CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. TÌNH HÌNH Ô NHIỄM CHẤT HỮU CƠ Hiện nay, nguồn nước đang bị ô nhiễm. Một trong các loại chất gây ô nhiễm là các chất hữu cơ. Nếu sử dụng nguồn nước sinh hoạt bị ô nhiễm chất hữu cơ sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của con người.
Để đánh giá mức độ ô nhiễm tạp chất hữu cơ trong nước sinh hoạt, người ta sử dụng chỉ số pemanganat (phương pháp xác định nhu cầu oxy hóa học, tương tự COD) trong nước sinh hoạt. Chỉ số Pemanganat vượt ngưỡng 2 theo QCQG 01:2009/BYT là dấu hiệu cho thấy nước bị ô nhiễm các chất hữu cơ ở mức độ nguy hiểm. Các chất hữu cơ khi tương tác với clo sẽ tạo ra chất gây ung thư, nitơ hữu cơ khi tương tác với oxy sẽ tạo ra chất độc nitrit. Nitrit khi vào cơ thể người sẽ gây ra hiện tượng thiếu oxy trong máu (methemoglobin).
Trẻ em khi nhiễm các chất độc này thường xanh xao và dễ bị đe dọa đến tính mạng, đặc biệt là trẻ dưới sáu tháng tuổi. Nitrit khi kết hợp với các axit amin trong cơ thể còn tạo thành chất nitrosamine gây ung thư. Hàm lượng nitrosamin cao khiến cơ thể không kịp đào thải, tích lũy lâu ngày trong gan gây ra hiện tượng nhiễm độc gan, ung thư gan. Nguồn nước có chỉ số Pemanganat cao sẽ nhanh chóng tạo rêu, tảo trong bể chứa - là môi trường thuận lợi cho các vi sinh vật phát triển trong nước.
Với tình trạng phát triển công nghiệp và đô thị, sự phức tạp của các loại rác thải ngoài môi trường ngày càng phức tạp. Sự ô nhiễm chất hữu cơ trong nguồn nước đem đến những ảnh hưởng rất nghiêm trọng. Các hợp chất hữu cơ như phenol, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc nhuộm, chất tẩy rửa…phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau như từ những thiết bị văn phòng (máy in, máy 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tính, máy photocopy…), công nghiệp dệt, thuốc trừ sâu, các chất tẩy rửa… [31,35]. Trong luận án, vật liệu nano BiTaO4 được dùng để phân hủy metylen xanh, metyl da cam và phenol làm minh chứng trong các nghiên cứu.
Metylen xanh và metyl da cam là chất dị vòng thơm. Hai chất này có màu đậm và ổn định ở nhiệt độ phòng; khi phân hủy sẽ sinh ra các khí độc như: Cl2, NO, CO, SO2, CO2, H2S [44]. Phenol (C6H5OH) cũng là một trong những chất độc có trong các nguồn nước thải. Xanh metylen Metyl da cam Phenol Hình 1.
Cấu trúc hóa học của hợp chất xanh metylen, metyl da cam và phenol Các chất trên được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ; sản suất mực in; trong xây dựng như để kiểm nghiệm đánh giá chất lượng bê tông và vữa; được sử dụng trong y học. Nước thải của các ngành này không qua xử lý đã mang các chất trên ra môi trường. Các chất hữu cơ này rất khó phân hủy triệt để trong môi trường tự nhiên. Khi tiếp xúc với các chất oxi hóa trong môi trường tự nhiên và các tác động khác khiến các chất này biến đổi.
Chúng thường biến tính thành các hợp chất trung gian độc hơn gây hại nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Khi sử dụng các phương pháp truyền thống, việc xử lý đem lại hiểu quả không cao. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phương pháp oxi hóa tiên tiến đã đưa ra được phương hướng giải quyết triệt để những loại chất ô nhiễm này. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Để làm giảm hàm lượng của các chất hữu cơ trong nước, người ta sử dụng một số phương pháp như hấp phụ, oxi hóa nhiệt, oxi hóa có xúc tác, phương pháp sinh học… 1.
