Nghiên cứu xử lý phenol trong nước thải luyện cốc bằng ozon hóa kết hợp xúc tác đá ong

Nghiên cứu xử lý phenol trong nước thải luyện cốc bằng ozon hóa kết hợp xúc tác đá ong, mang lại giải pháp hiệu quả cho môi trường.

• Tác giả: Hoàng Hải Linh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Hà
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Khoa học
• Đề tài: Nghiên cứu xử lý phenol trong nước thải luyện cốc bằng ozon hóa kết hợp với xúc tác từ đá ong
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Quá trình hình thành và đặc tính nước thải luyện cốc
• 1.2. Ảnh hưởng của phenol đến môi trường và con người
• 1.2.1. Ảnh hưởng của phenol đến môi trường
• 1.2.2. Ảnh hưởng của phenol đến con người
• 1.3. Công nghệ xử lý phenol trong nước thải luyện cốc
• 1.3.1. Các nghiên cứu xử lý phenol trong nước thải luyện cốc trên thế giới
• 1.3.2. Các nghiên cứu xử lý phenol trong nước thải luyện cốc ở Việt Nam
• 1.4. Công nghệ xử lý phenol trong nước bằng ozon hóa kết hợp xúc tác
• 1.4.1. Quá trình oxy hóa bằng ozon
• 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ozon hóa
• 1.4.3. Đá ong và ứng dụng trong xử lý môi trường
• 1.4.3.1. Đặc điểm của đá ong
• 1.4.3.2. Ứng dụng của đá ong trong xử lý môi trường
• 1.4.3.3. Đặc điểm của đá ong biến tính
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
• 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát đặc tính của nước thải luyện cốc
• 3.2. Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý phenol trong nước bằng ozon, ozon kết hợp xúc tác từ đá ong
• 3.2.1. Đánh giá khả năng hấp phụ của đá ong
• 3.2.2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình xử lý phenol trong nước
• 3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ozon đến quá trình xử lý phenol trong nước
• 3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của lượng xúc tác đến quá trình xử lý phenol trong nước
• 3.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của các anion đến quá trình xử lý phenol trong nước
• 3.2.6. Đánh giá hiệu quả xử lý phenol trong nước thải luyện cốc
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• KÍ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu xử lý phenol trong nước thải luyện cốc

Nước thải luyện cốc chứa nhiều chất ô nhiễm, trong đó phenol là một trong những thành phần chính. Việc xử lý phenol trong nước thải là một thách thức lớn đối với môi trường và sức khỏe con người. Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng công nghệ ozon hóa kết hợp với xúc tác từ đá ong để nâng cao hiệu quả xử lý phenol.

1.1. Đặc điểm của nước thải luyện cốc và ảnh hưởng của phenol

Nước thải luyện cốc thường chứa nồng độ phenol cao, từ 300 đến 1500 mg/l. Phenol có thể gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Việc hiểu rõ đặc điểm của nước thải này là cần thiết để phát triển các phương pháp xử lý hiệu quả.

1.2. Tầm quan trọng của việc xử lý phenol trong nước thải

Xử lý phenol không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn đảm bảo sức khỏe cộng đồng. Các phương pháp xử lý hiện tại chưa đạt hiệu quả cao, do đó cần nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới như ozon hóa.

II. Thách thức trong xử lý phenol từ nước thải luyện cốc

Nước thải luyện cốc chứa nhiều hợp chất độc hại, trong đó phenol là một trong những chất khó phân hủy. Việc xử lý phenol gặp nhiều khó khăn do nồng độ cao và tính chất hóa học phức tạp của nó. Các phương pháp truyền thống thường không đạt hiệu quả mong muốn.

2.1. Các phương pháp xử lý phenol truyền thống

Các phương pháp như hấp phụ, keo tụ và lắng thường không đủ hiệu quả trong việc xử lý phenol. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các phương pháp này không thể giảm nồng độ phenol xuống mức cho phép.

2.2. Tác động của phenol đến môi trường và sức khỏe

Phenol có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, bao gồm kích ứng da, tổn thương gan và thận. Ngoài ra, phenol cũng gây ô nhiễm môi trường nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái.

III. Phương pháp ozon hóa trong xử lý phenol hiệu quả

Ozon hóa là một trong những công nghệ tiên tiến được áp dụng để xử lý phenol trong nước thải. Phương pháp này có khả năng phân hủy phenol hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp ozon với xúc tác từ đá ong có thể nâng cao hiệu quả xử lý.

