Công nghệ bức xạ chùm điện tử (EB) và những ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường

Công nghệ bức xạ chùm điện tử (EB) là một công nghệ hiện đại, sử dụng các chùm điện tử mang năng lượng cao được gia tốc để tác dụng vào vật chất theo nhiều mục đích khác nhau. Trong việc xử lý ô nhiễm môi trường, công nghệ này có những ưu điểm nổi trội nhờ khả năng ôxy hóa cao, xử lý được một cách hiệu quả, triệt để.

CÔNG NGHỆ BỨC XẠ CHÙM ĐIỆN TỬ (EB) VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ Ơ NHIỄM MƠI TRƯỜNG ĐỒN THỊ THU HIỀN, ĐOÀN THANH SƠN, NGHUYỄN VĂN TÙNG, NGUYỄN THANH THỦY, NGUYỄN AN THÁI Viện Công nghệ xạ hiếm: 48 Láng Hạ, Đống Đa, Hà Nội E-mail: doanthuhien82@gmail.com Tóm tắt: Công nghệ xạ chùm điện tử (EB) công nghệ đại, sử dụng chùm điện tử mang lƣợng cao đƣợc gia tốc để tác dụng vào vật chất theo nhiều mục đích khác Trong việc xử lý ô nhiễm môi trƣờng, công nghệ có ƣu điểm trội nhờ khả ôxy hóa cao, xử lý đƣợc cách hiệu quả, triệt để Đặc biệt loại hợp chất hữu khó phân hủy (PoPs), độc hại có nƣớc thải, khí thải bùn thải đƣợc phát sinh từ q trình sản xuất cơng nghiệp (các nhà máy nhiệt điện, khu công nghiệp, làng nghề truyền thống), nơng nghiệp (hóa chất bảo vệ thực vật, phân bón) sinh hoạt (rác thải y tế, sinh hoạt), công nghệ đƣợc ứng dụng nhiều nƣớc giới Với trạng môi trƣờng Việt Nam nay, việc tìm hiểu nghiên cứu cơng nghệ để từ đề xuất đƣợc giải pháp xử lý hữu hiệu nguồn gây ô nhiễm cần thiết Từ khóa: Cơng nghệ xạ chùm điện tử, nhiễm môi trƣờng, PoPs… MỞ ĐẦU Trong thập kỷ gần đây, từ việc phát triển ngành công nghiệp mạnh mẽ gia tăng dân số với lƣợng chất thải khổng lồ đƣợc sinh dẫn đến nhiều ảnh hƣởng tới môi trƣờng Sự ô nhiễm không khí nguồn nƣớc ngày nghiêm trọng, địi hỏi cần có kỹ thuật xử lý hiệu nguồn ô nhiễm Công nghệ xạ chùm điện tử (EB) công nghệ đại, sử dụng chùm điện tử mang lƣợng cao đƣợc gia tốc để tác dụng vào vật chất theo nhiều mục đích khác Trong việc xử lý nhiễm mơi trƣờng, cơng nghệ có ƣu điểm trội nhờ khả ơxy hóa cao, xử lý đƣợc cách hiệu quả, triệt để Đặc biệt loại hợp chất hữu khó phân hủy (PoPs), độc hại có nƣớc thải, khí thải bùn thải đƣợc phát sinh từ q trình sản xuất cơng nghiệp (các nhà máy nhiệt điện, khu công nghiệp, làng nghề truyền thống), nơng nghiệp (hóa chất bảo vệ thực vật, phân bón) sinh hoạt (rác thải y tế, sinh hoạt), công nghệ cho thấy ƣu điểm trội đƣợc ứng dụng xử lý nhiều nƣớc giới Với trạng môi trƣờng Việt Nam nay, việc tìm hiểu nghiên cứu cơng nghệ để từ đề xuất đƣợc giải pháp xử lý hữu hiệu nguồn gây ô nhiễm cần thiết I II NỘI DUNG II.1 Công nghệ chùm điện tử (EB): Công nghệ chùm điện tử xử lý vật liệu (E-Beam) (bức xạ ion hóa ß) trình xử lý vật liệu electron mang lƣợng cao đƣợc tạo máy gia tốc để gây hiệu ứng cụ thể Các điện tử mang lƣợng thay đổi từ keV đến MeV, phụ thuộc vào mục đích sử dụng Trên tồn giới, có 1700 sở sử dụng công nghệ chùm điện tử (EB) tạo giá trị sản phẩm thƣơng mại lên đến 100 tỷ đôla; Ứng dụng 25 quốc gia: Canada, Hàn Quốc, Ấn Độ, Trung Quốc, Mỹ (Theo tạp chí: Topics in Current Chemistry, tháng 10/2016) Máy gia tốc điện tử cơng nghiệp đƣợc phân loại gồm: máy có cơng suất lƣợng thấp, lƣợng trung bình lƣợng