Thạc Sĩ Nghiên cứu phân hủy thuốc trừ sâu Fenobucarb trong nước thải bằng phương pháp điện hóa dùng điện cực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
CHUYÊN NGÀNH: HÓA VÔ CƠ
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
NĂM - 2010

MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cám ơn
Mục lục
Danh mục các từ viết tắt
Danh mục các hình
Danh mục các bảng số liệu


MỞ ĐẦU Trang
Chương 1: TỔNG QUAN .1
1.1. GIỚI THIỆU VỀ THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT. .1
1.1.1. ĐỊNH NGHĨA VỀ THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT .1
1.1.2. PHÂN LOẠI THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT 1
1.1.2.1. Phân loại theo đối tượng sử dụng 1
1.1.2.2. Phân loại theo con đường xâm nhập .1
1.1.2.3. Phân loại theo gốc hóa học 1
1.1.3. TỔNG QUAN VỀ FENOBUCARB 3
1.1.3.1. Thông tin chung .3
1.1.3.2. Ứng dụng .4
1.1.3.3. Độc tính .8
1.2. GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP OXI HOÁ NÂNG CAO (AOPs) 11
1.2.1. GIỚI THIỆU CHUNG .11
1.2.2. KHẢ NĂNG OXI HÓA VÀ CƠ CHẾ - PHƯƠNG THỨC PHẢN ỨNG CỦA GỐC HYDROXYL (OHo) 13
1.2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP OXI HOÁ NÂNG CAO 16
1.2.3.1. Các quá trình Fenton (Fenton Processes) . 17
1.2.3.2. Quá trình oxi hóa điện hóa 25
1.2.4. MỘT SỐ KẾT QUẢ ÁP DỤNG QUÁ TRÌNH FENTON ĐIỆN HÓA VÀO XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI 29
1.3. ĐIỆN PHÂN 30
1.3.1. KHÁI NIỆM 30
1.3.2. NGUYÊN TẮC ĐIỆN PHÂN .30
1.3.3. CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC 31
1.3.3.1. Quá trình trên anode 31
1.3.3.2. Quá trình trên cathode .31


Chương 2 : THỰC NGHIỆM . 32
2.1. MỤC TIÊU, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, KỸ THUẬT PHÂN TÍCH . 32
2.1.1. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 32
2.1.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 32
2.1.2.1. Nghiên cứu phân hủy fenobucarb trong nước bằng phương pháp điện hóa với những điều kiện khác nhau 32
2.1.2.2. Dùng các phương pháp và kỹ thuật để xác định định lượng fenobucarb còn lại sau khi đã được xử lý 32
2.1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .32
2.1.3.1. Điện phân dung dịch fenobucarb trong nước 32
2.1.3.2. Xác định hàm lượng fenobucarb sau khi được xử lý .33
2.1.4. CÁC KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 33
2.1.4.1. Phương pháp đo COD .33
2.1.4.2. Phương pháp đo TOC 35
2.1.4.3. Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao .37
2.2. THỰC NGHIỆM. .39
2.2.1. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ 39
2.2.1.1. Hóa chất .39
2.2.1.2. Dụng cụ thiết bị .40
2.2.2. TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM 40
2.2.2.1. Chuẩn bị điện cực điện phân .40
2.2.2.2. Chuẩn bị dung dịch fenobucarb (C12H17NO2) .41
2.2.2.3. Chuẩn bị các hóa chất khác .41
2.2.2.4. Tiến hành đo COD .41
2.2.2.5. Tiến hành đo sắc ký lỏng hiệu năng cao 43
2.2.2.6. Tiến hành đo TOC .45
2.2.2.7. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân hùy fenobucarb trong quá trình điện phân 45


Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. .48
3.1. CÁCH BỐ TRÍ ĐIỆN CỰC 48
3.1.1. Anode (+): titan. Cathode (-): carbon .48
3.1.2. Anode (+): titan. Cathode (-) : titan .48
3.2. LỰA CHỌN NGUYÊN LIỆU LÀM ĐIỆN CỰC ANODE .49
3.2.1. Anode (+): sắt. Cathode (-): carbon .50
3.2.2. Anode (+): titan. Cathode (-): carbon .50
3.3. NGUYÊN LIỆU LÀM ĐIỆN CỰC CATHODE ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG PHÂN HỦY FENOBUCARB TRONG QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN.
3.3.1. Anode (+): titan. Cathode (-): titan 51
3.3.2. Anode (+): titan. Cathode (-): carbon 51
3.3.3. Anode (+): titan. Cathode (-): sắt .52
3.4. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ FENOBUCARB LÊN KẾT TỦA SẮT 53
3.4.1.Fenobucarb 200mg/l .53
3.4.2.Fenobucarb 150mg/l .53
3.4.3.Fenobucarb 100mg/l .54
3.4.4.Fenobucarb 75mg/l .54
3.4.5.Fenobucarb 50mg/l 54
3.5. ẢNH HƯỞNG CỦA pH DUNG DỊCH ĐẾN KHẢ NĂNG PHÂN HỦY FENOBUCARB TRONG QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN CÁCH BỐ TRÍ ĐIỆN CỰC
3.5.1. pH = 2,14 .56
3.5.2. pH = 5,75 56
3.5.3. pH = 8,00 56
3.6. HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN KHI THAY ĐỔI MẬT ĐỘ DÒNG (THAY ĐỔI KHOẢNG CÁCH HAI ĐIỆN CỰC.
3.6.1. Mật độ dòng bằng 0,0475A/cm2 (khoảng cách hai điện cực 0,5cm) . 58
3.6.2. Mật độ dòng bằng 0,0267A/cm2 (khoảng cách hai điện cực 1cm) .58
3.6.3. Mật độ dòng bằng 0,0103A/cm2 (khoảng cách hai điện cực 1,5cm) 58
3.7. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG PHÂN HỦY VỚI NHỮNG NỒNG ĐỘ KHÁC NHAU CỦA FENOBUCARB .59
3.7.1. Dung dịch fenobucarb 200mg/l .60
3.7.2. Dung dịch fenobucarb 100mg/l .60
3.7.3. Dung dịch fenobucarb 50mg/l .60
3.8. SỰ HAO HỤT SẮT TRONG QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN .61
3.8.1. Cho 0,5ml FeSO4 vào hệ ngay từ đầu, sau đó không cho thêm FeSO4 vào hệ 62
3.8.2. Cho 0,5ml FeSO4 vào hệ ngay từ đầu, sau đó cho thêm0,5ml FeSO4 vào hệ sau mỗi giờ điện phân 62
3.9. LẤY KẾT QUẢ CỦA THÍ NGHIỆM 3.8.2 ĐEM CHẠY SẮC KÝ LỎNG HIỆU NĂNG CAO .63
3.10.LẤY KẾT QUẢ CỦA THÍ NGHIỆM 3.8.2 ĐEM ĐO TOC. .63


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

DANH MỤC BẢNG
Chương 1: TỔNG QUAN Bảng 1.1: Ứng dụng của fenobucarb . 4
Bảng 1.2: Liều lượng sử dụng và thời gian cách ly 10
Bảng 1.3: So sánh thế oxi hoá của gốc tự do OHo với một số tác nhân oxi hoá thông dụng khác . .13
Bảng 1.4: Thế của một số tác nhân oxi hoá ở pH=0 và nhiệt độ t = 25oC .13
Bảng 1.5: Hằng số tốc độ phản ứng (M-1s-1) của gốc hydroxyl OHo so với ozone 14
Bảng 1.6: Một số chất ô nhiễm trong nước và nước thải có thể xử lý bằng các quá trình oxi hoá nâng cao 16
Bảng 1.7: Một số cách hình thành gốc OHo .17
Bảng 1.8: Các phản ứng chủ yếu trong quá trình Fenton . 19


Chương 2: THỰC NGHIỆM
Bảng 2.1: Mục đích ứng dụng của từng bộ phận trong hệ thống .36


Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Bảng 3.1: Cách bố trí điện cực anode (+): titan. Cathode (-): carbon ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý . . 48
Bảng 3.2: Cách bố trí điện cực anode (+): titan. Cathode (-): titan
ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý . 48
Bảng 3.3: Nguyên liệu làm điện cực anode (+): sắt, cathode (-): carbon ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý 50
Bảng 3.4: Nguyên liệu làm điện cực anode (+): titan, cathode (-): carbon ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý .50
Bảng 3.5: % hàm lượng COD giảm khi (+) là titan, (-) là titan 51
Bảng 3.6: % hàm lượng COD giảm khi (+) là titan, (-) là carbon 51
Bảng 3.7: % hàm lượng COD giảm khi (+) là titan, (-) là sắt 52
Bảng 3.8 : Khảo sát sự hấp phụ của fenobucarb 200mg/l lên kết tủa sắt .53
Bảng 3.9: Khảo sát sự hấp phụ của fenobucarb 150mg/l lên kết tủa sắt 53
Bảng 3.10: Khảo sát sự hấp phụ của fenobucarb 100mg/l lên kết tủa sắt 54
Bảng 3.11: Khảo sát sự hấp phụ của fenobucarb 75mg/l lên kết tủa sắt 54
Bảng 3.12: Khảo sát sự hấp phụ của fenobucarb 50mg/l lên kết tủa sắt 54
Bảng 3.13: % hàm lượng COD giảm khi pH = 2,14 56
Bảng 3.14: % hàm lượng COD giảm khi pH = 5,75 56
Bảng 3.15: % hàm lượng COD giảm khi pH = 8,00 56
Bảng 3.16: % hàm lượng COD giảm khi mật độ dòng bằng 0,0475A/cm2 .58
Bảng 3.17: % hàm lượng COD giảm khi mật độ dòng bằng 0,0267A/cm2 .58
Bảng 3.18: % hàm lượng COD giảm khi mật độ dòng bằng 0,0103A/cm2 .58
Bảng 3.19: % hàm lượng COD giảm khi điện phân dung dịch fenobucarb 200mg/l 60
Bảng 3. 20: % hàm lượng COD giảm khi điện phân dung dịch fenobucarb 100mg/l 60
Bảng 3.21: % hàm lượng COD giảm khi điện phân dung dịch fenobucarb 50mg/l 60
Bảng 3.22: Hiệu quả phân hủy của hệ khi cho 0,5ml FeSO4 vào hệ ngay từ đầu, sau đó không cho thêm FeSO4 vào hệ .62
Bảng 3.23: Hiệu quả phân hủy của hệ khi cho 0,5ml FeSO4 vào hệ ngay từ đầu, sau đó cho thêm 0,5ml FeSO4 vào hệ sau mỗi giờ điện phân 62


