ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
––––––––––––––––––––––––

NGUYỄN NGỌC TUẤN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ Cr(VI) TRONG NƯỚC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
––––––––––––––––––––––––

NGUYỄN NGỌC TUẤN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ Cr(VI) TRONG NƯỚC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 8.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ĐÌNH VINH

chuẩn bị, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ của các bạn bè đồng nghiệp, gia đình, người
thân đã giúp đỡ tôi rất nhiều khi thực hiện luận văn này.
Dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện, song chắc chắn rằng luận
văn này sẽ không thể tránh khỏi thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự góp ý của quý
Thầy Cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn được bổ sung hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2019
Tác giả
Nguyễn Ngọc Tuấn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỤC LỤC
MỤC LỤC......................................................................................................... a
DANH MỤC CÁC HÌNH................................................................................. c
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ d
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................... 2
1.1. Giới thiệu chung về phương pháp keo tụ điện hóa ....................................
2
1.1.1. Cơ sở lý thuyết ........................................................................................ 2
1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng.............................................................................. 7
1.1.3. Ứng dụng............................................................................................... 13
1.2. Nguồn phát thải và độc tính của Cr(VI)................................................... 14
1.2.1. Nguồn phát thải ..................................................................................... 14
1.2.2. Độc tính ................................................................................................. 15

2.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của chất điện li ................................................ 25
2.3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu............................ 25
2.3.5. Nghiên cứu xử lý mẫu nước tổng hợp .................................................. 25
2.4. Các phương pháp phân tích...................................................................... 26
2.4.1. Phương pháp hân tích hàm lượng Cr(VI) ............................................. 26
2.4.2. Phân tích cặn sau xử lý.......................................................................... 30
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................... 30
3.1. Kết quả xây dựng và đánh giá đường chuẩn............................................ 30
3.1.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn ............................................................ 31
3.1.2. Kết quả đánh giá độ tin cậy của đường chuẩn ...................................... 32
3.2. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện và thời gian ........................................ 35
3.3. Ảnh hưởng của pH ................................................................................... 38
3.4. Ảnh hưởng của chất điện li ...................................................................... 39
3.5. Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu ................................................. 42
3.6. Kết quả xử lý mẫu nước tổng hợp............................................................ 43
3.7. Cấu trúc của cặn bùn sau xử lý ................................................................ 44
KẾT LUẬN .................................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 48

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Các quá trình xảy ra trong phương pháp EC .................................... 3
Hình 1.2. Cơ chế chính của quá trình EC ......................................................... 4
Hình 1.3. Đơn điện cực song song (a), nối tiếp (b); điện cực đôi mắc nối
tiếp (c)............................................................................................ 10
Hình 1.4. Mô hình lắp đặt EC: hệ bể (a); hệ liên tục (b) (1-bể nước; 2-bơm;

Bảng 3.3. Thí nghiệm đánh giá độ chụm và kết quả tính sai số tương đối..... 34
Bảng 3.4. Kết quá đánh giá đường chuẩn bằng thực nghiệm ......................... 35

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Ký hiệu

Tên đầy dủ

EC

Keo tụ điện hóa

UV-Vis

Tử ngoại khả kiển

SEM

Hiển vi điện tử quét

XRD

Nhiễu xạ tia X


2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý Cr(VI) bằng
công nghệ EC nhằm tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý.
3. Thử nghiệm xử lý mẫu thực có thành phần tương tự như nước thải
của ngành công nghiệp mạ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




4. Đánh giá sơ bộ về cặn bùn sinh ra trong quá trình EC.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về phương pháp keo tụ điện hóa
1.1.1. Cơ sở lý thuyết
Phương pháp keo tụ điện hóa (electrocoagulation, EC) có thể được sử
dụng để xử lý nước uống hoặc nước thải. EC bao gồm quá trình tạo ra các chất
keo tụ tại chỗ (in situ) bằng quá trình oxi hóa bằng dòng diện. Trong quá trình
này, anot bị tan dần thành các ion và các ion này bị thủy phân trong nước để
tạo thành các chất keo tụ như các hydroxit và các ion. Al và Fe là vật liệu phổ
biến nhất được dùng làm điện cực bởi vì chúng có nhiều ưu điểm như rất phổ
biến, giá thành rẻ, ít độc, hiệu quả cao trong việc làm sạch nước. Hơn nữa,
catot cũng có vai trò làm sạch nước như phân hủy các chất hoặc làm nổi các
chất bẩn do bọt khí H2 sinh ra. Thông thường, anot và catot được làm từ cùng
một loại vật liệu mặc dù quá trình hòa tan điện hóa chỉ xảy ra tại anot. EC có
thể được thực hiện trong bể hoặc bằng quá trình liên tục [1] .

Ion kim loại sinh ra có thể trải qua nhiều cân bằng như axit-bazơ, tạo
phức, kết tủa, oxi hóa khử. Tuy nhiên, quá trình phổ biến nhất là sự hình thành
hydroxit ít tan. Hệ quả là các chất bẩn bị hấp phụ bởi các hydroxit và lắng
xuống dưới [3].
+ Đối với quá trình tạo phức, chất ô nhiễm có thể đóng vai trò như phối
tử liên kết với hydroxit kim loại:
L-H + (OH)OFe → L-OFe +H2O
L-H + (OH)(OH)2Al → L-(OH)2Al +H2O
+ Đối với quá trình oxi hóa khử điện hóa: các chất ô nhiễm như Cr(VI)
bị khử về Cr(III) và kết tủa ở dạng hydroxit, các ion nitrat bị khử tạo thành
nitrit, amoniac và nito.
+ Đối với quá trình hấp phụ: các chất ô nhiễm được hấp phụ trực tiếp tại
điện cực.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Oxi hóa hoặc khử bởi
dòng điện
Hấp phụ trên

Kết tủa
Đồng kết tủa

các chất kết
Chất ô nhiễm

Hấp phụ trên

4

+ �+

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Al tồn tại chủ yếu ở dạng cation khi pH10 và ở dạng kết tủa khi 4

9.397

+ 2� 2�  ��(��)

+ 2�
2 (���)

+ 2� 2�  ��(��)

+ 2�
2 (��)

2+
−
��
(���) + 3� 2�  ��(��)
(���)
3+
��
(���)
(���)
3+
��
(���)
(���)

+

+ � 2�  ��(��)+


12.56

�� 2+ + 2�� 3+ + 8� �  �� (��)
+
+ 8�
3+
+
��
(���) + 2� 2�  αFeO(OH)(s) + 3�

20.222

(���)
3+
��
+ 2� 2�  γFeO(OH)(s) + 3�+
(���)
(���)
3+
��
+ 4� 2�  Fe(��)−
+ 4�+
(���)
4 (���)
(���)
3+
4+
2��
+ 2� 2� �� (��)

1.371
21.588
13.771
6.228
E° (V)

2+
��
(���) + 2e  ��

(��)

-0.41

3+
��
(���) + 3e  ��

(��)

-0.04

3+
2+
��
(���) + 1e  �� (���)

+0.77

Mặc dù chưa có sự thống nhất, nhưng phần lớn các nghiên cứu đều cho

1.1.2.1. Ảnh hưởng của dòng điện
Dòng điện I là yếu tố quan trọng của EC và thường được quy về mật độ
dòng điện i đó là điện lượng trên một đơn vị diện tích bề mặt điện cực. Mật độ
dòng quyết định lượng chất keo tụ ở anot và lượng H2 giải phóng ra ở canot
theo định luật Faraday. Mật độ dòng điện ảnh hưởng đến sự thủy phân của ion
kim loại qua sự thay đổi pH trong quá trình EC. Do đó, dòng điện ảnh hưởng
trực tiếp đến cơ chế đông keo tụ và tạo thuận lợi cho việc chuyển điện tích của
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




các ion và tích điện cho hệ keo. Lượng điện tiêu thụ trong quá trình EC là một
hàm số phụ thuộc vào thời gian [2,8]:
�

P=∫0 ��. �.
�� (1.2)
Vì năng lượng điện cần thiết cho quá trình EC liên quan đến dòng điện
và điện thế, EC có thể được điều khiển theo chế độ galvanostatic hoặc
potentiostatic. Đối với chế độ galvanostatic, quá trình EC được thực hiên bằng
việc điều khiển hoặc biến đổi dòng điện qua điện cực, trong khi đó chế độ
potentiostatic hiệu điện thế được điều chỉnh để đạt được lượng chất keo tụ
mong muốn. Chế độ potentiostatic hiếm khi được sử dụng trong quá trình EC.
Tuy nhiên, dòng điện cao có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của
quá trình EC. Ví dụ, các phản ứng thứ cấp có thể xảy ra, điện tích của hệ keo
bị đảo ngược và tái phân tán dẫn đến sự giảm hiệu quả keo tụ và giảm tuổi thọ
của điện cực. Mật độ dòng điện có thể biến đổi tùy thuộc vào bản chất và nồng
độ chất ô nhiễm có thể từ 0.01 đến 880 A/m2. Việc tối ưu hóa mật độ dòng cần
được xem xét cùng với các yếu tố khác. Để hệ EC hoạt động lâu dài mật độ

đó sự giảm pH do sự hình thành kết tủa hydroxit.
1.1.2.3. Ảnh hưởng của cấu trúc và điện cực của quá trình EC
Quá trình EC có thể bị ảnh hưởng bởi hệ thống điện cực thông qua sự
sắp xếp và khoảng cách giữa chúng. Sự sắp xếp điện cực có thể đơn giản hoặc
phức tạp. Sự sắp đặt phức tạp có thể phân chia thành đơn cực và lượng cực.
+ Điện cực đơn được mắc song song như hình 1.3a là sự sắp xếp xen kẽ
giữa anot và catot. Mỗi cặp điện cực sẽ hình thành một tế bào điện phân và thế
của chúng là như nhau. Do đó dòng điện sẽ là tổng dòng điện của các tế bào.
+ Điện cực đơn mắc nối tiếp như được mô tả trong hình 1.3b. Cặp điện
cực hy sinh sẽ được nối với nhau và không nối với hai điện cực phía ngoài.
Trong trường hợp này dòng điện chạy qua các cặp là như nhau và thế của hệ là
tổng thế của các cặp điện cực.
+ Điện cực đơn mắc nối tiếp được trình bày trong hình 1.3c. Hai điện
cực phía ngoài nối trực tiếp với nguồn điện và các điện cực hy sinh được dặt
giữa chúng. Điện cực phía ngoài là đơn cực còn điện cực hy sinh là lưỡng cực.
Các điện cực đôi không được nối với nhau và mỗi mặt của chúng sẽ tự động
đóng vai trò là anot và catot [10].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 1.3. Đơn điện cực song song (a), nối tiếp (b);
điện cực đôi mắc nối tiếp (c)
Nhìn chung, hệ điện cực đơn yêu cầu điện thế thấp và mật độ dòng cao,
hệ lưỡng cực thì ngược lại. Khó có thể khẳng định cách sắp xếp nào ưu việt
hơn. Nếu xét về hiệu xuất của EC thì hệ lượng cực có hiệu suất cao hơn nhưng
nếu xét về mức tiêu thụ năng lượng thì hệ đơn cực tiêu thụ ít hơn, dễ vẫn hành
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN