Giới thiệu về oxi hóa nâng cao aop năm 2024

Quá trình Oxy hóa bậc cao (Advanced Oxidation Processes – AOPs) được định nghĩa là các quá trình oxy hóa sử dụng gốc tự do OH* làm tác nhân oxy hóa, các kỹ thuật tương ứng gọi là các kỹ thuật oxy hóa nâng cao (AOTs). Các quá trình AOP khác nhau ở chỗ tạo ra gốc tự do OH* khác nhau.

Để xử lý chất hữu cơ độc hại hoặc khó phân hủy sinh học với nồng độ không quá cao trong nước thải có thể sử dụng phương pháp oxy hóa hóa học.

Thực tế, nhiều chất khó phân hủy sinh học cũng khó bị oxy hóa, vì vậy cần có các tác nhân oxy hóa mạnh.

Khả năng oxy hóa của các tác nhân oxy hóa được đánh giá thông qua thế oxy hóa khử, thế oxy hóa khử càng cao thì chất oxy hóa càng mạnh.

Trong các tác nhân oxy hóa thường gặp gốc OH* là mạnh nhất chỉ kém flo.

Các gốc *OH (hydroxyl) tự do hoạt động rất mạnh có khả năng phân hủy những chất có cấu trúc bền vững.

Ví dụ như: benzene, các nhóm phức mang màu,…Các nhóm hữu cơ này có cấu trúc rất bền vững và khó phân hủy. Sự có mặt của các hợp chất này trong nước thải gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến hệ sinh thái, đến động thực vật thủy sinh và có thể là tác nhân gây ung thư cho người.

Ngoài thế oxy hóa còn phải tính đến tốc độ phản ứng. Tốc độ phản ứng được so sánh thông qua hằng số tốc độ k. Hằng số k của các phản ứng giữa gốc OH* với các chất hữu cơ rất cao, so với ozone cao hơn hàng triệu đến hàng tỷ lần.

ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH OXY HÓA BẬC CAO

• Cộng hợp với Hydroxyl

R + OH* -> ROH*

Phản ứng cộng hợp trên xảy ra với tốc độ nhanh.

Gốc Hydroxyl có thể tách nguyên tử hydro của hợp chất hữu cơ để tạo ra gốc hữu cơ hoạt động:

Rn + OH* -> R* + H2O

• Dịch chuyển điện tử

Quá trình dịch chuyển điện tử sẽ tạo ra ion mới có mức hóa trị cao hơn.

Rn + OH* -> Rn-1 + OH-

Quá trình phản ứng tiếp tục phát triển nhờ các gốc tự do mới sinh ra theo kiểu phản ứng chuỗi cho đến khi vô cơ hóa (khoáng hóa) hoàn toàn hay chuỗi phản ứng bị đứt.

• Tái tổ hợp gốc tự do

Hai gốc tự do có thể tổ hợp với nhau để tạo thành một hợp chất bền:

OH* + OH* -> H2O2

VAI TRÒ CỦA AOP TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

AOP có khả năng làm sạch nhiều loại nước thải công nghiệp có chứa các hợp chất hữu cơ không thể xử lý bằng sinh học hoặc không phân hủy như chất thơm, thuốc trừ sâu, thành phần dầu mỏ và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Do đó, AOP có thể áp dụng cho giai đoạn xử lý thứ cấp (trước bể sinh học) hoặc xử lý bậc ba (sau lắng, lọc).

Mục đích mong muốn cuối cùng của các quá trình oxy hóa bậc cao là “khoáng hóa” các chất ô nhiễm trong nước thải, tức chuyển hóa các chất ô nhiễm hữu cơ thành các chất “vô cơ” đơn giản và không độc hại. Cụ thể là:

• Carbon trong phân tử chất ô nhiễm thành carbon dioxide
• Hydrogen trong phân tử chất ô nhiễm thành nước
• Phospho trong phân tử chất ô nhiễm thành phosphate hay acid phosphoric
• Sulfur trong phân tử chất ô nhiễm thành sulfate Nitrogen trong phân tử chất ô nhiễm thành nitrate
• Halogen trong phân tử chất ô nhiễm thành acid halogenic
• Các hợp chất vô cơ tạo thành trạng thái oxi hóa cao hơn như Fe2+ thành Fe3+

Khi được áp dụng trong điều kiện được điều chỉnh hợp lý, AOP có thể giảm nồng độ chất gây ô nhiễm từ vài trăm ppm xuống dưới 5ppm, từ đó làm giảm đáng kể COD và TOC.

CƠ CHẾ TẠO RA GỐC OH*

Có rất nhiều phản ứng tạo ra gốc tự do hydroxyl OH* dựa trên các tác nhân oxi hóa như: Fenton, quang Fenton, Fenton điện hóa, peroxon, catazon, oxy hóa điện hóa, quá trình siêu âm, quá trình bức xạ, năng lượng cao, quá trình UV/oxy hóa, quang xúc tác bán dẫn TiO2/UV…

Cơ chế tạo ra gốc OH* phụ thuộc vào các loại kỹ thuật AOT được sử dụng. Các kỹ thuật AOT phổ biến cho các công trình về xử lý nước thải là kỹ thuật Fenton đồng hóa(Fe2+/H2O2), Fenton dị hóa (FeOOH/H2O2), Ozone hóa (O3/H2O2), Xúc tác quang hóa (TiO2/UV)…

PHẠM VI ỨNG DỤNG

Công nghệ Oxi hóa AOP thích hợp sử dụng cho các lĩnh vực sau:

– Nước thải các ngành công nghiệp điện tử.

– Nước thải công nghiệp & đô thị.

– Nước thải dược phẩm & Công nghệ sinh học ngành công nghiệp.

– Nước thải máy lọc dầu khí.

– Nước thải ngành công nghiệp hóa chất.

– Nước thải các ngành công nghiệp điện.

– Nước thải công nghiệp Dệt may.

– Nước thải ngành Mạ điện /nước thải hoàn tất kim loại.

– Nước thải sản xuất giấy.

– Nước thải rỉ rác.

– Nước thải thực phẩm và nước giải khát.

Ưu điểm AOP có những lợi thế vượt trội trong lĩnh vực xử lý nước:

• Loại bỏ hiệu quả các hợp chất hữu cơ trong nước, phản ứng với hầu hết mọi chất gây ô nhiễm trong nước
• Loại bỏ một số kim loại nặng ở dạng kết tủa M(OH)x
• Có thể sử dụng trong khử trùng, là một giải pháp tích hợp xử lý nhiều vấn đề liên quan đến chất lượng nước.
• AOP không đưa bất kỳ chất độc hại nào vào nước, sản phẩm khử hoàn toàn là OH và H2O.

Nhược điểm của AOP

• Nhược điểm lớn nhất của AOP là chi phí cao, vì cần đầu vào liên tục của thuốc thử hóa học đắt tiền để duy trì hoạt động của hầu hết các hệ thống AOP. Do bản chất của chúng, AOP đòi hỏi các gốc hydroxyl và các thuốc thử khác tỷ lệ thuận với số lượng chất gây ô nhiễm phải được loại bỏ.
• Một số kỹ thuật đòi hỏi phải xử lý trước nước thải để đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy, có thể đòi hỏi nhiều chi phí và kỹ thuật. Sẽ không hiệu quả nếu chỉ sử dụng AOP để xử lý một lượng lớn nước thải; thay vào đó, AOP nên được triển khai ở giai đoạn cuối sau khi điều trị chính và phụ đã loại bỏ thành công một tỷ lệ lớn các chất gây ô nhiễm.