Công nghệ Fenton ứng dụng trong xử lý nước thải

Công nghệ Fenton ứng dụng trong giải quyết và giải quyết và giải quyết và giải quyết và giải quyết và giải quyết và giải quyết và giải quyết và giải quyết và giải quyết và giải quyết và xử lý nước thải

1. QUÁ TRÌNH FENTON TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI LÀ GÌ?

Bạn Đang Xem: Công nghệ Fenton ứng dụng trong xử lý nước thải

Quá trình sản xuất ngày một phát triển, kèm theo đó lượng nước thải sinh ra ngày càng nhiều, nồng độ những chất ô nhiễm ngày càng gia tăng. Việc ứng dụng ngày càng cao những công nghệ tiên tiến tiên tiến sản xuất mới, sử dụng những hóa chất mới có hiệu suất cao cao, đã làm nồng độ ô nhiễm trong nước thải phức tạp thêm, ngày càng tăng những chất bẩn khó xử lý đặc biệt là những chất hữu cơ khó phân hủy sinh học.
 

Xem Thêm : Thanh lý giàn giáo cũ tại hà nội? – https://dontu.net

 

Các chiêu thức xử lý nước thải phổ cập như hiện nay gồm có xử lý hóa lý, xử lý sinh học…, có hiệu suất cao cao trong việc làm giảm nồng độ những chất bẩn như cặn lơ lửng, những chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Tuy nhiên so với những chất hữu cơ khó phân hủy sinh học những những công nghệ trên chưa bảo vệ được hiệu suất cao xử lý.
 
Giải pháp oxy hóa những chất khó phân hủy sinh học được tính đến. Trong xử lý nước thải, nó được đặt tên là oxy hóa bậc cao (AOPs- Advanced Oxidation Processes). Giải pháp này yên cầu tạo ra một chất trung gian có hoạt tính cao, có năng lực oxy hóa hiệu suất cao những chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, trong xử lý nước thải đó là những gốc hydroxyl tự do ( *OH).
 
Trong việc áp dụng giải pháp này (AOPs), quy trình Fenton và những quy trình kiểu Fentom (Fenton – like processes) được cho là giải pháp có hiệu suất cao cao. Công trình điều tra và nghiên cứu và điều tra này được J.H. Fenton công bố vào năm 1894 trong tạp chí hội hóa học ở Mỹ. Quá trình này dùng tác nhân là tổng hợp H2O2 và muối sắt Fe2 làm tác nhân oxy hóa, trong thực tiễn đã chứng minh hiệu suất cao xử lý và kinh tế của giải pháp này khá cao. Nhược điểm của nó là, việc oxy hóa trọn vẹn hoàn toàn hoàn toàn hoàn toàn hoàn toàn hoàn toàn hoàn toàn hoàn toàn hoàn toàn hoàn toàn hoàn toàn hoàn toàn có thể dẫn tới khoáng hóa trọn vẹn những chất hữu cơ thành CO2, nước, những ion vô cơ và do vậy phải sử dụng nhiều hóa chất sau xử lý này làm cho ngân sách xử lý cao. Vì vậy, trong những trường hợp chỉ nên áp dụng quy trình Fenton để phân hủy từng phần, chuyển những chất khó phân hủy sinh học thành có năng lực phân hủy sinh học rồi tiếp tục dùng những quy trình xử lý sinh học tiếp sau.
 
Sử dụng phản ứng oxy hóa để hủy hoại những chất ô nhiễm là một giải pháp xử lý ô nhiễm có hiệu quả. Từ đầu những năm 70 người ta đã đưa ra một quy trình áp dụng nguyên tắc phản ứng Fenton để xử lý ô nhiễm nước thải mà theo đó hyđro peroxyt phản ứng với sắt (II) sunfat sẽ tạo ra gốc tự do hyđroxyl có năng lực phá hủy những chất hữu cơ. Trong một số trường hợp nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn, một số chất hữu cơ sẽ chuyển hóa thành CO2 và nước. Hiện nay những lao lý bảo vệ môi trường tự nhiên càng trở nên khắc nghiệt hơn vì thế phương pháp Fenton lại càng được chú trọng. 
 
