ổn định ion sắt và sự tạo thành gốc hydroxyl trong môi trường acid.

  2. Ảnh hưởng của hiệu điện thế: Khi tăng hiệu điện thế từ 5 V lên 15 V, hiệu suất xử lý độ màu tăng từ 77,52% lên 92,11% sau 120 phút. Tuy nhiên, ở 20 V hiệu quả giảm nhẹ còn 90%, do phản ứng cạnh tranh và tiêu hao điện năng tăng.

  3. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực: Khoảng cách 2,5 cm cho hiệu quả xử lý tốt nhất, với hiệu suất loại bỏ độ màu đạt trên 90% sau 120 phút, so với các khoảng cách lớn hơn hoặc nhỏ hơn.

  4. Ảnh hưởng của lượng chất xúc tác và tỉ lệ Fe3O4/CeO2: Lượng chất xúc tác 0,75 g/L với tỉ lệ Fe3O4 và CeO2 là 1:1 cho hiệu quả xử lý tối ưu, đạt 98,49% loại bỏ độ màu, 85,45% COD và 80,47% TOC sau 120 phút.

  5. Vật liệu điện cực: Hệ thống sử dụng điện cực graphite cho hiệu quả xử lý tốt hơn so với iridi, với hiệu suất loại bỏ độ màu cao hơn khoảng 5-7%.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy pH acid (khoảng 3) là điều kiện tối ưu do sự ổn định của các ion Fe2+/Fe3+ và Ce3+/Ce4+ trong quá trình tạo gốc hydroxyl. Hiệu điện thế tăng làm tăng mật độ dòng điện, thúc đẩy sản sinh H2O2 và Fe2+ trên điện cực cathode, từ đó tăng hiệu quả oxy hóa. Tuy nhiên, hiệu điện thế quá cao gây phản ứng phụ làm giảm hiệu suất và tăng tiêu hao năng lượng.

Khoảng cách điện cực ảnh hưởng đến điện trở và hiệu suất truyền điện, khoảng cách 2,5 cm cân bằng giữa hiệu quả điện hóa và tiêu hao năng lượng. Lượng chất xúc tác và tỉ lệ Fe3O4/CeO2 ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ và xúc tác phân hủy H2O2, tỉ lệ 1:1 tối ưu do sự phối hợp hiệu quả giữa Fe và Ce.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả tương đồng với hiệu suất xử lý trên 90% độ màu và COD, khẳng định tính khả thi và hiệu quả của công nghệ Fenton điện hóa xúc tác dị thể Fe3O4/CeO2. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất xử lý theo thời gian và các điều kiện vận hành, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của từng yếu tố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng điều kiện vận hành tối ưu: Khuyến nghị sử dụng pH 3, hiệu điện thế 15 V, khoảng cách điện cực 2,5 cm, lượng chất xúc tác 0,75 g/L với tỉ lệ Fe3O4/CeO2 là 1:1 và điện cực graphite để đạt hiệu quả xử lý cao nhất trong vòng 120 phút. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn vận hành hệ thống xử lý nước thải.

  2. Tăng cường tái sử dụng chất xúc tác: Khuyến khích tái sử dụng chất xúc tác Fe3O4/CeO2 qua ít nhất 4 chu kỳ xử lý nhằm giảm chi phí và lượng chất thải phát sinh. Chủ thể thực hiện: nhà máy xử lý nước thải và đơn vị bảo trì.

  3. Đầu tư thiết bị điện cực chất lượng: Sử dụng điện cực graphite có độ bền cao, khả năng dẫn điện tốt để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ thiết bị, giảm chi phí bảo trì. Thời gian thực hiện: trong kế hoạch bảo trì định kỳ.

  4. Xây dựng hệ thống giám sát tự động: Lắp đặt cảm biến đo pH, điện áp, dòng điện và nồng độ ô nhiễm để điều chỉnh tự động các thông số vận hành, đảm bảo hiệu quả xử lý ổn định. Chủ thể thực hiện: đơn vị kỹ thuật và quản lý môi trường.

  5. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu áp dụng công nghệ cho các loại nước thải công nghiệp khác có thành phần ô nhiễm tương tự, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả xử lý môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về công nghệ Fenton điện hóa xúc tác dị thể, giúp mở rộng kiến thức và phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Các kỹ sư vận hành và quản lý nhà máy xử lý nước thải: Thông tin về điều kiện vận hành tối ưu và hiệu quả xử lý thực tế giúp cải thiện quy trình xử lý nước thải dệt nhuộm, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học và đánh giá hiệu quả công nghệ xử lý nước thải, hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn và chính sách bảo vệ môi trường phù hợp.

  4. Doanh nghiệp ngành dệt nhuộm và công nghiệp liên quan: Giúp hiểu rõ tác động môi trường và lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp, đáp ứng quy chuẩn xả thải, nâng cao trách nhiệm xã hội và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ Fenton điện hóa xúc tác dị thể là gì?
    Là quá trình sử dụng điện hóa để sinh ra H2O2 tại chỗ, kết hợp với chất xúc tác rắn Fe3O4/CeO2 để tạo gốc hydroxyl (*OH) phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải một cách hiệu quả và nhanh chóng.

  2. Tại sao pH 3 được chọn làm điều kiện tối ưu?
    Ở pH 3, các ion sắt và cerium ổn định, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng Fenton sinh ra gốc hydroxyl, đồng thời tránh hiện tượng kết tủa sắt và phân hủy H2O2 không hiệu quả ở pH quá cao hoặc quá thấp.

  3. Hiệu điện thế ảnh hưởng thế nào đến quá trình xử lý?
    Hiệu điện thế tăng làm tăng mật độ dòng điện, thúc đẩy sản sinh H2O2 và ion Fe2+, nâng cao hiệu quả oxy hóa. Tuy nhiên, quá cao sẽ gây phản ứng phụ, tiêu hao năng lượng và giảm hiệu suất.

  4. Chất xúc tác Fe3O4/CeO2 có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy chất xúc tác giữ được hoạt tính cao và ổn định sau ít nhất 4 chu kỳ tái sử dụng, giúp giảm chi phí và lượng chất thải phát sinh.

  5. Công nghệ này có thể áp dụng cho các loại nước thải khác không?
    Có thể áp dụng cho các loại nước thải chứa chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy, đặc biệt là nước thải công nghiệp có thành phần tương tự như dệt nhuộm, nhờ khả năng oxy hóa mạnh và hiệu quả xử lý cao.

Kết luận

  • Đã tổng hợp và đặc trưng thành công chất xúc tác Fe3O4/CeO2 với kích thước hạt 20-50 nm, cấu trúc lập phương tâm mặt, có tính từ tính và khả năng xúc tác cao.
  • Xác định được điều kiện vận hành tối ưu cho quá trình Fenton điện hóa xúc tác dị thể gồm pH 3, hiệu điện thế 15 V, khoảng cách điện cực 2,5 cm, lượng chất xúc tác 0,75 g/L với tỉ lệ Fe3O4/CeO2 là 1:1 và điện cực graphite.
  • Hiệu quả xử lý đạt 98,49% loại bỏ độ màu, 85,45% COD và 80,47% TOC sau 120 phút, đáp ứng quy chuẩn QCVN 13-MT:2015/BTNMT.
  • Phương trình động học phân hủy màu và TOC tuân theo bậc nhất, giúp dự báo hiệu quả xử lý trong thực tế.
  • Chất xúc tác Fe3O4/CeO2 có khả năng tái sử dụng ổn định qua nhiều chu kỳ, giảm chi phí vận hành.

Next steps: Triển khai thử nghiệm pilot tại nhà máy xử lý nước thải dệt nhuộm, đồng thời phát triển hệ thống giám sát tự động để tối ưu hóa vận hành.

Call-to-action: Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp trong ngành nên phối hợp ứng dụng công nghệ này để nâng cao hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường bền vững.