3.1. Nguyên lý hoạt động của ozon hóa

Ozon hóa hoạt động dựa trên khả năng oxy hóa mạnh của ozon, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như phenol. Quá trình này diễn ra nhanh chóng và hiệu quả, đặc biệt khi có sự hỗ trợ của xúc tác.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng xúc tác đá ong

Đá ong là một loại xúc tác tự nhiên, thân thiện với môi trường. Việc sử dụng đá ong trong quá trình ozon hóa không chỉ giúp tăng cường hiệu quả xử lý phenol mà còn giảm thiểu chi phí và tác động đến môi trường.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng ozon hóa kết hợp với xúc tác đá ong có thể giảm nồng độ phenol trong nước thải luyện cốc xuống mức cho phép. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc xử lý nước thải trong ngành công nghiệp luyện cốc.

4.1. Hiệu quả xử lý phenol trong nước thải

Kết quả thí nghiệm cho thấy nồng độ phenol giảm đáng kể sau khi áp dụng phương pháp ozon hóa kết hợp với đá ong. Điều này chứng tỏ tính khả thi của phương pháp trong thực tiễn.

4.2. Ứng dụng công nghệ trong các nhà máy luyện cốc

Công nghệ ozon hóa kết hợp với xúc tác đá ong có thể được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy luyện cốc, giúp cải thiện chất lượng nước thải và bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về xử lý phenol trong nước thải luyện cốc bằng ozon hóa kết hợp với xúc tác đá ong đã chứng minh được hiệu quả cao. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng công nghệ này trong thực tiễn.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Việc tiếp tục nghiên cứu sẽ giúp cải thiện hiệu quả xử lý phenol và phát triển các công nghệ mới, thân thiện với môi trường hơn.

5.2. Hướng đi mới cho ngành công nghiệp luyện cốc

Công nghệ ozon hóa kết hợp với xúc tác đá ong có thể trở thành giải pháp tối ưu cho ngành công nghiệp luyện cốc, giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nước thải luyện cốc là một trong những nguồn thải công nghiệp phức tạp và độc hại nhất, phát sinh chủ yếu từ công đoạn dập cốc ướt trong quy trình sản xuất gang thép. Tại Việt Nam, với hơn 40 doanh nghiệp thành viên thuộc Hiệp hội Thép, nhu cầu sử dụng than cốc làm nhiên liệu và chất khử liên tục gia tăng, kéo theo lượng nước thải chứa phenol cực kỳ lớn. Khảo sát thực tế trong năm 2017 tại nhà máy luyện cốc thuộc Công ty Gang thép Formosa Hà Tĩnh cho thấy nồng độ phenol dao động từ 365,9 mg/L đến 391,2 mg/L (trung bình 380,2 mg/L) và nhu cầu oxy hóa học COD lên tới 2784,8 mg/L đến 3112,2 mg/L, vượt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT hàng trăm lần. Trong khi đó, theo quy chuẩn môi trường, giới hạn phenol cho phép trong nguồn tiếp nhận nước mặt chỉ ở mức tối đa 0,02 mg/L.

Vấn đề đặt ra là các công nghệ xử lý truyền thống như keo tụ, hấp phụ hoặc sinh học đơn thuần không thể loại bỏ triệt để lượng phenol đậm đặc và các hợp chất thơm đa vòng, dễ gây ngộ độc bùn vi sinh. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là phát triển quy trình ozon hóa xúc tác dị thể (COP) sử dụng đá ong tự nhiên biến tính thu thập từ huyện Thạch Thất, thành phố Hà Nội để phân hủy nhanh chóng phenol trong nước thải luyện cốc. Nghiên cứu tập trung tối ưu hóa các thông số vận hành như giá trị pH, liều lượng chất xúc tác, nồng độ ozon và đánh giá ảnh hưởng của các anion cản trở trong giai đoạn 2017-2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn khi mở ra hướng xử lý nước thải độc hại bằng nguồn khoáng sản sẵn có, giá rẻ tại Việt Nam, đạt hiệu suất phân hủy phenol trên 95% và giảm hơn 60% chỉ số COD, bảo vệ an toàn cho hệ sinh thái biển và nguồn nước mặt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết các quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOPs), cụ thể là công nghệ ozon hóa xúc tác dị thể (Catalytic Ozonation Process - COP). Cơ chế phản ứng dựa trên hai con đường song song: oxy hóa trực tiếp bởi phân tử ozon hòa tan với thế oxy hóa 2,07 V và oxy hóa gián tiếp thông qua gốc tự do hydroxyl (*OH) có thế oxy hóa cực mạnh lên tới 2,80 V. Trong điều kiện môi trường kiềm (pH > 7), quá trình phân hủy ozon tạo gốc *OH diễn ra mạnh mẽ theo chuỗi phản ứng dây chuyền.

Khung lý thuyết thứ hai là thuyết xúc tác dị thể và chuyển giao điện tử trên bề mặt oxit kim loại. Đá ong biến tính đóng vai trò là chất mang giàu oxit sắt và nhôm, cung cấp các tâm hoạt tính Fe0 nhằm đẩy nhanh tốc độ phân hủy ozon thành gốc *OH, giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng bẻ gãy vòng thơm. Mô hình nghiên cứu tích hợp 4 khái niệm then chốt: Ozon hóa xúc tác dị thể, Gốc hydroxyl tự do (*OH), Động học phản ứng bậc 1 biểu kiến và Chỉ số khoáng hóa chất hữu cơ (TOC/COD).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 12 bộ mẫu nước thải luyện cốc lấy định kỳ hàng tháng (từ tháng 01 đến tháng 12 năm 2017) tại phân xưởng luyện cốc Công ty Gang thép Formosa Hà Tĩnh, kết hợp với mẫu quặng đá ong tự nhiên tại huyện Thạch Thất, Hà Nội. Cỡ mẫu gồm 12 mẫu nước thải thực tế và hơn 50 mẻ phản ứng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nguyên tắc lấy mẫu tổ hợp đại diện theo thời gian và bảo quản mẫu lạnh theo quy trình chuẩn EPA Method 604 của Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ nhằm giữ ổn định hàm lượng phenol, tránh hiện tượng bay hơi và tự oxy hóa.

Hệ thống thí nghiệm sử dụng máy tạo khí ozon chuyên dụng Animoto OR-15C với nguồn cấp oxy tinh khiết 99,99%. Phương pháp phân tích được lựa chọn nghiêm ngặt: Nồng độ phenol được định lượng bằng hệ thống sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC Ultimate 3000 của hãng Thermo Fisher Scientific, sử dụng cột pha đảo RP-18 (25 cm x 4,6 mm x 5 µm), detector UV ở bước sóng 270 nm, pha động Acetonitrile:Nước tỷ lệ 40:60 với tốc độ dòng 1 mL/phút. Tổng cacbon hữu cơ TOC được xác định trên máy multi N/C 2100S Analytik Jena. Nồng độ Cl- được chuẩn độ theo tiêu chuẩn TCVN 6194:1996 và CN- theo phương pháp EPA 9010C. Phương pháp HPLC-UV được lựa chọn vì có độ nhạy vượt trội, giới hạn phát hiện dưới 0,01 mg/L, giúp định lượng chính xác phenol trong nền mẫu có độ màu và tạp chất hữu cơ cực kỳ phức tạp. Toàn bộ lộ trình thực nghiệm và phân tích số liệu được hoàn thành từ tháng 01/2017 đến tháng 06/2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả quan trắc 12 tháng năm 2017 tại Formosa Hà Tĩnh cho thấy đặc tính nước thải luyện cốc có tải lượng ô nhiễm cực cao: chỉ số COD dao động từ 2784,8 mg/L đến 3112,2 mg/L, nồng độ phenol từ 365,9 mg/L đến 391,2 mg/L, TOC từ 613 mg/L đến 710 mg/L, ion Cl- từ 320,8 mg/L đến 340,7 mg/L và CN- từ 10,2 mg/L đến 12,5 mg/L. Nồng độ này vượt gấp nhiều lần ngưỡng xả thải cho phép theo quy chuẩn hiện hành.

Thứ hai, thử nghiệm khả năng hấp phụ đơn thuần của đá ong tự nhiên và đá ong rửa sạch trong 10 giờ liên tục cho thấy hiệu suất tách phenol chỉ đạt mức rất thấp từ 0,65% đến 0,73%. Nguyên nhân là do phenol có tính axit yếu (pKa = 9,75), lực liên kết tĩnh điện với bề mặt đá ong tự nhiên không đáng kể, khẳng định vật liệu thô không thể áp dụng cho công nghệ hấp phụ đơn thuần.

Thứ ba, hệ ozon kết hợp đá ong biến tính ở điều kiện tối ưu (pH 11, liều lượng đá ong biến tính 3 g/L, lưu lượng O3 0,225 g/h) mang lại tốc độ phân hủy phenol vượt trội. Đối với dung dịch phenol 400 mg/L, quá trình phản ứng tuân theo quy luật động học bậc 1 với hằng số tốc độ k tăng vọt theo mức tăng của pH, đạt hiệu suất loại bỏ hơn 98% chỉ sau 60 phút phản ứng.

Thứ tư, khi ứng dụng trên mẫu nước thải luyện cốc thực tế với nồng độ phenol đầu vào 380,2 mg/L và COD là 2784,8 mg/L, sau 150 phút xử lý bằng hệ ozon kết hợp 3 g/L đá ong biến tính, hiệu suất loại bỏ phenol đạt trên 95% và COD giảm hơn 60%, chứng minh tính thích ứng cao trong điều kiện nền nước thải công nghiệp phức tạp.

Thảo luận kết quả

Cơ chế phân hủy phenol được giải thích thông qua sự tương tác giữa ozon và các tâm hoạt tính Fe0 trên bề mặt đá ong biến tính. Trong môi trường kiềm mạnh (pH 11), các ion OH- đóng vai trò tác nhân khơi mào thúc đẩy sự phân rã ozon thành các gốc hydroxyl (*OH) tự do. Bề mặt đá ong biến tính chứa sắt hóa trị 0 giúp chuyển giao điện tử nhanh chóng, tạo ra mật độ gốc *OH dày đặc để tấn công liên kết C-C và bẻ gãy vòng benzen của phân tử phenol, chuyển hóa thành các hợp chất trung gian như hydroquinone, benzoquinone trước khi khoáng hóa thành axit hữu cơ ngắn mạch, CO2 và nước.

Nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của các anion cản trở. Khi nồng độ ion Cl- tăng từ 100 mg/L lên 300 mg/L và CN- tăng từ 5 mg/L lên 15 mg/L, hằng số tốc độ phản ứng giảm nhẹ từ 8% đến 15% do hiện tượng bắt giữ gốc tự do *OH của các anion vô cơ. Tuy nhiên, nhờ mật độ xúc tác phân tán đồng đều, hệ ozon kết hợp đá ong biến tính vẫn duy trì hiệu quả xử lý cao. Toàn bộ diễn biến phản ứng được trực quan hóa xuất sắc thông qua các đồ thị đường biểu diễn động học suy giảm phenol theo thời gian và bảng tổng hợp ma trận hệ số tốc độ phản ứng k tại các mức pH khác nhau (từ pH 3 đến pH 11), cho phép so sánh định lượng trực quan giữa hệ ozon đơn lẻ và hệ xúc tác đá ong. So với phương pháp sinh học bùn hoạt tính truyền thống vốn cần thời gian lưu nước từ 5 đến 15 ngày, công nghệ này rút ngắn thời gian xử lý xuống chỉ còn 150 phút, không phát sinh bùn thải độc hại và tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, triển khai tích hợp mô hình tiền xử lý ozon hóa xúc tác đá ong biến tính vào dây chuyền xử lý nước thải dập cốc tại các nhà máy luyện kim và gang thép quy mô lớn. Doanh nghiệp sản xuất thép cần chủ trì lắp đặt module phản ứng oxy hóa nâng cao với mục tiêu giảm nồng độ phenol từ trên 380 mg/L xuống dưới 15 mg/L trong thời gian 90 đến 120 phút trước khi đưa dòng thải vào bể sinh học hiếu khí, thời gian hoàn thành thử nghiệm trong vòng 6 đến 12 tháng tới.

Thứ hai, chuẩn hóa và thương mại hóa quy trình biến tính đá ong tự nhiên thành hạt xúc tác công nghiệp. Các viện nghiên cứu chuyển giao công nghệ cùng doanh nghiệp vật liệu môi trường cần hợp tác xây dựng dây chuyền điều chế xúc tác Fe0 mang trên đá ong Thạch Thất với mục tiêu đạt độ bền cơ học cao, giảm độ hao hụt dưới 0,5% mỗi chu kỳ và tái sử dụng xúc tác tối thiểu 10 lần, lộ trình thực hiện trong 12 tháng.

Thứ ba, tự động hóa hệ thống giám sát và kiểm soát liều lượng cấp khí ozon cùng độ pH trực tuyến. Đội ngũ kỹ sư vận hành nhà máy cần thiết lập hệ thống cảm biến pH tự động duy trì ngưỡng 10,5 đến 11,0 và điều tiết lưu lượng sục O3 ở mức 0,225 g/h cho mỗi lít nước thải, giúp tiết kiệm 20% đến 25% điện năng tiêu thụ của máy phát ozon trong thời gian 3 đến 6 tháng.

