III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3. Cơ chế tác dụng diệt khuẩn của tia cực tím
Tia cực tím có tác dụng rất mạnh trên Nucleo Protein của vi khuẩn, nó có thể làm biến dạng hoặc giết chết vi khuẩn. Hiệu lực tiệt khuẩn của tia cực tím không những tuỳ thuộc mật độ, thời gian chiếu tia, điều kiện môi trường mà còn tùy thuộc vào sức chịu đựng của vi khuẩn. Ngoài ra do tác dụng của tia cực tím, không khí có thể sinh ra Ozon cũng có khả năng tiêu diệt vi khuẩn.
Khử khuẩn trong nước bằng tia cực tím: vùng cực tím có tác dụng diệt khuẩn nhiều nhất là vùng có bước sóng 280 - 200 nm. Những đèn phát tia cực tím thường được đặt ngầm ở trong nước. Lớp nước chảy qua đèn có độ dày khoảng 10 - 15cm và phải được chiếu trong 10 - 30s. Tia cực tím chỉ xuyên được qua nước không màu. Khi màu và độ đục tăng thì tác dụng diệt khuẩn giảm. Ưu điểm của phương
pháp diệt khuẩn bằng tia cực tím là không ảnh hưởng tới mùi vị của nước. Nhưng phương pháp này còn có nhược điểm là tác dụng diệt khuẩn không bền, sau này nước có thể bị nhiễm khuẩn lại và chỉ áp dụng được khi nước trong. Khả năng diệt khuẩn phụ thuộc vào điện thế nguồn điện, khi điện thế giảm 10% thì khả năng diệt khuẩn sẽ giảm 15 - 20%.
Khử khuẩn không khí bằng tia cực tím: để khử khuẩn không khí khi có người ở trong phòng sẽ dùng phương pháp chiếu xạ gián tiếp bằng cách đặt các đèn diệt khuẩn với mặt phản chiếu quay lên trên, ở mức cao hơn tầm người (2 - 2,5m).
Luồng tia cực tím hướng lên trần nhà, tiêu diệt vi khuẩn ở những lớp không khí trên; khi phản chiếu từ trần và tường nó tiêu diệt vi khuẩn ở nấc không khí thấp hơn. Do tác động của các dòng đối lưu, các lớp không khí trên đã được khử khuẩn dần dần bị thay thế bằng các lớp ở dưới chưa diệt khuẩn, nhờ đó qua một thời gian toàn bộ không khí sẽ được khử khuẩn.
Một phương pháp chiếu xạ khác là phương pháp chiếu xạ trực tiếp: các đèn diệt khuẩn được treo lên ở một độ cao cần thiết, đảm bảo luồng bức xạ cực tím trực tiếp chiếu rọi nơi làm việc. Trong điều kiện này, người làm việc ở trong phòng phải có phương tiện bảo vệ mắt (kính) và những chỗ da hở để phòng ngừa bị bỏng.
Theo các tác giả Nga, với công suất chiếu xạ (của tất cả các đèn diệt khuẩn trong phòng) là 0,63W cho 1m3 không khí và thời gian chiếu xạ liên tục trong 2 giờ, số lượng Ozone trong không khí không vượt quá 0,1mg/1m3 là nồng độ làm cho không khí dịu mát. Thời gian chiếu xạ 2,5 - 3 giờ đã làm tăng nồng độ Ozone tới giới hạn (1 - 5mg/1m3) bắt đầu gây khó chịu.
Việc khử khuẩn không khí phòng mổ bằng tia cực tím đã làm giảm tỷ lệ nhiễm khuẩn của các vết mổ xuống 1,1% so với 3,8% khi phòng mổ không được chiếu xạ.
