## Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, các ngành công nghiệp luyện kim, lọc hóa dầu, giấy, dệt nhuộm phát triển mạnh mẽ đã tạo ra lượng lớn nước thải chứa các hợp chất độc hại, trong đó phenol là một trong những chất ô nhiễm nguy hiểm. Nước thải luyện cốc chứa phenol với nồng độ dao động từ khoảng 311 đến 1650 mg/L tại một số nhà máy luyện than cốc ở Trung Quốc, trong khi tại Việt Nam, nước thải luyện cốc của Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên có nồng độ phenol cao, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo vật liệu nội điện phân Fe-C nhằm tiền xử lý nhóm phenol trong nước thải quá trình luyện cốc, tập trung tại Nhà máy Cốc hóa - Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên, trong giai đoạn năm 2019-2020. Nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả xử lý phenol, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 52:2017/BTNMT). Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải công nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

- **Phương pháp nội điện phân Fe-C**: Dựa trên nguyên lý tạo thành cặp vi điện cực Fe-C, sinh ra dòng điện nhỏ kích thích phản ứng oxy hóa-khử, phân hủy các hợp chất phenol trong nước thải. Quá trình này không cần nguồn điện ngoài, tận dụng phản ứng ăn mòn sắt để tạo ra ion Fe2+ và Fe3+ có khả năng keo tụ và oxy hóa phenol.
- **Phản ứng Fenton và Fenton điện hóa**: Sử dụng Fe2+ và H2O2 để tạo gốc hydroxyl (•OH) có tính oxy hóa mạnh, phân hủy phenol thành các sản phẩm ít độc hại hoặc CO2 và H2O.
- **Khái niệm về phenol và độc tính**: Phenol là hợp chất hữu cơ có nhóm OH gắn trực tiếp vào vòng benzen, có tính độc cao với sinh vật và con người, gây biến đổi tế bào, ức chế quang hợp, và các bệnh lý nghiêm trọng khi tiếp xúc.
- **Các chỉ tiêu môi trường quan trọng**: COD, BOD5, NH4+-N, phenol, tổng N, tổng P, TSS là các chỉ số đánh giá mức độ ô nhiễm và hiệu quả xử lý nước thải.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu**: Mẫu nước thải luyện cốc được lấy tại Nhà máy Cốc hóa - Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên vào tháng 12/2019, bảo quản theo tiêu chuẩn TCVN 5999:1995 và TCVN 6663-3:2016.
- **Chế tạo vật liệu**: Vật liệu nội điện phân Fe-C được chế tạo từ 95% bột Fe, 3% graphit, 2% bentonit, nung kết ở 500-600°C trong 4 giờ.
- **Phân tích đặc trưng vật liệu**: Sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để khảo sát hình thái và thành phần, phương pháp BET để đo diện tích bề mặt riêng.
- **Phân tích phenol**: Xác định nồng độ phenol trước và sau xử lý bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với detector PDA, bước sóng 272 nm, tốc độ dòng 1 mL/phút, nhiệt độ cột 30°C.
- **Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng**: pH, thời gian lắc, khối lượng vật liệu, tốc độ lắc, nồng độ phenol ban đầu được điều chỉnh và khảo sát ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy phenol.
- **Timeline nghiên cứu**: Thực hiện từ tháng 6/2019 đến tháng 6/2020, bao gồm giai đoạn chế tạo vật liệu, khảo sát điều kiện tối ưu, thử nghiệm xử lý mẫu nước thải thực tế và phân tích kết quả.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- **Hiệu suất phân hủy phenol theo pH**: Tối ưu tại pH = 4 với hiệu suất phân hủy đạt trên 90% sau 12 giờ lắc, thấp hơn hoặc cao hơn pH này hiệu suất giảm rõ rệt.
- **Ảnh hưởng thời gian lắc**: Hiệu suất phân hủy phenol tăng theo thời gian, đạt khoảng 95% sau 12 giờ, thời gian ngắn hơn 6 giờ hiệu suất chỉ khoảng 70%.
- **Ảnh hưởng khối lượng vật liệu**: Tăng khối lượng vật liệu Fe-C từ 0,5 g đến 2,5 g làm tăng hiệu suất phân hủy phenol từ khoảng 60% lên trên 90%, sau đó hiệu suất không tăng đáng kể.
- **Ảnh hưởng nồng độ phenol ban đầu**: Với nồng độ phenol từ 50 đến 300 mg/L, hiệu suất phân hủy giảm khi nồng độ tăng, từ 95% xuống còn khoảng 70% ở nồng độ cao nhất.
- **Xử lý nước thải thực tế**: Nồng độ phenol trong nước thải giảm từ khoảng 15 mg/L xuống dưới 0,5 mg/L sau xử lý bằng vật liệu Fe-C, đạt tiêu chuẩn QCVN 52:2017/BTNMT. Các chỉ số COD, BOD5 cũng giảm tương ứng, cải thiện chất lượng nước thải.

### Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý phenol cao nhờ cơ chế nội điện phân tạo ra ion Fe2+, Fe3+ và các gốc hydroxyl có khả năng oxy hóa mạnh, đồng thời keo tụ các chất ô nhiễm. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu ứng dụng vật liệu Fe-C trong xử lý nước thải công nghiệp khác, như loại bỏ COD đạt 40-90% tùy loại nước thải. Việc tối ưu pH ở mức 4 là do điều kiện thuận lợi cho phản ứng ăn mòn sắt và tạo gốc hydroxyl. Thời gian lắc 12 giờ đảm bảo phản ứng diễn ra hoàn chỉnh. Hiệu suất giảm khi nồng độ phenol cao do bề mặt vật liệu bị bão hòa và các sản phẩm trung gian có thể ức chế phản ứng. Kết quả xử lý nước thải thực tế chứng minh tính khả thi và hiệu quả của vật liệu Fe-C trong điều kiện công nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy phenol theo pH, thời gian, khối lượng vật liệu và nồng độ phenol, cũng như bảng so sánh các chỉ số nước thải trước và sau xử lý.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Triển khai ứng dụng vật liệu Fe-C trong tiền xử lý nước thải luyện cốc**: Áp dụng tại các nhà máy luyện cốc trong vòng 1-2 năm để giảm nồng độ phenol và các chất hữu cơ khó phân hủy.
- **Kết hợp phương pháp nội điện phân với xử lý sinh học**: Tăng hiệu quả xử lý tổng thể, giảm chi phí vận hành, thời gian thực hiện trong 3 năm, do các đơn vị xử lý nước thải và nhà máy công nghiệp thực hiện.
- **Nghiên cứu mở rộng vật liệu nội điện phân với các phụ gia cải tiến**: Nâng cao hiệu suất và tuổi thọ vật liệu, giảm chi phí thay thế, tiến hành trong 2 năm tiếp theo bởi các viện nghiên cứu và trường đại học.
- **Xây dựng quy trình vận hành tiêu chuẩn và đào tạo nhân lực**: Đảm bảo vận hành hiệu quả, an toàn, giảm thiểu ô nhiễm thứ cấp, thực hiện trong 1 năm, do các cơ quan quản lý môi trường phối hợp với nhà máy.
- **Theo dõi và đánh giá môi trường định kỳ**: Đảm bảo nước thải đạt chuẩn, phát hiện sớm các vấn đề phát sinh, thực hiện liên tục hàng năm bởi các trung tâm quan trắc môi trường.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Các nhà quản lý môi trường và cơ quan chức năng**: Hỗ trợ xây dựng chính sách, quy chuẩn xử lý nước thải luyện cốc và các ngành công nghiệp liên quan.
- **Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường**: Cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp và kết quả thực nghiệm về công nghệ nội điện phân xử lý phenol.
- **Doanh nghiệp và nhà máy luyện cốc, luyện kim**: Áp dụng công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm, nâng cao trách nhiệm xã hội.
- **Các tổ chức tư vấn và thiết kế hệ thống xử lý nước thải**: Tham khảo để phát triển giải pháp kỹ thuật phù hợp, tối ưu chi phí và hiệu quả xử lý.

## Câu hỏi thường gặp

1. **Phương pháp nội điện phân Fe-C là gì?**  
Là kỹ thuật sử dụng vật liệu Fe-C tạo thành cặp vi điện cực, sinh ra dòng điện nhỏ kích thích phản ứng oxy hóa-khử, phân hủy các hợp chất phenol trong nước thải mà không cần nguồn điện ngoài.

2. **Hiệu quả xử lý phenol của vật liệu Fe-C ra sao?**  
Hiệu suất phân hủy phenol có thể đạt trên 90% trong điều kiện tối ưu (pH=4, thời gian 12 giờ, khối lượng vật liệu 2,5 g/100 mL dung dịch phenol ~100 mg/L).

3. **Phương pháp này có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?**  
Ưu điểm gồm chi phí vận hành thấp, không cần nguồn điện ngoài, hiệu quả cao, thời gian xử lý nhanh, thân thiện môi trường và có thể áp dụng cho nhiều loại nước thải công nghiệp.

4. **Có thể áp dụng công nghệ này ở quy mô công nghiệp không?**  
Có, nghiên cứu đã thử nghiệm thành công trên mẫu nước thải thực tế tại Nhà máy Cốc hóa - Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên, đạt tiêu chuẩn nước thải công nghiệp quốc gia.

5. **Những yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý phenol?**  
Các yếu tố chính gồm pH dung dịch, thời gian tiếp xúc, khối lượng vật liệu Fe-C, tốc độ lắc và nồng độ phenol ban đầu. Tối ưu pH là 4, thời gian 12 giờ, khối lượng vật liệu 2,5 g/100 mL.

## Kết luận

- Đã chế tạo thành công vật liệu nội điện phân Fe-C với đặc trưng cấu trúc và thành phần phù hợp cho xử lý phenol trong nước thải luyện cốc.  
- Xác định được điều kiện tối ưu xử lý phenol gồm pH=4, thời gian 12 giờ, khối lượng vật liệu 2,5 g/100 mL, tốc độ lắc 200 vòng/phút.  
- Hiệu suất phân hủy phenol đạt trên 90% trong dung dịch chuẩn và giảm nồng độ phenol trong nước thải thực tế xuống dưới ngưỡng cho phép.  
- Phương pháp nội điện phân Fe-C có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp khó phân hủy, thân thiện môi trường và kinh tế.  
- Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ tại các nhà máy luyện cốc, kết hợp xử lý sinh học để nâng cao hiệu quả và bảo vệ môi trường bền vững.  

Hành động tiếp theo là tiến hành thử nghiệm quy mô pilot tại Nhà máy Cốc hóa trong 6-12 tháng, đồng thời phát triển quy trình vận hành tiêu chuẩn và đào tạo nhân lực vận hành. Các tổ chức, doanh nghiệp và nhà nghiên cứu được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp.