NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI KHÓ PHÂN HỦY SINH HỌC BẰNG CÔNG NGHỆ FENTON ĐIỆN HÓA XÚC TÁC Fe304/Mn304

Luận án tiến sĩ về xử lý nước thải khó phân hủy bằng công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4. Nghiên cứu kỹ thuật môi trường, giải pháp xử lý hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Đức Đạt Đức
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tấn Phong
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Xử Lý Nước Thải Khó Phân Hủy Sinh Học Bằng Công Nghệ Fenton Điện Hóa Xúc Tác Fe3O4/Mn3O4
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Xử Lý Nước Thải Khó Phân Hủy Sinh Học

Nước thải khó phân hủy sinh học là một vấn đề môi trường cấp bách. Chúng chứa các hợp chất hữu cơ phức tạp, khó bị phân hủy bởi vi sinh vật. Điều này gây ra ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Các nguồn phát sinh chính bao gồm nước thải công nghiệp từ dệt nhuộm, sản xuất cà phê, thuốc bảo vệ thực vật và nhiều ngành khác. Việc xử lý nước thải này đòi hỏi các công nghệ tiên tiến để loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm. Các phương pháp truyền thống thường không đủ khả năng xử lý triệt để, dẫn đến sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp mới, hiệu quả xử lý nước thải cao hơn. Theo nghiên cứu của Đại học Bách Khoa TP.HCM, vật liệu Fe3O4/Mn3O4 là một chất xúc tác tiềm năng cho quá trình Fenton.

1.1. Nguồn Gốc và Tính Chất Nước Thải Khó Phân Hủy Sinh Học

Nước thải khó phân hủy sinh học xuất phát từ nhiều nguồn công nghiệp, mỗi loại mang đặc trưng riêng về thành phần và tính chất ô nhiễm. Nước thải dệt nhuộm chứa các loại thuốc nhuộm tổng hợp, hóa chất xử lý vải, có độ màu cao và độc tính. Nước thải sản xuất cà phê hòa tan chứa nhiều chất hữu cơ, caffeine, tannin, tạo ra COD và BOD cao. Nước thải thuốc bảo vệ thực vật chứa các hợp chất hóa học độc hại, tồn dư thuốc trừ sâu, diệt cỏ. Các chất ô nhiễm này có cấu trúc phức tạp, khó bị phân hủy tự nhiên, gây ảnh hưởng lâu dài đến môi trường nếu không được xử lý hiệu quả. Việc hiểu rõ nguồn gốc và tính chất của từng loại nước thải là cơ sở để lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp.

1.2. Các Công Nghệ Xử Lý Nước Thải Khó Phân Hủy Sinh Học Hiện Nay

Hiện nay, có nhiều công nghệ được áp dụng để xử lý nước thải khó phân hủy sinh học. Các phương pháp vật lý như keo tụ, lắng, lọc được sử dụng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng. Các phương pháp hóa học như oxy hóa nâng cao (AOPs), quá trình Fenton, ozone hóa được sử dụng để phân hủy các chất hữu cơ. Các phương pháp sinh học như xử lý bằng bùn hoạt tính cải tiến được sử dụng để phân hủy sinh học các chất ô nhiễm. Tuy nhiên, các công nghệ này có những hạn chế nhất định về hiệu quả, chi phí, và khả năng xử lý triệt để các chất ô nhiễm đặc biệt. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới, hiệu quả hơn là cần thiết.

1.3. Giới Thiệu Về Công Nghệ Fenton Điện Hóa Xúc Tác Fe3O4 Mn3O4

Công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4 là một giải pháp tiên tiến trong xử lý nước thải khó phân hủy sinh học. Phương pháp này kết hợp quá trình Fenton truyền thống với điện phân và chất xúc tác dị thể Fe3O4/Mn3O4. Trong quá trình này, ion Fe2+ được tái tạo liên tục bằng điện phân, tăng cường khả năng tạo gốc hydroxyl (OH), một chất oxy hóa mạnh. Chất xúc tác Fe3O4/Mn3O4 giúp tăng tốc độ phản ứng, giảm lượng hóa chất sử dụng, và dễ dàng thu hồi, tái sử dụng. Công nghệ này hứa hẹn hiệu quả cao, chi phí hợp lý và thân thiện với môi trường.

II. Vấn Đề Thách Thức Xử Lý Nước Thải Khó Phân Hủy Sinh Học

Việc xử lý nước thải khó phân hủy sinh học đặt ra nhiều thách thức về công nghệ, kinh tế và môi trường. Các chất ô nhiễm khó phân hủy đòi hỏi quy trình xử lý phức tạp, tiêu tốn nhiều năng lượng và hóa chất. Chi phí xử lý cao có thể là rào cản đối với các doanh nghiệp. Việc sử dụng các hóa chất trong quá trình xử lý có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại, gây ô nhiễm thứ cấp. Đồng thời, việc xử lý bùn thải phát sinh từ quá trình xử lý cũng là một vấn đề nan giải. Do đó, cần có các giải pháp xử lý hiệu quả, bền vững, và thân thiện với môi trường.

2.1. Hạn Chế Của Các Phương Pháp Xử Lý Truyền Thống

Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống như xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính thường không hiệu quả đối với các chất hữu cơ khó phân hủy. Chúng đòi hỏi thời gian xử lý dài, hiệu quả loại bỏ thấp, và dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường. Các phương pháp hóa lý như keo tụ, lắng, lọc chỉ loại bỏ được các chất rắn lơ lửng, không loại bỏ được các chất ô nhiễm hòa tan. Các quá trình Fenton truyền thống sử dụng ion Fe2+ tan trong nước, gây ra vấn đề về bùn thải chứa sắt, khó xử lý. Vì vậy, cần có các công nghệ tiên tiến hơn để giải quyết các hạn chế này.

2.2. Yêu Cầu Về Hiệu Quả và Tính Bền Vững Trong Xử Lý Nước Thải

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, việc xử lý nước thải không chỉ đòi hỏi hiệu quả cao mà còn phải đảm bảo tính bền vững. Các công nghệ xử lý cần giảm thiểu sử dụng năng lượng và hóa chất, giảm lượng bùn thải phát sinh, tái sử dụng được các nguồn tài nguyên, và không gây ô nhiễm thứ cấp. Mục tiêu là hướng tới một nền kinh tế tuần hoàn, trong đó nước thải được coi là một nguồn tài nguyên có thể tái chế và tái sử dụng. Điều này đòi hỏi sự đổi mới về công nghệ và cách tiếp cận trong quản lý nước thải.

2.3. Tác Động Của Nước Thải Chưa Xử Lý Đến Môi Trường và Sức Khỏe

Nước thải khó phân hủy sinh học chưa được xử lý hoặc xử lý không đạt tiêu chuẩn gây ra những tác động nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Chúng gây ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh, và có thể xâm nhập vào chuỗi thức ăn. Các chất ô nhiễm trong nước thải có thể gây ra các bệnh về da, tiêu hóa, hô hấp, và thậm chí là ung thư. Việc xả thải nước thải bừa bãi còn làm suy thoái đất, ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp. Vì vậy, việc đầu tư vào công nghệ xử lý xanh, hiệu quả là vô cùng quan trọng để bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

III. Phương Pháp Fenton Điện Hóa Xúc Tác Fe3O4 Mn3O4 Giải Pháp Tiên Tiến

Công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4 nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn cho bài toán xử lý nước thải khó phân hủy. Sự kết hợp giữa quá trình Fenton, điện phân và xúc tác dị thể mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Xúc tác Fe3O4/Mn3O4 không chỉ tăng tốc độ phản ứng mà còn dễ dàng thu hồi và tái sử dụng, giảm thiểu chi phí và ô nhiễm thứ cấp. Quá trình điện phân giúp tái tạo liên tục ion Fe2+, duy trì hiệu quả oxy hóa cao. Nghiên cứu cho thấy, công nghệ này có khả năng loại bỏ hiệu quả nhiều chất ô nhiễm khó phân hủy trong các loại nước thải công nghiệp khác nhau.

3.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của Công Nghệ Fenton Điện Hóa

Công nghệ Fenton điện hóa so với Fenton truyền thống mang lại hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp vượt trội nhờ khả năng tái tạo liên tục ion Fe2+ qua điện phân, duy trì nồng độ chất oxy hóa cao. Giảm thiểu việc sử dụng hóa chất so với Fenton truyền thống, dẫn đến giảm chi phí vận hành và giảm ô nhiễm thứ cấp từ hóa chất dư thừa. Giúp giảm thiểu lượng bùn thải phát sinh so với Fenton truyền thống, giải quyết vấn đề về xử lý bùn thải. Có thể vận hành ở pH trung tính hoặc gần trung tính, giảm thiểu việc sử dụng hóa chất điều chỉnh pH và giảm ăn mòn thiết bị. Kết hợp hiệu quả các ưu điểm của quá trình Fenton và điện phân.

3.2. Vai Trò Của Xúc Tác Fe3O4 Mn3O4 Trong Quá Trình Fenton Điện Hóa

Vật liệu xúc tác Fe3O4/Mn3O4 đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả của quá trình Fenton điện hóa. Chúng có hoạt tính xúc tác cao, giúp tăng tốc độ phản ứng oxy hóa các chất ô nhiễm. Có tính chất từ tính, dễ dàng thu hồi và tái sử dụng, giảm chi phí vận hành và giảm thiểu ô nhiễm do chất xúc tác. Hoạt động ổn định trong môi trường nước, ít bị hòa tan, giúp duy trì hiệu quả xúc tác lâu dài. Có khả năng hoạt hóa H2O2 để tạo ra các gốc hydroxyl (OH), chất oxy hóa mạnh mẽ. Fe3O4/Mn3O4 được coi là nanomaterials tiềm năng cho xử lý nước thải.

3.3. Cơ Chế Phản Ứng Trong Công Nghệ Fenton Điện Hóa Xúc Tác Fe3O4 Mn3O4

Trong công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4, cơ chế phản ứng diễn ra phức tạp, bao gồm nhiều giai đoạn. Ion Fe2+ trên bề mặt xúc tác Fe3O4/Mn3O4 phản ứng với H2O2 tạo ra gốc hydroxyl (OH), chất oxy hóa mạnh. Điện phân giúp tái tạo ion Fe2+ từ Fe3+, duy trì chu trình phản ứng. Các gốc hydroxyl (OH) tấn công và phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy thành các chất đơn giản hơn như CO2 và H2O. Bề mặt xúc tác Fe3O4/Mn3O4 cũng có thể hấp phụ các chất ô nhiễm, tạo điều kiện cho phản ứng oxy hóa diễn ra hiệu quả hơn. Theo luận án của Nguyễn Đức Đạt Đức, quá trình tạo *OH có thể diễn ra theo 5 con đường khác nhau.

IV. Ứng Dụng Công Nghệ Fenton Điện Hóa vào Xử Lý Nước Thải Công Nghiệp

Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp. Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của công nghệ này trong xử lý nước thải dệt nhuộm, nước thải sản xuất cà phê và nước thải thuốc bảo vệ thực vật. Điều kiện vận hành tối ưu đã được xác định cho từng loại nước thải, mang lại hiệu quả loại bỏ cao đối với COD, độ màu và các chất ô nhiễm đặc trưng khác. Công nghệ này hứa hẹn là một giải pháp hiệu quả và bền vững cho các ngành công nghiệp.

4.1. Xử Lý Nước Thải Dệt Nhuộm Bằng Công Nghệ Fenton Điện Hóa

Nghiên cứu cho thấy, công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4 có hiệu quả cao trong xử lý nước thải dệt nhuộm. Điều kiện tối ưu bao gồm pH 3.8, hàm lượng xúc tác Fe3O4/Mn3O4 1.1 g/l, mật độ dòng điện 17.0 mA/cm2, thời gian xử lý 90 phút. Hiệu suất xử lý COD đạt 93.6%, độ màu đạt tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (cột A). Công nghệ này có thể loại bỏ hiệu quả các loại thuốc nhuộm tổng hợp, hóa chất xử lý vải, giảm độ màu và độc tính của nước thải. Việc tái sử dụng xúc tác Fe3O4/Mn3O4 giúp giảm chi phí và ô nhiễm thứ cấp.

4.2. Xử Lý Nước Thải Sản Xuất Cà Phê Với Fenton Điện Hóa Xúc Tác

Công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4 cũng chứng tỏ hiệu quả trong xử lý nước thải sản xuất cà phê hòa tan. Điều kiện tối ưu bao gồm pH 3.5, hàm lượng xúc tác Fe3O4/Mn3O4 0.5 g/l, mật độ dòng điện 19.6 mA/cm2, thời gian xử lý 60 phút. Hiệu suất xử lý COD đạt 87.3%, độ màu và TOC đạt tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (cột A). Công nghệ này có thể loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ, caffeine, tannin, giảm COD, BOD và độ màu của nước thải. Điều này góp phần bảo vệ nguồn nước và giảm thiểu tác động đến môi trường.

4.3. Ứng Dụng Fenton Điện Hóa Xúc Tác Trong Xử Lý Nước Thải Thuốc BVTV

Công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4 cho thấy tiềm năng lớn trong xử lý nước thải thuốc bảo vệ thực vật. Điều kiện tối ưu bao gồm pH 3.8, hàm lượng xúc tác Fe3O4/Mn3O4 1.3 g/l, mật độ dòng điện 13.4 mA/cm2, thời gian xử lý 150 phút, điện cực BDD. Hiệu suất xử lý COD và IMI (Imidacloprid) đạt tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (cột B). Công nghệ này có thể loại bỏ hiệu quả các hợp chất hóa học độc hại, tồn dư thuốc trừ sâu, diệt cỏ, bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Việc sử dụng điện cực BDD giúp tăng hiệu quả oxy hóa và giảm thiểu sản phẩm phụ độc hại.

V. Nghiên Cứu Cơ Chế và Động Học Quá Trình Fenton Điện Hóa

Hiểu rõ cơ chế và động học của quá trình Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4 là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả xử lý nước thải. Nghiên cứu đã xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình, bao gồm pH, nồng độ chất xúc tác, mật độ dòng điện và thời gian xử lý. Các phương trình động học đã được xây dựng để mô tả tốc độ phản ứng và dự đoán hiệu quả xử lý. Việc nghiên cứu cơ chế phản ứng giúp tìm ra các biện pháp để tăng cường khả năng oxy hóa và giảm thiểu sản phẩm phụ độc hại.

5.1. Xác Định Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Quá Trình Xử Lý

pH: Ảnh hưởng đến hoạt tính của xúc tác Fe3O4/Mn3O4 và khả năng tạo gốc hydroxyl (OH). Nồng độ chất xúc tác: Ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và hiệu quả oxy hóa. Mật độ dòng điện: Ảnh hưởng đến tốc độ tái tạo ion Fe2+ và khả năng tạo gốc hydroxyl (OH). Thời gian xử lý: Ảnh hưởng đến mức độ phân hủy của các chất ô nhiễm. Nhiệt độ: ảnh hưởng đến năng lượng hoạt hóa của quá trình.

5.2. Xây Dựng Mô Hình Động Học Phản Ứng

Mô hình động học giúp mô tả mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng. Các phương trình động học bậc nhất, bậc hai và bậc giả bậc nhất được sử dụng để mô tả quá trình phân hủy các chất ô nhiễm. Các thông số động học như hằng số tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa được xác định. Mô hình động học giúp dự đoán hiệu quả xử lý nước thải trong các điều kiện vận hành khác nhau.

5.3. Đề Xuất Cơ Chế Oxy Hóa Chất Hữu Cơ Khó Phân Hủy

Dựa trên kết quả nghiên cứu, cơ chế oxy hóa chất hữu cơ khó phân hủy bằng công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4 đã được đề xuất. Quá trình tạo gốc hydroxyl (OH) diễn ra thông qua nhiều con đường, bao gồm phản ứng Fenton, điện phân và xúc tác dị thể. Các gốc hydroxyl tấn công và phân hủy các chất hữu cơ thành các chất đơn giản hơn. Nghiên cứu của luận án đã đề xuất 2 cơ chế oxy hóa chất hữu cơ với công nghệ Fenton điện hóa xúc tác FesOa/MnạOx trong 2 trường hợp sử dụng điện cực anét than chì và anốt BDD.

VI. Kết Luận và Triển Vọng của Công Nghệ Fenton Điện Hóa Xúc Tác

Công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4 là một giải pháp hiệu quả và bền vững cho xử lý nước thải khó phân hủy sinh học. Công nghệ này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống, bao gồm hiệu quả cao, chi phí hợp lý, dễ vận hành, và thân thiện với môi trường. Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ này trong nhiều ngành công nghiệp. Trong tương lai, công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4 có thể được phát triển và ứng dụng rộng rãi hơn nữa để giải quyết vấn đề ô nhiễm nước thải và bảo vệ môi trường.

6.1. Ưu Điểm và Nhược Điểm Của Công Nghệ Fenton Điện Hóa

Công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4 có nhiều ưu điểm, bao gồm hiệu quả cao, chi phí hợp lý, dễ vận hành, và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, công nghệ này cũng có một số nhược điểm, như đòi hỏi kiến thức chuyên môn về hóa học và điện hóa, và cần có quy trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt. Việc nghiên cứu và phát triển thêm nữa sẽ giúp khắc phục các nhược điểm và nâng cao tính ứng dụng của công nghệ.

6.2. Tiềm Năng Phát Triển và Ứng Dụng Trong Tương Lai

Công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4 có tiềm năng phát triển và ứng dụng rộng rãi trong tương lai. Công nghệ này có thể được sử dụng để xử lý nước thải từ nhiều ngành công nghiệp khác nhau, cũng như để xử lý nước cấp và nước sinh hoạt. Việc kết hợp công nghệ Fenton điện hóa với các công nghệ khác như màng lọc và xử lý sinh học có thể mang lại hiệu quả cao hơn. Việc nghiên cứu và phát triển các loại chất xúc tác mới, hiệu quả hơn cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn.

6.3. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Để Tối Ưu Hóa Công Nghệ

Để tối ưu hóa công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe3O4/Mn3O4, cần tiếp tục nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình, cơ chế phản ứng, và động học phản ứng. Việc nghiên cứu các loại chất xúc tác mới, hiệu quả hơn cũng là một hướng đi quan trọng. Cần thực hiện các nghiên cứu thử nghiệm ở quy mô lớn hơn để đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế của công nghệ. Việc xây dựng các mô hình toán học để mô phỏng và tối ưu hóa quá trình cũng là một hướng đi đầy tiềm năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Tính đến cuối năm 2020 Việt Nam có 329 khu công nghiệp đang hoạt động với 90.7% khu công nghiệp có nhà máy xử lý nước thải đô thị tập trung đạt tổng công suất hơn 1.1 triệu m3/ngay đêm [1] nhưng tỷ lệ nước thải được thu gom và xử lý đạt ở mức thấp, khoảng 13% [2]. Báo cáo hiện trạng môi trường Quốc gia giai đoạn năm 2016 - 2020 cho thấy đến năm 2020 chỉ có 17.5% cụm công nghiệp có hệ thống xử lý nước thải, trong đó có nhiều nguồn thải có chứa chất ô nhiễm hữu cơ bền vững và có độc tính [1]. Những chất này ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người và động vật, gây ung thư, tổn thương hệ thần kinh, rối loạn sinh sản, dị tật, quái thai, phá hủy hệ thống miễn dich [3]. Công ước quốc tế Stockholm với sự tham gia của 179 quốc gia và vùng lãnh thổ trong đó có Việt Nam, cam kết phải xử lý triệt dé, tiêu hủy, không sử dụng, không sản xuất và tàng trữ các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học [4].

Dé xử lý các chất 6 nhiễm này, công nghệ oxy hóa nâng cao thường được sử dụng, điển hình là các hệ thống oxy hóa Fenton [5]. Tuy nhiên, hạn chế quan trọng nhất của quá trình Fenton truyền thống là công nghệ phức tạp, sử dụng nhiều hóa chất, lượng bùn thải lớn, tốn nhiều diện tích cho hệ thống xử lý, lưu trữ hóa chất, xử ly bùn [6-8]. Nhiéu nghiên cứu nhằm cải tiền quá trình Fenton truyền thống đã được thực hiện, trong đó có quá trình Fenton điện hóa xúc tác dị thể. Đây là sự kết hợp của quá trình điện hóa sản xuất H›O› tại chỗ và sử dụng các loại oxit không hòa tan để tạo thành gốc 5OH.

So với phản ứng Fenton truyền thống, quá trình này được xem là một công nghệ thân thiện với môi trường do giảm lượng hóa chất sử dụng và đạt hiệu quả cao hơn do các tác nhân phản ứng Fenton (H2O2, Fe?) liên tục được sinh ra trong quá trình điện hóa với một tốc độ có thé kiểm soát được [9]. FesOx đã được sử dụng làm chất xúc tác dị thể trong các phản ứng Fenton do tính chất độc đáo của nó như là độc tính thấp, từ tính cao, tương thích điện và tương thích sinh học. Tuy nhiên, hoạt tính xúc tác của FeOa cũng bị giới hạn giống quá trình Fenton đồng thé. Đó là quá trình tái sinh =Fe?* chậm hơn quá trình tiêu tốn =Fe*.

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện dé làm tăng quá trình khử =Fe** thành =Fe?' dé nâng cao hiệu quả xúc tác. Trong đó, phương pháp kết hợp vật liệu gốc Fe với các kim loại chuyên tiếp đa hóa trị (Mn, Ce, Cr, Ni,.) cho thấy nhiều ưu điểm. Trong nghiên cứu này, Vật liệu Mn được chọn lựa đê kết hop với Fe làm vật liệu xúc tác vì độc tính của Mn trong môi trường thấp, thé oxy hóa khử của Mn3*/Mn** là 1.51 V nên sự chuyên hóa điện tử từ =Fe?' sang =Mn** thuận lợi về mặt nhiệt động. Do đó trong nghiên cứu này, vật liệu từ tính FesOa/MnasO+x được ứng dụng làm chất xúc tác đị thể cho công nghệ Fenton điện hóa đề xử lý nước thải khó phân hủy sinh học với kỳ vọng nâng cao hiệu quả xử lý nước thải khó phân hủy sinh học, giảm lượng hóa chất sử dụng, giảm thời gian tách chất, tái sử dụng chất xúc tác, giảm thể tích bùn thải, thu gọn công trình xử lý.

Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của luận án là đánh giá khả năng xử lý nước thải chứa các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học bằng công nghệ Fenton điện hóa với chất xúc tác dị thể FesOz/MnOa. Mục tiêu cụ thể của luận án bao. Tìm ra các điều kiện xử lý phù hợp cho nước thải dệt nhuộm, nước thải cà phê hòa tan, và nước thải thuốc bảo vệ thực vật nhằm đạt được hiệu quả xử lý tốt nhất, từ đó đề xuất quy trình công nghệ xử lý cho từng loại nước thải ii. Đề xuất cơ chế oxy hóa chất hữu cơ bằng công nghệ Fenton điện hóa xúc tác FesOa-Mn:Oa.

Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu đó, nghiên cứu đã thực hiện các nội dung công việc sau: — Chuẩn bị vật liệu FesOz/MnaO và kiểm tra đặc tinh của vật liệu này. — Khảo sát ảnh hưởng của các yếu t tác động đến quá trình xử lý. — Tối ưu hóa quá trình xử lý và đề xuất quy trình xử lý cho từng loại nước thải. — Khảo sát sự ồn định và khả năng tái sử dụng vật liệu — Đề xuất cơ chế oxy hóa của công nghệ Fenton điện hóa xúc tác FeyO/MnạOx.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tập trung vào các đối tượng sau: — Công nghệ Fenton điện hóa sử dụng xúc tác Fe3O4/Mn304 — Nước thải khó phân hủy sinh học bao gồm: + Nước thải dét nhuộm: nguồn nước thải sau khi keo tụ với một số loại thuốc nhuộm đặc trưng trong giai đoạn lấy mẫu như: thuốc nhuộm hoạt tính: Synozol Brilliant BlueR, Synozol Brilliant Red K3G, Synozol Violet K-HL, thuốc nhuộm phân tán: Synolon Black SMD, Synolon Yellow EN-F ECO. + Nguồn nước thai từ quá trình sản xuất cà phê bột hòa tan sau xử lý sinh học. + nước thải thuốc bảo vệ thực vật: nguồn nước sau quá trình pha chế thuốc Tinomo chứa Imidacloprid. Pham vi nghiên cứu của luận án là sử dụng vật liệu FesOa/MnsOa làm chất xúc tác cho công nghệ Fenton điện hóa đề xử lý 3 loại nước thải thực tế trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Về mặt khoa học, luận án mang những ý nghĩa sau đây: — Nghiên cứu đã đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng đến công. nghệ Fenton điện hóa xúc tác FesOa/MnạOx xử lý nước thải khó phân hủy sinh học. — Nghiên cứu đã thực hiện mô hình hóa quá trình Fenton điện hóa xúc tác FesOz/MnsO¿ với ba loại nước thải. Từ đó xác định được phương trình toán, điều kiện tối ưu, các yếu tố ảnh hưởng lớn đến quá trình xử lý.

— Nghiên cứu cũng đề xuất cơ chế oxy hóa của công nghệ Fenton điện hóa xúc tác Fe304/Mn304. Về mặt thực tiễn, luận án có những ý nghĩa như sau: — Luận án này có thé mở ra hướng mới dé xử lý các loại nước thải khó phân hủy sinh học một cách hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường. — Vật liệu xúc tác có thể tái sử dụng, giúp giảm thiểu lượng bùn thải. — Luận án dé xuất quy trình xử lý 3 loại nước thải sử dụng công nghệ Fenton điện hóa xúc tác FesOa/MnaOa.

