Nghiên cứu xử lý PFAS trong nước bằng công nghệ keo tụ điện hóa

Khám phá giải pháp xử lý PFAS trong nước bằng công nghệ keo tụ điện hóa. Nghiên cứu chi tiết về điều kiện vận hành, hiệu quả và chi phí thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Quốc Tùng
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Lê Lựu
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu xử lý PFAS (per and polyfluoroalkyl substances) trong nước bằng công nghệ keo tụ điện hóa
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Keo Tụ Điện Hóa Công Nghệ Hiệu Quả Xử Lý PFAS

Keo tụ điện hóa (Electrocoagulation - EC) là công nghệ tiên tiến trong xử lý nước nhiễm PFAS (per and polyfluoroalkyl substances). Công nghệ này sử dụng các điện cực kim loại để tạo ra các ion kim loại, giúp keo tụ và loại bỏ các chất ô nhiễm khó phân hủy. PFAS là các chất hóa học bền vững, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhưng gây hại nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã chứng minh hiệu quả của keo tụ điện hóa trong xử lý PFAS với hiệu suất loại bỏ lên tới 90%. Phương pháp này có ưu điểm là không sử dụng hóa chất phụ trợ, an toàn cho môi trường và kinh tế hiệu quả.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Keo Tụ Điện Hóa

Keo tụ điện hóa hoạt động dựa trên nguyên lý điện hóa học. Khi dòng điện đi qua các điện cực (thường là sắt hoặc nhôm), chúng bị oxi hóa và tạo ra các ion kim loại. Các ion này kết hợp với nước tạo thành các hydroxide, có khả năng loại bỏ PFAS thông qua keo tụ và沉降. Quá trình này không cần sử dụng hóa chất xử lý PFAS bổ sung, giúp giảm chi phí và rủi ro môi trường so với phương pháp xử lý nước truyền thống.

1.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Công Nghệ

Xử lý PFAS bằng keo tụ điện hóa mang lại nhiều lợi ích. Thứ nhất, hiệu suất loại bỏ cao (90% trở lên). Thứ hai, không phát sinh bùn nhiều, giảm chi phí xử lý chất thải. Thứ ba, quá trình đơn giản, dễ điều khiển các thông số. Cuối cùng, năng lượng tiêu thụ thấp (khoảng 3 kWh/m³), giúp xử lý nước hiệu quả về kinh tế.

II. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Xử Lý PFAS

Hiệu suất xử lý PFAS bằng keo tụ điện hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng. Các thông số vận hành như pH, mật độ dòng điện, thời gian điện phân, nồng độ persulfate (PS) và nồng độ chất điện ly đều ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình loại bỏ. Ngoài ra, vật liệu điện cực (sắt hoặc nhôm) cũng quyết định hiệu quả xử lý PFAS trong nước. Nghiên cứu cho thấy keo tụ điện hóa với điện cực sắt (Fe) cho hiệu suất cao hơn so với nhôm (Al), đạt 90,17% so với 86,38%. Việc tối ưu hóa các thông số này là chìa khóa để đạt xử lý nước hiệu quả và kinh tế.

2.1. Ảnh Hưởng Của pH Và Nồng Độ Persulfate

Độ pH tối ưu cho xử lý PFAS bằng keo tụ điện hóa là 7. Persulfate (PS) đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường loại bỏ PFAS, nồng độ tối ưu là 2g/L. Sự kết hợp giữa điều kiện pH trung tính và nồng độ PS phù hợp tạo ra môi trường lý tưởng cho xử lý nước hiệu quả, giảm chi phí vận hành.

2.2. Ảnh Hưởng Của Mật Độ Dòng Điện Và Thời Gian

Mật độ dòng điện 4,76 mA/cm² và thời gian phản ứng 60 phút là điều kiện tối ưu cho xử lý PFAS. Những thông số này đảm bảo đủ lượng ion kim loại được tạo ra để loại bỏ PFAS hiệu quả. Nồng độ NaCl 1g/L tăng cường độ dẫn điện, cải thiện hiệu suất xử lý nước mà không làm tăng chi phí đáng kể.

