Các quá trình ôxi hóa nâng cao trong xử lý nước và nước thải cơ sở khoa học và ứng dụng trần mạnh trí, trần mạnh trung

THƯ VIỆN ĐẠI HỌC NHA TRANG Đ 628 T r 121 Tr TRẦN MẠNH TRÍ NI MẠNH TRUNG mmầỉiÉiiÉn« Cơ SỞ KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT IẬT oui TRÌNH OXI Hóa NằN6 cao TRON6 xứ tú Nưốc Và Nưốc THầí c d s ổ KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG GS TSKH TRẦN MẠNH TRÍ TRUNG TÂM CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG (ECHEMTECH) TS TRẦN MẠNH TRUNG CÔNG TY PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG Á ĐÔNG (ASIATECH) w Q(|fị TRÌNH 0X 1HĨ(i m ỈRO TRONG xử LÝ NƯỚC VÀ Nước THẢI n In ^ NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT £ i nói đ ề t Các q trình oxi hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes) xuất giới từ năm 1990 trở lại áp dụng để xử lý nước nước thải nhằm đáp ứng yêu cầu chất lượng nước uống nước sinh hoạt yêu cầu khắt khe trước tiêu chuẩn nước thải ngành sản xuẩt cơng nghiệp Các q trình oxi hóa nâng cao ngày trở thành giải pháp thiếu bên cạnh công nghệ truyền thống để xử lý chất ô nhiễm hữu độc hại, khó khơng thể phân hủy sinh học, diện nguồn nước ngầm, nước mặt, nước thải đô thị công nghiệp với nồng độ từ thấp (vi ô nhiễm) đến cao Ớ nước ta, công nghệ xử lý nước nước thải dựa q trình oxi hóa cao cịn râ't mẻ, chưa áp dụng vào thực tế mà chí cịn chưa có tài liệu chuyên khảo vân đề tủ sách ngành nước nước thải Ngay trường đại học chưa giảng dạy đào tạo chuyên đề công nghệ cao xử lý nước nước thải dựa q trình oxi hóa nâng cao Trước tình hình đó, động viên giúp đỡ Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, tổ chức biên soạn sách nhằm cung cấp kiến thức sở ứng dụng thực tế cúc q trình oxi hóa nâng cao cho người hoạt động lĩnh vực xử lý nước nước thải làm tài liệu nghiên cứu, học tập, tham khảo cho sinh viên nghiên cứu sinh trường đại học thuộc chuyên ngành liên quan Trong trình biên soạn sách này, cố gắng sử dụng thông tin cơng trình khoa học, sách chuyên khảo công bố từ cuối năm 1990 trở lại đây, kết hợp với kinh nghiệm chúng tơi áp dụng thành cơng q trình oxi hóa nâng cao vào xử lý nước thải sản xuất hóa chất bảo vệ thực vật, sản xuâ't bột giây, chế biến cao su dệt nhuộm thành phố Hổ Chí Minh, Đồng nai Bình Dương năm gần Tham gia biên soạn sách Các q trình oxi hóa nâng cao x lý nước nước thải gồm tác giả sau: GS, TSKH Trần M ạnh Trí, Trung tâm Cơng nghệ Hóa học Môi trường (ECHEMTECH) (chu biên), biên soạn phần : Phần thứ (I-1); (1-2); Phần thứ hai: (II-1); Phần thứ ba: (III-1); (III-2); (III-3); (111-4) TS Trần M ạnh Trung, Công ty Phát triển công nghệ Môi trường Á Đông (ASIATECH), biên soạn phần thứ hai :(II-2); (II-3) Vì nội dung khoa học ý nghĩa thực tiễn vấn đề rộng mới, khôi lượng thơng tin q trình oxi hóa nâng cao nhiều, nên chắn không tránh khỏi thiếu sót biên soạn sách R ất mong độc gicả góp ý để lần xuất sau hồn chỉnh Thư từ xin đề: TRUNG TÂM CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ MƠI TRƯỜNG (ECHEMTECH) 140/2 Trần Huy Liệu - Quận Phú Nhuận - TP Hồ Chí Minh e-mail: echemtech®hcm.vnn.vn Các tác giả Trang Lời nói đầu Nội dung 12 Những từ viết tắt Phắn th ứ n h ấ t 0X1 HÓA NÂNG CAO - CƠNG NGHỆ CAO TRONG XỬ LÝ NƯỚC VÀ Nưóc THẢI 1.1- s ự XUẤT HIỆN CÁC CÔNG NGHỆ CAO TRONG x LÝ NƯỚC VÀ NỮỚC THẢI 15 1-1.1- Sự cần thiết công nghệ cao xử lý -nước nước thải 15 - Những thách thức trước yêu cầu 15 - Cơ hội cho xuất công nghệ cao xử lý nước nước thải 18 1-1.2- Các công nghệ cao xử lý nước nước thải 19 - Công nghệ lọc màng 19 - Công nghệ khử trùng xạ tử ngoại 22 - Công nghệ phân hủy khống hóa chất nhiễm hữu dựa q trình oxi hóa nâng cao 24 1.2- Q TRÌNH OXI HĨA NÂNG CAO - CƠNG NGHỆ CAO TRONG XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI 25 1-2.1- Những hạn chế q trình oxi hóa tác nhân oxi hóa thơng thường 26 1-2.2- Những ưu