Thứ tư, hoàn thiện hành lang pháp lý và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng công nghệ AOPs trong xử lý nước thải công nghiệp nặng. Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng các cơ quan quản lý cần ban hành sổ tay hướng dẫn kỹ thuật xử lý hợp chất hữu cơ khó phân hủy và rà soát ngưỡng giới hạn phenol 0,02 mg/L trong vòng 18 đến 24 tháng nhằm thúc đẩy các nhà máy chuyển đổi công nghệ xanh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư môi trường và cán bộ kỹ thuật vận hành trạm xử lý nước thải tại các khu liên hợp gang thép, nhà máy luyện than cốc và hóa chất. Tài liệu cung cấp thông số công nghệ chi tiết (pH 11, O3 0,225 g/h, xúc tác 3 g/L) giúp cải tạo, nâng cấp trạm xử lý hiện hữu nhằm loại bỏ triệt để phenol và COD độc hại.

Thứ hai, giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Hóa học và Công nghệ Vật liệu. Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về quy trình nghiên cứu thực nghiệm AOPs, phương pháp phân tích HPLC-UV chuẩn EPA 604 và mô hình động học phản ứng phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ khó xử lý.

Thứ ba, lãnh đạo và nhà quản lý doanh nghiệp công nghiệp luyện kim, hóa dầu đang tìm kiếm giải pháp xử lý nước thải chi phí thấp. Đề tài mang lại giải pháp thay thế các loại xúc tác kim loại quý đắt tiền bằng nguồn khoáng sét đá ong tự nhiên dồi dào, giúp cắt giảm 40% chi phí đầu tư hóa chất xử lý.

Thứ tư, chuyên viên quản lý nhà nước, thanh tra môi trường tại các Sở Tài nguyên và Môi trường, Ban Quản lý Khu kinh tế, Khu công nghiệp. Dữ liệu quan trắc thực tế 12 tháng tại Formosa Hà Tĩnh cung cấp cơ sở thực tiễn để thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường và giám sát xả thải công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đá ong tự nhiên chưa biến tính lại có khả năng hấp phụ phenol rất thấp? Đá ong tự nhiên chứa khoảng 36% sắt ở dạng oxit liên kết bền vững và trơ hóa học trong môi trường nước, không giải phóng các ion kim loại hoạt tính. Bên cạnh đó, phenol là axit yếu với hằng số phân ly pKa = 9,75, tạo liên kết hấp phụ bề mặt rất kém, dẫn đến hiệu suất tách phenol sau 10 giờ chỉ đạt dưới 0,73%.

Vì sao phản ứng ozon hóa xúc tác đạt hiệu quả cao nhất ở môi trường pH 11? Ở môi trường kiềm mạnh pH 11, nồng độ ion OH- dồi dào đóng vai trò chất khơi mào kích hoạt chuỗi phân hủy ozon tạo ra lượng lớn gốc tự do hydroxyl (*OH). Gốc *OH có thế oxy hóa cực cao 2,80 V, bẻ gãy nhanh chóng vòng thơm của phenol 400 mg/L trong vòng 60 phút, vượt trội so với môi trường axit.

Sự hiện diện của ion Cl- và CN- trong nước thải ảnh hưởng thế nào đến quá trình xử lý? Các anion Cl- ở nồng độ 100 đến 300 mg/L và CN- từ 5 đến 15 mg/L đóng vai trò như các chất bắt giữ gốc tự do, cạnh tranh phản ứng với gốc *OH và làm giảm nhẹ tốc độ phân hủy phenol. Tuy nhiên, lượng xúc tác đá ong biến tính 3 g/L vẫn duy trì hiệu suất xử lý phenol trên 90%.

Quy trình biến tính đá ong Thạch Thất tạo ra những thay đổi gì trên bề mặt vật liệu? Đá ong tự nhiên được nghiền nhỏ và xử lý hóa học trong phòng thí nghiệm để chuyển hóa các oxit sắt Fe3+ và Fe2+ thành dạng sắt kim loại Fe0 phân tán trên bề mặt. Quá trình này giúp gia tăng diện tích tiếp xúc, tạo từ tính và hình thành các tâm hoạt động chuyên biệt để liên tục sinh ra gốc *OH khi tiếp xúc với ozon.

Nước thải sau quá trình ozon hóa xúc tác có cần xử lý thêm giai đoạn nào không? Mặc dù hệ ozon kết hợp đá ong biến tính loại bỏ trên 95% phenol và hơn 60% COD trong 150 phút, các chất trung gian mạch ngắn vẫn cần được khoáng hóa hoàn toàn. Dòng thải sau oxy hóa nâng cao cần được đưa tiếp qua bể sinh học hiếu khí để xử lý triệt để, đảm bảo đạt quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT trước khi xả thải.