cao, phụ thuộc vào lƣợng electron đƣợc tạo Các máy gia tốc tạo điện tử có lƣợng MeV đƣợc phân loại lƣợng thấp Các máy lƣợng trung bình tạo điện tử có lƣợng vùng giới hạn lƣợng từ đến MeV Các máy gia tốc lƣợng cao tạo điện tử với lƣợng lớn MeV Cấu tạo hệ thống EB: Một hệ thống e-beam có cấu tạo gồm phận nhƣ sau: Một phận cung cấp điện để tạo điện áp cao, dòng điện chiều Một phận gia tốc để tạo điện tử tăng tốc cho chúng Một buồng quét có khe cửa sổ xạ, electron đƣợc gia tốc đƣợc quét đến điểm chiếu xạ cần thiết Hệ thống chân khơng để trì phần tăng tốc buồng quét trạng thái chân không cao Một điều khiển để quan sát kiểm soát tất thiết bị Một thiết bị vận chuyển để đƣa vật liệu đến điểm chiếu xạ Một hệ thống an toàn để che chắn tia X loại bỏ xạ tạo tƣơng tác vật liệu chùm điện tử Hình 1: Cấu tạo hệ thống EB Nguyên lý hoạt động hệ thống EB: Khi hệ thống hoạt động, dây điện trở cathode bị đốt nóng, thƣờng cảm ứng điện từ, tới nhiệt độ 2500 độ C Các điện tử đƣợc gia tốc định hình thành dòng chuẩn trực trƣờng tĩnh điện cấu hình điện cực đƣợc sử dụng Sau đó, chùm điện tử đƣợc dẫn thông qua khe điện cực anode Điện cực anode đƣợc đặt vào điện áp cao thu hút electron làm cho chúng ngày tăng tốc Khi chúng truyền qua vùng ảnh hƣởng anode, electron đạt đƣợc tốc độ nửa tốc độ ánh sáng Sau qua định dòng anode, chùm điện tử truyền qua loạt lăng kính hội tụ cửa sổ từ Các lăng kính tạo hình cho tia electron làm giảm tán xạ Còn cửa sổ cho phép điện tử đƣợc tăng tốc đạt chuẩn qua bắt lại electron có mức lƣợng thấp Sau đó, chùm điện tử qua thấu kính điện từ hệ thống cuộn dây lệch Thấu kính đƣợc sử dụng để tạo điểm để chùm điện tử tập trung, cuộn dây lệch đƣợc sử dụng để định vị điểm mà chùm điện tử tới chia Các trình đƣợc thực buồng chân không Từ chia, chùm điện tử đƣợc chiếu vào vật liệu cần xử lý Cơ chế tương tác với vật chất EB: EB tƣơng tác với vật chất theo 03 chế: phá vỡ tế bào gen (DNA), tác dụng với nƣớc tạo thành gốc tự cắt mạch liên kết hợp chất hữu EB tác động với DNA theo cách: cách thứ tác động gián tiếp chiếu xạ nƣớc làm sinh gốc tự gốc tác động đến DNA Cách thứ hai tác động trực tiếp, gây ion hóa cấu trúc DNA lƣợng cao chùm điện tử Cách thứ ba tác động theo nhóm Hình 2: Tác động EB DNA Khi chùm điện tử tiếp xúc với nƣớc tao gốc tự do: OH, H, H2, H2O2, H3O+… Hình 3: EB tác động với nước tạo gốc tự EB đƣợc sử dụng phổ biến ngành công nghiệp Polymer nhờ khả cắt mạch liên kết Các trình EB thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ: Xúc tác trùng hợp, Khâu mạch ghép mạch Hình 4: Các trình sử dụng EB công nghiệp Polymer II.2 NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ CHÙM ĐIỆN TỬ (EB) TRONG XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Dựa vào khả ion hóa cao chùm điện tử mang lƣợng cao, EB đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống xã hội Trong y tế vấn đề liên quan đến chăm sóc sức khỏe, EB đƣợc ứng dụng bật để khử trùng thiết bị y tế đạt hiệu độ an toàn cao Trong ngành nông nghiệp chế biến lƣơng thực, thực phẩm, EB giúp diệt khuẩn, kéo dài đƣợc thời gian bảo quản loại thực phẩm, đóng vai trị quan trọng thƣơng mại an ninh lƣơng thực toàn cầu Trong ngành công nghiệp, EB ngày đƣợc ứng dụng nhiều nhƣ công nghiệp điện (các loại dây cáp điện), cơng nghiệp sơn (các loại sơn ngồi trời), công nghiệp Polymer (nâng cấp tạo loại vật liệu mới)…Trong lĩnh vực liên quan đến môi trƣờng, EB đƣợc ứng dụng để xử lý loại chất thải gây ô nhiễm môi trƣờng nhiều quốc gia Các loại chất thải gây ô nhiễm môi trƣờng đƣợc quan tâm loại đƣợc sinh từ hoạt động ngành công nghiệp Ba dạng chất thải chủ yếu là: chất thải dạng khí nhƣ khí thải từ nhà máy nhiệt điện, nhà máy luyện kim xi măng Dạng lỏng nhƣ nƣớc thải từ nhà máy hóa chất, nhà máy sản xuất thức ăn gia súc nhà máy dệt vải thuộc da Các loại chất thải dạng bùn chủ yếu chất thải thứ cấp từ trình xử lý chất thải dạng lỏng 1 Ứng dụng cơng nghệ EB xử lý khí thải Các đối tƣợng khí thải áp dụng cơng nghệ EB loại khí thải phát sinh từ nhà máy công nghiệp nhƣ: nhà máy nhiệt điện, nhà máy lọc dầu, nhà máy xi măng…Thành phần chủ yếu loại khí thải CO, CO2, SOx, NOx, N2, H2O (hơi) với hàm lƣợng khác Công nghệ hóa học để xử lý khí thải đặc biệt nhà máy nhiệt điện thƣờng đƣợc sử dụng kết hợp trình: khử lƣu huỳnh chọn chất xúc tác Để khử lƣu huỳnh, ngƣời ta sử dụng vôi đá vôi kết hợp với SOx tạo thành thạch cao Khí amoniac đƣợc chọn làm chất xúc tác Khi NOx tác dụng với khí tào thành khí N2 làm giảm lƣợng khí NOx Ƣu điểm phƣơng pháp hiệu xử lý đƣợc đến 99% với SOx 95% với NOx Nhƣợc điểm phƣơng pháp hệ thống xử lý phức tạp phải kết hợp hệ thống xử lý SOx NOx riêng biệt Và sản phẩm phụ từ trình xử lý cần đƣợc xử lý tái sử dụng đƣợc Khi sử dụng hệ thống EB với lƣợng từ 0,7 đến Hình 5: Cơ chế xử lý khí thải 1,0 MeV, cà loại khí đƣợc xử lý đồng thời công nghệ EB hệ thống, hiệu thu hồi đến 98% với SOx 82% với NOx Và sản phẩm phụ đƣợc tạo sử dụng trực tiếp làm phân bón Trên giới, công nghệ đƣợc sử dụng từ năm 80-90 Mỹ, Đức, Nhật Bản, Trung Quốc Ba Lan…[7] Ứng dụng công nghệ EB xử lý nước thải Các đối tƣợng nƣớc thải đƣợc áp dụng công nghệ EB để xử lý đƣợc phân loại theo mức độ ô nhiễm: ô nhiễm nặng ô nhiễm nhẹ Các loại nƣớc thải bị ô nhiễm nặng gồm: nƣớc thải từ nhà máy công nghiệp nhƣ thuộc da, nhuộm vải, giấy, lọc dầu từ bãi chôn lấp rác thải…Đặc trƣng loại nƣớc thải thành phần chứa nhiều chất hữu khó phân hủy, COD BOD cao, gây mùi khó chịu Các loại nƣớc thải bị ô nhiễm nhẹ gồm: loại nƣớc ngầm, nƣớc từ ao hồ, sông nƣớc thải sinh hoạt Đặc trƣng loại nƣớc thải hàm lƣợng chất thải tái sử dụng ngành cơng nghiệp Mục tiêu áp dụng cơng nghệ EB để xử lý nƣớc thải để loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ, loại bỏ màu, mùi khử trùng, diệt khuẩn Các chất hữu khó phân hủy phần quan trọng cần xử lý nƣớc thải tính đọc tố nguy hại lớn đến mơi trƣờng Từ trƣớc đến nay, q trình hóa học thƣờng đƣợc sử dụng để xử lý hợp chất hữu khó phân hủy Fenton Đây phƣơng pháp sử dụng loại muối sắt II, III có khả ion hóa cao để phá vỡ chất hữu khó phân hủy Ƣu điểm phƣơng pháp xử lý đƣợc nhiều loại nƣớc thải chứa nhiều chất độc hại, chất hữu khó phân hủy Nhƣợc điểm phƣơng pháp sử dụng nhiều loại hóa chất Mỗi loại chất thải khác cần điều chỉnh chế độ xử lý khác Do việc sử dụng nhiều loại hóa chất nên phƣơng pháp tạo nhiều chất thải thứ cấp Mỗi bƣớc trình xử lý cần thời gian