Hiệu suất xử lý fenton

• PHƯƠNG PHÁP FENTON XỬ LÝ NƯỚC THẢI – OXY HÓA BẬC CAO
  • I. Phương pháp Fenton – oxy hóa bậc cao là gì?
    • I.1 Phương pháp oxy hóa bậc cao
    • I.2 Phương pháp Fenton
  • II. Cơ chế phương pháp Fenton xử lý nước thải.
  • III. Các yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp Fenton
  • IV. Ứng dụng phương pháp Fenton trong xử lý ô nhiễm
  • V. DỊCH VỤ XỬ LÝ NƯỚC THẢI MỚI NHẤT TẠI – CÔNG TY HÒA BÌNH XANH

PHƯƠNG PHÁP FENTON XỬ LÝ NƯỚC THẢI – OXY HÓA BẬC CAO

Trong những năm gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu và sử dụng các phương pháp khác nhau nhằm xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải như: phương pháp vật lý, sinh học, hóa học, phương pháp điện hóa… mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm nhất định về mặt kỹ thuật cũng như mức độ phù hợp với điều kiện kinh tế của từng quốc gia.

Trong đó việc xử lý hợp chất hữu cơ độc hại bằng phương pháp hấp phụ kết hợp và oxi hóa bậc cao – phương pháp Fenton là một trong những hướng nghiên cứu mới đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu.

I. Phương pháp Fenton – oxy hóa bậc cao là gì?

I.1 Phương pháp oxy hóa bậc cao

Các quá trình oxy hóa nâng cao hay oxy hóa bậc cao được định nghĩa là những quá trình phân hủy oxy hóa dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl *OH được tạo ra ngay trong quá trình xử lý với thời gian rất ngắn. Gốc hydroxyl là một trong các tác nhân oxy hóa mạnh nhất được biết đến, có khả năng oxy hóa không chọn lựa mọi hợp chất hữu cơ, dù là loại chất khó phân hủy, biến chúng thành những hợp chất vô cơ [khoáng hóa] không độc hại như CO2, H2O hay dễ phân hủy hơn như các acid hữu cơ mạch ngắn, các acid vô cơ…

Công nghệ này thường được áp dụng trong xử lý nước thải có nồng độ COD khó phân hủy và độ màu cao. Quá trình oxy hóa có thể được sử dụng tại bước xử lý bậc cao để loại bỏ COD và độ màu còn lại hoặc được sử dụng tại bước xử lý hóa học đầu tiên [trước khâu xử lý sinh học] nhằm nâng tỉ lệ BOD/COD.

Có thể kể ra sau đây một số phương pháp điển hình:

• Phương pháp Fenton
• Oxy hóa điện hóa [EOP – electrochemical oxidation process]
• Phản ứng peroxon
• Quang xúc tác

Trong xử lý nước thải, nó được đặt tên là oxy hóa bậc cao [AOPsAdvanced Oxidation Processes]. Giải pháp này đòi hỏi tạo ra một chất trung gian có hoạt tính cao, có khả năng oxy hóa hiệu quả các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, trong xử lý nước thải đó là các gốc hydroxyl tự do [ *OH]. Trong việc áp dụng giải pháp này [AOPs], phương pháp Fenton và các quá trình kiểu Fentom [Fenton – like processes] được cho là giải pháp có hiệu quả cao.

I.2 Phương pháp Fenton

Quá trình này dùng tác nhân là tổ hợp H2O2 và muối sắt Fe2+ làm tác nhân oxy hóa, thực tế đã chứng minh hiệu quả xử lý và kinh tế của phương pháp này khá cao.

Nhược điểm của nó là, việc oxy hóa có thể dẫn tới khoáng hóa hoàn toàn các chất hữu cơ thành CO2, nước, các ion vô cơ và do vậy phải sử dụng nhiều hóa chất sau xử lý này làm cho chi phí xử lý cao.

Vì vậy, trong các trường hợp chỉ nên áp dụng phương pháp Fenton để phân hủy từng phần, chuyển các chất khó phân hủy sinh học thành có khả năng phân hủy sinh học rồi tiếp tục dùng các quá trình xử lý sinh học tiếp sau.

Thông thường quy trình oxi hóa Fenton đồng thể gồm 4 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Điều chỉnh pH phù hợp: Trong các phương pháp Fenton, độ pH ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng và nồng độ Fe2 , từ đó ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng và hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ, pH thích hợp cho quá trình là từ 2 – 4, tối ưu nhất là ở mức 2,8.

Đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm giảm thiểu khó khăn khi đưa pH về mức thấp rồi sau đó lại nâng pH lên mức trung tính để tách khử Fe, H2O2 dư. Nếu ta dùng các chất xúc tác khác như quặng sắt Goethite [a-FeOOH], cát có chứa sắt, hoặc sắt trên chất mang Fe/SiO2, Fe/TiO2, Fe/than hoạt tính, Fe/Zeolit… thì quá trình này gọi là Fenton dị thể, pH thích hợp ở trường hợp này theo nghiên cứu cao hơn đồng thể, khoảng từ 5 – 9.

• Giai đoạn 2: Phản ứng oxi hóa: Trong giai đoạn phản ứng oxi hóa xảy ra sự hình thành gốc *OH hoạt tính và phản ứng oxi hóa chất hữu cơ. Cơ chế hình thành gốc *OH hiện nay chưa thống nhất, theo Fenton thì sẻ có phản ứng:

Fe2+ + H2O2        —-->   Fe3+  + OH– + OH *

Gốc *OH sau khi hình thành sẽ tham gia vào phản ứng ôxi hóa các hợp chất hữu cơ có trong nước cần xử lý, chuyển chất hữu cơ từ dạng cao phân thành các chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp.

CHC [cao phân tử]  + *HO   ——>    CHC [thấp phân tử]     +  CO2  + H2O    +  OH–

• Giai đoạn 3: Trung hòa và keo tụ: Sau khi xảy ra quá trình oxi hóa cần nâng pH dung dịch lên >7 để thực hiện kết tủa Fe3+ mới hình thành:

Fe3+   +  3OH– —-->  Fe[OH]3.

Kết tủa Fe[OH]3 mới hình thành sẽ thực hiện các cơ chế keo tụ, đông tụ, hấp phụ một phần các chất hữu cơ chủ yếu là các chất hữu cơ cao phân tử.

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp Fenton

• Ảnh hưởng của nồng độ sắt : Nếu không có sắt, sẽ không có sự hình thành gốc hydroxyl.  Khi nồng độ sắt tăng, sự loại trừ phenol tăng đến điểm mà tại đó, nếu có thêm sắt vào nữa thì hiệu quả cũng không tăng.

Khoảng liều lượng tối ưu cho xúc tác sắt thay đổi tùy theo loại nước thải và là đặc trưng của phản ứng Fenton. Liều lượng sắt cũng có thể diễn tả dưới dạng liều lượng H2O2  . Khoảng điển hình là 1 phần Fe trên 1-10 phần H2O2

• Ảnh hưởng của dạng sắt : Đối với hầu hết các ứng dụng, muối Fe2+ hay Fe3+ đều có thể dùng xúc tác phản ứng. Phản ứng bắt đầu xúc tác nhanh chóng nếu H2O2  nhiều.

Tuy nhiên, nếu lượng hệ chất Fenton thấp [dưới 10-25 mg/l H2O2 ], các nghiên cứu cho thấy sắt II được ưa chuộng hơn. Mặt khác, muối sắt chloride hay sulfat đều có thể được sử dụng.

Cũng có khả năng tái tuần hoàn sắt sau phản ứng bằng cách tăng pH, tách riêng các bông sắt và tái axit hóa bùn sắt.

• Ảnh hưởng của nồng độ H2O2  : Các gốc hydroxyl oxy hóa chất hữu cơ mà không phân biệt. Ví dụ về một chuỗi phản ứng :

Chất nền -> A -> B -> C -> D -> CO2

Với A, B, C, D đại diện cho các chất trung gian bị oxy hóa. Mỗi sự chuyển đổi trong chuỗi này có tốc độ phản ứng riêng, và đôi khi chất trung gian tạo ra lại là một chất ô nhiễm không mong đợi.

Những chất này đòi hỏi phải đủ lượng H2O2  để đẩy phản ứng lên trên điểm đó. Điều này có thể quan sát được khi tiền xử lý một nước thải hữu cơ phức tạp để giảm tính độc.

Khi liều lượng H2O2 bắt đầu tăng dần, sự khử COD có thể xảy ra với ít hoặc không có sự thay đổi độc tính cho đến khi đạt một ngưỡng mà trên ngưỡng đó, việc thêm H2O2 sẽ làm giảm nhanh chóng độc tính nước thải.

• Ảnh hưởng của nhiệt độ : Tốc độ phản ứng Fenton tăng cùng với sự gia tăng nhiệt độ, nhất là khi nhiệt độ nhỏ hơn 200C. Tuy nhiên, khi nhiệt độ lớn trên khoảng 40-500C, hiệu suất sử dụng của H2O2 giảm do sự phân hủy H2O2 tăng [tạo thành oxy và nước].

Hầu hết các ứng dụng của phản ứng Fenton xảy ra ở nhiệt độ 20-400C. Khi xử lý chất thải ô nhiễm nặng, việc thêm H2O2 phải tiến hành tuần tự có kiểm soát để điều chỉnh sự gia tăng nhiệt độ [nhất là khi lượng H2O2  lớn hơn 10-20g/l]. Điều hòa nhiệt độ quan trọng còn bởi lý do an toàn.

• Độ pH : trong phản ứng Fenton độ phân hủy và nồng độ Fe2+  ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ phản ứng và hiệu quả phân hủy chất hữu cơ . Nguyên nhân là tong môi trường acid thì sự khử Fe3+ thành Fe2+ xảy ra dễ dàng và thuận lợi cho quá trình tạo thành gốc hydroxyl OH* trong môi trường pH cao thì Fe3+ thành Fe[OH]3  làm nguồn giảm tạo ra Fe2+ . Như vậy phản ứng Fenton đồng thể xảy ra thuận lợi khi pH   *CO3  + OH–

  HO*+ Cl       —-->   *Cl  + OH–

  Xem thêm