Download miễn phí Nghiên cứu xử lý nước thải bằng ozone
T rong số cá c chấ t oxy hóa thường đựoc sử dụng, oz one là một chấ t oxy hóa rấ t mạ nh ( xem bả ng 1 ). Oz one có thể được sử dụng tổ hợp v ới UV , H2O2, oxyt kim loạ i, điện phâ n.
Oz one tá c dụng v ới cá c CHC ta n trong nước chủ yếu theo ha i cơ chế sa u:
- T hứ nhấ t, oz one phả n ứng trực tiếp v ới chấ t ta n (P).
- T hứ ha i, oz one phả n ứng v ới chấ t ta n (P) theo cơ chế gốc.
Ngoà i ra , oz one có thể tá c dụng v ới chấ t khá c tạ o ra chấ t oxy hóa thứ cấ p. Chấ t mới nà y sẽ oxy hóa chấ t ta n.
T ấ t cả cá c phả n ứng trên có thể xả y ra đồng thời. Nhưng tùy theo điều kiện phả n ứng v à thà nh phầ n của nước nhiễm bẩ n, sẽ có phả n ứng nà o đó trội hơn.
Trung tâm nhiệt đới Việt Nga – CN phía Nam
Hiện nay, đất nước ta đang mạnh mẽ bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Bên cạch sự phát triển
vượt bậc của kinh tế nói chung và công nghiệp nói riêng nổi lên một nguy cơ đáng lo ngại là sự ô nhiễm môi trường
ngày một trầm trọng, đe dọa sự phát triển bền vững của chính nền kinh tế. Trong số các chất gây ô nhiễm, đáng quan
ngại nhất là các hợp chất vòng thơm ( HCT ) và các dẫn xuất clo của chúng ( DXCLHCT ). Các HCT thường rất bền
vững trong điều kiện tự nhiên và rất khó xử lý bằng các phương pháp thông thường. Điều đó đặt ra nhiệm vụ cho
chúng tui tìm một phương pháp thích hợp để xử lý chúng.
1. Vài nét về các phương pháp xử lý nước thải.
Hiện nay, để xử lý nước thải người ta thường áp dụng nhóm các phương pháp sau một cách độc lập hay kết
hợp :
- Phương pháp cơ học : Lắng cặn , gạt nổi , lọc … Phương pháp này áp dụng cho các chất ô nhiễm không tan,
có khối lượng riêng khác nước, hay ở dạng hạt có kích thước lớn.
- Phương pháp hóa lý : Dùng hóa chất để trung hòa , tạo huyền phù , tạo kết tủa , hấp phụ trao đổi … Phương
pháp thường áp dụng xử lý nước thải của các nhà máy hóa chất.
- Phương pháp sinh học : Phân hủy chất hữu cơ ( CHC ) nhờ vi khuẩn kỵ khí , hiếu khí, rong , tảo, nấm …
Phương pháp này thường đơn giản, hiệu quả tốt và chi phí thấp, do đó thướng được áp dụng khi xử lý nước bị ô
nhiễm bởi các chất hữu cơ.
Trong rất nhiều trường hợp, các phương pháp thông thường kể trên không hiệu quả. Với các loại nước thải
nhiễm các chất độc khó phân hủy, chẳng hạn thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ …, vi sinh vật hầu như không hoạt động
được, do vậy áp dụng phương pháp vi sinh tỏ ra rất ít hiệu quả. Để giải quyết vấn đề này, người ta đã áp dụng các
phương pháp oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes-AOPs).
1.1. Phương pháp oxy hóa dùng tác nhân oxy hóa là oxy không khí trong môi trường nước (Wet Air
Oxidation – WAO) và có thêm xúc tác (CWAO)
Bản chất của phương pháp này là oxy hóa CHC nhờ oxy hay không khí trong môi trường nước, ở nhiệt độ và
áp suất rất cao, có hay không có xúc tác. Thường nhiệt độ phải đạt 180-350oC và áp suất là 2-15MPa khi không có
xúc tác. Còn khi có xúc tác, các con số đó là 60-150oC và vài MPa. Thời gian diễn ra phản ứng khá nhanh, thường
trong vòng 30-120 phút. Nhưng nhược điểm lớn của phương pháp là:
- Phải tiến hành ở nhiệt độ và áp suất cao.
- Việc chọn lựa xúc tác thích hợp khá phức tạp.
1.2. Phương pháp oxy hóa dùng tác nhân là H2O2
H2O2 là một chất oxy hóa mạnh, Thế oxy hóa của nó là 1,76. Trong nước nó phân ly theo phản ứng:
H2O2 + H2O « HO2¯ + H3O+ với pK=11,6 (1)
Nếu sử dụng H2O2 một cách độc lập thì hiệu quả phân hủy các CHC rất hạn chế. Hiệu quả đó tăng rất mạnh
khi kết hợp H2O2 với một số tác nhân khác như: Fe2+, Fe3+, ozone hay bức xạ cực tím ( ultraviolet - UV). Tổ hợp
Fe2+/ H2O2 được gọi là tác nhân Fenton; còn Fe3+/H2O2 – tác nhân tương tự Fenton. Xúc tác Fe2+ có thể dùng ở
dạng muối tan (xúc tác đồng thề) hay ở dạng hấp phụ trên chất mang rắn (xúc tác dị thể).
Bảng 1: Thế oxy hóa của một số chất:
Chất oxy hóa OH& Ozone H2O2 HClO2 HClO
Thế oxy hóa,v 2,76 2,07 1,76 1,64 1,49
Bản chất của phương pháp là sự hình thành gốc OH có khả năng oxy hóa rất mạnh. thế oxy hóa của nó là 2,76
V. Do vậy, quá trình phân hủy các CHC gây ô nhiễm có thể tiến hành ở nhiệt độ và áp suất thường.
1.2.1. Phản ứng với tác nhân Fenton (H2O2/ Fe2+)
Cơ chế và động học của phương pháp oxy hóa với tác nhân Fenton như sau:
Đầu tiên xảy ra phản ứng tạo gốc OH&
Fe2+ + H2O2 ® Fe3+ + HO¯ + OH& với k2 = 76 mol-1s-1 (2)
Sau đó xảy ra phản ứng phục hồi Fe2+
Fe3+ + H2O2 ® Fe2+ + H+ + HO2& với k3 < 3x10-3 mol-1s-1 (3)
Gốc OH tạo thành ở (2) sẽ đóng vai trò chính trong việc oxy hóa CHC. Ở nhiệt độ bình thường, phản ứng
thường xảy ra với tốc độ nhanh, hằng số tốc độ khoảng 107-1010. Ở pH thấp, phản ứng (2) sẽ thuận lợi hơn, và phản
ứng oxy hóa CHC sẽ tốt hơn do số lượng gốc OH tăng hơn. Nói chung, phản ứng Fenton xảy ra tốt ở pH < 4.
Với tác nhân tương tự Fenton (H2O2/ Fe3+), trước tiên xảy ra phản ứng khử Fe3+ thành Fe2+ (3), sau đó sẽ
xảy ra phản ứng Fenton như ở trên.
1.2.2. Dùng tác nhân H2O2/UV hay Fenton/UV
Trong phương pháp H2O2/UV có thể thêm xúc tác là oxyt của một số kim loại chuyển tiếp. Khi dùng xúc tác
converted by Web2PDFConvert.com
là Fe2+, ta có hệ Fenton/UV. Dưới tác dụng của bức xạ UV có độ dài sóng 253,7 nm, H2O2 trong dung dịch nước bị
phân hủy thành gốc OH với hiệu suất quang ( quantum yield ) j là 0,5.
Với tác nhân tương tự Fenton, bức xạ UV ( với l > 300 nm ) sẽ khử Fe3+ thành Fe2+ và kèm theo sự tạo
thành gốc OH theo phản ứng (4).
[FeOH]2+ + hn ® Fe2+ + OH& (4)
1.3. Phương pháp oxy hóa dùng tác nhân là ozone
Trong số các chất oxy hóa thường đựoc sử dụng, ozone là một chất oxy hóa rất mạnh ( xem bảng 1 ). Ozone
có thể được sử dụng tổ hợp với UV, H2O2, oxyt kim loại, điện phân. …
Ozone tác dụng với các CHC tan trong nước chủ yếu theo hai cơ chế sau:
- Thứ nhất, ozone phản ứng trực tiếp với chất tan (P).
- Thứ hai, ozone phản ứng với chất tan (P) theo cơ chế gốc.
Ngoài ra, ozone có thể tác dụng với chất khác tạo ra chất oxy hóa thứ cấp. Chất mới này sẽ oxy hóa chất tan.
Tất cả các phản ứng trên có thể xảy ra đồng thời. Nhưng tùy theo điều kiện phản ứng và thành phần của nước nhiễm
bẩn, sẽ có phản ứng nào đó trội hơn.
1.3.1. Ozone phản ứng trực tiếp với chất tan
Ozone khi hòa tan vào nước sẽ tác dụng với CHC (P), tạo thành dạng oxy hóa của chúng theo phương trình
động học sau:
- d/dt = kP [ O3] (5)
Nhưng phản ứng trực tiếp của ozone với CHC có tính chọn lọc, tức là ozone chỉ phản ứng với một số loại
CHC nhất định. Sản phẩm của các quá trình ozone hóa trưc tiếp các chất vòng thơm bằng ozone thường là các axit
hữu cơ hay các muối của chúng.
1.3.2. Ozone phản ứng với chất tan theo cơ chế gốc
Theo José L. Sotelo và các đồng sự, khi tan vào nước tinh khiết, ozone sẽ phân hủy tạo thành gốc OH theo
phản ứng kiểu dây chuyền. Từ các phản ứng đó, sau một số phép biến đổi, các tác giả đã thiết lập được phương trình
tốc độ phân hủy ozone như sau:
- d[O3] /dt = kA[O3] + kB[OH¯ ]1/2[O3]3/2 (6)
Trong đó, kA = 2 k22; kB = 2k25 ( k23/ k26 )1/2
Theo biểu thức trên, ở môi trường kiềm, sự phân hủy ozone tăng, Thực nghiệm cho thấy, khi oxy hóa các hợp
chất đa vòng thơm (PAH) chỉ bằng một mình ozone, hiệu quả tốt khi pH = 7 – 12.
· Như vậy, CHC có thể bị phân hủy bởi ozone theo cả hai cơ chế: trực tiếp và gốc. Khi đó, phương trình động học
chung của quá trình đó biểu diễn như sau :
- d/dt = kd[O3] + kid[OH&] (7)
Trong vế phải của phương trình (18), số hạng thứ nhất thể hiện mức độ phản ứng trực tiếp của ozone với
CHC thông qua hệ số kd. Số hạng thứ hai thể hiện mức độ phản ứng gián tiếp của nó với CHC thông qua gốc OH&
thông qua hệ số kid.
1.3.3. Tổ hợp ozone/H2O2
Trước tiên xảy ra phản ứng giữa ozone và H2O2, ( trong m...
AjgAa04KE1jNcB9