III. Hiệu Quả Kinh Tế Của Phương Pháp Xử Lý PFAS

Xử lý PFAS bằng keo tụ điện hóa là giải pháp có tính kinh tế cao so với các phương pháp truyền thống. Năng lượng tiêu thụ chỉ khoảng 3 kWh/m³, giúp giảm chi phí điện năng. Lượng bùn phát sinh rất ít (0,04 kg/m³), giảm thiểu chi phí xử lý chất thải. Điều này khiến xử lý nước chứa PFAS trở nên khả thi về mặt tài chính cho các nhà máy nước và các cơ sở công nghiệp. Khi so sánh với các phương pháp như màng lọc, hấp phụ hoặc oxi hóa hóa học, keo tụ điện hóa cung cấp giải pháp cân bằng tốt giữa hiệu suất và chi phí, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng quy mô nhỏ đến trung bình.

3.1. Chi Phí Năng Lượng Và Vận Hành

Chi phí xử lý PFAS bằng keo tụ điện hóa khá cạnh tranh. Với năng lượng tiêu thụ khoảng 3 kWh/m³, chi phí điện năng có thể được kiểm soát hiệu quả. Quá trình vận hành đơn giản không cần nhân lực chuyên môn cao, giảm chi phí nhân công. Xử lý nước theo phương pháp này không sử dụng hóa chất phức tạp, tiết kiệm chi phí mua sắm và bảo quản.

3.2. Quản Lý Bùn Và Chất Thải

Một ưu điểm nổi bật của keo tụ điện hóa là lượng bùn sinh ra rất ít (0,04 kg/m³). Điều này có nghĩa là chi phí xử lý bùn thải giảm đáng kể so với các phương pháp khác. Bùn phát sinh có thể được xử lý dễ dàng thông qua xử lý chất thải thông thường, không gây ô nhiễm thứ cấp. Hiệu quả kinh tế của xử lý PFAS được nâng cao khi chi phí chất thải được tối ưu hóa.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Triển Vọng Của Công Nghệ

Keo tụ điện hóa đã chứng minh được khả năng áp dụng thực tiễn trong xử lý nước nhiễm PFAS. Công nghệ này có thể được triển khai tại các nhà máy nước sạch, các cơ sở công nghiệp có nguy cơ phát tán PFAS, hay các đơn vị quân sự sử dụng chất chữa cháy có chứa PFAS. Với hiệu suất loại bỏ cao (90%), chi phí vận hành thấp, và lượng bùn ít, xử lý PFAS bằng keo tụ điện hóa là giải pháp hiệu quả cho các cơ sở này. Tương lai của công nghệ này rất sáng sủa, đặc biệt là khi các tiêu chuẩn môi trường ngày càng khắt khe đối với PFAS. Việc kết hợp keo tụ điện hóa với các công nghệ xử lý nước khác có thể mang lại kết quả tốt hơn, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới.

4.1. Các Lĩnh Vực Ứng Dụng Tiềm Năng

Xử lý nước chứa PFAS bằng keo tụ điện hóa có nhiều ứng dụng. Nhà máy nước sạch có thể sử dụng công nghệ này để loại bỏ PFAS từ nguồn nước ngầm. Các nhà máy sản xuất đồ gia dụng chống dính, quân sự sử dụng chất chữa cháy, hay các cơ sở xử lý chất thải đặc biệt cũng là những ứng dụng lý tưởng. Sự linh hoạt của keo tụ điện hóa cho phép điều chỉnh các thông số vận hành phù hợp với từng loại nước thải cụ thể.

4.2. Tương Lai Và Phát Triển Công Nghệ

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào keo tụ điện hóa kết hợp với các phương pháp khác như oxi hóa tiên tiến hoặc hấp phụ. Cải tiến thiết kế điện cực, sử dụng vật liệu mới có thể tăng hiệu suất xử lý PFAS và giảm chi phí hơn nữa. Những phát triển này sẽ giúp xử lý nước trở nên hiệu quả hơn, phục vụ nhu cầu ngày càng cao của xã hội trong việc bảo vệ nguồn nước sạch.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, một số quốc gia phát triển mở rộng ngành công nghiệp hóa chất fluor, sản xuất và sử dụng các hợp chất per-/Opolyfluoroalkyl (PFAS) ngày càng nhiều. Việt Nam cũng là một trong những nước Châu Á tập trung tiêu thụ một lượng lớn các mặt hàng có chứa PFAS xuất xứ từ Trung Quốc, các quốc gia phát triển Châu Âu. Vì vậy có thể thấy được nguy cơ tiềm ẩn ô nhiễm PFAS ở Việt Nam là tương đối cao. Việt Nam mới chỉ quan tâm đến ô nhiễm PFAS trong những năm gần đây, vì vậy số lượng các nghiên cứu báo cáo còn rất hạn chế.

Các báo cáo tình trạng ô nhiễm PFAS ở Việt Nam chỉ tập trung vào một vài hợp chất PFAS nhất định, đa phần là các nghiên cứu về sự tồn tại của hai hợp chất perfluorooctane sulfonate (PFOS) và axit perfluorooctanoic (PFOA) ở các sông, ao hồ gần các điểm tiếp nhận nước thải. PFOS và PFOA đã được phát hiện ở các sông, mương thải, ao hồ ở Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh. Các hợp chất PFAS được phát hiện trong môi trường nước rất đa dạng, cho thấy việc lạm dụng các chất hoặc các tiền chất fluorotelomer alcohols (FTOH) trong sản xuất tiêu dùng đang ở mức đáng báo động. Tính đến nay, chỉ có một nghiên cứu ở quy mô rộng ở Việt Nam của Dương và cộng sự [1] khi đánh giá sự ô nhiễm của 16 hợp chất PFAS trong các con kênh thoát nước đô thị tại Hà Nội, Huế, Đà Nẵng và thành phố Hồ Chí Minh.

Kết quả cho thấy, PFOS, PFOA và axit perfluorononanoic (PFNA) là những chất ô nhiễm điển hình với nồng độ cao nhất lần lượt là 5. Nhóm tác giả cũng đưa ra quan điểm rằng các hợp chất PFAS tồn tại khắp nơi trong môi trường nước đô thị ở Việt Nam từ nước mặt, nước sông đến nước ngầm. PFOA, PFNA và PFOS là các hợp chất thường xuyên hiện diện trong nước mặt với tần suất lần lượt là 98%, 84% và 59%. Ngoài ra, các hợp chất PFAS chính như PFOS, PFOA, PFNA, axit perfluorobutanoic (PFBA), axit perfluoroheptanoic (PFHpA), axit perfluordecanoic (PFDA) và axit perfluorohexane sulfonic (PFHxS) cũng được tìm thấy trong nguồn nước ngầm.

Cũng theo nghiên cứu của Dương và cộng sự [1], nồng độ ô nhiễm PFAS cao nhất ở khu vực có dân cư đông đúc và gần các nhà máy sản xuất hóa chất. Nguồn nước thải đô thị và công nghiệp có thể được xem là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến mức độ nhiễm bẩn PFAS cao cho môi trường xung quanh, đặc biệt là nguồn nước. 1 Các nghiên cứu xử lý PFAS trên thế giới chủ yếu tập trung vào các công nghệ oxy hóa – khử tiên tiến như quang hóa [4], siêu âm hóa học [5], điện phân hóa học [6], phóng xạ hóa học [7], nhiệt hóa học [8]. Trong đó, giải pháp sử dụng sóng siêu âm đã được lựa chọn xử lý ô nhiễm PFAS ở Việt Nam.

Nhóm nghiên cứu của Lan Anh và cộng sự [10] đã sử dụng công nghệ sonochemical (công nghệ ứng dụng siêu âm cho các phản ứng và quá trình hóa học) để xác định sự ảnh hưởng của nồng độ NaHCO3, độ bão hòa N2 và pH đối với tốc độ phân hủy và hiệu quả khử PFOA của lưu huỳnh. Kết quả cho thấy PFOA được loại bỏ hoàn toàn sau 4 giờ phản ứng trong môi trường kiềm (pH = 8.65) với sự có mặt của N2 bảo hòa và xúc tác carbonate. Trường hợp không có N2 bão hòa, FFOA cũng bị phân hủy ở mức độ cao (98. Năm 2018, nhóm nghiên cứu Lan Anh và cộng sự [11] tiếp tục đánh giá hiệu quả xử lý PFOS và PFOA bằng sóng siêu âm trong nền nước mô phỏng.

