Chương 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về phenol Phenol hiện nay đang là một trong những thành phần độc hại khó xử lý còn tồn tại trong nhiều loại nước thải. Cấu tạo và tính chất của phenol và hợp chất phenol [1] Phenol là một loại hợp chất hữu cơ mà trong phân tử có chứa nhóm hidroxyl (−OH) liên kết trực tiếp vào nhân benzen (nhân thơm). Phenol đơn chức, chứa một nhân thơm, gốc hydrocacbon liên kết vào nhân thơm không có hay nếu có là gốc no mạch hở CnH2n-7OH (n ≥ 6).1: Công thức cấu tạo và hình ảnh thực tế của phenol Phenol đơn giản nhất là C6H5-OH, còn có các tên: hiđroxi benzen; axit phenic; axit cacbolic.
Chất này là chất rắn, tinh thể không màu, có mùi đặc trưng, nóng chảy ở 43°C, sôi ở 182°C. Để lâu trong không khí phenol tự chảy rữa (vì nó hút ẩm tạo thành hiđrat, nóng chảy ở 18°C) và nhuốm màu hồng (vì bị oxi hóa một phần bởi oxi). Mặc dù có khả năng tạo liên kết hiđro với nước, nhưng phenol tan ít trong nước lạnh (9,5 gam/100 gam nước ở 25°C), do gốc hiđrocacbon phenyl (C6H5-) khá lớn nên kị nước. Tuy nhiên phenol tan vô hạn trong nước nóng có nhiệt độ ≥ 700C.
Phenol có tỉ khối 1,072 (khối lượng riêng 1,072 g/mL). Phenol có tính axit yếu. Phenol có tính sát trùng, rất độc, gây phỏng nặng khi rơi vào da. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ngoài phenol, 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. Sản xuất phenol và một số ứng dụng của phenol Phenol xếp trong nhóm 50 loại hóa chất được sản xuất nhiều tại Mỹ. Phenol được hình thành trong các sản phẩm dầu khí như nhựa than đá và creosote. Phenol có thể phát sinh ra trong quá trình đốt cháy gỗ, khí thải nhiên liệu và thuốc lá.
Trong tự nhiên phenol được hình thành từ quá trình phân hủy benzen [1]. Phenol có ứng dụng lớn trong y học, dùng trong khử trùng phẫu thuật. Dùng để điều chế nhiều dược phẩm như aspirin làm giảm đau, hạ nhiệt, phòng và chữa huyết khối; axit salicylic (là thuốc giảm đau, hạ nhiệt, chống viêm); metyl salicilate (dầu nóng, làm thuốc giảm đau trong chứng viêm thấp khớp, đau cơ). Phenol sử dụng để điều chế phẩm nhuộm, chất dẻo (nhựa bakelíte là một hỗn hợp của phenol-formandehyde….), tơ tổng hợp (nylon 6,6…), thuốc diệt cỏ và cũng là chất kích thích tố thực vật (2,4-D, là muối natri của acid 2,4- diclophenoxiacetic, 2,4-C12C6H3O-CH2COONa….
Ngoài ra, phenol có thể dùng trực tiếp làm chất sát trùng, tẩy uế… [1]. Ảnh hưởng của phenol đến môi trường và con người Phenol được tìm thấy khá phổ biến trong tự nhiên, nó có mặt trong không khí, đất, nước ngầm,… Hàm lượng phenol trong môi trường phụ thuộc vào nguồn phát sinh ra nó như các khu sản xuất, ngành công nghiệp tạo ra phenol… Thời gian tồn tại của phenol trong đất rất ngắn (trong 2 - 5 ngày), tuy nhiên ở trong nước phenol có thời gian tồn tại lâu hơn, có thể lên đến hàng tuần. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nguy cơ nhiễm phenol đối với con người là rất lớn do phenol có khả năng 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. Thông thường, vị của nước bị nhiễm phenol không thể xác định được trong khoảng nồng độ 0,1 - 0,01 ppb.
