Đề tài “Đánh giá khả năng xử lý Zn trong nước thải xi mạ bằng phương pháp keo tụ điện hóa” được thực hiện nhằm tạo ra cơ sở khoa học của phương pháp keo tụ điện hoá trong xử lý nước thải xi mạ. Từ đó, có thể đáp ứng nhu cầu xử lý nước thải của doanh nghiệp, đảm bảo việc BVMT và hướng tới giảm chi phí vận hành.

Phương pháp nghiên cứu

Nước thải đầu vào: Lấy trực tiếp từ đầu ra của bể điều hòa trong hệ thống xử lý nước thải xi mạ tại Khu chế xuất Tân Thuận, Quận 7, TP. Hồ Chí Minh.

Thiết bị, dụng cụ và hóa chất 

Thiết bị: Các loại thiết bị sau được sử dụng trong nghiên cứu:

Máy cấp điện một chiều DC Power Supply, model QJ3010E, với hiệu điện thế đầu ra tối đa là 60V và cường độ dòng điện 30A;

Máy đo pH Hanna, model HI98107 pHep®;

Máy đo độ dẫn điện Hanna mã số HI98304 DiST® 4;

Máy khuấy từ không gia nhiệt VELP;

DR 900.

Dụng cụ và hóa chất: Cốc 500 ml, nhiệt kế, pipet, ống lắng ly tâm,… và một số dụng cụ khác trong phòng thực nghiệm phục vụ cho thực nghiệm và phân tích.
H2SO4 1N, NaOH 1N và NaCl 99% được sử dụng để điều chỉnh pH và độ dẫn điện.

Quy trình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm: Mô hình nghiên cứu dạng mẻ có hình hộp chữ nhật, được làm bằng vật liệu Acrylic (nhựa Mica) có kích thước 200 mm 230 mm 260 mm; có thiết kế van xả đáy để lấy nước ra sau. Bên trong mô hình có lắp 02 tấm điện cực nhôm song song cách nhau 2,5 cm. Mỗi tấm có kích thước 200 mm 250 mm, dày 5 mm và được kết nối với máy cấp điện một chiều có thể điều chỉnh hiệu điện thế hoặc cường độ dòng điện bằng bộ kẹp điện. 

Quy trình thực nghiệm: Các thí nghiệm được thực hiện trong mô hình dạng mẻ, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải bằng phương pháp keo tụ điện hóa như pH, cường độ dòng điện, thời gian phản ứng. 

Về cơ sở lựa chọn điện cực và các thông số nghiên cứu:

Đối với điện cực nhôm: Do nước thải của Công ty có tính đệm cao, việc sử dụng điện cực sắt sẽ gây ra độ đục, độ màu cao hơn sơ với việc sử dụng điện cực nhôm. Bên cạnh đó, trong dãi hoạt động hóa học nhôm đứng trước kẽm, do đó việc lựa chọn điện cực nhôm là hoàn toàn phù hợp.

Đối với các yếu tố pH, cường độ dòng điện, độ dẫn điện, thời gian phản ứng đây là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả xử lý. Do đó, việc lựa chọn các thông số này nhằm tạo tìm ra điều kiện tối ưu của mô hình thực nghiệm.

pH trong khoảng 6 - 9: Khoảng pH được lựa chọn dựa vào đặc điểm kết tủa của Al3+; Kẽm là kim loại lưỡng tính, bắt đầu kết tủa tại pH = 5,4, tối ưu tại 8 ≤ pH ≤ 9 và tan khi pH > 10,5; Trong quá trình keo tụ điện hóa pH của nước thải sẽ tăng do ion OH- sinh ra từ điện cực Cathode. Do đó, để tìm điều kiện tối ưu thực hiện quy trình thực nghiệm khảo sát với giá trị pH đầu vào 6 ≤ pH ≤ 9).

Mật độ dòng điện khảo sát từ 16,93 A/m2 - 59,57 A/m2

Độ dẫn điện dự kiến cố định: 2 mS/cm

Thời gian phản ứng từ 5 - 35 phút.

Kết quả và thảo luận

Thành phần, tính chất nước thải sản xuất xi mạ: Kết quả phân tích nước thải đầu vào của nghiên cứu, lấy từ Công ty xi mạ tại Khu chế xuất Tân Thuận có nồng độ Zn2+ là 43,9 mg/L, pH 6,5, nhiệt độ 27,8oC và độ dẫn điện 1,1 mS/cm.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của mật độ dòng điện: Mật độ dòng điện được điều chỉnh theo sự thay đổi của cường độ trên máy phát điện một chiều. Đây là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến trực tiếp lượng ion nhôm tan vào nước và lượng ion OH- sinh ra. Nghiên cứu được tiến hành với mật độ dòng điện được điều chỉnh thay đổi lần lượt 16,93A/m2 ; 33,86 A/m2 và 59,57A/m2.