để hoàn thành nên thời gian xử lý kéo dài Dùng công nghệ EB để xử lý nƣớc thải dựa vào khả ion hóa mạnh chùm điện tử đƣợc sinh với nƣớc tạo gốc tự do, phá vỡ cấu trúc hợp chất hữu khó phân hủy dạng dễ xử lý Nguồn lƣợng EB đƣợc sử dụng từ 1MeV đến 2MeV Ƣu điểm trình xử lý EB là: việc kiểm soát điều chỉnh liều chiếu cho loại nƣớc thải dễ dàng, không chịu ảnh hƣởng nhiệt độ Đồng thời với việc xử lý nhiều hợp chất hữu khó phân hủy cịn khử đƣợc màu, mùi vi khuẩn có nƣớc thải Đặc biệt thời gian xử lý nhanh Cơ chế xử lý nhƣ hình vẽ sau: Hình 6: Cơ chế xử lý nước thải cơng nghệ EB Chính mà bƣớc xử lý EB đƣợc đặt vị trí q trình, làm giảm thời gian chi phí bƣớc xử lý Do đó, phải khẳng định xử lý EB khơng thay hồn tồn đƣợc q trình xử lý nƣớc thải Trên giới, công nghệ xử lý đƣợc áp dụng từ sớm, năm 80 Mỹ, Canada, Nga Hàn Quốc… Ứng dụng công nghệ EB xử lý bùn thải Hình 8: Các phương pháp xử lý sinh học bùn thải Bùn thải đƣợc hình thành chủ yếu từ trình xử lý loại nƣớc thải với loại tạp chất cịn sót lại từ trình xử lý trƣớc đặc biệt nguy sinh học loại vi khuẩn, vi rút ký sinh trùng Chính vậy, phƣơng pháp xử lý bùn thải thông thƣờng phƣơng pháp sinh học Các phƣơng pháp đòi hỏi thời gian xử lý nhiều Hình 9: Cơ chế xử lý bùn thải công nghệ EB Khi đƣa công nghệ EB vào xử lý bùn thải, thời gian xử lý đƣợc rút ngắn đáng kể đảm bảo vấn đề diệt khuẩn đƣợc triệt để Đặc biệt phƣơng pháp xử lý đƣợc khối lƣợng lớn bùn thải cách nhanh chóng Tuy nhiên, có hạn chế xử lý chất thải dạng rắn, nên công nghệ EB không đƣợc sử dụng nhiều Trên giới, Mỹ, Nhật Bản, Ba Lan quốc gia có nhà máy áp dụng cơng nghệ EB xử lý bùn thải lớn, từ năm 80-90 Gần đây, Isarel xây dựng sở nhƣ [6] Nhƣ vậy, ƣu điểm lớn công nghệ EB xử lý chất thải gây ô nhiễm môi trƣờng thân thiện với môi trƣờng Điều trình xử lý khơng sử dụng hóa chất nên khơng tạo dƣ lƣợng hóa chất, đồng thời sinh chất thải thứ cấp Ƣu điểm thứ thời gian xử lý nhanh, làm giảm chi phí vận hành, sản xuất, giảm thời gian phơi nhiễm phóng xạ khơng cần thiết Ƣu điểm thứ đáng lƣu ý cơng nghệ tính linh hoạt cao với hệ thống EB di động Hơn nữa, chi phí đầu tƣ cho công nghệ thấp mà độ an toàn lại cao so với kỹ thuật xạ khác Nhƣợc điểm lớn công nghệ chi phí đầu tƣ ban đầu thuộc nhóm cao loại công nghệ tiên tiến, địi hỏi hệ thống thiết bị kèm có độ chuẩn xác kỹ thuật cao Đối với loại chất thải dạng rắn, công nghệ ngày gặp nhiều hạn chế xử lý III KẾT LUẬN Công nghệ chùm điện tử (EB) kỹ thuật xạ tiên tiến với nhiều ứng dụng hữu ích cho nhiều lĩnh vực đời sống Ở Việt Nam, ứng dụng kỹ thuật xạ hạt nhân ngày phổ biến cho thấy hiệu đáng kể Tuy nhiên cơng nghệ chùm điện tử cịn đƣợc sử dụng, dừng việc chiếu xạ khử trùng thiết bị y tế diệt khuẩn thực phẩm Trong lĩnh vực xử lý chất thải gây ô nhiễm môi trƣờng, công nghệ EB đƣợc ứng dụng nhiều giới nhƣng Việt Nam hồn tồn chƣa có Hiện nay, đẩy mạnh phát triển ngành công nghiệp phục vụ cho kinh tế đất nƣớc, với gia tăng nhanh dân số, lƣợng lớn chất thải loại đƣợc sinh Năng lực xử lý loại chất thải gây nhiễm mơi trƣờng cịn nhiều hạn chế, đáp ứng đƣợc cách triệt để Những phƣơng pháp thơng thƣờng xử lý đƣợc tạm thời nhƣng lại sinh lƣợng chất thải thứ cấp không nhỏ Công