TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG
KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
VÕ THỊ THANH TRANG
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
TRONG NƯỚC THẢI
BẰNG HỆ XÚC TÁC QUANG HỌC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
An Giang, 05/2011
TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG
KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
VÕ THỊ THANH TRANG
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
TRONG NƯỚC THẢI
BẰNG HỆ XÚC TÁC QUANG HỌC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
GVHD: Th.s Nguyễn Trung Thành
Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học
LỜI MỞ ĐẦU
Nước thải là một trong những vấn đề gây ô nhiễm môi trường nhiều nhất hiện nay.
Các hoạt động của con người luôn gắn liền với nhu cầu sử dụng nước cho các mục
đích khác nhau: đời sống sinh hoạt hằng ngày, cho nhu cầu sản xuất công nghiệp,
cho nông nghiệp… và thành phần nước thải cũng ngày càng phức tạp hơn.
Ngày nay các quá trình oxi hóa nâng cao đã trở thành một giải pháp không thể thiếu
bên cạnh các biện pháp xử lý truyền thống để xử lý chất ô nhiễm độc hại, khó hoặc
không thể phân hủy sinh học. Trong những năm gần đây việc sử dụng chất xúc tác
TiO2 trong các quá trình quang hóa để xử lý môi trường. đặc biệt là xử lý các chất ô
nhiễm đã có bước phát triển đáng kể với việc sử dụng các nguồn ánh sáng khác
nhau như UV nhân tạo hoặc tự nhiên.
Do điều kiện khí hậu của nước ta, nguồn ánh sáng dồi dào nên rất thuận lợi khi áp
dụng phương pháp xúc tác quang nhằm hỗ trợ cho các quá trình xử lý truyền thống.
Mặt khác chất hoạt động bề mặt tuy không gây ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường
nhưng việc thải những chất hoạt động bề mặt ra môi trường, chất này sẽ tạo một lớp
màng làm cho oxi trong không khí không khuếch tán vào trong nước gây khó khăn
cho việc xử lý
Trong đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt, một chất
được sử dụng nhiều trong đời sống sinh hoạt hằng ngày, bằng hệ xúc tác quang học.
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang
i
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ i
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................iii
DANH SÁCH HÌNH................................................................................................. v
DANH SÁCH BẢNG............................................................................................... vi
DANH SÁCH BIỂU ĐỒ ........................................................................................ vii
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1
CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU ................................................................ 3
2.1. Chất hoạt động bề mặt (CHĐBM)....................................................................... 3
2.2. Các phương pháp xử lý CHĐBM........................................................................ 4
2.2.1. Phương pháp keo tụ .................................................................................... 4
2.2.2. Phương pháp oxi hóa bằng hệ fenton.......................................................... 5
2.3 Phương pháp oxi hóa bằng các quá trình oxi hóa nâng cao ................................. 5
2.3.1 Tổng quan về quá trình oxi hóa nâng cao trong nước thải .......................... 5
2.3.2 Những ưu việt của quá trình phân hủy oxi hóa bằng gốc tự do Hyroxyl
(*OH) .................................................................................................................... 7
2.3.3 Các quá trình tạo ra gốc Hydroxyl (*OH) ................................................. 11
2.3.4 Sơ lược về TiO2......................................................................................... 12
2.3.5 Các quá trình quang xúc tác bán dẫn ......................................................... 15
2.3.6 Thành tựu .................................................................................................. 21
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 22
3.1 Đối tượng nghiên cứu......................................................................................... 22
3.2 Thời gian nghiên cứu.......................................................................................... 22
3.3 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 22
3.4 Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 22
3.5 Phương tiện và vật liệu nghiên cứu .................................................................... 23
3.6 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 23
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang
iii
Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học
DANH SÁCH HÌNH
-
Hình 2.1: Cấu tao chất hoạt động bề mặt
Hình 2.2: Hình dạng cầu và hình phẳng của cụm chất hoạt động bề mặt
Hình 2.3: TiO2 dạng bột
Hình 3.1: Quá trình rửa chất mang
Hình 3.2: Quá trình tổng hợp chất xúc tác
Hình 3.3: Thiết bị thực hiện phản ứng
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang
v
Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học
DANH SÁCH BẢNG
-
Bảng 2.1: Khả năng oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa
Bảng 2.2: Các hợp chất hữu cơ bị oxy hóa bởi gốc Hydroxyl (*OH) đã được
nghiên cứu
Bảng 2.3: Hằng số tốc độ phản ứng (M-1S-1) của gốc Hydroxyl (*OH) so ới
Ozon.
