Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học

Trong những năm gần đây việc sử dụng chất xúc tác 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.. Mặt khác chất hoạt độn



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



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



Long Xuyên, 09/06/2011

Ký xác nhận của giảng viên hướng dẫn

Th.S Nguyễn Trung Thành

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

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

LỜI CÁM ƠN

Qua bốn năm học tập ở giảng đường đại học em đã tiếp thu được rất nhiều kiến

thức từ các Thầy – Cô khoa Kỹ Thuật Công Nghệ Môi Trường, bộ môn Môi

Trường & Phát Triển Bền Vững Em xin gửi lời cám ơn đến quý Thầy Cô đã tận

tình chỉ bảo, giúp đỡ cho chúng em những kiến thức chuyên ngành đến những kinh

nghiệm sống trong xã hội

Em xin gửi lời cám ơn đến thầy Trương Kiến Thọ đã cung cấp một số tài liệu để em

tham khảo trong quá trình làm khóa luận

Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy Ths.Nguyễn Trung Thành là người trực tiếp

hướng dẫn và truyền đạt rất nhiều kiến thức chuyên môn, tận tình hướng dẫn chỉ

bảo cho em những kinh nghiệm quý báu để em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp

Vì vốn kiến thức còn hạn chế, nên luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu

sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô

Một lần nữa em xin chân thành cám ơn!

Chúc thầy cô sức khỏe, hạnh phúc !!!

MỤC LỤC

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

3.6.1 Rửa chất mang 23

3.6.2 Tổng hợp chất xúc tác: 25

3.6.3 Khả năng xử lý COD của chất xúc tác TiO2 26

3.6.4 Khả năng xử lý COD của TiO2/ H2O2: 26

3.6.5 Phương pháp xác định COD: 27

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THẢO LUẬN 28

4.1 Khả năng xử lý chất hoạt động bề mặt có trong nước tẩy rửa của chất xúc tác TiO2 28

4.2 Khả năng xử lý chất hoạt động bề mặt có trong nước tẩy rửa của chất xúc tác TiO2 + H2O2: 31

4.3 Khả năng triển khai ứng dụng của kết quả nghiên cứu 34

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 35

5.1 Kết luận: 35

5.2 Kiến nghị: 36

PHỤ LỤC 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

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 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

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)

- Bảng 2.7: Thời gian đặc trưng của một số phản ứng quang hoá

- Bảng 3.1: Thiết bị và dụng cụ

- Bảng 4.1: Ký hiệu mẫu chất xúc tác

- Bảng 4.2: kết quả thí nghiệm xử lý COD (mg/l)

DANH SÁCH BIỂU ĐỒ

- Biểu đồ 4.1: Khả năng xử lý COD phụ thuộc vào nồng độ chất phụ gia

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

chất hoạt động bề mặt không ion) tuy nhiên các chất ô nhiễm dạng này được xem là

một dạng ô nhiễm khó xử lý so với các chất ô nhiễm khác và hiệu quả xử lý phụ

thuộc rất nhiều vào cấu tạo của chúng Riêng với chất hoạt động có ion thì quá trình

xử lý cũng đơn giản hơn so với chất hoạt động không ion Ở Việt Nam, thì việc sử

dụng chất hoạt động bề mặt có ion là phổ biết nhất; trong các phẩm tẩy rửa gia đình,

công nghiệp xi mạ, thực phẩm, …

Do đó, việc “Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ

xúc tác quang học” là rất cần thiết và mang tính khả thi cao

Trong phần nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng xúc tác quang học trên cơ bản là

với mục đích tận dụng nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời dồi dào (đặc điểm nổi

bậc của địa lý Việt nam) từ đó có thể nâng cao tính ứng dụng đề tài này vào thực tế

tại Việt Nam

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)

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.)