việt q trình oxi hóa gốc tự hydroxyl *OH 27 - Gốc hydroxyl *OH khả oxi hóa 27 - Cơ chế phản ứng phương thức phản ứng gốc hydroxyl 28 - Hằng sô' động học phản ứng gốc hydroxyl chất hữu 30 1-2.3- Các trình tạp gốc hydroxyl *OH 30 1-2.4- Phân loại q trình oxi hóa nâng cao 32 I-2.5- Tình hình nghiên cứu áp dụng q trình oxi hóa nâng cao 33 Tài liệu tham khảo 38 Phần th ứ h a i CẤC Q TRÌNH OXI HĨA NÂNG CAO KHƠNG NHỜ TÁC NHÂN ÁNH SÁNG (ADVANCED NON-PHOTOCHEMICAL OXIDATION PROCESSES - ANPOs) II-l- CÁC QUÁ TRÌNH FENTON II- l.l- Giới thiệu chung trình Fenton 39 II-1.2- 40 Quá trình Fenton đồng thể - Cơ chế tạo thành gốc hydroxyl động học phản ứng Fenton 40 - Những nhân tơ' ảnh hưởng 44 II-1.3- Q trình Fenton dị thể 47 II-1.4- Q trình Fenton điện hóa 50 - Q trình Fenton anơ't 51 - Q trình Fenton catốt 52 II-1.5- Áp dụng trình Fenton vào xử lý nước nước thải 53 - Các kết nghiên cứu phịng thí nghiêm thử nghiêm cấp dộ nhỏ 53 - Các thử nghiệm công nghệ cấp độ thử nghiêm 58 - Các hệ Fenton xử lý nước ngầm thương mại hóa 60 Tài liệu tham khảo 39 65 II-2- CÁC Q TRÌNH OXI HĨA NÂNG CAO TRÊN c SỞ OZON : PEROXON VÀ CATAZON 69 II-2.1- Oxi hóa ozon hạn chế 69 II-2.2- Quá trình Peroxon 71 - Cơ chê' phản ứng tạo gôc *OH từ hệ O3/H 2O2 71 - Động học phản ứng tạo gốc *OH hệ 3/H 20 72 - Các yếu tô' ảnh hưởng 75 II-2.3- Quá trình Catazon 76 - Quá trình catazon đồng thể 77 - Quá trình Catazon dị thể 79 II-2.4- Áp dụng trình Peroxon Catazon vào xử lý nước nước thải 81 - Các kết nghiên cứu phịng thí nghiệm thử nghiệm cấp độ nhỏ 81 - Các kết nghiên cứu cấp độ thử nghiêm 85 Tài liệu tham khảo 87 II-3- Q TRÌNH OXI HĨA ĐIỆN HĨA 90 II-3.1- Các q trình điện hóa áp dụng vào xử lý nước nước thải 90 II-3.2- Bản chất trình oxi hóa diện hóa 92 - Q trình oxi hóa điện hóa trựctiếp trênđiện cực 92 - Q trình oxi hóa điện hóa giántiếptrong dung dịch 94 II-3.3- Áp dụng q trình oxi hóa điện hóa vào xử lý châ't ô nhiễm nước thải 95 - Nghiên cứu phịng thí nghiệm thử nghiệm cấp độ nhỏ 95 - Các kết nghiên cứu cấp độ thử nghiêm 98 Tài liệu tham khảo 99 P hần th ứ b a CÁC Q TRÌNH OXI HĨA NÂNG CAO NHỜ TÁC NHÂN ÁNH SÁNG (ADVANCED PHOTOCHEMICAL OXIDATION PROCESSES - APOs) III.l- NHỮNG VẤN ĐỀ CHƯNG 102 III-l.l- Ánh sáng tử ngoại (UV) - Nguồn lượng cho trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng 102 III-1.2- Tác dụng ánh sáng với phân tử dung dịch 104 III-1.3- Hiệu suất lượng tử 105 III-1.4- Nguồn ƯV nhân tạo 107 III-1.5- Nguồn ưv thiên nhiên Tài liệu tham khảo 108 111 III-2- CÁC Q TRÌNH ƯV/OXI HĨA III-2.1- Q trình quang phân trực tiếp quang phân gián tiếp 112 112 - Quá trình quang phân trực tiếp 112 - Quá trình quang phân gián tiếp 113 III-2.2- Quá trình u v /o x i hóa: U V /H 2C>2, U V /Ơ 114 uv - Quang phân O3 uv 114 - Quang phân H20 u v chân không 115 - Quang phân H 20 III-2.3- Động học q trình u v /o x i hóa 115 116 - Phương trình tơc độ phản ứng 116 - Ảnh hưởng châ't tìm diệt gốc hydroxyl độ kiềm cacbonat đến tốc độ phản ứng 118 111*2.4- Áp dụng trình u v /o x i hóa 119 - Nhừng kết nghiên cứu thực nghiệm phịng thí nghiệm 119 - Những kết thử nghiệm hệ thử nghiệm 121 - N hững hệ u v /o x i hóa thương mại hóa 123 Tài liệu tham khảo III-3- CÁC QUÁ TRÌNH QUANG FENTON 139 141 III-3.1- Mơi quan hệ trình Fenton quang Fenton 141 III-3.2- Bản chất trình quang Fenton 141 III-3.3- Quá trình quang Fenton biến thể 143 - Fem-ligand/ H 20 2/ ánh sáng 143 - Feul-ligand/ ánh sáng 145 III-3.4- Áp dụng trình quang Fenton 146 - Các kết nghiên cứu q trình quang Fenton phịng thí nghiệm 146 - Hệ quang Fenton dạng thử nghiêm 148 - Hệ quang Fenton thương mại hóa 148 Tài liệu tham khảo 149 III.4- CÁC QUÁ TRÌNH QUANG x ú c TÁC BÁN DAN 150 III-4.1- Mở đầu 150 III-4.2- Chất xúc tác quang bán dẫn chế tạo gốc hydroxyl *OH 150 10 - Vật liệu bán dẫn - chất xúc tác cho q trình quang hóa 150 - Cơ chế hình thành gốc tự hydroxyl *OH trình quang xúc tác T i02 153 III-4.3- Động học trình quang xúc tác - Mơ hình động học Langmuir-Hinshehvood (L-H) 157 - Mơ hình động học trình sinh tạo gốc hydroxyl đơn giản hóa 159 III-4.4- Nâng cao hiệu trình quang xúc tác bán dẫn III-4.5- III-4.6- 157 161 - Giảm thiểu tái kết hợp lỗ trông quang sinh electron quang sinh 161 - Loại bỏ chất tìm diệt gơc hydroxyl *OH 164 Khả xử lý nước nước thải trình quang xúc tác bán dẫn 165 - Xử lý chất ô nhiễm hữu 165 - Xử lý chất độc vô 167 - Diệt khuẩn khử trùng 167 Các dạng thiết bị phản ứng để thực trình quang xúc tác bán dẫn 169 - Đặc điểm chất xúc tác Ti02 sử dụng cho trình quang xúc tác bán dẫn 169 - Thiết bị phản ứng sử dụng nguồn ƯV nhân tạo 172 - Thiết bị phản ứng sử dụng nguồn ưv thiên nhiên 174 III-4.7- Các hệ thử nghiệm áp dụng trình quang xúctác 181 III-4.8- Các trình quang xúc tác thương mại hóa 185 Tài liệu tham khảo KẾT LUẬN 188 193 11 Từ tháng 6/2000 đến tháng 10/2001, khuôn khổ dự án INCO-DC Tunisia hoàn thành việc xây dựng hệ thống thử nghiệm xử lý nước thải dệt nhuộm phương pháp quang xúc tác T i0 với tham gia năm phịng thí nghiệm: PTN nước môi trường Hammam Lif, Tunisi (Viện nghiên cứu khoa hục câng nghệ quốc gia Tunisia - ỈNRST), PTN môi trường Boumerdes, Algeri (Viện dầu mỏ Algeria - ỈAP), PTN xúc tác quang, xúc tác môi trường Lyon, Pháp (Trung tâm nghiên cứu khoa học quốc gia Pháp CNRS), PTN xúc tác quang Hannover, Đức (Viện nghiên cứu lượng mặt trời - ISFH), PTN kỹ thuật Clausthal, Đức (Viện nhiệt kỹ thuật - ỈTV) Hệ thông thử nghiệm thiết k ế với thiết bị phản ứng dạng phẳng bê tơng đặt nghiêng m ột góc 20° nước chảy thành màng mỏng (Free Falling Film reactor) Chất xúc tác quang sử dụng hai dạng: dạng phun phủ trực tiếp bê tơng dạng huyền phù Tổng diện tích 50 m2 Hệ thông hoạt động theo kiểu gián đoạn m ẻ, hiệu xử lý nước thải dệt nhôm đạt 610 mg TOC m'2 h"1 Công suâ"t xử lý 0,5 m3/h với nước sau xử lý sử dụng trở lại cho sản xuất Đ ể xử lý nước ngầm bị nhiễm sản phẩm dầu mỏ chứa benzen, toluen, etylbenzen, xylen (BTEX) Căn không lực Tyndall, Florida (Mỹ), năm 1992 xây dựng hệ thông xử lý thiết bị phản ứng dạng ống (tubular thiết bị phản ứng) gắn lấm kim loại phản xạ C hất xúc tác sử dụng dạng có thêm Platin (P t-T i02) tẩm hạt Silicagel nạp đầy ống plastic M-7®, có đường kính 0,64 1,27 cm, dày 0,16 Hệ thống hoạt động theo kiểu liên tục qua lần, 25 ngày liền khơng bị giảm hoạt tính, chí ngày mưa, với hàm lượng BTEX đầu vào >2 mg/1 bị phá hủy 6,5 phút [Crittenden J.c et £¿/.1996], Cũng nhằm xử lý nước ngầm bị nhiễm BTEX Gainsville, Florida (Mỹ) xây dựng hệ thông tương tự sử dụng thiết bị phản ứng dạng phẳng hai lớp thủy tinh hữu acrylic (DSS) Hệ thông xử lý gồm sáu thiết bị phản ứng, kích thước thiết bị phản ứng 1,20m X 2,4m, hoạt động theo kiểu gián đoạn mẻ với chất xúc tác T i0 dạng huyền phù K ết cho thâ'y với hệ thống xử lý 1,9 m3 nước bị nhiễm 1000 ppb BTEX, sau phân hủy 10 ppb điều kiện mật độ trung binh dịng photon UV có 28 W/m2 [Alfano O.M et al 2000], châu Âu, Tổ hợp công nghiệp châu Âu (European Industrial Consortium) bao gồm chín đơn vị công nghiệp nghiên cứu khoa học (CIEMAT, ECOSYSTEM, HIDROCEN, AOSOL, SCOTT-ROHRGLAS, DLR, CISE, ENEL, Trường đại học TORONTO) Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Ý, Đức triển khai dự án có tên “Cơng nghệ xử lý chất ô nhiễm không bị phân hủy sinh học nước thủi công nghiệp lượng mặt trờiSOLARDETOX" với tài trợ Cộng đồng châu Âu (DG XII) khn khổ chương trình Brite-Euram III Dự án bắt đầu năm 1997 kết thúc năm 2000 [Blanco J et al 1999; Blanco J et a l 2000] Mục tiêu dự án nhằm phát triển công nghệ đơn giản, hiệu có khả cạnh tranh thương mại để xử lý nước lượng mặt trời sở kinh nghiệm thu Trung tâm nghiên cứu lượng CIEMAT Platforma Solar de Almería (Tây Ban Nha) Kết kết thúc dự án cho phép Tổ hợp công nghiệp châu Âu có đầy đủ sở khoa học công nghệ thực thiết kế, lắp ráp xây dựng nhà máy xử lý nước thải quy mô cơng nghiệp, sẩn sàng chuyển giao theo kiểu “chìa khóa trao tay” cơng nghệ SOLARDETOX xử lý nước thải có chứa chất độc hại chất không bị phân hủy sinh học Công nghệ SOLARDETOX sử dụng thiết bị phản ứng khơng có phận tập trung ánh nắng có máng thu parabol ghép đơi (CPC) để thu gom tia uv chiếu trực tiếp khuếch tán, hoạt động theo kiểu mẻ gián đoạn với chất xúc tác dạng huyền phù Hệ thống thiết bị phản ứng cho giải pháp công nghệ đơn giản, rẻ tiền, hiệu sử dụng tia uv cao thu tia uv khuếch tán tia uv chiếu trực tiếp Hệ thơng thử nghiệm ưình diễn gần với quy mơ cơng nghiệp lắp đặt thành hai dãy, dãy có hai mươi mốt modul kích thước 1,5 X ỉ,5m, modul lắp mười sáu thiết bị phản ứng ông thủy tinh dài l,5m, đường kính 29,2mm Tổng diện tích bề mặt phản xạ modul 100 m2 Tổng thể tích thiết bị phản ứng 800 lít, tổng thể tích thiết bị 2000 lít Hệ thống xử lý m3 nước thải với thời gian hai mẻ Trên hình III-4.9 hệ thiết bị phản ứng CPC CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medio-Ambientales Tecnológicas - Tây Ban Nha) thiết kế lắp đặt Trạm mặt trời Almería - PSA (Platforma Solar de Almería) [ Malato et al., 2002], Tổ hợp công nghiệp châu  m tiến hành nghiên cứu có kết nhiều đối tượng khác nhau, từ đơn chất (các hợp chất hữu chứa chlor) đến nước thải thực tế có chứa thành phần độc hại không bị phân hủy sinh học nưđc thải nhà máy nhựa phenol (trong có chứa phenol, axit phtalic, fumaric, maleic, glycol, xylen, toluen, metano], butanol phenyletyl); nước thải nhà máy chưng cất rượu (trong có chứa axit amin, rượu phenol); nước thải nhà máy sản xuâ't hóa dược; nước thải nhà máy sản xuất dầu oliu (trong có chứa polyphenol), đặc biệt, xử lý nước rửa chai lọ chứa thuốc bảo vệ thực vật [Malato et al., 2000J 183 H ình III-4.9 - Hệ thiết bị phản ứng CPC Trạm mặt trời Almeria - PSA (Platforma Solar de Almeria) ịTây Ban Nha) Trung tâm Công nghệ Hóa học Mơi trường (ECHEMTECH) Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam (RRIVTECH) xây dựng hệ thống thử nghiệm áp dụng trình quang xúc tác để xử lý nước thải chế biến cao su sau xử lý sinh học kỵ khí giá thể xơ dừa chương trình nghiên cứu xử lý nước thải chế biến cao su Tổng Công ty cao su Việt Nam ITrần Mạnh Trí đồng tác giă, 2005], Hệ thống thử nghiệm lắp đặt thực xí nghiệp sản xuất cao su tờ Bến Cát, Bình Dương với ba thiết bị phản ứng dạng FFF, thiết bị phản ứng có kích thước 2,0 X 2,0 m với cơng suất xử lý 5,0 m3/giờ (hình III-4.10) Hình IH-4.10 - Hệ thống thử nghiệm nghiên cứu xử lý nước thái c h ế biến cao su tgi nhà máy cao su Bến Cát, Bình Dương 184 III-4 - CÁC QUÁ TR ÌN H QUANG x ứ c TÁC Đà THƯƠNG MẠI HĨA Q trình oxi hóa quang xúc tác ứng dụng vào xử lý nước nước thải nghiên cứu mạnh mẽ mười năm gần đây, chủ yếu nghiên cứu lý thuyết viện trường đại học, chưa có nhiều cơng nghệ thương mại hóa Mặt khác, cịn hiệu cịn thâp q trình vận hành hệ thử nghiệm, nên chưa hấp dẫn công ty xử lý nước lớn giới Việc sử dụng chẩt xúc tác T i0 dạng bột phân tán cao cho thấy triển vọng hấp dẫn trình quang xúc tác hiệu đạt cao rẻ, sử dụng nguồn u v xạ mặt trời Tuy nhicn, trở ngại đáng kể đòi hỏi phải tách chất xúc tác sau phản ứng Nếu vẩn đề giải tốt mặt cơng nghệ khả thương mại hóa q trình quang xúc tác thuận lợi phát triển nhanh Trong bảng III-4.6 dưđí giới thiệu cơng ty chủ yếu giới thương mại hóa trình quang xúc tác để xử lý nước [Parson , 2004]: B ảng III-4.6 - Các hệ oxì hóa quang xúc tác TiỠ2 để xử lý nưâc Công ty Patent Nước Ishihara Nhật US5541096 Sangyo Kaisha (ISK) Chú thích Web site Là nhà chế tạo TÍ02 lớn www.iskweb.co.jp Nhật Tipaque®, với patent xử lý nước trình quang xúc tác, sử dụng chất xúc tác loại hạt vô nhiều lỗ xốp chứa TiOj Hyosung Ebara Hàn Quốc Là công ty xử lý nước www.heec.co.kr lđn Hàn Quốc ứng dụng trình quang xúc tác vào xử lý nước sản phẩm không rõ ràng Clearwater Industries Mỹ JP 20000237759 Là công ty nhỏ xuất xứ www.cwirfc.com từ trường Đại học Florida Thiết bị phản ứng loại tâm phẳng xử lý nước ngầm nhiỗm tạp chất vđi công suất 2250 1/phút u v mặt trời 185 Là công ty nhô xuâ't xür www.vcb.co.uk/ photox/ tù trüdng Dai hoc Bradford Thief bi phân tỵng sur dung chat xüc tâc Ti02 dang huyên phù phân tan cao cô thé xü lÿ xü lÿ nüdc ngâm nhiêm tap chât vdi công suât 168 I/phüt bang UV mât trefi Photox Braford Anh Ltd Lynntech Inc Mÿ US5779912 Purifie® Canada US6136203, Environmental US5589078, Technologies US5462674 Inc 186 Là công ty nhô bân thiét www.lynntech.com bi phân üng sûr dung chât xüc tac gân chat mang Là nhà sân xuât www.purifics.com thong xûf lÿ tir dơng nüdc khơng hiêu Photo-Cat®, dong nhà cung cap ldn nhat câc thông xür lÿ bàng quang xüc tac cho công nghiêp Thiê't bi phân üng sûr dung chât xüc tâc dang huyên phự phõn tõn cao, dc biỗt cd bụ phân thu hoi châ't xüc tâc (catalyst recover unit CRU) lien tue tâch chat xüc tâc khôi nüdc dâ xü lÿ düa vê sü dung trô lai (câ'u tao không công bô", bô phân chia khôa cûa thô'ng) Nguon UV sü dung dèn huÿnh quang hdi thüy ngân thâp âp Matrix uvm o2 System Mỹ Hệ gồm nhiều ống u.s EPA’s SITE (tùy theo mục đích sử program dụng), ống dài l,75m, đường kính ngồi 4,5 cm, ống có gắn đèn u v (7.=254nm) với công suất 75W, đặt ống thạch anh dài l,6m Lưu lượng nước chảy ống khoảng 0,8 1/phút 187 X À I L IỆ U T H A M K H Ả O Alfano O.M., Bahrvemann D., Cassano A.E., Dillert R., Goslich R (2000) "Photocatalysis in w ater environments using artificial and solar light" Catalysis Today 58,199-230 Bhatkhande D.S., Pangarkar V G., Beenackers A ACM (2001) "Photocatalytic degradation for environmental applications - A review" / Chem Technol Biotechnol 77:102-116 Blake, D.M., Maness, P.C., Huang, Z., Wolfram, E.J., and Huang, J (1999) Application of the photocatalytic chemistry of titan dioxide to disinfection and the killing of cancer cells Separation and Purification Methods, 28(1), 1-50 Blanco J., Malato S., Fernandez P., Vidal A., Morales A., Trincado P., Oliveira J.C., Minero C., Musci M., Casalle C., Brunotte M., Tratzky S., Dischenger N., Funken K.H., Sattler C., Vincent M., Collares-Pereira M., M endes J.F., Rangel C.M (1999) "Com pound parabolic concentrator technology developm ent to commercial solar detoxification applications" Solar Energy, 67 (4-6):317-330 Blanco J., Malato S., Fernandez P., Vidal A., Morales A., Trincado P., Oliveira J.C., Minero C., Musci M., Casalle C., Brunotte M., Tratzky S., Dischenger N., Funken K.H., Sattler C., Vincent M., Collares-Pereira M.( Mendes J.F., Rangel C.M (2000) "The SOLARDETOX Technology" 20i,< Ins Symposium on Solar Thermal Cone Technologies Solar Thermal 2000 International Conference, Sidney, Australia, March 8-10, 2000 Butterfield, I.M., Christensen, P.A., Shaw, K.E., Walker, G.M., Walker, S.A and Howarth, C.R (1997) Applied studies on immobilized titanium dioxide films as catalysts for the photoelectrochemical detoxification of water } Appl Electrchem 27, 385-395 Chang, H.T., Wu, N., Zhu, F (2000) A kinetic model for photocatalytic degradation of organic contaminants in a nin-film T i0 catalyst Water Res 34 (2), 407-416 Chen, D., Li, F., Ray, A (2001) External and internal mass transfer effect on photocatalytic degradation Catalysis Today 66, 475-485 Cho, M., Chung, H., Choi, W., Yoon, J (2004) Linear correlation between inactvation of E.coli and OH radical concentration in T i0 photocatalytic disinfection Water Res 38, 1069-1077 188 Cooper, A.T., Gosvani, D.Y., and Block, s.s (1998) Solar photochemical detoxification and disinfection for water treatment in tropical developing countries J Adv Oxid Technol (2), 151-154 Crittenden John c , Yin Zhang, David w Hand, David L Perram, Edward G Marchand, (1996),"Solar detoxication of fuel-contaminated groundwater using fixed-bed photocatalysts", Water Environ Res., 68, 270 Funken K.H, Sattler c , Mllow B., Oliveira L Blanco ]., Fernández p., Malato s., Brunotte M., Dischinger N., Tratzkt s., Musci M., Oliveira J.c (2001) "A comparison of prototype compound parabolic collector-reactors (CPC) on the road to SOLARDETOX technology" Wat Sci Tech 44 (5),271-278 Gelssen S.-U, W.XI, A Weldemeyer, A Vogelpohl, L Bousselmi and A Ghrabi A Ennabll (2001), " Comparison of suspended and fixed photocatalytic thiết bị phản ứng systems" Wat Sci Tech 44 (N.5), 245-249 Giménez J., Cured D., Queral M.A.,(1999) "Photocatalytic treatment of phenol and 2,4-dichlorophenol in a solar plant in the way to scaling-up" Catalysis Today 54,229-243 Haastrick A., Kut O.M., Heinzle E (1996) "TiCVassisted degradation of environmentally relevant organic compounds in wastewater using a novel fluidized bed photothiết bị phản ứng" Environ Sci Technol 30, 817-824 Handbook on Advanced photochemical oxidation processes 1998 u s EPACenter for Environmental Reseach Information CERI Herrmann J.-M (1994) "Heterogenous photocatalysis : Concepts, reaction mechanism and potential applications in environmental problems" in Trends in Photochemistry & Photobiology, 3, 633-642 Hilgendorff, M., Bockelmann, D., Nogueira, R.F.P., Weichgrebe, D., Jardim, W.F., Bahnermann, D„ Goslich, R (1993) in: Proceedings of the Sixth International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies, Mojácar, 1972 Editorial CIEMAT: Madrid 1993, 2, 1167 Hoffmann M.R., Martin, S.T., Choi, w and Bahnemann, D.w (1995) Environmental application of semiconductor photocatalysis Chem Rev 95, 69-96 loannis K.Konstantinou, Triantafyllos A.Albanis (2003) "Photocatalytic transformation of pesticides in aqueous titanium dioxide suspensions using artificial and solar light : Intermediates and degradation pathways" Applied Catalysis B: Environmental 42, 319-335 189 Ireland, J.C., Klostermann, p., Rice, E.W and Clark, R.M (1993) Inactivation of Escherichia coli by titanium dioxide photocatalytic oxidation Appl Environ Microbiol 59, 1668-1670 Malato s., Blanco ]., M aldonato M.I., Femandez-Ibanez p., Campos A (2000) " Optimising solar photocatalytic mineralisation of pesticides by adding inorganic oxidising species ; application to the recycling of pesticide containers" Applied Catalysis B: Environmental 28,163-174 Malato, s., Blanco, J., Vidal, A.,Richter, c (2002) Photocatalysis with solar energy at pilot-plant scale: an overview Appl Catal B: Environment 37, 1-15 Malato s., Caceres ]., Aguera A., Mezcua M , Hernando D., Vial I., FemadezAlba A.R.,(2001) "Degradation of Imidacloprid in w ater by Photo-Fenton and T i02 Photocatalysis at a solar pilot plant : A comparative study", Environ Sci Technol., 35, 4359-4366 Maness, P.C., Smolinski, s., Blake, D.M., Huaang, z , W olfrum, E.J., and Jacoby, W.A (1999) Bactericidal activity of photocatalytic TĨ02 reaction: tow ard and understanding of its killing mechanism Appl Environ Microbiol 65 (9), 4094-4098 Matsunaga, T and Okochi, M (1995) Ti02-m ediated photochemical disinfection of Escherichia coli using optical fibers Environ Sci Technol 29, 501-505 Matthews, R.W (1988) Photocatalytic thiết bị phản ứng design : an exemple of mass-transfer limitation w ith an immobilized catalyst J Phys Chem 92, 6852-6853 Mills A, Davies RH and Worsley D (1993) "W ater semiconductor photocatalysis" Chem Soc Revs 22,417-425 Mills, A., and Le Hunte, s (1997) An overview photocatalysis / Photochem Photobiol A: Chem 108, 1-35 Munter, R (2001) Advanced oxidation processes prospects Proc Estonian Acad Sci Chem 50 (2): 59-80 of purification by semiconductor C urrent status and Munter, R., Preis, s., Kallas, Trapido, M., Veressinilina, Y (2001) J Chem Technol Biotechnol 76 (3), 312-320 Ollis D.F, Pellizzetti, E and Serpone N (1991) "Destruction of w ater contaminants" Environ Sci Technol 25,1523-1528 Pacheco J.E., Mehos M.,Turchi c , Link H (1993) "Photocatalytic purification and treatment of w ater and air" Trace Metals in the Environment, Vol 3, Elsevier, Amsterdam, p 547 190 Parson s (2004) Advanced Oxidation Processes for Water and Wastewater Treatment, IWA Publishing, Alliance House, London, UK Puma, G.L., and Yue, P.L (2001) A novel fountain photocatalytic reactor for water treatment and purification: modeling and design Ind Eng Chem Res 40, 5162-5169 Rothenberger, G., Moser, Gratzel, M., Serpone, N., Shaarma, D.K (1985) Charge carrier trapping and recombination dynamics in small semiconductor particles J Am Chem Soc 107, 8054-8059 Saaito, T., Iwase, T., Horie, J., and Morioka, T (1992) Mode of photocatalytic bactericidal action of powdered semiconductor Ti02 on mutans streptococci / Photochem Photobiol B : Biol 14, 369-379 Schinder, K.M., Kunst, M (1990) / Phys Chem 94, 8222 Subramanian V., Pangakar V.G, Beenackers AACM (2000) "Photocatalytic degradation of PHBA: relationship between substrate adsorption and photocatalytic degradation" Clean Products and Processes 2,149-156 Trần Mạnh Trí (2003) Using solar radiation on Titanium Dioxide photocatalyst for water and wastewater treatment In: Proceeding of the Japan - Vietnam Seminar on Possibilities of Titanium Dioxide Photocatalysts for the Protection of Ecosystems, Hochiminh City, 10/1/2003 Trần Mạnh Trí (2005) Sử dụng lượng mặt trời thực trình quang xúc tác T i02 để xử lý nước nước thải cống nghiệp Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, 43(2), 63-77 Trần Mạnh Trí, Phan Vũ Hồng, Phan Kim Anh, Cao Thanh Nhàn, Lê Đức Khải, Nguyễn Ngọc Bích, Trần Thị Thu Nga, Nguyễn Thanh Bình, Võ Văn Hùng (2005) Về khả áp dụng trình quang xúc tác ánh nắng mặt trời Vcào xử lý nước thải chế biến cao su Tạp chí Khoa học công nghệ, 43 (6) (đang in) Turchi c.s and Ollis D.F (1990) "Photocatalytic degradation of organic water contaminants- Mechanism involving hydroxyl radical attack" / of Catalysis, 122, 178 Watts, R.J, Kong, s„ Orr, M.P., Miller, G.c and Henry, B.E (1995) Photocatalytic inactivation of coliform bacteria and viruses in secondary wastewater effluent Water Res , 29, 95-100 Wei, c., Lin, W.Y., Zainal, z., Williams, N.E., Zhu, K.ruzic, A.P., Smith, R.L and Rajeshwar, K (1994) Bacterial activity of Ti02 photocatalyst in aqueous 191 media: tow ard a solar-assisted w ater disinfection system Environ Sci Technol 28, 934-938 Yawalkar A.A., Bhatkhande D.S., Pangakar V.G., Beecnakers AACM (2001) "Solar assisted photocatalytic and photochemical degradation of phenol" / Chem Technol Biotechnol 76, 363-370 Zhang, P., Scrudato, R.J., and Germano, G (1994) Solar-catalytic inactivation of Escherichia coli in aquueous solution using T i0 as catalyst Chemosphere , 28, 607-611 Zhang, Yin., Crittenden,J.C., Hand, D.W., and Perram, D.L (1994) "Fixed-bed photocatalysis for solar decontamination of water", Envir Sci and Technol., 28 (3), 435-442 Znaidi, L., Seraphimova, R., Bocquet, }., Justin, C., Pommier, C (2001) A semicontinuous process for the synthesis of nanosize T i0 pow ders and their use as photocatalysts Materials Research Bulletin, 36, 811-824 192 éetậ rt Các trình oxi hóa nâng cao giới thiệu chưa phải tất cầ cịn sơ" q trình oxi hóa nâng cao dựa vào nguồn lượng cao chưa mô tả đề cập đến nghiên cứu áp dụng vào thực tế xử lý nước nước thải Đơn cử q trình oxi hóa nước (ị nhiệt độ siêu tới hạn (Super Critical Water Oxidation - SCWO) dựa vào nhiệt độ cao áp suất cao điểm tới hạn nước (400 -650°c 22 megaPascal) có mặt H20 2, q trình oxi hóa dựa vào nanti lượng siêu âm (Ultrasound Processes), lượng plasma lạnh (Electrical Discharge-Based Nonthermal Plasma