Bảng 2.4: Các quá trình oxy hóa nâng cao dựa vào gốc Hydroxit(*OH)
Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học
CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
Các chất thải độc hại và các chất thải không có khả năng phân hủy sinh học có
nguồn gốc nhân tạo đã và đang gây ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng.
Các chất độc hại này có thể hóa hơi và đi vào tầng khí quyển và phá hủy tầng ozone
(các chất nguy hiểm đó có thể là các thuốc bảo vệ thực vật, các hóa chất có chứa các
nguyên tố halogen…) làm mất cân bằng hệ sinh thái trên toàn cầu; ô nhiễm đất;
nguồn nước tự nhiên; làm cạn kiệt nguồn nước sạch…Ngoài ra, các hợp chất chứa
các nguyên tố halogen; khi chúng tồn tại lâu dài dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời
thì chúng cũng là một trong những chất có khả năng gây nhiễm độc dioxin cho
người.
Trong các thập kỉ qua, bên cạnh các quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp
sinh – lý- hóa học thì việc áp dụng các quá trình oxi hóa nâng cao trong quá trình xử
lý nước thải càng trở nên càng quan trọng hơn. Trong nhiều quá trình, rất nhiều gốc
hoạt tính được tạo ra với mục đích oxi hóa (trực tiếp hoặc thông qua các phản ứng
của oxi hòa tan) các chất ô nhiễm có nguồn gốc hữu cơ; các quá trình này được thực
hiện dưới hình thức đồng thể và cả dị thể. Những nghiên cứu gần đây, các oxit kim
loại bán dẫn có hoạt tính quang học thường được dùng; trong một quá trình đồng
thể, quá trình tạo các gốc hydroxyl là một bước then chốt trong quá trình xử lý này.
Việc áp dụng năng lượng của ánh sáng trong vùng nhìn thấy và tử ngoại trong quá
trình xử lý môi trường mang tính thân thiện có thể thực hiện; nhất là có thể xử lý
nước thải với giá thành thấp và mang tính khả thi trong điều kiện thực tế tại Việt
Nam.
Việc sử dụng các chất hoạt động bề mặt ngày nay càng trở nên phổ biến từ công
nghiệp cho đến gia đình. Điều này cũng kéo theo là môi trường phải chịu ảnh hưởng
lớn bởi một lượng chất hoạt động bề mặt (bao gồm cả chất hoạt động bề mặt ion và
Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học
CHƯƠNG 2
LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1. Chất hoạt động bề mặt (CHĐBM)
Theo Wikipedia; chất hoạt động bề mặt (surfactant hay surface active agent) là một
chất làm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng. xét về mặt
cấu trúc thì chúng là những phân tử có cấu trúc phân cực; gồm một phần ưa nước và
phần còn lại là kị nước; được mô phỏng như hình 1.1 bên dưới.
(b)
(a)
Phần ưa nước
Phần kị nước
Hình 2.1. Hình dạng (mô phỏng) (a) và cấu tạo (b) của chất hoạt động bề mặt.
Xét về mặt đặc điểm của CHĐBM thì chúng là những chất được dùng để làm giảm
sức căng bề mặt của một chất lỏng bằng cách làm giảm sức căng bề mặt tại bề mặt
tiếp xúc của hai chất lỏng. Khi hòa tan CHĐBM vào một dung môi thì các phân tử
CHĐBM có khuynh hướng kết tụ lại với nhau (micelle keo) và nồng độ mà tại đó
các phân tử này bắt đầu kết tụ được gọi là “nồng độ kết tụ tới hạn” ; và tùy thuộc
vào loại dung môi thì cấu trúc của micelle keo là khác nhau; cụ thể là:
• Dung môi phân cực (lấy ví dụ là nước) thì phần kị nước của CHĐBM sẽ co
cụm lại với nhau và phần ưa nước sẽ phô ra ngoài và tạo thành những hình
dạng khác nhau như hình cầu; hình trụ hoặc tạo màng. (như được thể hiện
trong hình 1.2.).
•
Dung môi không phân cực thì quá trình thì ngược lại với quá trình hòa tan
CHĐBM trong dung môi phân cực.
• CHĐBM lưỡng cực: khi bị phân cực thì đầu phân cực có thể mang điện âm
hoặc mang điện dương tùy vào pH của dung môi, ví dụ: Dodecyl
đimêtylamin ôxít.
Các CHĐBM được ứng dụng rất nhiều trong đời sống hằng ngày như: bột giặt; sơn;
nhuộm (làm mềm vải sợi, chất trợ nhuộm). Ngoài ra, CHĐBM còn dùng trong một
số lĩnh vực khác như: thực phẩm (chất nhũ hóa cho bánh kẹo, đồ hộp…); mỹ phẩm
(chất nhũ hóa, chất tạo bọt, chất tẩy rửa); nông nghiệp (chất gia công để chế tạo
thuốc bảo vệ thực vật); xây dựng (chất nhũ hóa nhựa đường, tăng cường độ đóng
rắn của bê tông); khoáng sản (chất tuyển nổi,…)…
2.2. Các phương pháp xử lý CHĐBM
Để xử lý nước thải nhiễm CHĐBM thường có 2 hướng chính: (1) keo tụ chúng và
sau đó tách chúng ra khỏi dung dịch; (2) vô cơ hóa chúng bằng quá trình oxi hóa.
thực tế có một số phương pháp dựa vào hai hướng chính trên và các phương pháp
đó là:
2.2.1. Phương pháp keo tụ
Thực tế phương pháp này là phương pháp kết hợp giữa phương pháp hoá học và lý
học. Mục đích của phương pháp này nhằm loại bỏ các hạt chất rắn khó lắng hay cải
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang
4
Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học
thiện hiệu suất lắng của bể lắng. Cấu tạo của bể này là loại bể lắng cơ học thông
thường, nhưng trong quá trình vận hành, chúng ta thêm vào một số chất keo tụ như
phèn nhôm, polymer để tạo điều kiện cho quá trình keo tụ và tạo bông cặn để cải
thiện hiệu suất lắng. Các chất thường dùng cho quá trình keo tụ là muối sắt và muối
Quá trình oxi hóa nâng cao được định nghĩa là những quá trình phân hủy oxi hóa
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang
5
Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học
dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl *OH được tao ra ngay trong quá trình xử lý.
Gốc hydroxyl là tác nhân oxi hóa mạnh nhất trong số các tác nhân oxi hóa được biết
từ trước đến nay, có khả năng phân hủy oxi hóa mọi hợp chất hữu cơ, dù là loại khó
phân hủy nhất, chuyển hóa chúng thành các hợp chất vô cơ không độc hại như CO2,
H2O, các axit vô cơ. Từ những tác nhân oxi hóa thông thường như hydrogen
peroxit, ozon…có thể nâng cao khả năng oxi hóa của chúng bằng các phản ứng hóa
học khác nhau để tạo ra các gốc hydroxyl, thực hiện quá trình oxy hóa gián tiếp
thông qua gốc hydroxyl
Các quá trình oxy hóa nâng cao đã nổi lên trong những năm gần đây như một loại
công nghệ cao có tầm quan trọng trong việc đẩy mạnh quá trình oxy hóa, giúp phân
hủy nhiều loại chất hữu cơ ô nhiễm khác nhau trong nước, đặc biệt là các chất ô
nhiễm hữu cơ khó phân hủy như những hợp chất chứa Clo, các hợp chất có vòng
thơm, các hợp chất bảo vệ thực vật, thuốc nhuộm, các chất hoạt động bề mặt,…
Gần đây, các quá trình oxy hóa nâng cao được nghiên cứu nhiều và ứng dụng rất
nhiều trong lĩnh vực xử lý nước thải.