Phương pháp hóa học Ưu điểm của phương pháp hóa học là tốc độ xử lý nhanh. Qua quá trình xử lý hóa học, các chất hữu cơ thường bị biến đổi để trở thành những chất dễ phân hủy hoặc thành chất khoáng. Các hợp chất azo thường bị khử nối đôi thành những amin thơm không màu có khả năng phân giải vi sinh hiếu khí hơn thuốc nhuộm gốc. Ngoài ra, các chất oxi hóa mạnh thông thường như clo, clođioxit, natri hipoclorit, kali pemanganat, ozon… có thể được dùng để oxi hóa các chất ô nhiễm nói chung và chất hữu cơ độc hại nói riêng.
Quá trình oxi hóa này tiêu tốn một lượng rất lớn tác nhân oxi hóa và nhiệt độ thực hiện tương đối cao. Phương pháp này chỉ được sử dụng khi chất ô nhiễm không thể xử lý được bằng phương pháp khác. Tuy nhiên, các chất trung gian được tạo ra, sản phẩm được tạo thành khó có thể kiểm soát được và có thể có độ độc hại còn lớn hơn chất xử lý ban đầu. Ngày nay, các nhà khoa học đã sử dụng •OH làm tác nhân oxi hóa được gọi là phương pháp oxi hóa tiên tiến (Advanced Oxidation Processess) [11,30,67,69,78,79].
Theo cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ, phương pháp oxi hóa tiên tiến có thể sử dụng nguồn năng lượng bức xạ UV hoặc ánh sáng trong vùng nhìn thấy. Theo một số nghiên cứu, quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs) có những ưu điểm và những hạn chế sau: 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Ưu điểm: + Có khả năng phân huỷ được những hợp chất hữu cơ độc hại mà không gây ô nhiễm từ pha này sang pha khác; + Là quá trình xử lý rất hiệu quả hầu hết các chất hữu cơ gây ô nhiễm và loại bỏ một số kim loại gây độc; + Có thể xử lý được nước thải từ nhiều nguồn thải khác nhau: bệnh viện, công nghiệp, nông nghiệp.; + Giá thành lắp đặt rẻ; + Có thể thực hiện ngay cả ở những mô hình nhỏ ở các nước đang phát triển. + Tác dụng oxi hóa cực mạnh có thể tiêu diệt được các loại vi khuẩn thông thường và những loại vi khuẩn như Campylobacter, Yersina, Mycrobacteria, Legionella, Cryptosporidium. + Tác nhân (•OH) không tạo ra các sản phẩm phụ gây ung thư như các hợp chất chứa clortrihalometan.
- Nhược điểm: + Mặc dù giá thành lắp đặt rẻ nhưng giá thành vận hành lại cao do giá thành của đầu vào (các hoá chất và năng lượng); + Sự hình thành các hợp chất oxi hoá trung gian có thể gây độc; + Luôn phải có người thực hiện, giám sát quá trình thiết kế và vận hành; + Là công nghệ mới nên vẫn tiếp tục cần hoàn thiện. Có nhiều phương pháp được sử dụng trong quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs), có thể tạm chia vào hai dạng: oxi hóa nâng cao (AOPs) dùng ánh 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com sáng và oxi hóa nâng cao (AOPs) không chiếu sáng. Quá trình AOPs thường sử dụng các tác nhân oxi hoá mạnh như hyđroxyl peroxit (H2O2) hoặc ozone (O3), các chất xúc tác (như ion sắt), các chất điện phân và oxit kim loại, chiếu xạ (tia UV, ánh sáng mặt trời hoặc sóng siêu âm). Các phương pháp được sử dụng có thể tách rời độc lập hoặc kết hợp với nhau dưới điều kiện bình thường.
Tuy nhiên, trong số các phương pháp oxi hóa nâng cao (AOPs) thì các phương pháp quang xúc tác được sử dụng rộng rãi hơn trong xử lý nước thải vì có thể tận dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời ở những nơi có cường độ chiếu sáng mạnh, làm giảm chi phí vận hành hệ thống và nâng cao hiệu quả xử lý. Phương pháp sinh học Đây là phương pháp xử lý dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm nước. Các vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ như một nguồn dinh dưỡng để tạo thành năng lượng. Quá trình oxi hóa sinh hóa được chia làm hai loại chính là hiếu khí và yếm khí.
Phương pháp hiếu khí được sử dụng rỗng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp, đối với nước thải dệt nhuộm cách xử lý có thể kết hợp thêm phương pháp lọc, hoặc bùn hoạt tính… Phương pháp này không gây ô nhiễm thứ cấp, chi phí vân hành rẻ, ổn định, khá hiệu quả, tận dụng được ngồn vi sinh vật trong nước thải. Tuy nhiên, phương pháp này cần thời gian xử lý lâu, lượng bùn thải được tạo ra cần biện pháp xử lý và luôn phải cung cấp đủ lượng dinh dưỡng, lượng oxi cho vi sinh vật hoạt động ở mức tối ưu. Phương pháp hóa lý Keo tụ là hiện tượng các hạt keo cùng loại có khả năng hút nhau tạo thành những tập hợp hạt có kích thước và khối lượng đủ lớn để có thể lắng 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com xuống do trọng lực trong một thời gian ngắn. Phương pháp keo tụ để xử lý chất màu dệt nhuộm là phương pháp tách loại chất màu gây ô nhiễm ra khỏi nước dựa trên hiện tượng keo tụ.
Về nguyên tắc, do có độ phân tán lớn, diện tích bề mặt riêng lớn nên các hạt keo có xu hướng hút nhau nhờ các lực bề mặt. Tuy nhiên, do các hạt keo có cùng loại điện tích cùng dấu đặc trưng bằng thế zeta (ξ) nên các hạt keo luôn đẩy nhau bởi lực tĩnh điện, cản trở sự hút nhau tạo các hạt và lắng xuống. Như vậy, thế ξ càng lớn hệ keo càng bền (khó kết tủa), thế ξ càng nhỏ thì các hạt keo càng dễ bị keo tụ. Trong trường hợp lý tưởng khi thế ξ bằng 0, các hạt không tích điện và dễ dàng hút nhau bởi lực bề mặt để tạo thành các hạt có khối lượng lớn và lắng xuống.
Phương pháp keo tụ được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải dệt nhuộm đối với các thuốc nhuộm phân tán và không tan. Đây là phương pháp khả thi về mặt kinh tế, tuy nhiên nó không xử lý được tất cả các loại thuốc nhuộm: thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm trực tiếp; thuốc nhuộm hoàn nguyên keo tụ tốt nhưng không lắng kết dễ dàng, bông cặn chất lượng thấp, thuốc nhuộm hoạt tính rất khó xử lý bằng các tác nhân keo tụ thông thường và còn ít được nghiên cứu. Bên cạnh đó phương pháp keo tụ cũng tạo ra một lượng bùn thải lớn và không làm giảm tổng chất rắn hòa tan nên gây khó khăn cho tuần hoàn nước. Nguyên lý của phương pháp hấp phụ dựa vào đặc tính bên trong vật rắn thường chứa các nguyên tử (ion hoặc phân tử), giữa chúng có các liên kết cân bằng để tạo ra các mạng liên kết cứng (chất vô định hình) hoặc các mạng tinh thể có quy luật (chất tinh thể).
Trong khi đó, các nguyên tử (ion hoặc phân tử) nằm ở bề mặt ngoài không được cân bằng liên kết. Do đó, khi tiếp xúc với một chất khí (hơi hoặc lỏng), vật rắn luôn có khuynh hướng thu hút các chất này lên bề mặt của nó để cân bằng liên kết.