4. Các phương pháp oxi hóa nâng cao
Ngày nay, người ta thường nói đến phương pháp xử lý nước thải bằng AOPs (Advanced Oxidation Processes) – quá trình oxi hóa tiên tiến. Phương pháp này là nhằm sử dụng những tác nhân hóa học có khả năng oxi hoá mạnh như TiO2, O3,
H2O2 hoặc kết hợp chúng với nhau… để xử lý nước thải. Đặc điểm của những chất oxi hoá mạnh này là trong điều kiện phản ứng cụ thể, sẽ sinh ra gốc tự do hydroxyl (HOã), cú khả năng oxi húa rất mạnh, tốc độ phản ứng oxi húa rất nhanh và khụng lựa chọn khi phản ứng với các hợp chất khác nhau. Các gốc hiđroxyl tự do này có thể tấn công vào các phân tử chất hữu cơ nhờ vào lực hút của nguyên tử hiđro. Các gốc hiđroxyl tự do khoáng hóa toàn bộ chất hữu cơ để tạo thành các hợp chất không độc như CO2 và H2O.
Vì vậy, trong mấy thập kỷ qua nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện để tỡm ra quỏ trỡnh tạo gốc HOã trờn cơ sở cỏc tỏc nhõn oxy húa thụng thường như O3, H2O2 thông qua các phản ứng hóa học (H2O2/Fe2+, O3/H2O2), hoặc nhờ năng lượng bức xạ tia cực tím UV(O3/UV, H2O2/UV, O3 + H2O2/UV, TiO2/UV) và các nguồn năng lượng cao (siêu âm, tia Gamma, tia X, chùm electron).
Theo Cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ, dựa theo đặc tính của quá trình có sử dụng nguồn năng lượng bức xạ tử ngoại UV hay không, phân loại các quá trình oxi hóa tiên tiến thành hai nhóm, như sau:
- Nhóm các quá trình oxi hóa tiên tiến không sử dụng tác nhân ánh sáng: quá trình Fenton.
- Nhóm các quá trình oxi hóa tiên tiến nhờ tác nhân ánh sáng: quá trình UV/H2O2. 5. Quá trình oxi hóa sử dụng UV
a. Quá trình quang phân trực tiếp
Dưới tác dụng của bức xạ UV, các chất ô nhiễm trong nước có thể hấp thu trực tiếp quang năng này, chuyển sang trạng thái bị kích thích có năng lượng lượng cao và sau đó bị phân hủy. Quá trình này được gọi là quá trình quang phân trực tiếp các chất ô nhiễm. Quá trình quang phân trực tiếp các chất hữu cơ bằng bức xạ UV cũng có thể phân hủy các chất hữu cơ theo cơ chế như đã khảo sát trên với khởi đầu bằng giai đoạn hấp thu năng lượng bức xạ UV và trở thành trạng thái bị kích thích.
Tuy nhiên, hiệu suất lượng tử của quá trình quang phân trực tiếp thấp và hệ số hấp thu bức xạ UV không cao nên đã hạn chế việc sử dụng phương pháp này vào xử lý các chất ô nhiễm có trong nước và nước thải.
Chẳng hạn các dẫn xuất halogen của metan bão hòa không thể nào phân hủy bằng quá trình quang phân trực tiếp bằng bức xạ UV. Tuy nhiên, nếu thực hiện quá trình quang phân với sự có mặt H2O2, sự phân hủy các hợp chất nói trên đã xảy ra với hiệu suất cao.
Đối với các hợp chất acromatic, là những hợp chất phổ biến trong các chất ô nhiễm hữu cơ, tốc độ quá trình phân hủy bằng quang phân khi có mặt H2O2 hoặc O3
tăng gấp 7 đến 8 lần so với quang phân trực tiếp chất ô nhiễm mà không có mặt các chất trên.