Kết quả cho thấy, sóng siêu âm có tần số cao trên 500 kHz có thể tự phân hủy PFOS và PFOA ở các nồng độ khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp sử dụng sóng siêu âm trong xử lý các hợp chất PFAS cũng gặp một số khuyết điểm, chẳng hạn như tại các tần số thấp (< 40kHz) thì hiệu quả loại bỏ không cao. Việc bổ sung thêm các chất oxy hóa khử (TiO2, NaHCO3, KIO4, K2S2O8, Na2SO4, KMnO4) hoặc kết hợp với các phương pháp vật lý khác (quá trình quang hóa, hấp phụ bằng than hoạt tính) có thể khắc phục được khuyết điểm này nhưng quá trình xử lý sẽ trở nên phức tạp hơn. Nói chung, dữ liệu đánh giá mức độ ô nhiễm PFAS ở Việt Nam còn hạn chế về số lượng đối tượng và quy mô nghiên cứu.

Nhiều phương pháp xử lý PFAS trong môi trường nước đã được đưa ra từ phương pháp sinh học đến hóa lý. Các giải pháp sinh học như sử dụng bùn hoạt tính ít khi được sử dụng để loại bỏ PFAS vì hiệu quả mang lại rất thấp do đặc tính khó phân hủy sinh học của PFAS. Trong khi đó, than hoạt tính có thể được sử dụng để xử lý một phần PFAS tồn tại trong nước uống và nước ngầm thông qua các cơ chế hấp phụ và trao đổi ion [23]. Nước thải chứa PFAS, việc sử dụng than hoạt tính để xử lý trực tiếp bị hạn chế do tính chất phức tạp của nó.

Nghiên cứu của Inyang và Dickenson [25] cũng chỉ ra hiệu quả xử lý các hợp chất PFAS chưa triệt để khi sử dụng than sinh học để loại bỏ PFOS (61%) và PFOA (35%) trong nước thải. Có thể thấy hiệu quả loại bỏ PFAS bằng phương pháp sinh học còn chưa cao, quá trình xử lý trở nên phức tạp khi phải kết hợp với các phương pháp khác. 2 Công nghệ keo tụ điện hóa đã nhận được nhiều sự quan tâm, áp dụng rộng rãi khi tỏ ra khá hiệu quả trong việc xử lý các chất khó phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường, không cần sử dụng hóa chất, dễ vận hành, vật liệu điện cực phổ biến, thời gian phản ứng ngắn có thể xử lý nước với thể tích lớn, giá thành đầu tư rẻ. Công nghệ keo tụ điện hóa xử lý ô nhiễm bằng năng lượng điện - một loại năng lượng xanh tiềm năng và dễ sử dụng.

Vì những ưu điểm nêu trên, cùng sự phát triển mạnh mẽ các mặt hàng có chứa PFAS và yêu cầu khắt khe về xử lý nước thải tránh gây ô nhiễm môi trường được đặc biệt quan tâm trong những năm gần đây, việc đánh giá xác định xử lý nước thải đạt hiệu quả cao, ổn định và giảm chi phí vận hành, thân thiện với môi trường đã trở thành vấn đề cấp thiết. Những yêu cầu thực tiễn như vậy là cơ sở tiến hành thực hiện nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu xử lý PFAS trong nước bằng công nghệ keo tụ điện hóa” 1. Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá khả năng xử lý PFAS trong nước bằng công nghệ keo tụ điện hóa. Đánh giá khả năng áp dụng vào thực tế của công nghệ keo tụ điện hóa trong xử lý nước chứa PFAS.