nghệ chùm điện tử (EB) giải pháp hữu ích để giải vấn đề chất thải gây ô nhiễm môi trƣờng Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO - [1] Bumsoo Han, JaeIn Ko, JinKyu KIM, Yuri KIM, WooHo Chung, “ Industrial Wastewater Treatment with Electron Beam”, JAERI-Conf 2001-005 - [2] IAEA- TECDOC-1598, “Radiation treatment of polluted water and wastewater” Margherita Venturi, Mila D’Angelantonio, “Applications of Radiation Chemistry in the Fields of Industry, Biotechnology and Environment” - [3] Calhoun L., Allen J., et al Application of Electron Beam for Sterilizing Medical Devices Technical paper The Titan Corporation USA - [4] Han B et al (2016) Development of mobile electron beam plant for environmental applications Rad Phys Chem 124:174–178 - [5] International journal of multidisciplinary sciences and engineering, Vol.2, No.6, September 2011 - [6] Design of Electron Beam Sludge Hygienization Plant, Y Kim, B Han, J K Kim, EB TECH Co., Ltd., Daejeon, Korea, International Topical Meeting on Nuclear Research Applications and Utilization of Accelerators Vienna, Austria - May 2009 - [7] Electron Beam Treatment of Organic Pollutants Contained in Gaseous Streams, Coordinated Research Project (CRP F2.30.24), Vienna, Austria, 23 – 27 May 2005 ELECTRON BEAM TECNOLOGY (EB) AND APPLICATIONS FOR ENVIRONMENTAL POLLUTION TREATMENT ĐOÀN THỊ THU HIỀN, ĐOÀN THANH SƠN, NGHUYỄN VĂN TÙNG, NGUYỄN THANH THỦY, NGUYỄN AN THÁI Institute for technology of radioactive and elements: 48 Láng Hạ, Đống Đa, Hà Nội E-mail: doanthuhien82@gmail.com Abstract: Electron Beam technology (EB) is a modern technology that uses accelerated high-energy electron beams to manipulate matter for a variety of purposes In the treatment of environmental pollution, this technology has outstanding advantages due to its high oxidation capacity, effectively and completely Especially for persistent organic pollutants (PoPs), toxic in water waste, exhaust gases and sludge are generated from industrial processes (thermal power plants, industrial parks, traditional craft villages), agriculture (chemical protection of plants, fertilizers) and daily life (medical waste, living waste), this technology has been applied in many countries around the world Given the current state of the Vietnamese environment, it is necessary to explore and research this technology so as to propose solutions for the effective treatment of pollutants Key words: Electron beam technology, environmental pollution, PoPs (Presistent Organic Pollutants) ... sử dụng nhƣ: Xúc tác trùng hợp, Khâu mạch ghép mạch Hình 4: Các q trình sử dụng EB cơng nghiệp Polymer II.2 NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ CHÙM ĐIỆN TỬ (EB) TRONG XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Dựa vào... nhiên công nghệ chùm điện tử cịn đƣợc sử dụng, dừng việc chiếu xạ khử trùng thiết bị y tế diệt khuẩn thực phẩm Trong lĩnh vực xử lý chất thải gây ô nhiễm môi trƣờng, công nghệ EB đƣợc ứng dụng. .. máy áp dụng công nghệ EB xử lý bùn thải lớn, từ năm 80-90 Gần đây, Isarel xây dựng sở nhƣ [6] Nhƣ vậy, ƣu điểm lớn công nghệ EB xử lý chất thải gây ô nhiễm môi trƣờng thân thiện với môi trƣờng