Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng vật liệu nội điện phân tiền xử lý nước rỉ rác tại Nam Sơn

Bài viết này, vật liệu Fe/Cu được điều chế bằng phản ứng hóa học giữa sắt và dung dịch CuCl2, CuSO4, được sử dụng làm vật liệu nội điện phân tiền xử lý nước rỉ rác (bãi chôn lấp Nam Sơn). Hàm lượng Cu tối đa trên bề mặt có thể đạt 79,58% % trọng lượng, đảm bảo hình thành nhiều hệ thống ăn mòn điện hóa trên bề mặt vật liệu sắt.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng vật liệu nội điện phân tiền xử lý nước rỉ rác tại Nam Sơn Hóa học và Kỹ thuật môi trường NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NỘI ĐIỆN PHÂN TIỀN XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC TẠI NAM SƠN Nguyễn Văn Tú*, Vũ Duy Nhàn, Phạm Thị Thu Hạnh Tóm tắt: Bài báo này, vật liệu Fe/Cu được điều chế bằng phản ứng hóa học giữa sắt và dung dịch CuCl2, CuSO4, được sử dụng làm vật liệu nội điện phân tiền xử lý nước rỉ rác (bãi chôn lấp Nam Sơn). Hàm lượng Cu tối đa trên bề mặt có thể đạt 79,58% % trọng lượng, đảm bảo hình thành nhiều hệ thống ăn mòn điện hóa trên bề mặt vật liệu sắt. Cấu trúc và sự phân bố Cu trên bề mặt sắt của vật liệu Fe/Cu được xác định bởi SEM- EDX và XRD. Ảnh hưởng của các yếu tố như: liều lượng Fe/Cu, keo tụ-keo tụ (PAM), thời gian, pH ban đầu được nghiên cứu thông qua hiệu quả loại bỏ nhu cầu oxy hóa học (COD). Các đặc tính nước đầu vào thu được là COD, NH4+_N và pH trong khoảng 1980 mg/L, 365 mg/L và 7,8 ± 0,1, tương ứng. Điều kiện nội điện phân là: 120 phút thời gian phản ứng, pH = 4, 30 g/L liều lượng Fe/Cu và PAM 100 mg/L. Sau quá trình điện phân, hiệu suất loại bỏ COD và NH3- N lần lượt là 70% và 19,1%. Từ khóa: Nội điện phân; Fe/Cu; Nước rỉ rác. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Quá trình chôn lấp, dưới tác động của các quá trình sinh học, hóa lý, làm phát sinh nước rỉ rác [1]. Nước rỉ rác ở các bãi rác trở nên khó xử lý do thành phần phức tạp và biến đổi rộng rãi của nó, chứa một lượng lớn các chất hữu cơ, vô cơ và kim loại nặng [1, 2]. Riêng tại bãi rác thải Nam Sơn, Sóc Sơn, Hà Nội hàng ngày tiếp nhận chôn lấp hơn 6.000 tấn rác/ngày đêm, lúc cao điểm có thể tới 7.000 tấn/ngày đêm và có 03 trạm xử lý nước rỉ rác với công suất 3.700 m3/ngày đêm nhưng vẫn chưa đủ công suất xử lý nước rỉ rác phát sinh [3]. Đặc trưng nước rỉ rác tại bãi rác Nam Sơn chứa nhiều thành phần chất hữu cơ khó (hoặc không bị) phân hủy sinh học. Thành phần vô cơ, đặc biệt amoniac (NH3) nằm dưới dạng NH4+, có hàm lượng rất cao, bền vững và ít biến đổi theo thời gian và đây là thành phần khó biến đổi nhất trong nước rỉ rác. Thời gian gần đây, trên thế giới có nhiều nghiên cứu và ứng dụng phương pháp nội điện phân vào xử lý nước thải, đặc biệt là nước thải công nghiệp, dệt nhuộm, cốc hóa, nước rỉ rác [5-8],... Cơ sở phương pháp nội điện phân: Hai vật liệu có điện thế điện hóa khác nhau, khi tiếp xúc tạo thành cặp vi điện cực, đối với hệ Fe/C, Fe/Cu sắt đóng vai trò anốt, đồng (Cu) hay cácbon (C) là catốt, tương tự như cặp vi pin trong ăn mòn kim loại. Với cặp vi pin Fe/C có điện thế khoảng 1,2 V, dòng điện nhỏ cỡ µA xuất hiện, đóng vai trò tác nhân oxi hóa khử trong phản ứng phân hủy các hợp chất hữu cơ hấp phụ trên bề mặt điện cực [6-8]. Do có nguyên lý như vậy, quá trình vi pin Fe/C, Fe/Cu còn gọi là quá trình nội điện phân (internal microelectrolysis). Nhằm góp phần vào hướng nghiên cứu xử lý nước rỉ rác, chúng tôi lựa chọn và thực hiện nội dung nghiên cứu tổng hợp vật liệu nội điện phân Fe/Cu và ứng dụng trong tiền xử lí nước rỉ rác. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu Mẫu nước rỉ rác được lấy tại hồ điều hòa, khu liên hiệp xử lý chất thải rắn Nam Sơn- Sóc Sơn (Hà Nội), ngày 3/12/2018, bảo quản lạnh, các mẫu được sử dụng làm thí nghiệm 186 N. V. Tú, V. D. Nhàn, P. T. T. Hạnh, “Nghiên cứu, chế tạo và … rỉ rác tại Nam Sơn.” Nghiên cứu khoa học công nghệ và gửi phân tích từ ngày 3/12 đến 13/12/2018. 2.1.2. Hóa chất Vật liệu Fe được sản xuất bởi Công ty cổ phần khoáng sản và luyện kim Việt Nam (MIREX), hình ovan, kích thước chiều dài a=5cm, chiều rộng b=2cm, các hóa chất sử dụng để tổng hợp vật liệu bimetal Fe/Cu: Axít HCl (PA); NaOH (PA); CaO (PA); Nước cất; Giấy pH; CuCl2 99,97%; CuSO4 99,98%; chất keo tụ lựa chọn sử dụng PAC, PAM. Các hóa chất dùng cho phân tích COD, tổng phốtpho (T-P); tổng amoni (NH4NO3), … có nguồn gốc từ Trung Quốc và Merk. 2.1.3. Quá trình thí nghiệm (a) Chế tạo vật liệu Mẫu vật liệu Fe được ngâm trong dung dịch NaOH 30% trong 10 phút để tẩy dầu mỡ và làm sạch toàn bộ bề mặt, kích hoạt bề mặt bằng cách rửa nhiều lần và xử lý trong dung dịch HCl (36,5%): H2O (1: 5; v/v) trong 3 phút. Tiếp theo rửa nhiều lần bằng nước, sấy khô ở 105 oC trong 2 giờ, để nguội, bảo quản trong lọ thủy tinh kín. Vật liệu Fe/Cu được điều chế bằng phương pháp mạ đồng hóa học [5]. Các mẫu sau khi mạ được bảo quản và phân tích thành phần vật liệu bằng SEM, EDX, XRD. (b) Tiền xử lý nước rỉ rác Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tiền xử lý nước rỉ rác được tiến hành khảo sát là: pH dung dịch, thời gian, khối lượng Fe/Cu và tốc độ lắc. Tiến hành thí nghiệm khảo sát với khối lượng vật liệu nội điện phân 5 g, 10 g, 15 g, 20 g, 30 g và 40 g/L nước rỉ rác, nhiệt độ phản ứng 25℃-30oC, tốc độ lắc thay đ ...