Tính mới của luận án Với mục tiêu và nội dung nghiên cứu đã đề cập trên đây, luận án có thể đạt được những điểm mới sau đây: — Luận án đã phát triển công nghệ mới trong đó oxit liên hợp giữa FesOa/MnạO¿ được sử dụng làm chất xúc tác cho quá trình Fenton điện hóa dị thể Vat liệu nay gồm có2 phần vừa có nhiệm vụ riêng, vừa có sự tương tác hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình xúc tác. Fe3O4 đóng vai trò tạo và duy trì độ rỗng, hỗ trợ quá trình oxy hóa của MnaO¿ còn xúc tác MnaOx được phủ bên ngoài dé tăng cường hoạt tính xúc tác nhằm mục đính nâng cao hiệu quả xử lý chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học. — Luận án phát hiện cơ chế tạo ra gốc *OH của công nghệ này, theo đó giữa Mn và Fe có sự liên hợp trong chu trình oxy hóa khử, đồng thời tìm ra các con đường tạo gốc *OH dé oxy hóa các chat ô nhiễm trong nước thải. — Luận án cung cấp được các dữ liệu mới về ảnh hưởng của các yếu tố tác động cũng như điều kiện xử lý nước thải tối ưu của chúng đến quá trình xử lý nước thải có chứa chất hữu cơ khó phân hủy sinh học.

— Luận án đã phát triển quy trình công nghệ mới dé xử lý nước thai nước thải chứa chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Bố cục luận án Luận án gồm 186 trang, ngoài các phần mở đầu, danh mục tài liệu tham khảo, danh mục các công trình khoa học đã công bố, phụ lục. Luận án được bố cục thành 03 chương chính: — Chương | - Tổng quan, gồm 38 trang, giới thiệu chung về các van đề liên quan đến luận án như tổng quan về nước thải khó phân hủy sinh học, cơ sở lý thuyết công nghệ Fenton điện hóa, vật liệu xúc tác FesOz/MnaO4, phần mềm Modde 5.0, quá trình tối ưu hóa thực nghiệm, và một số tài liệu liên quan đến xử lý các chất ô nhiễm khó phân hủy sinh học bằng công nghệ Fenton điện hóa. — Chương 2 - Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm, 24 trang, trình bày sơ đồ nghiên cứu, các nội dung và phương pháp nghiên cứu.

— Chương 3 - Kết quả và thảo luận, 94 trang. — Kết luận và Kiến nghị - 3 trang CHUONG1 TỎNG QUAN VE NƯỚC THÁI KHÓ PHAN HUY SINH HQC, CONG NGHE FENTON DIEN HOA VA CHAT XUC TAC Fe3O4/Mn304 1.1 _ Giới thiệu về nước thải khó phân hủy sinh học Ô nhiễm nước đang gia tăng nhanh chóng trên toàn thế giới và việc xả nước thải cong nghiệp không đạt tiêu chuẩn thải là một trong những nguồn chính [10]. Nhiều chất ô nhiễm đã đi vào nguồn nước gây ra sự mat cân bằng nghiêm trọng trong hệ sinh thái và ảnh hưởng sức khỏe con người. Các thành phần khó phân hủy sinh học được quan tâm nhiều trong thời gian gần đây, đó có thê là các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ nguy hiểm, không phân hủy sinh học như muối, thuốc nhuộm, thuốc bảo vệ thực vật (BVTV), thuốc diét cỏ, phân bón hóa học, chất nỗ, ham lượng phốt pho và nitơ, và kim loại nặng [1 I].

POPs (Persistent Organic Pollutants) là một thuật ngữ dé chỉ nhóm các chất ô nhiễm hữu cơ bền vững. Đây là các hợp chất hữu cơ tổn tại trong môi trường trong thời gian đài mà không bị phân hủy hoặc phân giải tự nhiên. Chúng được đánh giá là có khả năng gây hại cho môi trường và sức khỏe con người, thậm chí trong các nồng độ rất thấp [3]. POPs thường là các chất hóa học tổng hợp được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm hóa chất công nghiệp, dược phẩm, chất làm mát, thuốc BVTV và chất chống cháy.

Trong giới hạn của luận án này, nước thải khó phân hủy sinh học được định nghĩa là nguồn nước thải chứa thành phần chất hữu cơ khó phân hủy (POPs). Tại Việt Nam, nhiều ngành công nghiệp thường phát sinh nước thải khó phân hủy sinh học như: dệt nhuộm, sản xuất cà phê, sản xuất thuốc bao vệ thực vật, sản xuất dược phâm.