Thực nghiệm tiến hành với điều kiện pH 7,5, thời gian phản ứng 35 phút, độ dẫn điện 2 mS/cm. Kết quả khảo sát cho thấy, hiệu quả xử lý tăng theo mật độ dòng điện. Với mật độ dòng điện 16,93 A/m2, hiệu quả đạt 76,15% và tăng lên 96,83% khi mật độ dòng điện tăng lên 33,86 A/m2. Tiếp tục tăng mật độ dòng điện lên 59,57 A/m2, hiệu suất xử lý tiếp tục tăng nhưng không đáng kể. Lý giải cho kết quả này là do khi tăng mật độ dòng điện từ 16,93 A/m2 lên 33,86 A/m2, lượng ion Al3+ và OH- sinh ra càng nhiều làm tăng hiệu quả kết tủa Zn(OH)2 và tạo nhiều bông cặn nên hiệu quả xử lý tăng. Khi mật độ dòng điện tăng từ 33,86 A/m2 lên 59,57 A/m2, mặc dù Al3+ và OH- tiếp tục tăng, bông tạo ra nhiều hơn nhưng do phản ứng kết tủa Zn(OH)2 đã đạt đến giới hạn nên hiệu suất tăng không đáng kể. 

Hình 1. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến hiệu quả xử lý Zn2+.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH: Trong nghiên cứu này, pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý thông qua việc ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình kết tủa của ion Zn2+, quá trình hình thành bông cặn và khả năng lắng cặn của quá trình keo tụ điện hóa. Ngoài ra, pH còn ảnh hưởng lớn đến lượng hóa chất sử dụng trong quá trình xử lý từ việc điều chỉnh pH trước và sau xử lý cho phù hợp với công trình xử lý phía sau hoặc quy định xả thải. Để đánh giá ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý, khảo sát pH thay đổi từ 6 đến 9, khoảng pH kết tủa của Zn(OH)2, mật độ dòng điện duy trì 33,86 A/m2, thời gian phản ứng 35 phút. 

Kết quả cho thấy, hiệu quả xử lý Zn tăng tuyến tính theo pH trong khoảng khảo sát và tuân theo phương trình bậc 1 với R2 = 0,9992. Hiệu suất loại bỏ Zn2+ đạt cao nhất trong môi trường pH đầu vào là 9. Trong trường hợp này pH đầu ra là 9,7 với lượng ion OH- nhiều hơn các trường hợp còn lại do đó Zn2+ kết tủa tốt hơn. Tuy nhiên, Zn là kim loại lưỡng tính nên sẽ tan lại khi pH>10,5. 

Hình 2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng: Thời gian phản ứng trong phương pháp keo tụ điện hóa có ý nghĩa quan trọng vì thời gian phản ứng càng tăng thì lượng ion kim loại, ion OH- sinh ra càng nhiều nhưng cũng sẽ làm gia tăng chi phí điện năng và diện tích công trình khi triển khai áp dụng vào thực tế. Trong các nghiên cứu trước đây cho thấy, mật độ dòng điện và thời gian phản ứng có mối quan hệ qua lại với nhau (Ngoc-Han T. Huynh và cộng sự, 2016).

Trong phần nghiên cứu này, thời gian phản ứng được khảo sát trong khoảng 5 - 35 phút với cả 3 mật độ dòng điện là 16,93 A/m2, 33,86 A/m2, và 59,57 A/m2. Các điều kiện khác như pH 9, độ dẫn điện 2 mS/cm. Kết quả cho thấy, trong 5 phút đầu, sự chênh lệch hiệu quả xử lý giữa các mật độ dòng điện tương đối lớn, đặc biệt là giữa 16,93 A/m2 và 33,86 A/m2. Khi tăng cường độ dòng điện lên 59,57 A/m2 thì chên lệch hiệu quả xử lý giữa 33,86 A/m2 và 59,57 A/m2 không cao, chỉ khoảng 3,5 %. Kết quả này là do ở các mật độ dòng điện lớn, 5 phút phản ứng đã sản sinh ra một lượng lớn ion Al3+ và OH- nên quá trình kết tủa, tạo bông đã cao. Khi lượng Zn2+ trong nước còn lại ít sẽ là giảm tốc độ phản ứng. Hiệu suất dần tiến đến cân bằng.

Khi tăng thời gian phản ứng lên 20 phút, sự chênh lệch hiệu suất xử lý ở 3 mật độ dòng điện không đáng kể. Và hiệu suất xử lý đạt giá trị gần cực đại, trên 98 %. Tiếp tục tăng thời gian phản ứng lên 35 phút, hiệu suất xử lý ở 3 mật độ dòng điện đều tăng không đáng kể vì nồng độ Zn2+ trong nước gần như đã bị loại bỏ hoàn toàn. 

