Công nghệ xử lý nước thải AOP ((Advance Oxidation Process))

Các quá trình oxi hóa nâng cao được định nghĩa là những quá trình phân hủy oxi hóa dựa vào gốc hydroxyl (OH.) hoạt động tự do, được tạo ra tại chỗ ngay trong quá trình xử lý. Gốc hydroxyl là một trong những tác nhân oxi hóa mạnh nhất được biết từ trước đến nay, gốc này có khả năng phân hủy không chọn lựa mọi hợp chất hữu cơ, dù là hợp chất khó phân hủy nhất, biến chúng thành các hợp chất vô cơ (còn gọi là khoáng hóa) không độc hại như CO2, H2O, các acid vô cơ…

Từ các tác nhân oxi hóa thông thường như hydrogen peroxide, ozone… có thể nâng cao khả năng oxi hóa của chúng bằng các phản ứng khác nhau để tạo ra gốc hydroxyl, thực hiện quá trình oxi hóa gián tiếp thông qua gốc hydroxyl. Vì vậy các quá trình này được gọi là các quá trình oxi hóa nâng cao AOP (Advanced Oxidation Processes). Quá trình oxi hóa nâng cao là công nghệ tiên tiến có vai trò quan trọng trong việc đẩy mạnh quá trình oxi hóa, giúp phân hủy nhiều loại chất hữu cơ ô nhiễm khác trong nước thải. Các quá trình oxi hóa nâng cao rất thích hợp và đạt hiệu quả cao để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (POPs), hydrocarbon halogen hóa (trihalomethane, trichloroethane, trichloroethylene…), hydrocarbon aromatic (benzene, toluene, ethylbenzene, xylen…), PCBs, nitrophenol, các hóa chất bảo vệ thực vật, dioxine và furans, thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt...

Bảng Khả năng oxi hóa của các tác nhân oxi hóa

(Nguồn: Hager A. G. Innovat. Hazard. Waster Treat. Technol. Ser. 1990)

CƠ SỞ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ AOP

Quá trình tạo ra gốc hydroxyl OH.

Do gốc hydroxyl (OH.) có khả năng oxi hóa rất mạnh, tốc độ phản ứng oxi hóa rất nhanh và không chọn lựa khi phản ứng với các hợp chất khác nhau. Do đó cần tạo ra gốc OH. từ các tác nhân oxi hóa thông thường như hydrogen peroxide thông qua phản ứng hóa học (H2O2/Fe2+, O3/H2O2, O3/xúc tác), hay nhờ năng lượng bức xạ tia UV (O3/UV, H2O2/UV, O3+H2O2/UV, TiO2/UV) và các nguồn năng lượng cao (siêu âm, tia gamma, tia X, chùm electron…).
aop1

Hình minh họa quá trình tạo ra gốc OH. tự do

Cơ chế phản ứng và phương thức phản ứng của gốc hydroxyl OH.

Khi gốc OH. tự do được hình thành, lập tức hàng loạt các phản ứng khác xảy ra tiếp theo kiểu chuỗi những gốc hoạt động mới. Vì vậy, sự hình thành gốc hydroxyl được xem như khơi mào cho hàng loạt các phản ứng khác xảy ra trong dung dịch. Vì phản ứng của gốc hydroxyl xảy ra không chọn lựa, nên trong quá trình đó tạo ra nhiều sản phẩm trung gian khác nhau, khó tiên đoán tất cả những sản phẩm oxi hóa trung gian sinh ra trong quá trình.Gốc hydroxyl có thể tác kích với các chất ô nhiễm theo kiểu sau đây:

Phản ứng cộng với các hợp chất không no, mạch thẳng hoặc vòng thơm, tạo ra gốc hydroxylate hoạt động.
Phản ứng cộng với các hợp chất no hoặc không no, tạo thành nước và gốc mới hoạt động.
Phản ứng trao đổi điện tử tạo ra gốc ion mới hoạt động: Quá trình phản ứng tiếp tục phát triển nhờ các gốc tự do mới sinh ra theo kiểu phản ứng chuỗi cho đến khi vô cơ hóa (khoáng hóa) hoàn toàn hay chuỗi phản ứng bị đứt.

Mục đích mong muốn cuối cùng của các quá trình oxi hóa các chất ô nhiễm trong nước thải là “khoáng hóa”, tức chuyển hóa các chất ô nhiễm hữu cơ thành các chất “vô cơ” đơn giản và không độc hại. Cụ thể là:

Carbon trong phân tử chất ô nhiễm thành carbon dioxide
Hydrogen trong phân tử chất ô nhiễm thành nước
Phospho trong phân tử chất ô nhiễm thành phosphate hay acid phosphoric
Sulfur trong phân tử chất ô nhiễm thành sulfate Nitrogen trong phân tử chất ô nhiễm thành nitrate
Halogen trong phân tử chất ô nhiễm thành acid halogenic
Các hợp chất vô cơ tạo thành trạng thái oxi hóa cao hơn như Fe2+ thành Fe3+

Quá trình phản ứng trong một hệ thống AOP/ GREE

Đặc điểm nổi bật và quan trọng của gốc OH. là hầu như không chọn lựa khi phản ứng với các chất khác nhau để oxi hóa và phân hủy chúng. Trong khi đó, đối với các tác nhân oxi hóa thông thường khác, quá trình không thể xảy ra được với mọi hợp chất chất và hiệu quả Oxi hóa không triệt để.