XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP FENTON

XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP FENTON

Ứng dụng của Fenton 
Ứng dụng Fenton có sử dụng chất xúc tác FeSO4 được áp dụng rất phổ biến trong các ngành như:

Xử lý nước thải công nghiệp: chứa nhiều chất độc hại chứa nhiều benzen, phenol  như: dệt nhuộm, lọc dầu, sản xuất sơn, …
Khử mùi : Oxy hóa H2S, mercaptan, amine và aldehyde.
Kiểm soát sự ăn mòn : Phân hủy dư lượng chlorine và hợp chất lưu huỳnh (thiosulfates, sulfites và sulfides) tạo ra các axit ăn mòn khi ngưng tụ trong thiết bị và bị oxy hóa bởi không khí.
Khử BOD, COD: Oxy hóa các chất ô nhiễm gây ra BOD, COD, đối với những chất khó phân hủy có thể cần xúc tác.
Oxy hóa chất vô cơ: Oxy hóa cyanide, NOx, SOx, nitrites, hydrazine, carbonyl sulfide, và các hợp chất lưu huỳnh (phần khử mùi).
Oxy hóa chất hữu cơ: Thủy phân formaldehyde, cacbon disulfide (CS2), carbohydrat, photpho hữu cơ, các hợp chất nitơ, phenol, thuốc bảo vệ thực vật…
 Oxy hóa kim loại : oxy hóa sắt II, mangan, arsenic, selenium…để cải thiện khả năng hấp phụ , lọc hay kết tủa từ các quá trình xử lý nước và nước thải.
Khử độc, cải thiện khả năng phân hủy sinh học : với xúc tác H2O2 phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành đơn giản hơn, ít độc hơn, dễ phân hủy sinh học hơn.
Khử trùng: 
Giải phóng các bọt khí nhỏ phân tán, nâng cao hiệu quả khử loại các váng dầu mỡ trong hệ thống tuyển nổi.
Cung cấp nguồn DO bổ sung tại chỗ cho quá trình xử lý sinh học, cải thiện hiệu quả đốt cháy và làm giảm nhiệt độ vận hành trong lò đốt...
Phản ứng Fenton trong xử lý nước thải
Đối với một số chất khó phân hủy, phản ứng Fenton đem lại hiệu quả xử lý vô cùng hiệu quả. Hyđro peroxyt phản ứng với sắt (II) sunfat sẽ tạo ra gốc tự do hyđroxyl có khả năng phá hủy các chất hữu cơ. Trong một số trường hợp nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn, một số chất hữu cơ sẽ chuyển hóa thành CO2 và nước. 
Để quá trình fenton xảy ra cần có xúc tác và chất oxi hóa. Chất xúc tác có thể là muối sắt hai hoặc sắt ba còn chất oxy hóa là hyđro peroxit. Phản ứng tạo ra gốc tự do hyđroxyl diễn ra như sau:

Fe2+ + H2O2 > Fe3+ + OH- + OH.
    Fe3+ + H2O2 -> Fe2+ + H+ + HOO.

2H2O2 > H2O + OH. + HOO.

Thông thường quy trình oxi hóa Fenton đồng thể gồm 4 giai đoạn:
Điều chỉnh pH phù hợp: Trong các phản ứng Fenton, độ pH ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng và nồng độ Fe2+ , từ đó ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng và hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ, pH thích hợp cho quá trình là từ 2 – 4, tối ưu nhất là ở  mức 2. 8. Đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm giảm thiểu khó khăn khi đưa pH về mức thấp rồi sau đó lại nâng pH lên mức trung tính để tách khử Fe, H2O2 dư. Nếu ta dùng các chất xúc tác khác như quặng sắt Goethite (a-FeOOH), cát có chứa sắt, hoặc sắt trên chất mang Fe/SiO2, Fe/TiO2, Fe/than hoạt tính, Fe/Zeolit… thì quá trình này gọi là Fenton dị thể, pH thích hợp ở trường hợp này theo nghiên cứu cao hơn đồng thể, khoảng từ 5 – 9.
Phản ứng oxi hóa: Trong giai đoạn phản ứng oxi hóa xảy ra sự hình thành gốc *OH hoạt tính và phản ứng oxi hóa chất hữu cơ. Cơ chế hình thành gốc *OH hiện nay chưa thống nhất, theo Fenton thì sẻ có phản ứng:

Fe2+ + H2O2 --> Fe3+  + *OH +OH–

Gốc *OH sau khi hình thành sẽ tham gia vào phản ứng ôxi hóa các hợp chất hữu cơ có trong nước cần xử lý,  chuyển chất hữu cơ từ dạng cao phân thành các chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp. 

