Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu ứng dụng quá trình khử trùng điện hóa tại chỗ để xử lý nước sông

TS Hoàng Thị Tuyết Nhung

Cán bộ phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Tấn Phong

Cán bộ phản biện 2: TS Nguyễn Thái Anh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM ngày 29 tháng 07 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch Hội đồng: PGS.TS Đặng Viết Hùng 2 Cán bộ phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Tấn Phong 3 Cán bộ phản biện 2: TS Nguyễn Thái Anh 4 Ủy viên Hội đồng: TS Huỳnh Thị Ngọc Hân 5 Thư ký Hội đồng: TS Lê Thị Huỳnh Trâm

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH ĐẠT MSHV: 2270003 Ngày, tháng, năm sinh: 03/08/1999 Nơi sinh: Vĩnh Long Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 8520320

1 Tên đề tài

Nghiên cứu ứng dụng quá trình khử trùng điện hóa tại chỗ để xử lý nước sông Treatment of river water by in-situ electrochemical disinfection

2 Nhiệm vụ đề tài luận văn

- Phân tích mẫu nước sông Sài Gòn: độ đục, độ màu, tổng Fe, tổng Nitơ, Coliforms,…

- Phân tích vật liệu than chì bằng SEM/EDX, XRD

- Thực hiện các thí nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử trùng điện hóa như: thời gian, cường độ dòng điện, pH, khoảng cách

- Sử dụng phần mềm Design Expert để tìm ra điều kiện tối ưu cho mô hình

‐ Biến tính vật liệu Graphite bằng phương pháp phủ lớp Cu2O lên bề mặt và xác định khả năng khả trùng của vật liệu mới trong điều kiện tối ưu

3 Ngày giao nhiệm vụ (Ghi theo quyết định giao đề tài): 06/02/2023

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ (Ghi theo quyết định giao đề tài): 11/06/2023

5 Cán bộ hướng dẫn (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Phan Thanh Lâm và TS Hoàng Thị Tuyết Nhung

em có thể tổng hợp lại những kiến thức đã học vận dụng vào thực tế để đúc kết những kinh nghiệm cho bản thân cũng như là nền tảng tốt cho công việc sau này

Để hoàn thành luận văn này, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô hướng dẫn đã tận tình hướng dẫn, cung cấp cho em những kiến thức quý báu trong quá trình học và làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Môi trường và tài nguyên đã giảng dạy, chỉ dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành đề cương

Do đây là lần đầu thực hiện nghiên cứu, kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm chưa có nên phần nội dung còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy ,cô nhằm rút ra kinh nghiệm cho công việc sau này

Trân trọng cảm ơn

Các tấm than chì có bán trên thị trường được sử dụng làm điện cực song song để khử trùng điện hóa trong các thí nghiệm Một số thử nghiệm đã được thực hiện để điều tra ảnh hưởng của các yếu tố như độ pH, khoảng cách điện cực, mật độ dòng điện và thời gian tiếp xúc đối với hiệu quả khử trùng Kết quả cho thấy các điện cực làm bằng than chì hoạt động tốt trong điều kiện axit yếu và trung tính Mật độ hiện tại để loại bỏ hoàn toàn Coliforms là 1,6 – 2,0 mA/cm2 Đồng thời, khoảng cách điện cực 3, 5, 7 và 9 cm cho hiệu suất loại bỏ Coliforms lần lượt là 100%, 100%, 98,62% và 98,62% Những kết quả này cho thấy khử trùng điện hóa có thể là một giải pháp thay thế tiềm năng lớn cho khử trùng truyền thống bằng clo vì nó sẽ tạo ra ít sản phẩm phụ khử trùng thấp trong nhà máy xử lý nước cấp

ABSTRACT

In this study, the water of the Saigon River was treated by coagulation, sedimentation, filtration, and electrochemical disinfection instead of traditional disinfection using chlorine Commercially available graphite plates were used as parallel electrodes for the electrochemical disinfection in the experiments Several tests were carried out to investigate the influence of factors such as pH, electrode distance, current density, and contact time on the disinfection effect The results showed that electrodes made of graphite worked well under weak acidic and neutral conditions The current density for complete Coliforms removal was 1.6 – 2.0 mA/cm2 At the same time, the electrode distance of 3, 5, 7, and 9 cm gives Coliforms removal efficiencies of 100%, 100%, 98.62%, and 98.62%, respectively These results showed that electrochemical disinfection could be a great potential alternative to traditional disinfection by chlorine since it would be low in disinfection by-product production in supply water treatment plant

dụng quá trình khử trùng điện hóa tại chỗ để xử lý nước sông” này là sản phẩm nghiên cứu cá nhân của tôi

Sản phẩm được phân tích một cách khách quan, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào

Tôi xin cam kết sẵn sàng chịu toàn bộ trách nhiệm nếu có sự thiếu trung thực về thông tin hay kết quả sử dụng trong công trình nghiên cứu này

Học viên thực hiện

Nguyễn Thành Đạt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC HÌNH ix

DANH MỤC BẢNG xi

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 2

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình 13

2.3 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước 16

3.2 Hóa chất, thiết bị và mô hình thí nghiệm 22

3.2.1 Hóa chất thiết bị 22

3.2.2 Mô hình thí nghiệm 24

3.3 Phương pháp nghiên cứu 25

3.3.1 Phương pháp phân tích Coliforms 25

3.3.2 Phương pháp phân tích pH, độ đục, độ màu 28

3.3.3 Phương pháp thí nghiệm Jartest [22] 29

3.3.4 Phương pháp phân tích Chlorine tự do 30

3.3.5 Phương pháp phân tích sắt tổng 30

3.3.6 Phương pháp phân tích NH4+ 30

3.3.7 Phương pháp phân tích chỉ số Pemanganat 30

3.4 Nội dung nghiên cứu 30

3.5 Phương pháp phân tích dữ liệu 30

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 32

4.1 Nội dung 1: Xác định khả năng khử trùng của vật liệu Graphite 32

4.1.1 Kết quả Jartest và các chỉ tiêu nước đầu vào 32

4.1.2 Phân tích vật liệu điện cực 33

4.1.3 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện 35

4.1.4 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 36

4.1.5 Ảnh hưởng của pH 38

4.1.6 Ảnh hưởng của khoảng cách hai điện cực 40

4.1.7 Tối ưu điều kiện xử lý bằng phần mềm Design Expert 41

4.2 Nội dung 2: Biến tính vật liệu Graphite bằng phương pháp phủ lớp Cu2O lên bề mặt và xác định khả năng khả trùng của vật liệu mới trong điều kiện tối ưu 45

4.2.3 Thực hiện thí nghiệm 47CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VẦ KIẾN NGHỊ 50TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

TP - Total Phosphorus - Tổng phospho TPHCM - Thành phố Hồ Chí Minh

TSS - Total suspended solids - Tổng chất rắn lơ lửng

EDS - Energy-dispersive X-ray spectroscopy- Phổ tán sắc năng lượng SEM - Scanning Electron Microscope - Quét kính hiển vi điện tử XRD - X-ray Diffraction - Nhiễu xạ tia X

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Vị trí khu vực lấy mẫu 2

Hình 2.1 Chất lượng môi trường nước khu vực miền Nam theo chỉ số WQI( chỉ số chất lượng nước) năm 2021 4

Hình 2.2 Giá trị N-NH4+ tại các điểm quan trắc trên sông Sài Gòn 5

Hình 2.3 Giá trị BOD5 tại các điểm quan trắc trên sông Sài Gòn 5

Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ nhà máy nước Thủ Đức Nguồn nước sông Đồng Nai, công suất 300,000 m3/ ngày 7

Hình 2.5 Sơ đồ chung của hệ thống khử trùng điện hóa bao gồm (1) thiết bị phản ứng có khuấy, (2) thiết bị phản ứng dòng chảy xuống và (3) thiết bị phản ứng dòng chảy qua 9

Hình 2.6 Sự phụ thuộc của hiệu suất sản xuất clo tự do vào nồng độ clorua đối với các loại điện cực khác nhau 11

Hình 2.7 Hình thái học của quá trình tổng hợp cấu trúc nano CuO-ZnO nhánh 13

Hình 2.8 Hiệu suất quá trình khử trùng điện hóa với các mức độ ion Cl- khác nhau 14

Hình 2.9 Mối liên hệ giữa thời gian phản ứng- nồng độ Cl-- cường độ dòng điện trong khử trùng điện hóa 15

Hình 2.10 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện đối với việc hình thành chlorine 16

Hình 2.11 Khả năng tạo chlorine của các điện cực a)graphite, b)Pt0.02Ni0.49Co0.49-G, c) Pt0.05Ni0.26Co0.69-G, d) Pt0.01Ni0.24Co0.75-G, e) Pt0.02Ni0.26Co0.72-G, f) Pt0.01Ni0.22Co0.77-G, g) Pt0.03Ni0.68Co0.29-G, h) Pt0.02Ni0.43Co0.55-G 17

Hình 2.12 a) Tốc độ tạo chlorine, b) Biểu đồ tuyến tính của phương trình động học Langmuir-Hinsheldwood Điều kiện thí nghiệm: cực âm bằng thép không gỉ, khoảng cách điện cực = 2 cm, mật độ dòng điện = 5 mA / cm2 17

Hình 2.13 Mô tả sơ đồ của lò phản ứng điện hóa bao gồm 12 điện cực 18

Hình 2.14 Mô hình khử trùng bằng điện cực nano CuO-ZnO 19

Hình 3.1 Sơ đồ quy trình làm thí nghiệm phương pháp điện hóa 21

Hình 3.2 Mô hình khử trùng điện hóa minh họa và thực tế 24

Hình 3.3 Cách pha loãng mẫu 26

Hình 3.4 Quy trình thử nghiệm giả định phân tích chỉ số Coliforms 27

Hình 3.5 Quy trình thử nghiệm xác định phân tích chỉ số Coliforms 28

Hình 4.1 Thành phần nguyên tố của vật liệu 34

Hình 4.2 Phân tích SEM/EDX của điện cực than chì 34

Hình 4.3 Phân tích XRD của điện cực than chì 34

Hình 4.4 Ảnh hưởng của các cường độ dòng điện khác nhau đến pH, chỉ số permanganat

và hiệu quả xử lý Coliforms 35

Hình 4.5 Ảnh hưởng của các cường độ dòng điện khác nhau đối với sự thay đổi độ đục của mẫu nước 35

Hình 4.6 Ảnh hưởng của các cường độ dòng điện khác nhau đối với sự thay đổi độ màu của mẫu nước 36

Hình 4.7 Ảnh hưởng của thời gian lưu đến pH , chỉ số permanganat và hiệu quả xử lý Coliforms 37

Hình 4.8 Ảnh hưởng thời gian lưu khác nhau đối với sự thay đổi độ đục 37

Hình 4.9 Ảnh hưởng thời gian lưu khác nhau đối với sự thay độ màu 38

Hình 4.10 Ảnh hưởng của pH dung dịch đến pH, chỉ số permanganat và hiệu quả xử lý Coliforms 39

Hình 4.11 Ảnh hưởng pH khác nhau đối với sự thay đổi độ đục 39

Hình 4.12 Ảnh hưởng pH khác nhau đối với sự thay đổi độ màu 39

Hình 4.13 Ảnh hưởng của khoảng cách đến pH, chỉ số permanganat và hiệu quả xử lý Coliforms 40

Hình 4.14 Ảnh hưởng khoảng cách khác nhau đối với sự thay đổi độ đục 40

Hình 4.15 Ảnh hưởng khoảng cách khác nhau đối với sự thay đổi độ màu 41

Hình 4.16 Đồ thị bề mặt phản ứng của các phần tử khảo sát pH và mật độ dòng điện 44

Hình 4.17 Đồ thị bề mặt phản ứng của các phần tử khảo sát khoảng cách và thời gian phản ứng 44

Hình 4.18 Thành phần các nguyên tố trên bề mặt vật liệu 45

Hình 4.19 Vật liệu qua từng giai đoạn 46

Hình 4.20 Phân tích SEM và EDS của vật liệu 46

Hình 4.21 Phân tích XRD của vật liệu 47

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tính chất nước của sông Sài Gòn (SG), Đồng Nai (DN) và Rạch Gầm (RG) 5

Bảng 2.2 So sánh khả năng khử trùng của các loại điện cực 12

Bảng 3.1 Các hóa chất cần thiết cho mô hình thí nghiệm 22

Bảng 3.2 Các dụng cụ sử dụng trong mô hình thí nghiệm 23

Bảng 3.3 Tên các thiết bị sử dụng trong mô hình thí nghiệm 24

Bảng 3.4 Dụng cụ thí nghiệm phân tích chỉ số Coliforms 25

Bảng 3.5 Thiết bị thí nghiệm phân tích chỉ số Coliforms 26

Bảng 3.6 Bảng kết quả lập đường chuẩn độ đục 29

Bảng 4.1.Kết quả thí nghiệm Jartest 1- Xác định pH tối ưu 32

Bảng 4.2.Kết quả thí nghiệm Jartest 2- Xác định độ Phèn tối ưu 32

Bảng 4.3 Thông số các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình 32

Bảng 4.4 Các chỉ số của mẫu nước đầu vào và sau quá trình xử lý sơ bộ 33

Bảng 4.5 Mô hình xây dựng trên phần mềm Design Expert 42

Bảng 4.6 Phân tích sự phù hợp của mô hình cho các thí nghiệm 42

Bảng 4.7 Điều kiện chi tiết và kết quả 25 lần chạy 42

Bảng 4.8 Kết quả thí nghiệm với điện cực mới 47

Bảng 4.9 Chỉ số Chlorine của mẫu nước sau khử trùng 47

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Với sự gia tăng dân số, nhu cầu sử dụng tài nguyên thiên nhiên đã tăng lên kéo theo ô nhiễm môi trường và các nguồn nước cũng tăng theo Sự gia tăng ô nhiễm nước này đã và đang gây lo ngại trên toàn thế giới Mặc dù cả các quốc gia phát triển và đang phát triển đều đã tạo ra các quy chuẩn tùy theo mục đích sử dụng của nguồn nước để đảm bảo an toàn cho sức khỏe nguời sử dụng, nhưng ở phần lớn các quốc gia kém phát triển, các quy chuẩn có thể không được chính quyền địa phương thực thi hoặc có thể thiếu thông tin cập nhật hơn Do đó, người ta thường thấy chất thải nguy hại được thải vào các nguồn nước và gây ra các vấn đề về môi trường và sức khỏe Khử trùng bằng clo đã được sử dụng trong hơn 100 năm, do tính hiệu quả của nó trong việc khử hoạt tính của vi khuẩn và vi rút Clo cũng là chất khử trùng được sử dụng rộng rãi nhất để xử lý nước thải đô thị do tính chất oxy hóa cao và dễ sử dụng Tuy nhiên, bất lợi khi sử dụng hóa chất Clo để khử trùng nước là quá trình vận chuyển, lưu trữ và tạo ra dư lượng hóa chất trong nước Ngoài ra, việc sử dụng Clo để khử trùng khi kết hợp với các chất hữu cơ trong nước tạo ra các chất gây ung thư Trong những năm qua, nhu cầu về các công nghệ khử trùng mới hơn ngày càng tăng Ozone và tia cực tím là những lựa chọn thay thế khác để khử trùng nước Đây là những phương pháp có hiệu suất cao, tuy nhiên không mang lại tính kinh tế vì để xây dựng một hệ thống này cần chi phí khá lớn

Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các cách khử trùng nước và nước thải không chứa clo, vừa kinh tế vừa hiệu quả cao Có nhiều đề xuất về các cách xử lý nước mới hơn, một trong số đó là khử trùng điện hóa, dựa trên quá trình điện hóa nước bên trong lò phản ứng chứa các tấm điện cực với những vật liệu khác nhau đặt song song Khử trùng điện hóa nước sử dụng nước làm chất điện phân Trong khi nước tinh khiết là một chất dẫn điện kém, thì mặt khác, nước uống có chứa các khoáng chất, như canxi, magiê và natri, làm tăng khả năng dẫn điện của nó Khi quá trình điện hóa xảy ra, quá trình oxy hóa và khử diễn ra, phân hủy nước thành oxy và hydro và ion clorua thành clo tự do và các sản phẩm phụ của clo Hệ thống khử trùng điện hóa thương mại thường sử dụng dòng điện một chiều, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo ra clo dư tự do và xử lý

chỉ tiêu Coliforms trong nước So với các phương pháp truyền thống yêu cầu nhiều hóa

chất trong quá trình xử lý dẫn đến một dư lượng hóa chất có hại cho sức khỏe trong nguồn nước đầu ra Phương pháp này mang đến sự linh hoạt khi có thể sử dụng các thể tích lò phản ứng khác nhau và số lượng tấm điện cực khác nhau Mục tiêu chính của nghiên cứu này là tìm ra cấu hình kinh tế nhất của các điện cực, để đạt được sự bất hoạt

của vi khuẩn Coliforms tuân thủ QCVN 01-1:2018/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về

chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt Tuy nhiên, khử trùng điện hóa còn chưa được phổ biến rộng rãi do nhiều yếu tố như: cần bảo trì định kì, yêu cầu người vận hành được trang bị đầy đủ kiến thức về công nghệ khử trùng điện hóa

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu hướng đến mục tiêu khảo sát hiệu quả xử lý các chỉ số như: Coliforms,

Permanganat, độ đục, độ màu và Chlorine của nước mặt lấy từ sông Sài Gòn bằng

phương pháp xử lý hóa lý kết hợp khử trùng điện hóa Từ đó, so sánh mức độ hiệu quả của các loại điện cực khác nhau

1.3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau:

‐ Nội dung 1: Xác định khả năng khử trùng của vật liệu Graphite

‐ Nội dung 2: Biến tính vật liệu Graphite bằng phương pháp phủ lớp Cu2O lên bề mặt và xác định khả năng khả trùng của vật liệu mới trong điều kiện tối ưu Tính toán chi phí xử lý của hệ thống

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm:

Mẫu nước mặt được lấy tại khu vực bờ kè Trường Sa, phường 17, quận Bình Thạnh, TP.HCM trên sông Sài Gòn Mẫu nước được lấy cách bờ 2 mét Phương pháp lấy mẫu được thực hiện theo TCVN 6663-6:2018: Chất lượng nước- Lấy mẫu- Phần 6: Hướng dẫn lấy mẫu nước sông suối

Hình 1.1 Vị trí khu vực lấy mẫu

Công nghệ điện hóa, các loại vật liệu điện cực

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở quy mô phòng thí nghiệm Địa điểm tiến hành nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên Trường Đại học Bách Khoa cơ sở Dĩ An, Thành phố Dĩ An, tỉnh Bình Dương

Thời gian thực hiện: từ 06/2022 đến 05/2023

1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.5.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của đề tài cho thấy được sự hiệu quả của công nghệ điện hóa trong xử lý nước cấp Công nghệ khử trùng điện hóa có thể loại bỏ hiệu quả các tác nhân gây ô nhiễm, mầm bệnh, vi khuẩn và các hoạt chất hữu cơ có trong nguồn nước Nghiên cứu công nghệ này giúp cải thiện chất lượng nước và đảm bảo nước cấp sạch và an toàn cho sử dụng Công nghệ khử trùng điện hóa có thể có hiệu suất cao và không tạo ra chất thải gây ô nhiễm môi trường như nhiều phương pháp xử lý khác Nghiên cứu về công nghệ này giúp tăng cường hiệu quả xử lý và bền vững trong việc cung cấp nguồn nước sạch và bảo vệ môi trường Việc nghiên cứu công nghệ khử trùng điện hóa đóng góp vào việc phát triển và cải tiến công nghệ Những nghiên cứu này có thể mang lại những tiến bộ mới trong công nghệ, giúp tăng cường hiệu quả, giảm chi phí và tối ưu hóa quy trình khử trùng điện hóa

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài nghiên cứu có ý nghĩa đối với môi trường và các quá trình xử lý nước cấp Công nghệ khử trùng điện hóa có thể loại bỏ hiệu quả các tác nhân gây ô nhiễm, mầm bệnh, vi khuẩn và các hoạt chất hữu cơ có trong nguồn nước Nghiên cứu công nghệ này giúp cải thiện chất lượng nước và đảm bảo nước cấp sạch và an toàn cho sử dụng Trong tương lai, công nghệ điện hóa sẽ mở ra hướng đi mới trong lĩnh vực xử lý nước Công nghệ khử trùng điện hóa có thể tiết kiệm năng lượng so với các phương pháp truyền thống khác, như sử dụng hóa chất hoặc nhiệt độ cao Nghiên cứu về công nghệ này giúp tối ưu hóa quy trình xử lý nước, tiết kiệm năng lượng và giảm thải gây ô nhiễm môi trường Công nghệ khử trùng điện hóa có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý nước cấp, nước thải, nước bể bơi, nước công nghiệp và nhiều ứng dụng khác Nghiên cứu về công nghệ này tạo ra sự linh hoạt trong việc giải quyết các vấn đề xử lý nước khác nhau và đáp ứng nhu cầu của các ngành công nghiệp và cộng đồng

1.6 Tính mới của đề tài

Đề tài có các tính mới đặc trưng đó là:

- Sử dụng phương pháp điện hóa trong giai đoạn khử trùng để xử lý nước cấp - Khảo sát hiệu quả xử lý các điện cực như: Carbon felt, Ti, Graphite

- Đánh giá được hiệu quả của các loại điện cực cũng như tính khả thi khi áp dụng công nghệ điện hóa vào thực tế

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan lý thuyết

2.1.1 Một số tính chất của nước mặt sông Sài Gòn

Sông Sài Gòn dài 256 km, chảy dọc trên địa phận Thành phố Hồ Chí Minh khoảng 80 km, có lưu lượng trung bình vào khoảng 54 m³/s, bề rộng tại Thành phố khoảng 225 m đến 370 m, độ sâu có chỗ tới 20 m, diện tích lưu vực trên 5000 km² [1]

Thành phố Hồ Chí Minh có hệ thống kênh ngòi dày đặc, tuy nhiên, phần lớn những kênh rạch này đã và đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do nước thải sinh hoạt cũng như các khu công nghiệp, khu chế xuất [2] Từ tháng 4 đến tháng 12 năm 2021, Trung tâm Quan trắc môi trường miền Nam đã triển khai 8 đợt quan trắc tại 100 điểm gồm 58 điểm nước mặt lục địa trên lưu vực hệ thống sông Đồng Nai (bao gồm: lưu vực sông Đồng Nai, lưu vực sông Sài Gòn, lưu vực sông Thị Vải, lưu vực sông Vàm Cỏ) và lưu vực sông Mê Công (sông Tiền), 12 điểm nước biển ven bờ và cửa sông ven biển tại khu vực biển Bà Rịa - Vũng Tàu, TP Hồ Chí Minh, Tiền Giang và khu vực cửa sông Đồng Nai, cửa sông Sài Gòn, cửa sông Thị Vải, cửa sông Tiền [3]

Hình 2.1 Chất lượng môi trường nước khu vực miền Nam theo chỉ số WQI( chỉ số chất lượng nước) năm 2021 [3]

Kết quả quan trắc năm 2021 của Trung tâm Quan trắc môi trường miền Nam cho thấy, lưu vực sông Sài Gòn có chất lượng nước kém nhất trong 5 lưu vực sông thực hiện quan trắc tại khu vực miền Nam, mức độ ô nhiễm hữu cơ (đặc trưng bởi thông số COD) và ô nhiễm dinh dưỡng (đặc trưng bởi thông số N-NH4+) cao hơn các lưu vực sông còn lại [3] Tp HCM đang trên đà công nghiệp hóa hiện đại hóa với GDP bình quân đạt 9.8% [3] Quá trình này kéo theo sự gia tăng dân số một cách nhanh chóng, tốc độ đô thị hóa ở khu

vực nông thôn đang diễn ra mạnh mẽ Hiện tại, nguồn nước sinh hoạt của thành phố cũng đang đối diện với nhiều thách thức lớn khi trên 90% nguồn nước sạch cung cấp cho sinh hoạt của Tp HCM được lấy từ nguồn nước mặt sông Đồng Nai, sông Sài Gòn và kênh Đông [2] Bên cạnh đó, với áp lực bởi các hoạt động kinh tế - xã hội như sự phát triển của các khu công nghiệp/ khu chế xuất (KCN/KCX), tốc độ đô thị hóa, cùng với sự gia tăng dân số đã gây sức ép nặng nề đối với nguồn nước, khiến mức độ ô nhiễm nguồn nước vượt quá khả năng kiểm soát

Hình 2.2 Giá trị N-NH4+ tại các điểm quan trắc trên sông Sài Gòn [4]

Hình 2.3 Giá trị BOD5 tại các điểm quan trắc trên sông Sài Gòn [4]

Mức độ ô nhiễm dinh dưỡng (tồn tại dưới dạng N-NH4+) cao nhất trên sông Sài Gòn là khu vực Cầu Chữ Y, giá trị N-NH4+ vượt quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột B1 khoảng 7.0 lần

Bảng 2.1 Tính chất nước của sông Sài Gòn (SG), Đồng Nai (DN) và Rạch Gầm (RG) [5]

Tính chất Nước thô Nước đã qua xử lý QCVN 01:2009/BYT

Tổng

Coliforms (MPN/ml)

Theo Sở Xây dựng TPHCM, dù cơ quan quản lý đã tăng cường nhiều giải pháp bảo vệ nguồn nước nhưng chất lượng nước mặt hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai đang bị ô nhiễm nặng Các chỉ tiêu như amoniac, hữu cơ, vi sinh, mangan ngày càng tăng Ngoài ra, nguồn nước sông đang chịu tác động lớn bởi đặc tính thời tiết, thủy văn và ảnh hưởng do biến đổi khí hậu dẫn đến nguy cơ xâm nhập mặn và thiếu nước vào mùa khô [6]

2.1.2 Hệ thống xử lý nước cấp

Hiện nay, cùng với sự phát triển của xã hội, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng vào để xử lý ô nhiễm nguồn nước mặt đảm bảo nhu cầu về lượng nước hằng ngày của người dân như: keo tụ tạo bông, lắng, lọc, khử trùng Đây là quy trình xử lý nước mặt phổ biến hiện nay ở Việt Nam Cụ thể có thể diễn giải bằng công nghệ xử lý nước mặt của nhà máy nước Thủ Đức (hình 2.4)

Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ nhà máy nước Thủ Đức Nguồn nước sông Đồng Nai, công suất 300,000 m3/ ngày [7]

Nguồn nước đầu vào sau khi được bơm vào hệ thống xử lý qua trạm bơm sẽ được thực hiện các quá trình hóa-lý: keo tụ- tạo bông, lắng, lọc Cuối cùng, nước được đưa qua bể tiếp xúc chlorine ( bể khử trùng) để đảm bảo nguồn nước đầu ra đạt quy chuẩn cho phép trước khi bơm vào mạng lưới

Có thể thấy với qui trình xử lý truyền thống, hệ thống sẽ cần cung cấp hóa chất cho giai đoạn tiền xử lý: Cl2, PAC, và giai đoạn khử trùng: Cl2, Vôi, Fluor Với phương pháp khử trùng, hiện nay nhiều công nghệ được nghiên cứu triển khai để thay thế phương pháp khử trùng truyền thống bằng Clo như: khử trùng UV, quang xúc tác, khử trùng điện hóa,… Trong đó, khử trùng điện hóa ngày càng được quan tâm trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội và công nghiệp Khử trùng nước bằng điện hóa là một cách hiếm khi được sử dụng nhưng thuận tiện và hiệu quả cao để khử trùng nước Kỹ thuật khử trùng điện hoá hoạt động mà không cần bổ sung hợp chất hóa học vào nước được xử lý bằng cách sử dụng dòng điện tạo ra các chất mang tính khử trùng có trong nước như: Chlorine, Ozon, H2O2 [8] Đây là một phương pháp tiềm năng có thể thay thế cho khử trùng bằng hóa chất truyền thống

2.1.3 Các loại vi khuẩn điện hình trong nước

Sự hiện diện của các vi sinh vật gây bệnh trong nước sông là mối đe dọa tiềm ẩn đối với sức khỏe con người Các bệnh lây truyền qua đường nước như tiêu chảy có thể do các

mầm bệnh phổ biến như vi khuẩn (Shigella dysenteriae, Escherichia Coli, Coliforms, Salmonella typhi và Campylobacter), vi rút và ký sinh trùng (Entamoeba histolytica) bao gồm động vật nguyên sinh (Giardia lamblia và Cryptosporidium)[9] Vi khuẩn được chọn cho nghiên cứu này là Coliforms Coliforms là chỉ tiêu quan trọng trong đánh giá chất lượng môi trường nước Do dễ phát hiện và định lượng nên Coliforms được coi là

nhóm vi khuẩn chỉ thị thích hợp để đánh giá mức độ ô nhiễm vi sinh vật trong nước…

Nhóm Coliforms có mặt rộng rãi trong tự nhiên, xâm nhiễm vào cơ thể người chủ yếu

thông qua con đường tiêu thụ thức ăn, nước uống bị ô nhiễm Một số chủng có thể gây bệnh như: tiêu chảy, kiết lị, viêm đường tiết niệu, viêm gan, viêm phế quản, viêm màng phổi… Một số chủng đột biến có khả năng sinh ngoại độc tố, tác động lên tế bào thần

kinh [10] Coliforms tổng số (TC) được xác định theo phương pháp đếm số có xác suất

lớn nhất - MPN (most probable number) theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6187-2: 1996

Quá trình khử trùng điện hóa trong xử lý nước sẽ diễn ra sau quá trình keo tụ- tạo bông, lắng, lọc [11] Tương tự quá trình khử trùng truyền thống hệ thống khử trùng điện hóa được đặt sau bể lọc

ClO−+ 2•OH → ClO3−+ 2H++ 2e−ClO3−+• OH → ClO4−+ H+2e−

Phương pháp đã chứng minh được ngay cả ở nồng độ chloride rất thấp (< 100 mg/l) thì vẫn tạo ra đủ chlorine tự do để khử trùng một cách hiệu quả Chất khử trùng axit hypochlorous/ hypochlorite được tạo ra ở cực dương trong một phản ứng phụ với quá trình tiến hóa oxy [8]

Ngoài ra, quá trình điện hóa cũng sinh ra một số sản phẩm phụ không mong muốn như: chlorate ở anot và amoniac ở catot [13]:

6HClO + 3H2O → 2ClO3−+ 4Cl−+ 12H++ 1.5O2+ 6e−NO3−+ H2O + 2e− → NO2−+ 2OH−

- Kiểm soát thời gian tiếp xúc: Thời gian tiếp xúc nước với quá trình khử trùng điện hóa cũng có thể ảnh hưởng đến sản phẩm phụ Nếu thời gian tiếp xúc quá dài, sản phẩm phụ có thể tạo ra nhiều hơn Kiểm soát và điều chỉnh thời gian tiếp xúc là một cách để giảm sản phẩm phụ không mong muốn Nếu các sản phẩm phụ không mong muốn vẫn còn trong nước sau quá trình khử trùng điện hóa, có thể áp dụng các phương pháp xử lý phụ như quá trình kết tủa, quá trình xử lý sinh học hoặc quá trình hấp phụ để loại bỏ hoặc giảm các chất không mong muốn

Trong quá trình điện hóa, các electron đi qua nước và tác động lên các ion chlorite để tách chúng thành các ion chlorine và các electron tự do Sau khi tạo ra chlorine tự do (Cl2), nó có thể được thu thập từ quá trình khử trùng điện hóa và sử dụng làm chất khử trùng trong quá trình xử lý nước Chlorine tự do có khả năng tiêu diệt vi khuẩn, vi rút và

các sinh vật gây bệnh khác trong nước, giúp đảm bảo rằng nước cấp sinh hoạt an toàn và không chứa các tác nhân gây bệnh [8]

Năng lượng tối thiểu cho một lần khử trùng điện hóa được tính toán từ mô hình khử trùng điện hóa đơn giản [11]:

𝐸 = 𝑈𝐼𝑡 𝐶 =𝐼𝑧𝜇𝐶𝑡

𝐹𝑉𝐷 = 𝐶𝑡 = 𝐼𝑧𝜇𝐶𝑡

2𝐹𝑉𝐸𝑑 =𝐸

𝐷 =

𝑈𝑉𝐹𝑧𝜇𝐶𝑡Trong đó:

U: hiệu điện thế của hệ thống (đơn vị: V) I: cường độ dòng điện hiện tại (đơn vị: A) t: thời gian khử trùng (đơn vị: phút) C: nồng độ Cl2 (đơn vị: mol.L-1) 𝜇𝐶: hiệu suất sinh ra chlorine tự do D: liều khử trùng (đơn vị: mol.min.L-1)

z: số đương lượng electron trên một mol của chất oxy hóa (với Cl2 thì z=2)

Công nghệ điện hóa có một lợi thế khác biệt so với các công nghệ cạnh tranh ở chỗ chúng hoạt động hiệu quả ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau Mặc dù tăng nhiệt độ làm tăng mật độ dòng trao đổi (𝑖0) đối với các phản ứng điện cực, tốc độ phản ứng (hoặc dòng điện) được liên kết theo cấp số nhân với thế điện cực, như được chỉ ra bởi biểu thức động học Butler-Volmer Do đó, việc vượt qua năng lượng hoạt hóa của một phản ứng nhất định có thể được thực hiện một cách thuận tiện bằng cách điều chỉnh cường độ điện cực

𝑖 = 𝑖0[exp (𝛼𝑛𝐹

𝑅𝑇(𝐸 − 𝐸0)) − exp ((1 − 𝛼)𝑛𝐹

𝑅𝑇(𝐸 − 𝐸0))] Trong đó:

i: cường độ dòng điện 𝛼: hệ số chuyển electron E: thế điện cực

EO: thế điện cực tiêu chuẩn F: hằng số Faraday

2.2.2 Vật liệu điện cực

Ngày nay, khi đã có nhiều nghiên cứu về khử trùng điện hóa dẫn đến các loại điện cực được sử dụng trong quá trình cũng ngày càng đa dạng hơn Một số điện cực hiện nay như: điện cực kim cương pha tạp (BDD), graphite, PbO2/graphite, Ti/RuO2, Ti/IrO2, Ti/Pt – IrO2 và Pt [8, 13, 16]

Có sự khác biệt rất lớn đã được nghiên cứu về hiệu quả tạo chlorine tự do giữa các điện cực khác nhau ở nước có nồng độ chlorite thấp

Hình 2.6 Sự phụ thuộc của hiệu suất sản xuất clo tự do vào nồng độ clorua đối với các loại điện cực khác nhau [8]

Ở điện cực IrO2 có hiệu suất cao nhất trong 4 loại điện cực (gần 10%), trong khi đó BDD và Pt có hiệu suất khá thấp (1-1.5%)

Một khía cạnh quan trọng trong việc lựa chọn điện cực là tuổi thọ của điện cực Thời gian tồn tại ngắn nhất của các điện cực được thử nghiệm đã được quan sát thấy đối với các điện cực Ti phủ RuO2, tiếp theo là các điện cực phủ IrO2 với tuổi thọ khoảng ba tháng Các điện cực phủ IrO2/RuO2 có tuổi thọ gần một năm các điện cực Ti được mạ Pt có tuổi thọ gần tám năm [8]

Ngoài ra, mỗi loại vật liệu điện cực sẽ phù hợp để xử lý với một loại nước xác định cùng với một thời gian khử trùng khác nhau Nói chung, các điện cực ổn định về kích thước bao gồm các điện cực titan phủ ruthenium và iridi oxit được sử dụng rộng rãi nhất cho

các sản xuất công nghiệp quy mô lớn vì chúng có tiềm năng rất cao đối với quá trình oxy hóa clorua (Cl− ) [17] Ngoài các điện cực trên, các vật liệu khác cũng được sử dụng là điện cực bạch kim và kim cương pha tạp Tuy nhiên, hoạt tính của platin bị giảm ở điện thế anốt cao do sự hình thành màng oxit platin [18] Hơn nữa, những điện cực này có giá thành cao đối với việc sản xuất quy mô lớn Chi phí cao của các điện cực cũng góp phần làm tăng chi phí vốn, trở thành những rào cản khi ứng dụng rộng rãi trong ngành xử lý nước Trong số các điện cực có sẵn trên thị trường vật liệu, than chì (graphite) rất được quan tâm vì giá thành thấp trái ngược với các kim loại như bạch kim, vàng, kim cương pha tạp (BDD) Một số nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng việc pha tạp các vật liệu quý trên các vật liệu gốc cacbon là có thể tăng cường hoạt tính xúc tác và giảm chi phí vật liệu so với các kim loại quý [19]

Bảng 2.2 So sánh khả năng khử trùng của các loại điện cực [20]

Than chì Thép không gỉ 50 mg/L [Cl− ],1.5 mA/cm2 2 mg/L Cl2 trong 30 phút Than hoạt tính dạng

miếng Than hoạt tính

3 mg/L [Cl−], 0.33 mA/cm2,

tổng Coliforms trong

khoảng 900 MPN/100 mL

100% trong 15 phút

Vải than hoạt tính Vải hoạt tính

10 g/L [Cl−], 1.6 V, 2.5 ×107 CFU/ mL E coli, tốc độ dòng

chảy 5 mL/min Giảm 62% trong 7 phút

Than chì Than chì 10.2 mg/L [Cl

−], 3 mA/cm2, 5.5 × 103 CFU/100 mL E coli

Giảm 99.9% trong 10 phút TiC (oxit titanium/

−], 253 A/m2, 8.7 × 106 CFU/100 mL E coli

Giảm 6.2-log trong 8 phút

PtRu/than chì Than chì 2 mM [Cl

−], 15 mA/cm2, 5 × 105 CFU/100 mL E coli

Giảm 5-log trong 5 phút

Ngoài ra, để tăng hiệu suất của quá trình khử trùng, hiện nay có một số vật liệu điện cực mới đã được tạo ra, ví dụ như: điện cực Ti được mạ một lớp Ni-Sb-SbO2 [21], điện cực graphite phủ lớp Pt-Ni-Co [20], điện cực graphite phủ lớp Cu,…

Với sự phát triển của khoa học, các vật liệu điện mới cực ngày càng đươc tạo ra nhiều hơn đáp ứng được mọi nhu cầu cần thiết.Một trong những vật liệu điện cực đáng chú ý là vật liệu 3D Thông thường trong các mô hình điện hóa sử dụng các điện cực phẳng 2D được đặt song song Loại cấu hình này tạo ra một lớp khuếch tán tương đối dày bên cạnh bề mặt điện cực, nơi mà chất gây ô nhiễm cần khuếch tán qua lớp này trước khi chúng có thể phản ứng tại hoặc gần bề mặt điện cực Phản ứng của chất nền với OH• thường nằm trong phạm vi giới hạn khuếch tán với hằng số tốc độ bậc hai thường nằm trong khoảng từ 109 đến 1010M-1.s-1 Do các quá trình động học này rất nhanh, việc sử dụng điện cực 2D với thể tích vùng phản ứng nhỏ, hoạt động của công nghệ xử lý nước điện hóa trở nên hạn chế vận chuyển khối lượng ở mật độ dòng điện áp dụng tương đối thấp (ví dụ, <5mA.cm-2) [22] Do đó, nhiều nghiên cứu hiện tại tập trung vào sự phát triển của các điện cực 3D có diện tích bề mặt hoạt tính điện hóa cao sử dụng tối đa hóa tốc độ vận chuyển khối lượng

Hình 2.7 Hình thái học của quá trình tổng hợp cấu trúc nano CuO-ZnO nhánh [23]

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình 2.2.3.1 Tính chất nguồn nước

Tương tự như các quá trình khác, hiệu suất của quá trình điện hóa có mối liên hệ chặt chẽ với thành phần chất lượng nước Nước vào bể khử trùng đã được xử lý qua các quá trình hóa lý như: keo tụ- tạo bông, lắng, lọc

pH của dung dịch là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tốc độ và

hiệu quả của quá trình điện hóa Theo quan sát, quy trình điện hóa có hiệu suất tốt nhất trong môi trường axit yếu và giảm dần khi pH tăng Hiện tượng này có thể do sự hoạt động của gốc hydroxyl và ozon được tạo ra trên bề mặt điện cực Sau phản ứng điện phân, không có sự thay đổi rõ rệt về pH Trong một tế bào điện hóa tạo ra ion hypoclorit, phản ứng phụ xảy ra ở cực âm là sản xuất hydro [19]

2H2O + 2e− ↔ H2+ 2OH− E0 = −0.7828 V

Nồng độ ion Cl- trong nước vào bể khử trùng cũng là một nhân tố quan trọng quyết định nên hiệu quả của quá trình điện hóa

Cùng với việc tăng nồng độ Cl- trong nước từ 50 lên 400 với cùng bề mặt điện cực, thời gian phản ứng và cường độ dòng điện đã cải thiện hiệu suất khử trùng nước từ 94.4% lên 99.9% Các nghiên cứu trước đó đã chỉ ra rằng mức Cl− là yếu tố chủ yếu và hiệu quả khử trùng cao có thể dễ dàng đạt được hơn ở nồng độ Cl− cao [24] Trong quá trình khử trùng, các ion clorua đã được tiêu thụ bởi quá trình sản xuất clo tự do Do đó không có sự thay đổi tổng thể về thành phần hóa học của nước trong quá trình khử trùng nước bằng điện hóa Ở những nơi có nồng độ clorua thấp trong nước cần xử lý (như trong nước uống), hiệu suất của vật liệu điện cực để sản xuất clo tự do là rất quan trọng [8]

Hình 2.8 Hiệu suất quá trình khử trùng điện hóa với các mức độ ion Cl- khác nhau [24]

Nhu cầu chất khử trùng điện hóa và hiệu suất của hệ thống được kết nối chặt chẽ với các thành phần chất lượng nước, trong đó quan trọng không kém là nhu cầu oxy hóa học cacbon (cCOD) Trong khử trùng điện hóa, chất oxy hóa được tạo ra ở bề mặt của điện cực và sau đó khuếch tán vào dung dịch chung, nơi phần lớn sự bất hoạt của vi sinh vật xảy ra Tuy nhiên, vì các chất oxi hóa được tạo ra bằng điện hóa thiếu tính chọn lọc vốn có đối với các loại vi sinh vật khác nhau, COD có thể xử lý chất oxi hóa và giảm liều lượng chất khử trùng hiệu quả [11] Ngoài ra còn các yếu tố ảnh hưởng đến đến quá trình điện hóa như khoảng cách điện cực, diện tích bề mặt, đặc tính vật liệu điện cực

2.2.3.2 Thời gian lưu nước (Contact time)

Thời gian lưu nước là một yếu tố quan trọng trong quá trình xử lý nước và nước thải Qua

nhiều khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu nước đến việc loại bỏ Coliforms trong quá

trình khử trùng điện hóa đã cho thấy hiệu suất loại bỏ tỷ lệ thuận với việc tăng thời gian

phản ứng [21] Kết quả từ việc mô hình hóa bề mặt điện hóa cho thấy rằng một bể phản ứng khử trùng điện hóa quy mô lớn có thể được thiết kế bằng cách sử dụng diện tích bề mặt cực dương lớn với thời gian tiếp xúc dài đối với nước có nồng độ Cl- cao (400 mg.L-1) hoặc mật độ dòng điện cao với thời gian tiếp xúc ngắn đối với nước có nồng độ Cl-thấp (50 mg.L-1) [24] Ngoài ra, thời gian phản ứng có tỷ lệ thuận với năng lượng tiêu thụ của hệ thống theo công thức E= UIt với t là thời gian phản ứng [3]

Hình 2.9 Mối liên hệ giữa thời gian phản ứng- nồng độ Cl--cường độ dòng điện trong khử trùng điện hóa [24]

Với sự linh động về thời gian phản ứng, có thế điều chỉnh thời gian của quá trình thích hợp với các nhu cầu khác nhau mà không bị ảnh hưởng đến hiệu suất

2.2.3.3 Mật độ dòng điện

Quá trình tạo ra chlorine tự do trong quá trình khử trùng điện hóa phụ thuộc rất nhiều vào thời gian lưu nước và mật độ dòng điện [24] Khi thực hiện thí nghiệm khử trùng điện hóa trên điện cực than chì (graphite), các thí nghiệm được thực hiện trong 60 phút với các mật độ dòng điện thấp được xác định trước khác nhau (0.1; 0.2;0.3; 0.4; 0.5; 1; 1.5; 2; 2.5 mA /cm2) kết quả cho thấy rằng chlorine tự do và chlorine tổng cùng nhau đạt đến đến tối đa 0.7 và 0.75 mg / l, tương ứng, ở 1.5 mA/cm2 [19]

Hình 2.10 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện đối với việc hình thành chlorine [19]

Thông thường, hệ thống điện hóa có xu hướng sử dụng mật độ dòng điện thấp khi đó kết quả cho ra có hiệu suất điện năng tốt hơn nhưng yêu cầu thời gian lưu nước lâu hơn Mật độ dòng điện thấp hơn cũng làm giảm sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn như clorat [24]

2.3 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước

2.3.1 The electrochemical oxidation of chloride on Pt-Ni-Co-G electrodes and its application in in-situ disinfection of water

- Tác giả: Wanze Li, Yu Jen Shih , Daniel Sanchez Carretero, Chin-Pao Huang - Ngày công bố: 28/08/2021

- Nội dung: Bài nghiên cứu sử dụng các điện cực graphite được phủ Pt-Ni-Co-oxit theo những tỉ lệ khác nhau Các điện cực được đặc trưng bằng SEM, EDS, XRD,XPS và phép đo điện thế tuần hoàn Từ đó kết luận tỉ lệ mol của Ni và oxit Co trên bề mặt điện cực ảnh hưởng đến cấu trúc bề mặt và khả năng tạo chlorine trong nước

Hình 2.11 Khả năng tạo chlorine của các điện cực a)graphite, b)Pt0.02Ni0.49Co0.49-G, c) Pt0.05Ni0.26Co0.69-G, d) Pt0.01Ni0.24Co0.75-G, e) Pt0.02Ni0.26Co0.72-G, f) Pt0.01Ni0.22Co0.77-G, g) Pt0.03Ni0.68Co0.29-G, h) Pt0.02Ni0.43Co0.55-G [20]

Hình 2.12 a) Tốc độ tạo chlorine, b) Biểu đồ tuyến tính của phương trình động học Langmuir-Hinsheldwood Điều kiện thí nghiệm: cực âm bằng thép không gỉ, khoảng cách

điện cực = 2 cm, mật độ dòng điện = 5 mA / cm2 [20]

Kết luận: Theo tỷ lệ mol Pt, Ni và Co là Pt: Ni: Co = 0.01: 0.24: 0.75 (Pt0.01Ni0.24Co0.75), cho thấy đặc điểm cấu trúc độc đáo và thể hiện khả năng tạo chlorine

tại chỗ cao nhất Điện cực Pt0.01Ni0.24Co0.75-G có bề mặt ba chiều và xốp hơn nhiều so với các điện cực Pt-Ni-Co-G khác Kết quả XRD cho thấy các oxit coban, niken và bạch kim là vô định hình trên bề mặt graphit Điện cực Pt0.01Ni0.24Co0.75-G cũng có mức thâm hụt oxy cao hơn trên bề mặt của nó, điều này có thể thúc đẩy sự hình thành liên kết M-Cl−trên bề mặt điện cực và tăng cường khả năng tạo chlorine trong quá trình điện hóa Pt0.01Ni0.24Co0.75-G cũng là điện cực duy nhất thể hiện hệ số chuyển của quá trình oxy hóa clorua nhỏ hơn so với oxy hóa nước Các đặc điểm độc đáo của điện cực Pt0.01Ni0.24Co0.75-G dẫn đến quá trình oxy hóa clorua thuận lợi hơn hướng tới hiệu suất tạo chlorine cao Khả năng tạo chlorine tại chỗ tăng lên với nồng độ NaCl cho tất cả các điện cực Phương trình động học Langmuir-Hinsheldwood được sử dụng để thể hiện tốc độ tạo chlorine ban đầu và điện cực Pt0.01Ni0.24Co0.75-G thể hiện tốc độ tạo clo cao nhất

2.3.2 A novel electro-chlorinator using low cost graphite electrode for drinking water disinfection

- Tác giả: Jayeeta Saha, Sunil Kumar Gupta - Ngày công bố: 01/03/2017

- Nội dung: công trình này thiết kế một hệ thống khử trùng nước với cực dương là graphite và cực âm là thép không gỉ Một loạt các thử nghiệm đã được thực hiện trong quy mô phòng thí nghiệm áp dụng mật độ dòng điện thấp Từ đó xác định mật độ đòng điện thích hợp trong quá trình tạo ra chlorine, đồng thời xét đến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử trùng điện hóa như: mật độ dòng điện, pH, nồng độ ion Cl- đầu vào và ảnh hưởng của thời gian điện phân đến tốc độ chuyển hóa chlorine Người ta quan sát thấy rằng với sự gia tăng mật độ dòng điện, thì sự chuyển đổi chlorine đã giảm rõ rệt từ 50% đến 42% Tỷ lệ chuyển đổi chlorine tối đa là 57.3% tương ứng với thời gian điện phân là 30 phút

Hình 2.13 Mô tả sơ đồ của lò phản ứng điện hóa bao gồm 12 điện cực [19]

Công trình nghiên cứu này cung cấp một chiến lược thiết kế bể khử trùng điện hóa đơn giản để sử dụng các điện cực graphite giá cả phải chăng trong ứng dụng điện hóa sử dụng khử trùng nước uống Nghiên cứu chỉ ra rằng hệ thống điện hóa với sự sắp xếp chồng điện cực phù hợp, căn chỉnh thiết kế cụ thể và điện cực graphit cung cấp tiềm năng lớn trong các ứng dụng thực tế cho nước uống khử trùng

Kết luận: Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của việc sử dụng các cực dương bằng than chì và các cực âm bằng thép không gỉ được bố trí trong một thiết kế độc đáo đó là xếp chồng các điện cực lên nhau để khử trùng nguồn cung cấp nước công cộng Kết quả của nghiên hiệu quả đạt được tốt nhất ở nồng độ clo hoạt tính 2.5 mg/l ở thời gian điện tử tối ưu là 30 phút và mật độ dòng điện 1.5 mA /cm2 Năng lượng tiêu thụ của lò phản ứng đã giảm đáng kể trong trường hợp của điện cực graphit hơn so với các điện cực khác Tuy nhiên, graphite có tốc độ ăn mòn cao hơn so với những vật liệu khác nên phải liên tục thay thế các điện cực mới

2.3.3 Role of Electric Field and Reactive Oxygen Species in Enhancing

Antibacterial Activity: A Case Study of 3D Cu Foam Electrode with Branched CuO−ZnO NWs

- Tác giả: Caiyu Wang, Longfei Yue, Shuting Wang, Yanan Pu, Xiao Zhang, Xiangping Hao, Wenhui Wang, and Shougang Che

- Ngày công bố: 31/10/2018

- Nội dung: Trong nghiên cứu này, các tác giả đưa ra một thiết bị mới để khử trùng nước hiệu quả cao đó là các cuộn nano CuO-ZnO trên vật liệu nền là đồng đã được điều chế, có hiệu suất kháng khuẩn cao và độ ổn định tốt Nghiên cứu đưa ra phương pháp điều chế nên vật liệu điện cực và đưa ra các hình ảnh của vật liệu qua TEM, STEM, EDS Đồng thời xác định độ ổn định của vật liệu, hình thái, cấu trúc và khả năng loại bỏ vi khuẩn trong nước của vật liệu Cấu trúc CuO-ZnO nano wire có nhiều chóp nano hơn so với CuO nanno wire, cho thấy hiệu suất diệt khuẩn tốt hơn Ngoài ra, nghiên cứu còn xét đến sự tổng hợp dễ dàng và hiệu quả khử trùng cao của cấu trúc nano CuO-ZnO cho thấy tiềm năng lớn trong ứng dụng để xử lý nước

Hình 2.14 Mô hình khử trùng bằng điện cực nano CuO-ZnO [23]

Kết luận: cấu trúc CuO-ZnO phân nhánh 3D trên nền đồng xốp được điều chế bằng quy trình hóa học ướt và phương pháp thủy nhiệt Bộ điện cực đã chuẩn bị đạt được hiệu

suất kháng khuẩn vượt trội (tức là bất hoạt vi khuẩn E coli và S aureus) dưới điện áp

thấp, thời gian tiếp xúc ngắn và nồng độ vi khuẩn cao Khi điện áp đặt vào là 10 V và thời gian xử lý dưới 2s, hiệu quả khử trùng vượt quá 99% với nồng độ vi khuẩn ban đầu là 106 CFU mL-1 Hơn nữa, kích thước nhỏ của dây nano ZnO cũng có thể góp phần phân tách và thu thập điện tích hiệu quả hơn, tạo cho bề mặt vật liệu một lượng điện tích lớn để làm rối loạn chuyển điện tử trong vi khuẩn, gây ra sự bùng nổ ROS để tiêu diệt vi khuẩn Do đó, việc chế tạo các dây ZnO mịn trên CuO không chỉ làm tăng mật độ của các đầu nhọn kích thước nano, mà còn tăng các vị trí phản ứng để truyền điện tử nhanh, cải thiện hiệu suất kháng khuẩn thông qua cả ứng suất điện và ứng suất oxy hóa