DANH MỤC HÌNH
Chương: TỔNG QUAN
Hình 1.1: Công thức cấu tạo của fenobucarb . 4
Hình 1.2: % thuốc trừ sâu bị phân hủy bằng tác nhân Fenton
Fe2+/H2O2 ở pH=7,4 với nồng độ H2O2 10mg/l và 25mg/l .22
Hình 1.3: % thuốc trừ sâu bị phân hủy bằng tác nhân Fenton Fe2+/H2O2 ở pH=5,5 với nồng độ H2O2 10mg/l và 25mg/l .23
Hình 1.4: Sơ đồ quá trình Fenton điện hóa và sự tạo thành gốc
hydroxyl OHo . 28
Hình 1.5: Hiệu quả phân hủy với tác nhân khác nhau . . 30


Chương 2 : THỰC NGHIỆM
Hình 2.1 Mô tả tổng quát các bộ phận của máy sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) . 39
Hình 2.2: Đường chuẩn COD .43
Hình 2.3: Đường chuẩn sắc ký lỏng hiệu năng cao PEAK 1 44
Hình 2.4: Đường chuẩn sắc ký lỏng hiệu năng cao PEAK 2 .44
Hình 2.5: Đường chuẩn TOC .45


Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hình 3.1: Biểu diễn % COD giảm sau khi xử lý một giờ với các điện cực và cách bố trí điện cực khác nhau .49
Hình 3.2: Biểu diễn % COD giảm sau khi xử lý năm giờ với các điện cực anode lần lượt là sắt và titan, cathode là carbon . .50
Hình 3.3: Đường biểu diễn hàm lượng COD khi tiến hành điện phân với các điện cực Ti-Ti, Ti-C, Ti-Fe . 52
Hình 3.4: Sự giảm COD theo thời gian khi cho fenobucarb với các nồng độ khác nhau hấp phụ lên kết tủa sắt .55
Hình 3.5: Biễu diễn sự giảm COD khi tiền hành điện phân ở các điều kiện pH khác nhau 57
Hình 3.6: Sự giảm COD khi thay đổi mật độ dòng 59
Hình 3.7: Đường biễu diễn sự giảm COD khi tiến hành điện phân với dung dịch fenobucarb ban đầu có nồng độ khác nhau 61
Hình 3.8: Đường biễu diễn sự giảm COD khi tiến hành thí nghiệm cho FeSO4
vào hệ một lần ngay từ đầu và sau mỗi giờ điện phân cho thêm FeSO4 vào hệ . 63


MỞ ĐẦU


Hơn 80% dân số Việt Nam làm nông nghiệp, nhu cầu về sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật rất lớn. Có một lượng không nhỏ dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật đã tồn tại trong nước. Trong hơn hai thập kỷ qua, sự phát triển trong lĩnh vực xử lý hóa học nước đã dẫn đến sự phát triển các phương pháp khác nhau để xử lý các chất hữu cơ độc hại hòa tan hoặc phân tán trong môi trường nước. Một nhóm công nghệ như thế gọi là các quá trình oxi hóa nâng cao ( Advanced Oxidation Processes-AOPs). Những quá trình này bao gồm sự tạo thành và sử dụng những tác nhân oxi hóa mạnh, không chọn lọc, có thời gian tồn tại cực ngắn, chủ yếu là gốc tự do OHo. Các quá trình này có khả năng khoáng hóa các chất ô nhiễm đến carbon dioxide, nước và các chất vô cơ hoặc tối thiểu là chuyển chúng trở thành các sản phẩm dễ phân hủy sinh học. Ở nước ta, công nghệ xử lý nước thải dựa trên các quá trình oxi hóa nâng cao còn mới và có rất ít tài liệu chuyên khảo về vấn đề này. Chỉ có một vài nghiên cứu về xúc tác quang hóa UV và ozone, nghiên cứu oxi hóa điện hóa còn rất hạn chế. Trước tình hình đó, đề tài luận văn: “Nghiên cứu phân hủy một số thuốc trừ sâu trong nước thải bằng phương pháp điện hóa dùng điện cực titan” được tiến hành nhằm tìm hiểu cơ chế, tác động và hiệu quả của quá trình oxi hóa điện hóa với việc phân hủy thuốc bảo vệ thực vật fenobucarb. Đồng thời, kết quả của đề tài sẽ đóng góp một phần cho việc phát triển công nghệ xử lý nước thải ở nước ta.