CHĐBM trong dung môi phân cực

Hình 2.2 Dạng hình cầu (a) và dạng mặt phẳng của cụm CHĐBM

Xét về mặt lý thuyết; thì tính ưa và kị nước được đặc trưng bởi một thông số; đó là

“ độ cân bằng ưa kị nước” (Hydrophilic Lipophilic Balance –HLB) đối với các

CHĐBM thông thường thì giá trị này nằm trong khoảng từ 0 đến 40 Khi giá trị

HLB càng cao thì khả năng hòa tan của CHĐBM trong môi trường phân cực càng

lớn và ngược lại

Dựa vào tính chất điện của đầu phân cực của phân tử CHĐBM có thể chia chúng

thành một số loại như sau:

• CHĐBM có ion: phần đầu phân cực bị ion hóa

¾ CHĐBM ion dương: khi bị phân cực thì phần đầu phân cực mang điện

tích dương; như: cetyl trimetylamoni bromide (CTAB); Cetyl pyridinium clorua (CPC); Polyethoxylated tallow amin (POEA);…

¾ CHĐBM ion âm: khi bị phân cực thì phần đầu phân cực mang điện

tích âm; như: Natri dodecyl sulfat (SDS); amoni lauryl sulfat; xà phòng và muối của các axit béo…

• CHĐBM không ion: đầu phân cực không bị ion hóa, ví dụ: Ankyl

poly(êtylen oxit); octyl glucozit …

• 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

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

nhôm

2.2.2 Phương pháp oxi hóa bằng hệ fenton

Năm 1894 trong tạp chí của hội hóa học Mỹ đã công bố công trình nghiên cứu của

J.H.Fenton (Trần Mạnh Trí, 2006), trong đó ông quan sát thấy phản ứng oxy hóa

acid maleic bằng Hydrogen peroxit đã được gia tăng mạnh khi có mặt các ion sắt

cho nhiều đối tượng rộng rãi các chất hữu cơ và mang tên là “tác nhân fenton”

nhiều kim loại khác chuyển tiếp và các phức chất của chúng như Fe(II), Fe(III),

nhân kiểu như Fenton

Quá trình Feton dạng cổ điển nói chung có hiệu quả cao trong khoảng pH 2 – 4, cao

nhất ở pH (2,8) Do đó, trong điều kiện xử lý nước thường gặp (pH = 5 – 9 ), quá

tủa Feric oxyhydroxit hoạt tính rất thấp Vì vậy, cần thiết phải điều chỉnh pH môi

trường về khoảng thích hợp khi ứng dụng vào thực tế Tuy nhiên, vẫn không tránh

khỏi vấn đề phải tách các ion sắt ra sau khi xử lý

và có sẵn, đồng thời không độc hại, dễ vận chuyển, dễ sử dụng, trong khi đó hiệu

Fenton để xử lý nước và nước thải có thể dẫn đến khoáng hóa hoàn toàn các chất

sử dụng rất nhiều hóa chất làm cho chi phí xử lý cao Do vậy, trong điều kiện đó

phải sử dụng quá trình Fenton để phân hủy từng phần, chuyển các chất hữu cơ

không thể phân hủy hoặc khó phân hủy sinh học thành chất mới có khả năng phân

hủy sinh học nhằm có thể áp dụng thuận lợi quá trình xử lý sinh học tiếp sau

2.3 Phương pháp oxi hóa bằng các quá trình oxi hóa nâng cao

2.3.1 Tổng quan về quá trình oxi hóa nâng cao trong nước thải

Một trong những công nghệ cao nổi lên gần đây là công nghệ phân hủy khoáng hóa

chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và nước thải dựa vào quá trình oxi hóa nâng cao

Quá trình oxi hóa nâng cao được định nghĩa là những quá trình phân hủy oxi hóa

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

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 (Cl 2 )

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

cho đến ngày nay Tuy vậy nhược điểm của Clo là tác dụng với chất hữu cơ thiên

nhiên, tạo ra hợp chất hữu cơ chứa Clo có nguy cơ gây ung thư cho người sử dụng

(Trần Mạnh Trí, 2006)

b Kali permanganat (KMnO 4 )

Kali permanganate là chất oxi hóa được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước

Đây là chất oxi hóa mạnh hơn clo, có thể làm việc trong khoảng pH rộng, nhưng đắt

tiền Thêm vào đó, quá trình này tạo ra Mangan dioxit ở dạng không tan và phải

tách ra bằng phương pháp hóa học hoặc lắng; vì vậy khả năng tăng thêm chi phí cho

quá trình xử lý là điều không thể tránh khỏi

c Hydrogen peroxit (H 2 O 2 )

Hydrogen peroxit là chất oxi hóa mạnh hơn clo và kali permanganat nhưng

các chất hữu cơ và khử màu của nước thải ngành giấy hoặc dệt nhuộm Ngoài ra, ưu

điểm của Hydrozen peroxit là không sinh ra chất độc hoặc chất có màu trong quá

trình sử dụng Tuy nhiên, khả năng oxi hóa của hydrozen oxit không đủ mạnh để

khoáng hóa hòan tòan chất ô nhiễm hữu cơ như yêu cầu đã đặt ra (Trần Mạnh

Trí,2006)

d Ozon (O 3 )

Ozon là chất oxi hóa mạnh nhất trong các chất oxi hóa thông dụng kể trên

Nó được sử dụng làm chất khử trùng, phân hủy các chất hữu cơ hoặc để khử màu

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

Clo dioxit 1,57

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

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)

Một khi gốc tự do được hình thành, lạp tức xảy ra hàng loạt các phản ứng kế

tiếp theo kiểu dây chuyền với những gốc hoạt động mới Vì vậy, sự hình thành gốc

Hydroxyl được xem như là một sự khơi mào cho hàng loạt các phản ứng xảy ra kế

tiếp trong dung dịch Vì phản ứng của gốc Hdroxyl xảy ra không chọn lựa, nên

trong quá trình đó tạo ra nhiều sản phẩm trung gian khác nhau, khó tiên đoán tất cả

những sản phẩm oxi hóa trung gian có thể tạo ra trong quá trình

Theo hai nhà khoa học GS.TSKH Trần Mạnh Trí, TS.Trần Mạnh Trung, gốc

Hydroxyl (*OH) có thể tác kích với các chất ô nhiễm theo các kiểu sau :

Phản ứng cộng với các hợp chất không no dây thẳng hoặc vòng thơm, tạo ra gốc

mới Hydroxylat hoạt động:

kiểu phản ứng dây chuyền cho đến khi vô cơ hóa (khoáng hoá) hoàn toàn hoặc dây

chuyền bị đứt

Mục đích mong muốn cuối cùng trong quá trình oxi hóa các chất ô nhiễm

trong nước thải là để vô cơ hóa, tức chuyển chất ô nhiễm hữu cơ thành các chất vô

cơ đơn gản và không độc hại

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

iso-propanol,methanol, propenediol

iso-butyraldehyd, tricloroaxetaldehyd

diclorophenol, hydroquinon, p-nitrophenol, phenol, toluen, triclorophenol, xylem, trinitrotoluene

Amin Anilin, amin vòng, dietylamin, dimetylfocmamid,

EDTA, propandiamin, n-propylamin

Về tốc độ phản ứng, hầu như tất cả các hợp chất hữu cơ đều bị gốc Hydroxyl oxi

hóa với tốc độ nhanh hơn so với ozon (một chất oxi hóa mạnh nhất trong các chất

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

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

công trình nghiên cứu trong mấy thập kỉ qua là các quá trình tạo ra gốc Hydroxyl

trên cơ sở các tác nhân oxi hóa thông thường như Ozon, Hydrogen peroxit thông

qua phản ứng hóa học (H2O2/Fe2+, )O3/H2O2, O3/xúc tác, H2O2/xúc tác, hoặc nhờ

nguồn năng lượng cao (siêu âm, tia gamma, tia X, chùm electron)

Các quá trình oxi hóa nâng cao trên cơ sở gốc Hydroxyl đã được nghiên cứu

để áp dụng vào lĩnh vục xử lý nước thải

Nhờ những ưu điểm nổi bật trong việc loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt

những vi chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy, các quá trình oxi hóa nâng cao dựa

trên gốc tự do Hydroxyl (*OH) được xem như một “chìa khóa vàng” để giải bài

toán đầy thách thức của thế kỷ cho ngành xử lý nước thải hiện nay

Bảng 2.4: Các quá trình oxi hóa nâng cao dựa vào gốc Hydroxyl(*OH)

lượng điện hóa

Các quá trình oxy hóa

nâng cao không nhờ các

nhân ánh sáng

Oxi hóa điện hóa H2O, năng lượng điện hóa

Quá trình bức xạ năng lượng cao(tia γ ,tia X, chùm electron)

γ ,tia X, chùm electron)

năng lượng photon UV

năng lượng photon UV

3 H2O2 /O3 và UV

chân không VUV

Các quá trình oxi hóa

nâng cao nhờ tác nhân

ánh sáng

photon UV

2.3.4 Sơ lược về TiO 2

Titandioxide TiO2 còn gọi là titan (IV) oxit hoặc Titania, là tự nhiên oxit của titan,

của chúng ta Chúng được sử dụng nhiều trong việc pha chế tạo màu sơn, màu

men, mỹ phẩm và cả trong thực phẩm Ngày nay lượng TiO2 được tiêu thụ hàng

năm lên tới hơn 3 triệu tấn Ngày nay TiO2 còn được biết đến trong vai trò của một

chất xúc tác quang hóa

Titanium dioxide trong tự nhiên có 3 dạng: khoáng rutil , anatase và brookite

Titan dioxide có tám sửa đổi - bổ sung cho rutil , anatase và brookite có ba hình

thức sản xuất tổng hợp siêu bền (nghiêng, tứ giác và orthorombic), và năm hình

Bảng 2.6: Công thức hóa học các khoáng vật quan trọng của TiO2

Titan dioxide sử dụng như chất màu để cung cấp độ trắng và độ mờ cho sản phẩm

như sơn, sơn, nhựa, giấy, mực in, thực phẩm, thuốc (ví dụ như thuốc và thuốc viên)

cũng như hầu hết thuốc đánh răng

Titan dioxide được sử dụng để đánh dấu các dòng trắng trên sân quần vợt của các

địa điểm của giải đấu quần vợt hàng năm của giải vô địch Wimbledon, grand slam

Trong mỹ phẩm và chăm sóc da sản phẩm, titan dioxide được sử dụng như là một

sắc tố, kem chống nắng và một chất làm đặc Nó cũng được dùng như là một hình

xăm màu và bút chì cầm máu

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

thể được sử dụng làm nhiên liệu Hiệu quả của quá trình này có thể được cải

thiện rất nhiều

thấy rằng bằng cách sử dụng các hạt nano để tạo thành các điểm ảnh của màn

hình

noxer hoặc sơn, đáng kể có thể làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm trong

không khí như các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các oxit nitơ

• Quá trình này xảy ra trong điều kiện môi trường xung quanh rất chậm; trực

tiếp tiếp xúc với tia UV làm tăng tốc độ phản ứng

• Quang xúc tác này là rẻ tiền và có hiệu quả cao

2.3.5 Các quá trình quang xúc tác bán dẫn

- Quá trình quang xúc tác bán dẫn là một trong những quá trình oxy hóa nâng cao

nhờ tác nhân ánh sáng Đây được xem là quá trình có tầm quan trọng trong lĩnh vực

xử lý nước và nước thải Quá trình quang xúc tác bán dẫn là quá trình oxy hóa dựa

vào gốc hydroxyl *OH được sinh ra nhờ chất xúc tác bán dẫn, nó hoạt động khi

nhận được bức xạ Ưu điểm của quá trình này

Không tạo ra bùn

Phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ khó phân hủy

Chi phí đầu tư thấp

Thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường