Các phƣơng pháp oxy hóa nâng cao(AOPs)

Các chất oxi hóa thông thƣờng là: Clo, Kali pecmanganat (KMnO4), Hydrogen peroxit (H2O2), Ozon (O3). Đặc điểm chung của việc oxi hoá các chất bằng các tác nhân oxi hoá thƣờng dùng là không thể xảy ra với mọi chất và không thể xảy ra triệt để, và một số nhƣợc điểm nhƣ đối với Clo sẽ sinh ra chất hữu cơ chứa clo (THM) gây nguy cơ ung thƣ cho ngƣời sử dụng. Kali pecmanganat khi sử dụng trong xử lý nƣớc là tạo ra mangan dioxit trong quá trình oxi hoá, ozon hoà tan kém trong nƣớc và là hợp chất không bền, thời gian tồn tại chỉ vài phút. Một công nghệ oxy hóa đƣợc chú ý trong thời gian gần đây là các quá trình oxy hóa nâng cao.

Phản ứng Oxy hóa nâng cao hệ Fenton

 Cơ chế phản ứng của Fenton

Quá trình đƣợc thực hiện bằng cách thêm xúc tác Fe2+

(FeSO4), sau đó thêm từ từ H2O2. Trong phản ứng Fenton Fe2+ giữ vai trò khơi mào tạo thành gốc *OH. *OH là tác nhân oxi hóa chính của hệ Fenton. pH 3 - 5, nếu pH quá cao sắt sẽ kết tủa thành Fe(OH)3 và nó sẽ phân hủy H2O2 thành oxy.

Quá trình Feton có thể xảy ra các phản ứng sau:

Bảng 2.9. Phƣơng trình phản ứng xảy ra trong quá trình Fenton

Phƣơng trình phản ứng Hằng số tốc độ phản ứng, k (l.mol-1.s-1) Quá trình Fe2++H2O2Fe3++ *OH+OH- 63 (1) Fe3++ H2O2Fe2++ H++*HO2 (2) OH*+Fe2+Fe3++OH- (3) OH*+H2O2H2O+*HO2 (4) Fe2++HO2Fe3++OH- (5) Fe3++ *HO2Fe2++ H++O2 (6) Nhận xét: Phản ứng (1), (2),(3) chứng tỏ Fe đóng vai trò xúc tác.

Quá trình khử Fe3+ thành Fe2+ xảy ra rất chậm so với phản ứng oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ . vì vậy Fe tồn tại sau phản ứng chỉ ở dạng Fe3+.

26

Theo phản ứng (4), (5) và (6), nếu H2O2 dƣ, gốc OH* sẽ phản ứng với H2O2 tạo ra OOH*

có khả năng oxi hóa thấp hơn.

*OH có khả năng phản ứng với nhiều chất hữu cơ (RH) tạo thành gốc hữu cơ có khả năng phản ứng cao.

*OH + RH  *R + H2O

Gốc *R có thể oxy hóa Fe2+, khử Fe3+ hoặc dimer hóa theo những phƣơng trình phản ứng sau:

*R + Fe2+  Fe3+ + RH

*R + Fe3+  Fe2+ + “sản phẩm” *R + *R  “sản phẩm”

Fe3+ sẽ phản ứng với H2O2 tạo ra Fe2+

để sau đó Fe2+ tiếp tục phản ứng với H2O2 theo phản ứng (1) và hình thành gốc OH*.

Tuy nhiên tốc độ oxi hóa bằng tác nhân H2O2/ Fe3+ chậm hơn nhiều so với tác nhân H2O2/ Fe2+. Nguyên nhân vì Fe3+ phải đƣợc khử thành Fe2+

trƣớc khi gốc OH* hình thành.

Cơ chế chính xác của quá trình Fenton vẫn đang hồ nghi, chƣa đƣợc thuyết phục đối với một số nhà khoa học. Tuy vậy, tuyệt đại đa số đều nhất trí cao với cơ chế phản ứng Fenton xảy ra theo các phƣong trình nêu ra trong bảng 2.9 và thừa nhận vai trò của gốc hygroxyl tạo ra trong phản ứng Fenton.

Tuy nhiên phải sử dụng rất nhiều hoá chất làm cho chi phí xử lý cao. Do vậy, trong nhiều trƣờng hợp chỉ nên áp dụng quá trình Fenton để phân hu từng phần, chuyển các chất hữu cơ không thể hoặc khó phân hu sinh học thành các chất mới có khả năng phân hu sinh học nhằm có thể áp dụng thuận lợi quá trình xử lý sinh học tiếp sau. (Chi tiết về phương pháp oxy hóa nâng cao tại phụ lục C).

27