Nghiên cứu khả năng ứng dụng dung dịch tẩy gỉ để xử lý nước thải rỉ rác
1. Mở đầu
Ở các cơ sở tráng phủ kim loại và cán thép nguội thường dùng axit clohiđric để tẩy gỉ thép. Chất thải của các quả trình này chủ yếu là muối sắt ( II) clorua và được gọi chung là dung dịch tẩy gỉ. Trước đây, dung dịch tẩy gỉ này thường được xử lý để giảm bớt độc tính rồi thải ra môi trường, việc này tiêu tốn lượng hóa chất xử lý và không đảm bảo tiêu chuẩn của các loại chất thải được phép thải ra môi trường. Do vậy, vấn đề đặt ra là làm cách nào để có thể tận dụng được dung dịch tẩy gỉ làm nguyên liệu để chế tạo một số hóa chất xử lý nước thải. Thành phần của dung dịch tẩy gỉ là FeCl2 và HCl rất gần với thành phần Fenton- là chất tham gia quá trình oxi hóa nâng cao (có bổ sung H2O2 để giảm chỉ số COD trong nước thải)
Với sự phát triển của xã hội nói chung và nhu cầu làm giảm ô nhiễm môi trường nói riêng, việc xử lý các nước thải trở thành mối quan tâm của xã hội, nhất là với các nước thải có hàm lượng hữu cơ cao như nước thải rỉ rác (2).
Trong nghiên cứu này được đề cập đến vấn đề hoàn thiện công đoạn tẩy gỉ để có thể thu được dung dịch có thành phần gần với dung dịch Fenton và nghiên cứu khả năng xử lý nước thải rỉ rác bằng dung dịch Fenton đồng thời kết hợp với hóa chất keo tụ HVC được chế tạo từ dung dịch tẩy gỉ.
2. Phương pháp thu hồi dung dịch tẩy gỉ
2.1. Hoàn thiện quy trình tẩy gỉ và chế tạo dung dịch Fenton
Công đoạn tẩy gỉ của các nhà máy tráng phủ kim loại và cán thép đã được tách riêng- chỉ tẩy gỉ của nguyên liệu là sắt thép, không tẩy các sản phẩm mạ bị lỗi. Dung dịch tẩy gỉ được tách dòng khỏi các dòng nước thải khác của nhà máy. Hóa chất dùng để tẩy gỉ thường dùng là loại HCl công nghiệp pha theo tỷ lệ 1:2, tức là khoảng 5,5M. Để tiết kiệm hóa chất nâng cao hiệu quả tẩy gỉ và tăng nồng độ của muối Fe2+ trong dung dịch thải để giảm lượng nước thải, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một quy trình tẩy gỉ hai giai đoạn; tẩy thô và tẩy tinh. Tẩy tinh (giai đoạn 2) dùng hóa chất mới, còn tẩy thô (giai đoạn 1) dùng hóa chất đã sử dụng ở giai đoạn 2 (hình 1). Dung dịch tẩy gỉ được thu hồi và sử dụng thay thế Fenton và chất keo tụ HVC là hóa chất sau khi dùng ở giai đoạn 1.
Dung dịch thu được sau giai đoạn 1 có thành phần như sau : FeCl2 nồng độ 2,2M và HCl dư nồng độ 0,5M. Dung dịch này có thể hoạt động như dung dịch Fenton. Trong các thí nghiệm tiếp theo dung dịch sau giai đoạn 1 được tái sử dụng là dung dịch Fenton. Dung dịch tẩy gỉ có thành phần chính là DeCl2 nồng độ ~ 2,2M và một lượng axit HCl dư được bổ sung H2O2 theo tỉ lệ tối ưu so với nồng độ sắt là 5/1 tương ứng nồng độ H2O2 trong dung dịch là 0,44M.
Hình 1. Chu trình tẩy gỉ 2 giai đoạn
2.2. Quy trình trình chế tạo chất keo tụ từ dung dịch tẩy gỉ
Chất keo tụ là muối vô cơ có thành phần chính là nhôm, sắt, clo và sunphat với pH khác nhau. Để bổ sung thành phần nhôm vào dung dịch tẩy gỉ, sử dụng phoi nhôm phản ứng với axit HCl dư và đẩy sắt ra khỏi muối FeCl2 trong dung dịch tẩy gỉ.
Quy trình đưa nhôm vào dung dịch và đẩy sắt chia làm 3 giai đoạn:
– Cho nhôm vào phản ứng để giảm lượng axit dư
– Cho nhôm vào để đẩy sắt ở nhiệt độ thấp và pH thấp
– Cho nhôm vào để đẩy sắt ở nhiệt độ cao và pH cao
Sau đó, điều chỉnh thành phần dung dịch có thể thực hiện qua các công đoạn sau:
– Đưa thêm nhôm vào dung dịch đã được loại bỏ sắt
– Đưa thêm thành phần sunfat trong dạng phèn nhôm
– Đưa thêm vôi để tăng pH (nước thải rỉ rác có pH cao, nhưng quá trình Fenton tại pH= 2-3 tuy nhiên do lượng axit dư trong dung dịch tẩy rỉ nên giảm lượng lớn axit bổ sung thêm, khi keo tụ phải đưa về pH = 6).
3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Nước rỉ rác: Nước rỉ rác (được lấy tại bãi chôn lấp rác Tân Cương, Thái Nguyên) sau khi xử lý sinh học thường có màu xanh đen, độ đục: 105 ( NTU); độ màu là 8000 ( Pt/ Co); chỉ số COD: ( 360 mg/ l); pH = 8,7. Với các thông số như vậy thì đây là loại nước thải có độ ô nhiễm. Hiện nay quy trình xử lý nước thải tại bằng dung dịch Fenton qua 4 giai đoạn:
– Điều chỉnh pH phù hợp: pH thích hợp cho quá trình là từ 2- 4, tối ưu nhất là ở mức 2. Việc điều chỉnh pH được thực hiện bằng cách bổ sung dung dịch axit sunphuric.
– Phản ứng oxi hóa: Trong giai đoạn phản ứng oxi hóa xảy ra sự hình thành gốc *OH hoạt tính và phản ứng oxi hóa chất hữu cơ:
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO* + OH
– Trung hòa và keo tụ: Sau khi xảy ra quá trình oxi hóa, cần nâng pH dung dịch lên > 7 để thực hiện kết tủa Fe3+ mới hình thành bằng quá trình keo tụ.
– Quá trình lắng: Các bông keo sau khi hình thành sẽ lắng xuống làm giảm màu, mùi trong nước thải. Sau quá trình lắng các chất hữu cơ còn lại (nếu có) trong nước thải chủ yếu là các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp sẽ được xử lý bổ sung bằng phương pháp sinh học hoặc bằng các phương pháp khác (1).
Trong bài báo này chúng tôi dùng dung dịch tẩy rỉ để thay thế Fenton, lượng axit dư trong dung dịch tẩy gỉ cho phép giảm lượng axít sunphuric bổ sung khi đưa về pH = 2- 3.
Các phương pháp đo đạc và phân tích:
– Độ đục được đo trên thiết bị đo độ đục DRT- 15CE với các mức đo khác nhau là 0,02 NTU; 10 NTU; 100 NTU; 1000 NTu;
– Độ màu được đo trên thiết bị đo độ màu UV- 1201 dung dịch chuẩn là nước cất có độ đục là 0,000Pt/Co;
– Xác định COD bằng phương pháp kali pemamganat;
– Nồng độ nhôm, sắt, Clo và sunphat trong hóa chất xử lý được phân tích bằng phương pháp hóa học (3);
Quy trình thí nghiệm xử lý nước: Quá trình xử lý nước rỉ rác giai đoạn 2 được thực hiện theo đúng quy trình tại nhà máy trong đó thay thế dung dịch Fenton bằng dung dịch tẩy rỉ và chất keo tụ chế tạo từ dung dịch tẩy gỉ.
– Xử lý theo qui trình: Thể tích nước xử lý 500 ml, được đưa vào cốc thủy tinh sau đó bổ sung hóa chất xử lý và tiếp theo:
– Khuấy với vận tốc 125 vòng/phút trong thời gian 40 giây đầu, bổ sung chất trợ lắng PA khuấy tiếp 1 phút với tốc độ 60 vòng/phút.
– Để lắng 20 phút
Nước sau lắng được đưa đi phân tích các chỉ tiêu theo yêu cầu.
4. Kết quả và thảo luận
4.1. Thí nghiệm xác định thành phần chất keo tụ:
Bảng 1: Kết quả thí nghiệm xác định thành phần chất keo tụ
Ghi chú: Trong dung dịch Fenton còn một lượng Cl– dưới dạng axit, nên dung dịch có môi trường axit pH= 2.
4.2. Khảo sát ảnh hưởng của lượng Fenton đưa vào xử lý nước thải rỉ rác
Khảo sát ảnh hưởng của Fenton khi đưa vào xử lý nước thải rỉ rác với các nồng độ Fenton: 2ml; 3ml; 4ml; 5ml; 6ml/ 500ml nước thải.
Số liệu thu được trình bảy trong hình 2, 3, 4:
Hình 2: Độ đục phụ thuộc vào nồng độ Fenton
Hình 3: Độ màu phụ thuộc vào nồng độ Fenton
Hình 4: Chỉ số COD phụ thuộc vào nồng độ Fenton
Nhận xét: Ta thấy ở nồng độ 4ml Fenton/ 500 ml nước thải ta thấy quá trình xư lý là hiệu quả hơn cả, ở nồng độ cao hơn hoặc thấp hơn thì các chỉ số: độ đục, độ màu, COD đều cao hơn so với nồng độ 4ml Fenton/ 500 ml nước thải.
4.3. Khảo sát ảnh hưởng của lượng Fenton và HVC với nồng độ khác nhau đưa vào xử lý nước thải rỉ rác
4.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của Fenton và HVC khi đưa vào xử lý nước thải rỉ rác với các nồng độ Fenton: 2ml; 3ml; 4ml; 5ml; 6ml và 0,1ml HVC/ 500ml nước thải.
Số liệu thu được trình bày trong hình 5, 6, 7:
Hình 5: Ảnh hưởng của nồng độ Fenton và 0,1ml HVC đến độ đục
Hình 6: Ảnh hưởng của nồng độ Renton và 0,1ml HVC đến độ màu
Hình 7: Ảnh hưởng của nồng độ Fenton và 0,1ml HVC đến chỉ số COD
Nhận xét: Từ kết quả trên ta thấy ở nồng độ 4ml Fenton và 0,1ml HVC/500ml nước thải các chỉ số: độ đục, độ màu, COD đều thấp hơn so với chỉ sử dụng Fenton, vì vậy ta tiến hành làm thí nghiệm tăng thêm nồng độ HVC.
4.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của Fenton và HVC khi đưa vào xử lý nước thải rỉ rác với các nồng độ Fenton: 2ml, 3ml, 4ml, 5ml, 6ml và 0,2ml HVC/500ml nước thải.
Số liệu thu được trình bày trong hình 8, 9, 10:
Hình 8: Ảnh hưởng của nồng độ Fenton và 0,2ml HVC đến độ đục
Hình 9: Ảnh hưởng của nồng độ Renton và 0,2ml HVC đến độ màu
Hình 10: Ảnh hưởng của nồng độ Fenton và 0,2ml HVC đến chỉ số COD
Nhận xét: Từ kết quả trên ta thấy ở với tỷ lệ 1:20 của HVC vào Fenton tương đương nồng độ 4nl Fenton và 0,2ml HVC/ 500 ml nước thải các chỉ số: độ đục, độ màu, COD đều thấp hơn so với sử dụng Fenton và 0,1ml HVC, vì vậy ta tiến hành làm thí nghiệm tăng thêm nồng độ HVC.
4.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của Fenton và HVC khi đưa vào xử lý nước thải rỉ rác với các nồng độ Fenton: 2ml; 3ml; 4ml; 5ml; 6ml và 0,3ml HVC/500ml nước thải.
Số liệu thu được trình bày trong hình 11, 12, 13:
Hình 11: Ảnh hưởng cảu nồng độ Fenton và 0,2ml HVC đến độ đục
Hình 12: Ảnh hưởng của nồng độ Renton và 0,3ml HVC đến độ màu
Hình 13: Ảnh hưởng của nồng độ Fenton và 0,3ml HVC đến chỉ số COD
Nhận xét: Từ kết quả trên ta thấy ở với tỷ lệ 4ml Fenton và 0,3ml HVC/ 500 ml nước thải các chỉ số: độ đục, độ màu, COD đều tăng so với sử dụng Fenton và 0,2ml HVC, vì vậy ta có kết luận : Tỷ lệ tối ưu khi sử dụng HVC và Fenton là 1:20, hay tương đương 4ml Fenton và 0,2ml HVC.
4.4 Khảo sát ảnh hưởng của Fenton và PAC với cùng hàm lượng nhôm
Khảo sát ảnh hưởng của Fenton và PAC với cùng hàm lượng nhôm, với các nồng độ Fenton: 2ml, 3ml, 4ml,5ml,6ml và 0,18 ml PAC/ 500ml nước thải (do nồng độ nhôm trong PAC là 1,50 M nên khi dùng 0,18 ml có cùng lượng nhôm với 0,2 ml HVC có nồng độ nhôm 1,37 ml).
Số liệu thu được trình bày trong hình 14, 15, 16:
Hình 14: Ảnh hưởng cảu nồng độ Fenton và 0,18ml PAC đến độ đục
Hình 15: Ảnh hưởng của nồng độ Renton và 0,18ml PAC đến độ màu
Hinh 16: Ảnh hưởng của nồng độ Fenton và 0,18ml PAC đến chỉ số COD
Nhận xét: Từ kết quả trên ta thấy ở với tỷ lệ 4ml Fenton và 0,18ml PAC/ 500ml nước thải các chỉ số: độ đục, độ màu, COD đều cao hơn so với sử dụng dung dịch 4ml Fenton và 0,2ml HVC với cùng một lượng nhôm như nhau.
4.5. So sánh khả năng xử lý độ màu và độ đục của HVC đối với PAC và nhôm sunphat
Kết quả trên cho thấy chất keo tụ chế tạo được từ dung dịch tẩy gỉ HVC có tính năng xử lý độ màu và độ đục tốt hơn PAC. Chất lượng nước sau xử lý tốt hơn và lượng hóa chất tiêu hao tương đương. Cụ thể ở đây nước rỉ rác sau khi xử lý sinh học thường có màu xanh đen, độ đục: 105 (NTU); độ màu là 8000 (Pt/ Co); chỉ số COD: 360 (mgO2/ l); pH = 8,7 sau xử lý đạt: độ đục: 2 (Pt/Co); độ màu: 176, COD: 124 (mgO2/l) so với xử lý bằng Fenton và PAC: độ đục: 9,4 (Pt/ Co); độ màu: 737 (Pt/ Co), COD: 260 (mgO2/l).
Như vậy, do đặc điểm về thành phần của HVC mà quá trình keo tụ của chúng có nhiều tính năng vượt trội hơn hẳn trong đó: chất lượng nước thải đạt tiêu chuẩn TCVN 5945- 1996 cho nước thải loại B, giảm được lượng hóa chất tiêu tốn và thay thế một số loại hóa chất hiện đang sử dụng bằng dung dịch tẩy rỉ (là một chất thải công nghiệp), tối ưu hóa được quá trình công nghệ xử lý nhằm giảm giá thành toàn bộ quy trình công nghệ. Để làm rõ cơ chế hoạt động của HVC trong quá trình xử nước rỉ rác cần có các nghiên cứu tiếp theo.
5. Kết luận
Từ các kết quả nghiên cứu đi đến các kết luận sau:
– Dung dịch tẩy gỉ có thành phần thích hợp để sử dụng như dung dịch Fenton, tuy nhiên cần kiểm soát quá trình tẩy gỉ để đảm bảo độ sạch và hiệu quả về kinh tế;
– Dung dịch tẩy gỉ có thể làm nguyên liệu để chế tạo chất keo tụ HVC- loại đa thành phần, có hiệu quả xử lý độ đục, độ màu cao và hỗ trợ giảm chỉ số COD khi sử dụng kèm với Fenton cho loại nước thải rất khó xử lý như nước rỉ rác.
– Nước thải rỉ rác sau khi xử lý bằng các hóa chất đi từ dung dịch tẩy gỉ đạt các chỉ số nước thải loại B theo quy chuẩn QCVN 40: 2011/ BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp ( 5).
– Kết quả trên cho thấy triển vọng tái sử dụng dung dịch tẩy gỉ làm hóa chất xử lý nước thải cho các ngành công nghiệp và sinh hoạt, cho phép giảm chi phí xử lý nước thải cho ngành cán thép nguội và tráng phủ bề mặt kim loại và giảm giá thành công đoạn xử lý COD và độ đục, độ màu trong xử lý nước thải.
Tài liệu tham khảo
1. Trần Mạnh Trí, Trần Mạnh Trung (2004), “Các quá trình oxi hóa nâng cao trong xử lý nước và nước thải“. NXB KH&KT, Hà Nội.
2. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2005), “Giáo trình CN xử lý nước thải“. NXB KH&KT Hà Nội.
3. Trần Bích, Nguyễn Ngọc Thắng (1993), “Hướng dẫn thí nghiệm hóa phân tích”, Trường ĐHBK Hà Nội.
4. Lê Thị Mai Hương, Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải (1998), “Phân tích cơ sở lý thuyết của quá trình keo tụ làm sạch nước bằng các hợp chất của nhôm”. Tạp chí Hóa học, T. 36 ( số 4B), tr. 44- 47.
5. QCVN 40:2011/ BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp.
Đặng Việt Anh, Lê Thị Mai Hương
Viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam
(Nguồn tin: Tạp chí Công nghiệp hóa chất)