Con người có khả năng nhận biết được sự hiện diện của phenol trong không khí ở ngưỡng khoảng 40 ppb và khoảng 1 - 8 ppb đối với phenol trong nước. Khi tiếp xúc với phenol trong không khí có thể bị kích ứng đường hô hấp, đau đầu, cay mắt. Nếu tiếp xúc trực tiếp với phenol có nồng độ cao có thể gây bỏng da, tim đập loạn nhịp và có thể dẫn đến tử vong. Tính độc của phenol là do phenol có khả năng tác động vào hệ thần kinh của sinh vật sống.
Phenol cũng gây tác động mạnh theo đường tiêu hóa. Khi ăn uống phải một lượng phenol có thể gây kích ứng, bỏng phía bên trong cơ thể và gây tử vong ở hàm lượng cao. Do độc tính cao, phenol trong nước tác động xấu đến môi trường sống của các loại thuỷ sinh và hạn chế sự phân huỷ sinh học. Tình trạng ô nhiễm phenol trong không khí, nguồn nước và trong đất ở hàm lượng cao có thể tiêu diệt toàn bộ hệ sinh thái.1: Giá trị giới hạn nồng độ cho phép của tổng nồng độ phenol và dẫn xuất [1] Hàm lượng Đối tượng phenol tổng (mg/L) Nước sinh hoạt 0,001 Nước bề mặt Nước dùng cho nông nghiệp và nuôi trồng 0,02 thủy sản Nước ngầm 0,001 Đổ vào các khu vực dùng làm nước cấp cho ≤ 0,1 sinh hoạt Nước thải Dùng làm nguồn nước tưới tiêu, bơi lội, ≤ 0,2 nuôi trồng thủy sản Không được phép thải ra môi trường ≥ 0,5 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Hiện trạng ô nhiễm phenol trong nước thải 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. Tại các cơ sở sản xuất hạt điều, trong nước thải ngâm ủ hạt và vệ sinh nhà xưởng có chứa nhiều dẫn xuất của phenol. Phenol phát sinh trong nước thải của quá trình sản xuất có sử dụng phenolic (một loại polymer nhân tạo có chứa phenol) như các sản phẩm keo dán, xây dựng, công nghiệp ô tô…; từ quá trình sản xuất có sử dụng Biphenol A như sản xuất nhựa polycacbonat, sơn epoxy và phụ gia trong các loại polymer tổng hợp; từ các sản phẩm có chứa caprolactam (1 dẫn xuất của phenol) như nylon 6 hay sợi tổng hợp.
Phenol được sử dụng trong thành phần thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm mốc, trong quá trình sản xuất polymer tổng hợp… Trong quá trình tồn trữ, bảo quản và sử dụng sẽ có tình trạng thoát ra ngoài gây ô nhiễm môi trường. Nồng độ phenol trong nước thải của một số ngành công nghiệp được mô tả trong bảng dưới đây.2: Nồng độ phenol trong nước thải của một số ngành công nghiệp [5] Ngành công nghiệp Nồng độ phenol (mg/L) Khai thác than 1.000 Chuyển đổi than non (Lignite transformation) 10.000 Sản xuất khí đốt 4.000 Hoá dầu 50 - 70 Nhà máy sản xuất benzen 50 Dược phẩm 1.000 Tinh chế dầu 2.000 Sản xuất nhựa phenol - formandehit 100 - 200 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Một số phương pháp xử lý phenol trong nước thải Các công nghệ xử lý nước thải chứa phenol được phân thành hai nhóm: các phương pháp truyền thống và các phương pháp tiên tiến. Việc lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp với từng nhà máy phụ thuộc mức độ ô nhiễm, quy mô cũng như chi phí có thể chi trả cho xử lý.
Một số phương pháp xử lý ô nhiễm phenol trong nước thải được tóm tắt trong bảng 1.3: Tóm tắt một số phương pháp xử lý hợp chất phenol trong nước thải [18] Điều Thiết Khoảng kiện bị Hóa Hiệu Phương pháp nhiệt Nhận xét thực phản chất suất độ nghiệm ứng Có khả Khả năng năng Cột thu hồi tách Chưng cất 95 -180 ~ 1 atm chưng Không phenol hoàn cất cao; chi toàn phí cao phenol Giai Ô nhiễm Cột đoạn 1: thứ cấp do rửa và DIPE Trích ly lỏng - 20 - 50 phát sinh ~ 1 atm cột và lỏng Giai thêm dung chưng MIBK đoạn 2: môi đã qua cất 60 - 180 sử dụng Dung Ô nhiễm lượng thứ cấp do Tháp Than hấp phụ phát sinh Hấp phụ (than 20 - 50 ~ 1 atm hấp hoạt có thể thêm than hoạt tính) phụ tính đạt 200 hoạt tính - 400 đã qua sử mg/g dụng 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khả năng Dung Giai thu hồi lượng đoạn 1: phenol cao; Nhựa hấp phụ Hấp phụ (hạt 20 - 50 Tháp phát sinh ~ 1 atm PV- có thể nhựa vô cơ) Giai hấp phụ thêm giai PDS đạt 80 - đoạn 2: đoạn tái 100 20 - 50 sinh hạt mg/g nhựa Khả năng Khả năng Bốc hơi thẩm 1 - 20 Module Màng thẩm thu hồi thấu 20 - 50 mmHg màng lọc thấu đạt phenol cao; (pervaporation) 0.3 chi phí cao kg/m2h Ở nồng độ phenol 0,1 - 5 Màng g/l, lưu Khả năng Module và lượng 1- thu hồi Lọc bằng màng 20 - 50 ~ 1 atm màng dung 8 m3/s, phenol cao; môi mức độ chi phí cao trích ly có thể đạt 50 - 10% Cột COD 10 20 - 160 phản -100 g/l, Không Cần xử lý 180 - atm, môi ứng, 15 - 120 WAO khí và bậc cao ở 315 trường thiết bị phút, axit phía sau hơi axit khuấy hiệu suất trộn xử lý 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com COD 75 -90% Hiệu Cột suất xử phản lý TOC Có khả 400 - 250 - ứng, Không đạt năng đốt SWAO 650 350 atm thiết bị khí 99,99%, hoàn toàn khuấy TOC chất hữu cơ trộn còn lại < 3,5 ppm. Cột phản COD 10 ứng cao -100 g/l, Có khả 100 - 3 - 35 áp và Xúc tác TOC 80 năng xử lý CWAO 200 atm cột khí -99%; hoàn toàn phản t > 20 phenol ứng nhỏ min giọt 1. Các phương pháp truyền thống a. Phương pháp chưng cất Chưng cất là phương pháp làm giàu phenol dựa vào khả năng bay hơi tương đối của nó và thường được ứng dụng làm bước tiền xử lý để loại bỏ phenol ra khỏi pha rắn hay nước.
Phương pháp này cho hiệu quả thu hồi phenol cao, có thể xử lý với các dòng thải có nồng độ phenol lớn, hệ thiết bị vận hành đơn giản nhưng sử dụng nhiều dung môi. Phương pháp này rất hiệu quả kinh tế khi xử lý với quy mô nhỏ [44]. Phương pháp trích ly lỏng - lỏng Các phương pháp trích ly (chiết) gồm chiết lỏng - lỏng và chiết pha rắn. Nguyên tắc của chiết lỏng - lỏng dựa trên sự phân bố của chất cần chiết vào hai pha lỏng không trộn lẫn, trong đó một dung môi có chứa chất cần chiết.
Chất cần 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chiết sẽ bị giữ lại trên bề mặt pha rắn và sau đó được rửa giải bằng dung môi hay hỗn hợp dung môi phù hợp. Chiết lỏng - lỏng cần nhiều thời gian, sử dụng nhiều dung môi nhưng chiết pha rắn dùng ít hơn, độ chọn lọc cao và thân thiện với môi trường.