Dùng cho phản ứng Fenton cần có xúc tác và chất oxy hóa. Chất xúc tác có thể là muối sắt hai hoặc sắt ba còn chất oxy hóa là hyđro peroxit. Phản ứng tạo ra gốc tự do hyđroxyl diễn ra như sau:
Fe2 H2O2 > Fe3 OH- OH.
Fe3 H2O2 -> Fe2 H HOO.
2H2O2 > H2O OH. HOO.
 
Phản ứng của gốc hydroxyl :Gốc hydroxyl là chất oxy hóa mạnh, chỉ sau Fluorine. Phản ứng hóa học của gốc hydroxyl trong nước có 4 dạng :
 
(1) Dạng cộng thêm : Gốc hydroxyl thêm vào một hợp chất chưa bão hòa, aliphatic (béo) hay aromatic (thơm) để tạo nên một loại sản phẩm có gốc tự do .
*OH C6H6 -> *(OH)C6H6
 
(2) Dạng loại hydro : Phản ứng tạo ra một gốc hữu cơ tự do và nước
*OH CH3OH -> *CH2OH H2O
 
(3) Dạng quy đổi electron : Tạo ra những ion ở trạng thái hóa trị cao hơn (hoặc một nguyên tử, một gốc tự do nếu ion mang điện tích 1- bị oxy hóa ) :
*OH [Fe(CN)6]4- -> [Fe(CN)6]3- OH-
 
(4) Dạng tương tác giữa những gốc : 2 gốc hydroxyl phản ứng với nhau hay 1 gốc hydroxyl phản ứng với một gốc khác để tạo nên một sản phẩm bền vững và kiên cố hơn:
*OH *OH -> H2O2
 
Trong việc ứng dụng phản ứng Fenton xử lý nước thải, những điều kiện của phản ứng được kiểm soát và kiểm soát và điều chỉnh để ưu tiên xảy ra theo 2 chính sách đầu.
 
Ngoài ra, phản ứng oxy hóa còn được xúc tác bởi một lượng nhỏ mangan dưới dạng muối sulfate. Các nghiên cứu trước đây cho thấy, sự hiện hữu của mangan làm tăng hiệu suất cao phản ứng nhưng chỉ với một tỉ lệ mangan rất thấp (nếu nhiều mangan quá cũng không tốt). Mangan làm tăng tác dụng hấp phụ của bông hydroxit và vai trò của mangan hầu hết thể hiện khi pH được nâng lên khoảng chừng chừng chừng 7-8.

2. QUÁ TRÌNH FENTON TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Thông thường qui trình oxi hóa Fenton đồng thể gồm 4 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Điều chỉnh pH phù hợp: Trong những phản ứng Fenton, độ pH tác động ảnh hưởng tới vận tốc phản ứng và nồng độ Fe2, từ đó ảnh hưởng lớn đến vận tốc phản ứng và hiệu quả phân hủy những chất hữu cơ, pH thích hợp cho quy trình là từ 2 – 4, tối ưu nhất là ở mức 2,8. Đã có nhiều khu công trình nghiên cứu nhằm giảm thiểu khó khăn vất vả vất vả 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 những 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 quy 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 tiến trình 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 những hợp chất hữu cơ có trong nước cần xử lý, chuyển chất hữu cơ từ dạng cao phân thành những 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 quy trình oxi hóa cần nâng pH dung dịch lên >7 để triển khai kết tủa Fe3 mới hình thành: 
Fe3     3OH- —–>  Fe(OH)3. 
Kết tủa Fe(OH)3 mới hình thành sẽ thực hiện những cơ chế keo tụ, đông tụ, hấp phụ một phần những chất hữu cơ đa phần là những chất hữu cơ cao phân tử
 
Giai đoạn 4: Quá trình lắng: Các bông keo sau khi hình thành sẽ lắng xuống khiến làm giảm COD, màu, mùi trong nước thải. Sau quá trình lắng những chất hữu cơ còn lại (nếu có) trong nước thải chủ yếu là những hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp sẽ được xử lý bổ trợ bằng phương pháp sinh học hoặc bằng những phương pháp khác.

Nồng độ sắt: Nếu không có sắt, sẽ không có sự hình thành gốc hydroxyl. Chẳng hạn như, H2O2 được thêm vào nước thải có tính phenol (nồng độ phenol không giảm vì phản ứng phá hủy phenol cần xúc tác sắt). 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 biến hóa 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 nổi bật 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 khởi đầu xúc tác nhanh gọn 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 ưu thích 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. 
 
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 thay mặt cho các chất trung gian bị oxy hóa. Mỗi sự quy đổi trong chuỗi này có vận tốc phản ứng riêng, và nhiều lúc 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 mở màn tăng dần, sự khử COD có thể xảy ra với ít hoặc không có sự biến hóa độc tính cho đến khi đạt một ngưỡng mà trên ngưỡng đó, việc thêm H2O2 sẽ làm giảm nhanh chóng độc tính nước thải.
 
Nhiệt độ: Tốc độ phản ứng Fenton tăng cùng với sự ngày càng 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 ngày càng tăng nhiệt độ (nhất là khi lượng H2O2¬ lớn hơn 10-20g/l). Điều hòa nhiệt độ quan trọng còn bởi nguyên do an toàn.
 
pH: pH tối ưu của phản ứng Fenton trong khoảng 3-6 (4-4,5 :tốt). Khi pH tăng cao trên 6, hiệu suất phản ứng sụt giảm do sự quy đổi của sắt từ ion sắt II thành dạng keo hydroxit sắt III. Dạng sắt III hydroxide xúc tác phân hủy H2O2 ¬thành oxy và nước mà không tạo nên gốc hydroxyl. Khi pH nhỏ hơn 3, hiệu suất phản ứng cũng sụt giảm nhưng đỡ hơn.
 
Mặt khác, pH còn liên hệ với tiến triển của phản ứng. Ví dụ như pH nước thải bắt đầu là 6. Trước tiên, pH giảm do thêm xúc tác FeSO4. Sau đó, pH giảm nhiều hơn khi thêm H2O2¬, sự giảm cứ tiếp tục dần dần đến một mức nào đó (tùy vào nồng độ xúc tác). Người ta cho là sự giảm này do quá trình phân hủy các chất hữu cơ thành axit hữu cơ. Sự đổi khác pH tiếp tục được giám sát để bảo vệ rằng phản ứng đang tăng trưởng theo đúng tiến độ. Nếu không xảy ra sự giảm pH, điều đó có thể có nghĩa là phản ứng bị cản trở. Những dòng nước thải đậm đặc (10g/l COD) cần oxy hóa nhiều bậc và điều chỉnh lại pH sau mỗi quy trình tiến độ để ngăn ngừa pH thấp làm cản trở phản ứng.
 
Thời gian phản ứng: Thời gian thiết yếu để hoàn thành một phản ứng Fenton nhờ vào vào nhiều yếu tố trên, đáng quan tâm nhất là liều lượng xúc tác và mức ô nhiễm của nước thải. Đối với sự oxy hóa phenol đơn thuần (<250 mg/l), thời hạn phản ứng nổi bật là 30-60 phút. Đối với các dòng thải phức tạp hoặc đậm đặc hơn, phản ứng có thể mất vài giờ. Trong trường hợp này, thực hiện phản ứng theo từng bậc (nhiều bước), thêm cả vừa sắt và H2O2 sẽ hiệu quả hơn, bảo bảo vệ đảm bảo đảm bảo đảm an toàn hơn là cho tất cả hóa chất vào ngay từ đầu. 
 
Việc xác lập điểm kết thúc phản ứng cũng khá khó khăn. Sự hiện hữu của dư lượng H2O2 sẽ cản trở quá trình nghiên cứu và phân tích nước thải. Dư lượng H2O2 có thể bị khử bằng cách tăng pH đến 7-10, hoặc trung hòa với dung dịch bisulfite. Thường thì việc quan sát sự biến hóa màu cũng có thể nhìn nhận tiến trình phản ứng.

