- Phương pháp chống trong môi trường đậm đặc
1.3.1. Các quá trình Fenton
Phản ứng Fenton ban đầu được công bố bởi Fenton (1894) cho quá trình oxy hóa acid tartaric, từ đó đến nay được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để phân hủy và loại bỏ các hydrocarbon; thuốc nhuộm hữu cơ; thuốc kháng sinh; thuốc trừ sâu; nước thải; vật liệu nổ; phenol cũng như loại bỏ vi khuẩn…
Quá trình Fenton liên quan đến phản ứng của Fe (II) với H2O2, sinh ra các gốc hydroxyl (OH*) như phương trình (1). Phản ứng xúc tác này tiếp diễn bằng việc khử Fe (III) thành Fe (II) được diễn đạt qua phương trình (2) cùng với sự hình thành các gốc tự do theo các phương trình từ (3) đến (5).
Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH- + OH* Ea = 39,5 kj mol-1 ; k1 = 76 M-1S-1 (1) Fe3+ + H2O2 Fe2+ + HO2* + H+ Ea = 126 kj mol-1 ; k2 = 10-3-10-2 M-1S-1 (2) Fe2+ + HO2* Fe3+ + HO2- Ea = 42,0 kj mol-1 ; k3 = 1,3106 M-1S-1 (3) Fe3+ + HO2* Fe2+ + O2 + H+ Ea = 33,0 kj mol-1 ; k4 = 1,2106 M-1S-1 (4) H2O2 + HO* HO2* + H2O Ea = 14,0 kj mol-1 ; k5 = 2,7107 M-1S-1 (5)
Sự hình thành các gốc hydroxyl trong phản ứng Fenton đã và đang được sử dụng trong một loạt các quá trình:
(i) Fenton đồng thể, liên quan đến các muối sắt(II) trong môi trường acid (ii) Xúc tác dị thể
(iii) Khử Fe (III) thành Fe (II) nhờ bức xạ tử ngoại (Quá trình photo-Fenton) (iv) Quá trình oxy hóa điện phân và quang điện hoá
(v) Xúc tác nano
- Quá trình Fenton đồng thể đã được nghiên cứu rộng rãi; đây là quá trình đơn giản, sử dụng thiết bị thông dụng và hoạt động nhiệt độ và áp suất thường. Tuy nhiên, có một vài hạn chế chủ yếu là sự hình thành các phức chất Fe (III) do sự thay đổi pH của dung dịch. pH tối ưu cho quá trình Fenton đồng thể khoảng 2,8, khi đó sắt trong dung dịch một phần là Fe (III) và một phần là Fe (III)(OH)2+ là các tiểu phân có hoạt tính quang hoá; dưới pH này, các gốc hydroxyl bị loại trừ bởi proton và nồng độ của Fe(III)(OH)2+ giảm, trong khi trên pH này, Fe (III) kết tủa như một oxyhydroxide. Để duy trì độ pH ~ 3, một lượng lớn axit (thường là H2SO4) phải được thêm vào môi trường phản ứng. Do đó, không thực tế khi áp dụng quy trình Fenton đồng thể để làm sạch môi trường do (không điều chỉnh pH) lượng lớn cặn hydroxide sắt sẽ tạo ra, phát sinh các vấn đề xử lý môi trường khác [13].
- Phản ứng Fenton trên các chất rắn xúc tác dị thể có thể điều chỉnh giá trị pH trong một phạm vi rộng. Ngoài việc hạn chế sự chiết các ion sắt ra môi trường phản ứng, chất xúc tác có thể dễ dàng được phục hồi sau khi phản ứng và vẫn giữ nguyên hoạt tính xúc tác trong nhiều lần sử dụng.
Hiệu quả xúc tác của chất xúc tác rắn Fenton dị thể trong sự phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm chịu ảnh hưởng của các yếu tố như hàm lượng và loại chất xúc tác, diện tích bề mặt của chất xúc tác, nồng độ hydrogen peroxide, nhiệt độ môi trường, pH dung dịch và cấu trúc của chất gây ô nhiễm.
Các chất rắn xúc tác dị thể đã được sử dụng trong phản ứng Fenton-like như cacbon hoạt tính được tẩm sắt và đồng oxide; nhựa thông bổ trợ Fe(II) hoặc Fe(III); sắt có chứa tro; sắt phủ trên các hạt đá bọt; zeolite tự nhiên và tổng hợp trao đổi với các ion sắt hoặc đồng, khoáng sắt oxide và đất sét chống chèn giữa các lớp … [13]