Nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt ngày càng chứa nhiều các hóa chất và vi khuẩn gây ô nhiễm, rất nguy hiểm ựối với sức khoẻ cộng ựồng nên phải xử lý bằng các công nghệ khác nhau, trong ựó công nghệ ựiện hóa tỏ rõ những lợi thế về hiệu quả kỹ thuật và kinh tế ựặc biệt ựã ựạt ựược hiệu quả khá cao trong các ngành công nghiệp dệt nhuộm, các ngành sử dụng những hoá chất ựộc hại: thuốc phóng, thuốc nổẦ[6, 8, 14, 19]. để tạo ra các chất ôxi hóa hoặc khử mạnh cũng như thực hiện riêng biệt hoặc ựồng thời các quá trình ôxi hóa - khử trực tiếp trên các ựiện cực, anốt trơ DSA ựã tỏ ra khá ưu việt và ựược sử dụng ngày càng phổ biến ựể xử lý nước thải bằng phương pháp ựiện hoá.
Hình 1.8. Sơ ựồ nguyên lý của thiết bị chế tạo dung dịch hoạt hóa ựiện hóa (trái), thiết bị ựiện phân thương mại (phải) và hệ thống thiết bị ựồng
bộ. 1. thiết bị ựiên phân, 2. nước muối, 3. dung dịch hoạt hóa, 4. nước mềm, 5. bơm ựịnh lượng, 6. ựo lưu lượng
Trong những năm gần ựây, xử lý môi trường bằng dung dịch hoạt hóa ựiện hoá ựược chế tạo bằng thiết bị ựiện phân (hình 1.8) sử dụng anốt DSA ựã ựược áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của ựời sống như: tẩy trùng, diệt khuẩn cho các ngành chăn nuôi, bể bơi (hình 1.9) cũng như xử lý nước thải công nghiệp và bệnh viện nhờ các tác nhân ôxi hóa và tác nhân hoạt hóa ựiện hóa cao của dung dịch ựiện phân bằng anốt trơ Ti/RuO2 [4].
Nhờ hàng loạt phản ứng ựiện hóa tạo ra các ion có hoạt tắnh cao gây ra trạng thái giả bền của dung dịch trên các ựiện cực khi ựiện phân dung dịch NaCl như:
Hình 1.9. Ứng dụng công nghệ hoạt hóa ựiện hóa xử lý môi trường cho chăn nuôi gia cầm (trên) và cho hệ thống bể bơi của khách sạn
- Trên anốt: 2H2O - 4e → 4H+ + O2 2H2O - 2e → 4H+ + H2O2 3H2O - 6e → O3 + 6H+ O2 + H2O - 2e → O3 + 2H+ OH- - e → HO* H2O - e → H+ + HO* H2O2 - e → HO2* + H+ H2O - 2e → O* + 2H+ 3HO- - 2e → HO2- + H2O 3OH- - 2e → HO2- + H2O 2Cl- - 2e → Cl2 Cl- + H2O - 4e → HClO2 + 3H+ Cl- + 4OH- - 4e → ClO3- + 2H2O Cl- + 4OH- - 5e → ClO2 + 2H2O Cl- + 2HO- - 2e → ClO- + H2O Cl- + 2H2O - 5e → ClO2 + 4H+
- Trên catốt: 2H2O + 2e → H2 + 2OH-
O2 + e → O2-
O2 + H2O + 2e → HO2- + OH- HO2- + H2O + e → HO* + 2OH-
O2 + 2H+ + 2e → H2O2 ecatốt + H2O → eaq H+ + eaq → H* H2O + eaq → H* + OH-
Ngoài các ion và các gốc giả bền có hoạt tắnh hóa học và hoạt tắnh ựiện hóa cao, môi trường tạo ra từ dung dịch hoạt hóa ựiện hóa còn có thế oxi hóa khử (redox-potential:ORP, mV so với ựiện cực so sánh Ag/AgCl ) có giá trị khá cao nên tác ựộng mạnh ựến các dạng vi sinh vật (bảng 1.4).
Bảng 1.4. đặc tắnh chung của các loại dung dịch hoạt hoá ựiện hóa
Ký hiệu
Loại dung dịch
hoạt hóa đặc tắnh cơ bản
A Anolyte
axit
pH < 5,0; ORP = +800 ọ +1200 mV; Các cấu tử hoạt ựộng: Cl2, HClO, HCl
AN Anolyte
trung tắnh
pH = 6,0 ổ1,0; ORP = +600 ọ +900 mV; Các cấu tử hoạt ựộng: HClO, ClO- , HO*, HO2*.