Những hạn chế của quá trình oxy hóa hóa học bằng tác nhân thông thường:
a. Khí Clo (Cl2)
Clo là chất oxy hóa hóa học tốt được sử dụng để khử Fe2+ trong nước ngầm
hoặc nước mặt, trong khử trùng nước sau khi xử lý. Vì Clo là chất oxy hóa mạnh, rẻ
tiền và dễ sử dụng nên được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực xử lý nước, nước thải
không để lại các phụ phẩm lạ và nguy hiểm trong nước sau khi phản ứng. Tuy vậy,
ozon kém hòa tan trong nước và là hợp chất không bền, thời gian tồn tại chỉ vài
phút. Vì vậy để đạt được số lượng ozon hòa tan trong nước đủ lớn cho quá trình oxi
hóa, phải đưa vào hệ một số lượng ozon lớn. Ngoài nhược điểm trên, khi sử dụng
ozon làm chất oxi hóa trong xử lí nước và nước thải là phải sản xuất ozon tại chỗ,
ngay trong dây chuyền xử lý.
2.3.2 Những ưu việt của quá trình phân hủy oxi hóa bằng gốc tự do Hyroxyl
(*OH)
a. Gốc tự do Hyroxyl (*OH) và khả năng oxi hóa của gốc Hydroxyl
Như chúng ta đã biết, oxi hóa là quá trình trong đó electron được chuyển từ
chất bị oxi hóa sang chất oxi hóa, tạo ra một hiệu thế được hiển thị bằng volt (V)
dựa trên hiệu thế điện cực Hydro bằng 0. Mỗi tác nhân oxi hóa điều có một thế
mạnh oxi hóa khác nhau và đại lượng này được dùng để so sánh khả năng oxy hóa
mạnh hay yếu của chúng.
Khả năng oxi hóa của các tác nhân oxi hóa được thể hiện qua thế oxi hóa và
được xắp xếp theo thứ tự trình bày trong bảng 2.1 dưới đây.
Bảng 2.1 Khả năng oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa
Tác nhân oxi hóa
Thế oxi hóa, V
Gốc Hydroxyl
2,80
Ozon
2,07
Hydrogen peroxit
1,45
Clo
1,36
Brom
1,09
Iod
0,54
( Trần Mạnh Trí, 2006)
Trong các tác nhân oxi hóa trên, Gốc tự do Hyroxyl (*OH) là tác nhân oxi
hóa mạnh nhất. Qua bảng 2.1 ta thấy, thế oxi hóa gốc Hydroxyl là 2,8 V, cao nhất
trong số các tác nhân oxi hóa thường gặp, gấp 2.05 lần Clo và 1,52 lần Ozon.
Đặc tính của gốc tự do là trung hòa về điện trong khi các ion điều mang điện
tích dương hoặc âm. Gốc tự do được tạo thành từ sự tách ra hai phần bằng nhau của
liên kết hai electron, ví dụ: khi hào quang phân H2O2 sẽ thu được 2 gốc *OH như
sau:
HO:OH + hv -> *OH + *OH
Mỗi gốc *OH đều không mang điện, hai gốc *OH có thể kết hợp trở lại
thành HOOH cũng không mang điện. [Lưu ý: ký hiệu* cho biết là gốc tự do và biểu
thị một electron lẻ đôi ]. Gốc tự do này không tồn tại sẵn trong mội trường như
những tác nhân oxi hóa thông thường, mà chỉ sản sinh ra ngay trong quá trình phản
ứng, có tời gian sống rất ngắn, khoản vài nghìn giây nhưng liên tục được sinh ra
trong suốt quá trình phản ứng (Trần Mạnh Trí, 2006)
b. Cơ chế phản ứng và phương thức phản ứng của gốc Hydroxyl (*OH)
Đặc điểm chung của quá trình oxi hóa bởi các tác nhân thông thường là
không thể xảy ra với mọi chất và không thể xảy ra triệt để. Trong khi đó, gốc *OH
thì ngược lại.
Bảng 2.2 Các hợp chất hữu cơ bị oxi hóa bởi gốc Hydroxyl (*OH) đã được nghiên
cứu
Nhóm
Hợp chất
Axit
Fomic, gluconic, lactic, malic, propionic, tactaric
Alcohol
Benzyl, tert-butyl, etanol, etylen, glycol, glyxerol,
iso-propanol,methanol, propenediol
Aldehyd
Axetaldehyl, benzaldehyd, focmaldehyl, glyoxal,
iso-butyraldehyd, tricloroaxetaldehyd.
Aromatic
Benzen, clorobenzen, clorophenol, creozot,
diclorophenol, hydroquinon, p-nitrophenol, phenol,
toluen, triclorophenol, xylem, trinitrotoluene.
GVHD: Nguyễn Trung Thành
oxi hóa thông dụng) từ hàng nghìn đến hàng tỉ lần ( bảng 2.3)
Bảng 2.3 Hằng số tốc độ phản ứng (M-1S-1) của gốc Hydroxyl (*OH) so với Ozon.
Hợp chất
O3
*OH
Các Alcohol
10-2 đến 1
108 đến 1010
Các Aldehyt
10
109
Các alkan
10-2
106 đến 109
Các aromatic
1 đến 102
1 đến 450.103
109 đến 1011
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang
10
Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học
Các phenol
103
109 đến 1010
Các chất hữu cơ
chứa S
10 đến 1,6.103
109 đến 1010
( Trần Mạnh Trí, 2006)
2.3.3 Các quá trình tạo ra gốc Hydroxyl (*OH)
Do gốc Hydroxyl (*OH)có khả năng oxi hóa rất mạnh, tốc độ phản ứng oxi
hóa rất nhanh và không chọn lựa khi phản ứg với các hợp chât khác nhau, nhiều
Peroxon
H2O2, O3
Catazon
O3 và chất xúc tác
Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học
Oxi hóa điện hóa
H2O, năng lượng điện hóa
Quá trình siêu âm
H2O, năng lượng siêu âm
Quá trình bức xạ năng H2O, năng lượng cao (tia
lượng cao(tia γ ,tia X, γ ,tia X, chùm electron)
chùm electron)
Các quá trình oxi hóa Quang Fenton biến thể
nâng cao nhờ tác nhân
ánh sáng
Quang Fenton
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang
12
Hình 2.3: TiO2
dạng bột
Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học
Bảng 2.5: Tính chất của TiO2
Tính chất
TiO2
Khối lượng phân tử
79,866 g/mol
Hình dạng
chất rắn màu trắng
Mật độ
4,23g/cm3
Điểm nóng chảy
18430C
Hàm lượng TiO2 , %
Rutile
TiO2
92 – 98
Anatase
TiO2
90 – 95
Brookite
TiO2
90 – 100
Ilmenite
FeTiO3
35 – 60
Leucoxene
CaTiO3
SVTH: Võ Thị Thanh Trang
14
Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học
Titan dioxide, đặc biệt là ở dạng anatase, là một quang xúc tác dưới tia cực tím UV
ánh sáng. Gần đây nó đã được tìm thấy rằng titan dioxide, khi tăng mạnh với các
ion hoặc pha tạp nitơ oxit kim loại như với triôxít vonfram, cũng là một quang xúc
tác theo hoặc ánh sáng nhìn thấy hoặc tia cực tím. Khả năng oxi hóa mạnh của các
lỗ tích cực oxi hóa nước để tạo ra các gốc hydroxyl. Nó cũng có thể oxi hóa hữu cơ.
Titan dioxide được thêm vào sơn, xi măng, cửa sổ, gạch, hoặc các sản phẩm khác để
khử trùng của nó, khử mùi và chống hà tài sản và được sử dụng như một thủy phân
chất xúc tác.
Titan dioxide có tiềm năng để sử dụng năng lượng sản xuất: như quang xúc tác.
•
Thực hiện thủy phân, chia nước thành hydro và oxi. Hydro thu được, nó có
thể được sử dụng làm nhiên liệu. Hiệu quả của quá trình này có thể được cải
thiện rất nhiều.
•
Titan dioxide cũng có thể sản xuất điện khi ở dạng hạt nano. Nghiên cứu cho
thấy rằng bằng cách sử dụng các hạt nano để tạo thành các điểm ảnh của màn
hình.
•
Copyright: Tài liệu đại học ©