CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.4. Tác nhân oxi hóa peroxymonocarbonate tạo ra từ hệ hydrogen peroxid e–
1.4.4. Ứng dụng của peroxymonocarbonate
PMC đã được sử dụng rộng rãi như thuốc thử phát quang hóa học [103],[104]; tổng hợp hữu cơ [105]; xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm trong đất, nước, khơng khí như thuốc nhuộm và nhiều hợp chất khó phân hủy khác [3],[50],[86]. Số lượng các chất ô nhiễm được xử lý và hiệu quả phân hủy ngày càng được mở rộng và nâng cao khi kích hoạt PMC bằng chất xúc tác đồng thể hoặc dị thể, các nguồn bức xạ. Sau đây, luận án trình bày một số ứng dụng của PMC tập trung chủ yếu vào việc xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm, đặc biệt là các chất màu hữu cơ.
1.4.4.1. Peroxymonocarbonate phân hủy chất ô nhiễm trong hệ đồng thể
Vì PMC có khả năng phản ứng và oxi hóa tương đối cao nên được ứng dụng để oxi hóa trực tiếp các chất gây ơ nhiễm khác nhau như chất độc hóa học [94]; các thuốc nhuộm MB, methyl orange, RhB và 4-chlorophenol [88]; bisphenol A [106]
và thuốc giảm đau acetaminophen [107]. PMC sinh ra từ hệ H2O2 – HCO3- hoàn toàn thân thiện môi trường trong xử lý nước thải. Việc sử dụng đồng thời HCO3- và H2O2 tốt hơn so với việc chỉ dùng H2O2 khi ứng dụng phân hủy nhiều hợp chất hữu cơ. Quá trình phân hủy MB bởi hệ H2O2 0,1 M, HCO3- 0,5 M, pH = 8,2 đạt hiệu suất khử màu 88% sau 180 phút, khử COD và TOC lần lượt là 62% và 23% [88]. Tốc độ phân hủy của MB trong PMC được chuẩn bị trước 20 phút nhanh hơn so với việc trộn trực tiếp MB với H2O2 và HCO3-, nhanh hơn so với chỉ sử dụng H2O2. Do đó, nên để phản ứng hình thành PMC đạt cân bằng rồi mới sử dụng để phân hủy chất màu. Như vậy, thời gian phản ứng dài gây khó khăn khi áp dụng thực tiễn nên cần được cải tiến và phát triển bằng cách sử dụng thêm xúc tác hoặc các nguồn năng lượng kích thích.
PMC có thể được kích hoạt thêm bởi các ion kim loại chuyển tiếp hóa trị khác nhau để đạt được hiệu quả phân hủy các chất ô nhiễm hiệu quả hơn [108]. Xu A và cộng sự đã chỉ ra rằng, khi phân hủy MB bằng PMC kết hợp các ion kim loại, hoạt tính xúc tác tốt nhất là Co2+, tiếp theo là Mn2+, Cu2+, Fe2+và Ag+ [109]. Hiệu suất phân hủy màu MB 0,134 mM tối đa đạt 80% sau 20 phút khi sử dụng Co2+ 20 µM, HCO3- 25 mM, H2O2 20 mM ở 25oC. Quá trình khử màu Orange II trong hệ H2O2/HCO3-/Co2+ nhanh hơn, hiệu quả oxi hóa cao hơn nhiều so với quá trình Fenton và hệ Co2+/peroxymonosulfate [110]. Tuy nhiên, mức độ khống hóa chất màu azo Reactive Brilliant Red X-3B bởi hệ H2O2/HCO3-/Co2+ còn thấp (loại bỏ 19% TOC và 42% COD) [111].
Các q trình oxi hóa nâng cao sử dụng năng lượng tia UV, sóng siêu âm đã được trở nên quen thuộc, tuy nhiên các nghiên cứu kết hợp PMC với tia UV và sóng siêu âm thì chưa có nhiều. Bằng cách phân cắt nhiệt phân hoặc tạo ra các gốc hydroxyl mà tia UV và siêu âm có thể phân hủy được chất hữu cơ ô nhiễm [112]. Do đó, tia UV và siêu âm kết hợp với PMC có tiềm năng áp dụng để khử màu và khống hóa hồn tồn chất màu.
Ngồi ra, HCO3- còn được dùng để hoạt hóa một số hệ oxi hóa nâng cao khác. Các AOP này sử dụng chất oxi hóa mạnh như persulfate (S2O82-),
peroxymonosulfate (HSO5-), O2, O3 để sinh ra các gốc tự do. Tốc độ tạo thành các gốc tự do được tăng lên bằng các phương pháp khác nhau như sử dụng xúc tác, ánh sáng… cùng với sự hoạt hóa của bicarbonate. Năm 2017, Jiang M và cộng sự nghiên cứu hoạt hóa hệ persulfate bằng bicarbonate để phân hủy acetominophen trong nước ngầm đã chỉ ra rằng HCO4- được hình thành trong giai đoạn trung gian theo phương trình sau [107]:
HCO3- + S2O82- + 2OH- → HCO4- + 2SO42- (1.35)
1.4.4.2. Peroxymonocarbonate phân hủy chất ô nhiễm trong hệ dị thể
Khi xét đến độc tính, việc sử dụng các ion kim loại làm xúc tác đồng thể trong hệ có thể khơng tốt cho mơi trường. Do đó, PMC kết hợp với các hệ xúc tác gồm kim loại hoạt động được cố định trên chất mang là sự lựa chọn tốt hơn. Xu X và cộng sự sử dụng chalcopyrite CuFeS2 làm xúc tác dị thể hoạt hóa PMC, kết quả cho thấy hệ H2O2 60 mM, NaHCO3 25 mM, xúc tác 50 mg/L phân hủy được 2,4-chlorophenol đạt 90% sau 120 phút, trong khi hệ CuFeS2/H2O2 chỉ đạt khoảng 50% sau 120 phút [86]. Jawad A và cộng sự sử dụng hydroxide kép phân lớp được điều chế bằng phương pháp đồng kết tủa từ Co2+, Mg2+ và Al3+ làm xúc tác dị thể, kết hợp với dung dịch NaHCO3 25 mM, H2O2 50 mM đã xử lý MB hoàn toàn trong khoảng thời gian 60 phút [113]. Zhou L và cộng sự đã tổng hợp xúc tác Co2+ cố định trên diatomite bằng phương pháp nung và ngâm tẩm ướt, khi kết hợp với hệ HCO3- 25 mM, H2O2 60 mM đã khử màu và loại bỏ COD dung dịch MB 50 mg/L đạt hiệu suất tương ứng 90% và 50% sau 80 phút [114]. Tương tự, nhóm áp dụng phân hủy RhB 50 mg/L cho thấy hiệu quả khử màu và giảm COD đạt tối đa là 70% và 47% sau 5 giờ. Mức độ thất thoát của các ion kim loại nặng trong xúc tác dị thể ra môi trường không nhiều nên xúc tác dị thể được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.
Như vậy, tác nhân oxi hóa PMC được tạo thành từ hệ H2O2 - HCO3- có nhiều ưu điểm như: phản ứng điều chế đơn giản, không cần thêm acid mạnh để tạo thành như các peracid khác, hoạt tính hóa học cao hơn H2O2, sản phẩm sinh ra an tồn với mơi trường (CO2, H2O). Tuy đã chứng minh được sự tạo thành PMC do sự pha trộn H2O2 và HCO3- nhưng các điều kiện tối ưu và động học của sự hình thành và phân
hủy PMC trong dung dịch đều chưa được công bố một cách đầy đủ và hệ thống. Phương pháp phân tích đơn giản để xác định hàm lượng PMC trong dung dịch cũng chưa được nghiên cứu. Khi ứng dụng tác nhân PMC vào xử lý chất màu, chưa có nghiên cứu đánh giá về khả năng xử lý các chất màu RB19, RY145, RB21 khi có mặt xúc tác ion kim loại và nguồn năng lượng điện từ. Với 2 chất màu RhB, MB, tuy đã có một số nghiên cứu phân hủy bằng hệ H2O2 - HCO3- nhưng hiệu suất khống hóa chưa cao và thời gian xử lý dài nên được sử dụng để so sánh, đối chiếu với nghiên cứu này. Từ những lý do trên, luận án tập trung khảo sát sự hình thành và phân hủy peroxymonocarbonate từ hệ H2O2 - HCO3- và khả năng ứng dụng để phân hủy một số chất màu hữu cơ.