Chương IV: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NGUỒN NƯỚC BỊ NHIỄM MTBE
4.2 Quá trình oxy hóa nâng cao (AOP Advanced Oxidation Processes) 1 Giới thiệu chung.
4.2.1 Giới thiệu chung.
Không giống như quá trình stripping không khí và hấp phụ- những quá trình mà có sự chuyển khối, AOP là một quá trình phân hủy. AOP phá hủy MTBE và các chất gây ô nhiễm hữu cơ khác trực tiếp trong nước thông qua các quá trình chuyển hóa hóa học, khác với sự chuyển khối đơn giản từ pha lỏng vào một pha khí (trong trường hợp của stripping không khí) hoặc pha rắn (trong trường hợp của cacbon hoạt tính và nhựa). Tuy vậy, mặc dù có những thuận lợi này, nhưng AOP vẫn còn có nhiều hạn chế và thách thức đáng kể trong việc ứng dụng quy mô hoàn chỉnh. Nói chung, AOP vẫn phức tạp hơn so với các quá trình stripping không khí và hấp phụ do các tính chất hóa học và vật lý liên quan đến phản ứng oxy hóa.
AOP bao gồm hai giai đoạn chính: sự hình thành chất oxy hóa mạnh (ví dụ, các gốc hydroxyl …) và phản ứng của các chất oxy hóa này với các chất gây ô nhiễm hữu cơ trong nước. Tuy nhiên, AOP thường đề cập cụ thể đến các quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm hữu cơ xảy ra chủ yếu thông qua các phản ứng với các gốc hydroxyl (•OH) (Glaze, 1987). Trong các ứng dụng xử lý nước, AOP thường nói đến các tập hợp cụ thể của quá trình có liên quan đến O3, H2O2, và tia cực tím (UV). Tất cả các quá trình này có thể sản xuất các gốc hydroxyl, cái mà có thể phản ứng và phá hủy một loạt các chất gây ô nhiễm hữu cơ, bao gồm cả MTBE. Hiệu quả của một AOP là tỷ lệ thuận với khả năng tạo ra các gốc hydroxyl.
Các gốc hydroxyl khi tác dụng với MTBE tạo thành các sản phẩm như TBA, tert- butyl formate (TBF), acetone, andehydes…
Các công nghệ AOP hiện nay bao gồm [9]: + Hydrogen Peroxide/ Ozone (H2O2/O3).
+ Ozone/ Tia cực tím (O3/UV).
+ Hydrogen Peroxide/ Tia cực tím (H2O2/UV).
Ngoài ra, hiện nay còn có một số công nghệ AOP đang được nghiên cứu như chiếu xạ chùm electron năng lượng cao, TiO2- xúc tác quá trình oxy hóa UV, phản ứng Fenton.
4.2.2 Công nghệ AOP sử dụng Hydrogen Peroxide/ Ozone (H2O2/O3).
Khi O3 được cho vào nước, nó tham gia vào một chuỗi phản ứng phức tạp mà kết quả là sự hình thành của các gốc tự do như gốc hydroxyl (•OH) và gốc superoxide (O2•) (Hoigne, 1998). Giống như O3, những sản phẩm gốc tự do này (•OH và O2•) là những chất oxy hóa có khả năng phá hủy của MTBE. Trong số các gốc tự do hình thành trong nước ozone hóa thì •OH là chất oxy hóa MTBE mạnh nhất, thậm chí còn mạnh hơn so với chính O3. Quá trình oxy hóa trực tiếp ete của O3 xảy ra rất chậm, ngược lại, quá trình oxy hóa ete bởi các gốc oxy hóa tự do là cực kỳ nhanh chóng.
H2O2 có thể được kết hợp với ozone để tăng cường sự chuyển hóa O3 thành •OH trong dung dịch. H2O2 là một axit yếu, một phần phân ly thành các ion hydroperoxide (HO2-) trong nước. H2O2 phản ứng chậm với O3, trong khi các ion HO2– có thể nhanh chóng phản ứng với O3 để hình thành •OH (Hoigne, 1998):
Mô tả hệ thống:
Trong một hệ thống H2O2/O3, H2O2 được sử dụng kết hợp với O3 để tăng cường sự hình thành của các gốc hydroxyl. O3 được sản xuất bằng một máy phát điện ozone với nguyên liệu là không khí nén khô hoặc oxy (Hoigne, 1998). Hỗn hợp khí được sản xuất từ không khí và khí oxy bởi một máy phát ozone thường chứa 1÷2% thể tích O3 (Montgomery, 1985).
