CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Đặc điểm của phenol OH Hình 1.1: Một số hình ảnh về phenol Phenol là những hợp chất hữu cơ mà trong phân tử có chứa nhóm hydroxyl (- OH ) liên kết trực tiếp vào nhân benzene (nhân thơm). Phenol được tìm thấy đầu tiên khi chưng cất than đá vào năm 1834 và có tên là acid cacbolic. Phenol là chất rắn, tinh thể không màu, có mùi đặc trưng.
Khi để lâu ngoài không khí, phenol chảy rữa do hấp thụ hơi nước và bị oxi hóa một phần nên tạo thành chất lỏng có màu hồng. Phenol có tính axit yếu Ka= 1.10-10 nên không làm đổi màu quỳ tím. Phenol có tính sát trùng, rất độc, gây bỏng nặng khi rơi vào da [6]. Nguồn gốc phát sinh phenol 1.
Nguồn gốc tự nhiên Phenol xuất hiện trong tự nhiên như là các chất chuyển hóa trong hệ thực vật và động vật. Phenol có thể phát sinh ra trong quá trình đốt cháy gỗ, khí thải tự nhiên và thuốc lá…Trong tự nhiên phenol được hình thành từ quá trình phân hủy benzen. Phenol và p-cresol được hình thành trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ hoặc tổng hợp các clophenol của nấm và thực vật [36]. Nguồn gốc nhân tạo Phenol xếp trong nhóm 50 loại hóa chất được sản xuất nhiều tại Mỹ.
Nguồn gốc cơ bản phát sinh ô nhiễm phenol trong nước là chất thải từ các cơ sở sản xuất có sử dụng phenol như nguyên liệu hay dung môi của quá trình sản xuất. - Các nhà máy sản xuất dược phẩm có các mặt hàng thuốc giảm đau aspirin, axit salicylic…trong nước thải vệ sinh thiết bị, dụng cụ sẽ thải ra phenol. Trương Thị Nga KSCNSH 11 - 02 3 Khóa luận tốt nghiệp - Phenol phát sinh trong nước thải của quá trình sản xuất công nghiệp: dệt nhuộm, các nhà máy sản xuất cao su, nhà máy lọc dầu, nhà máy sợi thủy tinh, trong công nghiệp sản xuất cà phê, các ngành công nghiệp hóa học [7]. Hầu hết các hợp chất phenol khi được thải rửa từ các nhà máy đều đi vào môi trường nước.
Chúng không những gây ô nhiễm môi trường sinh thái mà còn gây hại đến con người và các loài sinh vật sống trong nước. - Phenol được sử dụng trong thành phần thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm mốc… Trong quá trình tồn trữ, bảo quản và sử dụng sẽ có tình trạng thoát ra ngoài gây ô nhiễm môi trường [13]. Tình trạng ô nhiễm phenol và ảnh hưởng của phenol 1. Tình trạng ô nhiễm phenol hiện nay Theo tổ chức bảo vệ môi trường của Mỹ (EPA) hiện có 11 hợp chất phenol gây ô nhiễm môi trường chủ yếu hiện nay là: 4-Cloro-3-Methylphenol, 2- Clorophenol, 2,4-Diclorophenol, 2,4-Dimethylphenol, 2,4-Dinitrophenol, 2-Methyl- 4,6-Dinitrophenol, 2-Nitrophenol, 4-Nitrophenol, Pentaclorophenol, 2,4,6- Triclorophenol và phenol.
Ngoài ra, còn nhiều dẫn xuất họ phenol khác như: Pyrocatechol, Resorcinol, 3-Nitrophenol, 1,3-Diclorophenol, 2,3,4,6- Tetraclorophenol…[11]. Nhiều nghiên cứu cho thấy sự có mặt của phenol trong các mẫu nước lấy tại sông, hồ với nồng độ cao. Ở cộng hòa Serbia, nồng độ phenol gần Kraljevo là 0,7 µg/l, Raska là 7,2 µg/l. Ở sông Hoàng Hà-Trung Quốc nồng độ phenol là 4 µg/l.
Ở Hà Lan, nồng độ phenol trong nước bề mặt là 2,5-5,6 µl. Tại Hoa Kỳ, phenol cũng được tìm thấy trong nguồn cấp nước sinh hoạt ở mức 1 µg/l [14]. Trong nước tự nhiên, nồng độ phenol trong khoảng 0,01-2 µg/l. Nồng độ phenol trong không khí thấp hơn, khoảng 1 ng/m3.
Ở gần các nhà máy chế biến gỗ, nồng độ phenol rất cao, có thể đạt 9,7 µg/m3 [8]. Trong thực phẩm, phenol có mặt với nồng độ trung bình 5 µg/kg ở mật ong và cà phê. Trong các thực phẩm chế biến, nồng độ phenol cũng ở mức báo động như trong xúc xích nồng độ là 1 µg/kg, trong lớp vỏ ngoài của thịt hun khói nồng độ là 37-70 mg/kg. Trương Thị Nga KSCNSH 11 - 02 4 Khóa luận tốt nghiệp 1.
Hậu quả của ô nhiễm phenol Nguy cơ nhiễm phenol đối với con người là rất lớn do phenol có khả năng tồn tại trong đất, nước và trong cả không khí, phenol xâm nhập vào cơ thể người thông qua tiếp xúc trực tiếp qua da, qua đường hô hấp hoặc nuốt phải chất có chứa phenol. Các kết quả nghiên cứu cho thấy phenol và dẫn xuất có độc tính cao. Giá trị LC50 (nồng độ gây chết 50% số cơ thể người hay động vật khi cơ thể đó được đưa vào một lượng chất độc nhất định) và EC50 (nồng độ gây hại 50% quần thể trong điều kiện thực nghiệm quan sát rõ ràng) đối với giáp xác và cá khoảng 3-7 mg/l. Những ảnh hưởng chính đến cơ thể con người gồm tác động đến tim, gây đau hệ hô hấp, gây nhiễm acid trong quá trình trao đổi chất, sự tuần hoàn máu, ảnh hưởng hệ thần kinh… Liều thấp nhất có thể gây tử vong bằng đường tiêu hóa là khoảng 4,8 gam và trong thời gian không quá 19 phút.
Những triệu chứng do hít phải phenol như chán ăn, giảm cân, nhức đầu, chóng mặt… Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra sự liên quan về sự đau bắp thịt, sưng gan của con người khi tiếp xúc với phenol lâu ngày. Phenol còn gây bỏng cho da, làm rối loạn nhịp tim. Giới hạn tối đa cho phép phenol trong cơ thể là 0,6 mg/kg trọng lượng cơ thể. Hiện nay chưa có một nghiên cứu cụ thể nào chỉ ra rằng phenol có khả năng gây ra ung thư ở người [25].
Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu trên động vật khi cho chúng ăn thường xuyên thức ăn có chứa phenol ở hàm lượng cho phép chỉ ra rằng động vật đó xuất hiện các khối u hoặc một chất gây ung thư da ở chuột. EPA(Environmetal Protection Agency) đã xét phenol vào nhóm D-nhóm có khả năng gây bệnh ung thư ở người do chưa có các số liệu liên quan tới hiệu ứng gây ung thư trong người và động vật. Các biện pháp xử lý tẩy độc phenol 1. Phương pháp cơ học Các phương pháp như quang hóa, cho bay hơi, đào, chôn lấp đất ô nhiễm được sử dụng để phân hủy phenol trong một số trường hợp nhất định.
Tuy nhiên, các phương pháp này cho hiệu quả xử lý không cao và để lại một lượng tồn dư trong môi trường. Trương Thị Nga KSCNSH 11 - 02 5 Khóa luận tốt nghiệp 1. Phương pháp vật lý Các phương pháp như sử dụng tia UV hay than hoạt tính để xử lý nguồn ô nhiễm phenol cũng cho hiệu quả nhất định, đặc biệt là sử dụng than hoạt tính. Than hoạt tính là vật liệu hấp phụ phổ biến nhất từ trước đến nay, vật liệu này có ưu điểm là diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, nhiều lỗ xốp có kích thước rất nhỏ, khả năng hấp phụ cao, độ tinh khiết cao, ít lẫn tạp chất, dễ sử dụng và không độc hại.
Than hoạt tính có khả năng hấp phụ phenol, các dẫn xuất của phenol và một số kim loại nặng rất hiệu quả, đạt trên 90% (Ésposito và ctv, 2003), than hoạt tính dạng hạt hấp phenol đạt 96% trong 3 giờ, nhiệt độ 30oC (Hawaiah Imam Maarof và ctv, 2004). Than hoạt tính xử lý nước gồm hai dạng chính: than hoạt tính dạng bột PAC (Powder actived carbon) và than hoạt tính dạng hạt GAC (Granular actived carbon). - Than hoạt tính dạng bột (PAC) được đưa vào nước trong quá trình keo tụ- lắng. Hạn chế của phương pháp này là đối với nguồn nước bị ô nhiễm hữu cơ cao, lượng PAC cần cho vào nước lớn, tốn kém và nếu sử dụng thường xuyên sẽ tạo lượng cặn lớn.
Do vậy, phương pháp này chỉ áp dụng trong trường hợp khẩn cấp, khi lượng hữu cơ ô nhiễm trong nguồn nước tăng đột biến, như là quá trình xử lý sơ bộ. - Than hoạt tính dạng hạt (GAC) được sử dụng rộng rãi như một loại vật liệu lọc. Thời gian sử dụng cuả cột lọc GAC phụ thuộc vào loại và lượng chất ô nhiễm trong nước. Thông thường, để xử lý các sản phẩm của Clo thì 6-12 tháng, để xử lý thuốc trừ sâu, các chất hữu cơ tổng hợp từ 1-2 năm, để xử lý mùi và vị khoảng 2-5 năm.
Phương pháp hóa học Sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh như: H2O2, ozone, chlorine, hệ Fenton để oxi hóa phenol trong nước thải tạo thành những hợp chất hữu cơ ít ô nhiễm hoặc chuyển hóa để thành CO2 và H2O. Các phương pháp kể trên mặc dù có hiệu quả trong việc loại bỏ phenol, tuy nhiên không triệt để vì sau khi qua các vật liệu vẫn còn tồn dư của phenol đồng thời mất khá nhiều thời gian xử lý. Trương Thị Nga KSCNSH 11 - 02 6 Khóa luận tốt nghiệp 1. Phương pháp sinh học Ngày nay với sự phát triển không ngừng của công nghệ sinh học, các phương pháp ứng dụng sinh học trong xử lý nước thải ngày càng tỏ rõ các ưu điểm của mình và ngày càng được ứng dụng rộng rãi.
Phương pháp sinh học dựa trên nguyên tắc các sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số khoáng chất có sẵn trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và tạo nên năng lượng. Biện pháp sinh học có những ưu điểm sau: - Có thể xử lý nước thải có phổ nhiễm bẩn các chất hữu cơ rộng. - Hệ thống có thể tự điều chỉnh phổ các chất nhiễm bẩn và nồng độ chất nhiễm bẩn. - Thiết kế trang thiết bị đơn giản - Chi phí thực hiện không cao - Tạo sản phẩm không độc hại, thân thiện với môi trường.
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm đó phương pháp xử lý sinh học cũng có những nhược điểm sau: - Phân hủy sinh học diễn ra chậm - Thời gian xử lý kéo dài Xử lý chất ô nhiễm theo phương pháp phân hủy sinh học có thể tiến hành theo hai hướng chính: tăng cường sinh học và kích thích sinh học. - Tăng cường sinh học là phương pháp sử dụng tập đoàn vi sinh vật bản địa đã được làm giàu hoặc vi sinh vật sử dụng các chất độc từ nơi khác, thậm chí vi sinh vật đã được cải tiến về mặt di truyền bổ sung vào các môi trường bị ô nhiễm. Tuy nhiên, vẫn còn có những khó khăn trong việc bổ sung vi sinh vật vào các nơi bị ô nhiễm do chi phí lớn, hiệu quả phân hủy nhiều khi không cao do nhiều nguyên nhân (sự cạnh tranh của vi sinh vật, độ độc của môi trường, sự thiếu hụt nguồn dinh dưỡng, các chất đa lượng và vi lượng cần thiết cho hoạt động phân hủy của vi sinh vật) [22].