1. QUÁ TRÌNH OXY HÓA NÂNG CAO

Quá trình oxy hóa nâng cao (AOP) là một tập hợp các quy trình xử lý hóa học được thiết kế để loại bỏ các thành phần hữu cơ và vô cơ trong nước và nước thải bằng cách oxy hóa thông qua các phản ứng với các gốc hydroxyl (OH^·). Gốc OH^● là chất oxy hóa phản ứng mạnh nhất trong xử lý nước, với thế oxy hóa từ 2,8 V (pH 0) đến 1,95 V (pH 14) so ​​với SCE (điện cực calomel bão hòa, điện cực so sánh được sử dụng phổ biến nhất) (Tchobanoglous G et al., 2003). Trong các ứng dụng xử lý nước thải, quá trình AOP thường sử dụng phổ biến các hợp chất có tính oxy hóa mạnh như ozone (O₃), hydro peroxyde (H₂O₂) và UV.

Gốc OH^· phản ứng không chọn lọc, một khi được hình thành, các chất ô nhiễm sẽ được phân hủy nhanh chóng và hiệu quả, chuyển thành các phân tử vô cơ nhỏ. Các gốc OH^· được tạo ra với sự trợ giúp của một hoặc nhiều chất oxy hóa chính (ví dụ: ozone, hydro peroxyde, oxy) hoặc các nguồn năng lượng (ví dụ như tia cực tím) hoặc chất xúc tác (ví dụ titan dioxyde).

2. NGUYÊN LÝ VÀ CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH OXY HÓA NÂNG CAO TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ (RH hay PhX), cơ kim loại và chất vô cơ có thể được thực hiện bởi 3 cơ chế sau:

1. i) Tách 1 nguyên tử hydro (đề hydro hóa):

OH^● +  RH  →  R^● + H₂O                                       (1.1)

1. ii) Phản ứng cộng ở liên kết chưa no (hydroxylation):

OH^● +  PhX  →  HOPhX^●                                       (1.2)

iii)    Trao đổi electron (oxy hóa – khử):

OH^● +  RH  →  RH^+● + OH⁻                                  (1.3)

OH^● +  RX  →  RXOH^●  →  ROH^+● + X⁻            (1.4)

Trong số các phản ứng này, phản ứng cộng vào ở vòng thơm (cấu trúc phổ biến của các chất ô nhiễm hữu cơ bền) có hằng số tốc độ từ 108 đến 110 L.mol^-1.s^-1. Do đó, hiện nay các quá trình AOP được xem như là nhóm các phương pháp xử lý rất hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ bền (POPs – Persistant Organic Pollutants), khó hoặc không bị phân hủy sinh học trong nước thành CO₂, H₂O và các chất hữu cơ ngắn mạch hơn, ít độc hơn và có thể bị phân hủy sinh học. (Lê Thanh Sơn, Trần Mạnh Hải và cộng sự., 2017)

3. CÁC TÁC NHÂN ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH OXY HÓA NÂNG CAO

Nghiên cứu cũng cho thấy, trong quá trình xử lý AOP nước thải, các gốc OH^· hoặc gốc sunfat (SO₄^–) được tạo ra với số lượng đủ để loại bỏ các chất hữu cơ chịu nhiệt khó phân hủy, các chất gây ô nhiễm hữu cơ hoặc một số chất ô nhiễm vô cơ nhất định hay để làm tăng khả năng phân hủy sinh học của nước thải như một bước xử lý sơ bộ trước khi xử lý sinh học ở bước tiếp theo. (Yang Deng & Renzun Zhao, 2015)

Theo cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (USEPA), dựa theo đặc tính của quá trình có hay không có sử dụng nguồn năng lượng bức xạ tử ngoại UV mà có thể phân loại các quá trình oxy hóa nâng cao thành hai nhóm:

3.1 Các quá trình oxy hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng.

Các quá trình oxy hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng là các quá trình không nhờ năng lượng bức xạ tia cực tím UV trong quá trình phản ứng và chúng được liệt kê ở bảng dưới:

3.2 Các quá trình oxy hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng

Các quá trình oxy hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng là các quá trình nhờ năng lượng bức xạ tia cực tím UV, bao gồm các quá trình  được trình bày ở bảng dưới:

3.3 Oxy hóa nâng cao liên quan đến Fenton

Trong số những kim loại có khả năng kích hoạt H₂O₂ và tạo gốc hydroxyl trong nước, sắt được sử dụng thường xuyên nhất. Trong cái gọi là quá trình Fenton, H₂O₂ phản ứng với Fe²⁺ để tạo ra các loại phản ứng mạnh. Cơ chế gốc quá trình Fenton chủ yếu liên quan đến các phản ứng sau:

Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + OH^● + OH^–             (1.5)

Gốc OH^● được tạo ra từ phương trình (1.5) thông qua sự chuyển electron. Tuy nhiên phản ứng (1.5) chỉ xảy ra trong môi trường phản ứng axit (pH = 2 – 4), và quá trình Fenton phụ thuộc nhiều vào pH, nồng độ ban đầu các chất phản ứng, sự có mặt của một số ion vô cơ khác. Ngoài ra, tỷ lệ mol tối ưu của ion sắt so với hydrogen peroxide (H₂O₂) cần phải được xác định bằng thực nghiệm để giảm thiểu việc sử dụng hóa chất không tối ưu và lãng phí. (Yang Deng & Renzun Zhao, 2015)

Khi được áp dụng trong điều kiện được điều chỉnh hợp lý, quá trình oxy hóa nâng cao (AOP) có thể giảm nồng độ chất gây ô nhiễm xuống mức thấp, từ đó làm giảm đáng kể COD và tổng lượng carbon hữu cơ (TOC). Quy trình oxy hóa nâng cao trở thành giải pháp được ưa chuộng và sử dụng nhiều trong quy trình xử lý nước thải hiện nay.

Nguồn trích dẫn bài viết: Nguyễn Văn Hiệu. (2021). Xử lý nước thải độc tính cao bằng quá trình oxy hóa nâng cao kết hợp công nghệ màng thẩm thấu ngược: Nghiên cứu điển hình tại Nhà máy điện rác tỉnh Bắc Ninh.