Đối với các hợp chất clobenzen như hexaclobenzen khi quang phân trực tiếp, sau 70 phút phản ứng chỉ có 20% bị phân hủy. Trong khi đó, nếu quang phân có mặt H2O2 thì 80% hexaclobenzen bị khoáng hóa chỉ trong vòng 4-6 phút đặt dưới tia UV. Hợp chất pentaclorophenol (PCP) bị phân hủy rất nhanh khi có mặt H2O2 so với khi tiến hành quá trình quang phân trực tiếp.
b. Quá trình quang phân gián tiếp
Dưới tác dụng của bức xạ UV, quá trình quang phân trực tiếp sẽ xảy ra với các hợp chất H2O2 và O3 đưa thêm vào vì hệ số hấp thụ bức xạ UV của chúng rất cao, dẫn đến sự hỡnh thành cỏc gốc HOã linh động, lấn ỏt quỏ trỡnh quang phõn trực tiếp các chất ô nhiễm.
Chớnh nhờ vào khả năng oxi húa cao của cỏc gốc HOã nờn quỏ trỡnh oxi húa các chất ô nhiễm được xảy ra với tốc độ cao, mức độ khoáng hóa gần như hoàn toàn.
Các công trình nghiên cứu đã được tiến hành bằng cách đưa thêm một số tác nhân khác như H2O2 và O3 vào hệ phản ứng sử dụng UV. Những kết quả cho thấy, hiệu quả của quá trình quang phân sử dụng các tác nhân H2O2 và O3 kết hợp với UV rất tốt so với quá trình quang phân không có mặt các hợp chất này.
c) Quá trình quang phân H2O2 bằng UV
Quỏ trỡnh quang phõn H2O2 dưới tỏc dụng bức xạ UV tạo ra gốc HOã xảy ra theo phương trình dưới đây:
H2O2+ hν (200-280nm) → 2 HOã
Sự hấp thu của H2O2 đạt được cực đại đối với bức xạ UV có tần số 220nm, vì vậy sử dụng đèn hơi thủy ngân trung áp là thích hợp. Tuy nhiên, trong thực tế người ta thường sử dụng nguồn UV của đèn hơi thủy ngân thấp áp với bước sóng đặc trưng là 253,7nm. Khi sử dụng đèn hơi thủy ngân thấp áp thì hệ số hấp thu phân tử của H2O2 chỉ đạt 19,6 l.M-1.cm-1. Vì vậy, khi sử dụng đèn hơi thủy ngân thấp áp với bước súng 253,7nm, phải tăng lượng H2O2 đưa vào để tạo ra lượng gốc HOã đủ cho quỏ trỡnh. Khi tăng lượng dư H2O2 sẽ xảy ra hiện tượng bị mất một số gốc HOã, giảm hiệu quả của quá trình do các phản ứng sau:
HOã + H2O2 → ãHO2 + H2O
ãHO2 + H2O2 → HOã + H2O + O2
ãHO2+ ãHO2 → H2O2 + O2
Ngoài con đường tạo gốc HOã trực tiếp từ H2O2 cũn một con đường khỏc tạo ra gốc HOã từ H2O2 thụng qua giai đoạn trung gian, như sau [Munter, 2001]:
H2O2 ơ →HO2- + H+ HO2-+ hν → HO + O-
Anion HO2- lại có hệ số hấp thu bức xạ UV cao ở bước sóng 253,7nm. Vì vậy, trong thực tế cũng cú thể sử dụng đốn UV hơi thủy ngõn thấp ỏp để tạo gốc HOã từ H2O2.
Gốc HOã được tạo thành từ phản ứng trờn sẽ tham gia vào quỏ trỡnh phõn huỷ chất ô nhiễm hữu cơ qua các giai đoạn oxi hoá:
HOã + CH2Cl2 → H2O + ãCHCl2
ãCHCl2 + HO2- → CO2 + 2HCl
Cỏc phản ứng trờn cho thấy cỏc chất ụ nhiễm hữu cơ khi tỏc dụng với gốc HOã sẽ bị oxi hoá hoàn toàn thành CO2 hoặc H2O và muối.