Xem Thêm : BÁO GIÁ CỬA EUROWINDOW CHÍNH HÃNG MỚI NHẤT 2022

Nếu không có sắt, sẽ không có sự hình thành gốc hydroxyl. Chẳng hạn như, H2O2 được thêm vào nước thải có tính phenol (nồng độ phenol không giảm vì phản ứng phá hủy phenol cần xúc tác sắt). 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 nổi bật là 1 phần Fe trên 1-10 phần H2O2.: Đối với hầu hết các ứng dụng, muối Fe2 hay Fe3 đều có thể dùng xúc tác phản ứng. Phản ứng mở màn 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 yêu thích 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.: 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 -> CO2Với A, B, C, D đại diện cho các chất trung gian bị oxy hóa. Mỗi sự chuyển đổi trong chuỗi này có vận tốc 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.Tốc độ phản ứng Fenton tăng cùng với sự ngày càng 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.pH tối ưu của phản ứng Fenton trong khoảng 3-6 (4-4,5 :tốt). Khi pH tăng cao trên 6, hiệu suất phản ứng sụt giảm do sự chuyển đổi của sắt từ ion sắt II thành dạng keo hydroxit sắt III. Dạng sắt III hydroxide xúc tác phân hủy H2O2 ¬thành oxy và nước mà không tạo nên gốc hydroxyl. Khi pH nhỏ hơn 3, hiệu suất phản ứng cũng sụt giảm nhưng đỡ hơn.Mặt khác, pH còn liên hệ với tiến triển của phản ứng. Ví dụ như pH nước thải ban đầu là 6. Trước tiên, pH giảm do thêm xúc tác FeSO4. Sau đó, pH giảm nhiều hơn khi thêm H2O2¬, sự giảm cứ tiếp tục dần dần đến một mức nào đó (tùy vào nồng độ xúc tác). Người ta cho là sự giảm này do quá trình phân hủy các chất hữu cơ thành axit hữu cơ. Sự thay đổi pH thường xuyên được giám sát để đảm bảo rằng phản ứng đang phát triển theo đúng tiến độ. Nếu không xảy ra sự giảm pH, điều đó có thể có nghĩa là phản ứng bị cản trở. Những dòng nước thải đậm đặc (10g/l COD) cần oxy hóa nhiều bậc và điều chỉnh lại pH sau mỗi tiến trình để ngăn ngừa pH thấp làm cản trở phản ứng.Thời gian thiết yếu để hoàn thành một phản ứng Fenton phụ thuộc vào nhiều yếu tố trên, đáng chú ý nhất là liều lượng xúc tác và mức ô nhiễm của nước thải. Đối với sự oxy hóa phenol đơn giản (<250 mg/l), thời gian phản ứng điển hình là 30-60 phút. Đối với các dòng thải phức tạp hoặc đậm đặc hơn, phản ứng có thể mất vài giờ. Trong trường hợp này, thực hiện phản ứng theo từng bậc (nhiều bước), thêm cả vừa sắt vàsẽ hiệu quả hơn, an toàn hơn là cho tất cả hóa chất vào ngay từ đầu.Việc xác định điểm kết thúc phản ứng cũng khá khó khăn. Sự hiện diện của dư lượng H2O2 sẽ cản trở quá trình phân tích nước thải. Dư lượngcó thể bị khử bằng cách tăng pH đến 7-10, hoặc trung hòa với dung dịch bisulfite. Thường thì việc quan sát sự thay đổi màu cũng có thể đánh giá tiến trình phản ứng.


 

Hiện nay trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu, ứng dụng H2O2 làm chất oxy hóa kết hợp với các chất xúc tác vô cơ như: CuO, ZnO, Al203, Ni2O3, MnO, FeSO4… cho xử lý nước thải. Riêng hệ phản ứng kết hợp giữa H2O2 và FeSO4 đã được áp dụng phổ biến cho xử lý nhiều loại nước thải khác nhau như: nước thải dệt nhuộm, nước thải giấy, nước thải lọc dầu, thực phẩm, các ngành công nghiệp hóa chất độc hại …
Các ứng dụng khác trong lĩnh vực môi trường của H2O2 đã được thế giới áp dụng gồm có :

Xem Thêm : Thanh lý giàn giáo cũ tại hà nội? – https://dontu.net

 

Nguồn: https://dontu.net
Danh mục: noindex

Related Posts