Hiện nay vấn đề xử lý nguồn nước ô nhiễm do các quá trình dệt nhuộm là hết sức cần thiết. Ước tính có hơn 70.000.000 tấn thuốc nhuộm được sản xuất hàng năm. Trong quá trình nhuộm thì có đến 12-15% tổng lượng thuốc nhuộm không phản ứng gắn màu, thất thoát theo nước thải sau nhuộm. Và phương pháp để xử lý nguồn nước ô nhiễm này là sử dụng quá trình oxi hóa nâng cao (Advanced oxidation processes : AOPs) nhằm oxy hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ của thuốc nhuộm thành CO2 và H2O. Trong các phương pháp oxi hóa bậc cao thì chu trình Fenton sử dụng xúc tác dị thể cho thấy những ưu thế vượt trội so với các phương pháp khác. Bài viết này sẽ giới thiệu những đặc điểm quan trọng và cơ bản nhất của hệ Fenton dị thể.
Vấn đề ô nhiễm nguồn nước do thuốc nhuộm
Trong thời đại công nghiệp cùng với sự phát triển kinh tế kéo theo sự ảnh hưởng tới môi trường và hiện nay vấn đề ô nhiễm nguồn nước cũng là một mối quan tâm lớn của xã hội. Nó bao gồm việc xử lí nước thải không đúng quy định, mưa acid từ nito oxit do quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, các chất thải công nghiệp… Các nguồn ô nhiễm nước khác nhau có chứa những hỗn hợp độc hại từ các chất ô nhiễm hữa cơ vô cơ, thêm vào đó là các kim loại nặng có tác động xấu đến môi trường, đời sống thủy sinh và con người (theo điều tra có khoảng 25% dân số thế giới bị mắc một số bệnh có liên quan đến vấn đề ô nhiễm nguồn nước).
Một số chất ô nhiễm hữu cơ có nguồn gốc từ thuốc nhuộm tổng hợp (trong một số ngành công nghiệp dệt may, da, sơn, in ấn…). Căn cứ vào nhu cầu toàn thế giới ước tính có hơn 100000 tấn thuốc nhuộm đã được thương mại hoá và hơn 70.000.000 tấn được sản xuất hàng năm. Trong quá trình nhuộm thì có đến 12-15% tổng lượng thuốc nhuộm không phản ứng gắn màu, thất thoát theo nước thải sau nhuộm. Theo quy định của EU hiện nay, thuốc nhuộm tổng hợp dựa trên benzindine, 3, 3’-dimethoxybenzidine và 3, 3’-dimethylbenzidine đã được phân loại là chất gây ung thư, vì thế nó đang là một vấn đề nhức nhối cho xã hội và đòi hỏi phải có một phương pháp hiệu quả để loại bỏ những độc tính đó.
Các phương pháp xử lý nước thải nhuộm
Hiện nay, để xử lý nguồn nước thải từ các quá trình dệt nhuộm, người ta thường sử dụng các quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced oxidation processes : AOPs). Các quá trình này dựa trên cơ sở oxy hóa các hợp chất hữu cơ (thuốc nhuộm) thành CO2 và H2O với tác nhân oxy hóa là các gốc tự do hoạt động hydroxyl °OH được tạo ra ngay trong quá trình hoạt động từ các tác nhân ban đầu an toàn, ít độc tính chứ không phải là quá trình sử dụng trực tiếp các chất oxi hóa mạnh như Cl2, O3… Bảng 1 cho chúng ta thấy thế oxy hóa của gốc hydroxyl so với các tác nhân oxy hóa thông thường khác.
Bảng 1: Số oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa thường gặp
Ta thấy gốc hydroxyl là tác nhân oxy hoá mạnh nhất có thế oxy hoá là 2.8V, cao gấp 1.52 lần ozone, gấp 2.05 lần clo.Với thế oxy hóa rất cao, gốc hydroxyl có khả năng oxy hóa mọi hợp chất hữu cơ, dù là loại khó phân huỷ nhất, thành những hợp chất vô cơ không độc hại như CO2, H2O, axít vô cơ…
Trong các quá trình oxi hóa bậc cao thì quá trình Fenton và Fenton có sự bổ trợ của ánh sáng (photo-Fenton) được sử dụng rất rộng rãi và có hiệu suất xử lý thuốc nhuộm rất cao.
Quá trình Fenton được phát triển đầu tiên bởi Fenton vào năm 1894. Quá trình này được sử dụng để oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong nước với các tác chất là H2O2và FeSO4. Mãi sau đó 14 năm thì cơ chế phản ứng mới được đề nghị bởi Haber-weiss(1934). Và kết quả quan trọng nhất của cơ chế đề nghị này chính là sự hình thành gốc hydroxyl °OH như hợp chất trung gian.