Nội dung nghiên cứu Xác định các điều kiện vận hành thích hợp xử lý PFAS bằng công nghệ keo tụ điện hóa, xác định năng lượng tiêu thụ, chi phí xử lý PFAS và lượng bùn phát sinh trong quá trình xử lý PFAS bằng keo tụ điện hóa. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng của nghiên cứu - Nước chứa PFAS được pha sẵn theo các nồng độ nhất định - Hệ thống keo tụ điện hóa trên các điện cực Fe, Al - Hoá chất hỗ trợ: NaCl, Natri Persulfate – Na2S2O8 1. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm.

Địa điểm tiến hành nghiên cứu tại phòng Lab Trường Đại học Việt Đức. - Thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu: tháng 1/2024 đến tháng 6/2024 - Phương pháp đo PFAS: bằng sắc ký khối phổ (hệ thống LC-MS/MS) 3 1. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ❖ Ý nghĩa khoa học: Các kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở khoa học để tính toán xác định các điều kiện vận hành thích hợp và cơ chế xử lý PFAS bằng công nghệ keo tụ điện hóa, xác định năng lượng tiêu thụ, chi phí xử lý PFAS và lượng bùn phát sinh trong quá trình xử lý PFAS bằng keo tụ điện hóa Bổ sung dữ liệu nghiên cứu cho những phần nghiên cứu tiếp theo ở tại địa phương hoặc làm cơ sở dữ liệu cho các nghiên cứu khác. ❖ Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thêm một giải pháp công nghệ phù hợp xử lý PFAS, đảm bảo khả năng, hiệu quả xử lý, giảm chi phí xử lý và góp phần cải thiện chất lượng môi trường.

❖ Tính mới của đề tài: Việc nghiên cứu xử lý nước có chứa PFAS đã được thực hiện các nước Châu Âu, Châu Á. Tuy nhiên, việc nghiên cứu hiệu quả xử lý nước nhiễm PFAS bằng keo tụ điện hóa chưa được thực sự quan tâm tại Việt Nam. Do vậy những kết quả nghiên cứu đề tài sẽ góp phần làm rõ vấn đề này. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về nước chứa PFAS 2.1 Khái quát sơ lược về nước thải chứa PFAS PFAS là chất hoạt động bề mặt có đặc tính chống nước, dầu mỡ và vết bẩn tuyệt cũng như khả năng chống phân hủy nhiệt cao khiến chúng được sản xuất và sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, thương mại, quân sự và chữa cháy (Chou et al., 2019; Houtz et al.

cộng sự, 2013; Kotthoff và cộng sự, 2015). PFAS đã được sản xuất hàng loạt từ những năm 1940 (Dean và cộng sự, 2020) và hiện được phát hiện ở những khu vực xa xôi nhất trên trái đất (Butt và cộng sự, 2011; Miner và cộng sự, 2021) [2]. Chúng được thải ra môi trường thông qua xử lý chất thải, nước rò rỉ từ bãi chôn lấp, chất thải từ các nhà máy xử lý nước thải (WWTP), sử dụng bọt tạo màng nước (AFFF) (ví dụ: tại sân bay, căn cứ quân sự, nhà máy lọc dầu, trang trại xe tăng, trạm cứu hỏa), và giải phóng trực tiếp từ ngành công nghiệp, dụng cụ nấu ăn chống dính, các sản phẩm chống mỡ, nước và dầu. Có thể tìm thấy PFAS trong nhiều loại sản phẩm tiêu dùng và trong nước ngầm.

Những hợp chất này có thể lắng đọng trong máu, thận, gan và được cho là có liên quan đến bệnh ung thư, gây rối loạn chức năng nội tiết tố. Perfluoroalkyl Carboxylic Acids (PFC Perfluoroalkyl Sulfonates (PFSAs) là một nhóm các chất Per- và Polyfluoroalkyl (PFAS) có cấu trúc hóa học ổn định cao được tổng hợp bằng các hợp chất hữu cơ (Buck và cộng sự, 2011)[6]. Các hóa chất PFAS chuỗi dài có tám nguyên tử carbon, trong khi các chất thay thế chuỗi ngắn có sáu hoặc ít hơn. PFAS bị ô nhiễm trong môi trường (Hongkachok et al., 2018, Szabo et al.