CHC (cao phân tử) +  *HO   -->  CHC (thấp phân tử)   +  CO2 +  H2O  +   OH-

Trung hòa và keo tụ: Sau khi xảy ra quá trình oxi hóa cần nâng pH dung dịch lên >7 để thực hiện kết tủa Fe3+ mới hình thành:

Fe3+  +  3OH-   --> Fe(OH)3.

Kết tủa Fe(OH)3 mới hình thành sẽ thực hiện các cơ chế keo tụ, đông tụ, hấp phụ một phần các chất hữu cơ chủ yếu là các chất hữu cơ cao phân tử
Quá trình lắng: Các bông keo sau khi hình thành sẽ lắng xuống khiến làm giảm COD, màu, mùi trong nước thải. Sau quá trình lắng các chất hữu cơ còn lại (nếu có) trong nước thải chủ yếu là các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp sẽ được xử lý bổ sung bằng phương pháp sinh học hoặc bằng các phương pháp khác.
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Fenton trong xử lý nước thải
Nồng độ sắt:  Nếu không có sắt, gốc hydroxyl sẽ không được hình thành. Nồng độ tối ưu của sắt tùy thuộc vào từng loại nước thải.  Nếu không có sắt, sẽ không có sự hình thành gốc hydroxyl. 
Dạng sắt: thông thường người ta hay sử dụng  muối Fe2+ hay Fe3+ để làm chất xúc tác. Tuy nhiên, nếu lượng hệ chất Fenton thấp (dưới 10-25 mg/l H2O2) thì muối Fe2+ đem lại hiệu quả cao hơn. 
Nồng độ H2O2: Các gốc hydroxyl oxy hóa chất hữu cơ mà không phân biệt.
Trong mỗi quá trình chuyển đổi trong chuỗi phản ứng này đều có tốc độ khác nhau. Khi liều lượng H2O2 bắt đầu tăng dần, sự khử COD có thể xảy ra với ít hoặc không có sự thay đổi độc tính cho đến khi đạt một ngưỡng mà trên ngưỡng đó, việc thêm H2O2 sẽ làm giảm nhanh chóng độc tính nước thải.
Nhiệt độ: Hầu hết các ứng dụng của phản ứng Fenton xảy ra ở nhiệt độ 20-400C. Tốc độ phản ứng Fenton tăng cùng với sự gia tăng nhiệt độ, nhất là khi nhiệt độ nhỏ hơn 200C. Khi nhiệt độ lớn trên khoảng 40-500C, hiệu suất sử dụng của H2O2 giảm do sự phân hủy H2O2 tăng.
pH: pH tối ưu của phản ứng Fenton trong khoảng 3-6 (tốt nhất là 4-4,5). Khi pH>6 thì hiệu quả xư lý giảm do  sự chuyển đổi của sắt từ ion sắt II thành dạng keo hydroxit sắt III. Khi pH nhỏ hơn 3, hiệu suất phản ứng cũng sụt giảm nhưng đỡ hơn.
Thời gian phản ứng:  Thời gian cần thiết để hoàn thành một phản ứng Fenton phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đáng chú ý nhất là liều lượng xúc tác và nồng độ  ô nhiễm của nước thải. Đối với sự oxy hóa phenol đơn giản (<250 mg/l), thời gian phản ứng điển hình là 30-60 phút. Đối với nguồn nước đậm đặc hơn, phản ứng có thể mất vài giờ. Trong trường hợp này, thực hiện phản ứng theo từng bậc (nhiều bước), thêm cả vừa sắt và H2O2 sẽ hiệu quả hơn, an toàn hơn là cho tất cả hóa chất vào ngay từ đầu. 
Việc xác định điểm kết thúc phản ứng cũng khá khó khăn. Sự hiện diện của dư lượng H2O2 sẽ cản trở quá trình phân tích nước thải. Dư lượng H2O2 có thể bị khử bằng cách tăng pH đến 7-10, hoặc trung hòa với dung dịch bisulfite.

 

Bình luận