Nghiên Cứu Quá Trình Hydrodeclo Hóa Hợp Chất PCBs Sử Dụng Xúc Tác Pd/OMC và Pd-Cu/OMC

PCBs là các hợp chất hữu cơ clo hóa có độc tính cao, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Chúng có thể gây ung thư, ảnh hưởng đến hệ thần kinh, hệ miễn dịch và sinh sản. Theo tài liệu, Việt Nam không sản xuất PCBs nhưng nhập khẩu thiết bị chứa dầu PCBs, dẫn đến vấn đề ô nhiễm PCBs nghiêm trọng. Vì thế, cần có các biện pháp xử lý hiệu quả.

Phương pháp hydrodeclo hóa PCBs (Hydrodeclo hóa PCBs) (HDC) là một giải pháp đầy hứa hẹn để xử lý ô nhiễm PCBs. Quá trình này loại bỏ các nguyên tử clo khỏi phân tử PCBs và thay thế chúng bằng hydro, làm giảm độc tính của hợp chất. So với các phương pháp khác như thiêu đốt, HDC có ưu điểm là ít tốn năng lượng, không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại, và có thể thực hiện ở nhiệt độ và áp suất thấp.

Xúc tác đóng vai trò quan trọng trong quá trình hydrodeclo hóa PCBs. Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng xúc tác Palladium (Pd) trên chất mang OMC (Organo-Modified Clay), và xúc tác Pd-Cu/OMC. Việc bổ sung Cu có thể cải thiện độ phân tán của Pd, giảm chi phí xúc tác và tăng cường hiệu quả của quá trình HDC. Vật liệu OMC có cấu trúc mao quản trung bình, giúp tăng khả năng tiếp xúc giữa xúc tác và PCBs, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý.

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc ứng dụng hydrodeclo hóa PCBs là chi phí cao của xúc tác Palladium. Giá thành cao của Palladium làm tăng đáng kể chi phí xử lý. Ngoài ra, hiệu quả của xúc tác có thể bị ảnh hưởng bởi sự ngộ độc do các chất khác, làm giảm hoạt tính xúc tác và độ bền của xúc tác.

Nguồn hydro thường được sử dụng trong quá trình hydrodeclo hóa PCBs là hydro khí nén. Tuy nhiên, việc sử dụng hydro khí nén có nhiều hạn chế, bao gồm chi phí cao, nguy cơ cháy nổ và khả năng hòa tan kém trong dung môi. Nghiên cứu này khám phá các nguồn hydro nội sinh, chẳng hạn như phản ứng giữa kim loại và acid, để tạo ra hydro trực tiếp trong hệ phản ứng, giúp giảm chi phí và tăng tính an toàn.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định một số đặc điểm quá trình phản ứng hydrodeclo hóa PCBs trên các loại xúc tác Pd, Pd-Cu mang trên các chất mang carbon có cấu trúc khác nhau (than hoạt tính Norit, vật liệu OMC tự tổng hợp), sử dụng nguồn hydro nội sinh từ hệ phản ứng giữa kim loại magnesium và ethanol được hoạt hóa bằng acid acetic. Trên cơ sở kết hợp giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm, đề xuất xu hướng tách loại clo của quá trình hydrodeclo hóa PCBs trên các loại xúc tác carbon có cấu trúc khác nhau.

Quá trình tổng hợp vật liệu OMC sử dụng phương pháp khuôn mẫu cứng, trong đó silica đóng vai trò là khuôn. Nguồn carbon được nạp vào các mao quản của silica, sau đó silica bị loại bỏ bằng dung dịch kiềm, tạo ra OMC với cấu trúc mao quản trung bình trật tự. Các yếu tố như loại silica, nguồn carbon và điều kiện nhiệt phân ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của OMC.

Palladium và Đồng được nạp lên chất mang OMC bằng phương pháp tẩm ướt. Các muối kim loại được hòa tan trong dung môi, sau đó chất mang OMC được ngâm trong dung dịch này. Dung môi được loại bỏ bằng cách bay hơi, sau đó xúc tác được nung ở nhiệt độ cao để kim loại phân tán trên bề mặt OMC.

