1.2. Phương pháp Fenton điện hoá
1.2.2. Đặc điểm của quá trình fenton điện hoá
Quá trình Fenton điện hóa: là quá trình OP trong đó gốc OH● đƣợc sinh ra từ phản ứng Fenton, nhƣng các chất phản ứng của phản ứng Fenton không đƣợc đƣa vào trực tiếp mà đƣợc sinh ra nhờ các phản ứng oxy hóa khử bằng dòng điện trên các điện cực, qua đó khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm của phản ứng Fenton.
Thật vậy, phản ứng Fenton là phản ứng oxy hóa tiên tiến trong đó gốc tự do OH● đƣợc sinh ra khi hydropeoxit phản ứng với ion sắt II:
Fe2+ + 2H2O2 → Fe3+ + OH- + OH● (11)
Tuy nhiên phản ứng trên chỉ xảy ra trong môi trường phản ứng axit (pH=3), do đó để nâng cao hiệu quả quá trình xử lý POP (tạo ra nhiều gốc OH●) cần phải đƣa vào phản ứng một lƣợng lớn các chất tham gia phản ứng (Fe2+, H2O2) và cũng tạo ra một lƣợng lớn chất thải Fe3+.
Trong quá trình Fenton điện hóa, H2O2 đƣợc sinh ra liên tục bằng sự khử 2 electron của phân tử oxy trên điện cực catot theo PTPƢ để tạo ra H2O2.
O2 + 2H+ + 2e- → H2O2 E = 0.69 V ESH (12)
Theo định luật Faraday, lượng H2O2 sinh ra phụ thuộc nhiều vào cường độ dòng điện và do đó gián tiếp ảnh hưởng đến mật độ gốc OH● sinh ra. Ngoài ra, giống như trong phản ứng Fenton, pH của dung dịch cũng ảnh hưởng đến khả năng kết tủa keo các hydroxyt sắt, kết tủa này sẽ bám lên bề mặt điện cực làm cản trở quá trình oxy hóa điện hóa trên các điện cực, đồng thời cũng ảnh hưởng đến khả năng tiếp xúc giữa các chất phản ứng trong dung dịch. Oxy cần cho phản ứng trên có thê đƣợc cung cấp bằng cách sục khí nén trong dung dịch axit đến trạng thái bão hòa hoặc hoặc có thể được tạo ra bằng cách oxy hóa nước trên điện cực anot làm bằng Pt theo PTPƢ :
2 H2O - 4e- → O2 + 4H+ (13)
16
H2O2 tạo thành sẽ phản ứng với Fe2+. Ion Fe3+ sinh ra từ phản ứng này ngay lập tức sẽ bị khử trên catot thành ion Fe2+ theo PTPƯ dưới đây:
Fe3+ + e- → Fe2+ E = 0,77 V ESH (14)
Nhƣ vậy, trong quá trình Fenton điện hóa, ion Fe2+ và Fe3+ liên tục chuyển hóa cho nhau, do đó xúc tác đƣa vào ban đầu có thể là Fe2+ hoặc Fe3+, và chỉ cần một nồng độ nhỏ, dưới 1 mM, là có thể thực hiện hiệu quả phản ứng Fenton.
Hình 3. Sơ đồ cơ chế tạo ra gốc OH●trong quá trình Fenton điện hóa [63]
Để quá trình Fenton điện hóa đạt hiệu suất cao, điện cực catot thường có dạng lớp thủy ngân [43 , dạng graphit biến tính [20 , dạng phớt cacbon [42 . Điện cực anot có thể sử dụng là Pt [47], PbO2 [18 , kim cương pha tạp Bo [41].
1.2.3. Ƣu nhƣợc điểm của quá trình fenton điện hoá Ưu điểm:
- H2O2 và Fe2+ đƣợc tạo ra ngay trong dung dịch cần xử lý nên giảm đƣợc lƣợng hóa chất sử dụng so với phản ứng Fenton truyền thống. Các phản ứng điện hóa cho phép kiểm soát phản ứng Fenton, tránh tích tụ Fe3+ trong dung dịch, do đó tránh tạo kết tủa Fe(OH)3.
- Dễ dàng kết hợp với các quá trình OP khác hoặc kết hợp đƣợc với các quá trình xử lý sinh học;
Khí nén
17
- Lượng ion sắt đưa vào ban đầu nhỏ, xấp xỉ nồng độ ion sắt trong nước tự nhiên, do đó khi xử lý nước tự nhiên bị ô nhiễm sẽ không cần phải đưa ion sắt vào ban đầu và nước sau xử lý có thể xả trực tiếp ra tự nhiên mà không cần quá trình xử lý cation kim loại.
Nhược điểm:
- Không oxy hóa triệt để các POP thành CO2 và nước mà bẻ gãy mạch C của các phân tử POP thành các chất hữu cơ mạch ngắn hơn và một số chất vô cơ. Do đó để xử lý triệt để các POP nói chung, các hóa chất BVTV nói riêng cần kết hợp quá trình Fenton điện hóa (tiền xử lý) với 1 quá trình công nghệ khác (xử lý thứ cấp).
1.2.4. Một số nghiên cứu áp dụng fenton điện hoá để xử lý nước thải
Do Fenton điện hóa có những ƣu điểm nhất định trong xử lý chất thải, nên có khá nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng fenton điện hóa để xử lý nước thải, tiêu biểu nhƣ:
Skoumal và các cộng sự [56] bằng phương pháp Fenton điện hóa đã khoáng hóa chất diệt khuẩn chloroxylenol. Từ những hợp chất hữu cơ có vòng thơm: 2,6- dimethylhydroquinone; 2,6-dimethyl-p-benzoquinone và 3,5-dimethyl-2-hydroxy- p-benzoquinone đã bị bẻ mạch thành những axit carboxylic có mạch đơn giản nhƣ:
maleic, malonic, pyruvic, acetic and oxalic.
Liu và cộng sự [33 đã xử lý nước ô nhiễm thuốc kháng sinh tetracycline bằng quá trình Fenton điện hóa và điện-quang Fenton sử dụng catot bằng than chì-Fe3O4 và kết quả thu đƣợc cho thấy hiệu suất xử lý giảm dần khi sử dụng điện-quang Fenton, Fenton điện hóa và chiếu xạ UV.
Zhou và cộng sự [85 sử dụng một hệ thống Fenton điện hóa đơn giản với anot bằng phớt cacbon biến tính đã xử lý được 78 p-nitrophenol trong nước. Hay mới đây, Pajootan và cộng sự [44 đã ứng dụng quá trình Fenton điện hóa liên tục sử dụng catot bằng nanotube cacbon nhiều lớp đã loại bỏ đƣợc 50 mg L một số chất màu trong nước thải.
Nguyễn Thị Lê Hiền và cộng sự [1,2,4,5] ở chi nhánh Hà Nội của Viện dầu khí Việt Nam – TT ứng dụng và chuyển giao công nghệ đã nghiên cứu ứng dụng
18
các loại điện cực khác nhau, từ các điện cực cổ điển nhƣ Graphit tới các điện cực hiện đại nhƣ SnO2 – Sb2O5 Ti, ôxit phức hợp, composit polypyrrol oxit trong các phản ứng ôxi hóa điện hóa đối với phenol, metyl đỏ, metyl da cam. Trong trường hợp phải nâng cao hiệu quả xử lí các tác giả đã nghiên cứu phối hợp với phương pháp sử dụng hóa chất (Fenton điện hóa).