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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.