Đánh giá hiệu quả xử lý 

Từ kết quả hình 5 cho thấy, mặc dù 5 phút phản ứng hiệu suất đạt khá cao lên đến 83,68 % nhưng lượng Zn2+ còn trong nước sau xử lý chưa đạt được giới hạn xả thải, QCVN 40:2011/BTNMT. Để đạt được giới hạn xả thải thì hiệu suất xử lý phải lớn hơn 93,17 %. Trong trường hợp này thời gian phản ứng 20 phút ở 3 mật độ dòng điện đều đáp ứng được yêu cầu xả thải.

Hình 4. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả xử lý Zn2+.

Hình 5: Đánh giá hiệu quả xử lý ngẫu nhiên với 03 mẫu nước thải thật vào 03 ngày sản xuất khác nhau

Điện năng tiêu thụ là một yếu tố quan trọng cần xem xét đến khi đánh giá hiệu quả xử lý của phương pháp keo tụ điện hóa. Ứng với mỗi giá trị độ dẫn điện thì hiệu điện thế và mật độ dòng điện có mối quan hệ tuyến tính với nhau. Nghiên cứu này, với độ dẫn điện là 2 mS/cm thì hiệu điện thế và mật độ dòng điện tuân theo phương trình tuyến tính bậc 1, y=9,75x-2 với R2 = 0,9999. 

Thời gian phản ứng càng tăng, mật độ dòng điện càng tăng thì điện năng tiêu thụ sẽ càng lớn. Hình 6 cho thấy, điện năng tiêu thụ khi xử lý 1 m3 nước thải quy đổi sẽ tỉ lệ thuận với thời gian phản ứng, theo hàm tuyến tính bậc 1 và càng tăng mật độ dòng điện thì hệ số góc của phương trình càng tăng, điện năng tiên thụ càng lớn.

Hình 6. Mối quan hệ tương quan giữa điện năng tiêu thụ và thời gian phản ứng  

Kết quả tính toán tỉ suất tiêu thụ năng lượng trong nghiên cứu này cho thấy tỉ suất tiêu thụ năng lượng trên 1 gram Zn2+ bị loại bỏ ra khỏi nước cũng tỉ lệ thuận với thời gian phản ứng, tuân theo phương trình tuyến tính bậc một và khi tăng mật độ dòng điện thì tỉ suất tiêu thụ này cũng càng tăng.

Như vậy, với kết quả trong nghiên cứu này, thời gian phản ứng 20 phút với mật độ dòng điện 16,93 A/m2 là phù hợp để xử lý Zn2+ đạt 98,12 %, lượng Zn2+ còn lại trong nước sau xử lý thấp hơn quy định xả thải của QCVN 40:2011/BTNMT, 3 mg/L.

Kết luận: Quá trình keo tụ điện hóa với điện cực nhôm có khả năng xử lý tốt Zn2+ trong nước thải xi mạ. Điều kiện vận hành phù hợp pH 9, mật độ dòng điện 16,93A/m2, độ dẫn điện 2 mS/cm, thời gian phản ứng 20 phút. Hiệu suất xử lý đạt trên 98% với đầu vào có nồng độ Zn2+ là 43,9 mg/L. Nồng độ Zn2+ trong nước thải sau xử lý đạt giới hạn xả thải QCVN 40:2011/BTNMT, thấp hơn nhiều so với giá trị 3 mg/L. 

Hình 7. Mối quan hệ tương quan giữa tỉ suất tiêu thụ điện năng, Wh/g Zn2+ bị loại bỏ và thời gian phản ứng  

Kết quả nghiên cứu này mới đánh giá sơ bộ được khả năng xử lý Zn2+ trong nước thải xi mạ bằng phương pháp keo tụ điện hóa với điện cực nhôm, cần tiếp tục nghiên cứu kỹ hơn để xác định điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý và kết hợp xử lý Crom trong nước thải.

Tài liệu tham khảo

1. Chaturvedi and Satish I. 2013. Electrocoagulation: A novel wastewater treatment method. International Journal of Modern Engineering Research, 3(1) : 93-100;

2. Huynh, Ngoc-Han T., Duong, Pham-Hung, Yoon, Y.S. (2018). A new combination treatment system of ozonation and electrocoagulation for C.I Acid Red 114 dye removal from Dyeing wastewater. Nature Evironment and Pollution Technology, vol. 17, No. 4, pp. 1383-1390;

3. Lê Cao Khải, 2019. Nghiên cứu xử lý nước thải rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa. Luận án tiến sĩ, Học viện KH&CN;

4. Ngoc-Han T. Huynh, et al., (2016). Removal of C.I. Acid Red 114 Dye from Wastewater by Using Ozonation and Electrocoagulation. Jacobs Journal of Environmental Sciences, 2016, 2(3): 019.

NGUYỄN HOÀNG PHÚC, TRẦN VĂN HIẾU, HUỲNH THỊ NGỌC HÂN*

Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh

Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 5 (Kỳ 1 tháng 3) năm 2023