Processes), lượng cao tia Gamma (y-ray) phát từ đồng vị phóng xạ Cobalt 60 (60Co) từ 1,17 đên 1,33 triệu electron volt (M eV) (Gamma- Ray Process), lượng cao tia X từ đến 10 M eV (X-ray Process), hay lưựng cao chùm electron từ mdy gia tốc từ đên 10 MeV (E-Beam Process) Đặc tritng tất q trình oxi hóa nâng cao kê dựa vào khả oxi mạnh với tốc độ cao không chọn lựa gốc tự hydroxyl (*OH) sản sinh trình phản ứng (in situ) với kết cuối phân hủy dẫn đến khống hóa hồn tồn chất nhiêm hữu cơ, tạo c o 2, H20 sản phẩm vô đơn giản, không độc hại Đây công cụ mạnh, rât hiệu để xử lý tât hợp chât hữu ô nhiễm bền vững độc hại để loại bỏ vi khuan kháng lại hóa chât khử trùng truyền thống Vì vậy, kỷ 21 kỷ phát triển q trình oxi hóa nâng cao người hoạt động lĩnh vực xử lý nước nước thải chứng kiến thành tựu mới, phát khoa học áp dụng thành công vào thực tê q trình oxi hóa nâng cao Các q trình oxi hóa nâng cao có thê hồn thành cấc nhiệm vụ sau đay (hình IV -1): 193 ( ì) Loại bỏ tất chất ô nhiễm hữu cơ, tức lùm giảm toàn COD cửa nước thải (2) Phá hủy chất nhiễm hữu khó phân hủy đặc biệt nhất: chất ô nhiễm hữu bền vững (Persistent Organic Pollutants - POPs), hóa chất bảo vệ thực vật, hóa chất tổng hợp dược liệu, (3) Phú hủy phận chất ỏ nhiễm bền vững với hoạt động sinh học, cải thiện khả phân hủy sinh học cửa nước thải, cao tỷ sổ BOD/COD > 0,5 đ ể áp dụng thuận lợi cho trình phân hủy sinh học tiếp sau (4) Xử lý bùn đ ể tạo nên công nghệ xử lý nước thãi khơng có bùn thủi (5) Phú hủy chất màu, chất gây mùi hôi thối nước thải (6) Khử trùng diệt khuẩn H ình IV-1 Vai trị q trình oxi hóa nâng cao xử lý nước vù nước thủi Tuy nhiên, trình oxi hóa nâng cao khơng thể áp dụng cách đơn độc để xử lý nước nước thải q ưình hóa học nói chung địi hỏi chi phí hóa chất lượng định, dẫn đến chi phí chung cho q trình xử lý tăng cao q trình phân hủy hóa học xảy nhanh, thực hệ thông thiết bị nhỏ, gọn Hơn nữa, công nghệ xử lý nước nước thải truyền thông dựa vào q trình phân hủy sinh học (hiếu khí yếm khí), q trình hóa học khơng phân hủy (kết tủa tác nhân hóa học axít hay kiềm), q trình vật lý (lắng, lọc), q ưình hóa lý (keo tụ, tuyển nổi, hấp phụ than hoạt tính), tỏ có khả xử lý chất ô nhiễm đạt mức độ cần thiết với chi phí vận hành hợp lý, tích lũy nhiều kinh nghiệm có nhiều cải tiến qua thời gian dài Vì vậy, giải pháp cơng nghệ cho tối ưu xử lý nước nước thải k ế t hỢp tích hỢp công nghệ truyền thông với công nghệ cao dựa q trình oxi hóa nâng cao, q ưình phân chia màng, tạo nên cơng nghệ tích hỢp (Integrateđ Technologies) tối ưu Vai trị vị trí q trình oxi hóa nâng cao cơng nghệ tích hợp định chiến lược kinh nghiệm nhà công nghệ, khơng có cơng nghệ tích hợp tiêu chuẩn vạn để xử lý cho loại nước nước thải để thực 195 CÁC Q TRÌNH 0X1 HĨA NÂNG CAO TRONG XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI C SỞ KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG Chịu trách nhiệm xuất bản: GS TS TÔ ĐĂNG HẢI Biên tập: Trương Thanh Sơn Sửa b i: Hà Thành Vẽ bìa : Hải Minh Mã số: ~KHKJ^2ÕQ5 72-2005/CXB/73-39/KHKT In 1000 khổ 14,5 X 20,5 cm Xí nghiệp in Tân Bình Gi ấp phép số: 72-2005 / CXB / 73-39 / KHKT cấp ngày - 11 - 2005 In xong nộp lưu chiểu tháng năm 2006 ... quan họng cơng nghệ xử lý nước nước thải dựa vào trình oxi hóa nâng cao nơn tập trung sâu chi tiết vào trình 1-2- QUÁ TRÌNH OXI HĨA NÂNG CAO - CƠNG NGHỆ CAO TRONG x LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI Trong số... 0X1 HĨA NÂNG CAO - CƠNG NGHỆ CAO TRONG XỬ LÝ NƯỚC VÀ Nưóc THẢI 1.1- s ự XUẤT HIỆN CÁC CÔNG NGHỆ CAO TRONG x LÝ NƯỚC VÀ NỮỚC THẢI 15 1-1.1- Sự cần thiết công nghệ cao xử lý -nước nước thải 15... khống hóa chất nhiễm hữu dựa q trình oxi hóa nâng cao 24 1.2- Q TRÌNH OXI HĨA NÂNG CAO - CÔNG NGHỆ CAO TRONG XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI 25 1-2.1- Những hạn chế q trình oxi hóa tác nhân oxi hóa thơng