Q trình ozon hóa xúc tác dị thể xảy ra trên ba pha gồm rắn, lỏng và khí. Và q trình này cịn ảnh hưởng bởi các loại chất xúc tác, chất ô nhiễm trong dung dịch, giá trị pH trong dung dịch. Tuy nhiên theo một số nghiên cứu thì q trình ozon hóa xúc tác dị thể xảy ra theo hai cơ chế sau.
Hấp phụ bề mặt: trong cơ chế này chức năng chính của chất xúc tác như chát bám hút, đầu tiên chất xúc tác sử dụng bề mặt lớn để hấp thụ và sau đó loại bỏ các chất hữu cơ. Thứ hai, cung cấp tâm hoạt động và kết hợp với phân tử các hợp chất hữu cơ tạo thành phức hoạt động với năng lượng hoạt hóa thấp hơn. Tất cả các chất
ơ nhiễm có thể bị oxi hóa đơn giản bởi khí ozon và ozon hoặc *OH trong dung dịch. Sau đó các chất trung gian có thể bị oxy hóa tiếp tục trên bề mặt xúc tác hoặc trở lại
dung dịch và bị oxi hóa bởi ozon và *OH.
Cơ chế *OH: cơ chế này cho rằng các chất xúc tác oxit kim loại có thể làm tăng độ hịa tan của ozon và khơi mào sự phân hủy ozon, nhóm hydroxyl đóng vai
trị quan trọng trong sự hình thành *OH. Ozon hòa tan trong dung dịch được hấp
phụ lên bề mặt chất xúc tác và hình thành gốc *OH. Trong cơ chế này xảy ra đồng
thời chất xúc tác sẽ phản ứng với cả ozon và hấp thụ hợp chất hữu cơ. Đầu tiên khi chất xúc tác giảm thì ozon sẽ oxy hóa kim loại. Phản ứng của ozontrên giảm kim
loại có thể dẫn đến *OH, chất hữu cơ sẽ được hấp phụ trên chất xúc tác sau đó bị
oxy hóa bởi chuỗielectron được hình thành.
1.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới q trình ozon hố
1.4.3.1.Ảnh hường của nồng độ ozon
- Q trình ozon hố trực tiếp bằng phân tử ozon:
Tốc độ phản ứng trực tiếp tỉ lệ với nồng độ ozon trong pha lỏng có nghĩa là nếu nồng độ ozon tăng thì tốc độ phản ứng tăng đồng nghĩa với hiệu suất q trình ozon hố tăng. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng nồng độ ozon đến khi các chất ô nhiễm đã bị ozon hố hồn tồn và khơng cịn chất ơ nhiễm trong nước nữa thì ozon sẽ tự phân huỷ trong nước.
Trong trường hợp không định lượng được lượng ozon hồ tan trong nước hoặc khơng xác định được tỉ lệ ozon chuyển hố từ pha khí vào pha lỏng thì ta cũng coi như tồn bộ lượng ozon sinh ra đều dành cho phản ứng. Trong trường hợp đó người ta sẽ xác định mối quan hệ giữa liều lượng ozon sử dụng và hiệu suất quá trình ozon hố.
- Q trình ozon hố gián tiếp bằng các gốc *OH
+ Nếu chỉ dùng ozon đơn:
3O3 + *OH 2*OH + 4O2 (1.16)
Dựa trên phương trình phản ứng ta thấy:Các phương trình trên cho thấy m ối quan
các phản ứng giữa gốc *OH với các chất ô nhiễm ta xác định được mối quan hệ giữa
nồng độ *OH với tốc độ phản ứng hay hiệu suất quá trình.Từ hai mối quan hệ trên ta
rút ra được mối quan hệ giữa nồng độ ozon hồ tan và hiệu quả của q trình ozon hố.
1.4.3.2. Ảnh hưởng của pH
Nhìn chung, ở điều kiện mơi trường axít (pH <4), q trình oxi hố trực tiếp chiếm ưu thế, nhưng ở môi trường bazơ ma ̣nh (pH ≥10), quá trình oxi hoá gián tiếp chiếm ưu thế . Ở điều kiện nước mặt (pH ≈ 7) cả hai q trình oxi hố trực tiếp và gián tiếp đều đóng vai trò quan trọng , phụ thuộc nhiều vào các chất ơ nhiễm có mặt trong mơi trường [17]. Cả hai q trình oxi hố trực tiếp và gián tiếp trên luôn luôn đươ ̣c xem xét khi tiến hành xử lý nước hay nước thải.
1.4.3.3. Ảnh hưởng của anion vô cơ
Cl- là một trong các chất tiêu diệt gốc tự do *OH làm hao hụt gốc này và giảm hiệu
quả xử lý trong các q trình oxi hố nâng cao.