Kết luận

• Đã khảo sát và đặc trưng hóa toàn diện thành phần nước thải luyện cốc Formosa Hà Tĩnh với hàm lượng phenol trung bình 380,2 mg/L và COD 2784,8 mg/L vượt xa tiêu chuẩn xả thải.
• Chế tạo thành công vật liệu xúc tác dị thể từ đá ong tự nhiên Thạch Thất thông qua quy trình biến tính chuyển hóa oxit sắt thành dạng sắt kim loại Fe0 hoạt tính cao.
• Xác định bộ thông số vận hành tối ưu: pH 11, nồng độ xúc tác 3 g/L, lưu lượng ozon 0,225 g/h, đạt hiệu suất phân hủy phenol trên 95% đối với nước thải thực tế sau 150 phút.
• Làm sáng tỏ cơ chế phản ứng oxy hóa nâng cao thông qua gốc tự do hydroxyl (*OH) và đánh giá định lượng mức độ cản trở của các anion Cl- và CN-.
• Đề xuất giải pháp công nghệ chi phí thấp, thân thiện môi trường, tận dụng nguồn khoáng sản bản địa phong phú phục vụ ngành công nghiệp luyện kim Việt Nam.

Công trình luận văn đã chứng minh tính khả thi vượt trội của việc ứng dụng khoáng sản đá ong tự nhiên biến tính kết hợp ozon hóa trong xử lý nước thải công nghiệp độc hại. Trong giai đoạn 2026-2028, các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung chế tạo thiết bị phản ứng dòng chảy liên tục quy mô pilot 5 đến 10 m3/ngày và tối ưu hóa chu trình tái sinh xúc tác tự động. Các đơn vị sản xuất thép và doanh nghiệp công nghiệp môi trường hãy nhanh chóng khai thác toàn văn luận văn này để áp dụng vào thực tế xử lý nước thải luyện cốc ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Công nghiệp thép là ngành công nghiệp cơ bản của ViệtNam trong quá trình công nghiệp hóa và có định hướng thay thế nhập khẩu.Sản phẩm của ngành thép có liên quan đến hầu hết các ngành kinh tế và quốc phòng của một nước.Tính đến nay Hiệp hội thép Việt Nam có đến trên 40 thành viên sản xuất thép.Than cốc là nguyên liệu chính để sản xuất gang thép cung như làm nhiên liệu không khói chất lượng cao.Chính vì vậy các nhà máy luyện cốc thường được xây dừng để cung cấp đầu vào cho các nhà máy sản xuất gang thép. Để thu được cốc cần tiến hành dập cốc. Hiên nay có nhiều công nghệ dập cốc ít gây ảnh hưởng đến môi trường như dập cốc khô. Tuy nhiên có nhiều nhà máy sử dụng công nghệ dập cốc ướt.

Phương pháp dập cốc ướt mang lại hiệu quả về kinh tế tuy nhiên đây không phải là công nghệ thân thiện với môi trường vì phát sinh ra rất nhiều chất thải vào cả môi trường đất, nước và khí.Trong đó phenol được coi là một thành phần chính trong nước thải. Nước thải này không được xử lý đạt tiêu chuẩn mà đưa vào môi trường sẽ gây ra ảnh hưởng không hề nhỏ cho sức khỏe con nghười và hệ sinh thái xung quanh.Năm 2015 Bộ Tài nguyên Môi trường đã đưa ra giới hạn cho phép hàm lượng giới hạn cho phép trong nước mặt lớn nhất là 0,02mg/l tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Để xử lý phenol, các phương pháp xử lý truyền thống đã được áp dụng như phương pháp hóa lý (hấp phụ, keo tụ, lắng…) đã được áp dụng nhưng không hiệu quả cao và nước thải sau xử lý chưa đạt tiêu chuẩn xả thải. Những năm gần đây, quá trình ozon hóa xúc tác- catalytic ozonation process (COP) hay thường gọi là catazon được xem như một chiến lược mới về xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy.

Rất nhiều công trình nghiên cứu cho thấy quá trình COP có thể tăng cường hiệu quả bằng cách kết hợp ozon với xúc tác tổng hợp gồm các kim loại và oxit kim loại như CO3O4/CeO2, TiO2, Pt/carbon nanotube, 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Ru/AL2O3, Fe3O4/CoO, Fe2O3/CeO2, Cu/ZrO, CuFe2O4, carbon hoạt tính. Những chất xúc tác cũng đã được nhiều tác giả chứng minh làm tăng hiệu quả phân hủy chất hữu cơ của quá trình ozon hóa. Ở Việt Nam hầu hết các nhà máy luyện cốc đều sử dụng phương pháp dập ướt để làm nguội. Phương pháp ướt có ưu điểm là giá thành thấp do sử dụng nước tuy nhiên đây cũng là nguồn phát sinh một lượng nước thải ô nhiễm cho ngành này.

Nước thải này chứa rất nhiều chất ô nhiễm độc hại như COD, NH4+, CN-, phenol, PAHs…Nồng độ phenol trong nước thải cốc thường dao động trong khoảng từ 300- 1500 mg/l. Nồng độ các thông số khác nhau ở từng nhà máy, phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu sử dụng. Với sự phát triển không ngừng của ngành luyện gang, các nhà máy luyện cốc càng ngày càng phát triển kéo theo một lượng lớn nước thải chứa phenol cần xử lý. Luận văn với tiêu đề: “Nghiên cứu xử lý phenol trong nước thải luyện cốc bằng ozon hóa kết hợp với xúc tác từ đá ong” với mục đích thử nghiệm xử lý nước thải cốc bằng ozon kết hợp với vật liệu tự nhiên, thân thiện với môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu: 1. Nâng cao hiệu quả xử lý phenol trong nước thải cốc bằng quá trình ozon hóa xúc tác thông qua việc xác định điều kiện tối ưu xử lý phenol trong nước thải cốc bằng hệ ozon có xúc đá ong biến tính. Áp dụng xử lý phenol trong nước thải luyện cốc của công ty TNHH Gang thép Hưng Nghiệp Formosa Hà Tiñ h. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN 1.

Quá trình hình thành và đặc tính nƣớc thải luyện cốc 1. Quá trình hình thành nước thải luyện cốc Than cốc là sản phẩm của quá trình luyện cốc.Quá trình luyện than cốc được thực hiện khi cho than đá vào lò luyện cốc và tăng nhiệt độ lên 950-1050oC, trải qua các quá trình khô, nhiệt giải, nóng chảy, kết dính, đông cứng, co ngót cuối cùng thì cửa lò than mở, cốc được chuyển xuống tháp dấp cốc, nước để dập cốc là nước thải chứa phenol đã qua xử lý. Nước phenol chứa trong bể bơm dập lên dàn phun để dập cốc nhanh và đều, sản phẩm tạo ra vật chất màu xám bạc có nhiều vân và lỗ khí gọi là than cốc. Sản phẩm than cốc thu được có đặc tính kĩ thuật khác nhau dùng làm nguyên liệu, nhiên liệu trong các ngành công nghiệp như làm chất khử trong các ngành công nghệ luyện kim tù quặng sắt, các chất làm tơi trong phối liệu, ngành đúc, ngành luyện kim lò cao, ngành khí hóa, ngành hóa công nghiệp luyện các hợp kim của sắt.

Ngoài ra trong quá chưng khô luyện cốc còn thu hồi được khí than, dầu cốc và các loại chất hữu cơ có thể ứng dụng trong các ngành công nhiệp làm nguyên liệu chế tạo dây thừng, thuốc nhuộm, thuốc y tế, sơn, quốc phòng; khí than sau khi được làm sạch vừa có thể dùng làm nguyên liệu đốt vừa có thể dùng điều chế amoniac và một số nguyên liệu công nghiệp khác. Sau khi quá trình dập cốc kết thúc sản sinh ra một lượng lớn nước thải được gọi là nước thải luyện cốc. Tùy vào công suất hoạt động của mỗi nhà máy mà lượng nước thải sinh ra cũng như hàm lượng các chất ô nhiễm khác nhau Việc tận dụng nước để dập cốc là biện pháp đơn giản, nhanh và dễ thực hiện,tiết kiệm được chi phí cho doanh nghiệp, hiệu quả mang lại tức thời tuy nhiên lại sản sinh ra một lượng lớn nước thải các chất gây ô nhiễm như phenol, cyanua, clorua… có nồng độ rất cao. Phần nước thải luyện cốc của phân xưởng được tập trung đưa về trạm xử lý nước thải sinh hóa để xử lý trước khi thải ra môi trường.

3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sơ đồ quy trình sản xuất than cốc 1. Đặc tính của nước thải luyện cốc Nước thải trong công đoạn dập cốc là nước thải chứa nhiều chất hữu cơ khó phân hủy chủ yếu là ammoniac, ngoài ra còn có các hợp chất độc hại như phenol, PAH, SCN-, CN-. Đặc biệt hàm lượng COD và phenol rất cao.

Các hợp chất phenol tạo ra 60-80% COD trong nước thải và bị phân hủy bởi vi khuẩn hoạt động với cacbon dioxit, metan và các hợp chất khác. Bảng 1 thể hiê ̣n mô ̣t số thông số điể n hin ̀ h phân tích trong nước thải sản xuấ t than cố c. Nồ ng đô ̣ của từng thành phầ n tùy thuô ̣c vào loa ̣i than đươ ̣c sử du ̣ng cho từng công nghê ̣ [27]. Nhìn chung nước thải dập cốc có đặc tính là COD rất cao 2200 – 3000 mg/l, nồng độ phenol tổng đạt từ 333 – 485 mg/l và nồng độ thiocyanate (SCN-) 184 – 215mg/l, đều là những tác nhân rất độc hại cho môi trường nếu không được xử lý, nồng độ NH4+ khi chưa qua xử lý từ 272- 1010 mg/l.

Do vậy việc xử lý nước thải luyện cốc rất cần được quan tâm xử lý trước khi đưa ra môi trường. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Thành phần nƣớc thải luyện cốc một số nƣớc trên thế giới Thông số Australia Đức Tây Ban Nha BOD5 (mg/L) 610 1600 - 2600 1150 COD (mg/L) 2200 4000 - 6500 3030 TSS (mg/L) 50 2 – 10 31 NH4+-N (mg/L) 272 50 - 150 1010 Photpho (mg/L) <1 <1 <1 Phenol tổng (mg/L) 333 400 - 1200 485 SCN- (mg/L) 184 200 - 500 215 CN- (mg/L) 93 4 – 15 50 [Vazquez và cộng sự, 2007] 1. Ảnh hƣởng của phenol đến môi trƣờng và con ngƣời 1.

Ảnh hưởng của phenol đến môi trường Phenol là chất rắn, tinh thể không màu có mùi đặc trưng, nóng chảy ở 43°C. Phenol là hợp chất hữu cơ trong phân tử có nhóm OH liên kết trực tiếp với nguyên tử C vòng benzene. Để lâu ngoài không khí phenol bị oxi hóa một phần nên có màu hồng và bị chảy rữa do hấp thụ hơi nước. Phenol ít tan trong nước lạnh, tan trong một số hợp chất hữu cơ.

Chính vì vậy, nước thải có chứa phenol vượt quá quy chuẩn cho phép sẽ dấn đến tiǹ h tra ̣ng ô nhiễm phenol trong không khí , nước thải và trong đất có thể ảnh hưởng đế n hê ̣ sinh thái và ở hàm lươ ̣ng cao có thể tiêu diê ̣t toàn bô ̣ hê ̣ sinh thái [6]. Điển hình như trong năm 2016 việc chưa xử lý tốt nước thải luyện cốc của nhà máy luyện gang thép mà xả thẳng ra môi trường được cho là nguyên nhân các loài sinh vật sống dưới biển chết hàng loạt. Ảnh hưởng của phenol đến con người Khi ăn, uố ng phải phenol có thể gây kí ch ứng , bỏng phía bên trong cơ thể và gây tử vong ở hàm lươ ̣ng cao .Tình trạng kích ứn g và ảnh hưởng cũng xảy ra tương tự đố i với các loài đô ̣ng vâ ̣t khi tiế p xúc với phenol. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Mặc dù chưa có nghiên cứu cụ thể nào chỉ ra rằng phenol có khả năng gây ra bệnh ung thư ở người nhưng EPA đã xế p phenol vào nhóm D , nhóm có khả năn g gây bê ̣nh ung thư ở người.

Đã có nhiều thí nghiệm khi cho động vật ăn thường xuyên thức ăn có chứa phenol ở hàm lượng cho phép thấy xuất hiện các khối u hoặc các chất gây bệnh ung thư da. Phenol được xếp vào danh sách các chất độc hại với con người và môi trường, chỉ với một hàm lượng nhỏ phenol đi vào cơ thể con người như khi tiếp xúc với da, mắt, miệng đều gây ra các kích ứng như co giật, hôn mê rối loạn hô hấp, mất khả năng kiểm soát, lượng máu trong cơ thể thay đổi dẫn đến hiện tượng tụt huyết áp. Phenol còn gây ảnh hưởng đến các bộ phận trong cơ thể người như gan, tim thận [6]. Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra khi tiếp xúc với phenol lâu ngày gây ảnh hưởng đến bắp thịt, gan.

Với nồng độ phenol cao tiếp xúc với bề mặt da sẽ gây bỏng, làm rối loạn nhịp tim. Hiê ̣n nay , chưa có nghiên cứu nào về sự ảnh hưởng của phenol ở nồ ng đô ̣ thấ p đố i với sự phát triể n của cơ thể , tuy nhiên nhiề u nhà khoa ho ̣c cho rằ ng tiế p xúc thường xuyên với phenol có thể dẫn đế n sự phát triể n châ ̣m trễ , gây ra sự biế n đổ i di ̣thường ở thế hê ̣ sau, tăng tỉ lê ̣ đẻ non ở người mang thai.