Hình IV-3 là mô hình hệ thống oxy hóa nâng cao bằng H2O2/O3 trang bị đèn UV để xử lý nước nhiễm MTBE của Komex H2O Science [9].
Nước từ các giếng nước ngầm bị ô nhiễm được đưa vào thiết bị phản ứng cùng với H2O2. Ozone từ máy phát ozone qua các hệ thống phân phối được đưa vào ở đáy thiết
bị phản ứng. Khi cho vào nước, ozone hình thành các gốc tự do hydroxyl. Các gốc hydroxyl này phản ứng với MTBE tạo thành các sản phẩm khác. Nước sau khi đã xử lý được đem tới các hệ thống phân phối.
Ưu điểm:
Hiệu quả khi xử lý nước có nồng độ MTBE cao.
Hiệu quả hơn quá trình chỉ có một mình H2O2 hoặc O3. Có hiệu quả khử trùng nước.
Nhược điểm:
Có khả năng hình thành bromate.
Có thể yêu cầu xử lý H2O2 dư thừa do tiềm tàng sự phát triển của vi sinh vật. Có thể yêu cầu xử lý khí thải chứa ozone.
Hình IV - 37 : Sơ đồ hệ thống oxy hóa nâng cao bằng H2O2/O3 trang bị đèn UV để xử lý nước nhiễm MTBE của Komex H2O Science [9].
4.2.3 Công nghệ AOP sử dụng hệ thống tia cực tím (UV)
Tia cực tím (UV) là bức xạ điện từ với bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy, nhưng dài hơn tia X, trong phạm vi 10 nm đến 400 nm. Bức xạ tia cực tím (hυ) có thể phá hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, bao gồm cả MTBE, thông qua sự quang phân (phân hủy quang học) trực tiếp và gián tiếp (Zepp, 1988). Trong hiện tượng quang phân trực tiếp, sự hấp thụ các tia UV bởi MTBE đã làm MTBE rơi vào một trạng thái kích thích điện tử, gây ra phản ứng với hợp chất khác, và cuối cùng là suy giảm. Ngược lại, hiện
tượng quang phân gián tiếp MTBE được trung gian bởi các gốc hydroxyl, cái mà được sản xuất khi ozone hoặc peroxide được bổ sung vào nguồn nước trước hoặc trong quá trình chiếu xạ UV.
Các nguồn phổ biến nhất của tia cực tím là đèn thủy ngân áp suất thấp sóng liên tục (LP-UV), đèn thủy ngân áp suất trung bình sóng liên tục (MP-UV), và tia cực tím dạng xung (P-UV) ở các đèn hồ quang xenon. Các đặc tính tiêu biểu của LP-UV, MP-UV, và P-UV được trình bày trong Bảng IV-1 [9].
Bảng IV - 12 : Các đặc tính tiêu biểu của LP-UV, MP-UV, và P-UV [9].
Đặc tính LP-UV MP-UV P-UV
Phát xạ Đơn sắc (85-90% tại 253,7 nm) Đa sắc (185-1367 nm) Đa sắc (185-1000 nm) Bước sóng (nm) 253,7 200-400 ~ 450
Áp suất hơi thủy ngân (torr) 10-3-10-2 102-104 -
Nhiệt độ vận hành (oC) 40-60 500-800 ~ 15000
Chiều dài hồ quang (cm) 40-75 5-195 15
Thời gian sống 8000-10000 giờ 2000-5000 giờ >1010 xung
Cường độ ánh sáng Thấp Cao Cao
Các công nghệ quá trình oxy hóa nâng cao loại bỏ MTBE bằng hệ thống tia cực tím bao gồm:
Ozone/ Tia cực tím (O3/UV).
Hydrogen Peroxide/ Tia cực tím (H2O2/UV)