OH ClOH
Cl (1.18)
Do phản ứng ca ̣nh tranh giữa *OH với chất hữu cơ có hằng số tốc đô ̣ phản ứng cao hơn so với hằng số tốc đô ̣ phản ứng của OHº và Cl‾ nên vẫn xử lý được chất hữu cơ trong nước thải nhưng hiê ̣u quả giảm so với đã loa ̣i bỏ clo trước.
CO32- và HCO3- cũng có ảnh hưởng khơng nhỏ đến hiệu suất phản ứng . Nếu
trong nước và nước thải chứa các anion bicacbonat và cacbonat ở môi trường pH cao, cân bằng cacbonat/bicacbonat sẽ nhanh chóng chuyển sang ta ̣o cacbonat, đây là
mô ̣t chất phân h ủy gốc *OH. Độ ki ềm trong nước thải gi ảm do muối bicacbonat
(HCO3-), CO32- và OH- gây ra.
Gốc *OH bị tiêu hao do phản ứng [19]:
HCO3 OH H2OCO3 (1.19)
3
2
3 OH OH CO
CO (1.20)
Khả năng phản ứng của CO32- với gốc *OH mạnh hơn khả năng phản ứng của
HCO3- và gốc *OH. Tuy nhiên, khi so sánh hằng số tốc độ phản ứng của gốc *OH
với đơ ̣ kiềm cũng có nghĩa là đơ ̣ kiềm cũng khơng ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất cả q trình. Song nếu đơ ̣ kiềm cao thì sẽ có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xử lý.
1.4.3.4. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Thời gian phản ứng là một yếu tố quan trọng có tính chất quyết định đến hiệu suất của quá trình xử lý các chất hữu cơ . Sự tính tốn thời gian cần thiết để phân huỷ như mong muốn sẽ dựa vào hai yếu tố [17]:
- Hằng số tốc độ phản ứng:
kOX. OX kd. O3 kid. OH (1.21)
- Chế độ thuỷ động học của bình phản ứng. Tốc độ phản ứng tổng:
rM kOX. OX .M (1.22)
Hiệu suất chuyển hố của các chất vi ơ nhiễm sẽ được tính:
M /M 0 exp(kox. OX .t)đối với các thiết bị phản ứng kiểu piton.
M /M 0
tOX
kox. .
1 1
với các thiết bị phản ứng khuấy trộn tốt.
M /M 0 OX t n kox. .). 1 ( 1
với thiết bị có n bình phản ứng khuấy trộn.
Trong đó: [M] là nồng độ chất vi ơ nhiễm
[M]o là nồng độ chất vi ô nhiễm tại thời điểm ban đầu [OX] là nồng độ tác nhân oxy hóa
t là thời gian phản ứng kox là hệ số oxy hóa khử.
1.5. Đá ong và ứng dụng trong xử lý môi trƣờng
1.5.1. Đặc điểm của đá ong
Laterit được hình thành trong q trình rửa trơi các nguyên tố đá mẹ đặc biệt là các nguyên tố dễ bị hòa tan Si, Na, K, Ca, Mg,... sau đó có sự tích tụ tuyệt đối các ion Fe, Al, Mn trong các tầng đất, dưới tác động của các điều kiện môi trường như sự phong hóa, dịng chảy, mạch nước ngầm thay đổi, mất thảm phủ, xói mịn,... Các cation này có sẵn trong mơi trường đất nhiệt đới do mưa và tác động dòng nước thấm, nước ngầm, chúng có cơ hội tập trung lại một chỗ trong đất với mật độ cao.
Các cation này hấp thụ vào một nhóm mang điện tích âm (keo sét hoặc oxit sắt) hoặc một tác nhân khác kết dính giữa các cation đó để tạo nên những liên kết tương đối bền vững. Khi nhiệt độ môi trường lên cao, độ ẩm giảm thấp, các liên kết này mất nước, sẽ tạo nên những oxit kim loại cứng chắc, do đó độ cứng cao và rất cao. Các ion này tập trung quanh những phần tử nhỏ là những cation nhóm mang điện tích âm hay tác nhân có khả năng kết dính xi măng.
Nước ta, đặc biệt là ở vùng giáp ranh giữa đồi núi và đồng bằng - những nơi có sự phong hố quặng chứa sắt và các dịng nước ngầm có oxi hịa tan. Do nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa nên nguồn đá ong rất dồi dào và phong phú. Cụ thể, ở miền Bắc, đá ong có nhiều ở các tỉnh đồng bằng như Hà Tây (nay thuộc Hà Nội), Vĩnh Phúc, Bắc Giang, Bắc Ninh… Ngoài ra, các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Ninh Bình… cũng có lượng đá ong đáng kể. Nghiên cứu này lựa chọn đá ong tại Huyện Thạch Thất thuộc Thành phố Hà Nội làm đối tượng nghiên cứu