ANK Anolyte
trung tắnh
pH = 7,0 ổ 0,5; ORP = +250 ọ +800 mV,
Các cấu tử hoạt ựộng: HClO, ClO-, HO*, HO2*, HO2-
1O2 , Cl*, O*.
AND Anolyte
trung tắnh
pH = 7,7 ổ 0,5; ORP = +250 ọ +800 mV,
Các cấu tử hoạt ựộng: HClO, ClO-, HO*, HO2*, HO2-,
1O2, Cl*, O3, O*.
K Catolyte
kiềm
pH > 9,0; ORP = -700 ọ -820 mV; ựiện cực Các cấu tử hoạt ựộng: NaOH, OH*, HO2-, O2-, OH-, O22-.
Vì vậy, so với các hóa chất và phương pháp xử lý nước thải khác như cloramin, ôzôn, tia cực tắm, dung dịch hoạt hóa ựiện hóa có những ưu thế sau (bảng 1.5).
Bảng 1.5. So sánh ưu thế của các tác nhân xử lý môi trường
Tác nhân Dạng sử dụng Ưu ựiểm Nhược ựiểm
Clo - Sử dụng trạng thái khắ - Cần ựo ựịnh lượng khi dùng - Chất oxi hóa và khả năng diệt
khuẩn hiệu quả
- Dụng cụ ựặc chủng ựể vận chuyển và chứa
- Tìm ẩn nguy hiểm ựối với sức khoẻ khi bị rò, rỉ - Tạo thành các sản phẩm phụ như cloroform
Hypoclorit Chất oxi hóa và
khả năng diệt
khuẩn hiệu quả
- Không hiệu quả ựối với nang tế bào như Giardia, Cryptosporidium
- Mất dần hoạt tắnh theo thời gian
- Tìm ẩn nguy hiểm do khắ clo bốc ra khi lưu giữ -Tạo thành trihalometan khi trong nước có kim
loại nặng hoặc tạo thành clorát khi nồng ựộ clo
hoạt ựộng cao hơn
450mg/l
Clodioxit Chất oxi hóa và
khả năng diệt
khuẩn hiệu quả -
Cloramin Chất oxi hóa và
khả năng diệt
khuẩn hiệu quả
Ôzon Chất oxi hóa và
khả năng diệt
khuẩn hiệu quả
- Tạo thành các sản phẩm phụ: andehit, xetôn, axit
hữu cơ có brôm,
trihalometan,.. Tia
cực tắm
- Không sử dụng hóa chất
- Thời gian hoạt ựộng dài
- Hiệu quả dao ựộng - Không hiệu quả ựối với nang tế bào như Giardia, Cryptosporidium
- Cần chuyên gia ựối với thiết bị và bảo dưỡng - Hoạt hoá phụ thuôc chất lượng nước, ựộ cứng, tạp hữu cơ,.. công suất nguồn, ựộ dài bước sóng,Ầ
Anolyte - Tác nhân ôxihóa
và diệt khuẩn
mạnh
- Rất hiệu quả ựối với tất cả các vi trùng và vi khuẩn - Hiệu quả cao ựối với nang bào tử - Không ựộc do tạo thành ClO2
- Không ựộc khi hoà tan trong nước - Giá thấp - Không khó khăn về vận chuyển và cất giữ - Dễ lưu giữ và vận hành
- Cần thông gió trong phòng thiết bị ựể giảm hơi
Do những ưu thế nêu trên, quân ựội Mỹ ựã sản xuất và trang bị thiết bị cầm tay ựiện phân muối chạy bằng pin hoá học ựể khử trùng nước uống cho binh sĩ khi hành quân dã ngoại (hình 1.10).
Ở nước ta những năm gần ựây ựã nhập khẩu các máy chế tạo dung dịch hoạt hoá ựiện hóa và nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, ựặc biệt là diệt trùng, tẩy khuẩn ựể xử lý môi trường bệnh viện hoặc phục vụ sản xuất nông nghiệp và phòng ngừa bệnh tật [1]. Các thiết bị Ecaclo nhập từ Nga sau thời gian vận hành các anốt trơ DSA hết hoạt chất lại phải nhập ựiện cực mới ựể thay thế, giá thành cao và không chủ ựộng.