Ngoài ra, người ta cũng nhận thấy khả năng oxi hóa của quá trình Fenton có thể được tăng mạnh khi có sự chiếu sáng bằng tia UV hay thậm chí ánh sáng khả kiến. Khi có mặt của bức xạ thì gốc °OH có thể được hình thành theo các phản ứng dưới đây
Các quá trình fenton hay photo fenton đều phụ thuộc vào nồng độ H2O2, nồng độ muối Fe và pH.
Trong quá trình tiến hành phản ứng, xúc tác Fenton có thể là đồng thể hay dị thể. Ở hình 1 sẽ trình bày một số đặc điểm quan trọng của hệ xúc tác đồng thể và dị thể
Trong pha đồng thể, những sự thay đổi hóa học chủ yếu phụ thuộc vào bản chất của sự tương tác giữa các tác chất với nhau (thuốc thử Fenton và các hợp chất cần xử lý). Tuy nhiên trong pha dị thể, ngoài quá trình xúc tác do tương tác của các tâm hoạt tính với tác chất còn phải kể đến 2 quá trình hết sức quan trọng là hấp phụ của tác chất lên bề mặt xúc tác (rắn) và quá trình giải hấp của sản phẩm ra khỏi bề mặt xúc tác.
Quá trình Fenton đồng thể có thể được hoạt hóa bởi những tâm hoạt tính của chúng là Fe2+ hoặc Fe3+, còn trong quá trình Fenton dị thể tâm hoạt tính có thể là các ion sắt được mang trên bề mặt các chất mang dưới dạng [Fe(OH)2]+, [Fe(H2O)]2+, [Fe(H2O)]3+, [Fe2(OH)2]4+, Fe-polycation, Fe2O3 và α-FeOOH …
Mặt khác chi phí cho quá trình Fenton đồng thể để xử lí nước thải trở nên đắt đỏ do tiêu thụ nhiều H2O2, khó khăn trong việc tách xúc tác ra khỏi sản phẩm … làm cản trở việc xử lí ở những nước đang phát triển. Ngoài ra, còn có những hạn chế như sự hình thành bùn trong quá trình xử lí, giới hạn pH chỉ từ 2.5-3.5, lượng lớn sắt mất đi và đi vào môi trường, khó khăn trong việc phục hồi ion sắt…
Do vậy nên chất xúc tác dị thể để xử lí chất ô nhiễm nước thải trong hệ thống Fenton hiện đang rất được quan tâm. Chất xúc tác dị thể có ưu thế vượt trội là dễ dàng tách ra khỏi sản phẩm. Bên cạnh đó, cùng với sự hỗ trợ của bức xạ UV, phức Fe3+ bị phá hủy và dễ dàng hoàn nguyên thành Fe2+ và tiếp tục tham gia vào chu kì xúc tác Fenton. Trong pha rắn dị thể, kích thước lỗ xốp, sự phân tán lỗ xốp, đặc tính lỗ xốp và bề mặt riêng là những nhân tố quan trọng cần thiết xem xét trước khi phản ứng. Dựa vào IUPAC, kích thước lỗ xốp được phân loại làm 3 loại: microporous (<2nm), mesoporous (từ 2-50nm) và macroporous lớn hơn 50nm. Đối với phản ứng Fenton dị thể thì các chất mang với cấu trúc mesoporous thường được sử dụng nhiều nhất để tổng hợp các hệ xúc tác xử lý thuốc nhuộm tổng hợp.
Trong bảng 2, chúng tôi tổng hợp một số đặc điểm khác biệt nổi bật của quá trình xúc tác Fenton đồng thể và dị thể.
Bảng 2: So sánh phản ứng Fenton đồng thể và Fenton dị thể dưới những miêu tả khác nhau.
Từ những kết quả trên nhận thấy quá trình Fenton đồng thể còn gặp một số hạn chế nên quá trình Fenton dị thể được tập trung phát triển nhiều hơn. Bài viết kỳ tới sẽ thảo luận về các khía cạnh cơ bản của quá trình Fenton dị thể và khả năng xử lý thuốc nhuộm của hệ Fenton trên cơ sở các chất mang là vật liệu vô cơ. Chúng tôi cũng sẽ tổng hợp một số kết quả gần đây trên các hệ Fenton dị thể sử dụng sắt mang những chất mang rắn khác nhau (zeolite, đất sét, carbon hoạt hóa, oxit nhôm) để xử lí thuốc nhuộm tổng hợp.
Tài liệu tham khảo
[1]. Ai Ni Soon and B. H. Hameed, Desalition 269 (2011), 1-16
[2]. A. Santos, P. Yustos, S. Rodríguez, F. Garcia-Ochoa, M. de Gracia, Ind. Eng. Chem. Res. 46 (2007) 2423–2427.
[3] O.K. Dalrymple, E. Stefanakos, M.A. Trotz and D.Y. Goswami, Appl. Catal. B 98 (2010), pp. 27–38
[4] J. Feng, X. Hu, P.L. Yue, H.Y. Zhu and G.Q. Lu, Water Res. 37 (2003), pp. 3776–3784
Theo cyberchemvn.com
Leave a Reply