Các xúc tác được đặc trưng hóa bằng nhiều kỹ thuật khác nhau. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể của xúc tác. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được sử dụng để quan sát hình thái và kích thước của các hạt kim loại trên bề mặt OMC. Phương pháp BET được sử dụng để xác định diện tích bề mặt và kích thước mao quản của xúc tác.

Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, áp suất, thời gian phản ứng và tỷ lệ xúc tác/PCB-28 được tối ưu hóa để đạt được hiệu quả cao nhất. Nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến sự phân hủy của xúc tác, trong khi nhiệt độ quá thấp có thể làm giảm tốc độ phản ứng. Tỷ lệ xúc tác/PCB-28 cần được điều chỉnh để đảm bảo đủ lượng xúc tác để phản ứng xảy ra hiệu quả.

Hiệu quả loại bỏ clo từ PCB-28 được đánh giá bằng phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS). Phương pháp này cho phép xác định và định lượng các sản phẩm phản ứng, từ đó đánh giá mức độ loại bỏ clo khỏi phân tử PCB-28. Các sản phẩm phản ứng được phân tích để xác định cơ chế phản ứng và xu hướng tách loại clo.

Nghiên cứu so sánh hiệu quả của các nguồn hydro nội sinh khác nhau trong quá trình hydrodeclo hóa PCBs. Phản ứng giữa kim loại (Mg) và acid (acetic acid) được sử dụng để tạo ra hydro trực tiếp trong hệ phản ứng. Hiệu quả của các nguồn hydro khác nhau được so sánh dựa trên tốc độ phản ứng, độ chuyển hóa PCB-28 và sự hình thành các sản phẩm phụ.

Hiệu quả xử lý hỗn hợp PCBs Arochlor 1242 được đánh giá bằng phương pháp GC-MS. Các sản phẩm phản ứng được phân tích để xác định thành phần và nồng độ của từng đồng phân PCB. Mức độ loại bỏ clo khỏi Arochlor 1242 được xác định để đánh giá hiệu quả của quá trình hydrodeclo hóa.

Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình hydrodeclo hóa PCBs sử dụng xúc tác Pd-Cu/OMC và hydro nội sinh có tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm PCBs thực tế. Quá trình này có thể được sử dụng để xử lý các thiết bị chứa dầu PCBs cũ và các khu vực bị ô nhiễm PCBs. Cần có các nghiên cứu tiếp theo để đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế và kỹ thuật của quá trình này.

Nghiên cứu này đã thành công trong việc phát triển một quy trình hydrodeclo hóa PCBs hiệu quả sử dụng xúc tác Pd-Cu/OMC và hydro nội sinh. Kết quả cho thấy quy trình này có tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm PCBs thực tế. Các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc tối ưu hóa quy trình hơn nữa, đánh giá độ bền của xúc tác, và nghiên cứu ảnh hưởng của các chất ô nhiễm khác đến hiệu quả của quá trình.

Phần mềm Gaussian 09 được sử dụng để tính toán năng lượng và cấu trúc của các phân tử và trạng thái chuyển tiếp trong quá trình hydrodeclo hóa PCBs. Các tính toán này cung cấp thông tin quan trọng về cơ chế phản ứng và xu hướng tách loại clo. Các kết quả tính toán được so sánh với kết quả thực nghiệm để xác nhận tính chính xác của mô hình.

Dựa trên kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm, một cơ chế phản ứng chi tiết được đề xuất cho quá trình hydrodeclo hóa PCBs. Cơ chế này mô tả các bước phản ứng, bao gồm sự hấp phụ của PCB và hydro trên bề mặt xúc tác, sự hình thành các trạng thái chuyển tiếp, và sự tách loại clo. Cơ chế phản ứng này giúp hiểu rõ hơn về vai trò của xúc tác và các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.

Nghiên cứu cũng tập trung vào việc xác định xu hướng tách loại clo từ các vị trí khác nhau trên phân tử PCB. Kết quả cho thấy vị trí clo và các nhóm thế khác ảnh hưởng đến tốc độ tách loại clo. Thông tin này có thể được sử dụng để thiết kế các xúc tác và điều kiện phản ứng tối ưu để loại bỏ clo một cách hiệu quả.